冬天里说晒太阳（4）温室的福和祸

老温：嘿！老华！今天继续来说晒太阳的事情，你上次还没有说完呢。

老华：好，我们继续说。我们说到了大气层把伽玛射线、X射线以及紫外线等高能射线拦挡住了，又说了大气对可见光的透明度很高。太阳辐射中还有很大一部分是红外部分……

老温：上一次你说了，分子中的原子核在不断振动，它的振动跃迁对应的能量在红外线波段。所以，我想大气中的分子能够吸收红外线。

老华：你说得真不错。但是，我们要注意到是，如果单纯这样看，每一种分子就只能吸收某几种特定频率的红外线。

我们还要看到，分子中原子的运动，除了振动之外，还有整个分子的转动。量子力学认为，这种运动的能量也是“量子化”的，从一种状态跃迁到另一种状态所需要吸收或放出的能量，也有确定的值。但是，这个值比振动能又小了许多，在远红外波段甚至微波波段了。

而且，实际上，分子的振动与转动并不可严格分离，两种运动“纠缠”在一起。电磁波在遇到分子时，在红外和远红外的波段，被吸收的电磁波就不仅仅只是某一种频率，而是这个频率附近较大范围内的电磁波。

大气中各种分子吸收红外和远红外频率电磁波的能力相差很大。像氧气、氮气这样的双原子分子，两个原子核相互运动，就一种振动模式，即两个原子或接近或分开，这种运动只对应一个频率。它们的转动也很简单，所以，它们吸收红外波段电磁波的能力就较差，因而只是吸收某一个频率附近的红外线。

二氧化碳分子有三个原子组成，它的振动和转动都比氮气这样的双原子分子复杂，所以，吸收红外线的能力就要比它们强许多倍。

水分子也是三个原子组成，但是它的三个原子不在一条直线上，所以，它的振动和转动又比二氧化碳复杂（二氧化碳的三个原子在一直线上），所以水分子吸收红外线的能力比二氧化碳强许多。

甲烷（CH₄）分子由五个原子组成，它吸收红外线的本领又比水分子大许多。

氟氯烃类分子例如氟利昂（CCl₂F₂）的振动和转动又比甲烷复杂（原子的种类多）。吸收红外线的本领又比甲烷厉害。

老温：这是说，分子越是复杂，它吸收红外线的本领就越大。

老华：正是如此！在大气中，种种分子都会吸收红外和远红外的电磁波。所谓吸收红外和远红外的电磁波就意味着这些分子中原子的运动加剧，温度升高。我们还说过，处于较高激发状态的分子还可以跃迁到较低能量状态而放出电磁波。所以，这些温度升高、处于振动或转动激发状态的分子仍然会发射出红外辐射。这些红外辐射一部分散向了外太空，一部分射向地面。

老温：对了，你这一说，我想起来前次你欠下的一个问题，大气分子吸收了那些高能射线，处在了电子激发态，它们也会跃迁回去而放出紫外线呀。

老华：这是很有意思的问题。电子吸收了一个在紫外线波段的光子，从“梯子”下方，跃迁到上方的能级。至于它能够跳到哪一个空的能级，是由紫外线的能量决定的，如果能量大，它能够跳过好几级。比如随便说，假定电子从第8级跳到第12级，中间第10第11级都是空的。从理论上说，这个电子还能够从12级再跳回来，而重新放出这个频率的光子。但是，它也有可以跳到第10或第11级（只要没有其他方面的禁阻），而放出另外频率的光子，这个光子就不一定是在紫外线波段了。另外，它也可以因为分子之间的碰撞，把能量传给另一个分子，使得另一个分子的振动加剧，这样，所放出的光子不再是紫外线波段的，而是变成了许多个在红外线波段的光子。

实际上，大气分子吸收了太阳从外太空传过来的紫外线，其能量也会有一部分立刻又以紫外线的形式发射出去了。而主要部分则变成了分子的振动能，或者以红外线的形式发送出去，也是一部分进了太空，一部分射向地面。

老温：这就好像原来是一块饼干，现在变成了一堆碎饼干？

老华：从能量的观点看，就是如此。

相对而言，可见光被大气吸收得较少，但是，它们与大气中分子发生散射，散射的结果，一方面，使散射光四向分散，一部分散向太空，一部分散向地面，另一方面，使可见光发生散射的分子本身的运动能量也会增加。云层、尘埃等也吸收了不少可见光的能量，其结果也是使得组成云层和尘埃的原子运动加剧，温度提高。它们也会发射出红外线。

下面的图，表示的就是太阳辐射穿越大气层前后的能量变化。

图中黄色部分是大气层顶部的太阳辐射依波长的分布，红色部分是到达地面处的数值，二者的差便是被大气吸收的辐射量。从图中可以看到，在紫外部分，辐射绝大部分被吸收了，在红外部分，呈现出一块块的缺损，而这些缺损边上所示的分子式就是造成这种吸收的主要分子。

可以看到，吸收红外辐射最多的物质是空气中的水，其次是二氧化碳。

老温：我是否可以这样理解，太阳辐射在穿越大气层的过程中，被大气层截留了一部分。

老华：是被截留了一部分，使得大气的温度得以提高，不过这部分能量迟早还会以红外辐射的形式，要么散向外太空，要么射向地面。大气温度不可能无限制地上升。

上面图中红色部分所表示的到达地面的太阳辐射（包括可见光、红外线和极少量的紫外线）被地面（当然包括海洋和陆地）所吸收，提高了地面的温度。也会以红外线的形式向空中辐射红外线。

如果没有大气层，太阳辐射照向地面，地面温度将迅速上升。而温度升高的地面又将辐射出红外线，这些红外线将立刻辐射进太空。在太阳没有照射到的一面，地面的温度将迅速下降。这个情况，就像我们的月球车“嫦娥”和“月兔”在月球表面所遇到的环境一样，从有太阳照射时的摄氏200多度，一下子变到零下一百多度。

现在有了大气层，在太阳照射时，气温并不会立刻上升到酷热（大气要吸收一部分），太阳“下山”后，地面上辐射出去的红外线也将被大气所吸收，不会立刻散到太空。

总而言之，地球受到的是太阳辐射，即几乎是全波段的电磁波，而辐射进太空的是红外线，但是，这些红外线被大气分子截留了一些，这就使得地面的温度得以升高并保持。这就是所谓温室效应。

老温：这样说起来，温室效应是一件非常好的事情啊！

老华：就是非常好。套用一句老百姓常用的“迷信”的俗话，这是老天爷对我们包括人类在内的整个地球生物的眷顾和恩赐。如果没有温室效应，恐怕地球上不会像今天这样生机盎然。能不能有生物还不好说。

老温：那现在人们老是在那里说的温室效应的危害是怎么一回事？

老华：那是很多人在叙说的时候，少了两个字：“加剧”，正确的说法是温室效应的加剧可能带来的危害。

老温：请你解释一下。

老华：我们的地球环境（包括大气组分）的形成是一个极其缓慢的的过程，在自然条件下，其变化也是非常缓慢的。这样，地球上的生物（植物和动物等）都是在适应这个环境的情况下成长起来的，适者生存，不适者淘汰，生物与环境取得了动态平衡。我们人类目前的生存环境、生活版图也是千百年来按照已有的环境建设的。如果环境变化突然加剧，这样的平衡就会被打破，产生难以预料的后果。

而在近几百年来，特别是工业革命以来，人类生产发展过于迅速，使得大气环境发生了急剧的变化。大气中的温室气体迅速增加。

老温：这个现在的媒体宣传已经不少了，我的问题是，到底哪些算温室气体？

老华：我们在上面已经说过了二氧化碳、水、甲烷、氟氯烃这些分子吸收红外辐射的能力。总的来说，分子越复杂，吸收红外辐射的能力越强。但是，更重要的的这些分子总量的多少。

从上面的图上可以看出，水吸收的红外辐射最多，所以，毫无疑问，水应当是最重要的温室气体。但是，我们现在要考虑的是环境的“变化”，我们人类的活动还很难影响到大气中水汽的变化，所以，我们在讲温室效应加剧的时候，没有把水算进去。

除了水之外，二氧化碳就是一个大头了。几百年来，人类活动引起的二氧化碳增加是非常明显了。石油、煤、天然气等“化石燃料”的大量使用使大气中二氧化碳的浓度增加很快。

甲烷也是一个重要的温室气体，开采煤、天然气的泄露、饲养牛羊等反刍动物的排泄、各种发酵包括水稻田之类湿地中的沼气等，都是可能的甲烷源。

氟氯烃的分子比前面所说的各种分子吸收二氧化碳能力都强，而且它又是破坏臭氧层的“罪魁祸首”，所以，现在全世界都要禁止生产和使用。

老温：哦，我明白了。温室效应对于地球环境是非常重要的，它是整个地球生物的福分。但是，如果我们人类的经济生产活动极大地加剧了这种效应，那么就将带来灾祸，这就是所谓物极必反。我们每一个人都一定要珍惜地球的好环境，过日子要有一定的限度，不能追求过分的奢华和舒适，要节约能源，冬天的时候，室内的温度要适可而止，多像我一样出来晒晒太阳。哈哈！

这几天，你连续给我讲了晒太阳的事情，解开了我不少的疑惑。我还有不少问题，以后还会让你给我讲讲。

老华：我们老人，在一起聊天，讲讲科学原理、谈谈文化修养，相互学习，优哉游哉，这是好事。今天聊到这里？

老温：好的，再见！

（插图引自网络，向原作者致谢）