地球行星/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，導致大氣阻擋這些太陽光線，而一些分子則讓更高能量的光波穿過大氣層，但阻擋通常反射回太空的較低能量光波。吸收不可見低能量紅外光譜中光子的分子被稱為溫室氣體，包括地球大氣中發現的四個關鍵分子：水蒸氣 (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像四大分子那樣多。
地球大氣幾乎完全由氮氣 (N2)、氧氣 (O2) 和氬氣 (Ar) 組成，它們可以阻擋紫外線 (UV) 光譜中的高能光，例如氧氣，但這些氣體分子都不會吸收紅外光。因此，它們都不被認為是溫室氣體。
你的眼睛完美地適應了在可見光譜中看到一個狹窄波長範圍內的光 (380 到 700 奈米)。可見光譜是來自太陽的光波範圍，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長能夠穿過富含氧氣的環境。同樣，水蒸氣 (H2O) 會阻擋來自太陽的大部分紅外波長 (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範圍內的一個狹窄狹縫。世界上所有的顏色；紫色、靛藍、藍色、綠色、黃色、橙色和紅色，當然不是所有存在的顏色，而是地球大氣中發現的氣體允許透過的光波長範圍。水蒸氣 (H2O) 作為一種溫室氣體是最重要的氣體之一。作為一種大型分子，空氣中的水蒸氣來自蒸發，透過相對溼度來衡量。
水蒸氣 (H2O) 可以吸收一個巨大的紅外波長範圍，在 1,000 奈米、6,000 奈米左右有吸收帶，以及任何大於 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) 有如此廣泛的光波長吸收帶，延伸到幾釐米長的微波長度。
大氣中吸收的水蒸氣量與大氣溫度直接相關。當大氣變熱時，大氣中水蒸氣的承載能力就會增加，當大氣變冷時，大氣中水蒸氣的承載能力就會降低。空氣中水蒸氣的含量與溫度直接相關，但也與氣壓相關。氣壓低的空氣比氣壓高的空氣承載水蒸氣的能力更低。這種關係將在以後討論大氣壓力和天氣模式時進一步探討。
可以在寒冷的冬日觀察到溫度與水蒸氣承載能力之間的關係。想象一下森林裡的一間小屋，小屋裡用燃氣灶取暖。外面的空氣很冷，因此承載的水蒸氣很少。然而，當這股外面的空氣進入小屋並被加熱時，空氣的水蒸氣承載能力突然增加。這種未飽和的空氣會導致小屋內蒸發增加。水會被吸收到溫暖的空氣中，使小屋內的任何人都留著乾裂的皮膚。這也是地球上一些最寒冷的地區也是地球上一些最乾旱的地區的原因。冷空氣不能像暖空氣那樣承載那麼多水蒸氣。
這種關係直接源於水蒸氣是一種溫室氣體，它會吸收紅外光波。在加熱的小屋內，紅外光量遠大於小屋外。由於水會吸收這種能量，因此水蒸氣分子會增加它們的能量狀態並經歷從液態水到氣體的相變。
術語“溫室”有點用詞不當，因為溫室透過允許陽光穿過透明窗戶來困住內部的熱量，而這些窗戶可以防止與外部的空氣交換。溫室內部的暖空氣可以承載更多水，水箱或灑水器會使溫室內部更加潮溼，有利於植物生長。如果溫室不包含任何水源，它在冬天會變得非常乾燥，並且可能會使任何留在這種環境中的植物乾枯。溫室在有水蒸氣這種溫室氣體的情況下效果最好，水蒸氣能夠吸收紅外光，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，它會吸收紅外光，在紅外光譜中有一個特定的範圍，大約在 3,000 奈米，以及 7,000 到 8,000 奈米之間。甲烷是一種特別強的溫室氣體，因為它在 7,000 到 8,000 之間的吸收帶不被水蒸氣吸收。富含水蒸氣和甲烷的大氣可以吸收更寬範圍的紅外光波長，讓更少的光逃逸到太空，並將更多能量保留在地球表面附近。甲烷通常是大氣中的一種稀有氣體，但最近對甲烷的測量顯示，從 1950 年代的 1000 ppb 急劇增加到 2020 年代的 1900 ppb。冰芯表明，在現代之前，甲烷從未超過 800 ppb。表明自人類 (智人) 出現在地球上以來，大氣中的甲烷含量已經增加了一倍多。自 2007 年以來，甲烷含量急劇增加，特別是在北半球，正如 NASA 的水星衛星上的大氣紅外探測器 (AIRS) 所觀察到的那樣。
北極地區下的甲烷形成了大量的甲烷水合物，這是一種在壓力和低溫下形成的甲烷固態形式。在北冰洋的深冷海水下，由於海洋生物的腐爛和分解以及以這些有機碳為食並釋放甲烷的產甲烷菌，甲烷會積累起來。深海水域的極度寒冷（接近冰點）和巨大的壓力導致海洋底部積累了甲烷的固體形式，稱為甲烷水合物（也稱為甲烷籠形化合物）。如果海水變暖，這種甲烷會隨著從固態到氣態的相變而逸出，這種氣體從海底冒泡並進入大氣。
甲烷在氧氣存在下會發生以下反應：CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2，這是一個發生在大氣中的甲烷氧化反應。需要注意的是，該反應會產生水蒸氣和二氧化碳，這兩種都是溫室氣體。甲烷在大氣中的停留時間很短，大約為 8 到 9.5 年。這意味著目前大氣中甲烷的高含量並非累積效應的結果，而是代表著每年進入大氣的甲烷淨增加量。美國宇航局“水星”衛星上的大氣紅外探測器 (AIRS) 提供了北半球令人不寒而慄的景象，最近大氣中甲烷濃度有所增加。甲烷的來源讓大氣科學家感到擔憂。
除了從北極高緯度地區釋放的甲烷外，石油和天然氣田也會釋放甲烷，這些田區經常從井中洩漏甲烷，並在天然氣管道運輸過程中洩漏甲烷。頁岩氣開採技術的發展，即透過壓裂岩石釋放地下天然存在的甲烷儲量（用作天然氣燃料來源）和煤層氣開採技術（利用化學物質（酸）在地下煤層中釋放甲烷燃料）可能導致最近大氣中甲烷濃度增加的部分原因。牲畜，例如奶牛場，也會排放甲烷進入大氣。科學家們利用紅外感測器（來自飛機和地面）找到了其中一些來源，政府也頒佈了法律來遏制工業向我們呼吸的空氣中排放甲烷。大氣中的甲烷仍然是大氣科學家關注的主要問題。
二氧化碳已成為溫室氣體的代名詞。作為一種大型分子，二氧化碳在 4,250 奈米左右吸收紅外光，並在 13,900 到 16,100 奈米之間吸收一個寬頻。該較長波長帶與水蒸氣重疊，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 4,250 奈米處的較低波長帶位於大多數其他溫室氣體不吸收的紅外帶內，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，在大氣中停留時間非常長（數十萬年），排放到大氣中的二氧化碳正在以驚人的速度累積。自然情況下，二氧化碳可以透過與 H2O 反應形成碳酸而從大氣中去除，碳酸會與含鈣岩石結合形成碳酸鈣，但這個過程非常緩慢，與山脈緩慢侵蝕的速度相同。從大氣中去除二氧化碳的一種更快的方法是透過光合作用的生命形式，這些生命形式需要在死亡後埋藏在地下，否則，如果這些生命形式腐爛或在火災中燃燒（例如森林火災），則二氧化碳可能會重新釋放回大氣中。森林火災會將大量的二氧化碳釋放回大氣中。
氧化亞氮 (N2O) 是一種重要的溫室氣體，它不像甲烷和二氧化碳那樣受到廣泛關注。氧化亞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。2020 年，大氣中的氧化亞氮濃度也從 288 ppb 上升到約 330 ppb。這些氧化亞氮的很大一部分來自氨 (NH3) 氧化過程，氨 (NH3) 用作作物肥料，以及來自內燃機，因為氧化亞氮可以為發動機提供比空氣單獨提供的氧氣更多的氧氣，從而實現更強勁的燃燒，從而使發動機燃燒更多燃料。城市中心，特別是汽車交通繁忙的地方，通常有更高的氧化亞氮濃度。
氨 (NH3) 氧化的過程很複雜，涉及 NH3 氧化細菌，這些細菌會吸收氨 (NH3) 並將氮氧化成亞硝酸鹽 (NO−2)，然後還原成一氧化氮 (NO)，一氧化氮會形成 N2O，最終形成氮氣 (N2)。植物需要氮才能生長，但無法利用大氣中的氮氣 (N2)。土壤中細菌的固氮作用有助於產生植物所需的氨 (NH3)。農業工業化促使人類生產的氨 (NH3) 廣泛應用於作物，以促進植物生長。這導致氮氧化合物（通常稱為 NOx（通常稱為 nox 或氮氧化物））的增加。與二氧化碳不同的是，氮氧化物會吸收可見光譜中的一些光波，並在城市中心上空形成高濃度的棕色煙霧。氮氧化物也與近地表臭氧的形成有關，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。地球表面臭氧濃度受到嚴格監測，因為當臭氧濃度升高時，會導致肺部組織損傷。
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，如果沒有這些氣體，這些能量會反射回太空。溫室氣體就像毛毯一樣，防止地球的熱量逸散到太空。大氣中溫室氣體越多，地球的熱絕緣性就越好。全球氣溫升高會導致大氣中水蒸氣含量增加，水蒸氣是一種強大的溫室氣體；這是一種正反饋，導致全球大氣溫度進一步升高。當深海溫度升高時，甲烷會從寒冷的深海中釋放出來，這又是一個強大的反饋，導致全球大氣溫度進一步升高。一個惡性迴圈會迅速發展，導致失控的全球氣溫，這種失控的溫室氣體釋放事件在過去 5550 萬年前的始新世-古新世界線（PETM 事件）和 2.52 億年前的二疊紀-三疊紀界線（大滅絕事件）都曾發生過。此類事件極大地改變了地球，使其不再適合動物生存。
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