两百年前 ， 法国物理学家约瑟夫·傅里叶 (Joseph Fourier)研究了太阳对地面的辐射和从地面发出的辐射之间的能量平衡 。 他解释了大气在这种平衡中的作用：在地球表面 ， 传入的太阳辐射被转化为外向辐射——"暗热"——被大气吸收 ， 从而加热它 。 大气的保护作用现在被称为温室效应 。 取这个名字是因为它与温室中的玻璃窗格十分相似 ， 这些玻璃窗格允许太阳加热光线的通过 ， 但将热量保存在里面 。 相比之下 ， 大气中的辐射过程要复杂得多 。
这项任务与傅里叶承担的任务相同——调查向地球辐射的短波太阳辐射与地球向外发出的长波红外辐射之间的平衡 。 在接下来的两个世纪里 ， 许多气候科学家增添了相关细节 。 当代气候模型是极其强大的工具 ， 不仅是为了理解气候 ， 也是为了理解人类对全球变暖的影响 。
这些模型基于物理定律 ， 并且是从用于天气预测的模型上发展而来的 。 天气由温度、降水、风或云等气象量描述 ， 并且受到海洋和陆地上发生情况的影响 。 气候模型通常是基于天气的计算统计属性 ， 比如一些参量的平均值、标准偏差、最高值和最低测量值等 。 他们不能告诉我们明年12月10日斯德哥尔摩的天气 ， 但我们可以了解12月斯德哥尔摩的平均气温或降雨量 。
确定二氧化碳的作用
温室效应对地球上的生命至关重要 。 温室效应控制了地球的温度 ， 因为那些温室气体 ， 例如二氧化碳、甲烷、水蒸气等 ， 首先吸收红外辐射 ， 然后通过释放这些能量来加热大气与地面 。
温室气体实际上仅仅占据干燥空气的很少一部分 ， 空气的主要成分是氮气与氧气 ， 它们加起来占据了99%的体积 。 而二氧化碳仅仅占据0.04% 。 温室效应最强的气体是水蒸气 ， 但是我们并不能控制大气中的水蒸气的浓度 ， 然而我们可以控制空气中的二氧化碳浓度 。
大气中的水蒸气含量高度依赖于温度 ， 这就产生了一种正反馈机制 。 更多的二氧化碳会使得大气温度变得更高 ， 这会引起大气中的水蒸气含量增加 ， 进而会强化温室效应 ， 使得大气温度更高 。 相反地 ， 如果二氧化碳的含量减少 ， 一些水蒸气会凝结 ， 大气温度也会降低 。
关于二氧化碳对气候的影响的第一个重要研究成果来自瑞典研究员诺贝尔奖获得者斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius） 。 另外 ， 在1901年他的同事气象学家尼尔斯·古斯塔夫·埃科赫姆（Nils Ekholm）第一次使用温室效应这个词来描述大气吸热与逆辐射过程 。
在19世纪末阿伦尼乌斯了解了造成温室效应的物理原理——绝对黑体在单位面积的辐射功率与黑体的绝对温度的四次方成正比 。 辐射源的温度越高 ， 热辐射的波长越短 。 太阳表面的温度大约是6000°C ， 辐射能量主要集中在光谱的可见光波段 。 地球的表面温度大约是15°C ， 逆辐射发出的红外辐射我们是看不到的 。 如果大气层不吸收这种辐射 ， 地表的温度几乎不会超过–18°C 。
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