傅里葉首次用數學物理的方法計算地球表面溫度時，認為大氣對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”可能已經成為大氣科學領域里普及率最高的專業(yè)術語之一了。

海拔4276米的中科院珠峰站的溫室大棚

有了這個大棚，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（IPCC）第五次評估報告（AR5）指出，20世紀50年代以來全球氣候變暖一半以上是由人類活動造成的，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：其實我本不是熊孩子

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

溫室效應異常增強才是問題的源頭!

溫室氣體的溫室效應是由它們本身分子結構所決定的。溫室氣體的分子結構使其在震動時可以吸收紅外線，因此具有了保存紅外熱能的能力。如果沒有溫室效應，地球無法保存輻射能量，溫度將穩(wěn)定在-18℃左右。而地球的實際溫度約為15℃，這增加的33℃的保暖效果就是溫室效應提供的，它像一床溫暖的被子保護著地球上的生命。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 科學探索家

人類才是“熊家長”

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

拿CO2，這個關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％。在過去的數十萬年時光中，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規(guī)律的制約，保持在180~280ppm之間波動變化。但工業(yè)革命之后，人類利用地球能源的能力快速增強。原本埋藏在地下可能數千萬到數億年不見天日的化石燃料在幾十年內就被燃燒產生大量CO2，大氣CO2濃度的增幅前所未有，到今年3月，大氣CO2濃度已經達到414.50ppm，比工業(yè)革命前高45%以上，比過去80萬年任何時候都高。

大氣CO2濃度時間變化，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

然而還有一些人認為，與自然源本身的CO2排放基數相比，人類排放的CO2數量并沒有多到夸張，怎么就能產生如此巨大的影響呢？

打個比方吧，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，每天晚上增加一個小蛋糕，一年之后就會長胖10斤。一個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系，所以就會長胖。再加上人類進一步改造自然，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，導致溫室效應異常增強，地表溫度異常增加。

給熊孩子裝個“攝像頭”

“子不教，父之過”，面對溫室氣體這個“熊孩子”造成的巨大氣候危機，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”，總要為自己曾經的行為負責任。于是各個國家、各個國際組織紛紛推出了不同的溫室氣體監(jiān)測計劃，上天入地，給溫室氣體裝上了360度無死角“攝像頭”。

介于地面網絡與衛(wèi)星間的大氣溫室氣體垂直、連續(xù)觀測

圖片來源 中國科學院對地觀測與數字地球科學中心

1957年，莫納羅亞天文臺的C. David Keeling開始了最早的CO2地基觀測數據記錄。1970年，受聯合國環(huán)境規(guī)劃署委托，世界氣象組織（WMO）組織實施了大氣本底污染監(jiān)測網計劃（本底觀測指未受到人類活動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“忠實記錄者”，正所謂“沒有對比就不知道傷害‘。

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（GAW），長遠目標是提供有關大氣化學成分變化，監(jiān)測那些對環(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個國家的325個站點向世界溫室氣體數據中心提交了111種溫室氣體和相關氣體的觀測數據。2004年，總碳含量觀測網絡（TCCON）建立起來，目前其全球站點接近70個，國內僅有合肥站一個，旨在測量精確的CO2等溫室氣體柱濃度。

總碳柱觀測網絡（TCCON）圖片來源：TCCON官網

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、高塔、航船、衛(wèi)星觀測資料來幫忙，結合同期氣象資料和模式推算，從而能更及時和準確地測算不同區(qū)域溫室氣體排放、吸收狀況，分析評估不同區(qū)域間的輸送和相互影響。

近年來，利用衛(wèi)星平臺對地球大氣CO2進行濃度監(jiān)測獲得越來越多的關注。然而溫室氣體觀測衛(wèi)星對科學技術綜合實力與國力有較高的要求，因此目前只有少數國家成功發(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含量的科學實驗衛(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分布圖對外公布。該分布圖有助于準確監(jiān)測CO2的時空變化，在碳排放數據上知己知彼，對提升我國在國際氣候變化方面的話語權具有重要意義（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，要有自己的經驗方法。

中國科學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

中國位于亞洲季風區(qū)，是全球變暖影響大的區(qū)域之一，中國在應對全球變暖問題時一直做著積極的努力。自二十世紀 90 年代開始，我國首先在青海瓦里關站開展溫室氣體觀測。該站是WMO/GAW 的 31 個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系分析、以及未來氣候變化預測等多個方面的科學研究做出了巨大的貢獻。

2019年5月，第一屆中國溫室氣體監(jiān)測研討會在北京召開，約200位科研和技術人員交流介紹了自己的工作。比如利用內蒙古的CO2剖面測量結果，直接觀測到了大氣傳輸和平流層-對流層物質交換（鏈接：平流層：對流層，我的污染，從來與你有關）；對長江三角洲地區(qū)高強度氫氟碳化物排放的研究 （鏈接：氫氟碳化物——同樣危險的“替代品”）；如對珠江三角洲地區(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)甲烷的時空分布和垂直分布（甲烷觀測：千萬里，追尋著你）；對近地面臭氧的觀測（對流層臭氧-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）

以上以及其他亮點工作被《大氣科學進展AAS》，《大氣與海洋科學快報AOSL》，《氣候變化研究英文版ACCR》推出的聯合專刊《中國大氣溫室氣體測量與應用》收錄（AAS專題“中國大氣溫室氣體測量與應用”正式上線）。

AAS 專題封面:藍天雪山映襯下的就是青海瓦里關中國大氣本底基準觀象臺

人類對溫室氣體的認識是不斷深化的：1861年丁達爾發(fā)現大氣溫室效應是由含量很少的水汽和CO2貢獻的；1896年，阿倫尼烏斯首次定理計算了溫室效應，他提出CO2濃度增加一倍，全球溫度將升高6°C。今天，我們認識到了更多種類溫室氣體，對氣候變化機制的理解也更加深刻，根據2013年發(fā)布的IPCC第五次評估報告給出的評估結論，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)測也是一項復雜而繁重的工作，它集研究、工程、設備、組織于一體。從100多年前開始粗糙的二氧化碳觀測，到現在的地基、天基、衛(wèi)星一體化的觀測網建立，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。