3.3 溫室氣體與溫室效應

黑體均勻地吸收及放射每一波段的輻射。一般氣體並非黑體，會選擇性的吸收某些波段的輻射。地球大氣中的許多氣體幾乎不吸收可見光，但專門吸收長波輻射。圖3-3是多種氣體在各波段的吸收率。比如，水汽( H₂O )在小於0.8μ m波段的吸收率幾乎為零，但是在較長波部份( 比如，5μ m )的吸收率幾乎為1，亦即完全吸收。二氧化碳( CO₂ )在波長大於15μ m以上的輻射有絕佳的吸收率。氧(O₂ )，臭氧(O₃)，氧化亞氮( N₂O )，甲烷( CH₄ )等也都有類似的特性。除了吸收長波輻射，氧及臭氧更吸收了大部份的紫外線，讓地球生物倖免於紫外線的毒害(見第五章)。

這些擅長吸收長波輻射但不喜吸收短波輻射的氣體，允許約50%的太陽輻射穿越大氣，為地表吸收，卻幾乎攔截所有的地表及大氣輻射出的能量，減少能量的損失，並且再將之放射出來，使得地表及對流層溫度升高。如果將在大氣層頂的太陽輻射強度(342 Wm^-2)當成100單位，地表吸收了89單位由大氣往地表放射的長波輻射，遠大於它所吸收的短波輻射量(約50單位)。在夜晚，大氣繼續放射長波輻射，使地表不致於因缺乏太陽輻射而變得太冷。這些氣體的影響類似農業用溫室的暖化作用，因此稱為溫室氣體，它們的影響則稱為溫室效應。大氣的存在不但暖化地表，而且降低了日夜溫差。

如果考慮大氣的輻射特性，但不考慮大氣可以流動的特質，大氣溫度的垂直分布應如圖3-4中的虛線，實際的溫度分布則為實線。比較二者，我們發現若只考慮輻射平衡，地面溫度比實際溫度高出許多，而對流層頂(約10公里處)則太低，因此溫度垂直遞減率遠大於實際大氣的垂直遞減率。此一狀態下的大氣勢必相當不穩定，容易產生劇烈的對流，使熱空氣上升，冷空氣下降，淨效應為將熱量往上傳。地表附近氣溫因此下降，高層氣溫則上升，使氣溫的垂直溫度趨向圖3-4中的實線。這與在火爐上燒開水的過程十分類似: 壼中翻滾的水，將爐火所提供的熱量均勻的散布，直到所有的水達到沸點。

溫室效應不只發生在地球，金星及火星的主要大氣成份為二氧化碳。金星大氣的溫室效應高達523℃，火星大氣太單薄，溫室效應只有10℃，地球大氣則在二者之間為33℃ (表3.1 )。嚴格的講，地球大氣的溫室效應應為82℃，因為如果不考慮大氣的垂直運動，地表溫度將由-15℃上升至67℃ ( 圖3-4中的虛線 )。我們量測到的地表氣溫( 15℃ )事實上是經大氣運動調整過的溫度。

溫室效應自古就有。地球誕生於46億年前，當時太陽的強度約只有目前的70%。太陽強度1%的變化，相當於地表氣溫1∼2℃的變化。因此，如果地球氣候只受太陽輻射的影響，在輻射平衡之下，遠古地球大氣應比目前低幾十度。當時的地球也不會是個藍色、充滿水體的星球，而是個灰白的冰球。但是各種古氣候資料皆未顯示地球曾經處於如此冷的氣候。這就是所謂的弱太陽矛盾論( weak sun paradox )。科學家發現地球剛形成時，火山活動頻繁，噴出許多二氧化碳，成為大氣的主要成份。二氧化碳的溫室效應，使大氣溫度升高了不少。 因此，雖然太陽輻射較弱，但地球氣候卻不致於太冷。此一情況與金星及火星的情況類似。

目前大氣的主要成份為氮( N₂ )及氧( O₂ )與早期大氣成份相去甚遠。這是因為原始藻類生物出現，行光合作用，將二氧化碳中的氧釋出，逐漸改造大氣的成份。如今，大部份的碳儲存於地殼及海洋，大氣中卻充滿了氧。金星與火星因為沒有受生物的影響,早期大氣成份因此保留下來。科學家同時發現古氣候中多次暖期的出現皆與二氧化碳含量(來自火山爆發)增加有關。由以上討論，我們知道溫室效應是一種自然的現象，而且自盤古開天即有。只要有大氣，就可能有溫室效應。

二氧化碳含量的變動能影響氣候，但是造就目前大氣溫度分布的主要因素卻是水汽。大氣中的水汽量很少，只佔了不到0.5%的大氣總質量，但是水卻是除了陽光之外，影響生物及氣候最大的物質。科學家模擬大氣溫度的垂直分布，發現只要在模式中放入實際觀測到的水汽含量,模擬的大氣垂直溫度分布就已經與實際狀況相去不遠(圖3-5)。如果再加入二氧化碳，氣溫再提高10K，但不改變溫度分布；平流層(10公里以上)溫度隨高度增加的現象，則須另外加入臭氧才能模擬出來。這個模擬，因為沒有考慮雲的效應，對流層溫度比觀測值高出不少。這個研究指出，影響最大的溫室氣體是水汽，它貢獻了80%的溫室效應，不僅決定了大氣溫度的垂直分布，也創造了溫暖的地球氣候。相對而言，二氧化碳只是使氣候變得更暖和。