200年前，法國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·傅里葉研究了太陽(yáng)對(duì)地面輻射和地面向外輻射的能量平衡。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，地球吸收太陽(yáng)的凈能量等于地球向外輻射的能量。

地球會(huì)向外輻射紅外能量，假設(shè)地球是黑體，根據(jù)斯特潘-玻爾茲曼定律發(fā)射輻射，輻射公式為σT，其中σ為斯特潘-玻爾茲曼常數(shù)。由于公式表示的是單位面積的輻射量，因此我們還要乘上地球的表面積，由此得到總公式為4πRσT（公式2）。

我們讓公式1和公式2相等，就可以算出地球的平均溫度大約為-21℃。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不符，科學(xué)家經(jīng)過研究之后得出了結(jié)論，地表向外輻射的紅外能量會(huì)被大氣重新吸收，從而提高地球的平均溫度，這個(gè)結(jié)果就是我們所熟悉的溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)對(duì)地球上的生命至關(guān)重要，有了它液態(tài)水才得以大量存在。

在接下來的兩個(gè)世紀(jì)里，科學(xué)家在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上，添加了很多氣候細(xì)節(jié)，其中就有溫室氣體的影響。二氧化碳、甲烷是我們較常聽到的，但實(shí)際上水蒸氣是最強(qiáng)大的溫室氣體。我們無(wú)法控制大氣中水蒸氣的濃度，然而可以控制二氧化碳的濃度。

關(guān)于二氧化碳對(duì)地球溫度的影響的研究最初來自于諾貝爾獎(jiǎng)獲得者斯凡特·奧古斯特·阿倫尼烏斯。他在19世紀(jì)末用輻射平衡模型得出結(jié)論，如果大氣二氧化碳水平減半，那么將進(jìn)入一個(gè)冰河時(shí)代。反之，如果二氧化碳濃度翻倍，那么溫度將會(huì)上升5-6攝氏度，這與現(xiàn)代的估計(jì)值已經(jīng)相當(dāng)接近了。

今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)驽伿缋梢苍谘芯慷趸荚黾訉?dǎo)致的溫度升高。但與阿倫尼烏斯不同的是，他在輻射平衡的基礎(chǔ)上，還結(jié)合對(duì)流引起的氣團(tuán)垂直輸送以及水蒸氣的潛熱。

在1960年代，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力還不是很強(qiáng)大。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，他將模型縮小到一維——一個(gè)垂直的柱子，并且他還忽略了氧氣和氮?dú)鈱?duì)地表溫度的影響。最后得出的結(jié)果顯示，當(dāng)二氧化碳水平翻倍時(shí)，全球溫度升高了2°C以上，這個(gè)結(jié)果現(xiàn)在來看還是非常準(zhǔn)確的。