“水汽导致 95% 的全球变暖，二氧化碳排放微不足道”

“是水蒸气，而非二氧化碳，才是主要的温室气体”

在气候变暖的讨论中，一些人将全球变暖的主要原因归咎于水汽增加，声称“水汽的效力是二氧化碳的 100倍”，“水汽导致 95% 的全球变暖，二氧化碳排放微不足道”，以及“水蒸气才是主要的温室气体，而非二氧化碳”等，这些言论和相关文献常常混淆视听，那么具体情况到底是什么样呢？

水汽是主要的温室气体

首先我们需要了解地球大气的成分，地球大气主要由干空气和可变的水汽组成，干空气中最多的是氮气和氧气，属于主要成分（Major Gases，>1%），其中氮气占比78.084%、氧气占比20.946%，这两项加起来已经超过99%。另外，氩气占比0.93%，其他的惰性气体和二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等总共占比0.04%多一点。

大气干空气成分比例

目前二氧化碳浓度约为420ppm，也就是每100万个空气分子中，有约420个二氧化碳分子，属于微量气体（minor gases）。甲烷浓度约为1.934ppm，氧化亚氮浓度为0.337ppm，也就是每100万个空气分子中，平均只有1.934个甲烷分子和0.337个氧化亚氮分子，数量很少，用“微量”已经无法形容量少，只能算作是痕量气体（trace gases）。

除了干空气，空气中还有水汽，水汽在全球分布不均，在热带多雨区水汽量可达4%，而在沙漠区甚至不足0.01%，并且随季节和大气高度有变化，集中在4公里以下低空。水在气态、液态和固态之间变化，形成我们看到的云、雨、雪、冰雹等天气，而且通过吸收和释放潜热调节全球地表温度。

大气中比湿（单位：g/kg）的分布受温度和气压的影响，在热带低层洋面含量最多，在两极、大气高层和荒漠地区偏少。

二氧化碳和甲烷、氧化亚氮是温室气体，水汽也是温室气体。太阳辐射以短波辐射加热地球表面，地球表面因为温度比太阳表面低，向外辐射长波红外辐射，红外辐射在离开地球之前，会被地球大气中的温室气体吸收，从而形成温室效应。

水汽吸收的光谱最宽，且存在 “连续吸收”，几乎覆盖 5-25μm 的大部分红外辐射区，但是最强的范围主要出现在6-8μm和大于15μm区域；而二氧化碳的强吸收带核心约为15μm（次吸收带为4.3和2.7μm），甲烷核心吸收带是3.3和7.65μm，氧化亚氮核心吸收波段是4.5μm、7.8μm和17μm。其中水汽是最重要的温室气体，在晴空条件下，水汽在总温室效应中占比大约50-70%，二氧化碳占比20-30%。

大气中个主要成分的吸收光谱，自上而下分别为：甲烷、氧化亚氮、氧分子、二氧化碳、水汽，最下图为所有的总和。图片来自psu.edu

在实际的大气中，我们需要考虑有云的情况，因为云也能吸收长波辐射，根据IPCC的估算，云贡献约25-30%的温室效应，水汽贡献约36-50%，二氧化碳贡献约15-20%，其他温室气体（甲烷、氧化亚氮、臭氧，CFCs）贡献约5-10%。地球大气的总温室效应约为33摄氏度，也就是说当没有地球大气层的时候，地球表面的理论温度是-18℃，而有了大气层，温室效应使得地球表面温度达到约15℃。按照以上比例计算，水汽贡献约12-16.5℃，二氧化碳贡献5-6.6℃，云贡献8.3-9.9℃，其他气体贡献1.7-3.3℃。

从这个意义上来看，水汽确实是地球温室效应最大的贡献者。

气候变化的反馈机制

以上考虑的是平均气候，而当考虑气候的变化时，尤其是分析目前全球变暖的产生过程，水汽和二氧化碳起到不同的作用，二氧化碳是驱动因子，而水汽变化属于气候反馈。

水汽在大气中的停留时间比较短，约为8-10天，比较而言，我们各种活动排放出来的二氧化碳是一种长生命期气体，生命期可达数百年以上，这意味着在我们个人生命期里清除不掉。从科学原理来看，水汽在大气中的浓度主要由温度决定，遵循克劳修斯-克拉佩龙方程（Clausius-Clapeyron relation，CC关系式）。该方程表明，温度升高时，大气能够容纳的水汽量增加。就像一块海绵，温度越高，这块 “大气海绵” 能吸收的水汽就越多，温度每升高 1 °C，饱和水汽增加约 7 %（7 %·°C⁻¹）。因此，当二氧化碳等温室气体增加导致地球表面温度上升后，大气中的水汽含量会相应增加，由于水汽本身也是温室气体，进而增强温室效应，这是一个正反馈过程。

水汽变化是人类活动引起的全球变暖的正反馈过程。

气候系统中还有其他的反馈过程

海冰(或湖冰)：正反馈，海冰融化后露出开阔水面，反照率下降，吸收的太阳辐射增 加，引起更多融化；

积雪和冰川：正反馈，冰雪融化露出裸露地表或植被，反照率下降，吸收的太阳辐射增加，引起更多融化；

水汽：正反馈，变暖的空气可以容纳更多水汽，引起更强的增暖；

CO2溶解：正反馈，海洋对CO2的溶解力随升温而降低，因此，随着海洋变暖，大量贮存在海洋中的CO2被释放到大气中，引起更多增暖；

冻土中的甲烷和CO2：正反馈，增暖引起冻土融化，贮存的甲烷和CO2被释放到大气中，引起进一步的增暖；

植物生长（CO2）：负反馈，引起增暖的高CO2水平促进植物生长，可以消耗更多CO2，因此减缓了CO2的增加；

植物生长（反照率）：正反馈，繁茂的植被使得地表变暗，引起更多的太阳辐射吸收和增暖；

植被受损：正反馈，增暖可能引起植被生长受损，使其对CO2的消耗减少，增暖增强；

野火：正反馈，增暖和区域干旱增加了野火风险，造成CO2和颗粒物的排放，并在森林重建前减弱植被对CO2的吸收能力。

气候变化过程中的主要反馈过程

如果把二氧化碳增多引起的的全球变暖比喻为人体发烧，病毒（二氧化碳）本身让人体温升高 1 ℃，可身体还嫌不够，又裹着厚被子（水汽）、开着暖气（云）、穿着厚毛衣（冰雪），结果体温烧了 3 ℃。后面那一堆“添被子”的动作，就叫反馈；体温升高1℃人一般不会出现明显异常，而体温身升高3℃则会引起严重的不适和健康风险。反馈对气候变化非常重要，若非如此，地球历史上许多剧烈的气候变化可能永远不会发生，例如，过去一百万年可能就不会发生多次冰期，或者，过去一百万年里一直都是冰期。