二氧化碳如何成为地球的温室气体

为什么二氧化碳被人们称为温室气体呢？二氧化碳是一种红外活性分子，它能吸收地球表面釋放的长红外辐射。1856年夏季，科学家尤妮斯·福特试图找出影响太阳光热量的因素，她的实验结论显示，在阳光照射下，富含碳酸气体（现在被称为二氧化碳）的封闭环境比在普通空气环境中升温更快，当远离阳光直射时，它的冷却速度要慢很多。

尤妮斯在论文中指出，富含二氧化碳的大气层会给地球带来高温，假设在地球历史上的某个时期，空气中混入二氧化碳的比例比现在更大，将出现高温气候。但由于该论文并未发表，该研究结论在当时并未引起太多关注，但现在伴随着全球气候趋暖，人们开始更加关注二氧化碳气体效应，显然当前正如尤妮斯在19世纪50年代所预测的那样，人类正在面对一个不太愉快的高温未来。

除非人类能在地下环境生活十几年，否则你肯定知道二氧化碳是一种导致全球气候转暖的温室气体，虽然从技术上讲，全球气候转暖是由于人类活动所导致的。但是，当空气中其他主要成分不是温室气体时，二氧化碳有什么“资格”成为温室气体呢？让我们来了解一下，二氧化碳气体如何使苏打水产生气泡，以及如何导致冰川崩溃……

温室气体简史

地球平均每天从太阳接收到大约10亿焦耳的能量，赋予生命的阳光是由紫外线、可见光和红外线混合而成的。

在所有光线到达地球表面之前，我们的大气层就像一个55000万亿吨的气体毯漂浮在人类头顶上，在臭氧层的帮助下过滤了99%的紫外线。然后大气层能让可见光照射进来，照亮地球，最终红外线能使地球变暖，使处于寒冷状态中的生命获得热量。

照射地球表面的红外线被不同物体吸收，然后以热量的形式辐射出去，反射的热量试图从天空中被加热区域转移至较冷区域，这时它们面临着热量的“控制者”——温室气体。

像二氧化碳、水蒸气、氮氧化物、甲烷和含氯氟烃等气体，能够阻止热量完全逸入太空，如果没有它们，地球将会是一个平均温度低于零下18℃的冰冻星球。

什么因素使二氧化碳成为温室气体？

在该情况下，当我们说红外线或者红外辐射时，通常指的是地球表面反射的红外射线，而不是与太阳光线一起进入地球大气层的红外射线。

空气的主要成分，例如：氮气和氧气，对红外辐射是“透明”的，这意味着这些气体不与红外辐射相互作用。然而，二氧化碳气体具有红外活性，它会与红外辐射发生一些化学反应，从而阻止二氧化碳离开地球（虽然不是全部）。那么这些分子干扰红外射线的路径时会发生什么呢？为此，我们需要放大单个气体分子。

即使在常温常压条件下，气体分子也处于恒定振动状态，当受到外部能量的冲击时，这些运动会变得更加剧烈。现在人们可以想象一下二氧化碳分子的碳原子和氧原子是乒乓球，连接它们的键是弹簧。在正常情况下，这些化学键会以特定频率弯曲和拉伸，并在大气中悬浮。

当红外辐射光子撞击气体分子时，气体分子会吸收光子然后被激活，并开始以更快的速度振动。然而，该气体分子不能保持长时间较快运动，必须放松恢复至原始状态，它通过将能量释放至空气，或者转移至附近的二氧化碳分子来实现。

同样的现象在数万亿个二氧化碳分子中一次次重复发生，能量的持续吸收、激活和再释放是气体分子捕获热量的根本原因。

为什么氮气和氧气不是温室气体呢？

在每个分子中，由于原子核和电子云的相互作用，它们都拥有正负电荷，当二氧化碳、甲烷或者二氧化氮等杂核分子发生振动时，它们的电荷分布会发生变化。有时它们是均匀分布的，但有时不是。化学键之间电荷的不均匀分布会产生电场，使它们对电磁辐射（例如：红外辐射）非常敏感。

然而，在像氮气和氧气这样的杂核气体中，即使化学键被拉伸，电场也不会发生变化，因此，电磁辐射会不受阻碍地通过它们。此外，当涉及与辐射相互作用的频率时，气体分子是非常挑剔的。二氧化碳容易吸收较低能量的长波红外辐射，而氮气和氧气仅吸收较高能量的辐射，例如：伽马或者X射线。

二氧化碳是最危险的温室气体吗？

单个含氯氟烃分子所产生的碳足迹相当于1万个二氧化碳分子，甲烷可以吸收30倍以上的热量，而水蒸气是空气中所有温室气体中吸收热量最强的。

尽管水蒸气比二氧化碳吸收热量更多，但它们的浓度并没有受到人类活动的显著影响。二氧化碳就完全不一样，因为它是人为活动的主要副产品，自20世纪70年代以来，二氧化碳排放量增大了90%。因此，虽然二氧化碳本身不是最危险的温室气体，但由于它向大气中不受管制地过度排放，现已成为人们关注的焦点。

结论

二氧化碳是维持地球具有生命适宜性的一个非常重要的因素，它可以使水保持液态，使人类家园适宜居住，但由于过度排放造成的失衡，夏季气温逐年递增。幸运的是，大自然以土壤、森林和海洋的形式为我们提供了巨大的碳沉积，我们至少能保护和修复地球，提供较好的生命适宜环境。