温室气体与温室效应.doc

温室气体与温室效应近百年来，全球的地面气温呈明显上升趋势。根据气象学记录，自1860年以来，地球表面的平均气温升高了0.6摄氏度。而进入了20世纪，全球温度进一步升高。其中1998年又创历史新高，是20世纪最热的一年，它比1860年至2000年间的平均值高了0.55摄氏度。同时，20世纪北半球温度的增幅是过去1000年最高的。总的变暖趋势越来越明显。气候变暖使南极，北极及高山大冰川融化，融化的水流向海洋，从而使海平面上升。在过去的一百年里，全世界海平面一共上升了1020cm。而且自从20世纪60年代后期以来，冰雪的覆盖面积已经减少了10%。1温室气体温室气体通常是指大气中那些让太阳短波辐射自由通过，同时强烈吸收地面和空气放出的长波辐射（红外线），对地表有一种遮挡作用的气体。地球形成初期存在的12种主要元素，按丰度递减，依次是H（90%），He（9%），O，Ne，N，C，Si，Mg，Fe，S，Ar和Al。在这12种元素中，只有C，H，O，N和S能结合成分子并进入大气中，最初只有水，氨和甲烷，硫化氢，氢。在进化过程中，不少氢，氦，氖和氩逃逸到太空中，但由于引力作用，这些气体的大部分都被吸引在地表附近，大气层演变为由氨，甲烷，水蒸气和硫化氢组成。地球的大气层通过光解作用演变的含有丰富的氧。地球的引力不能留住所有的氢气，但能留住大部分的氧气。游离的氧具有从其他气体中夺取氢原子重新形成水分子的趋势。氧从氨中夺取氢后，留下游离氮，从甲烷中夺取氢生成二氧化碳。千百年以后，地球大气中留下的主要是氮，氧，二氧化碳和水蒸气。如今，地球大气以氮，氧和氩为主，其他成为微量气体。那些与产生温室效应有关的微量气体便是温室气体。温室气体有以下几种：1、水蒸汽(H2O)水蒸汽是大气中最主要的温室气体。水蒸汽所产生的温室效应大约占整体温室效应的60%-70%；2、二氧化碳(CO2)二氧化碳在大气中大约占26%；3、臭氧(O3)；4、甲烷(CH4)；5、氧化亚氮(又称笑气,N2O)；6、氢氟氯碳化物。它包括:氟氯碳化物(CFCs)、氢氟碳化物(HFCs)、氯氟烃(HCFCs)等；7、全氟碳化物(PFCs)；由于水蒸汽和臭氧的时空分布变化较大,因此在制订减量措施规划时，一般都不将它们纳入。著名的京都议定书提出针对6种温室气体进行减量控制，它们是:二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)和六氟化硫(SF6)。其中又以后三种气体形成温室效应的能力最强，但以对全球变暖的影响来说，由于CO2含量最多,因而影响也最大。1.1 温室气体的特征温室气体是能够强烈吸收红外线的气体。实际上，根据近代物理化学的研究，这些温室气体是具有红外吸收活性的。由于红外线是一种能量流，在它通过某物质传播时，会引起该物质的电子跃迁或使原子振动，从而使其能量的一部分变成热能，导致其能量的衰减。这样我们就称红外线被该种物质吸收了。但红外线的吸收也是有条件的。在分子中存在着非极性共价键和极性共价键。分子也分为极性分子和非极性分子。分子极性的强弱可以用偶极矩来表示。而只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收光谱，则该分子就被称为红外活性的，而=0的分子振动不能产生红外振动吸收，则称之为非红外活性的。分子的振动可以分为改变键长的伸缩振动和改变键角的弯曲振动。而伸缩振动又分为对称伸缩振动和不对称伸缩振动，弯曲振动又分为面内弯曲振动和面外弯曲振动。故而当CO2进行对称伸缩振动时，它不具有红外吸收活性，因为此时它的偶极矩变化为0。但当它进行不对称伸缩振动或进行弯曲振动时，它的偶极矩变化不为0，故此时它具有红外吸收活性。当然，作为非极性键构成的非极性分子，N2，O2根本没有偶极矩，辐射不能引起它们共振，当然就不具有红外吸收活性。图1为分子振动方式：图1 分子振动方式但相对来说，一种气体够不够格当温室气体，还应考虑它在大气中的含量和持续的时间。表1为温室气体的一些具体特点：表1 温室气体的具体特点温室气体的寿命：温室气体的分子在产生后的大气存留时间任何一种温室气体的分子在产生之后，其寿命受多种因素决定首先，看他是不是容易和其他化学成分反应再有，它是不是容易被海洋，土壤或植物所吸收或者把它们是放到大气中等等如二氧化碳的寿命最长，达200年左右，氧化亚氮可达150年左右变暖潜值：这是比较二氧化碳的变暖效果计算的如一个二氧化碳在一周年内形成一个单位的增温效果，则一个甲烷63个单位，氧化亚氮270，氟氯烃更大其中CFC-11为4500。1.2 温室气体的光谱吸收地气系统存在着两个主要辐射源，一个是太阳短波辐射（6000K黑体辐射），其能量峰值在0.5m附近。另一个是地球红外辐射（300K黑体辐射），其能量峰值在10m附近。因此就大气气候效应而言，最感兴趣的应该是紫外，可见，红外波段，在这些波长范围里，大气气体引起的吸收主要是气体分子的振-转带产生的，其中最强的吸收带在红外光谱区。大气中主要气候敏感气体是水汽，CO2,O3,和O2。下面简要介绍几种气体的光谱特征：二氧化碳在远紫外区对太阳辐射有较强吸收，同时它在红外区有很强的吸收带；水汽的吸收带分布在从近红外到远红外的整个波段内，因此无论对太阳辐射海狮队地气的长波辐射的传播都起着重要作用；甲烷在红外区有强的吸收带；N2O也是在红外区有强的吸收带；臭氧在紫外和红外光谱区均有较强的吸收；氟氯碳在红外区有较强的吸收带。1.3 温室气体增加对环境影响1.3.1气候转变：“全球变暖”温室气体浓度的增加会减少红外线辐射放射到太空外，地球的气候因此需要转变来使吸取和释放辐射的份量达至新的平衡。这转变可包括“全球性”的地球表面及大气低层变暖，因为这样可以将过剩的辐射排放出外。虽然如此，地球表面温度的少许上升可能会引发其他的变动，例如：大气层云量及环流的转变。当中某些转变可使地面变暖加剧(正反馈)，某些则可令变暖过程减慢(负反馈)。 利用复杂的气候模式，“政府间气候变化专门委员会”在第三份评估报告估计全球的地面平均气温会在2100年上升1.4至5.8度。这预计已考虑到大气层中悬浮粒子倾于对地球气候降温的效应与及海洋吸收热能的作用 (海洋有较大的热容量)。1.3.2地球上的病虫害增加 温室效应可使史前致命病毒威胁人类。由于全球气温上升令北极冰层溶化，被冰封十几万年的史前致命病毒可能会重见天日，导致全球陷入疫症恐慌，人类生命受到严重威胁。一系列的流行性感冒、小儿麻痹症和天花等疫症病毒可能藏在冰块深处，目前人类对这些原始病毒没有抵抗能力，当全球气温上升令冰层溶化时，这些埋藏在冰层千年或更长的病毒便可能会复活，形成疫症。科学家表示，虽然他们不知道这些病毒的生存希望，或者其再次适应地面环境的机会，但肯定不能抹煞病毒卷土重来的可能性。1.3.3海平面上升假若“全球变暖”正在发生，有两种过程会导致海平面升高。第一种是海水受热膨胀令水平面上升。第二种是冰川和格陵兰及南 极洲上的冰块溶解使海洋水份增加。预期由1900年至2100年地球的平均海平面上升幅度介乎0.09米至0.88米之间。全球暖化使南北极的冰层迅速融化，海平面不断上升，世界银行的一份报告显示，即使海平面只小幅上升1米，也足以导致5600万发展中国家人民沦为难民。而全球第一个被海水淹没的有人居住岛屿即将产生位于南太平洋国家巴布亚新几内亚的岛屿卡特瑞岛，目下岛上主要道路水深及腰，农地也全变成烂泥巴地。此外，还会有气候反常，海洋风暴增多等影响。1.4 IPCC（政府间气候变化专门委员会）的排放情景与稳定浓度IPCC一直在给定不同的温室气体排放情景后，预估未来的变暖情况。图2总结了其排放情景特别报告（SRES）中常用的6种排放情景下变暖的最佳估计，和全球平均地表增暖的最佳估算值及其可能性范围：图2中A1情景描述的是一个高排放的情景，经济增长非常快，全世界人口数量峰值出现在21世纪中叶并随后下降，新的更高效的技术被迅速引进。A1情景进一步划分为3组情景，分别描述着能源系统技术变化的不同发展方向，以技术重点区分为：代表着化石燃料密集型（A1FI）、非化石燃料能源（A1T）、以及各种能源之间的平衡（A1B）。A2情景描述了一个极不平衡的世界，自给自足，保持当地特色。各地域间生产力方式的趋同异常缓慢，人口出生率很不协调，由此导致人口持续增长。经济发展主要面向区域，人均经济增长和技术变化是不连续的，低于其它情景的发展速度。B1情景描述了一个趋同世界，全球人口数量及变化情况与A1情景相同，所不同的是，经济结构向服务和信息经济方向迅速调整，伴之以材料密集程度的下降，以及清洁和资源高效技术的引进。其重点放在经济、社会和环境可持续发展的全球解决方案，其中包括公平性的提高。B2情景是一个中低排放情景，强调区域经济、社会和环境可持续发展。在这个世界中，全球人口数量以低于A2情景的增长率持续增加，经济发展处于中等水平，与B1和A1情景相比，技术变化速度较为缓慢且更加多样化。尽管该情景也致力于环境保护和社会公平，但重点还是放在局地和地区层面。对于A1B、A1FI、A1T、A2、B1和B2这6组情景，其中每一种情景都可以作为解释性情景。 图2未来100年不同排放情景下的全球温度预测图中纵坐标表示全球地表增暖，横坐标表示年份。各实线分别表示A2、A1B和B1情景下的多模式全球平均地表增暖（相对于19801999年平均），并作为20世纪模拟结果的延续，阴影区表示各模式年值的正负一个标准差范围。橘红色线表示将控制在2000年浓度水平上的模拟试验结果，右侧的灰色条表示最佳估算值（各条中间的实线）和6个SRES标志情景可能性范围的评估结果2 温室效应温室效应是指透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热交换而形成的保温效应，就是太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长波辐射却被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而产生大气变暖的效应。大气中的二氧化碳就像一层厚厚的玻璃，使地球变成了一个大暖房。据估计，如果没有大气，地表平均温度就会下降到-23，而实际地表平均温度为15，这就是说温室效应使地表温度提高38。2.1 .温室效应产生的原因2.1.1自然原因主要包括海洋、陆地、火山活动、太阳活动、自然变率等，不少科学家还将气候变暖归结为大气候条件。地球逐渐变暖是地球大气自身调节的结果。自地球形成后，不同的地质时期气候呈现一定的规律，一定幅度的气温波动是正常的，目前地球正处于“增温期”。如中国海南岛小东海礁区的滨珊瑚岩心长3m，反映近百年(18901990年)的温度变化，即20世纪50年代前升温，5080年代降温，80年代后升温。太阳本身提供的能量变化或者地球接收到的太阳能量发生变化都影响到地球气候系统的变化。丹麦国家太空中心认为，由于帮助形成云层的部分宇宙线被太阳的较强磁场阻挡，导致了地球温度的升高。从十年至百年的长时间尺度分析，影响气候的长期波动的主要因子是太阳辐射。2.1.2人为原因2.1.2.1排放有害气体“温室效应”是目前大气增温的根源。人类进步、经济发展、工业化程度越来越高，大量焦烧矿物能源导致大气中二氧化碳和稀有气体甲烷、氮氧化和物、氯氟烃化合物等有害气体逐年增加。如大气中二氧化碳的浓度从上世纪中叶到现在递增了10%左右；抓氟烃气体在排放的温室气体中已占到20%以上。甲烷含量已达六亿吨之多，比300年前高出一倍多。这些气体具有强烈吸收地面辐射的能力，形成“温室效应”，造成低层大气增温。2.1.2.2改变地表状况人类盲目开荒，过度放牧、滥砍森林，造成地表植被严重破坏。当前全世界森林正在以600万-800万公顷的速度递减森林急剧减少不仅使大片土地沦为荒漠，而且削弱了光合作用，导致大气中温室气体二氧化碳有增无减，从而间接的起到了增温作用。2.1.2.3释放大量的废热自然状态下，大气中热量收支基本平衡，其均温保持稳定，而人类活动却破坏这一平衡。化石燃料所产生的各种温室气体和人为热被排放到大气中，日积月累，气温就会因此而升高。根据嫡增的原理，人类的一切工业生产活动都是不可逆的过程，其中产生的废热也是难以再回收利用的，并且这一部分热量就是造成系统墒增的那部分废热。2.2二氧化碳分子在温室效应中的作用法国Angers大学的M.Chrysos教授和俄罗斯圣彼得堡大学的同行们联合研究了CO2分子在温室效应中的作用。我们发现CO2分子不仅作为单分子状态吸收与散射能量，而且还在分子与分子碰撞期间吸收与散射能量。由太阳发射的可见光入射到地球后，同时又以红外辐射的方式从地球反射。这些红外辐射被大气吸收和保持就成为温室效应的热量来源。虽然CO2分子在大气中所占比例要比N2与O2分子少得多，但它吸收红外辐射的能力却并不小。N2与O2分子通常是不吸收红外辐射的。在过去的研究中，只考虑CO2分子自身的吸收能力，它遵守的是量子力学规律.现在发现，CO2分子之间或者它与其他分子之间在碰撞时也要吸收红外辐射，并且遵守的是经典物理的规律。在认识到分子碰撞时也能吸收能量这个事实，M.Chrysos教授的研究组利用数学方程精确地计算了分子碰撞(其中包括CO2分子之间，CO2分子与N2分子和O2分子之间)时所吸收的能量.按经典规律，分子间的碰撞率是与地面高度有关的，在高度为600km处，碰撞率约为1次/min；而在海平面处，碰撞率则高达1010次/s。对吸收总能量的计算显示，分子碰撞时所吸收的红外辐射能量要比不考虑碰撞效应时增加10%。因此这必然会导致地球温室效应的加剧。2.3 温室效应的影响2.3.1 未来气候变化对各个领域的影响淡水资源及其管理系统。预计21世纪中叶前，在高纬度和部分热带湿润地区，年平均河流径流量和可用水量会增加10%-40%，而在某些中纬度和热带干旱地区(其中某些地区目前正在遭受水短缺)，其径流量和可用水量会减少10%-30%。21世纪冰川和积雪中储藏的水量预计会下降，从而减少了靠冰雪融水供给地区的可用水量，而这些地区居住着当今世界上1/6以上的人口。生态系统。在本世纪中叶前陆地生态系统的碳净吸收可能达到高峰，随后减弱甚至逆转，从而导致气候变化的加剧。如果全球平均温度增幅超过1.5-2.5，目前所评估的20%-30%的动植物物种可能面临灭绝的风险会增大，但这个结果只有中等可信度(正确的机会约五成)。粮食、纤维和林业产品。在中高纬地区，如果局地平均温度增加l-3，粮食产量预计会有少量增加;若升温超过这一范围，某些地区农作物产量则会降低。而在低纬地区，特别是干季热带地区，即使局地温度有少量增加(1-2)，也会导致农作物产量降低。从全球角度看，若局地平均温度增加范围在1-3，粮食生产潜力预计会随温度升高而增加，若超过这一范围，则会降低。这一结果也为中等可信度。海岸带系统和低洼地区。面对升温加剧，珊瑚更为脆弱，且适应能力低;若海表温度升高约l-3，预计会导致更为频繁的珊瑚白化事件甚至大范围死亡。到21世纪80年代，由于海平面上升，预计每年会有数百万以上的人口会遭受洪涝之害;受影响的人口数量在亚洲和非洲的大三角洲地区最多，而小岛屿地区尤其脆弱。工业、人居环境和社会。海岸带和易发江河洪涝的地区、极端天气事件易发地区，特别是城市化发展快速的地区是最脆弱的;那些位于高风险区域的贫穷社区更加脆弱，因为他们的适应能力有限，对敏感的气候资源的依赖性较强，如局地的水和粮食的供给等。健康。对那些适应能力低下的人群，气候变化会影响几百万人口的健康。但在温带地区进行的研究显示，气候变化也会带来某些益处，如，由严寒造成的死亡减少等。但总体上看，这些好处将会被增暖带来的负面影响所抵消，特别是在发展中国家。2.3.2未来气候变化影响的区域性差别到2020年，预计有7500万-2.5亿人口面临的水短缺会因为气候变化而加剧，这将对人的生活产生不利影响，并使与水有关的其他问题进一步恶化。非洲是对气候变化最为脆弱的大陆之一。亚洲。预测未来20-30a，喜马拉雅山地区的冰川融化，会使洪水和岩崩增加，对水资源造成影响;随着冰川后退，江河径流量将逐步减少。由于来自海洋的浸水以及在某些大三角洲地区来自河流的洪水增加，沿海地区，特别是南亚、东亚和东南亚人口稠密的大三角洲地区将会面临极大的风险。到21世纪中叶，东亚和东南亚地区的农作物增产预计可达20%，而中亚和南亚将减产30%。考虑到人口的快速增长和城市化的影响，总体上看，在几个发展中国家，饥荒的风险水平很高。澳大利亚和新西兰。预计到2020年，在某些生态资源丰富的地区，包括大堡礁和昆士兰湿热带，生物多样性会显著减少。其他地区，如卡卡都湿地、澳大利亚西南部地区、亚南极洲岛屿和两国的高山地区，也面临这种风险。到2030年，由于干旱和火灾增多，在澳大利亚南部和东部大部分地区以及新西兰东部部分地区，农业和林业产!预计会下降。欧洲。预计肆虐的热浪将导致健康风险的增大。几乎所有欧洲地区都会受到未来气候变化的不利影响，包括内陆突发洪水的风险增加，海岸带洪水更加频繁，侵蚀加重，许多经济部门将面临挑战。绝大多数生物群落和生态系统将难以适应气候的变化.高山地区将面临冰川退缩，导致积雪和冬季旅游减少、大范围的物种损失(在高排放情景下，到2080年，某些地区物种损失将高达60%)。气候变化会增大欧洲在自然资源与物质财富上的地区差异。3控制气候变暖的有效途径气候变暖，恶果严重，引起气候变暖的原因是多方面的。但人为原因是首要的。那就要从人为因素人手来控制。3.1控制废气、废热的排放量因“温室效应”导致气候变暖的二氧化碳和稀有气体是人类燃烧矿物燃料时释放出来的，控制气候变暖就要减少这些气体的排放。如通过对生产设备的改进和更新减少氛氟烃的使用降低矿物燃料的利用。人为的排放废热也是影响气候变暖的直接原因。转换能源利用形式，提高能源利用率，