3．2．4 “温室”气体对大气环流的影响

    地球大气中存在着一些辐射性质活泼的微量气体，如二氧化碳等。这些气体虽然对太阳短波辐射是相对无效的吸收物质，但对地面放出的长波辐射却是相对不透明的，这就使得全球平均的地面气温得以维持在15℃左右。但如果没有地球大气，地面平均气温只能达到-18℃左右。这种现象就是“温室效应”。二氧化碳和水汽则是主要的“温室”气体。由于人类活动的影响，自工业革命以来大气中二氧化碳的浓度一直在增加。据估计，工业革命前二氧化碳的浓度约为265×10-3～299×10-3mL/L，到现在已增加了大约25%，到2035年可能达到420×10-3～475×10-3mL/L。

    大气中二氧化碳(CO2)的增加是一个确凿的科学事实。自1958年开始的在MaunoLoa, Hawaii观测站的观测，其后在南极和其它大气成分本底观测站的观测都证明，在过去30多年里全球平均大气二氧化碳浓度增加了差不多70×10-3mL/L，年增长率为0.4%。如图3.18给出了观测到的大气二氧化碳浓度的季节变化和逐年增加的趋势。根据对冰岩蕊气泡中和树木年轮中碳同位素的分析研究证明，大气二氧化碳浓度在工业化之前的很长一段时间里大致稳定在约280×10-3±10×10-3mL/L。人们因此推论大气二氧化碳的增加是大量燃烧化石燃料和大量森林砍伐造成的。但是，如果将观测的大气二氧化碳增加量，与世界化石燃料燃烧排放的二氧化碳量及森林砍伐对二氧化碳汇聚的影响相比较，发现人为活动排放的二氧化碳只有40％～50％留在大气中。这表明海洋是另一个排放二氧化碳的贮库。大气二氧化碳的增加在表层海水的溶解无机碳体系中有所反映。

    二氧化碳增加的直接效果是使得地面-对流层系统的长波辐射量增加，气温升高。利用(3.14)式，考虑二氧化碳的增加使得大气的长波衰减率β2减少，因而射向外空间的长波辐射T3同时减少。在极端情况下，我们不妨假设β2＝0，T3＝0，代入(3.14)式，联立求解：

E2＝(A2＋0.64E1)/0.36-Qw＝451.9W·m-2

     (3.15)

T＝(451.9/σ)1/4＝299K＝26℃

    不难发现在极端情况下，全球平均温度增加了7℃之巨。

    当然，利用理想辐射平衡模式得到的二氧化碳增加产生的增温是太过于简单。事实上，辐射平衡模式对所做的一系列假定的改变都非常敏感。为了正确估计二氧化碳增加引起的温度变化，必须考虑地面到大气的感热和潜热通量，即不仅要考虑地面热平衡，而且要考虑大气热平衡。如前所述，随着二氧化碳增加引起的温度变化，大气中水汽、雪、云的状况，以及海冰都会发生变化，它们反过来又会影响温度变化，这些反馈过程在温室效应的研究中是非常重要的。严格地讲，人们对云、雨和辐射过程的相互作用过程，至今尚未有较细致的认识，因此关于何时何地大气中二氧化碳含量增加，何时气候是否增暖和程度如何，目前的结论都是初步的，在将来可能会有较大的修正。[6103003B]