温室效应的物理理解

很多人都看过种植作物的温室，它的工作原理是这样的。当阳光照射到温室的玻璃或透明薄膜时，大部分光会穿透照到温室内部。然后这些光会被吸收，并重新向外辐射波长更长的红外线。我们看不到这种红外线，但我们可以感觉到它，因为它会让我们感觉很温暖。但是，玻璃会捕获红外，阻止能量向外散射，从而使温室变暖。

我们的地球也如温室，大气层就像玻璃一样，对来自太阳的大部分光是透明的：一些光被高层大气吸收，一些被反射，但是大部分光可以照射到地球表面。这使得地表开始升温，而地表又发出重新辐射红外线。但红外光并不容易穿过大气层，因为空气中的一些分子会吸收它。这就是所谓的温室气体，二氧化碳就是其中之一。更多的二氧化碳会导致更多红外辐射被吸收，从而使地球变暖。

事实上，温室效应并不那么简单，这次我们添加一些物理知识，使我们对温室效应的理解更加完整。阳光包含许多不同的频率，频率与光子的能量成正比，所以频率越高意味着能量越高。频率与光的波长成反比，波长越长意味着能量越低。

如果将能量绘制为其频率的函数，则可以得到所谓的光谱，下图就是所谓的太阳光谱。但这个光谱的形状并不是特定于太阳的，任何恒定温度下物体的光谱都有像这样的形状。温度越高，频谱向更高频率移动的越多，发射的能量越高；温度越低，发射的能量越少，这就是普朗克定律。如果你知道温度，那么普朗克定律会告诉你发射什么频率的光，以及总共发射多少能量。

如果阳光照射到地球表面上，它就会被吸收并重新发射。正如我们刚刚所说的，辐射光谱取决于温度。但地球的温度是多少？地球从太阳获得一定量的能量，地球的温度就会升高，直到发射的能量与来自太阳的能量相同。当能量输入与能量输出相同时，该系统处于平衡状态并且不会进一步变化，这意味着人们可以根据阳光的量计算行星表面的温度。

如果地球没有大气层，它的表面温度将是-18 摄氏度。幸运的是，地球确实有大气层，可以让我们保持温暖，其工作原理如下。当某些频率的光照射到分子时，分子会产生共振，这将光能转化为分子的运动，即热能。但大多数空气分子不会因红外线而振动，氮气和氧气占地球大气的 99%，但它们都不会因红外线而共振。

另一方面，当光照射到温室气体时，它们会产生振动，然后这些振动的分子会撞到其他空气分子，这样就会在空气中分配能量。而这些分子也会再次发出红外线，将其传播到整个大气层。地球上最相关的温室气体是水蒸气、二氧化碳和甲烷，就是它们使地球变暖。

地球大气中含有温室气体，那么地表发出的红外辐射就会被它们吸收，这会加热空气并再次发出一些辐射，因此红外辐射会从地表缓慢地穿过大气层。如果到越来越高的地方，空气会越来越稀薄。即使温室气体的浓度保持不变，单位体积的温室气体总量仍然会下降。最终温室气体变得很少，红外辐射可以逃逸到外太空。这意味着离开我们星球的大部分红外辐射并不是来自它的表面，它来自距地表以上几公里的高度。

这就是温室效应的真正作用原理。大气中的温室气体阻止了来自地表的红外辐射直接进入太空。相反，进入太空的红外辐射来自高层大气。来自高层大气的辐射必须平衡来自太阳的能量流入。因为大气层的温度随着高度的增加而降低，所以地球表面的温度必须比没有温室气体时高得多。

此外，我们还要认识到的一点就是，就是这些温室气体在所有波长上吸收红外线的效果并不相同，它们只吸收红外光谱的某些部分的光。通过研究这些气体的吸收谱，科学家发现在 0.8～15μm 的波长范围内有吸收红外线较弱的波段，这些波段被称为大气窗口。

红外大气窗口的发现和研究对于红外探测技术有着深远的影响。在这些波段内，大气对红外辐射的传输特性较好，使得物体的红外辐射能够被探测设备所识别。这对于气象预报、环境监测、天文观测以及军事侦察等领域都至关重要。此外，还有科学家研究一些特殊的材料，这些材料可以通过大气窗口直接向外太空辐射热量，使材料的冷却得到加强。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

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