地球行星/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，导致大气阻挡这些太阳光线，而一些分子则让更高能量的光波穿过大气层，但阻挡通常反射回太空的较低能量光波。吸收不可见低能量红外光谱中光子的分子被称为温室气体，包括地球大气中发现的四个关键分子：水蒸气 (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像四大分子那样多。
地球大气几乎完全由氮气 (N2)、氧气 (O2) 和氩气 (Ar) 组成，它们可以阻挡紫外线 (UV) 光谱中的高能光，例如氧气，但这些气体分子都不会吸收红外光。因此，它们都不被认为是温室气体。
你的眼睛完美地适应了在可见光谱中看到一个狭窄波长范围内的光 (380 到 700 纳米)。可见光谱是来自太阳的光波范围，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长能够穿过富含氧气的环境。同样，水蒸气 (H2O) 会阻挡来自太阳的大部分红外波长 (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范围内的一个狭窄狭缝。世界上所有的颜色；紫色、靛蓝、蓝色、绿色、黄色、橙色和红色，当然不是所有存在的颜色，而是地球大气中发现的气体允许通过的光波长范围。水蒸气 (H2O) 作为一种温室气体是最重要的气体之一。作为一种大型分子，空气中的水蒸气来自蒸发，通过相对湿度来衡量。
水蒸气 (H2O) 可以吸收一个巨大的红外波长范围，在 1,000 纳米、6,000 纳米左右有吸收带，以及任何大于 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) 有如此广泛的光波长吸收带，延伸到几厘米长的微波长度。
大气中吸收的水蒸气量与大气温度直接相关。当大气变热时，大气中水蒸气的承载能力就会增加，当大气变冷时，大气中水蒸气的承载能力就会降低。空气中水蒸气的含量与温度直接相关，但也与气压相关。气压低的空气比气压高的空气承载水蒸气的能力更低。这种关系将在以后讨论大气压力和天气模式时进一步探讨。
可以在寒冷的冬日观察到温度与水蒸气承载能力之间的关系。想象一下森林里的一间小屋，小屋里用燃气灶取暖。外面的空气很冷，因此承载的水蒸气很少。然而，当这股外面的空气进入小屋并被加热时，空气的水蒸气承载能力突然增加。这种未饱和的空气会导致小屋内蒸发增加。水会被吸收到温暖的空气中，使小屋内的任何人都留着干裂的皮肤。这也是地球上一些最寒冷的地区也是地球上一些最干旱的地区的原因。冷空气不能像暖空气那样承载那么多水蒸气。
这种关系直接源于水蒸气是一种温室气体，它会吸收红外光波。在加热的小屋内，红外光量远大于小屋外。由于水会吸收这种能量，因此水蒸气分子会增加它们的能量状态并经历从液态水到气体的相变。
术语“温室”有点用词不当，因为温室通过允许阳光穿过透明窗户来困住内部的热量，而这些窗户可以防止与外部的空气交换。温室内部的暖空气可以承载更多水，水箱或洒水器会使温室内部更加潮湿，有利于植物生长。如果温室不包含任何水源，它在冬天会变得非常干燥，并且可能会使任何留在这种环境中的植物干枯。温室在有水蒸气这种温室气体的情况下效果最好，水蒸气能够吸收红外光，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，它会吸收红外光，在红外光谱中有一个特定的范围，大约在 3,000 纳米，以及 7,000 到 8,000 纳米之间。甲烷是一种特别强的温室气体，因为它在 7,000 到 8,000 之间的吸收带不被水蒸气吸收。富含水蒸气和甲烷的大气可以吸收更宽范围的红外光波长，让更少的光逃逸到太空，并将更多能量保留在地球表面附近。甲烷通常是大气中的一种稀有气体，但最近对甲烷的测量显示，从 1950 年代的 1000 ppb 急剧增加到 2020 年代的 1900 ppb。冰芯表明，在现代之前，甲烷从未超过 800 ppb。表明自人类 (智人) 出现在地球上以来，大气中的甲烷含量已经增加了一倍多。自 2007 年以来，甲烷含量急剧增加，特别是在北半球，正如 NASA 的水星卫星上的大气红外探测器 (AIRS) 所观察到的那样。
北极地区下的甲烷形成了大量的甲烷水合物，这是一种在压力和低温下形成的甲烷固态形式。在北冰洋的深冷海水下，由于海洋生物的腐烂和分解以及以这些有机碳为食并释放甲烷的产甲烷菌，甲烷会积累起来。深海水域的极度寒冷（接近冰点）和巨大的压力导致海洋底部积累了甲烷的固体形式，称为甲烷水合物（也称为甲烷笼形化合物）。如果海水变暖，这种甲烷会随着从固态到气态的相变而逸出，这种气体从海底冒泡并进入大气。
甲烷在氧气存在下会发生以下反应：CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2，这是一个发生在大气中的甲烷氧化反应。需要注意的是，该反应会产生水蒸气和二氧化碳，这两种都是温室气体。甲烷在大气中的停留时间很短，大约为 8 到 9.5 年。这意味着目前大气中甲烷的高含量并非累积效应的结果，而是代表着每年进入大气的甲烷净增加量。美国宇航局“水星”卫星上的大气红外探测器 (AIRS) 提供了北半球令人不寒而栗的景象，最近大气中甲烷浓度有所增加。甲烷的来源让大气科学家感到担忧。
除了从北极高纬度地区释放的甲烷外，石油和天然气田也会释放甲烷，这些田区经常从井中泄漏甲烷，并在天然气管道运输过程中泄漏甲烷。页岩气开采技术的发展，即通过压裂岩石释放地下天然存在的甲烷储量（用作天然气燃料来源）和煤层气开采技术（利用化学物质（酸）在地下煤层中释放甲烷燃料）可能导致最近大气中甲烷浓度增加的部分原因。牲畜，例如奶牛场，也会排放甲烷进入大气。科学家们利用红外传感器（来自飞机和地面）找到了其中一些来源，政府也颁布了法律来遏制工业向我们呼吸的空气中排放甲烷。大气中的甲烷仍然是大气科学家关注的主要问题。
二氧化碳已成为温室气体的代名词。作为一种大型分子，二氧化碳在 4,250 纳米左右吸收红外光，并在 13,900 到 16,100 纳米之间吸收一个宽带。该较长波长带与水蒸气重叠，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 4,250 纳米处的较低波长带位于大多数其他温室气体不吸收的红外带内，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，在大气中停留时间非常长（数十万年），排放到大气中的二氧化碳正在以惊人的速度累积。自然情况下，二氧化碳可以通过与 H2O 反应形成碳酸而从大气中去除，碳酸会与含钙岩石结合形成碳酸钙，但这个过程非常缓慢，与山脉缓慢侵蚀的速度相同。从大气中去除二氧化碳的一种更快的方法是通过光合作用的生命形式，这些生命形式需要在死亡后埋藏在地下，否则，如果这些生命形式腐烂或在火灾中燃烧（例如森林火灾），则二氧化碳可能会重新释放回大气中。森林火灾会将大量的二氧化碳释放回大气中。
氧化亚氮 (N2O) 是一种重要的温室气体，它不像甲烷和二氧化碳那样受到广泛关注。氧化亚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。2020 年，大气中的氧化亚氮浓度也从 288 ppb 上升到约 330 ppb。这些氧化亚氮的很大一部分来自氨 (NH3) 氧化过程，氨 (NH3) 用作作物肥料，以及来自内燃机，因为氧化亚氮可以为发动机提供比空气单独提供的氧气更多的氧气，从而实现更强劲的燃烧，从而使发动机燃烧更多燃料。城市中心，特别是汽车交通繁忙的地方，通常有更高的氧化亚氮浓度。
氨 (NH3) 氧化的过程很复杂，涉及 NH3 氧化细菌，这些细菌会吸收氨 (NH3) 并将氮氧化成亚硝酸盐 (NO−2)，然后还原成一氧化氮 (NO)，一氧化氮会形成 N2O，最终形成氮气 (N2)。植物需要氮才能生长，但无法利用大气中的氮气 (N2)。土壤中细菌的固氮作用有助于产生植物所需的氨 (NH3)。农业工业化促使人类生产的氨 (NH3) 广泛应用于作物，以促进植物生长。这导致氮氧化合物（通常称为 NOx（通常称为 nox 或氮氧化物））的增加。与二氧化碳不同的是，氮氧化物会吸收可见光谱中的一些光波，并在城市中心上空形成高浓度的棕色烟雾。氮氧化物也与近地表臭氧的形成有关，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。地球表面臭氧浓度受到严格监测，因为当臭氧浓度升高时，会导致肺部组织损伤。
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，如果没有这些气体，这些能量会反射回太空。温室气体就像毛毯一样，防止地球的热量逸散到太空。大气中温室气体越多，地球的热绝缘性就越好。全球气温升高会导致大气中水蒸气含量增加，水蒸气是一种强大的温室气体；这是一种正反馈，导致全球大气温度进一步升高。当深海温度升高时，甲烷会从寒冷的深海中释放出来，这又是一个强大的反馈，导致全球大气温度进一步升高。一个恶性循环会迅速发展，导致失控的全球气温，这种失控的温室气体释放事件在过去 5550 万年前的始新世-古新世界线（PETM 事件）和 2.52 亿年前的二叠纪-三叠纪界线（大灭绝事件）都曾发生过。此类事件极大地改变了地球，使其不再适合动物生存。
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