温室效应和全球变暖引言

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大气气溶胶的气候效应
航测得到的云滴-气溶胶数密度关系图
参考：Ramanathan V, Crutzen P J, Kiehl J T, et al. Aerosols, climate, and the hydrological cycle.
[J]. Science, 2001, 294: 2119-2124.
光谱
引言
光谱学研究方法 气溶胶吸湿性
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生命的屏障：大气层
地球：唯一具 有生命的星球
对平 流流 层层
中热 间电 层层
<10~20KM <40KM <80KM
地球之所以具有生命，最重要的因素之一是地球表层有适宜生命活动的温度。而地 球表层温度主要决定于地球与太阳距离和地球表层特殊的大气组成：氮气（78.09%）， 氧气（20.95%），氩气（0.93%），二氧化碳（0.03%）。相对其他三种主要气体，二氧 化碳虽然最少，但却能吸收地球辐射出的红外光，从而成为产生温室效应的主要气体。
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热的传递和感觉
气体分子平动、振动、转动能： 每个自由度 E=1/2KT
N2分子
气气温温高低 分分子子运运动动较缓快慢
热热辐辐射射
CO2分子
地表辐射
O2分子
分分子子碰碰撞撞
人体与空气的热平衡
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全球变暖的原因
根据前述原理，全球变暖的原因可以归结为温室气体增加，导致温室效 应更加显著，从而使地表温度更高。
大气层既可以防止紫外线伤害生命，又可以通过温室效应保持地表具有适宜生命活 动的温度，所以被人们成为生命的保护伞。
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太阳-地球辐射与大气层
黑体辐射理论
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温室效应的原理
温室气体（主要指CO2）在红外波段有多处吸收谱带，能吸收地球热辐 射出的能量。其吸收的能量通过振动碰撞周围气体分子等方式使周围大气温
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人类活动才是真正原因
请注意图中1750年这个分界点，在1750年以前近一 万年时间里，三种温室气体浓度变化甚微，1750年以后 浓度才开始攀升，而1750年刚好是工业革命开始。
人类活动
CO2浓度 增加
地表温度 升高
水蒸气浓 度增加
海水释放 CO2气体
在过去一万年(大图)中和1750年以来，大气CO2、CH4、N2O浓度的变化。图中所示测量值分别 取自冰芯(不同颜色的符号表示不同的研究结果)和大气样本(红线)。相对于1750年的辐射强迫值
直接辐射强迫：大气气溶胶能够通过反射、散射或者吸收日光及其 他长短波辐射等方式影响大气的能量分布和辐射平衡。
间接辐射强迫：气溶胶微粒能够作为凝结核 (Cloud condensation nuclei, CCN) 或者冰核 (Ice nuclei,IN) 改变云滴的数密度、云 的寿命、微物理、光学性质及降水效率等，进而影响气候。
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CO2是罪魁祸首？
罪证3：辐射强迫值和组分浓度变化最能说明问题。
(a) 在过去一万年(大图)中和1750年以来，大气CO2、CH4、N2O浓度的变化。图中所示测量值分别取自 冰芯(不同颜色的符号表示不同的研究结果)和大气样本(红线)。相对于1750年的辐射强迫值见大图右 侧的纵坐标。(b) 2005年的CO2、CH4、N2O和其他重要成分和机制的全球平均辐射强迫。
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大气气溶胶的气候效应
下图列出了从2000年3月到2004年5月间的全球平均能量收支平衡，可以看 出，到达地球表面的太阳辐射中，有37%左右被大气气溶胶的散射作用和 云的反射作用反射回了太空。而云的形成与气溶胶的浓度又有很大关系。
Kevin E. Trenberth, John T. Fasullo, Jeffrey Kiehl. EARTH’S GLOBAL ENERGY BUDGET. [J]. AMERICAN METEOROLOGICAL SOCIETY, 2009, 3.
度上升。根据黑体辐射公式可以得到以下关系：
E1 E2
E1
E2
T5
温 室 气 体 浓 度 分 布 地表
太 阳 辐 射
地表辐射（红外辐射）
没
T4
有
温
T3
室 气
体
T2
的 情
形
T1 T6
由黑体辐射原理R = εσT4 ，E1=E2推出T5=T6，而T1>T2>T3>T4>T5，从而可 以发现，温室效应使地表的温度得到显著提升。
温 室 气 体 浓 度 分 布 地表
E1
E2
T1
太
E2
阳
T1< T2
辐
射
T2< T3
地表辐射（红外辐射）
T3< T4 T4< T5
温室气体浓度增加使地表温度上升
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CO2是罪魁祸首？
罪 证 1 ： CO2 在 地 球 辐 射 的红外波段有很强的吸 收谱带。 罪证2：太阳系中各星球温室效应的对比可见一斑。
见大图右侧的纵坐标。
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大气气溶胶的气候效应
在前面列出的多种辐射强迫项中，大气气溶胶因其较强的负辐射 强迫引起了人们的广泛关注。研究清楚气溶胶对气候的影响机 制，对人类建立理论模型预测气候变化有重要意义。
大气气溶胶主要通过直接、间接辐射效应方式影响大气的组成、温度 变化、降水及海平面上升等，进而影响整个生态系统的稳定。
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谢谢！
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