很多人都看过种植作物的温室，它的工作原理是这样的。当阳光照射到温室的玻璃或透明薄膜时，大部分光会穿透照到温室内部。然后这些光会被吸收，并重新向外辐射波长更长的红外线。我们看不到这种红外线，但我们大家可以感觉到它，因为它会让我们感觉很温暖。但是，玻璃会捕获红外，阻止能量向外散射，从而使温室变暖。

  我们的地球也如温室，大气层就像玻璃一样，对来自太阳的大部分光是透明的：一些光被高层大气吸收，一些被反射，但是大部分光可以照射到地球表面。这使得地表开始升温，而地表又发出重新辐射红外线。但红外光并不容易穿过大气层，因为空气中的一些分子会吸收它。这是所谓的温室气体，二氧化碳就是这里面之一。更多的二氧化碳会导致更多红外辐射被吸收，从而使地球变暖。

  事实上，温室效应并不那么简单，这次我们添加一些物理知识，使我们对温室效应的理解更加完整。阳光包含许多不同的频率，频率与光子的能量成正比，所以频率越高意味着能量越高。频率与光的波长成反比，波长越长意味着能量越低。

  如果将能量绘制为其频率的函数，则能够获得所谓的光谱，下图是所谓的太阳光谱。但这个光谱的形状并不是特定于太阳的，任何恒定温度下物体的光谱都有像这样的形状。温度越高，频谱向更高频率移动的越多，发射的能量越高；温度越低，发射的能量越少，这就是普朗克定律。如果你知道温度，那么普朗克定律会告诉你发射什么频率的光，以及总共发射多少能量。

  如果阳光照射到地球表面上，它就会被吸收并重新发射。正如我们刚刚所说的，辐射光谱取决于温度。但地球的温度是多少？地球从太阳获得一定量的能量，地球的温度就会升高，直到发射的能量与来自太阳的能量相同。当能量输入与能量输出相同时，该系统处于平衡状态并且不会进一步变化，这在某种程度上预示着人类能根据阳光的量计算行星表面的温度。

  如果地球没有大气层，它的表面温度将是-18 摄氏度。幸运的是，地球确实有大气层，可以让我们保持温暖，其工作原理如下。当某些频率的光照射到分子时，分子会产生共振，这将光能转化为分子的运动，即热能。但大多数空气分子不会因红外线而振动，氮气和氧气占地球大气的 99%，但它们都不会因红外线而共振。

  另一方面，当光照射到温室气体时，它们会产生振动，然后这些振动的分子会撞到其他空气分子，这样就会在空气中分配能量。而这些分子也会再次发出红外线，将其传播到整个大气层。地球上最相关的温室气体是水蒸气、二氧化碳和甲烷，就是它们使地球变暖。

  地球大气中含有温室气体，那么地表发出的红外辐射就会被它们吸收，这会加热空气并再次发出一些辐射，因此红外辐射会从地表缓慢地穿过大气层。如果到慢慢的升高的地方，空气会慢慢的稀薄。即使温室气体的浓度保持不变，单位体积的温室气体总量仍然会下降。最终温室气体变得很少，红外辐射可以逃逸到外太空。这在某种程度上预示着离开我们星球的大部分红外辐射并不是来自它的表面，它来自距地表以上几公里的高度。

  这就是温室效应的真正作用原理。大气中的温室气体阻止了来自地表的红外辐射立即进入太空。相反，进入太空的红外辐射来自高层大气。来自高层大气的辐射必须平衡来自太阳的能量流入。因为大气层的温度随着高度的增加而降低，所以地球表面的温度必须比没有温室气体时高得多。

  此外，我们还需要认识到的一点就是，就是这些温室气体在所有波长上吸收红外线的效果并不相同，它们只吸收红外光谱的某些部分的光。通过研究这些气体的吸收谱，科学家发现在 0.8～15μm 的波长范围内有吸收红外线较弱的波段，这些波段被称为大气窗口。

  红外大气窗口的发现和研究对于红外探测技术有着深远的影响。在这些波段内，大气对红外辐射的传输特性较好，使得物体的红外辐射能够被探测设备所识别。这对于气象预报、环境监视测定、天文观测以及军事侦察等领域都至关重要。此外，还有科学家研究一些特殊的材料，这些材料能够最终靠大气窗口直接向外太空辐射热量，使材料的冷却得到加强。

  本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

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