从辐射传热角度详谈“温室效应”的底层科学原理

我们在很多场合，可能都听过关于“温室效应”的解释和论述。但是今天我想从“传辐射传热”的角度，谈一下温室效应。可能这样的讲述并不像“科普”讲法容易理解，但是为了使那些喜欢“深究其理”的朋友们了解温室效应背后的一些基础科学原理，我想进行一次尝试。

我为什么要进行这样的尝试呢？是因为很多从事“碳相关”工作的人，在培训开始，讲述温室效应的时候，对其基础科学原理，总是轻描淡写地一带而过。好像就像是告诉听众，你们记住这个事实就可以了，没必要知道为什么。可是我就想问，我都不知道这里边基础的科学原理，你怎么让我相信全球变暖是真的？我甚至发现，有时直到培训结束，很多听课的人还在疑惑这样一个问题，那就是：这个“碳减排”到底是不是西方国家，从地缘政治或经济博弈角度提出的一个弥天骗局。

另外，地球的变化真的是人类造成的吗？远古时期，地球也曾经历过多次全球温暖期以及数次的冰河时期，难道我们人类就能引起并改变这样的“天数轮回”？坦率地说，我也不清楚。于是只能从科学原理中寻求一些参考，毕竟复杂的事物往往可以用最简单的科学原理来解释。从基础的传热学辐射原理出发，至少可以让我们这些从小学习数理化的人，能够从科学的角度来认识一些基本可行事实。

一、首先了解一些基础的科学知识

1、电磁波谱与热射线

在我们生活的空间中，充斥着不同波长的电磁波。只要温度高于绝对零度即-273.15K，物体就会向外界进行热辐射。我们先看一下电磁波谱示意图1。在整个电磁波谱范围内，我们所讨论的辐射传热以及温室效应，主要发生在0.1um到100um波长的电磁波辐射范围。因为这个波段的电磁波最容易被物体吸收而转化成热能，所以我们称其为热射线。值得注意的是，在热射线光谱范围内，我们的可见光波长范围很窄，大致在0.38-0.76um。所以我在之前的文章里，一直强调，我们看待辐射，不要站在一个自然人的视角，需要突破我们肉眼所能感受的那个狭窄范围，站在一个更高的高度，即立足全光谱范围研究问题。

图1 电磁波谱示意图

2、普朗克定律及解释

太阳可以看成是一个温度大约为5800k的热源（一般视为黑体），太阳辐射的能量主要集中在0.2-2um的波长范围，回想可见光的波段（0.38-0.76um），可以看出这个波长范围完全覆盖了可见光区段，所以太阳的辐射能量在可见光范围占有很大的比例（近一半）。而从普朗克Planck定律也可以看出，太阳的辐射能主要集中在可见光波段（这并不意味着太阳其他波段的辐射能比温度低的物质的辐射能小）。

图2普朗克（Planck）定律示意图

如图2所示，在对数坐标系中，横轴为热射线0.1-100um的波长，用λ表示。纵轴为基于横轴波长变化的辐射力，也就是光谱辐射力E_bλ。图中有多条曲线，每一条曲线都代表一个物体所处的温度T（绝对温度）。从单一曲线变化的趋势可以看出，随着波长的增加，从最左边向右，辐射力由小变大，达到峰值后，再降低。不同温度的曲线永不相交，高温曲线的辐射力要大于低温曲线的辐射力。绝对温度越高的曲线越向左侧短波方向移动，温度越低的曲线则更加靠近长波波段（维恩位移定律）。图中灰色条带代表可见光波长范围，在这个范围里包括了从长波向短波方向的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫几类我们常说的可见光。而温度为300K这条曲线，接近我们日常生活的环境温度26.85℃，覆盖的波长范围为2-100μm，属于红外辐射范畴。

由于我们周围接触的固体物质，由于都处于绝对零度以上，都同时在相互发射和吸收着热辐射。根据基尔霍夫定律：“物体的辐射力越大，其吸收能力也越大”，说白了就是：善于辐射的物体必然也善于吸收，反之也是这个道理。

而我们身边，包括工业上可能遇到的温度，大都在2000k以下，这样的温度比太阳的温度5800k低得多。根据普朗克定律，当这些低温的物质吸收到来自太阳的辐射能以后，对外所发出的热射线的波长就集中在了红外波段。如图2中的蓝色字体“环境温度”显示，300k也就是25℃左右的物体向外界发射的热射线，主要为红外线。从图1的电磁波谱中我们知道，我们日常生活以及工程应用过程中具有实际意义的热射线波长位于0.8-100um之间，大部分能量位于红外区段的0.76-20um范围之内。

好的，通过以上基础知识的介绍，我们可以用通俗的语言来总结一下：那就是地球上的物质吸收了来自太阳的短波可见光（热射线）占主波段的辐射能，然后会以长波红外线（热射线）的形式向外界发射（释放）辐射能。

二、物体选择性吸收解释温室效应（这里指温室大棚）

在我的之前的文章：《对传热学中实际物体辐射与吸收关系的一些理解》中对实际物体的辐射特性进行了详尽的论述。为了本专题论述的完整性，我带着大家在这里再次回顾一下。

从图3可以看出，实际物体对于单位时间内从外界（或物体表面）辐射到自身单位面积上的总能量，即投入辐射，不一定完全吸收。根据自身特性，以及外界投入的辐射的波长不同，实际物体要选择性吸收。通俗地说，对于实际物体，不是你给我什么我都要，实际物体可以看成是有血、有肉、有性格的人，有自己的喜好；对于不同波长的热射线，我得挑一挑，选一选。最终我只大量吸收经过筛选后的热射线，不喜欢的就少吸收。

所谓温室效应，就可以使用物体的选择性吸收特性来解释。搞“碳”的人，一般嘴里说的“温室效应”的“温室”，实际上也是借用了温室大棚的意思。冬日里，人们使用玻璃，或者农用薄膜将一块地面封闭起来，您可以类比夏日里的小汽车驾驶室。通过这样的措施，内部温度明显高于外界环境温度。这就是因为玻璃或者人们使用的薄膜对太阳辐射（波长为0.38-0.76um可见光占比很大）具有强烈的选择性吸收特性，以玻璃为例，它是透明的，所谓透明就是肉眼看见的可见光是可以完全穿过的，也就是说，对于λ＜3um的热射线（完全包含可见光波段），具有很高的透射比，于是热射线大量进入了玻璃罩，被温室里的物体吸收产生热能，进而向外辐射热射线。此时参考上文提到的普朗克（Planck）定律，低温物体（相对于太阳）对外进行热辐射，发出的是热射线是红外线。而根据玻璃的吸收特性，玻璃恰恰对这些波段的红外线具有较好吸收作用，于是辐射能被玻璃吸收，又再次反射到大棚内部，使温室内部的物体产生热效应并升温。换句话说，这些长波红外线辐射被玻璃阻隔在温室内部了，于是温室内部物体的温度升高了，这就是“温室效应”。需要说明的是，这个温室模型中，不考虑温室中气体介质对辐射的影响。

请注意，这里讨论的是基于实际物体吸收特性的田间地头经常看见的直观的“温室效应”，并不是我们以地球为尺度的大气“温室效应”，后者引入了“介质辐射”的问题，但原理有相似之处。具体我们往后看。

三、从太阳辐射过程引入介质辐射

回到我们宏观的地球大气维度。从图4这个简单的示意图可以看出，太阳发出的辐射能首先可以穿过大气层，然后到达我们地球上的物体或物质。从辐射传热的角度， 这其实是能量辐射传输的问题，而辐射传输可以分为：表面辐射和介质辐射。介质辐射就涉及到了大气对辐射的严格选择性吸收问题。我们在讨论表面辐射的时候，总是假设在面与面之间的辐射和吸收过程中，两个面之间没有介质，或者介质不产生影响。但实际上，我们地球大气层确是实实在在地存在，其中的一些气体分子反而对辐射传输产生了较大影响，于是我们就需要搞清楚介质辐射的问题，也就是作为介质的气体的辐射问题。

四、气体选择吸收特性与温室效应

在讨论气体辐射的选择性吸收问题时，先要明确：大气和空气是两个完全不同的概念。大气含有多种气体且含有粒子，而空气仅含有氧气O₂和氮气N₂。

我们研究介质辐射时，我们就需要考虑两个面中间的介质的对辐射现象的影响，那么必然得考虑介质的组成和性质。我们认为介质辐射时，参与辐射的物质有两类，第一是粒子，第二是气体。介质辐射过程所体现出来的行为包括：吸收、发射以及散射。

只要有粒子存在（广义的粒子），那么就有散射，没有粒子，那就没有散射。我们说介质可能有辐射和吸收的能力（如锅炉烟气）。一般在常见温度范围内，洁净的空气以及结构对称的双原子分子如O₂、N₂、和H₂，是透热（热射线）的，也就是不吸收也不辐射。而分子结构不对称的双原子、三原子和多原子气体等大多数气体，如CO、CO₂、H₂O、CH₄、SO₂、NH₃、C_mH_n、氯氟烃和氢氯氟烃（两者俗称氟利昂）等气体既吸收也辐射。

与固体表面的辐射与吸收相似，气体辐射及吸收对波长也具有选择性。但是，气体的选择性，表现的更加“决绝”，或者说更加“爱憎分明”，见图5。固体的选择性，在某一段波长范围内，体现的是辐射和吸收多少的问题。而气体的选择性，在某一段波长范围内，体现的是辐射和吸收有无的事情。换句话说，气体的辐射和吸收，在某一波段，具有完全的辐射和吸收，而在某一波段，则完全透射，没有辐射和吸收。

图5二氧化碳与水蒸气光带示意图

大气中，除了氮气这种透明气体外，主要含有二氧化碳和水蒸气。我们需要关注这两种气体在光谱范围内的辐射与吸收带。图5是一个二氧化碳和水蒸气的光带示意图。在图中，我们可以看出，在0-18um波长范围内，其发射率曲线与横轴存在一系列竖直的阴影部分，类似带状，带宽为一定的波长范围。在这些带状区域内，二氧化碳和水蒸气，既具有吸收能力也具有辐射能力，我们把这样的条带称为光带。在光带以外，气体既不辐射也不吸收，对热射线呈现透明状态。注意！这里的透明，不是指咱们用肉眼看上去是透明的，而是在全光谱范围内，是透明的。

从图5可以看出，CO₂的光带仅在2.65-2.80um；4.15-4.45um；13.0-17.0um波长段，H₂O的光带在2.55-2.84um；5.6-7.6um；12.0-30.0um波长段，两者光带都被包含于红外线波长范围，即0.76-20um波长范围。而对可见光（0.38-0.76um）完全不吸收，全部透过。读到这里，如果您感兴趣，可以去了解一下什么是“大气窗口”、激光波长等问题，这是另外的话题，这里不展开讲了。

好了，现在让我解释一下大气层“温室效应”吧。

过去的100年里，全世界的快速工业化发展，包括化石燃料燃烧、制冷机组制冷剂（氟利昂等）使用，以及其他工业废气排放向我们的大气中释放了大量对红外波段具有吸收和辐射强选择性的气体。这些气体由于重力作用，聚集在地球外围（好像给地球罩上了一层玻璃）。这些气体透过可见光，但在吸收来自地表物体的红外辐射的同时，也向地表辐射热射线，不但使大气温度升高，也使地球表面温度升高。

当您看到这里，我相信，通过我在一定程度上的详细解释，您一定会对温室效应这个事情有一个更深，更细致的了解。

好了，让我们回到最开始的话题。全球气候变暖的事实的证明，可能属于大气科学、环境科学、地球科学以及生态学等多学科综合研究范畴。这是一个复杂且困难的课题。我不能管中窥豹，一叶障目。仅仅通过一个传热学科就回答所有问题，我只能说，从辐射传热的基础原理上，可以说明，这些具有特定光带的气体，确实参与了大气层内的热射线的吸收与再发射，对全球升温具有正向推动作用。欢迎大家留言讨论。