关于此实验
如果没有大气层，地球就会是一个温度约为-18 °C的冰冻球体。阳光很容易穿过空气并加热地面，但受热的地面会释放红外辐射。水汽和二氧化碳等气体会吸收其中的大部分，并将一部分辐射送回地面。这种温室效应使地表平均温度维持在约15 °C。跟踪能量流动，增加二氧化碳，改变阳光的反射量，观察地表温度如何升高并趋向新的平衡。
学习目标
- 描述太阳、大气和地表之间太阳辐射与红外辐射的流动
- 解释温室气体如何在不产生能量的情况下使地表变暖
- 解释辐射平衡，以及为什么行星会持续变暖，直到向外辐射的能量与吸收的阳光相等
- 解释反照率和水汽反馈的作用
- 解读二氧化碳浓度加倍时预期的变暖幅度
使用方法
- 1关闭大气。地表温度是多少？再打开大气。有大气时，地球会暖多少？
- 2观察平衡时的箭头。确认到达地表的能量等于离开地表的能量。
- 3选择“加倍（560 ppm）”。地表会升温多少，需要多长时间？
- 4关闭水汽反馈并重复操作。温升中有多少是由这种反馈造成的？
- 5将反照率提高到0.4，就像地球上有更多区域被冰或云覆盖一样。会发生什么？
- 6将二氧化碳浓度设为今天的水平。将升温幅度与约从1850年以来观测到的1.2 °C进行比较。
模型
假设
- 单一的大气层会吸收地表红外辐射中的 ε，并以自身温度向上和向下辐射相同的份额。它让阳光直接穿过。
- 在工业化前的 CO₂ 水平下，该层吸收 77.9 % 的红外辐射，使气温达到 15 °C。CO₂ 会改变这一比例，从而产生标准的辐射强迫。
- 水蒸气反馈会使气温每升高 1 开尔文，红外吸收量额外增加 1 %。因此，CO₂ 浓度翻倍会导致约 3 °C 的升温，接近气候科学的中心估计值。云和冰仅通过反照率滑块表示。
- 热容量相当于约 100 m 深的海洋。会使变暖延迟数百年的深海未纳入其中。
在课堂上试试这个实验
- Q1运用斯特藩-玻尔兹曼定律，说明没有大气层的地球温度约为 255 K。
- Q2为什么温室气体会使地表变暖，却使高层大气变冷？
- Q3解释为什么水蒸气反馈会放大二氧化碳导致的变暖。
- Q4二氧化碳停止增加后，为什么气温还会连续多年上升？
- Q5海冰融化会降低反照率。这是正反馈还是负反馈？请解释。
常见问题
温室效应会违反能量守恒定律吗？
不会。地表接收到阳光以及来自大气的向下辐射，因此必须升温，才能将这些能量全部再次释放出去。在大气层顶端，地球释放的能量仍与其吸收的能量完全相等。
为什么二氧化碳的影响呈对数关系？
主要 CO₂ 吸收带的中心已经几乎不透射，因此增加更多气体主要会拓宽吸收带的边缘。二氧化碳浓度每翻一倍，辐射强迫大致增加相同的数值，约为 3.7 W/m²。
单层模型有多现实？
它对自然温室效应的大小以及 CO₂ 浓度翻倍时的升温幅度都估算得相当准确，因此是很好的教学模型。真实的气候模型会解析许多层、云、海洋和冰，并给出 CO₂ 浓度翻倍时可能升温 2.5 至 4 °C 的范围。