温室效应是指行星大气吸收辐射能而使行星表面升温的效应。

温室效应示意图

因为温室效应，行星的表面温度会比没有大气层时更高。过去认为其机理与温室相似，是为了提高其中的温度，因此被命名为“温室效应”。许多研究指出，人为因素使得地球上的温室效应异常加剧，导致全球变暖效应。

太阳辐射主要是短波辐射，地面辐射和大气辐射是长波辐射。大气长波辐射吸收强，短波辐射吸收弱。白天，太阳照射到地球上，一部分能量被大气吸收，一部分反射回宇宙，大约47%的能量被地球表面吸收。晚上，地球表面将白天吸收的热量以红外线的形式散发到宇宙中，其中一部分也被大气吸收。

大气层就像一个被玻璃覆盖的温室，保留着一定的热量，这使得地球不像没有大气层的月球，受到太阳照射时，温度急剧上升，没有受到太阳照射时，温度急剧下降。根据一些理论，由于温室气体的增加，整个地球保留的热能增加，导致全球变暖。

如果没有温室效应，地球将变得太冷，不适合人类居住。据估计，如果没有大气层，地球表面的平均温度将是18℃。正是温室效应使地球的平均温度保持在15℃。然而，目前过量的温室气体导致地球平均温度高于15℃。

目前，人类活动增加了大气中温室气体的含量。燃烧化石燃料、水蒸气、二氧化碳、甲烷等排放的气体。被红外辐射吸收和保留，导致全球地表温度升高，加剧温室效应，导致全球变暖。为了解决这个问题，联合国制定了《气候变化框架公约》，以控制温室气体的排放，防止地球温度上升影响生态和环境。

历史

约瑟夫·傅立叶在1824年提出了温室气体存在的观点，克劳德·普雷蒂特在1827年加强了这一论点，并在1838年提出了相关证据，1859年约翰·廷德尔也用实验数据进行了验证。1896年，斯特凡诺·古斯塔夫·阿伦尼乌斯也证实了这一效应。然而，这些科学家都没有用“温室效应”来描述这一现象。直到1901年，尼尔斯·古斯塔夫·埃克霍尔姆才开始使用这个术语。

1917年，亚历山大·格雷厄姆·贝尔提到“(未被发现的化石燃料燃烧)会造成类似温室效应”。因此，贝尔还倡导其他替代能源，如太阳能。

机制

地球会吸收太阳释放的电磁辐射，如紫外线、可见光和近红外。在高层大气中可以接收到的所有辐射能量中，大气和云层将把26%的能量反射到空间空，而大气和云层本身将吸收19%的能量。剩余的能量大部分被地球表面吸收，因为表面的温度比太阳冷得多，所以表面发出的远红外线的波长比太阳发出的电磁波的波长长得多。大部分热辐射被大气吸收，这将提高大气的温度。除了吸收太阳释放的电磁波和地球的热辐射，大气还将从地面的显热和潜热通量中获得能量。大气向上和向下辐射能量，向下辐射的能量有一部分被地表吸收，所以地表温度会比没有大气时高。

大气层和海平面上太阳辐射光谱的差异

如果一个具有理想热导率的黑体位于地球的位置，并接收太阳辐射的热量，其温度将约为5.3°C。然而，由于地球反射约30%的太阳辐射能量，其理想有效温度(黑体辐射与其吸收相同热量的温度)应为18°C。上述假想行星的表面温度(18°C)比地球的平均表面温度(14°C)低约33°C。

上述基本机制可以用很多方式量化，这些方式都不会影响基本机制。地面附近的大气不会吸收热辐射(温室效应对应的波长范围除外)，地面的热量损失大部分是由于显热和潜热的扩散。大气中的海拔越高，水蒸气(一种重要的温室气体)的辐射热损失就会越大，因为水蒸气的浓度降低了。温室效应可以看作是在对流层中部增加了一个“地表”，地表的特征是根据气温的垂直下降速率来调整的。这个简单的模型假设温度处于稳定状态，但实际温度会随着昼夜周期、季节周期和气候的变化而变化。夜间，由于大气的低发射率，大气温度会更低，但变化不大。昼夜温度变化会随着高度降低。

在辐射效应显著的地区，接近上述理想温室效应所描述的情况。地球表面的温度约为255 K，它将发射波长约为4–100米的长波长红外线。温室气体对入射的太阳辐射是透明的(既不吸收也不反射)，但它们将吸收该波长的能量。每一层有温室气体的大气都会吸收一些从下面散发出来的能量，然后散发到上面和下面，这样散发的能量和吸收的能量就能达到平衡。因此，大气越低，越暖。增加温室气体的浓度也会增加吸收和再排放的能量，从而使大气变暖，最终使地面变暖。

温室气体包括大多数由两种不同原子组成的双原子气体(如一氧化碳)和所有由三个或三个以上原子组成的气体，它们可以吸收和发射红外辐射。虽然干燥大气中的99%(氧气、氮气和氩气)不会吸收和发射红外线，但温室气体吸收和发射的能量可以通过分子间碰撞转移到其他非温室气体中。

温室气体

大气中的气体只能吸收某一频段的能量，对其他频段的辐射是透明的。

上图显示水蒸气(蓝色部分)和二氧化碳(粉色部分)的吸收光谱在某些区域重叠。与水蒸气相比，二氧化碳造成的温室效应其实没有那么强，但二氧化碳会吸收12-15m波长的能量，接近地球表面自然辐射到too 空的波长范围，而水蒸气不会。

如果按照对全球温室效应的影响来排名，排名前四的气体是:

水蒸气，36-70%(但未列入温室气体)

二氧化碳，9-26%

甲烷，4-9%

臭氧，3-7%

由于各种气体的吸收光谱和发射光谱重叠，实际上很难定义每种气体对温室效应的贡献。非气体也可能造成温室效应，其中最重要的是云，云也吸收和释放红外辐射，所以它们对大气中的辐射特性也有一定的影响。

对气候变迁的影响

克林曲线，是大气中二氧化碳的浓度，由纳罗阿山天文台测量。

人类活动引起的温室效应的增强称为增强(或人为)温室效应。人类活动引起的辐射驱动力增加是大气中二氧化碳增加的原因。根据政府间气候变化专门委员会最近的评估报告，“大气中二氧化碳、甲烷和一氧化氮的浓度在过去80万年中达到了前所未有的水平。这些气体和其他人类活动的影响影响了气候系统，这可能是20世纪以来观测到变暖的主要原因。”

CO2是由燃烧化石燃料及其活动(如水泥制造和热带森林砍伐等)造成的。).莫洛亚火山观测站测量的二氧化碳浓度从1960年的313ppm增加到2010年的389 ppm。2013年5月9日，达到400 ppm的里程碑。目前，观测到的CO2浓度已经超过了冰芯数据中的地质记录最大值(约300 ppm)。燃烧产生的二氧化碳对整体气候的影响是第一个温室效应，由斯特凡诺·古斯特·阿伦尼乌斯于1896年提出。

在过去的80万年里，冰芯数据中二氧化碳的最低记录值达到了180 ppm，在工业革命之前达到了270 ppm。古气候学认为，二氧化碳的变化是造成这一时间尺度气候变化的主要因素。

真正的温室

现代温室

温室效应是以被太阳温暖的温室命名的。许多资料来源解释说，温室内温度较高是因为太阳的紫外线、可见光和红外线通过玻璃照射到温室内，并被温室内的地板和内含物吸收。由于温度较高，会发出波长较长的红外线。而玻璃温室中使用的其他材料不能让红外线穿透，所以红外线不能通过辐射传递离开温室。但是温室是一个封闭的空房间，无法通过对流传热向外界传递热量，所以温室内的室温升高。温室效应是因为吸收红外线的温室气体(如二氧化碳和甲烷)与温室中的玻璃具有相似的效应。而且地球没有足够的空气体离开地球，所以没有对流传热。

然而，地球的温室效应不同于温室内提高室温的效应。由于温室效应，温室不会提高室温。温室室温升高的主要原因是让阳光照射到温室内，但室内热量无法通过对流传递到室外。温室效应使地球变热，因为温室气体吸收辐射能，使大气变暖，然后将部分能量散发回地面。

温室将由允许阳光通过的材料制成，大多数是塑料或玻璃，室温升高的原因是阳光温暖了地面和温室中的内容物，间接提高了室温。由于温室是封闭的空房间，空气体的温度会持续升高，这与室外热空气体和冷空气体的温度不同。如果打开温室里的一扇小窗，室内温度会迅速下降。罗伯特·伍德在1909年进行了一项实验，使用石盐(红外线可以穿透的材料)作为温室的材料。如果温室的玻璃不能让红外线通过，石盐做的温室应该不会有这种效果，但是它的室温和玻璃做的差不多。因此，温室的原理是防止室内空空气与室外的对流，从而使室温更高。

现在很多定量研究指出，温室内避免红外辐射传热的效果不是温室原理的主要原因，但它也有一定的传热量。对温室效率的经济考虑还是有一定影响的。有研究在温室内部给红外线贴上了高反射系数的窗帘，研究了近红外线的辐射，发现对热量的需求减少了8%。该研究还建议，染料应该应用于透明表面。

其他星球的温室效应

在太阳系中，火星和金星也有温室效应。金星的大气主要由二氧化碳组成，所以温室效应相当明显，平均温度比更靠近太阳的水星高。土卫六的大气层会吸收太阳辐射，但不会吸收红外辐射，所以会有抗温室效应，使其温度下降。冥王星的大气温度也比预期的要低，因为氮气的蒸发使大气变冷。

如果温室效应中的正反馈导致所有温室气体都蒸发到大气中，这就是所谓的失控温室效应。例如，金星认为二氧化碳和水蒸气导致了不受控制的温室效应。