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先做个小调查： 地球的气候正逐渐变暖，而且气候模式也变得越来越不稳定。但或许最重要的是，气候变化的罪魁祸首是人类。 温度在不断地上涨。数据来源：NASA戈达德空间技术研究院，NOAA国家气候数据中心，英国气象局，日本气象厅。 但是，仍然有许多人认为人为的气候变化只是科学家应该讨论的事。去年，耶鲁大学的研究人员在美国的一项调查显示，大约63%的美国人接受气候变化的事实，而只有48%的人觉得人类应该对此负责。 剩下的人呢？为什么气候变化是一件难以接受的事实？ 接下来，让我们假装从来没有听过这个问题，也有没听过任何人对这件事的见解，包括政客、科学家或其它人。我们现在真正关心的是这两个问题：
故事要从头慢慢说起，准备好了吗？
这是太阳。是它温暖了地球，也保证了太阳系内其它行星的温度在几开尔文以上。（1开尔文等于零下273摄氏度）。 白天，我们沐浴在阳光之下，吸收来自太阳辐射出的能量。但是，在白天和黑夜，能量都会重新返回太空。这也是为什么夜晚会变得比较冷的原因。另一方面，由于行星与其公转轨道平面不垂直，导致了季节的更迭——寒冷的季节和温暖的季节。
但如果这些是唯一决定温度的因素，那么离太阳最近的行星最热，离太阳越远的行星，温度逐渐降低。难道事情就这么简单？当然不是，我们先从水星说起。
水星很热。事实上非常热！作为离太阳最近的行星，水星的公转周期约为88个地球日。而水星的自转则非常慢，周期为59天。水星上白天的温度最高的时候高达700开尔文（427摄氏度），足以融化某些熔点较低的金属——比如铅。到了晚上，水星的温度则走向另一个极端：降到100开尔文左右（零下173度），这要比地球上自然发生的温度冷的多。 那么离太阳第二近的金星呢？
金星离太阳的平均距离是水星的两倍，它也是离地球最近的行星。金星的公转周期约为225天，它的自转周期是太阳系中最长的，约为243天，而且它是唯一一个逆向自转——即自转方向与公转方向相反——的行星。金星的表面温度高达735开尔文（462摄氏度），比正午时候阳光直射处的水星表面温度还高。 这里我很简单的介绍了这两个行星，如果我们想理解在这两个世界中究竟发生了什么，我们需要问为什么？
这两个世界有四个非常不同的地方：
首先，行星的大小并没有很大的关系。就算水星的大小是金星的两倍，它的温度也不会又什么很大的变化，因为行星表面积接收到的阳光比例不会变化。但是，水星离太阳的距离更近两倍则有关系。
任何物体离太阳的距离增加两倍，单位面积接收到的太阳能量就为原先的四分之一。也就是说水星表面的每个部分接收到的能量要比金星表面多出四倍。但是，金星仍然比水星更热，这说明上面提到的第3、4点就开始变得重要起来了。
一个物体反射能力和吸收能力由反照率（albedo，来自拉丁文albus，译为白色）决定。一个反照率为0的物体是一个完美吸收体，而一个物体的反照率等于1则是完美的反射体。在现实中，所有物体的反照率皆为 0 - 1 之间。你或许会想起月亮，用我们肉眼观测应该会认为它的反照率很高，因为它在白天和黑夜看起来都偏白色。
其实，月亮的平均反照率只有0.12，也就是说有12%的光线被月球的表面反射，而高达88%的太阳光都被吸收了。一个物体的反照率越低，它吸收太阳光的能力就越强。 水星的反照率跟月亮相似，而金星的反照率要比太阳系中的其它行星都高。
现在，我们来回顾下：尽管水星和金星的大小不同，但不会影响温度；水星从太阳接收到的单位面积能量要比金星大四倍；水星吸收了大约90%的阳光，而金星只吸收了大约10%的阳光。 然而，金星，即使是在夜晚，也要比水星的任何地方都热。那么第四点呢？回忆一下：4. ）水星没有大气层，而金星则有一个浓密的大气层。 记住，水星和金星并不仅仅只是吸收来自太阳的光线，能量也会以热能的形式重新辐射回太空。对于水星来说，所有的热能都会立即返回太空，但是金星呢？这些热能要经过厚重的大气层，要返回太空是很难的。因此，大气层在这里扮演了至关重要的角色。
金星大气层。（? 金星快车） 现在我们知道，是金星浓密的大气层把热能困在金星上，使它比水星更加炽热，成为太阳系内最热的行星。金星通过大气层把热能困住也同样发生在地球的大气层上。当然，地球的大气层要薄的多。
上面我们提到了水星和金星主要区别的前三点，我们现在把地球也考虑进来：
尽管地球的反照率很复杂，但发射的卫星可以帮助我们实时追踪及监视。
如果我们想更好的理解地球的温度，以及人类做了什么使它随着时间改变，我们就必须理解第四点：地球的大气层。它是真实的，就在哪里，而且很重要，但有多重要？ 要想理解大气层是怎么运作的，我们又得回到太阳上来。 太阳，如地狱般炽热。我们姑且假定地狱的表面温度接近6000开尔文。太阳的辐射有一个非常特别的能量分布，即（近似）黑体辐射分布。这保证了大部分来自太阳的光都会在光谱中的紫外（UV）、可见光（Visible）和红外（Infrared）部分达到峰值。不管你把任何东西加热至6000开尔文，你都会得到类似能谱。
在大气层之上和表面的太阳辐照度光谱。（? Wikipedia） 这是行星会接收到的能量。在没有空气的环境下，比如水星和月亮，100%的能量会到达行星表面。在有云的世界，比如地球，在光线到达地面前，有一部分就已经被反射回太空。除非是在极端的环境下，比如金星。 当阳光射入金星的时候，大约90%的光线会反射回太空，只有10%被吸收。现在，就像其它所有行星一样，金星也会把吸收的能量重新辐射回太空。金星的辐射也像黑体，只不过其能量更小，频率更低，但波长更长。 “问题”是金星大气层的大多数气体——即那些容易让太阳光穿过的气体——并不是完全对长波长的辐射透明的。这个问题不仅仅被吸收气体复杂化了，还要考虑到多层、厚重的吸收云层。所以，就能量而言到底发生了什么？
从上图可以看出，太阳辐射出的能量，有一部分被金星的表面吸收了，当这些被吸收的能量要重新辐射回外太空时，又有一大部分比例的能量被大气层吸收了，接着又重新辐射至地面。这个过程会循环往复的持续下去。也就是说，金星的大气层越厚，能量（以热的形式）呆在金星的时间就越久。 这也就是为什么金星这么热的原因。
上面两张是金星表面的照片。金星13号探测器在金星表面生存的时间为127分钟（它的姐妹金星14号只生存了57分钟）。考虑到金星表面的温度足以将像铅一样的金属瞬间融化为液体，这个生存时间其实并不赖。 现在，回到金星大气层。它难以置信的厚：包含了比地球大气层多出约100倍的分子数量，而96.5%的金星大气层都是二氧化碳。其余大部分是氮气，以及非常小一部分是受地球喜爱的H?O。
之所以提到这两种气体使因为它们在红外波段有着显著的吸收特征。二氧化碳的红外吸收光谱看起来是这样的：
而水蒸汽的吸收光谱看起来是这样的：
这里显示的大小并不是完全按火星上的情况定制的。水蒸气在火星上只有上图显示的四分之一的重要性，但在金星的二氧化碳要比上图显示的强25万倍。 换句话说，金星大气层中的二氧化碳是阻止热能重新辐射回太空的罪魁祸首。如果金星没有大气层，它的温度大约是349开尔文（67摄氏度），相比地球也很热，但就没有什么特别之处了。 现在我们打个比方，金星的大气层——包括其中的云层和气体——就好比是一个厚重、巨大以及绝缘的毛毯，起着保暖作用。大气层使金星保持温暖的机制就如同毛毯温暖我们的身体：吸收自己辐射的热能再重新辐射回到自身。毛毯越厚，自然也越保暖。如果有足够的毛毯，就可以把你的身体加热至正好超过人体的正常体温。 地球的大气层要比金星的薄很多，但仍然可以像毛毯一样。如果没有大气层，地球的温度将会是225开尔文（零下18度）。大气层中的云层、水蒸气、甲烷和二氧化碳，以及其他的气体，使地球要比没有这些气体的情况温暖33摄氏度。
早在两个世纪前Joseph Fourier（提出了傅里叶变换）就对该效应进行了解释。到了1896年的时候，Svante Arrhenius（阿伦尼乌斯方程就是他提出的）更进一步的做出了详细的计算。 水蒸气、甲烷、二氧化碳以及所有其它气体都会吸收红外线，它们都表现像毛毯一样。当行星的大气层有越来越多的这些气体加入（或带走）的时候，这就像是把毛毯加厚（变薄）。这些效应Arrhenius在100多年前就做了详细的计算。 所以，什么是地球的大气层？这取决于你把它当做是一张一张的毛毯，或者是有一个绝对厚度的毛毯。你可以通过对大气层中的红外吸收气体的增加或移除来增加或移除（加厚或变薄）毛毯。
这些就是全球变暖、温室效应，为什么带有大气层的行星要比没有大气层的行星更加温暖背后的原理。到目前为止，我们知道：阳光抵达行星后，有一部分被吸收，有一部分则被反射，被吸收的部分会重新辐射，大气层的成分决定了重新辐射的热能被困住的效率，因此决定了行星变暖的效率。 所以，地球的大气层是由什么构成的？
大部分是氮气，占据了干燥大气层的78%，接着是占据21%的氧气，大约1%是惰性气体——氩气，剩下的一小部分则为二氧化碳、氖、甲烷和其它微量元素和分子。 上面我用的是“干燥的大气层”，这很重要，因为我们的大气层从来就没有真正干燥过。地球上的海洋阻止了这样的事情发生。地球上海洋的质量大约是大气层总量的300倍。由于化学的作用（蒸发、蒸气压等），它会以水蒸气的方式加入额外的1%到大气层中。这个数字是个很大的变量，因为这是一个我们无法控制的成分。
当然，我们也无法控制水蒸气、云层、氧气或臭氧。但是，大气层中的二氧化碳在过去几个世纪发生了巨大的变化，而这毫无疑问，是因为人类的活动引起的！ 直到18世纪末，大气层中的二氧化碳水平都相当稳定地维持在279-280ppm，微量的变化是由火山喷发、森林火灾以及其它的自然活动引起的。但是由于工业革命的出现，一切都开始改变。
在地球过去的历史中，所有被深埋于地底下的碳基生物的残骸随着岁月的流逝慢慢地转化成石油、煤炭等其它资源，突然被人类提取并燃烧，最终回到大气层之中。 通过简单的计算就可以得知在工业革命初期，通过燃烧，我们往大气层中加入了1.5万亿公吨的二氧化碳。
现在，大气层中二氧化碳的水平大约为2.1万亿公吨（大约400ppm，更精确的说，截止2016年8月，二氧化碳的水平为402.24ppm）。 记住，除了大气层的二氧化碳水平的增加，海洋里的二氧化碳也在增加。你知道当二氧化碳（CO?）和水（H?O）混合一起的时候会发生什么吗？你会得到H?CO?，即碳酸。（没错，我们的老朋友Arrhenius早就算出这一切啦。）如果你听过海洋酸化，这就是它的来源。（如果你看过《全球气候变化的时间线》那你肯定会知道海洋酸化带来的影响。）
现在你应该很清楚，行星吸收的光线大部分都是紫外、可见以及近红外，接着重新把能量以中红外和远红外能量辐射回太空。至少，它们尝试这么做，除非大气层中的某些东西吸收了红外能量，并且重新辐射回行星的地面。那么，地球在这方面表现的怎么样？
地球大气层中的自然温室气体的吸收光谱。（ ? J.N. Howard (1959); R.M. Goody and G.D. Robinson (1951)） 只能说还可以，足够使地球保持温暖，（如果你还记得）比没有大气层时要温暖33摄氏度。事实上，大气科学可以量化不同成分的对温室效应的贡献： 50%的温室效应由水蒸气引起，大约25%是因为云层，20%是CO?的作用，以及剩下的5%是由不凝性温室气体引起的，比如臭氧、甲烷、一氧化二氮等等。 所以，如果地球上的温室效应有20%是因为二氧化碳引起的，并把二氧化碳的水平提高50%，这是否意味着温度又增加了3.3摄氏度？
或许，但不一定。因为会有其它的因素开始起作用，当你做某些事情加热地球，地球上的有许多自然机制会尝试自我调节。
冰川和冰帽内都会储存着一些潜在的热量，如果它们开始融化，就会向大海、滨以及河流流入温度较低的水。如果有少量的二氧化碳增加，植物也会变得活跃，从而吸收大气层中的一些温室气体。 但危险的地方在于，当过快的往大气层中加入大量的二氧化碳时会发生什么？这意味着温室效应的增加会使地球的温度开始上升。
而这也是我们已经看到发生的事情。直到1970年代末之前，温度的波动都属于正常的。但在那之后，二氧化碳的浓度就大量增加，地球的平均温度也不断快速地上升。这个趋势不间断地延续到了今天。
其它的方法显示了平均温度如何随时间演变，也观察到了同样的趋势，到了1970年代末，全球平均温度就猛地上升。 所以，毫无疑问，地球正在变暖。而据目前我们所能做到的最好的测量，地球仍在持续变暖。 当然，或许有其它的方式来解释这个变暖的趋势，比如太阳辐射度的增加，这在过去的确和温度增加有关联。但，事实上，正好相反，现在的太阳周期显示太阳的活动正逐渐减少活跃度，这应该会带来变冷的效应。
基于我们对行星科学、地球大气层、人类活动的了解以及观测到的变暖趋势，除了人为造成的全球变暖，非常非常不可能是任何其它的事物导致的。不是太阳，不是火山，也不是任何已知的自然现象。 现在你应该很清楚全球变暖的确正在发生，而且是人类的活动造成了这个局面。如果你不知道全球变暖会对未来100年内的地球带来什么样的后果，强烈建议你阅读《2020 - 2110年：全球气候变化时间线》。我希望在未来的日子里，你们会开始认真地去思考如何解决这个问题。为了我们自己，为了我们的后代，为了我们能够拥有更美好的世界，我们应该选择去改变现状，而且我们也必须去改变。 ▽ 点击文字查看更多文章 ▽ 暗物质与MOND | 膨胀的宇宙 | 时间与暗能量 | 天文悖论 | 虫洞=纠缠？ | 宇宙的成分 | 隐藏的新物理 | 标准模型 | 统一之路 | 从原子到万物 |宇宙的阴暗面 | 宇宙大爆炸 | 核聚变 | 无尽的宇宙 |
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