為什麼陽光對地表附近空氣的加熱不明顯？

01-16

問老師一天最冷和最熱的時候分別是什麼，老師說是清晨和下午一二點鐘解釋說熱量是地表"反射"回來的，太陽先熱輻射地表，地表放熱加熱空氣，清晨相當於錢花完了薪水還沒發，下午相當於剛領薪水還沒開始花。問題本身是解決了，但是老師的回答又引入了新的問題。雖然這個問題有種先問為什麼的嫌疑，但我還是先以老師說的為事實。

（作答時的原題為：「為什麼陽光不會加熱空氣？」）

陽光大致是黑體譜，峰值在550nm。而常溫（300K）下的物體輻射峰值在10μm左右，是紅外波段。

干大氣的主要成分是氮氣、氧氣，另有少量的氬氣、二氧化碳和其他痕量氣體。當然一般大氣里還有一點水蒸氣。

其中佔大頭的氮氣、氧氣都是非極性分子，沒有偶極矩，對電磁波大部分波段幾乎完全透明。

而佔比很小的二氧化碳、臭氧等溫室氣體，是可以吸收某些波段的電磁波的。一些大氣組分氣體的在不同波長上的透過率曲線：

（http://irina.eas.gatech.edu/EAS8803_Fall2009/Lec6.pdf）

最後一欄是總的透過率。可以看到總的透過率是被水蒸氣主導的，二氧化碳也有重要的貢獻，臭氧也有一點，其他的幾乎可以忽略不計。

而且可見，可見光波段上大氣對電磁波透過率幾乎都接近1，紅外波段有若干吸收帶（當然也對應有一系列窗口）。

串起來說，輻射峰值在可見光波段的陽光入射大氣時，沒遇到什麼阻攔就進來了；被直接反射走的那部分，也沒遇到什麼阻攔就穿過大氣跑掉了。但是陽光加熱了地面、海洋，使其產生峰值在紅外波段的輻射，這些輻射想要逃逸的時候，被大氣中水、二氧化碳等溫室氣體在紅外波段的吸收帶攔了一部分下來。這部分被吸收的能量，最終加熱了大氣。

=====問題已經回答完，以下是跑題，請注意文末警告信息=====

所以，陽光有多少用於加熱大氣、有多少跑了，很大程度上取決於地面的反射率。全球的地面反射率分布是這樣的：

大部分陸地在30%左右，海洋比較低，可以到10%以下，兩極比較高，能到70%以上。總的平均值在30%左右。可以想見，反射率高的地方地表吸收的能量少，溫度低，更容易積累冰雪，從而反射率更高；反之亦然。這樣就形成反饋。

從上圖的對比可以看出，雲的存在顯著地增加了各個地區的反射率。也就是說雲量控制著地表接收太陽輻射的多少。那雲遮率又是啥控制的呢？

或言，宇宙線。宇宙線是來自超新星爆發等高能事件的高能粒子，能量在10^8-10^22eV之間，其流量分布是能量越高的，越罕見。但地球接收到的宇宙線的總輻射強度，也不過是太陽的十億分之一。

宇宙線雖然總量很少，但它在侵入大氣層的時候，能把氣體電離，產生超精細氣溶膠，它作為凝結核可以促進雲的形成。

（Svensmark 2007 AG 48 1.18）

其中能量在10^10eV量級的宇宙線，量大質優，是這一過程的主力。宇宙線的數量取決於兩方面：一是抵達太陽系的有多少，二是抵達地球的有多少。

因為宇宙線在穿越太陽風的過程中能量會有損失，所以抵達地球的宇宙線有多少，是受太陽風強度，也就是太陽活動強度，調製的。

（climate4you Sun）

太陽活動強的時候，宇宙線就弱，雲的形成就少，地球反射率就低，吸收的熱量就多，溫度就高。並非太陽活動強，輻射就強，溫度就高那麼「顯然」。

（Marsh Svensmark, 2003）

上圖顯示，過去30年間，宇宙線強度跟低云云遮率有非常好的相關性。

實際上不僅這30年，更長時間尺度的證據也揭示了同樣的規律。

（Neff et al., 2001）

上圖中，碳14的變化示蹤宇宙線強度，而氧同位素比例示蹤樣品來源（印度洋）的溫度變化。可以看到峰谷之間有強相關。

當然相關性不等於因果性，為什麼這不是海盜數量跟氣候變暖關係的那種相關性呢？

因為以地質時間尺度來看，抵達太陽系的宇宙線的強度的變化，比太陽活動對宇宙線強度的調製，或言幅度要大10倍。而宇宙線強度變化仍然跟地球溫度強相關。如下圖所示，宇宙線已經能夠解釋大部分地球氣溫變化，留給溫室氣體等因素的餘地並不大。

（Shaviv Vezier 2003）

那宇宙線強度變化又是啥引起的呢？有觀點認為太陽反覆經過旋臂-旋臂間區域，周圍恆星密度周期性變化，也即周圍發生超新星爆炸的幾率周期性變化，這個過程會導致宇宙線的強度變化。太陽穿越一個旋臂大約耗時一億年，跟上圖中氣溫變化周期類似。

不過該機制導致的宇宙線強度變化幅度還沒有定論。有人說3倍，有人說僅20%數量級。這還有待研究爭論。

好了，跑題跑的夠遠的了。後半截講的，叫做「宇宙氣候學」（Cosmoclimatology），一門新興的交叉學科，恩。

看上去，「宇宙氣候學」聲稱的「宇宙線比CO2厲害多了」似乎在告訴我們不必杞人憂天自尋煩惱，不過也有證據顯示，近30年來無論宇宙線怎麼增加，地球氣溫卻反其道而行之的大幅上揚。

（IPCC Draft Report Leaked, Shows Global Warming is NOT Due to the Sun）

要不要相信這種反常是人類排放溫室氣體導致的呢？這似乎已經不只是一個科學問題，更是一個政治問題，我就不知道了。

警告：本人不具有大氣科學的基本常識，以上權當是快速閱讀的筆記。我也注意到有一些對「宇宙氣候學」理論的批評，「宇宙氣候學」不僅還沒有成為普遍接受的教科書理論，而且遭受主流氣候學界的廣泛抨擊。事實上目前宇宙線對雲形成有沒有影響、影響機制是什麼，還沒有完全搞清；不過即使是反對者，也承認這個話題本身是有意思的，只是質疑Svensmark的工作不足以支撐其結論。CERN有一個項目CLOUD研究凝結核的性質，該項目以及Svensmark自己做的實驗室研究可能會在將來一段時間拿出更多肯定或否定該理論的證據。但本人以上筆記沒有著重於批判性的甄別孰是孰非，請讀者留意。

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如果陽光能加熱空氣，陽光的能量就會在空氣中傳播的過程中損失，我們看到的天空將是灰壓壓的一片，這種情況，學術上叫做……帝都天。

空氣對於陽光的大部分波長是透明的。。。

看題主好像初中生的樣子，我嘗試一下用大白話解釋一下這個問題。

首先，不同於點火燒水式的加熱，太陽對地球的加熱是以熱輻射進行的。

那麼什麼是熱輻射呢？

所有的物體都會發射一種叫做電磁波的東西，發射出什麼樣的電磁波是由物體的溫度決定的，這些由於溫度發射的電磁波就可以簡單的理解為熱輻射。電磁波有一種性質叫做波長，越熱的物體越能發射更多波長短的電磁波。值得注意的是，我們平時所說的（可見）光也是電磁波的一種。因為發熱而發光的物體（比如白熾燈、燒紅的烙鐵還有太陽）都很熱，那麼可以推斷光是一種短波輻射。（至於為什麼節能燈、手機屏幕之類的不熱也能發光，這就是另一個問題了。）

就太陽的溫度而言，太陽發出的電磁波主要都在可見光的波段。太陽想要加熱地球，就是讓它所發出的電磁波被地球上的物體吸收，想像一下給人烤的暖暖的大燈泡式的浴霸，熱輻射加熱物體大概就是這種形式。而很可惜的，地球的大氣幾乎不能吸收太陽所射過來的電磁波。這個事實很容易理解，如果大氣把太陽光都吸收了，就沒有光到達地表，我們也就看不到東西了。物體吸收電磁波的能力叫做吸收率，同樣的東西的吸收率對於不同波長的電磁波是有差別的。大氣不能吸收太陽光的原因比較深奧，最高票的答案說的很清楚了，用一句話說就是因為大氣中分子的結構導致了大氣對太陽光是透明的。既然太陽靠發射電磁波來傳遞熱量，而大氣卻不能吸收這些電磁波，那麼顯然太陽是不能直接加熱大氣的了。

現在我們再來看看地面。

地面對太陽光的吸收率要高的多，也就是說太陽可以成功的加熱地面。地面加熱空氣有幾種形式，最簡單的就是因為地面很熱，那麼直接挨著地面的空氣也會被加熱，熱空氣又會繼續加熱上面的空氣，因為熱的空氣比較輕，那麼熱空氣還會向上運動讓冷空氣下來被加熱。

但是上面的方式只能加熱靠近地面的一薄層空氣，真正起到讓人感受到溫度變化還得靠輻射。上面說過所有的物體都能發射電磁波，而溫度越高的物體發射的電磁波短波長的比例會多，那麼和6000度的太陽表面比起來，地面就只能發射那些波長很長的電磁波了，我們把地面發射的這些電磁波叫做長波輻射。大氣對長波輻射的吸收率要比短波輻射的吸收率大得多，它可以很好的吸收地表輻射，從而使自己加熱。原因還是要從分子結構上找。如今對氣候變暖的主流觀點，就是溫室氣體的增加讓空氣吸收地面的長波輻射變多了，從而大氣的溫度更高了。

一句話總結：地表能吸收太陽光的輻射，大氣幾乎不能吸收太陽輻射，卻能吸收地表的長波輻射。

第一次在網站上嘗試科普，還是用大白話說，若是說的不好或者不對都歡迎指點。上一次是在親戚家嘗試給一年級小孩科普什麼是蛋白質，結果說了老半天差點給小孩說哭了……

因為地面輻射是長波更容易被空氣吸收，而太陽輻射波長短不容易被吸收。

貼個百度的溫室效應詞條

溫室效應是指透射陽光的密閉空間由於與外界缺乏熱交換而形成的保溫效應，就是太陽短波輻射可以透過大氣射入地面，而地面增暖後放出的長波輻射卻被大氣中的二氧化碳等物質所吸收，從而產生大氣變暖的效應。大氣中的二氧化碳就像一層厚厚的玻璃，使地球變成了一個大暖房。如果沒有大氣，地表平均溫度就會下降到-23℃，而實際地表平均溫度為15℃，這就是說溫室效應使地表溫度提高38℃。大氣中的二氧化碳濃度增加，阻止地球熱量的散失，使地球發生可感覺到的氣溫升高，這就是有名的「溫室效應