地球|详解2021诺贝尔物理学奖：他们破译了地球气候及其他复杂系统的隐秘规律( 二 ) 地球|乔治·帕里西|真锅淑郎

气候学家的任务与傅立叶当年的工作无甚差别，即研究进入地球的短波太阳辐射与地球发出的长波红外辐射之间的平衡。在接下来的两个多世纪里，许多气候科学家为大气科学的知识增添了细节。当代的气候模型是非常强大的工具，不仅可以用于理解气候，还可以用于理解人类对全球变暖负有的责任。
气候模型从用于预测天气的模型发展而来，基于物理定律建立。天气由温度、降水、风或云等气象量描述，并受海洋和陆地上发生的事件影响；而气候模型基于天气的计算统计属性，例如平均值、标准偏差、最高和最低测量值等。气候模型无法告诉我们明年 12 月 10 日斯德哥尔摩的天气如何，但可以使我们大致了解 12 月斯德哥尔摩的平均温度或降雨量。
建立二氧化碳的作用
温室效应对地球上的生命至关重要，它控制着地球的温度，因为大气中的温室气体，即二氧化碳、甲烷、水蒸气和其他气体，会先吸收地球的红外辐射，然后将吸收的能量释放，加热周围的空气和空气之下的地面。
地球干燥大气主要由氮气和氧气组成，它们占大气总体积的 99% 。温室气体实际上只占大气的很小一部分：二氧化碳仅占大气体积的 0.04% 。最强大的温室气体是水蒸气，但我们无法控制大气中水蒸气的浓度，只能控制二氧化碳的浓度。
大气中的水蒸气量高度依赖于气温，从而形成了一个反馈机制。大气中的二氧化碳越多，温度越高，空气中就含有更多的水蒸气，从而增强温室效应，使气温进一步升高。如果二氧化碳水平下降，一些水蒸气就会凝结，气温就会下降。
发现二氧化碳对气温影响之谜的第一块拼图的人，是瑞典科学家、1903 诺贝尔化学奖获得者斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）。凑巧的是，他的同事、气象学家尼尔斯·古斯塔夫·埃克霍尔姆（Nils Ekholm）在 1901 年第一次使用“温室”一词来描述大气的热量储存和再辐射。
到 19 世纪末，阿伦尼乌斯弄清了温室效应的物理学原理——向外辐射与辐射体的绝对温度 (T) 的四次方 (T?) 成正比。辐射源越热，射线的波长越短。太阳的表面温度为 6000°C，发出的射线主要落在可见光谱中；而地球表面温度仅为 15°C，会以我们看不见的红外辐射发出再辐射。如果大气不吸收这种辐射，地表温度几乎不会超过 –18°C 。
实际上，阿伦尼乌斯是在试图找出当时刚被发现的冰河时代现象的成因。他得出的结论是，如果大气中的二氧化碳水平减半，就足以让地球进入一个新的冰河时代，反之亦然——二氧化碳量增加一倍会使温度升高 5-6°C 。在某种程度上，这个结果与目前的估计值惊人地接近。
二氧化碳影响的开创性模型
在 20 世纪 50 年代，东京很多年轻且富有才华的研究人员离开了被战火摧毁的日本，继续他们的研究生涯，大气物理学家真锅淑郎也是其中之一。真锅研究的目标，就像 70 多年前的阿伦尼乌斯一样，是去理解不断升高的二氧化碳浓度如何导致气温上升。阿伦尼乌斯专注于研究辐射平衡，而在 20 世纪 60 年代，真锅领导开发的物理模型，将对流引起的气团垂直输运以及水蒸气的潜热纳入其中。
为了使这些计算更易于处理，他选择将模型简化为一维的一根垂直的圆柱体，从地面直达 40 公里高的大气层。即便如此，通过改变大气中多种气体的浓度来测试该模型还是花费了数百个宝贵的计算时。氧气和氮气对地表温度的影响可以忽略不计，二氧化碳则具有显著的影响：当二氧化碳浓度翻一倍时，全球气温会上升 2℃ 以上。
相对湿度给定分布下的大气热平衡
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