氣候學家的任務與傅立葉當年的工作無甚差別，即研究進入地球的短波太陽輻射與地球發出的長波紅外輻射之間的平衡 。在接下來的兩個多世紀里，許多氣候科學家為大氣科學的知識增添了細節 。當代的氣候模型是非常強大的工具，不僅可以用于理解氣候，還可以用于理解人類對全球變暖負有的責任 。
氣候模型從用于預測天氣的模型發展而來，基于物理定律建立 。天氣由溫度、降水、風或云等氣象量描述，并受海洋和陸地上發生的事件影響；而氣候模型基于天氣的計算統計屬性，例如平均值、標準偏差、最高和最低測量值等 。氣候模型無法告訴我們明年 12 月 10 日斯德哥爾摩的天氣如何，但可以使我們大致了解 12 月斯德哥爾摩的平均溫度或降雨量 。
建立二氧化碳的作用
溫室效應對地球上的生命至關重要，它控制著地球的溫度，因為大氣中的溫室氣體，即二氧化碳、甲烷、水蒸氣和其他氣體，會先吸收地球的紅外輻射，然后將吸收的能量釋放，加熱周圍的空氣和空氣之下的地面 。
地球干燥大氣主要由氮氣和氧氣組成，它們占大氣總體積的 99% 。溫室氣體實際上只占大氣的很小一部分：二氧化碳僅占大氣體積的 0.04% 。最強大的溫室氣體是水蒸氣，但我們無法控制大氣中水蒸氣的濃度，只能控制二氧化碳的濃度 。
大氣中的水蒸氣量高度依賴于氣溫，從而形成了一個反饋機制 。大氣中的二氧化碳越多，溫度越高，空氣中就含有更多的水蒸氣，從而增強溫室效應，使氣溫進一步升高 。如果二氧化碳水平下降，一些水蒸氣就會凝結，氣溫就會下降 。
發現二氧化碳對氣溫影響之謎的第一塊拼圖的人，是瑞典科學家、1903 諾貝爾化學獎獲得者斯萬特·阿倫尼烏斯（Svante Arrhenius） 。湊巧的是，他的同事、氣象學家尼爾斯·古斯塔夫·?？嘶魻柲罚∟ils Ekholm）在 1901 年第一次使用“溫室”一詞來描述大氣的熱量儲存和再輻射 。
到 19 世紀末，阿倫尼烏斯弄清了溫室效應的物理學原理——向外輻射與輻射體的絕對溫度 (T) 的四次方 (T?) 成正比 。輻射源越熱，射線的波長越短 。太陽的表面溫度為 6000°C，發出的射線主要落在可見光譜中；而地球表面溫度僅為 15°C，會以我們看不見的紅外輻射發出再輻射 。如果大氣不吸收這種輻射，地表溫度幾乎不會超過 –18°C 。
實際上，阿倫尼烏斯是在試圖找出當時剛被發現的冰河時代現象的成因 。他得出的結論是，如果大氣中的二氧化碳水平減半，就足以讓地球進入一個新的冰河時代，反之亦然——二氧化碳量增加一倍會使溫度升高 5-6°C 。在某種程度上，這個結果與目前的估計值驚人地接近 。
二氧化碳影響的開創性模型
在 20 世紀 50 年代，東京很多年輕且富有才華的研究人員離開了被戰火摧毀的日本，繼續他們的研究生涯，大氣物理學家真鍋淑郎也是其中之一 。真鍋研究的目標，就像 70 多年前的阿倫尼烏斯一樣，是去理解不斷升高的二氧化碳濃度如何導致氣溫上升 。阿倫尼烏斯專注于研究輻射平衡，而在 20 世紀 60 年代，真鍋領導開發的物理模型，將對流引起的氣團垂直輸運以及水蒸氣的潛熱納入其中 。
為了使這些計算更易于處理，他選擇將模型簡化為一維的一根垂直的圓柱體，從地面直達 40 公里高的大氣層 。即便如此，通過改變大氣中多種氣體的濃度來測試該模型還是花費了數百個寶貴的計算時 。氧氣和氮氣對地表溫度的影響可以忽略不計，二氧化碳則具有顯著的影響：當二氧化碳濃度翻一倍時，全球氣溫會上升 2℃ 以上 。
相對濕度給定分布下的大氣熱平衡
（滑動解鎖）

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