轨道碳观测站卫星精确测量了太空中地球的二氧化碳水平。图片来源：NASA / JPL

二氧化碳占世界大气的0.04％。不是0.4％或4％，而是0.04％！这么小的比例，为何在全球变暖中如此重要？

关键原因在于二氧化碳会吸收从地球表面散发热量，导致其无法向太空逸散。

以科学家查尔斯·大卫·基林（Charles David Keeling）命名的“基林曲线”，以千分之一为单位，追踪地球大气中二氧化碳的积累。图片来源：斯克里普斯海洋学研究所

早期温室科学

首次发现二氧化碳对1850年代气候的重要性的科学家也感到惊讶。英格兰的约翰·廷德尔和美国的尤尼斯·富特分开工作，发现二氧化碳，水蒸气和甲烷都吸收了热量，而更丰富的气体却没有吸收。

科学家已经计算出，考虑到到达其表面的阳光量，地球的温度比其应有的温度高59华氏度（33摄氏度）。对此差异的最好解释是大气层保留了热量来加热地球。

廷德尔和富特指出，氮和氧合起来占大气的99％，因为它们不吸收热量，因此对地球的温度基本上没有影响。相反，他们发现，浓度低得多的气体通过捕获热量产生自然的温室效应，完全负责维持使地球宜居的温度。

大气中的毯子

地球不断从太阳接收能量，并将其辐射回太空。为了使行星的温度保持恒定，从太阳接收的净热量必须通过其散发的热量加以平衡。

由于太阳很热，它以短波辐射的形式释放能量，主要是紫外线和可见波长。地球温度要低得多，因此它以红外辐射的形式散发热量，而红外辐射的波长更长。

电磁频谱是所有类型EM辐射的范围-能量随其传播而传播。太阳比地球要热得多，因此它以较高的能级发射辐射，而辐射的能量更短。图片来源：NASA

红外辐射

二氧化碳和其他集热气体的分子结构使它们能够吸收红外辐射。分子中原子之间的键会以特定方式振动，例如钢琴弦的音高。当光子的能量与分子的频率相对应时，它就会被吸收，并且能量会转移到分子上。

二氧化碳和其他集热气体具有三个或更多个原子，其频率与地球发出的红外辐射相对应。分子中只有两个原子的氧和氮不吸收红外辐射。

来自太阳的大多数入射短波辐射都通过大气层而未被吸收。但是大多数外发的红外辐射被大气中的热气吸收。然后它们可以释放或重新散发热量。一些返回地球表面，使地球比以前更温暖。

地球从太阳（黄色）接收太阳能，并通过反射一些入射光并辐射热量（红色）将能量返回到太空。温室气体会捕集一部分热量，并将其返回到地球表面。图片来源：NASA

观察温室效应

您是否曾经注意到，即使平均温度相同，沙漠在夜间通常比森林更冷？沙漠上空的大气中没有太多的水蒸气，它们散发出的辐射很容易逸出太空。在更潮湿的区域，来自表面的辐射被空气中的水蒸气捕获。同样，多云的夜晚往往比晴朗的夜晚温暖，因为存在更多的水蒸气。

在过去的气候变化中可以看到二氧化碳的影响。过去一百万年来的冰芯显示，温暖时期的二氧化碳浓度很高，约为0.028％。在冰河时期，当地球比20世纪凉爽约7至13 F（4-7 C）时，二氧化碳仅构成大气的0.018％。

尽管水蒸气对于自然温室效应更为重要，但二氧化碳的变化已推动了过去的温度变化。相反，大气中的水蒸气水平与温度有关。随着地球变暖，其大气中可以容纳更多的水蒸气，这在称为“水蒸气反馈”的过程中会放大初始变暖。因此，二氧化碳的变化已成为过去气候变化的控制性影响。

科学家普遍认为，自1880年代以来，地球的平均表面温度已经增加了约2 F（1 C），如果不控制排放，到2100年二氧化碳可能会达到大气的0.1％，是工业革命之前的三倍多，这将会引发严重问题，甚至危及人类生存。