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温室气体对热的吸收性能
建议你去看看IPCC出的第四次气候变化综合报告,其中详细解释了这些专业问题,国内的橡树村又特别解读了这份报告的内容,希望这些东西帮到你.
地球的能量收支，都是以辐射的形式来进行的。热的传递有三种方式，传导，对流，辐射。对于地球这个天体来讲，能量的来源是太阳。太阳与地球没有直接接触，两个天体之间也是真空，既不能传导，也不能对流，也只有辐射这一个方式来进行能量传递。地球对外也要散发能量，同样是因为地球周围的真空存在，既不能传导也不能对流，也只有辐射的形式把能量散发出去。实际上天体之间进行能量传递，也只有辐射这个方法是可行的。辐射强迫里面的这个辐射，实际上说的就是地球的能量吸收和散发的方式。
地球的能量是大致平衡的。也就是说，地球从太阳得到了多少能量，也基本上需要释放出去多少能量。不过实际情况要复杂一些。地球不是一个均匀的物体，地球外面有一圈大气，大气还分了层。最靠近地球表面的是对流层，10-20公里厚，不同地区不同季节厚度有变化。人就居住在这个对流层里面，绝大多数的活动也都发生在对流层里面。之所以叫对流层，是因为地表把最底层的大气加热，热空气受热以后上升，然后有冷空气下降补充缺失的空气，形成对流。大气中的绝大多数水蒸气都在这个对流层里面，水给大气增加了很多乐趣，什么云雾雪雨，都是水在不同条件下的形态，自然也增加了大气行为的复杂性，这样才有了风雨雷电等等各式各样的气候变化。气象学研究的主要对象就在这个对流层。对流层外面是平流层，距离地面10-公里以上。在平流层，低于30公里的高空气温变化不明显，保持在零下55摄氏度，所以也叫做同温层，再向外，是中间层、暖层、散逸层。因为影响具体气候的主要在对流层，而能量对于气候变化影响巨大，所以对流层与平流层的交界的地方的能量平衡，就成了研究的对象。描述对流层顶层（实际上说的是对流层和平流层的交界）的能量偏离稳定状态的指标，就是这个辐射强迫。
大气也是分层的
简单的来说，这个辐射强迫，就是对这个对流层顶的能量进出净值的定量描述。来往于这个层面的能量还是挺热闹的，外来的，是太阳的直接辐射，向外的，有地表直接向外的辐射，有大气向外的辐射。而影响这些辐射变化的因素又有很多，比如太阳黑子，比如火山爆发，比如温室气体，都对这个层面往来的能量有影响。这些具体因素对这个层面的辐射的影响，又可以单独分析，最终汇合成整体的这个层面上能量的变化。所谓的二氧化碳的辐射强迫，就是因为二氧化碳在大气中的变化，而导致的辐射能量的变化。为了描述方便，方向指向地面的辐射被定义为正值，也就是说太阳辐射如果增强，那么这个辐射强迫就是正值，而太阳的辐射如果减弱，那么这个辐射强迫就是负值。相对于一个稳定的状态，如果综合的辐射强迫成了正值，那么留在对流层内部的能量就要增多，如果综合的辐射强迫成了负值，那么留在对流层内部的能量就要减少。留在对流层内部的能量，与地表的温度有一定的关系，所以这个辐射强迫就与地球的温度有关系。这个概念，在研究气候变化的时候是非常重要的。研究各个因素对气候变化的影响，主要的研究对象就是这个辐射强迫。IPCC给出的描述是辐射强迫是由于气候变化外部驱动因子的变化造成的对流层顶净辐射照度发生的变化。既然是变化值，就需要有参考值。IPCC使用的参考值，是1750年的状态，并且在处理的时候，一般都是在指年平均的数值。 IPCC研究的辐射强迫，既包括大自然自1750年以来的变化导致的辐射强迫，也包括人类行为自1750年以来导致的辐射强迫，并对这两者进行比较，来判断哪一个是辐射强迫变化的主要原因。辐射强迫的单位是瓦每平方米，这个面积单位，指的是对流层顶的面积。
那么二氧化碳为什么会导致辐射强迫呢？因为大气中的二氧化碳会影响地球对外的辐射。这个作用，就是著名的温室效应。介绍温室效应先要详细描述一下地球的能量收支情况。前面讲了，地球从太阳以辐射的形式接收能量，自己也以辐射的形式向外散发能量。太阳辐射的能量，按照AR4引用的文献，在白天，到达大气顶层表面，平均是每平方米1367瓦特。这要扣除黑夜，以及角度问题，平摊到整个大气的顶层，要除以4，结果就是每平米342瓦。这每平米342瓦里面，有一部分被大气中的云层、气溶胶，以及大气本身反射，这个数值大约是每平方米77瓦。地表的水面、冰面、雪面、沙漠等平均下来也要反射每平米30瓦，总共反射了107瓦。反射掉的总共有大约30%。大气本身也可以直接吸收一部分，数值是每平米67瓦。余下的每平米168瓦被地表吸收。简单的说，地表吸收了太阳辐射的将近50%的能量。太阳辐射基本上在可见光谱波段，也叫做短波辐射，对于这个波段的辐射，大气的组分变化对于大气的反射和吸收的影响都很小。能够对这个波段的辐射产生较大影响的，有太阳辐射本身的变化、云层以及气溶胶的变化，这三者也就有自己的辐射强迫，以后会专门讲。地球向外的辐射是长波辐射，或者说热红外辐射。平均下来，地球从太阳接收的能量，应该等于地球向外辐射的能量。因为地球向外的辐射与地表的温度有关，就可以计算要实现这个能量平衡，地表温度应该是多少。这个温度，只与太阳的表面温度，太阳的半径，地球和太阳之间的距离，以及地球的反照率有关。按照前面描述的数值，可以计算地表的有效温度，应该是零下19摄氏度。
地球的能量收支平衡。细节以后说明
但是实际上，地球表面的平均温度是14摄氏度，比零下19摄氏度高了33摄氏度，造成这个差距的，就是温室效应。地表向外辐射的红外线，可以被大气中的一些组分吸收。实际上地表向外绝大多数的热红外辐射都被大气的这些气体吸收了。这些能量被大气吸收了之后，再向周围散发。这个散发就不仅仅是对外的了，可以是各个方向的。向外的一部分，最终散发出了对流层，完成地球的对外辐射和整体能量平衡，而其他方向的，就有一部分被反射回到了地面，增强了对地表的绝对辐射。这就等于是把热量留在了对流层和地表，从而加热地表和底层大气，造成底层大气和地表温度升高。这个效应就叫做温室效应。而当大气中具有温室效应的物质增多以后，大气就会吸收更多的地表放射的辐射，从而把更多的辐射反向回馈到地表或者保留在底层大气，从而加热地表和底层大气，这就叫增强的温室效应。当然要确定地表和底层大气的能量是否增加，不能只看温室效应一个因素，还需要考虑太阳辐射的变化、云层和气溶胶反射的变化，以及其他各种会影响地表能量平衡的所有变化，才能得到变化后影响的净值。这个复杂的模型我们以后再谈。对于单一的具有温室效应的物质来讲，其浓度的变化，对于这个地表低层大气体系的影响，就可以使用这个辐射强迫来描述，来看这种物质单独的影响。
对于二氧化碳来讲，其浓度的变化导致的辐射强迫，是可以计算的。这个计算还是挺麻烦的，要通过对光谱特征的仔细分析，一点一点地来计算其对红外辐射的吸收能力，也有的科学家使用其他方法估算。这方面的研究也一直有发展。IPCC的第一次报告FAR里面使用的计算方法，后来被发现比实际值偏高，所以在第三次报告TAR里面有所修正，AR4仍然使用了TAR的计算方法。AR4的报告到了总结阶段，2006年，有了一篇对光谱的详细分析文章计算这个辐射强迫，与 AR4使用的数值差距在10%误差以内，满足90%置信水平的要求，所以AR4对这个计算方法并没有修正。后来又有文献说辐射强迫综合值有可能会有20% 的误差，这些也只能等到第五次报告AR5里面才有体现了。
IPCC的AR4给出的结果是，自工业化以来，大气中二氧化碳浓度的变化导致的辐射强迫是1.66+-0.17W/m2。扣除掉反射，太阳提供给地球的能量也就是235W/m2，二氧化碳浓度增高一项就导致了相当于太阳净辐射0.7%的能量变化，还是很可观的。
为什么二氧化碳这个“温室气体”制冰更低碳？
二氧化碳是非常典型的温室气体。我们一提到二氧化碳首先要想到它的这个属性。
但是，二氧化碳这种物质却是一种非常低碳的制冰剂。
之所以会出现如此情况，是因为以下几个方面的原因：
1，二氧化碳做制冰剂，可以减少温室气体总量。
环境当中，二氧化碳的总量是一定的。
如果用其他物质做制冷剂，会给环境带来了额外的负担。
而用二氧化碳做制冷剂的话，消耗的只是环境当中的二氧化碳，不会产生其他温室气体，不会给环境带来更多的不良影响。
2，二氧化碳不破坏臭氧层。
二氧化碳虽然是一种非常典型的温室气体，但是它却不破坏臭氧层。
因此，二氧化碳做制冷剂，不会给环境带来额外的不良影响。……而如果使用其他物质做制冷剂的话，可能破坏臭氧层，给环境造成额外的不良影响。
3，二氧化碳制冷效果效果更好。
二氧化碳这种物质，拥有更好的制冷效果，比其他制冷剂拥有更好的制冷效果。……因此，二氧化碳这种物质就是一种效果非常好的制冷剂。
因此，二氧化碳这种物质对于制冷剂这个领域来说，是一种性能优良的制冷剂，不但不会给环境造成额外的不良影响，而且还拥有更好的制冷效果，因此它就是一种非常低碳环保的制冷剂。
温室气体的主要种类
温室气体 （GHG Greenhouse Gas）： 指任何会吸收和释放红外线辐射并存在大气中的气体。京都议定书中规定控制的6种温室气体为：二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）、氢氟碳化合物（HFCs） 、全氟碳化合物（PFCs）、六氟化硫（SF6）。
地球的大气中重要的温室气体包括下列数种：二氧化碳（CO₂）、臭氧（O3）、氧化亚氮（N₂O）、甲烷（CH4）、氢氟氯碳化物类（CFCs，HFCs，HCFCs）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF6）等。由于水蒸气及臭氧的时空分布变化较大，因此在进行减量措施规划时，一般都不将这两种气体 纳入考虑。至于在1997年于日本京都召开的联合国气候化纲要公约第三次缔约国大会中所通过的〔京都议定书〕，明订针对六种温室气体进行削减，包括上述所提及之： 二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N₂O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF6）。其中以后三类气体造成温室效应的能力最强，但对全球升温的贡献百分比来说，二氧化碳由于含量较多，所占的比例也最大，约为55%。
二氧化碳
大气中的二氧化碳（CO₂）是植物光合作用合成碳水化合物的原料，它的增加可以增加光合产物，无疑对农业生产有利。同时，它又是具有温室效应的气体，对地球热量平衡有重要影响，因此它的增加又通过影响气候变化而影响农业。此外，大气中具有温室效应的微量气体还有甲烷、氯氟烃、一氧化碳、臭氧等，总的温室效应中二氧化碳的作用约占一半，其余为以上各种微量气体的作用。
二氧化碳浓度有逐年增加的趋势，50年代其质量分数年平均值约315×10（-6），70年代初已增加至325×10（-6），已超过345×10（-6），平均每年增加1.0-1.2×10（-6），或每年约以0.3%的速度增长。综合多数测定结果，在工业革命以前的二氧化碳质量分数为275×10（-6）。
大气中二氧化碳浓度增加的主要原因是工业化以后大量开采使用矿物燃料。1860年以来，由燃烧矿物质燃料排放的二氧化碳，平均每年增长率为4.22%，而近30年各种燃料的总排放量每年达到50亿吨左右。
大气中二氧化碳增加的另一个主要原因是采伐树木作燃料。森林原是大气碳循环中的一个主要的“库”，每平方米面积的森林可以同化1-2kg的二氧化碳。砍伐森林则把原本是二氧化碳的“库”变成了又一个向大气排放二氧化碳的“源”。据世界粮农组织（FAO，1982）估计，70年代末期每年约采伐木材24亿立方米，其中约有一半作为燃柴烧掉，由此造成的二氧化碳质量分数增加量每年可达0.4×10（-6）左右。
近200年来，另一个主要的温室气体——甲烷的增加也十分迅速。人和草食动物的肠道、粪便、沼泽地，稻田等都是产生甲烷的“源”。此外，人类在开采天然气和煤炭时，也向大气中排放甲烷。在工业化以前，大气中的甲烷的质量分数只有0.7×10（-6），已接近1.9×10（-6），预计到2030年可达到2.34×10（-6）。
氯氟烃是近50年工业污染的结果，70年代初首次检测到大气中的氯氟烃。由于氯氟烃可以破坏大气臭氧层而且本身又具有温室效应，因而已受到各国重视。
根据以上综合分析，如果按现二氧化碳等温室气体浓度的增加幅度，到21世纪30年代，二氧化碳和其它温室气体增加的总效应将相当于工业化前二氧化碳浓度加倍的水平，可引起全球气温上升1.5-4.5℃超过人类历史上发生过的升温幅度。由于气温升高，两极冰盖可能缩小，融化的雪水可使海平面上升20-140cm，对海岸城市会有严重的直接影响。
甲烷
甲烷是在缺氧环境中由产甲烷细菌或生物体腐败产生的，沼泽地每年会产生150Tg（1T=1012）消耗50Tg，稻田产生100Tg消耗50Tg，牛羊等牲畜消化系统的发酵过程产生100-150Tg，生物体腐败产生10-100Tg，合计每年大气层中的甲烷含量会净增350Tg左右。它在大气中存在的平均寿命在8年左右，可以通过下面的化学反应：
CH4+OH→CH3+H2O
消耗掉，而用于此反应的氢氧根（OH）的重量每年就达到500Tg。
一氧化二氮
一氧化二氮在大气层中的存在寿命是150年左右，尽管在对流层中是化学惰性的，但是可以利用太阳辐射的光解作用在同温层中将其中的90%分解，剩下的10%可以和活跃的原子氧O（1D）反应而消耗掉。即使如此大气层中的N2O仍以每年0.5-3Tg的速度净增。
N2O+hv→N2+O(1D)
N2O+O（1D）→N2+O2
N2O+O（1D）→2NO
氯氟碳化合物
氯氟碳化合物（CFC-11和CFC-12），它们在对流层中也是化学惰性的，但也可在同温层中利用太阳辐射光解掉或和活性碳原子反应消耗掉。
CCl₃F+hv→CCl₂F+Cl,
Cl₂F₂+hv→CClF₂+Cl
CCl₃F+O（1D）→CCl₂F+ClO
CCl₂F₂+O（1D）→CClF+ClO
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