维恩位移定律与温室效应.doc

维恩位移定律与温室效应2006年第21卷第2期(总第75期)电力JOURNALOFELECTRICPOWERVo1.21No.22006(Sum.75)文章编号:10056548(2006)02013702维恩位移定律与温室效应刘明福,姚翠兰2(1.山西大学工程学院,山西太原030013;2.山西电力职业技术学院,山西太原030021)WienSDisplacementLawandGreenhouseEffectLIUMing-fuI.YA0Cui一1an2(1.EngineeringCollegeofShanxiUniversity,Taiyuan030013,China;2.ShanxiVocationalTechnicalCollegeofElectricPower,Taiyuan030021,China)摘要:阐述了温室效应不断增强的原因及危害,建立了温室效应的热量传递模型,明确了温室效应的机理,指出了控制温室效应增强的根本途径,并介绍了目前所采取的一些相应措施.关键词:温室效应;维恩位移定律;热辐射;热阻中图分类号:TK124X16文献标识码:AAbstract:Thispaperillustratesthecausewhygreenhouseeffectiscoutinuouslyincreasing.Agreenhouseeffectmodelwasformedwhichdemonstratesthewayheatistransmittedandmakesclearthemechanismofgreenhouseeffect.Itpointsoutthefundamentalraoachtoholddowsttheboostingtendencyofgreenhouseeffectandintroducessomecorrespondingmeasuresbeingtakenpresently.KeyWords:greenhouseeffect;wienSdisplacementlaw;heatradiation;thermalresistance在生态平衡下,大气组分的气体物质浓度能通过自然循环,平衡协调,相对保持稳定.但自工业革命以来,因人类的过度发展,人口急剧增加,工业迅猛发展,煤炭,石油,天然气燃烧产生的二氧化碳等温室气体逐年增加,远远超过了以往的水平;同时,植被的破坏,减少了将二氧化碳等温室气体通过植物的光合作用转化为有机物的能力;再加上降水量大大降低,减少了降水吸收溶解二氧化碳等温室气体的能力.以上原因破坏了二氧化碳等温室气体生成与转化的动态平衡,使大气中的温室气体含量逐年增加,导致温室效应越来越强,地表温度越来越高,地球上的病虫害增加,海平面上升,气候反常,海洋风暴增多,土地干旱,沙漠化面积增大,这样发展下去,势必危及生命支持系统,造成严重后果.科学家预测:若地球表面温度的升高按目前速度发展,到2050年全球温度将上升24,南北极地冰山将大幅度融化,导致海平面大幅上升,一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中,其中包括纽约,上海,东京和悉尼几个着名的国际大城市.1地球与太阳,太空之间的热量传递模型温室效应原指温室利用温室玻璃的传热特性使温室的温度维持在高于周围环境温度的现象,出现温室效应这一现象的关键在于温室玻璃对温室热量传递过程所产生的热阻作用.温室与太阳及周围环境间的热量传递过程可简化为如图1所示的稳定热量传递过程的模型.辐射热阻散熟阻图1温室效应的热传递模型在温室的稳定热量传递过程中,太阳以热辐射的方式传递给温室的辐射热流量等于温室对周围环境的散热热流量.在热流量,太阳温度,环境温收稿日期:20051220修回日期:2006一O1一o6作者简介:刘明福(1956一),男,山西岚县人,讲师,传热学及热物理;姚翠兰(1963一),女,山西大同人,高级讲师,热能动力.138电力2006年度一定的条件下,温室的温度取决于太阳与温室间的辐射热阻和温室与环境间的散热热阻.与串联电路的电位与电阻之间的关系相似,在这个模型中的辐射热阻越小,散热热阻越大,温室的温度与环境温度之间差距越大.温室的这2个热量传递环节,均是通过玻璃实现的,而玻璃对于太阳辐射的热阻较小;对于温室与环境间的散热阻力却较大.从而导致温室可维持较高的温度.地球在接受太阳辐射的同时,也不断向太空发射辐射能.若忽略地球表面因各种原因所产生的热量,则地球与太阳以及太空之间的热量传递过程可简化为类似于温室的热量传递模型.太空的温度可认为是0K.同理,地球表面的温度就取决于太阳与地球间的辐射热阻和地球与太空间的辐射热阻.地面上空的大气层所起的作用与温室玻璃相似,它允许太阳辐射顺利到达地面,但阻碍地面向太空辐射散热.这就使地球表面的平均温度远远高于太空的0K.目前常说的温室效应即指这种由于大气层对于太阳辐射的热阻较小而对于地球散热的热阻较大,导致地球表面温度较高的现象.2太阳与地球热辐射的光谱特性温室气体对太阳辐射阻力小,对地表辐射阻力大的机理需结合维恩位(Wien)移定律来分析.该定律指出:对应于最大光谱辐射力的波长与温度丁之间存在如下关系:T=2.876103tan?K.维恩位移定律表明,温度越高,最大光谱辐射力的波长越短.如图2所示,由于太阳表面温度较高(约5800K),所以太阳辐射的能量主要分布在波长较短的可见光区和红外线区.可见光区的辐射能占太阳辐射总量的50%,红外线区的辐射能占43%.在0.48tan的波长下,太阳辐射中的光谱辐射力达到最大值.而地球表面的温度较低(平均温度约为288K),所以地球表面辐射的能量主要分布在波长较长的红外线区.3温室气体的辐射换热特性大气层中,阻碍地球表面向太空辐射散热的气体被称为温室气体.温室气体主要是二氧化碳cch(约占75%).此外,还有水蒸汽,甲烷,氮氧化合物,氯氟烃,臭氧等30多种气体.大气层中的其它气体呈现为透明体,不参与地球的辐射换热.温室气体的吸收和辐射对波长所具有的选择性决定了它对不同辐射的热阻不同.所谓对波长的选择性是指对于不同波长的辐射具有不同的吸收和辐射特性.温室气体对短波辐射呈现透明体属性,既不吸收也不辐射;但对于长波辐射具有明显的吸收和辐射特性.太阳辐射到地面的辐射波长较短,所以温室气体对太阳辐射没有什么阻力;地面辐射波长较长,从而温室气体对地表向太空的辐射散热呈现出较大的阻力.温室气体对地面辐射散热的热阻大小决定着温室效应的强弱,它主要取决于温室气体的浓度和厚度.火星的大气层非常薄,所以它的温室效应弱,其地表温度较低(0以下).而金星的大气层很厚,温室效应强,它的温度较高(可融化铅).因有温室效应,地球表面平均温度维持在约15,所以适宜生命的存在.幕彳创业辎图2太阳辐射光谱4控制温室效应增强的根本途径综上所述,欲维持地球适宜于生命存在的温度,就必须控制温室效应的增强.其根本途径是控制大气中二氧化碳等温室气体的含量增加.因此,一方面要控制温室气体的排放,控制人口增长,科学使用燃料;另一方面要增强温室气体的转化,加强植树造林,绿化大地.就全球面言,二氧化碳浓度正在以每年1.5%的速度增长,控制,减少二氧化碳等温室气体排放的政策法规和国际公约的出