离家近
1732年，年轻的卡尔·林奈(Carl Linneaus)从乌普萨拉(Uppsala)的家出发，踏上了前往拉普兰的植物学发现之旅。他没有等到到达目的地才开始观察，而是发现了一路上值得思考的有趣事情，甚至是在他家门口的植物中。气候也是如此。raybet雷竞技最新
对于有眼光和足够好奇的观察者来说，瞥一眼窗外，穿过树林或城镇，在海洋上短暂航行，所有这些都提出了关于气候物理学的深刻问题。raybet雷竞技最新即使没有温度计，我们也可以通过观察周围物质的物理和化学变化来感知“热”或“温度”。在夏天，冰淇淋放在阳光下会融化，但钢制炊具不会。树和草不会在每天下午自发地燃烧起来，夏天放在室外的一杯水也不会沸腾。在远离热带地区的地方，冬天的气温往往低到足以让水结冰，但几乎没有冷到足以让酒精结冰。是什么使地球变热?它真的是太阳吗?就像人们在晴天感到温暖的直觉那样?在这种情况下，是什么阻止地球每天从太阳那里积累越来越多的能量，直到它融化?就这一点而言，为什么太阳下山后的每晚气温不会骤降到寒冷的冬季值呢?同样，是什么限制了冬天的寒冷程度?
借助温度计，这类问题可以定量地表示出来。第一种，也是最常见的一种温度计，是基于温度对物质的特殊可重复和可测量的影响——物质在加热时的膨胀。因为生物主要是由液态水组成的，水的状态为建立温标提供了一个天然的参考。摄氏温标将温度的范围从冰点到纯水将海平面的沸点分为100个等步，其中0为冰点，100C为沸点1。
通过对火和锻造的观察，即使是古人也意识到条件可能比正常气候过程中所经历的温度范围要热得多。raybet雷竞技最新然而，他们可能并没有真正意识到事情会变得多冷。这要等到19世纪热力学的发展所提供的理论见解，以及不久之后卡尔·冯·林德(Carl von Linde)的制冷发明。到本世纪末，人们已经达到了足以使空气液化的低温。这仍然没有达到最低的温度。19世纪理论和实验的发展巩固了早期的推测，即存在一个绝对零度的温度，在这个温度下，随机分子的运动停止，理想气体的体积将坍缩为零;任何温度都不可能低于绝对零度。在摄氏刻度上，绝对零度出现在零下273.15摄氏度。如果给出相对于绝对零度的温度，大多数热力学和辐射物理学可以更清楚地表达出来，这导致了开尔文温标的公式，它在保持摄氏温标大小不变的同时，改变了温标的零点。在开尔文标度上，绝对零度在零度，水的冰点在273.15K，水的海平面沸点在373.15K。 Viewed on the Kelvin scale, the temperature range of Earth's climate seems quite impressively narrow. It amounts to approximately a ±10% variation about a typical temperature of 285K. A 20% variation in the Earth's temperature (as viewed on the Kelvin scale) would be quite catastrophic for life as we know it. This remark can be encapsulated in a saying: "Physics may work in degrees Kelvin, but Earth life works in degrees Celsius,"
气候的问题不止于此raybet雷竞技最新温度。raybet雷竞技最新气候也以降水(降雨和降雪)的数量和分布，以及大气风和海洋洋流．但是，温度可以作为开始。在这本书中，我们将用相当长的篇幅讨论温度，并在一定程度上探讨影响降水量的因素。我们就不多说了风的模式，尽管它们对温度分布的一些影响将在第9章中讨论。
如果你住在热带地区以外，你会想知道为什么夏天比冬天热，为什么夏天/冬天的温度范围有这样的值(例如芝加哥的30摄氏度)，为什么海洋上的变化一般较低(例如太平洋中部的7摄氏度，与芝加哥在同一纬度)。如果你和生活在北极或南极地区的朋友交流，以及生活在赤道附近的其他朋友交流，你会开始想，为什么赤道附近的平均气温比极地地区要高，为什么温差有这么大的价值(例如，赤道附近的年平均气温与北极的年平均气温之间相差40摄氏度)。季节循环和极点的物理学基础
1这个温标是以瑞典天文学家安德斯·摄氏度命名的，他在1742年最初提出了一个类似的温标。摄氏度的刻度与现代的相反，冰点是100，沸点是0。摄氏刻度有时被称为摄氏，但摄氏被认为是首选的术语。现在官方对温标的定义是基于比水的冰点和沸点更精确、更明确的标准。
来赤道的温度梯度在第七章和第九章讨论。如果你攀登一座山(或者甚至在炎热的夏天从山谷底部观察积雪覆盖的山峰)，或者如果你乘坐热气球，或者乘坐能告诉你室外温度的客机——你会注意到，海拔越高，空气越冷?为什么会这样?这被证明是行星大气的普遍特征，在第二章中讨论了这一现象背后的基本物理原理。
我们周围的空气本身就是一件有趣的事情。我们知道它的存在，因为它有温度，有压力，因为我们必须呼吸它才能生存。但空气是由什么组成的为什么它有这样的组成?我们可以看到水在空气中凝结，但为什么其他成分在自然天气和气候变化的过程中没有凝结呢?raybet雷竞技最新有多少空气?它是一直存在于现在的成分中，还是随着时间的推移而改变?如果需要，需要多少，需要多快?
我们知道，我们的星球在外层空间的坚硬真空中旅行，被一层薄薄的空气毯子包裹着——我们的大气层。想知道我们的大气层如何影响地球的气候是很自然的。raybet雷竞技最新没有空气的月球与地球的轨道相同，与太阳的距离相同，所以人们可以通过观察月球来了解如果没有大气层，地球的气候会是什么样子。raybet雷竞技最新我们知道月球是没有空气的，因为相当厚的大气层会使来自太阳和恒星的光线弯曲，就像通过游泳池表面观察物体时出现位移一样。但是如何测量它的温度呢?
当然，人们可以带着温度计去月球(这最终也确实发生了)，但在人们似乎有可能到达月球之前很久，人们就对月球的状况感到好奇了。但丁本人，在1308年到1321年之间写的《Paridiso》中，用了整整100个章节，讲述了他和贝雅特丽齐之间关于月球光的来源和月球表面的坚固性的学术讨论。到19世纪中期，科学已经发展到可以更清晰地表述这些问题的程度，并且开始出现解答这些问题的方法。随着威廉·赫歇尔爵士在1800年发现红外光，天文学为研究行星和恒星的性质打开了一扇新的窗口。在接下来的几十年里，人们逐渐清楚地认识到，所有物体都会根据其温度发出辐射。这被称为黑体辐射，将在第3章详细讨论。1856年，查尔斯·皮亚齐·史密斯(Charles Piazzi Smyth)探测到来自月球的红外光，1870年，第四任罗斯伯爵(Fourth Earle of Rosse)第一次尝试用它来估算温度。当时可用的仪器无法胜任这项任务。1878年，兰利发明了辐射热计，这使得对月球红外的良好观测成为可能。然而，尽管兰利对月球红外线进行了第一次准确的观测，但理论还不足以解释观测结果。 These issues were largely sorted out by 1913, though Langley gave up on his earlier estimates rather reluctantly. By 1913 it was pretty clear that the daytime temperature of the Moon at the point where the Sun is directly overhead is well in excess of 373K (the sea-level temperature of boiling water on Earth). Night-time temperatures were harder to determine accurately, since the红外发射远离冰冷的物体是软弱的;但很明显，与白天的峰值相比，夜间的温度下降了140K以上。佩蒂特和尼克尔森用威尔逊山望远镜观测了1927年月食期间月球的温度。他们发现了更值得注意的事情:在日食发生的几个小时内，月球的温度从观测点的342K下降到175K。现代测量显示，月球赤道的日平均温度约为220K，而北纬85度的平均温度为130K
看来，如果没有大气或海洋，地球将会受到昼夜温度剧烈波动的影响。月球的“一天”是28个地球日，因为它总是对着地球显示同一面;在此基础上，人们可以想象白天和黑夜的极端情况是由于较长的夜晚提供了更多的时间来冷却，但日食期间的快速冷却证明了这一想法是错误的。考虑到没有空气的物体在夜间会迅速冷却，在没有大气层的情况下，地球夏季和冬季的温差可能会极端得多。此外，将极地到赤道的日平均温度梯度与地球上的平均温度梯度进行比较，表明大气也显著地缓和了这种梯度。这是什么关于大气或者是能抑制昼夜或夏冬温度波动的海洋?这个主题将在第七章讨论，我们还将了解为什么夏天比冬天暖和，为什么两极平均比赤道冷。大气或海洋是如何调节两极和赤道之间的温差的?我们将在第9章学到一些。
月球最热的时候比地球热得多，最冷的时候比地球冷得多。但月球的平均温度与地球的平均温度相比如何呢?220K的平均值赤道的温度月球表面的温度比观测到的平均值要低得多热带的温度在地球上，大约是300K。如果地球如果地球的平均温度和月球的平均温度一样低，那么海洋就会被完全冻结。月球的平均温度较低并不是因为月球反射的阳光比地球多;月球看起来是银色的，但测量结果表明，它实际上反射的光线比地球要少。为什么地球的平均温度比月球高这么多?这与我们的大气层有关吗?还是地球被某些物质加热了内部热量月球缺少什么来源?
为了寻找这个问题的答案，我们要追溯到1827年，当时傅里叶发表了他关于地球温度的开创性论文。傅里叶不可能知道月球的温度，但他确实知道很多关于热传递的知识——事实上，他在很大程度上发明了这门学科。利用他关于固体热传导的新理论，傅里叶分析了地表下越深，平均温度上升速率的数据;他还分析了昼夜或夏冬温度波动随深度的衰减。(后一个问题的傅里叶解将在第七章中导出。)基于这些分析，傅里叶得出结论热的流动与从太阳接收到的热量相比，从地球内部向外传播的热量是微不足道的。我们很快就会看到，这种情况也适用于其他岩态行星:干岩石是很好的绝缘体，不容易让内部热量散失。
如果地球不断吸收太阳能那么，它也一定有办法摆脱它。否则，能量会在过去的亿万年中积累，导致一个熔化的、白炽的、不适合居住的星球(见问题??)——这显然不是事实。傅里叶似乎已经知道，行星运行轨道的空间中几乎没有物质，所以他假设，行星几乎完全通过发射红外辐射(当时称为“暗热”)来散热。2他还知道，“暗热”的释放速率随着温度的升高而增加，这为an提供了一种手段平衡温度要实现的目标是:一个行星只需要加热到辐射红外能量与它从太阳接收能量的速率相同。最后，傅里叶引用实验表明，大气中的某些东西向下向地面发射红外辐射，并且似乎也意识到大气中的某些东西吸收红外的事实。基于这些粗略的观察，傅里叶推断，地球的大气阻碍了红外辐射到太空，使得地球比没有空气的情况下温度更高。
傅里叶的论文清楚地表明，红外光的热发射不仅对天文观测有用，实际上它是行星气候运行的重要组成部分。raybet雷竞技最新
2傅里叶还从他所谓的“空间温度”中提到了加热的重要性。目前还不清楚他是否认为太空中有某种物质可以将热量传导到大气中，或者他指的是一些弥漫在太空中的看不见的辐射。他对这一因素重要性的推断是错误的——这是这篇杰出论文中唯一真正的错误。
在傅里叶的时代，对红外辐射发射的理解还没有充分发展，无法让他完成他所建立的计算。尽管如此，他还是正确地阐述了地球温度问题，认为它是在吸收太阳辐射的速度和发射红外线的速度之间取得平衡的问题。有了这个伟大的洞察力，现代的研究行星的温度开始了。然而，充实“细节”需要在基础物理学的几个领域取得重大进展。的基本原则行星能量平衡以及大气增加行星温度的方式，在第3章已经介绍，并在第4章的前面部分进行了详细阐述。
在许多需要解决的细节中，有一个问题是用什么来解决大气成分影响红外辐射的传输。1859年廷德尔发现，地球大气的主要成分——氮和氧——对红外辐射来说几乎是透明的。相反，他发现地球空气吸收和发射红外线的主要成分是两种相对次要的成分——水蒸气和二氧化碳。这类气体被称为“温室气体”，它能让太阳能几乎不受阻碍地通过，但又能有力地减缓红外辐射向外的损失。它们对行星大气低层和表面(如果有的话)的变暖效应被称为“温室效应”。这个术语不是傅里叶创造的，而且在某些方面具有误导性，因为真正的温室并不是通过阻挡红外发射来工作的。然而,一个真正的温室的玻璃或塑料外壳温暖的室内环境减少热损失,同时允许太阳能加热,在这个意义上,被视为更大的隐喻意义的能量平衡——这个比喻是恰当的。除了二氧化碳和水蒸气,我们现在知道一些额外的温室气体,如甲烷(甲烷),这可能早期地球上发挥了非常重要的作用,甚至起一些作用。事实上，事实证明，在一些非常稠密的大气中，比如土卫六，甚至氮也会成为温室气体。是什么决定了一个分子是否是一种好的温室气体，我们如何描述单个气体的影响，从而描述大气成分对气候的影响?raybet雷竞技最新这些问题将在第4章的后半部分讨论。
在思考温室气体的影响关于气raybet雷竞技最新候，重要的是要区分在数千年或更长时间内从大气中缓慢排出的长寿命温室气体和在数周到数年时间内通过凝结或快速化学反应排出的短寿命温室气体。短寿命的温室气体主要起反馈机制的作用。它们的浓度随着其他气候变化而迅速调整，有助于放大或抵消其他因素引起的气候变化——包括长期温室气体引起的变化。raybet雷竞技最新长期存在的温室气体也可以参与反馈，但只是在比典型的大气调节时间更长的时间尺度上。温室气体的寿命是长还是短取决于环境条件。在地球上，二氧化碳是一种寿命较长的温室气体，而水蒸气是一种寿命较短的温室气体;然而，在火星上，温度低到足以使二氧化碳凝结，这种气体可以被认为是短命的。
温室气体在很大程度上是看不见的，但大气中也有一个很容易看到的成分，它对我们星球的能量平衡产生深远的影响云。云地球上的水是由凝结水的悬浮液滴组成的，以液体或冰。云和水蒸气一样，它是一种短命的温室气体，影响着红外逃逸到太空的速度。云的红外不透明度通常用于气象卫星，因为这一特性使云的图案即使在地球的夜间也能从太空中看到。然而，云也影响着能量平衡的另一方面，因为云的粒子相当有效地将阳光反射回太空。云的这两种相互竞争的效应单独来说都很大，但在一定程度上相互抵消，因此其中一项的小误差会导致云对气候的净效应的大误差。raybet雷竞技最新此外，云对能量收支的影响取决于所有复杂的物理，这些物理决定了诸如粒子大小和悬浮液中有多少凝结水。因此，云对理解气候构成了非常严峻的挑战。raybet雷竞技最新这不仅适用于地球，几乎适用于任何有大气层的行星。云对辐射平衡两侧影响的物理原理将在第4章和第5章讨论
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