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地球溫室氣體的作用原理 溫室氣體有哪些( 二 )

溫室氣體


地球溫室氣體的作用原理 溫室氣體有哪些

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大氣分層及溫度變化
熱層的溫度很高，但與溫室氣體沒多大關系，它是由太陽輻射能量電離大氣粒子造成的 。 大氣層的中間層非常寒冷，盡管這里的空氣密度遠高于熱層，但缺乏溫室氣體 。
平流層上方有豐富的臭氧，它分吸收太陽高能輻射并將其轉化為自身振動的能量，將高能紫外線和X射線輻射能轉化為熱能，從而保護了地面的生靈 。
你也許注意到了，所謂的溫室氣體分子多是以三個以及三個以上原子組成，單個原子（比如氬氣）和雙原子（氮氣和氧氣）不是溫室氣體 。 這是因為三原子組成的氣體分子在被光照射時，有更復雜的振動模式，因而可以產生更多的熱量 。
分子振動 空氣中存在極微量的單原子氣體，比如氬、氖等惰性稀有氣體，在高層大氣，還有被電離的氧、氫等，這些氣體在極高能量的X射線、極紫外線等等照射下會因原子振動加劇而對外輻射能量 。 但這些氣體極其稀薄，不能被稱為溫室氣體 。
占大氣78.084％的氮氣（N?）和占20.947％的氧氣（O?）是雙原子氣體分子，它們由兩個原子通過共價鍵組成穩定的分子 。 其中氮氣分子由兩個通過強（短）三鍵連接的氮原子（N）緊密組成：
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氮氣分子的三鍵連接
氧氣分子由兩個通過強（短）雙鍵連接的氧原子（O）組成：
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氧氣分子的雙鍵連接
由于氮氣和氧氣都是由強鍵連接，其結構穩定，那些穿過了大氣層的光子能量通常不足以激發它們振動；當它們被光子激發時，分子僅在軸向上發生極輕微的線性振動，兩個原子間像是連著一根硬彈簧，它們只是稍稍靠近又稍稍遠離，因此氮氣和氧氣基本不對外輻射熱能，也不被認為是溫室氣體 。
擁有3個或更多原子的分子可以以更復雜的模式振動 。 單個分子可以以各種方式振動；這些不同運動中的每一個被稱為一種振動“模式” 。 二氧化碳（CO?）分子具有三種不同的振動模式，如下圖所示：
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二氧化碳分子的三種振動模式
二氧化碳分子由中心的碳原子（C）與兩個具有弱（長）雙鍵的氧原子（O）連接組成，分子中的電荷非對稱分布，與氮氣和氧氣相比，二氧化碳的原子鍵就像是一根細彈簧，松弛且柔軟 。 具有更多（和更復雜的?。┱駝幽Ｊ降姆肿痈赡芘c通過的電磁輻射波相互作用，這就是二氧化碳吸收和發射紅外（IR）輻射的原因，而氮和氧分子卻沒有 。 這種吸收紅外波的能力使二氧化碳成為溫室氣體 。
水蒸氣（H?O）分子也具有與二氧化碳相似的振動模式，使其與通過的IR波相互作用 。 不同的是水分子是一種極性分子，它比二氧化碳更復雜，因此水蒸氣是一種比二氧化碳更強的溫室氣體 。
甲烷（CH?）是在地球大氣層中少量存在的氣體，又被稱為天然氣 。 甲烷分子是最簡單的碳氫化合物，其中間是單個碳原子（C），被四個相等距離的氫原子（H）包圍，通過弱（長）單鍵連接 。
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甲烷的分子結構
甲烷是一種比二氧化碳更強大的溫室氣體，它的化學鍵有更多更復雜的振動模式，因此甲烷可以吸收更多的電磁波能量再將其輻射出去 。
總結： 我們的地球從太陽獲取絕大部分的能量，通過分子的振動將其轉化為熱能輻射出來 。 從宏觀角度，地球吸收和對外輻射的能量是相等的 。
由于地球大氣層中有溫室氣體，有相當一部分能量被保留在地面附近進行熱循環，這為地球生命的產生和繁衍創造了條件 。
單原子和雙原子氣體不成為溫室氣體，這是由其受輻射后的振動模式決定的，雙原子氣體如氮氣、氧氣等的鍵合強大，它們不容易受激發產生振動 。
二氧化碳、水蒸氣、臭氧和甲烷等氣體由三個以及三個以上原子構成，它們的化學鍵長且弱，并且電荷分布不均，在紅外線的激發下，這些氣體再容易發生共振現象，分子通過振動又向外輻射熱能，使得這些氣體可以更有效地保存和傳遞熱量 。

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