地球/4d. 溫室氣體
所有氣體，包括大氣中的氣體，都會反射、散射和吸收光子。氣體由比液體和固體中發現的分子更廣泛間隔的分子組成。當來自陽光的光子穿過大氣層時，這些間隔較大的氣體分子會吸收一些光線，導致大氣層阻擋這些太陽光線，而一些分子則讓高能量的光波穿過大氣層，但阻擋通常反射回太空的低能量光波。在光線的不可見的低能量紅外光譜中吸收光子的分子統稱為溫室氣體，包括地球大氣中發現的四個關鍵分子：水汽 (H2O)、二氧化碳 (CO2)、甲烷 (CH4) 和氧化亞氮 (N2O)。還有其他氣體分子可以吸收紅外光，包括臭氧、氯氟烴和氫氟烴，但這些分子吸收的紅外光不如這四大主要氣體多。
地球的大氣層幾乎完全由氮氣 (N2)、氧氣 (O2) 和氬氣 (Ar) 組成，它們可以阻擋紫外線 (UV) 光譜中的高能量光，例如氧氣，但這些氣體分子都不吸收紅外光。因此，它們都不被認為是溫室氣體。
你的眼睛非常適應在可見光譜的窄波段範圍內（380 至 700 奈米）看到光線。可見光譜是來自太陽的光波範圍，這些光波能夠穿過大氣層到達地球表面。你無法看到紫外線波長（小於 380 奈米），因為只有很少的紫外線波能夠穿過富含氧氣的大氣層。同樣，水汽 (H2O) 會阻擋來自太陽的大部分紅外線波長（大於 1,000 奈米）。你的眼睛適應了地球大氣層允許透過的可見光波長的狹窄縫隙。世界上所有的顏色；紫羅蘭色、靛藍色、藍色、綠色、黃色、橙色和紅色，當然不是所有存在的顏色，而是允許透過地球大氣中發現的氣體的光波長的範圍。水汽 (H2O) 作為一種溫室氣體是最重要的溫室氣體之一。作為一種大分子，空氣中的水汽來自蒸發，並透過相對溼度來衡量。
水汽 (H2O) 可以吸收極廣範圍的紅外波長，吸收帶在 1,000 奈米、6,000 奈米附近，以及任何超過 12,500 奈米的紅外光。事實上，微波爐之所以能夠工作，是因為水 (H2O) 具有如此寬的光波長吸收帶，這些波長延伸到幾釐米長的微波長度。
大氣中吸收的水汽量與大氣溫度直接相關。當大氣溫度較高時，大氣中水汽的承載能力增加，當大氣溫度較低時，大氣中水汽的承載能力下降。空氣中的水汽量與溫度直接相關，但也與氣壓相關。低壓空氣比高壓空氣承載水汽的能力更低。這種關係將在以後討論大氣壓和天氣模式時進一步探討。
可以在寒冷的冬日觀察到溫度和水承載能力之間的關係。想象一下森林中的一間小屋，小屋內用燃氣爐取暖。室外空氣寒冷，因此承載的水汽較少。但是，當這股室外空氣進入小屋並被加熱時，空氣的水汽承載能力突然增加。這種未飽和的空氣會導致小屋內蒸發增加。水會被吸入溫暖的空氣中，導致小屋內的任何居住者都出現皮膚乾燥開裂的情況。這也是地球上一些最寒冷的地區也是地球上一些最乾燥地區的原因之一。冷空氣無法承載與暖空氣一樣多的水汽。
這種關係直接源於水汽是一種吸收紅外光波的溫室氣體。在加熱的小屋內，紅外光的量遠大於小屋外。由於水吸收了這種能量，水汽分子會增加其能量狀態，並經歷從液態水到氣體的相變。
術語“溫室”略有不妥，因為溫室透過讓陽光穿過透明的窗戶來捕獲內部的熱量，從而防止空氣與外部交換。溫室內的暖空氣可以承載更多的水，而水箱或灑水裝置會使溫室內部變得更加潮溼，以便植物生長。如果溫室不包含任何水源，那麼在冬季內部會變得非常乾燥，並且可能會使留在這種環境中的任何植物都乾枯。溫室在有水汽這種溫室氣體的情況下效果最佳，水汽能夠吸收紅外光，使溫室特別潮溼和溫暖，非常適合植物生長。
甲烷 (CH4) 是另一種溫室氣體，它吸收紅外光，在光線的紅外光譜中有一個特定的範圍，大約在 3,000 奈米和 7,000 至 8,000 奈米之間。甲烷是一種特別強的溫室氣體，因為 7,000 至 8,000 之間的吸收帶不被水汽吸收。富含水汽和甲烷的大氣可以吸收更廣泛範圍的紅外光波長，使更少的光線逸出到太空中，並在地球表面附近保留更多的能量。甲烷通常是大氣中的一種稀有氣體，但最近對甲烷的測量表明，甲烷從 1950 年代的 1000 ppb 顯著增加到 2020 年的 1900 ppb。冰芯表明，直到現代，甲烷從未超過 800 ppb。這表明自從人類 (Homo sapiens) 出現在地球上以來，大氣中的甲烷已經增加了一倍多。自 2007 年以來，甲烷急劇增加，特別是在北半球，正如美國宇航局水星衛星上的大氣紅外探測器 (AIRS) 所觀測到的那樣。
北極地區下方的甲烷形成了大量的甲烷水合物沉積物，這是一種在壓力和低溫下形成的甲烷固態形式。在北冰洋寒冷的深海水中，由於海洋生物的腐爛和分解以及以這種有機碳為食並釋放甲烷的產甲烷菌，甲烷會積聚。冰冷的深海水（接近冰點）和深水的巨大壓力導致甲烷以固體形式積聚在海底，稱為甲烷水合物（也稱為甲烷籠形水合物）。如果海水變暖，這種甲烷會透過從固體到氣體的相變釋放出來，這種氣體從海底冒泡並進入大氣層。
甲烷在氧氣存在下會發生反應 CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2，這是發生在大氣中的甲烷氧化反應。請注意，該反應導致產生水汽和二氧化碳，這兩種也是溫室氣體。甲烷在大氣中的停留時間很短，大約 8 到 9.5 年。這表明，今天大氣中甲烷的高值與其累積效應關係不大，而是反映了甲烷每年淨增加到大氣中的情況。美國宇航局水星衛星上的大氣紅外探測器 (AIRS) 對地球北半球的景象描繪得令人沮喪，最近甲烷使大氣層富集。甲烷的來源引起了大氣科學家的警惕。
除了北極高緯度地區甲烷的釋放外，石油和天然氣田也會釋放甲烷，這些甲烷經常從油井洩漏，並在天然氣管道運輸過程中洩漏。水力壓裂岩石釋放地下天然存在的甲烷沉積物（用作天然氣燃料）和煤層氣技術的發展；利用化學品（酸）處理地下煤炭以釋放甲烷燃料的過程可能導致了大氣中甲烷最近的一些增長。牲畜，例如奶牛場也會向大氣中排放甲烷。利用紅外感測器（包括飛機和地面上的感測器），科學家們發現了一些這些來源，政府已經頒佈法律來遏制我們呼吸的空氣中工業排放的甲烷。大氣中的甲烷仍然是大氣科學家的主要關注點。
二氧化碳已成為溫室氣體的代名詞。作為一種大分子，二氧化碳在約4250奈米處吸收紅外光，並在13900至16100奈米之間有一個寬波段。這個較長波長的波段與水蒸氣重疊，但在寒冷乾燥的空氣中，高濃度的二氧化碳會對紅外光的吸收產生顯著影響。約4250奈米處的較低波段位於大多數其他溫室氣體不吸收的紅外波段內，這使得二氧化碳除了甲烷和水蒸氣之外，成為一種非常有效的溫室氣體。自1958年以來，二氧化碳濃度從310 ppm上升到2020年的410 ppm，在大氣中具有非常長的滯留時間（數十萬年），釋放到大氣中的二氧化碳正在以驚人的速度積累。自然情況下，二氧化碳可以透過與H2O反應形成碳酸，然後與含鈣岩石結合形成碳酸鈣，從而從大氣中去除，但這個過程非常緩慢，與山脈緩慢侵蝕的速度相當。從大氣中去除二氧化碳的更快方法是光合作用生命體，它們在死亡後需要被埋入地下，否則如果這些生命體腐爛或在火災中燃燒（例如森林火災），二氧化碳可能會重新釋放回大氣中，從而釋放大量二氧化碳回大氣中。
一氧化二氮（N2O）是一種重要的溫室氣體，但不像甲烷和二氧化碳那樣受到關注。一氧化二氮氣體在紅外光譜中跨越多個吸收帶，因此是一種溫室氣體。一氧化二氮在大氣中的濃度也一直在增加，從2020年的288 ppb增加到約330 ppb。這些一氧化二氮大部分來自氨（NH3）氧化過程，氨用作農作物的肥料，也來自內燃機，因為一氧化二氮透過提供比空氣更多的氧氣來幫助發動機燃燒更多的燃料，從而產生更強大的燃燒。城市中心，尤其是在汽車交通量大的地方，一氧化二氮的濃度往往較高。
氨（NH3）的氧化過程很複雜，涉及到NH3氧化細菌，這些細菌吸收氨（NH3）並將氮氧化成亞硝酸鹽（NO−2），然後還原成一氧化氮（NO），形成N2O，最終形成氮氣（N2）。植物需要氮來生長，但無法利用大氣中的分子氮（N2）。土壤中細菌的固氮作用有助於產生植物所需的氨（NH3）。農業的工業化推動了人類生產的氨（NH3）在農作物上的廣泛應用，以促進植物生長。這導致了氮氧化物（通常稱為NOx，或氮氧化物）的增加。與二氧化碳不同，氮氧化物吸收可見光譜中的一些光波，並在城市中心上空濃度較高時形成棕色的煙霧。氮氧化物也與近地面臭氧的形成有關，臭氧是一種有毒氣體。這個過程需要來自太陽的可見光（波長約為420奈米），透過萊頓關係實現。地球表面的臭氧水平受到密切監測，因為當臭氧水平升高時，會對肺部組織造成損害。
所有這些溫室氣體都會吸收一定量的紅外光譜，從而捕獲能量，如果這些氣體不存在，這些能量就會反射回太空。溫室氣體就像一條羊毛毯，防止地球的熱量散發到太空。大氣中溫室氣體越多，地球的熱絕緣性就越強。全球氣溫升高會導致大氣中水蒸氣含量增加，水蒸氣是一種強效溫室氣體；這是一個正反饋，導致全球大氣溫度進一步升高。當深海溫度升高時，甲烷會從深冷的海水中釋放出來，導致另一個強效的反饋，進一步導致全球大氣溫度升高。一個惡性迴圈可能會迅速發展，導致失控的全球氣溫升高，並且此類失控的溫室氣體排放事件在地球過去5550萬年前（始新世-古新世界線，即PETM事件）和2.52億年前（二疊紀-三疊紀界線，即大滅絕事件）都發生過。此類事件極大地改變了地球，使其對動物生命來說不再宜居。
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