傅里葉首次用數(shù)學(xué)物理的方法計(jì)算地球表面溫度時(shí)，認(rèn)為大氣對(duì)地球的保溫作用和溫室玻璃有著異曲同工之妙，此后“溫室氣體”這個(gè)詞也漸漸步入人們的視線。由于可以望文生義（這里是褒義哈）容易理解，“溫室氣體”可能已經(jīng)成為大氣科學(xué)領(lǐng)域里普及率最高的專業(yè)術(shù)語之一了。

海拔4276米的中科院珠峰站的溫室大棚

有了這個(gè)大棚，站上的工作人員就可以吃到新鮮蔬菜啦

（攝影：中科院青藏高原研究所馬耀明研究員）

政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第五次評(píng)估報(bào)告（AR5）指出，20世紀(jì)50年代以來全球氣候變暖一半以上是由人類活動(dòng)造成的，要控制全球氣候變暖，必須大幅度減少溫室氣體排放。

溫室氣體：其實(shí)我本不是熊孩子

也許近年來對(duì)全球變暖的擔(dān)憂讓不少人看到“溫室效應(yīng)”就下意識(shí)皺眉頭。事實(shí)上溫室氣體并不是搗亂的熊孩子，如果沒有溫室效應(yīng)，地球同樣無法孕育大量生命。但過多的溫室氣體就會(huì)造成溫室效應(yīng)異常增強(qiáng)。所以敲黑板：

溫室效應(yīng)異常增強(qiáng)才是問題的源頭!

溫室氣體的溫室效應(yīng)是由它們本身分子結(jié)構(gòu)所決定的。溫室氣體的分子結(jié)構(gòu)使其在震動(dòng)時(shí)可以吸收紅外線，因此具有了保存紅外熱能的能力。如果沒有溫室效應(yīng)，地球無法保存輻射能量，溫度將穩(wěn)定在-18℃左右。而地球的實(shí)際溫度約為15℃，這增加的33℃的保暖效果就是溫室效應(yīng)提供的，它像一床溫暖的被子保護(hù)著地球上的生命。除了常說的二氧化碳（CO?），水汽（H2O），臭氧（O?），甲烷（CH?），氫氟碳化物（HFCs）等也都是溫室氣體。

圖片來源，百度百家號(hào) 科學(xué)探索家

人類才是“熊家長”

網(wǎng)上常說：每個(gè)熊孩子背后都有個(gè)熊家長。如果非得把過多的溫室氣體看作熊孩子，那么人類，就是不能推卸責(zé)任的熊家長了。

拿CO2，這個(gè)關(guān)注度最高的溫室氣體來說：CO2占大氣總體積的0.03%-0.04%。但由于人類活動(dòng)的影響，大氣中CO2濃度正在快速上升，在目前人類溫室氣體總排放量中，CO2約占76％。在過去的數(shù)十萬年時(shí)光中，地球大約以10萬年一次的頻率在大的冰期和間冰期間循環(huán)，地表溫度有升有降。而大氣CO2濃度始終遵循著自然界物理化學(xué)規(guī)律的制約，保持在180~280ppm之間波動(dòng)變化。但工業(yè)革命之后，人類利用地球能源的能力快速增強(qiáng)。原本埋藏在地下可能數(shù)千萬到數(shù)億年不見天日的化石燃料在幾十年內(nèi)就被燃燒產(chǎn)生大量CO2，大氣CO2濃度的增幅前所未有，到今年3月，大氣CO2濃度已經(jīng)達(dá)到414.50ppm，比工業(yè)革命前高45%以上，比過去80萬年任何時(shí)候都高。

大氣CO2濃度時(shí)間變化，紅線代表近百年來CO2濃度直線飆升

圖片來源：NOAA

圖片來源 氣候與能源解決方案中心

然而還有一些人認(rèn)為，與自然源本身的CO2排放基數(shù)相比，人類排放的CO2數(shù)量并沒有多到夸張，怎么就能產(chǎn)生如此巨大的影響呢？

打個(gè)比方吧，如果正常吃一日三餐規(guī)律飲食，可以保持身材勻稱健康。但是有一天開始，每天晚上增加一個(gè)小蛋糕，一年之后就會(huì)長胖10斤。一個(gè)小蛋糕看起來比一日三餐的量少，但是由于破壞了長期以來人體熱量的供需關(guān)系，所以就會(huì)長胖。再加上人類進(jìn)一步改造自然，開墾森林草原、建立城市，使得自然界固碳的能力下降，影響了全球碳循環(huán)的平衡，導(dǎo)致溫室效應(yīng)異常增強(qiáng)，地表溫度異常增加。

給熊孩子裝個(gè)“攝像頭”

“子不教，父之過”，面對(duì)溫室氣體這個(gè)“熊孩子”造成的巨大氣候危機(jī)，人類作為家長也到了非管不可的地步，畢竟都是自己“親生的”，總要為自己曾經(jīng)的行為負(fù)責(zé)任。于是各個(gè)國家、各個(gè)國際組織紛紛推出了不同的溫室氣體監(jiān)測計(jì)劃，上天入地，給溫室氣體裝上了360度無死角“攝像頭”。

介于地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星間的大氣溫室氣體垂直、連續(xù)觀測

圖片來源 中國科學(xué)院對(duì)地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心

1957年，莫納羅亞天文臺(tái)的C. David Keeling開始了最早的CO2地基觀測數(shù)據(jù)記錄。1970年，受聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署委托，世界氣象組織（WMO）組織實(shí)施了大氣本底污染監(jiān)測網(wǎng)計(jì)劃（本底觀測指未受到人類活動(dòng)影響下大氣自然狀態(tài)下各種成分的濃度），本底監(jiān)測是氣候變化的“忠實(shí)記錄者”，正所謂“沒有對(duì)比就不知道傷害‘。

隨著全球變暖問題日益突出，WMO于1989年開始組建全球大氣觀測網(wǎng)（GAW），長遠(yuǎn)目標(biāo)是提供有關(guān)大氣化學(xué)成分變化，監(jiān)測那些對(duì)環(huán)境造成危害的氣體粒子如CO2,臭氧等溫室氣體。截止2012年3月，來自65個(gè)國家的325個(gè)站點(diǎn)向世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心提交了111種溫室氣體和相關(guān)氣體的觀測數(shù)據(jù)。2004年，總碳含量觀測網(wǎng)絡(luò)（TCCON）建立起來，目前其全球站點(diǎn)接近70個(gè)，國內(nèi)僅有合肥站一個(gè)，旨在測量精確的CO2等溫室氣體柱濃度。

總碳柱觀測網(wǎng)絡(luò)（TCCON）圖片來源：TCCON官網(wǎng)

常規(guī)的地基觀測無法解決全球大氣碳含量的空間分布問題，更不能監(jiān)測到海洋上空大氣中CO2的含量，因此需要飛機(jī)、高塔、航船、衛(wèi)星觀測資料來幫忙，結(jié)合同期氣象資料和模式推算，從而能更及時(shí)和準(zhǔn)確地測算不同區(qū)域溫室氣體排放、吸收狀況，分析評(píng)估不同區(qū)域間的輸送和相互影響。

近年來，利用衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)地球大氣CO2進(jìn)行濃度監(jiān)測獲得越來越多的關(guān)注。然而溫室氣體觀測衛(wèi)星對(duì)科學(xué)技術(shù)綜合實(shí)力與國力有較高的要求，因此目前只有少數(shù)國家成功發(fā)射了溫室氣體觀測衛(wèi)星。

2016年，我國的首顆用于監(jiān)測全球大氣CO2含量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，成為國際上第三顆具有高精度溫室氣體探測能力的衛(wèi)星。2018年，我國首顆碳衛(wèi)星獲取的第一幅全球CO2分布圖對(duì)外公布。該分布圖有助于準(zhǔn)確監(jiān)測CO2的時(shí)空變化，在碳排放數(shù)據(jù)上知己知彼，對(duì)提升我國在國際氣候變化方面的話語權(quán)具有重要意義（一“碳”到底——天上人間如何監(jiān)測“地球呼吸”） 畢竟管理“熊孩子“也不能一直聽別人的，要有自己的經(jīng)驗(yàn)方法。

中國科學(xué)院大氣物理研究所反演算法獲取的首幅中國碳衛(wèi)星大氣CO2全球分布圖

圖片來源 中科院大氣所

中國的溫室氣體監(jiān)測

中國位于亞洲季風(fēng)區(qū)，是全球變暖影響大的區(qū)域之一，中國在應(yīng)對(duì)全球變暖問題時(shí)一直做著積極的努力。自二十世紀(jì) 90 年代開始，我國首先在青海瓦里關(guān)站開展溫室氣體觀測。該站是WMO/GAW 的 31 個(gè)全球大氣本底觀測站之一，也是目前歐亞大陸腹地唯一的大陸型全球本底站。中國的科研人員也在溫室氣體濃度觀測、源匯分析、溫室氣體與全球變暖關(guān)系分析、以及未來氣候變化預(yù)測等多個(gè)方面的科學(xué)研究做出了巨大的貢獻(xiàn)。

2019年5月，第一屆中國溫室氣體監(jiān)測研討會(huì)在北京召開，約200位科研和技術(shù)人員交流介紹了自己的工作。比如利用內(nèi)蒙古的CO2剖面測量結(jié)果，直接觀測到了大氣傳輸和平流層-對(duì)流層物質(zhì)交換（鏈接：平流層：對(duì)流層，我的污染，從來與你有關(guān)）；對(duì)長江三角洲地區(qū)高強(qiáng)度氫氟碳化物排放的研究 （鏈接：氫氟碳化物——同樣危險(xiǎn)的“替代品”）；如對(duì)珠江三角洲地區(qū)的背景大氣CO2和潛在源區(qū)測量（城市二氧化碳：借我一雙慧眼，讓我把你看透）；通過地基傅里葉變換紅外光譜儀和Picarro光譜儀的測量，首次揭示了香河地區(qū)甲烷的時(shí)空分布和垂直分布（甲烷觀測：千萬里，追尋著你）；對(duì)近地面臭氧的觀測（對(duì)流層臭氧-不可忽視的威脅）；用狗尾巴草監(jiān)測城區(qū)碳排放（城市二氧化碳排放從哪兒來？狗尾巴草告訴你）

以上以及其他亮點(diǎn)工作被《大氣科學(xué)進(jìn)展AAS》，《大氣與海洋科學(xué)快報(bào)AOSL》，《氣候變化研究英文版ACCR》推出的聯(lián)合?？吨袊髿鉁厥覛怏w測量與應(yīng)用》收錄（AAS專題“中國大氣溫室氣體測量與應(yīng)用”正式上線）。

AAS 專題封面:藍(lán)天雪山映襯下的就是青海瓦里關(guān)中國大氣本底基準(zhǔn)觀象臺(tái)

人類對(duì)溫室氣體的認(rèn)識(shí)是不斷深化的：1861年丁達(dá)爾發(fā)現(xiàn)大氣溫室效應(yīng)是由含量很少的水汽和CO2貢獻(xiàn)的；1896年，阿倫尼烏斯首次定理計(jì)算了溫室效應(yīng)，他提出CO2濃度增加一倍，全球溫度將升高6°C。今天，我們認(rèn)識(shí)到了更多種類溫室氣體，對(duì)氣候變化機(jī)制的理解也更加深刻，根據(jù)2013年發(fā)布的IPCC第五次評(píng)估報(bào)告給出的評(píng)估結(jié)論，CO2濃度增加一倍，全球升溫3℃（±1.5℃）。

大氣中溫室氣體濃度的監(jiān)測也是一項(xiàng)復(fù)雜而繁重的工作，它集研究、工程、設(shè)備、組織于一體。從100多年前開始粗糙的二氧化碳觀測，到現(xiàn)在的地基、天基、衛(wèi)星一體化的觀測網(wǎng)建立，雖然溫室氣體的監(jiān)測依然存在許多問題和挑戰(zhàn)，但其未來發(fā)展是可期的。