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為什么二氧化碳會成為地球的溫室氣體
發布時間:2021-06-11     作者:   來源:新浪科技   分享到:

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  為什么二氧化碳被人們稱為溫室氣體呢?二氧化碳是一種紅外活性分子,它能吸收地球表面釋放的長紅外輻射。1856年夏季,科學家尤妮斯·福特試圖找出影響太陽光熱量的因素,她的實驗結論顯示,在陽光照射下,富含碳酸氣體(現在被稱為二氧化碳)的封閉環境比在普通空氣環境中升溫更快,當遠離陽光直射時,它的冷卻速度要慢很多。

  尤妮斯在論文中指出,富含二氧化碳的大氣層會給地球帶來高溫,假設在地球歷史上的某個時期,空氣中混入二氧化碳的比例比現在更大,將出現高溫氣候……。但由于該論文并未發表,該研究結論在當時并未引起太多關注,但現在伴隨著全球氣候趨暖,人們開始更加關注二氧化碳氣體效應,顯然當前正如尤妮斯在19世紀50年代所預測的那樣,人類正在面對一個不太愉快的高溫未來。

  除非人類能在地下環境生活十幾年,否則你肯定知道二氧化碳是一種導致全球氣候轉暖的溫室氣體(雖然從技術上講,全球氣候轉暖是由于人類活動所導致的),但是,當空氣中其他主要成分不是溫室氣體時,二氧化碳有什么“資格”成為溫室氣體呢?讓我們來了解一下,二氧化碳氣體如何使蘇打水產生氣泡,以及如何導致冰川崩潰……

  溫室氣體簡史

  地球平均每天從太陽接收到大約10億焦耳的能量,賦予生命的陽光是紫外線、可見光和紅外線的混合物。

  在所有光線到達地球表面之前,我們的大氣層就像一個55000萬億噸的氣體毯漂浮在人類頭頂上,在臭氧層的幫助下過濾了99%的紫外線(不是100%,因此人們不要忘記涂防曬霜)。然后大氣層能讓可見光照射進來,照亮地球,最終紅外線能使地球變暖,使處于寒冷狀態中的生命獲得熱量。

  照射地球表面的紅外線被不同物體吸收,然后以熱量的形式輻射出去,反射的熱量試圖從天空中被加熱區域轉移至較冷區域,這時它們面臨著熱量的“控制者”——溫室氣體。

  像二氧化碳、水蒸汽、氮氧化物、甲烷和含氯氟烴等氣體,能夠阻止熱量完全逸入太空,如果沒有它們,地球將會是一個平均溫度低于零下18攝氏度的冰凍星球。

  什么因素使二氧化碳氣體成為溫室氣體?

  在該情況下,當我們說紅外線或者紅外輻射時,通常指的是地球表面反射的紅外射線,而不是與太陽光線一起進入地球大氣層的紅外射線。

  空氣的主要成分,例如:氮氣和氧氣,對紅外輻射是“透明”的,這意味著這些氣體不與紅外輻射相互作用,然而,二氧化碳氣體具有紅外活性,它會與紅外輻射發生一些化學反應,從而阻止二氧化碳離開地球(雖然不是全部)。那么這些分子干擾紅外射線的路徑時會發生什么呢?為此,我們需要放大單個氣體分子。

  即使在常溫常壓條件下,氣體分子也處于恒定振動狀態,當受到外部能量的沖擊時,這些運動會變得更加劇烈?,F在人們可以想象一下二氧化碳分子的碳原子和氧原子是乒乓球,連接它們的鍵是彈簧。在正常情況下,這些化學鍵會以特定頻率彎曲和拉伸,并在大氣中懸浮。

  當紅外輻射光子撞擊氣體分子時,氣體分子會吸收光子然后被激活,并開始以更快的速度振動,然而,該氣體分子不能保持長時間較快運動,必須放松恢復至原始狀態,它通過將能量釋放至空氣,或者轉移至附近的二氧化碳分子來實現。

  同樣的現象在數萬億個二氧化碳分子中一次次重復發生,能量的持續吸收、激活和再釋放是氣體分子捕獲熱量的根本原因。

  為什么氮氣和氧氣不是溫室氣體呢?

  在每個分子中,由于原子核和電子云的相互作用,它們都擁有正負電荷,當二氧化碳、甲烷或者二氧化氮等雜核分子發生振動時,它們的電荷分布會發生變化。有時它們是均勻分布的,但有時不是?;瘜W鍵之間電荷的不均勻分布會產生電場,使它們對電磁輻射(例如:紅外輻射)非常敏感。

  然而,在像氮氣和氧氣這樣的雜核氣體中,即使化學鍵被拉伸,電場也不會發生變化,因此,電磁輻射不受阻礙地通過它們,此外,當涉及到與輻射相互作用的頻率時,氣體分子是非常挑剔的。二氧化碳容易吸收較低能量的長波紅外輻射,而氮氣和氧氣僅吸收較高能量的輻射,例如:伽馬或者X射線。

  二氧化碳是最危險的溫室氣體嗎?

  單個含氯氟烴分子所產生的碳足跡相當于10000個二氧化碳分子,甲烷可以吸收30倍以上的熱量,而水蒸汽是空氣中所有溫室氣體中吸收熱量最強的。

  盡管水蒸汽比二氧化碳吸收熱量更多,但它們的濃度并沒有受到人類活動的顯著影響。二氧化碳就完全不一樣,因為它是人為活動的主要副產品,自上世紀70年代以來,二氧化碳排放量增大了90%,因此,雖然二氧化碳本身不是最危險的溫室氣體,但由于它向大氣中不受管制地過度排放,現已成為人們關注的焦點。

  結論

  二氧化碳是維持地球具有生命適宜性的一個非常重要因素,它可以使水保持液態,使人類家園適宜居住,但由于過度排放造成的失衡,夏季氣溫逐年遞增,幸運的是,大自然以土壤、森林和海洋的形式為我們提供了巨大的碳沉積,我們至少能保護和修復地球,提供較好的生命適宜環境。

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