地球/4d. 温室气体
所有气体，包括大气中的气体，都会反射、散射和吸收光子。气体由比液体和固体中发现的分子更广泛间隔的分子组成。当来自阳光的光子穿过大气层时，这些间隔较大的气体分子会吸收一些光线，导致大气层阻挡这些太阳光线，而一些分子则让高能量的光波穿过大气层，但阻挡通常反射回太空的低能量光波。在光线的不可见的低能量红外光谱中吸收光子的分子统称为温室气体，包括地球大气中发现的四个关键分子：水汽 (H2O)、二氧化碳 (CO2)、甲烷 (CH4) 和氧化亚氮 (N2O)。还有其他气体分子可以吸收红外光，包括臭氧、氯氟烃和氢氟烃，但这些分子吸收的红外光不如这四大主要气体多。
地球的大气层几乎完全由氮气 (N2)、氧气 (O2) 和氩气 (Ar) 组成，它们可以阻挡紫外线 (UV) 光谱中的高能量光，例如氧气，但这些气体分子都不吸收红外光。因此，它们都不被认为是温室气体。
你的眼睛非常适应在可见光谱的窄波段范围内（380 至 700 纳米）看到光线。可见光谱是来自太阳的光波范围，这些光波能够穿过大气层到达地球表面。你无法看到紫外线波长（小于 380 纳米），因为只有很少的紫外线波能够穿过富含氧气的大气层。同样，水汽 (H2O) 会阻挡来自太阳的大部分红外线波长（大于 1,000 纳米）。你的眼睛适应了地球大气层允许通过的可见光波长的狭窄缝隙。世界上所有的颜色；紫罗兰色、靛蓝色、蓝色、绿色、黄色、橙色和红色，当然不是所有存在的颜色，而是允许通过地球大气中发现的气体的光波长的范围。水汽 (H2O) 作为一种温室气体是最重要的温室气体之一。作为一种大分子，空气中的水汽来自蒸发，并通过相对湿度来衡量。
水汽 (H2O) 可以吸收极广范围的红外波长，吸收带在 1,000 纳米、6,000 纳米附近，以及任何超过 12,500 纳米的红外光。事实上，微波炉之所以能够工作，是因为水 (H2O) 具有如此宽的光波长吸收带，这些波长延伸到几厘米长的微波长度。
大气中吸收的水汽量与大气温度直接相关。当大气温度较高时，大气中水汽的承载能力增加，当大气温度较低时，大气中水汽的承载能力下降。空气中的水汽量与温度直接相关，但也与气压相关。低压空气比高压空气承载水汽的能力更低。这种关系将在以后讨论大气压和天气模式时进一步探讨。
可以在寒冷的冬日观察到温度和水承载能力之间的关系。想象一下森林中的一间小屋，小屋内用燃气炉取暖。室外空气寒冷，因此承载的水汽较少。但是，当这股室外空气进入小屋并被加热时，空气的水汽承载能力突然增加。这种未饱和的空气会导致小屋内蒸发增加。水会被吸入温暖的空气中，导致小屋内的任何居住者都出现皮肤干燥开裂的情况。这也是地球上一些最寒冷的地区也是地球上一些最干燥地区的原因之一。冷空气无法承载与暖空气一样多的水汽。
这种关系直接源于水汽是一种吸收红外光波的温室气体。在加热的小屋内，红外光的量远大于小屋外。由于水吸收了这种能量，水汽分子会增加其能量状态，并经历从液态水到气体的相变。
术语“温室”略有不妥，因为温室通过让阳光穿过透明的窗户来捕获内部的热量，从而防止空气与外部交换。温室内的暖空气可以承载更多的水，而水箱或洒水装置会使温室内部变得更加潮湿，以便植物生长。如果温室不包含任何水源，那么在冬季内部会变得非常干燥，并且可能会使留在这种环境中的任何植物都干枯。温室在有水汽这种温室气体的情况下效果最佳，水汽能够吸收红外光，使温室特别潮湿和温暖，非常适合植物生长。
甲烷 (CH4) 是另一种温室气体，它吸收红外光，在光线的红外光谱中有一个特定的范围，大约在 3,000 纳米和 7,000 至 8,000 纳米之间。甲烷是一种特别强的温室气体，因为 7,000 至 8,000 之间的吸收带不被水汽吸收。富含水汽和甲烷的大气可以吸收更广泛范围的红外光波长，使更少的光线逸出到太空中，并在地球表面附近保留更多的能量。甲烷通常是大气中的一种稀有气体，但最近对甲烷的测量表明，甲烷从 1950 年代的 1000 ppb 显著增加到 2020 年的 1900 ppb。冰芯表明，直到现代，甲烷从未超过 800 ppb。这表明自从人类 (Homo sapiens) 出现在地球上以来，大气中的甲烷已经增加了一倍多。自 2007 年以来，甲烷急剧增加，特别是在北半球，正如美国宇航局水星卫星上的大气红外探测器 (AIRS) 所观测到的那样。
北极地区下方的甲烷形成了大量的甲烷水合物沉积物，这是一种在压力和低温下形成的甲烷固态形式。在北冰洋寒冷的深海水中，由于海洋生物的腐烂和分解以及以这种有机碳为食并释放甲烷的产甲烷菌，甲烷会积聚。冰冷的深海水（接近冰点）和深水的巨大压力导致甲烷以固体形式积聚在海底，称为甲烷水合物（也称为甲烷笼形水合物）。如果海水变暖，这种甲烷会通过从固体到气体的相变释放出来，这种气体从海底冒泡并进入大气层。
甲烷在氧气存在下会发生反应 CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2，这是发生在大气中的甲烷氧化反应。请注意，该反应导致产生水汽和二氧化碳，这两种也是温室气体。甲烷在大气中的停留时间很短，大约 8 到 9.5 年。这表明，今天大气中甲烷的高值与其累积效应关系不大，而是反映了甲烷每年净增加到大气中的情况。美国宇航局水星卫星上的大气红外探测器 (AIRS) 对地球北半球的景象描绘得令人沮丧，最近甲烷使大气层富集。甲烷的来源引起了大气科学家的警惕。
除了北极高纬度地区甲烷的释放外，石油和天然气田也会释放甲烷，这些甲烷经常从油井泄漏，并在天然气管道运输过程中泄漏。水力压裂岩石释放地下天然存在的甲烷沉积物（用作天然气燃料）和煤层气技术的发展；利用化学品（酸）处理地下煤炭以释放甲烷燃料的过程可能导致了大气中甲烷最近的一些增长。牲畜，例如奶牛场也会向大气中排放甲烷。利用红外传感器（包括飞机和地面上的传感器），科学家们发现了一些这些来源，政府已经颁布法律来遏制我们呼吸的空气中工业排放的甲烷。大气中的甲烷仍然是大气科学家的主要关注点。
二氧化碳已成为温室气体的代名词。作为一种大分子，二氧化碳在约4250纳米处吸收红外光，并在13900至16100纳米之间有一个宽波段。这个较长波长的波段与水蒸气重叠，但在寒冷干燥的空气中，高浓度的二氧化碳会对红外光的吸收产生显著影响。约4250纳米处的较低波段位于大多数其他温室气体不吸收的红外波段内，这使得二氧化碳除了甲烷和水蒸气之外，成为一种非常有效的温室气体。自1958年以来，二氧化碳浓度从310 ppm上升到2020年的410 ppm，在大气中具有非常长的滞留时间（数十万年），释放到大气中的二氧化碳正在以惊人的速度积累。自然情况下，二氧化碳可以通过与H2O反应形成碳酸，然后与含钙岩石结合形成碳酸钙，从而从大气中去除，但这个过程非常缓慢，与山脉缓慢侵蚀的速度相当。从大气中去除二氧化碳的更快方法是光合作用生命体，它们在死亡后需要被埋入地下，否则如果这些生命体腐烂或在火灾中燃烧（例如森林火灾），二氧化碳可能会重新释放回大气中，从而释放大量二氧化碳回大气中。
一氧化二氮（N2O）是一种重要的温室气体，但不像甲烷和二氧化碳那样受到关注。一氧化二氮气体在红外光谱中跨越多个吸收带，因此是一种温室气体。一氧化二氮在大气中的浓度也一直在增加，从2020年的288 ppb增加到约330 ppb。这些一氧化二氮大部分来自氨（NH3）氧化过程，氨用作农作物的肥料，也来自内燃机，因为一氧化二氮通过提供比空气更多的氧气来帮助发动机燃烧更多的燃料，从而产生更强大的燃烧。城市中心，尤其是在汽车交通量大的地方，一氧化二氮的浓度往往较高。
氨（NH3）的氧化过程很复杂，涉及到NH3氧化细菌，这些细菌吸收氨（NH3）并将氮氧化成亚硝酸盐（NO−2），然后还原成一氧化氮（NO），形成N2O，最终形成氮气（N2）。植物需要氮来生长，但无法利用大气中的分子氮（N2）。土壤中细菌的固氮作用有助于产生植物所需的氨（NH3）。农业的工业化推动了人类生产的氨（NH3）在农作物上的广泛应用，以促进植物生长。这导致了氮氧化物（通常称为NOx，或氮氧化物）的增加。与二氧化碳不同，氮氧化物吸收可见光谱中的一些光波，并在城市中心上空浓度较高时形成棕色的烟雾。氮氧化物也与近地面臭氧的形成有关，臭氧是一种有毒气体。这个过程需要来自太阳的可见光（波长约为420纳米），通过莱顿关系实现。地球表面的臭氧水平受到密切监测，因为当臭氧水平升高时，会对肺部组织造成损害。
所有这些温室气体都会吸收一定量的红外光谱，从而捕获能量，如果这些气体不存在，这些能量就会反射回太空。温室气体就像一条羊毛毯，防止地球的热量散发到太空。大气中温室气体越多，地球的热绝缘性就越强。全球气温升高会导致大气中水蒸气含量增加，水蒸气是一种强效温室气体；这是一个正反馈，导致全球大气温度进一步升高。当深海温度升高时，甲烷会从深冷的海水中释放出来，导致另一个强效的反馈，进一步导致全球大气温度升高。一个恶性循环可能会迅速发展，导致失控的全球气温升高，并且此类失控的温室气体排放事件在地球过去5550万年前（始新世-古新世界线，即PETM事件）和2.52亿年前（二叠纪-三叠纪界线，即大灭绝事件）都发生过。此类事件极大地改变了地球，使其对动物生命来说不再宜居。
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