经常有人问我，二氧化碳的浓度如此之低，为何能对全球气候产生重要影响——仅仅占地球大气的0.041%。而人类活动造成的部分仅为该数量的32%。
我研究大气气体对空气污染和气候变化的重要性。二氧化碳之所以能对气候产生强烈影响，关键在于它能够吸收从地球表面散发的热量，使其无法逸散到太空。
早期温室效应科学研究
科学家们在19世纪50年代首次发现二氧化碳对气候的重要性，他们对其影响同样感到惊讶。英国的约翰·廷德尔与美国的尤尼斯·富特分别独立开展研究，约翰·廷德尔（英国）和尤尼斯·富特（美国）发现，二氧化碳、水蒸气和甲烷都能吸收热量，而含量更丰富的气体则不能。
科学家们此前已经计算出，考虑到到达地表的太阳光照量，地球的温度比理应有的温度高出约59华氏度（33摄氏度）比理应的温度更高。对这一差异的最佳解释是，大气层保留了热量，从而使地球变暖。
廷德尔和富特的研究表明，氮气和氧气二者合计占大气的99%，但由于它们不吸收热量，对地球温度基本没有影响。相反，他们发现，含量少得多的气体完全负责维持使地球适宜居住的温度，它们通过截留热量形成了一种自然温室效应。
大气中的一层“毯子”
地球不断接收来自太阳的能量，并将其辐射回太空。要使地球的温度保持恒定，地球从太阳接收的净热量必须与其释放出的外逸热量相平衡。
由于太阳温度很高，它主要以紫外线和可见光波段的短波辐射形式释放能量。地球温度则低得多，因此它以红外辐射的形式释放热量，这种辐射的波长更长。
二氧化碳和其他截热气体具有特定的分子结构，使其能够吸收红外辐射。分子中原子之间的化学键能够以特定方式振动，类似于钢琴弦的音高。当光子的能量与分子的频率相对应时，光子会被吸收，其能量也会转移至分子。
二氧化碳和其他截热气体含有三个或更多原子，其频率与地球释放的红外辐射相对应。氧气和氮气的分子仅由两个原子构成，因此不吸收红外辐射。
来自太阳的大部分短波辐射会穿过大气层而不被吸收。但地球释放的大部分红外辐射会被大气中的截热气体吸收，随后这些气体可以释放（即再辐射）这些热量。其中一部分会返回地表，使地球温度高于原本的水平。
热传导研究
冷战期间，人们对多种不同气体吸收红外辐射的情况进行了广泛研究。该研究由美国空军主导，因为其当时正在研发热寻的导弹，需要了解如何探测穿过空气的热量。
这项研究使科学家能够通过观测太阳系各行星的红外特征，来了解它们的气候和大气成分。例如，金星的温度约为870华氏度（470摄氏度），原因在于其厚重的大气中有96.5%为二氧化碳。
该研究还为天气预报和气候模型提供了依据，使人们能够量化有多少红外辐射被大气保留并返回地球表面。
有人问我，既然水蒸气吸收的红外辐射更多，而且两种气体在若干相同波长上都有吸收，那么二氧化碳对气候为何仍然重要。原因在于，地球的高层大气控制着逸散到太空的辐射。高层大气的密度远低于近地面，所含水蒸气也少得多，这意味着增加二氧化碳会显著影响有多少红外辐射逸散到太空。
观察温室效应
你是否注意到，沙漠夜间往往比森林更冷，即使两者的平均温度相同？沙漠上空的大气中水蒸气很少，因此它们释放的辐射很容易逸散到太空。在较为潮湿的地区，地表辐射会被空气中的水蒸气截留。同样，多云的夜晚往往比晴朗的夜晚更暖和，因为其中存在更多水蒸气。
过去气候的变化可以体现二氧化碳的影响。过去一百万年的冰芯记录显示，在温暖时期，二氧化碳浓度较高，约为0.028%。在冰期，当地球温度比20世纪大约低7至13华氏度（低4至7摄氏度）时，二氧化碳仅占约0.018%大气成分。
尽管水蒸气对自然温室效应更为重要，过去的温度变化实际上是由二氧化碳的变化所驱动的。相比之下，大气中的水蒸气含量会随温度变化而变化。随着地球变暖，其大气能够容纳更多水蒸气，这会放大最初的变暖，这一过程被称为“水汽反馈”。二氧化碳的变化因此一直是主导性影响因素，决定了过去的气候变化。
微小变化，巨大影响
大气中少量二氧化碳能产生重大影响，这并不令人意外。我们服用的药丸只占体重的极小一部分，却仍期望它们能对身体产生作用。
如今，二氧化碳的浓度高于人类历史上的任何时期。科学家普遍认为，自19世纪80年代以来，地球的平均地表温度已经上升了约2华氏度（1摄氏度），而且人为导致的二氧化碳及其他截热气体增加极有可能是造成这一变化的原因。
若不采取行动控制排放，到2100年，二氧化碳可能占大气的0.1%，这一比例是工业革命前水平的三倍多。这将是比地球历史上的任何变化都更快的变化，并将带来巨大后果。若不采取行动，大气中这一微小部分将引发严重问题。
