为何二氧化碳导致全球变暖

我们常想通过一些易于理解的途径来解释为什么不断增长的二氧化碳是一个严重问题,例如不通过构建气象模型就能获得解释.然后即便是这样,这些解释有时仍然会让人非常迷惑.所以,我们现在来仔细的研究一下它们。

一、自然界本身就存在温室效应

事实上,自然界本身存在温室效应(大气层会限制从地球表面射向太空的长波辐射). 这个温室效应可以简单的从以下几点推导:
i)地球表面的平均温度(15ºC左右). ii) 地球处于辐射平衡状态. 从地球表面放射的长波辐射量在 (~390 W/m²)左右, 当这些辐射到达大气层顶部时, 辐射量基本上等于太阳辐射的净值 (1-a)S/4 (约为240 W/m²).因此,实际上,大气层吸收了很大一部分长波辐射(150 W/m²左右), 如果没有温室气体存在,这部分辐射量应该为零.

二、痕量气体(Trace Gases)在温室效应中的作用
(注：痕量气体简单来说是占大气总量1%以下的气体,或称微量气体)

不同的气体吸收不同量的长波辐射.在空间红外光谱中, 水蒸气,二氧化碳,甲烷(CH₄),臭氧(O₃)等气体呈现出显著的低谷. 现在的问题是他们各自能阻拦了多少辐射能量. (因为气压作用,吸收线数等原因,这个问题很难手算取得)  最早期的计算结果(Ramanathan and Coakley, 1979)和较为现代的计算(Clough and Iacono, 1995)都给出了非常相似的结果, 并且证明去除空气中的二氧化碳将减少14%的净长波辐射吸收量,约为30 W/m₂. 在光谱的一部分(一定波长范围内),红外线即被二氧化碳大量吸收也被水蒸气吸收, 在这些波段,单单去除二氧化碳之会产生很小的影响. 但总的来说,二氧化碳可以能造成更大的吸收量. 在任何情况下, 这些痕量气体都是吸收辐射量的主要成分.

三、痕量气体由于人类行为而剧增.

二氧化碳已经增加了30%, 甲烷翻了一倍多, 一氧化二氮(N₂O )增加了15%, 对流层的臭氧也增加了. 新的温室气体如卤化物(氯氟烃等),在工业时代之前并不存在.所有这些气体的增长导致了温室效应的加剧.

四、 辐射压力
大气层顶部的辐射差额扰动能较好的预测地表温度的变化。如果太阳的辐射增强2%，那么大气层顶部的辐射平衡将改变:0.02*1366*0.7/4 = 4.8 W/m² （考虑反射率和几何因素），而这4.8 W/m² 就是所谓的辐射压力。温室气体的增加与反射率的改变会对大气层顶部的辐射平衡产生类似的作用。大气中的二氧化碳含量若是翻一倍，那么它产生的辐射压力将是3.7±0.4W/m² ，他对大气顶部辐射压力的影响，接近于使太阳能量提升2%。
目前，在第三部分中提到的温室气体导致的总压力大约为 2.5 W/m²，自工业时代之前以来,净压力为1.6±1.0 W/m² （包括了浮质和自然变化的降温效应）.
大多数不确定因素来自浮质。目前来说辐射压力的主要增长源来自二氧化碳，一小部分来自吸收辐射的浮质（如煤炭粉尘，主要来自印度和中国）.也有一小部分反射浮质降微弱的低了辐射压力（如硫酸盐，主要来自美国和欧洲）。

五、如果二氧化碳翻倍，气候敏感度为 3ºC

从传统的角度，气候敏感度被定义为全球平均气温对所有出现“快速回馈”的辐射压力（大气温度，水蒸气，云，风，雪，浮冰等）的反应，而慢速回馈的因素（冰原，植物，碳循环等）都不计算在内。在已知辐射压力变化的前提下，敏感度可以通过特定时间段内可以计算的气候变化来推断。上一个地质年代的强辐射压力（由冰原，温室气体、灰尘和植物等造成，~7 W/m²）造成了当时全球气温的剧烈反应（上升5 ºC）. 通过对上个地质年代的数据计算,我们得知当二氧化碳翻倍时，气候敏感度为3 ºC。 Annan and Hargreaves在2006年的研究将这计算与20世纪收集的资料整合，如气温对火山爆发反应等，同样获得了敏感度为3 ºC的结果。进一步我们得到气温上升与辐射压力的关系:0.75 ºC/(W/m²)。

六、气候敏感度与辐射压力的积，一个不可小视的数字

现在的辐射压力 (1.6W/m²) x 0.75 ºC/(W/m²)=1.2 ºC.由于海洋承担了一部分温度增值,我们还没有感受到全部的1.2 ºC的升温(现在全球温度实际上已经上升0.7ºC). 剩余的0.5ºC还在于"上升通道"。
 
其他日常的活动还会增加大约3到7W/m²的辐射压力, 因此最后将导致温度上升 2到5ºC的.

这是一个相当严重的数字!



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省略了原文里一些部分,因为比较晦涩.