大气与温室气体基础

我们讨论温室气体如何影响地球大气中的辐射传输。我们解释水蒸气或二氧化碳等温室气体与氮气或氧气等非温室气体有何不同。利用简单的热力学与流体力学，我们表明，一个温室气体浓度足够高的行星必然会形成对流层。该行星还必须在对流层顶之上形成非对流层的平流层。在最简单的近似下，即大气对阳光透明且对热辐射具有与频率无关的不透明度，可得到对流层顶高度以及压力和温度随高度分布的简单公式。对流层近乎等熵，平流层近乎等温。地球真实大气要复杂得多，但它确实具有对流层和平流层。在地面与对流层顶之间，真实对流层空气每千克的熵随高度缓慢增加。平流层中熵随高度增加得快得多。平流层下部近乎等温，上部因臭氧吸收太阳紫外辐射而更热。真实大气的热不透明度由于其温室气体分子数十万次的振转跃迁而具有复杂的频率依赖性。与简单模型中几乎所有向外太空的辐射都来自对流层顶高度不同，地球真实大气向外太空的辐射来自地表以及对流层所有高度。另有少量辐射来自平流层。当考虑这些复杂性时，对大气顶热辐射谱的模型计算与卫星观测几乎无法区分。