二氧化碳与温室效应.doc

二氧化碳与温室效应摘 要 通过气候变暖及生态系统变化的事例简述了温室效应的危害及其起源,并从生物技术、能源革新、大气污染控制技术几个方面评述了近年来涌现出的二氧化碳控制技术的优缺点和发展前景。关键词 温室效应二氧化碳引言人类面临的环境问题很多,也很复杂。最近20多年来,臭氧层的损耗、温室效应加剧和全球性气候变化,酸雨等全球性环境问题日趋严重。使人类环境与经济可持续发展面临严峻的挑战。许多科学家担心,人类在改造地球的活动中影响最为深远的是地球的升温,因为它会使其他变化发展为突变。因此,温室效应的加剧是近年来引起国际争论的又一全球性环境污染热门课题。李远哲教授1998年5月指出:随着人类社会对能源消耗的增加,我们过度依赖地球上千万年累积的石油 ，天然气等矿物燃料,燃烧结果产生二氧化碳、二氧化硫带来了温室效应、酸雨等全球性环境问题。世界自然基金组织公布了1999年度全球环境指数报告中指出:从1970年到1995年,全球环境指数约下降了30%,这意味着在短短的25年间,人类拥有的自然资源骤减了三成,消耗能源数量相当于过去一个世纪的总和。人类燃烧煤炭、石油、天然气和砍伐下来的树木,产生的大量可以蓄热的气体二氧化碳和甲烷进入大气层后引起地球升温,使碳循环失去平衡,改变了地球生物圈的能量转换形式。一批科学家在联合国组织召开的一次国际会议上预言说,如果人类继续按现在的速度排放二氧化碳,在21世纪的某一天,地球温度将升高约2-5温室效应与温度效应的加剧燃料的燃烧会产生2和2,产生的2可溶解在雨水、江河、湖泊和海洋里,也可以被植物吸收进行光合作用等。产生和消耗的2量之间达到平衡,使大气层中2浓度保持一定的范围内。地球大气层中的2和水蒸气等允许部分太阳辐射(短波辐射)透过并达到地面,使地球表面温度升高。同时,由于2和2分子可以产生分子偶极矩改变的振动,故能吸收太阳和地球表面发出波长在2000纳米以上的长波辐射,仅让很少的一部分热辐射散失到宇宙空间。由于大气吸收的辐射热量多于散失的,最终导致地球和外层空间保持某种热量平衡,使地球维持相对稳定的气温,这种现象称为温室效应。温室效应是地球上生命赖以生存的必要条件。大气中温室效应气体2所引起的温室效应早已存在。如果不存在温室效应,据科学家计算,地球表面的温度大约在-18左右,而地球表面的实际年平均温度为15。自工业革命以来,大气中温室气体量增加,温室效应已增强。现在全球每年排入大气中的温室气体2总量估计为100-200亿吨,几乎全部来自矿物燃的燃烧,天然来源和的光化学氧化产生的2所占比例很少。大气中2浓度不断上升。1896年约为296,1960年约为320,据估计到2000年将增加到370。由于2温室效应增强,已经产生全球气候变暖的趋势。由联合国一些机构资助的政府间气候变化研究组织()指出,如果矿物燃料的使用继续稳定增加,那么,到2050年全球年平均温度将达到16-19,超过以往的变暖速度而加速全球的变暖。当前人们议论的“温室效应”,实际上是温室效应的增强后引起地球升温的环境问题。 温室效应气体温室效应是由于温室气体急剧增加而引起的。温室效应气体主要有2、4、(氟里昂)和3(臭氧)等气体，大气中的温室效应气体在大气中的浓度()每年平均增长率(%)二氧化碳(2)3440000.4甲烷(4)16501.0一氧化二氮(2)3040.25三氯乙烷(3)3040.25臭氧(3)不定110.235.0120.45.0四氯化碳()0.1251.0一氧化碳()不定0.2具有温室效应的气体吸收地球红外辐射线的谱带范围为7000-18000,二氧化碳吸收辐射线的范围为12500-17000,透射到大气中的红外辐射约70-90%都是7000-13000范围内,所以二氧化碳对吸收红外辐射起了主要作用。其它具有温室效应的痕量气体也可吸收部分红外辐射。所以,地球今后的气候取决于大气中的二氧化碳浓度以及其它痕量气体浓度增加的程度。2.1二氧化碳大气中的二氧化碳在所有生物中都起着重要作用。动物和人类呼出二氧化碳,而植物却吸收二氧化碳,生物可以把碳转化成它们需要的碳水化合物。在过去年代中,大气中的二氧化碳浓度有了很大的变化。1750年时,全球大气中的二氧化碳浓度为280。自1958年以来,在美国夏威夷的昌纳罗亚气象站连续监测了大气中的二氧化碳浓度变化。结果表明:1950-1984年,大气中的二氧化碳浓度增加了23%,这主要是燃烧矿物燃料所致,大量的森林破坏也是造成二氧化碳上升的原因之一。1985年在奥地利的韦拉契召开的温室效应国际会议上,联合国环境规划署、世界气象组织和国际科学同盟提出的报告认为,到2050年,二氧化碳的年排放量可能为100-200亿吨。一个全球性碳循环的模型预测值大气中的二氧化碳浓度是367-531。即是说,到2050年,二氧化碳的排放量比工业革命前要增长1.4-4.0倍。许多权威人士一致认为:二氧化碳的成倍增加会造成严重的气候恶化,这种恶化也许能够被未来的人类社会所接受。2.2其他温室气体近30年来的分析结果表明,除二氧化碳外,还有甲烷、一氧化二氮、氟里昂及其它具有强烈温室效应的气体,都在与日俱僧,对未来的气候将产生重要的影响。从分子的角度看,这些气体对远红外辐射的吸收远比二氧化碳更强烈,但由于它们在大气中的浓度远小于二氧化碳,因此对气候的影响比二氧化碳小,这些气体合在一起的作用与二氧化碳的作用大致相等。3温室效应增强与气候变化预测今后气温的变化通常是利用计算机模型根据通过大气层的阳光与红外辐射来计算。计算机模型表明,如大气中二氧化碳浓度提高一倍,气温可能升高1.5-4.5。气温升高数量值虽小但影响很大。在以往一万年中,平均气温变化还不到2。这表明如二氧化碳浓度翻一番,气温至少上升1.5,这会超近代历史的气温变化范围。到2030年,如果大气中二氧化碳浓度增加1倍,即由344增高到680,其它温室气体在约相当140二氧化碳的作用。把所有这些温室效应气体引起的气温上升加在一起,据最近三个计算机模型计算表明气温将上升3.5-4.2。气温变暖在北半球的高纬度地区的冬天最为明显,南半球气温变暖主要发生在南极洲。有一个模型预报出,欧洲大部分地区和北美气温升高4,撒哈拉升高5,在纬度60地区内气温上升还要更多。各种计算机模型计算表明,气温升高后,降水量与土壤温度会起变化。在北纬30与南纬30之间的地区,总降水量会增加7-11%即赤道附近的年平均降水量增加,离赤道远的地区在某些年内降水量会减少。在北半球的中纬度地区,夏天的土壤会变得更加干燥。计算气温升高虽还有许多未知因素,但据最近以来对室温效应的研究指出,到2030年气温变暖是肯定的,变化最大范围在1-7,最有可能是1.5-4.5。 4 温室效应加剧对环境的影响与对策温室效应的加剧导致全球变暖,会对气候,生态及人类健康等诸多方面带来影响。41温室效应加剧对环境的影响(1)对沿海地区的影响气温变暖使海平面上升温室效应增强,海水将会由于海温升高而膨胀,促使海平面上升。据统计,近百年来随着全球气温增高大约0.8,全球海平面大约上升了10-15。综合考虑海水膨胀,南北极和高山冰雪融化的前提下,当全球增暖1.5-4.5时,海平面可能上升20-165;如取中位,当全球增暖3时,海平面可能上升80。对世界沿海城市及数十个小岛国构成严重威胁。海平面上升对沿海地区的影响世界上大约有1/3的人口生活在沿海海岸线60范围以内。沿海地区的经济大多比较发达,世界上的许多大城市也都位于沿海江河入海口的附近,如美国的纽约,日本的东京,我国的上海等等。江河入海口附近的三角洲平原大多是富饶的鱼米之乡,经济繁荣。如我国的长江三角洲平原,珠江三角洲平原等等。海平面上升时,沿海地区将会造成沿海低地被淹没,海滩和海崖遭受侵蚀、农田土地盐碱性恶化、海水倒灌与洪水加剧、港口设备和海岸建筑遭损坏、影响航运、沿海水产养殖业受害影响巨大、破坏大中城市的供排水系统等灾难性后果。(2)对农业和森林的影响种植业种植业的生产对象是植物。温室气体增多对植物的影响主要通过两个途径:一是大气中的二氧化碳含量增多对植物光合作用的影响;二是温室效应引起的气候变暖所带来的影响。()第一种影响二氧化碳是植物进行光合作用的基本原料,当大气中二氧化碳含量增高时,如果光、热、水、肥供给充分,可使大多数作物增产。二氧化碳增多对于世界粮食生产是有利的。()第二种影响气候增暖可能使作物的生长季节延长。据估计,夏季平均温度提高1,相当于生产季节延长10天,气温升高、生长季节延长的一个直接影响是使作物的分布区有可能的向北扩展。从世界上来说,所有农作物的种植区域都有向高纬度扩展的趋势。林业和牧业全球增暖对林业和牧业的影响是多方面的。()草木产量提高据估算,当二氧化碳浓度加倍时,北半球各纬度自然植被的产量都有一定幅度的提高大气中二氧化碳浓度加倍时,北半球各纬度带自然植被的产量提高幅度纬度带()0-1010-2020-3030-4040-5050-6060-7070-80产量提高幅度(%)74535193068130200()植被带北移由于气温升高。冷型温带森林或温带草原将代替目前的北方森林,而亚热带森林将由热带森林所代替。据加拿大估计,平均气温升高1,加拿大林线将北移100。随着气温的大幅度上升,现今北极地区的苔原有可能完全消失。海洋渔业海洋面积占地球表面的71%左右。海洋的生产能力十分巨大,在不破坏海洋生态平衡的情况下海洋每年可为人类提供20亿吨鱼类和贝类,而目前人类开发利用的还不足一亿吨。因此,海洋渔业有着广阔的发展前景。气候变暖对海洋渔业的影响主要体现在两个方面:一是影响鱼类的分布,即渔场的分布;二是影响渔业生产活动。(3)对健康与生态的影响对人体健康和物种的影响由于高温天气会使人体增加紧张情绪,而凉爽天气则使人感到轻松,全球气温变暖后,在高纬度国家里,常年高温会使某些疾病增多。虽然人类能适应气候的变化,但地球上有些物种可能受到气候变化的影响,不适应这种变化,从而使气候变化给某些物种增加了压力,导致物种的多样性的进一步减少。生态系统的改变随着气温升高,降水带移动,气候变化,将使森林所占土地的面积比例从现在的58%减少到47%,荒漠将由21%扩展到24%,草原将由18%增加到29%,苔原将由3%减少到零。荒漠扩展,意味着目前某些荒漠边缘地区将面临严重威胁。而永冻层的融化,苔原的消失,将给人类提供更多的可利用土地,这对人类社会来说则是有利的。从以上分析看出,在未来的30-40年间,全球气温因温室气体的大量排放而上升1.5-4.5。这将使水资源,农牧业,森林木材等受到影响;海平面上升后会淹没许多沿海城市,低地;气候变化会使某些地区变得干85燥,沙漠化加剧;有些地区降水量会增加,水土流失将加剧。因此,气候变化会给全球的社会稳定、经济发展、人口与物种分布带来很多影响,为此,采取有效措施对付气候变化势在必行4。2防止气候变暖的国际行动与对策二氧化碳促成的温室效应加剧是超越国境的全球性环境问题。全世界科学家们正在以前所未有的势头投身到这个问题的研究中去。1990年6月“政府间气候变化专家委员会”在总结报告中强调:防止气候变暖的关键是在全球范围内稳定进而削减二氧化碳等温室气体的排放。首先二氧化碳排放量应削减60%;此外,甲烷应削减15-20%,氟氯烃应削减70-80%。于是在1991年2月开始了联合国气候变化框架公约谈判,最后达成协议并一致通过。公约所规定的最终目标是:“将大气中温室气体的浓度稳定在防止气候系统受到危险的人为干扰的水平上”。联合国环境计划署1997年12月在日本京都又召开了有关全球温室效应会议,特别要求工业化发达国家将努力在2010年把二氧化碳的排放量减少到比1990年还少5.2个百分点的程度。因为从历史上看,工业革命以来200多年间,大气中二氧化碳等温室气体浓度增加了25%,主要是发达国家造成的。发达国家仅占世界人口的25%左右,但它们的能源消费占全球总消费量的75%左右,其排放的二氧化碳仍占世界总排放量的75%。美国人口虽只占全球人口的5%,他们却在消耗着全球30%以上的能源。因此应当由发达国家限制能源的消费和削减其温室气体的排放。限制二氧化碳的排放,实质上就是限制能源消费,其后果就是限制发展中国家的经济发展。但是如果在2010年地球上60多亿人口平均二氧化碳等温室气体排放量全部达到工业化国家1990的水准,那么,我们的地球的确是承受不了温室效应加剧所带来的非常严重的后果。发展中国经济发展是不能牺牲人类赖以生存的环境作代价的，二氧化碳的控制技术2.1生物技术利用自然界光合作用来吸收并贮藏二氧化碳,是控制二氧化碳最直接且副作用最少的方法。美国等一些对二氧化碳排放负有重大责任的发达国家就曾以大量植树为由要求放宽削减二氧化碳排放的指标。然而,地球上曾拥有的76亿hm2森林资源在人类的过度砍伐下仅存2.8亿hm2,而且正以每分钟20hm2的速度消失。在这种情况下,小范围的植树如同杯水车薪,难以逆转二氧化碳积累的趋势。然而生物吸收二氧化碳的方法并非末路穷途。研究发现海洋生物吸收二氧化碳的潜力很大。日本环保科学家已筛选出几种能在高浓度二氧化碳下繁殖的海藻并计划在太平洋海岸进行繁殖,以吸收附近工业区排出的二氧化碳。美国一些研究人员拟以加州巨藻为载体,在其上繁殖一种可吸收二氧化碳的钙质海藻,它吸收二氧化碳后形成碳酸钙沉入海底,腾出巨藻表面可供继续繁殖。这些探索如能成功,必将减轻因削减二氧化碳排放而对经济增长造成的压力,故具有很大的现实意义。2.2能源革新二氧化碳的排放很大程度上取决于为获得能量而进行的矿物燃料的燃烧,因此改革能源形式或能量来源成为减少二氧化碳排放的一个突破口,这也符合污染控制的原则,即从源头控制二氧化碳的生产。90年代以来出现了两种新技术:燃料脱碳与燃料电池。燃料脱碳是以含碳量较低的燃料(如石油和天然气)或无碳燃料(如氢气)取代含碳量高的燃料(如煤),使得每单位能耗量的平均二氧化碳排放量减少。早在80年代美国化工界提出的炭化物混合处理气化流程便能实现这一目的。煤炭、生物体等不清洁燃料与氢气一起反应生成甲烷、一氧化碳、氢以及固态焦炭等,再将甲烷高温分解成氢、一氧化碳及固态炭黑,然后氢与一氧化碳合成甲醇,未反应的氢与一氧化碳作为原料循环使用。1997年7月美国能源部(DOE)又推出一项新技术,将一个重整器或气化器与转移器组合起来便能把矿物燃料转化成氢气与二氧化碳的混合物,然后分离并处置二氧化碳。燃料电池是通过电化学氧化产生电力,即直接将化学能转化为电能,冲破了燃烧产热生成水蒸气再带动汽轮机发电的传统模式,因而燃料电池的效率不受卡诺定律限制,可达到40%60%(与之相比火力发电的效率仅有30%左右),大大地节约了初级能源,也避免了大量污染。燃料电池有多种类型,各有千秋并在航天、国防、交通等领域得到应用。其中质子交换膜燃料电池(PEM)在低温下运行可产生高密度电力且体积小,可用作驱动汽车的动力来源。目前福特和克莱斯勒汽车公司正开发用PEM驱动的汽车,德国的奔驰公司也与温哥华的Ballard动力系统公司合作开发用在交通工具上的燃料电池。燃料电池是以氢为燃料的,为了方便地输运和配给氢,波士顿东北大学研究人员正开发一种固态氢载体,使大量的氢在压力下储存在小容器内,解决氢的输配问题。据报道,他们已用石墨毫微米纤维获得成功,室温下一个碳原子能保持18个氢分子,超过目前储存介质储存氢能力的10倍。不仅如此,如把燃料脱碳与燃料电池合二为一,将形成一种全新的清洁能源体系。在这个体系中,矿物燃料和含碳的生物体被转化氢气和二氧化碳,前者通过燃料电池直接产生电和热,后者则被收集和处置,这样便能避免燃烧矿物燃料生产电能过程中排放大量二氧化碳。2.3大气污染控制技术近几年,大气污染控制在二氧化碳的捕集、处理及处置方面有了长足的发展。二氧化碳的捕集是整个控制体系的第一步。尽管目前已有化学吸收、膜分离、冷冻分级分离、分子筛吸附和浮石吸附等方法,但对于燃烧矿物燃料的热电厂而言,由于烟气量大,二氧化碳浓度低,烟气脱碳的代价昂贵。据估计,电力部门仅捕集二氧化碳的费用就使电力生产成本增加30%100%,更毋需说后继处置了,如此高的成本是电力部门难以承受的。此外,捕集二氧化碳过程中所消耗的能量也降低了一吨原材料能产生的电源,加速了能源耗竭。因此捕集技术已成为热电厂废气脱碳的控制步骤。富集的二氧化碳可以用于食品工业及生产碳酸钠外,还可用于生产清洁能源和化工产品。据日本东北电力公司宣称,二氧化碳与氢气按14比例在一定温度、压力下混合并以铑镁为触媒可生成甲烷。东芝公司也在实验室中以激光束或电子束激发,直接用燃烧后的废气与乙炔在不同比例下混合,生成甲醇与一氧化碳或甲烷、丙烷等其他化工产品。二氧化碳的处置尤其是地质处置正得到越来越多的关注与研究。目前常用的三种途径是将二氧化碳储存在废油、气井、地下含水层和海洋,据国际能源机构(IEA)预测它们储存二氧化碳的潜力依次为870亿、1250亿和2108亿t。而人类每年二氧化碳排放量仅60亿t(以碳计),由此可见地质储存潜力很大。将二氧化碳用于采油或气贮存在油、气井中,并非一项新技术。早在70年代能源危机时美国就曾利用二氧化碳溶于油可减少石油粘度的性质来强化采油,增加石油产量。挪威科学家甚至计划建一艘100万千瓦的大型发电船,以海底石油、天然气为原料,采用高效燃油气蒸汽组合循环发电并将燃烧排放的二氧化碳冷却、压缩后送入海底油汽田中。向地下含水层深井注入二氧化碳的方法与深井注射处置液态有害废物的方法相似。虽然注入的二氧化碳不会严重污染地下水,却会降低地下水的pH值,从而腐蚀岩石。此外,对于二氧化碳深井注入是否会造成地面的不稳定尚未定论。有人提出一旦注入二氧化碳的地区发生地震,二氧化碳可能大量喷出,在有人居住的地区特别是气体易于积累的谷地会置人于死地。虽然尚无此类事故发生,但1996年喀麦隆火山坑湖Nyos发生自然灾害时,大范围的二氧化碳释放夺去了1500余人的生命,并杀死方圆14km内所有动物,这使得上述猜测受到重视。二氧化碳的性质使之非常适于海洋处置。因为在水下500m深处水温10左右时,二氧化碳就能变成液态;在3000m以下,二氧化碳的密度便能大于海水并沉入海底,相当安全地保存起来。而且海洋储存二氧化碳的潜力很大,即使把人类排放的全部二氧化碳储入海中,海洋含碳量每年仅增加0.016%。于是科学家们考虑把二氧化碳以固态或液态形式直接埋入海中或海底。于是科学家们考虑把二氧化碳以固态或液态形式直接埋入海中或海底含水