温室效应
阳光晒暖地面，地面发出红外。水汽和二氧化碳吸收其中一部分，再向四面八方放出，地面因此暖了约 33 °C。
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1859 年的一根铜管
1859 年春，John Tyndall 在伦敦的皇家研究院量了一件事：空气里的各种气体，能不能挡住看不见的热辐射。仪器的主体是一根黄铜管，内壁抛光，长 4 英尺（约 1.2 米），粗 2.4 英寸，两头用岩盐片封住：玻璃会挡住这种辐射，岩盐不会。
管子一头是一个装着沸水的铜立方体，对着管子的一面涂着灯黑；另一头是温差电堆，热射到它上面，就产生微弱的电流，推动检流计的指针。
干燥的空气、氧气、氮气和氢气装满管子，指针只动了约 1 度。1862 年他在一个大气压下比较：二氧化碳挡住的热约是干燥空气的 90 倍，氨约是 1,195 倍。三年前，美国的 Eunice Foote 已发现装二氧化碳的玻璃筒在阳光下晒得更热；但她用的是阳光，分不清热是怎样进去的。
干燥空气、氧、氮、氢：约 1 度 · 一个大气压下，二氧化碳约为干燥空气的 90 倍（1862）
两股热拔河
很小的吸收要靠比较来量。温差电堆两面各装一只锥形反射器：一面收管子里过来的热，另一面收第二个沸水立方体的热。两边一样多时，检流计的指针停在 0 度。
先把管子抽成真空，移动一块双层挡板，把指针调回零。然后放进气体：气体挡掉一部分热，管子这一边变弱，另一边占了上风，指针偏过去。偏多少，就说明挡掉了多少。
实验室里没有干燥过的空气，吸收是干燥空气的 15 倍，Tyndall 认为主要是水汽。1859 年 6 月 10 日，他在皇家研究院把检流计表盘的影子投到幕布上，当场演示。
两股热在电堆上相抵，指针在 0 度 · 放进气体，管子这边变弱，指针偏转（示意）
氮和氧几乎透明
空气的绝大部分是氮气和氧气，它们几乎不吸收热红外。原因在分子的形状：两个相同的原子连在一起，电荷分布是对称的，怎样伸缩都不会一端偏正、一端偏负，红外就抓不住它们。
二氧化碳是一条直线：氧、碳、氧。它弯曲振动时，正电荷和负电荷的中心错开，能吸收波长约 15 微米的红外；一边伸、一边缩时，吸收的是约 4.3 微米的。水分子本来就是弯的，一端偏正、一端偏负，能吸收的波段宽得多。
分子吸收了红外，几乎来不及原样放出，就在碰撞中把能量分给周围的空气，让空气变暖；暖空气里的这些分子，又不停地向四面八方放出红外。
N₂、O₂：几乎不吸收 · CO₂ 弯曲振动：约 15 微米 · H₂O：多个宽谱带
阳光进来
换到整个地球。大气顶上，全年、全球平均，每平方米收到约 340 瓦的阳光。
约 100 瓦被云、冰雪、空气和地面直接反射回太空，约占 29%。剩下约 240 瓦被吸收：空气吸收约 80 瓦，地面吸收约 160 瓦。
这根大气柱上，带子的宽度就是能量的多少。黄色的是阳光，从顶上进来，有的在云层折回，有的落到地面。数字是 IPCC 第六次评估报告给的 21 世纪初的平均值。
大气顶：入射约 340，反射约 100，吸收约 240 瓦每平方米 · 空气吸收约 80，地面约 160（IPCC AR6）
零下 18 度
物体越热，放出的辐射越多：按斯特藩–玻尔兹曼定律，与绝对温度的四次方成正比。地球每平方米吸收约 240 瓦，也要放出约 240 瓦，才不会越来越热。
只放出 240 瓦每平方米的黑体，温度约 255 K，也就是 −18 °C（本页计算）。地面的全球平均气温却约 15 °C，高出约 33 °C。
多出来的约 33 °C 来自温室效应。这是一个比较的基准：假设反射的阳光不变，只是空气不吸收红外；它不是没有大气时地球的真实温度。
240 瓦每平方米 → 约 255 K，−18 °C（计算）· 地面平均约 15 °C · 相差约 33 °C
地面在红外里发亮
太阳表面约 5,770 K，它的光最强在可见光，波长约 0.5 微米。地面只有十几摄氏度，放出的是看不见的热红外，最强在 10 微米左右（按维恩位移定律计算）。
两种辐射几乎不重叠：按黑体算，太阳约 99% 的能量在 4 微米以下，地面约 99.9% 在 4 微米以上，所以分别叫短波和长波。
地面每平方米向上放出约 398 瓦红外，比它吸收的阳光多一倍多。它不会因此冷下去，因为空气也在向下放出红外。热空气上升和水的蒸发，又从地面带走约 103 瓦。
太阳约 5,770 K：峰值约 0.5 微米 · 地面约 288 K：峰值约 10 微米（计算）· 地面向上约 398 瓦每平方米
谱带和窗口
水汽、二氧化碳和臭氧各在自己的波段吸收红外。二氧化碳最重要的一段在 15 微米附近，正落在地面辐射最强的地方；水汽吸收 6.3 微米附近的一段，在更长的波长上还有宽的吸收带。
约 8 到 13 微米之间，空气对红外比较透明，叫大气窗口；臭氧在约 9.6 微米处挡住其中一小段。地面的一部分红外从窗口直接散到太空。
Tyndall 在 1859–1862 年量的是所有波长加在一起的吸收，他的仪器不分波长。这些谱带是后来用光谱仪一条条测出来的。
CO₂：约 15 微米 · H₂O：约 6.3 微米和更长的波段 · 窗口：约 8–13 微米 · O₃：约 9.6 微米
一部分回到地面
空气吸收了红外，自己变暖，就向上、也向下放出红外。地面每平方米收到的这份向下的红外约 342 瓦，是它吸收的阳光的两倍多。
从大气顶离开地球的红外只有约 239 瓦。它们大多来自高处的空气，那里比地面冷得多，放出的也少。地面放出的约 398 瓦和离开的约 239 瓦相差约 159 瓦，就是温室效应的大小。
1862 年，Tyndall 把大气比作横在河上的水坝：水位被抬高，但水没有越积越多，最后流走的和流来的一样多。地球最终散回太空的热，也等于它吸收的阳光。
地面向上约 398 · 向下约 342 · 离开地球约 239 瓦每平方米 · 温室效应约 159 瓦每平方米（IPCC AR6）
收支几乎相抵
把进出都画上，就是地球的能量收支。地面每平方米吸收的阳光约 160 瓦、收到向下的红外约 342 瓦，同时放出红外约 398 瓦，蒸发带走约 82 瓦，热空气带走约 21 瓦。在大气顶，进来的阳光约 340 瓦，出去的是反射的约 100 瓦和红外约 239 瓦。
两边几乎相抵，但不完全。2006–2018 年平均，地球每平方米多收进约 0.79 瓦（0.52–1.06），多出来的热约 91% 进了海洋。卫星和海洋浮标都测到，2005–2019 年间这份差额大约翻了一倍。
只要还有差额，地球就继续变暖，直到放出的红外重新追上吸收的阳光。
进约 340 · 出约 100 + 239 · 差额约 0.7（AR6 图 7.2）· 2006–2018 年约 0.79 瓦每平方米 · 约 91% 进海洋
一年的碳去了哪里
煤、石油和天然气里的碳，原本在地下埋了几百万年；烧掉它们，碳就变成二氧化碳进入空气。2024 年，单是化石燃料就放出了约 103 亿吨碳（约 378 亿吨二氧化碳），砍伐森林等土地利用变化又放出约 13 亿吨碳。
2015–2024 年平均，每年排放约 112 亿吨碳：约一半留在空气里，海洋吸收约 29%，陆地上的植物和土壤吸收约 21%。大气柱正面的深色带子按这份平均画。
留在空气里的那一半，让二氧化碳从 1750 年的约 278 ppm 涨到 2025 年的约 426 ppm（全球年平均），是至少 200 万年来最高的。每年随季节的一呼一吸，在「会呼吸的地球」一页。海洋吸收二氧化碳也有代价：表层海水的 pH 已降了约 0.1。
2015–2024 年平均：排放约 112 亿吨碳/年 · 空气 50% · 海洋 29% · 陆地 21%（全球碳预算 2025）
二氧化碳翻一倍
二氧化碳每翻一倍，大气顶的有效辐射强迫约增加 3.93 瓦每平方米（±0.47）：地面变暖之前，向太空放出的红外先少了这么多。1750–2019 年间，二氧化碳带来的强迫约为 2.16 瓦每平方米，人类活动合计约 2.72。
强迫大致和浓度的对数成正比：从 280 ppm 加到 560 ppm，和从 560 ppm 加到 1,120 ppm，增加的差不多。二氧化碳的吸收远没有饱和：加得越多，15 微米谱带两翼吸收得越多，向太空散热的那层空气也被推得更高、更冷。
地面要暖到把这份差额补上，才会重新平衡。IPCC 估计，二氧化碳翻一倍、等到平衡以后，地面最可能升温 3 °C；可能的范围是 2.5–4 °C，很可能的范围是 2–5 °C。到了 2011–2020 年，全球已经比 1850–1900 年暖了约 1.09 °C。
翻一倍：约 3.93 瓦每平方米（IPCC AR6）· 平衡升温：最可能 3 °C，可能 2.5–4 °C，很可能 2–5 °C
拆开这台仪器
先移开检流计，托起温差电堆和它的两只锥形反射器，再移开双层挡板、补偿立方体和 S′ 端的岩盐片，抬起实验管，最后移开热源和前室、储气器和干燥管。
指针停在哪一件上，它就被单独托出来，标出名字；不动时，各件依次托出。
检流计 · 温差电堆 · 双层挡板 · 补偿立方体 · 岩盐片 · 实验管 · 热源 · 气路
加多少二氧化碳
读数一是相对 1750 年（约 278 ppm）的强迫，按浓度的对数、每翻一倍 3.93 瓦每平方米算。读数二是平衡后的升温，按 IPCC 的最可能值：每翻一倍 3 °C。读数三是按可能范围 2.5–4 °C 算出的区间。
每次调整或打开这一节，台上从 1750 年的浓度重新开始：先是离开地球的红外变少，然后地面慢慢变暖，直到把它补回来。时间是示意，不是年份。
强迫 = 3.93 × log₂(C ÷ 278.3) 瓦每平方米（计算）· 升温按 IPCC 的气候敏感度 · 时间是示意
试一试把二氧化碳从 278 ppm 调到 557 ppm：大气顶多出多少强迫？按 IPCC 的可能范围，地面最终会升温多少？
模型省略了什么
台上有两件展品。仪器按 Tyndall 1861 年论文的描述和图版做成，实验管画得比他的 4 英尺短，气路和检流计放得比他的近；管壁朝前切开一条窗，里面红色的带子是热辐射的示意，不是看得见的光。立方体、电堆和锥形反射器的尺寸论文没有给，按图版估。大气柱不按比例，空气的厚度和云的高度都压缩了；带子的宽度按全球年平均画（能量按瓦每平方米，碳按亿吨碳），真实的能量流随地点、季节和昼夜变化很大。地面从窗口直接散到太空的那部分红外，图上没有单独画。实验台用对数近似计算强迫，用 IPCC 的平衡气候敏感度算最终升温，没有算海洋吸热带来的滞后。
几个容易误会的地方
温室效应的名字来自温室，但花园温室变暖，主要是因为玻璃挡住了热空气，不让它流走；1909 年，R. W. Wood 用玻璃盖和岩盐盖做过对比。二氧化碳不会把热永远关住：它吸收红外，又放出红外，地球最终散回太空的热等于吸收的阳光，只是在更高的温度上平衡。氮气和氧气不是完全不吸收，只是极弱。水汽是最大的吸收者，但它的多少由气温决定，约十天就降下来，所以它放大变暖，不发起变暖。臭氧洞是另一个问题，不是全球变暖的主要原因。Tyndall 没有提出温室效应这个想法，Fourier 在 1820 年代就提过；他第一次在实验室量出哪些气体吸收热辐射。
常见问题 · 5
- 没有温室效应，地球会有多冷？
只放出 240 瓦每平方米的黑体，温度约 255 K，也就是 −18 °C（本页计算）。
05零下 18 度 ↑- 为什么氮气和氧气不是温室气体？
空气的绝大部分是氮气和氧气，它们几乎不吸收热红外。
03氮和氧几乎透明 ↑- 人类排放的二氧化碳去了哪里？
2015–2024 年平均，每年排放约 112 亿吨碳：约一半留在空气里，海洋吸收约 29%，陆地上的植物和土壤吸收约 21%。
10一年的碳去了哪里 ↑- 二氧化碳翻一倍，地球最终会升温多少？
IPCC 估计，二氧化碳翻一倍、等到平衡以后，地面最可能升温 3 °C；可能的范围是 2.5–4 °C，很可能的范围是 2–5 °C。
11二氧化碳翻一倍 ↑- 谁最早在实验室测量气体吸收热辐射？
1859 年春，John Tyndall 在伦敦的皇家研究院量了一件事：空气里的各种气体，能不能挡住看不见的热辐射。
011859 年的一根铜管 ↑
资料来源
- J. Tyndall（1861）：On the Absorption and Radiation of Heat by Gases and Vapours…（贝克讲座），Phil. Trans. 151, 1（仪器、干燥空气约 1 度、水汽）
- J. Tyndall（1861）：Phil. Trans. 151 图版 I（C. Becker 绘，J. Basire 刻）
- J. Tyndall（1859）：Note on the Transmission of Radiant Heat through Gaseous Bodies，Proc. R. Soc. 10, 37（1859 年 5 月 26 日收到）
- J. Tyndall（1862）：On the Absorption and Radiation of Heat by Gaseous Matter，Second Memoir，Phil. Trans. 152, 59（一个大气压下的相对吸收、岩盐片、前室、“水坝”）
- J. Tyndall（1873）：Contributions to Molecular Physics in the Domain of Radiant Heat（1859 年 6 月 10 日的演示）
- J. Tyndall（1863）：Heat Considered as a Mode of Motion（温差电堆和检流计）
- 英国皇家研究院：John Tyndall’s radiant heat apparatus（藏品页）
- E. Foote（1856）：Circumstances affecting the Heat of the Sun’s Rays，Am. J. Sci. 22, 382
- M. Shapiro（2021）：Eunice Newton Foote’s nearly forgotten discovery，Physics Today
- S. Weart：The Discovery of Global Warming，The Carbon Dioxide Greenhouse Effect，美国物理联合会
- R. T. Pierrehumbert（2011）：Infrared radiation and planetary temperature，Physics Today 64(1), 33
- M. Höpfner 等（2012）：The natural greenhouse effect of atmospheric oxygen (O₂) and nitrogen (N₂)，GRL 39, L10706
- NIST CCCBDB：振动频率实验值（CO₂、H₂O、O₃）
- R. W. Wood（1909）：Note on the Theory of the Greenhouse，Phil. Mag. 17, 319
- IPCC（2021）：AR6 第一工作组第 7 章（能量收支图 7.2、温室效应 159 瓦每平方米、强迫、能量失衡）
- IPCC（2021）：AR6 第一工作组决策者摘要（气候敏感度、已观测的升温、200 万年来最高）
- IPCC（2021）：AR6 第一工作组第 2 章（1750 年 278.3 ppm）
- IPCC（2021）：AR6 第一工作组第 5 章（留在空气里的比例、海洋酸化）
- IPCC（2021）：AR6 第一工作组附录 VII 术语表（温室效应、太阳约 5,770 K）
- IPCC（2013）：AR5 第一工作组第 8 章 FAQ 8.1（水汽是反馈）
- NASA 地球观测站：Climate and Earth’s Energy Budget（反射约 29%、窗口）
- NASA：Earth Fact Sheet（太阳辐照度 1,361 瓦每平方米、邦德反照率 0.294、288 K）
- G. Schmidt（2010）：Taking the Measure of the Greenhouse Effect，NASA GISS（水汽约一半、云约四分之一、CO₂ 约五分之一）
- N. G. Loeb 等（2021）：Satellite and Ocean Data Reveal Marked Increase in Earth’s Heating Rate，GRL 48
- P. Friedlingstein 等（2026）：Global Carbon Budget 2025，Earth Syst. Sci. Data 18, 3211（2015–2024 年平均、2024 年）
- NOAA 全球监测实验室：大气二氧化碳趋势（2025 年全球年平均 425.62 ppm）
- WMO、UNEP（2022）：Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer，问题 17
数据
Energy flows: IPCC AR6 WGI Figure 7.2 (adapted there from Wild et al. 2015, 2019), global annual means at the start of the 21st century. Forcing and climate sensitivity: IPCC AR6 WGI, chapter 7 and the Summary for Policymakers. Carbon: Global Carbon Budget 2025 (Friedlingstein et al., Earth Syst. Sci. Data 18, 3211, 2026), the 2015–2024 means and 2024. Carbon dioxide: NOAA Global Monitoring Laboratory, global annual means. The emission temperature, the Planck curves, the shares below and above 4 µm and the lab’s forcing (a logarithm calibrated to AR6’s 3.93 W/m² for a doubling) are computed on this page. The apparatus follows J. Tyndall, Phil. Trans. R. Soc. 151 (1861), §4 and Plate I (C. Becker del., J. Basire sc.), with the front chamber and the rock-salt plates from Phil. Trans. 152 (1862); sizes the papers do not give are judged from the plate, and the tube is drawn shorter than its 4 feet. The column of air, its ground and sea, and the bands drawn on it are this page’s own model. Material presets, parts and the softbox studio of the site’s model kit are ported from AirsupHQ/machine-skill (MIT, © 2026 Air Supply Technologies Inc.).
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引用这幅图版
拉普拉斯的迷你世界，图版 70《温室效应》，https://world.lapla.si/zh/greenhouse/，CC BY-NC 4.0，2026-10-31 更新。
沿这个问题继续
图版 20会呼吸的地球一棵大树的木头，大部分来自空气。每年夏天，北半球的森林一起吸气，整个大气里的二氧化碳都会变少。
图版 64三圈环流太阳把赤道晒得最多。暖湿的空气在赤道附近上升，成云下雨；升到高空后流向两极，在南北纬 30° 附近下沉，那里晴朗干燥，地面上是一个个高压；再沿地面流回赤道，被地球自转偏成信风。把多年、所有经度平均起来，每个半球的空气大致绕成三个圈：哈得来圈、费雷尔圈和极地圈，整套图案随季节南北移动。台上是一个地球仪，套着一圈切开的对流层，切面上的流线由 NCEP/NCAR 1991–2020 年的平均风算出。
