全球的地面平均溫度約為15℃。可是，如果沒有大氣，根據(jù)地球獲得的太陽熱量和地球向宇宙空間放出的熱量相等，可以計算出地球的地面平均溫度應為-18℃。因此，這33℃大體就是因為地球有大氣，大氣像被子一樣造成溫室效應之故。
世界上，宇宙中任何物體都輻射電磁波。物體溫度越高，輻射的波長越短。太陽表面溫度約6000K，它發(fā)射的電磁波長很短，稱為太陽短波輻射（其中包括從紫到紅的可見光）。地面在接受太陽短波輻射而增溫的同時，也時時刻刻向外輻射電磁波而冷卻。地球發(fā)射的電磁波長因為溫度較低而較長，稱為地面長波輻射。短波輻射和長波輻射在經(jīng)過地球大氣時的遭遇是不同的：大氣對太陽短波輻射幾乎是透明的，卻強烈吸收地面長波輻射。大氣在吸收地面長波輻射的同時，它自己也向外輻射波長更長的長波輻射（因為大氣的溫度比地面更低）。其中向下到達地面的部分稱為逆輻射。地面接受逆輻射后就會升溫，或者說大氣對地面起到了保溫作用。這就是大氣溫室效應的原理。
地球大氣的這種保溫作用，很類似于種植花卉的暖房頂上的玻璃（因此溫室效應也稱暖房效應或花房效應）。因為玻璃也具有透過太陽短波輻射和吸收地面長波輻射的保溫功能。
溫室效應源自溫室氣體
大氣中每種氣體并不是都能強烈吸收地面長波輻射。地球大氣中起溫室作用的氣體稱為溫室氣體，主要有二氧化碳（CO2）、甲烷、臭氧、一氧化二氮、氟里昂以及水汽等。它們幾乎吸收地面發(fā)出的所有的長波輻射，其中只有一個很窄的區(qū)段吸收很少，因此稱為"窗區(qū)"。地球主要正是通過這個窗區(qū)把從太陽獲得的熱量中的70％又以長波輻射形式返還宇宙空間，從而維持地面溫度不變，溫室效應主要是因為人類活動增加了溫室氣體的數(shù)量和品種，使這個70％的數(shù)值下降，留下的余熱使地球變暖的。
不過，CO2等溫室氣體雖然吸收地面長波輻射的能力很強，但它們在大氣中的數(shù)量卻極少。如果把壓力為一個大氣壓、溫度為0℃的大氣狀態(tài)稱為標準狀態(tài)，那么把地球整個大氣層壓縮到這個標準狀態(tài)，它的厚度是8000米。目前大氣中CO2的含量是355ppm，即百萬分之355，把它換算成標準狀態(tài)，將是2.8米厚。在8000米厚的大氣中就占這2.8米厚這一點點。甲烷含量是1.7ppm，相應是1.4厘米厚。臭氧濃度是400ppb（ppb為ppm的千分之一），換算后只有3毫米厚。一氧化二氮是310ppb，2.5毫米厚。氟里昂有許多種，但大氣中含量最多的氟里昂12也只有400ppt（ppt又為ppb的千分之一），換算到標準狀態(tài)只有3微米。由此可見大氣中溫室氣體之少。也正因為如此，所以人為釋放如不加限制，便很容易引起全球迅速變暖。
早在1938年，英國氣象學家卡林達在分析了19世紀末世界各地零星的CO2觀測資料后，就指出當時CO2濃度已比世紀初上升了6％。由于他還發(fā)現(xiàn)從上世紀末到本世紀中葉全球也存在變暖傾向，因而在世界上引起了很大反響。為此，美國斯克里普斯海洋研究所的凱林于1958年在夏威夷的冒納羅亞山海拔3400米的地方建立起了觀測所，開始了大氣中CO2含量的精密觀測。由于夏威夷島位于北太平洋中部。，因而可以認為它不受陸地大氣污染影響，觀測結果有可靠性。
1958年4月到1991年6月，人們對冒納羅亞山大氣中CO2的濃度進行了觀測，發(fā)現(xiàn)1958年大氣中CO2含量不過315ppm左右，而1991年已經(jīng)達到了355ppm。問題的嚴重性還在于，目前（1996年）人類每年燃燒55億噸化石燃料（每噸約產(chǎn)生4噸CO2）中，大約只有一半進入了大氣，其余一半主要被海洋和陸地植物所吸收。一旦海洋中CO2達到飽和，大氣中CO2含量將成倍上升。此外，他們還發(fā)現(xiàn)CO2含量還有季節(jié)變化，冬夏可以相差6ppm。這主要是由于北半球廣闊大陸上植被冬枯夏榮的結果，也就是植物在夏季大量吸收CO2因而使大氣中CO2濃度相對降低。
根據(jù)對南極和格陵蘭大陸冰蓋中密封的氣泡中空氣的CO2濃度測定，過去長期以來大氣中CO2含量一直比較穩(wěn)定，大體是280ppm左右。只是從18世紀中葉，即工業(yè)革命前后開始穩(wěn)定上升。即人類用了240年時間，使大氣中CO2濃度從280ppm上升到355ppm。
甲烷是僅次于CO2的重要溫室氣體。它在大氣中的濃度雖比CO2少得多，但增長率則大得多。據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化委員會（IPCC）1996年發(fā)表的第二次氣候變化評估報告（《報告》），從1750-1990年共240年間CO2增加了30％，而同期甲烷卻增加了145％。甲烷也稱沼氣，是缺氧條件下有機物腐爛時產(chǎn)生的。例如水田，堆肥和畜糞等都會產(chǎn)生沼氣。一氧化二氮又稱笑氣，因為吸入一定濃度的這種氣體后會引起面部肌肉痙攣，看上去像在發(fā)笑一樣。主要是使用化肥，燃燒化石燃料和生物體所產(chǎn)生。大氣中的臭氧含量，在平流層中雖有減少，但在對流層中是增加的，這在后面還要專門談到。氟里昂氣體是氯、氟和碳的化合物；自然界里本不存在，完全是人類制造出來的。由于它的融點和沸點都比較低，不燃，不爆，無臭，無害，穩(wěn)定性極好，因此廣泛用來制造制冷劑、發(fā)泡劑和清潔劑等。地球大氣中濃度最高的氟里昂12和氟里昂11含量雖都極少，但過去增長率卻很高，都是年增5％。由于它劇烈破壞大氣臭氧層，根據(jù)1987年國際《蒙特利爾議定書》它在大氣中的濃度從21世紀初開始可望逐漸減少。
應當說明，CO2以外的其他溫室氣體在大氣中的濃度雖比CO2小得多，有的要小好幾個量級，但它們的溫室效應作用卻比CO2強得多。因此它們對大氣溫室效應的貢獻，根據(jù)IPCC第二次《報告》，都只比CO2低一個量級。如果說它們對地球大氣溫室效應的總貢獻和CO2相比，在1960年以前還是很小的話，那么不久的將來便會和CO2并駕齊驅(qū)以至超過CO2，這是不可忽視的。
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