二氧化碳（和其他温室气体）浓度的增加如何在分子水平上增加大气的保热？

大多数人都不明白有三种主要的方式使热能流动：
 

• 传导
• 对流
• 辐射

如果你想让一杯热咖啡热上一整天，你可以把它放在真空保温瓶里。

热水瓶是怎么工作的？
 

1. 它把咖啡放在一个地方，所以没有对流。
2. 它尽可能用真空包围咖啡，所以没有电导。
3. 它使用高度反射的表面，这样它就能反射热咖啡发出的任何光子。

其结果是一杯咖啡在一个良好的真空保温瓶可以保持热量一整天。

现在，让我们来谈谈整个地球：

它被太空包围，重力使大气层保持在适当的位置。
 

• 没有从大气到太空的传导来冷却它
• 没有对流，因为大气层被重力困在那里。
• 这就使得辐射成为地球降温的唯一途径。它产生携带能量的光子，并将它们发送到太空。

温室气体减缓地球冷却的原因是它们干扰了辐射冷却。特别是二氧化碳分子，通常会吸收特定频率的红外光子，然后向随机方向重新发射它们，如图所示：



但是这个图表太简单了。

如果只有这张图，那么地球表面会变暖，但是10000英尺/ 3000米的空气不会受到太大影响。

相反，在二氧化碳分子吸收光子（并被激发）和重新释放光子之间只需要很短的一段时间。如果它在这段时间内与另一个分子碰撞，激发能可以转化为动能（热）。

因此，预计10000英尺（3000米）处的空气升温速度将与地面空气（6英尺/ 2米）一样快。



上面是我能轻易找到的最好的图表。

但它也没有显示：
 

1. 在碰撞后，被吸收的光子通常不会被释放。这种能量在大气中仍以热量的形式存在。
2. 另一种相反的机制是，分子碰撞可以激发一个二氧化碳分子，它会自发地释放出一个光子，从而冷却当地的大气。

要真正分析二氧化碳使大气变暖的原因，你必须对大气中的分子进行相当复杂的统计力学分析。它们的密度（也就是碰撞的可能性）。它们平均移动速度有多快等。

把气体中的分子想象成台球桌上的球。球移动得越快，它们碰撞的可能性就越大。

这种分析的结果并不总是那么明显：
 

1. 二氧化碳会使低层大气变暖，因为吸收的光子多于释放的光子。
2. 二氧化碳会导致上层大气(平流层及以上)变冷，因为释放的光子比吸收的多。
3. 南极上空非常寒冷的空气更难分析。

我看过一些论文，认为二氧化碳对南极上空的空气有冷却作用，因为一个被激发的二氧化碳分子在光子被重新释放之前，不太可能与另一个分子发生碰撞。我还没有看到反驳的论文，但我不确定二氧化碳对南极上空空气的影响是确定的科学。

如果增加的二氧化碳对南极的影响是一种降温效应，那就可以解释为什么沃斯托克2015年并不比1980年变暖：



这是一张没有明显原因的额外图片。正如你所见，大部分辐射来自撒哈拉沙漠，这是有道理的。