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200年前 ， 法国物理学家约瑟夫·傅里叶研究了太阳对地面辐射和地面向外辐射的能量平衡 。 当系统处于平衡状态时 ， 地球吸收太阳的净能量等于地球向外辐射的能量 。
【二氧化碳|真锅淑郎获得诺贝尔物理学奖，还得从200年前傅里叶计算地球温度说起】地球吸收太阳的净能量等于太阳光到达地球的总能量减去地球反射掉的阳光的能量 ， 用公式进行表示就是SπR2(1-a)（公式1） ， 其中地球轨道处于太阳辐射的强度S大约为1380瓦/平方米 ， 地球的反照率a大约为33% ， R为地球的半径 。
地球会向外辐射红外能量 ， 假设地球是黑体 ， 根据斯特潘-玻尔兹曼定律发射辐射 ， 辐射公式为σT? ， 其中σ为斯特潘-玻尔兹曼常数 。 由于公式表示的是单位面积的辐射量 ， 因此我们还要乘上地球的表面积 ， 由此得到总公式为4πR2σT?（公式2） 。
我们让公式1和公式2相等 ， 就可以算出地球的平均温度大约为-21℃ 。 计算结果与实际不符 ， 科学家经过研究之后得出了结论 ， 地表向外辐射的红外能量会被大气重新吸收 ， 从而提高地球的平均温度 ， 这个结果就是我们所熟悉的温室效应 。 温室效应对地球上的生命至关重要 ， 有了它液态水才得以大量存在 。
在接下来的两个世纪里 ， 科学家在这个模型的基础上 ， 添加了很多气候细节 ， 其中就有温室气体的影响 。 二氧化碳、甲烷是我们较常听到的 ， 但实际上水蒸气是最强大的温室气体 。 我们无法控制大气中水蒸气的浓度 ， 然而可以控制二氧化碳的浓度 。
大气中的水蒸气浓度和温度有关 ， 并且形成一个反馈 。 当大气中的二氧化碳浓度越高 ， 温度就越高 ， 从而导致水蒸气含量越高 ， 温室效应进一步加剧 。 反之 ， 如果二氧化碳水平下降 ， 温度下降水蒸气含量也就跟着下降 。
关于二氧化碳对地球温度的影响的研究最初来自于诺贝尔奖获得者斯凡特·奥古斯特·阿伦尼乌斯 。 他在19世纪末用辐射平衡模型得出结论 ， 如果大气二氧化碳水平减半 ， 那么将进入一个冰河时代 。 反之 ， 如果二氧化碳浓度翻倍 ， 那么温度将会上升5-6摄氏度 ， 这与现代的估计值已经相当接近了 。
今年的诺贝尔物理学奖真锅淑郎也在研究二氧化碳增加导致的温度升高 。 但与阿伦尼乌斯不同的是 ， 他在辐射平衡的基础上 ， 还结合对流引起的气团垂直输送以及水蒸气的潜热 。 在1960年代 ， 计算机的计算能力还不是很强大 。 为了简化计算 ， 他将模型缩小到一维——一个垂直的柱子 ， 并且他还忽略了氧气和氮气对地表温度的影响 。 最后得出的结果显示 ， 当二氧化碳水平翻倍时 ， 全球温度升高了2°C以上 ， 这个结果现在来看还是非常准确的 。
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