温室效应原因陈佳琦,李亮,王孟,章艺2

1、原因根据物理学原理，自然界的任何物体都在向外辐射能量，一般物体热辐射的波长由该物 体的绝对温度决定。温度越高，热辐射的强度越大，短波所占的比重越大;温度越低，热辐 射的强度越低，长波所占的比例越大。太阳表面温度约为绝对温度6000K，热辐射的最强波 段为可见光部分；地球表面的温度约为288K，地表热辐射的最强波段位于红外区。太阳辐 射透过大气层到达地球表面后，被岩石土壤等吸收，地球表面温度上升；与此同时，地球表 面物质向大气发射出红外辐射。大气层中的二氧化碳和水蒸汽等气体允许绝大部分太阳辐射 透过并达到地面，使地球表面温度升高。同时，由于二氧化碳和水蒸汽分子可以产生分子偶 极矩改变的振动，故能

2、吸收太阳和地球表面发出的波长在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。同时，大气本身也向外辐射波长更长的长波辐射，其 中向下到达地面的部分称为逆辐射。地面接受逆辐射后就会升温，所以大气对地面起了保温 作用。这就是“大气的温室效应”。-14-另一种重要的温室气体CH4在过去的15000年中， 其浓度一直保持在500750ppbv，只是到了近一百年才出现大幅度的上升。CH4在大气中 的浓度变化从1750年的750ppbv增加到1998年的1745ppbv，即增加了 151%，平均每年以 大约1.1%的比率增长（IPCC,1996）。大气中的痕量气体N2O是一种公认的温室

3、气体。N2O 在大气中的存留时间长，并可以输送到平流层，同时，N2O也是导致臭氧层消耗的气体之 一。研究表明，自工业革命以来，大气中N2O的浓度急剧增加，从1750年的270 ppb增加 到1998年的314ppb，即增加了 17%，而且还以每年0.2%0.3%的速度增加22。有关研究结果表明，全球近百年来水蒸汽的浓度是增加的。大气中能够最有效地吸收地面辐 射的成分是水蒸汽。空气湿度增加时，大气吸收的地面辐射就增多；空气干燥时，大气吸收 的地面辐射就减少。另外，水蒸汽对温室效应的影响还要考虑其凝结（凝华）过程释放的巨 大潜热量。由大气层中二氧化碳、甲烷、臭氧和一氧化二氮温室气体浓度升高所导致的

4、总的 温室效应的增强量为2.43W/m2。而在这些温室气体所导致的温室效应增强之中，CO2的贡 献约占60%，即1.46 W/m2； CH4的贡献占20%，即0.48 W/m2； N2O的贡献是0.15 W/m 222。但这些数据只是根据温室气体的辐射吸收特性得来的结果，明显没有考虑水蒸汽凝 结释放的潜热对温室效应的影响，这样得出的数据不能正确地反映温室效应增强对气候变化 的影响。对于二氧化碳以外的其他温室气体，含量虽然不多，但它们的作用不可低估，有关 文献对此做了总结，具体特性如下24：含量增加快。大气中甲烷浓度每年递增约12%， 一氧化二氮平均每年递增0.51%，CFBS为5.76%，它们

5、都超过了二氧化碳的增长率 存留时间长。二氧化碳在空气中存留只有几十年的时间，一氧化二氮在大空气中存留的时间 可达170年，而碳氯化合物的存留时间却可长达5万年之久。所以即使微量气体的排放量不 变，其浓度也会因逐年积累而不断提高。华北电力大学硕士学位论文-15-吸热能力强。温 室气体的重要性不在于它们的浓度，而是取决于它们吸收红外辐射的温度。因此，尽管有些 温室气体的浓度与二氧化碳相比很低，但它们却具有很强的温室效应，必需引起足够的重视。 例如，单位甲烷的吸热量是二氧化碳的21倍，一氧化氮是二氧化碳的270倍。通过对资料 的分析发现，几乎所有的文献都只是从温室气体的物理特性方面分析它们对温室效应

6、的贡 献，没有更深入地考虑过水蒸汽对温室效应的影响，这些文献的理由是水蒸汽含量不稳定且 地区间分布不平衡，不易被人们测量和控制25。但是，水蒸汽对温室效应的贡献可能并不 主要取决于其浓度的多少，而且，这种理由并没有考虑水蒸汽凝结（凝华）释放的大量潜热 对气候变化的影响。2.2对二氧化碳浓度增加与全球气候变暖关系的质疑2.2.1目前关于全球气候变暖原因的一些主要观点大气中温室气体含量的增加将会减少地面红外辐射放射到太空，地球的气候系统因此需要调 整以使吸收和释放辐射的份额达到新的平衡，这个调整主要是地球表面及大气低层的变暖。“当二氧化碳含量升高时，会增强大气对太阳光中红外线辐射的吸收，阻止地球表

7、面的热量 向外散发，从而使地球表面的平均气温上升。”(上海教育出版社2001年版初中义务教育教 材化学上册第37页)，这是目前关于全球气候变暖原因的主流观点，这种观点认为人为因素 是造成全球气候变暖的主要原因。除此之外，关于全球气候变暖的原因还有一些别的观点。 其中一种观点认为目前全球温度升高是由于太阳射线能量的长期变化造成的22。宇宙射线 随太阳周期发生变化，并与太阳风相互作用，太阳风直接影响地球上空云层的形成，从而对 气候产生影响。另一种观点则认为，在各种时间尺度上，由于其它更多原因引起了气候变化， 改变了地球表层系统中碳在各种源与汇之间的交换传输方向和通量的大小，造成了大气中含 碳气体随

8、着温度的上升而增加，大气中二氧化碳浓度变化似乎是一种正反馈的效应，而不是 气候变化的动力26。还有观点认为化石燃料燃烧释放二氧化碳会使对流层增温，但是它对 于全球增温的贡献也许并没有想象的那样大，影响气候变化的主要因素还是太阳辐射、火山 喷发和ENSO等自然因素27。2.2.2对“二氧化碳浓度增加是全球气候变暖主要原因”的一些质疑20世纪的气温在波动中 上升，这一事实是同期稳定上升的温室气体含量变化不能完全解释的28，而且目前的任何 检测研究尚不能说明，仪器观测到的近百年来大华北电力大学硕士学位论文16-气中温室气 体浓度的增加与全球气候变暖两个现象之间存在因果联系29。因此，越来越多的学者认

9、为 自然因子的作用不可忽视，温室气体只能对升温起加剧作用，太阳活动等自然因素的变化才 是气候变化的主要原因。下面本文从几个不同的方面对“二氧化碳浓度增加是全球气候变暖 主要原因”这一主流观点进行批判性的分析。地球气候变化具有多重时间尺度的特性，而现有的温度观测记录最长不超过1个半世纪， 根据这个序列可以看到现代气候变暖，但是仅仅从这个序列本身却无法判断气候变暖是19 世纪中后期寒冷气候的回暖，还是超出了自然气候变率的范围。根据南极俄罗斯东方站附近挖出来的深3300米的冰核上的一条记录，使我们可以考察过 去42万年之内的温度变化(Petit etal.1999)。根据该记录，地球一共有四个高温期

10、，其中距今 33万年附近和13万年附近的两个高温期的平均气温都明显高于近一万年来高温期的平均气 温。根据该记录尚不能清楚地建立原因一一影响之间的关系，但是计算表明，温室气体浓度 的变化在导致过去气候变化的所有原因中是最不重要的一部分(IPCC,1990)。如果二氧化碳等温室气体对长波的吸收特性是气候变暖的主要原因，则由此造成大气增暖 理应与太阳的短波辐射无关，即白天和夜晚的增温幅度理应相同，但事实是夜间的增温幅度 总是高于白天。根据IPCC第3次评估报告，自从20世纪50年代以来，全天最高和最低气 温测量已覆盖50%以上的全球陆地面积，这些数据显示平均日平均最低气温的增温速率是 最高气温的两倍

11、，全天温度范围减小0.8 C。根据文献2,对全球2000个观测站不足40年 的观测资料所进行的分析，夜间与白天的增温幅度分别为0.84K和0.28K，这意味着几乎所 有地面探测的增温都是由于夜间增温的缘故。对这一现象，人们尝试着用云及云的覆盖进行 解释，但所阐述的理由缺乏说服力。夜间的增温也不能简单地归因于城市热岛效应，因为即 使在没被开发且人口不足10000人的乡村也会有这种趋势。迄今为止，对此现象还没有令人 信服的解释，也未得到应有的关注。科学家们通过对更长时间内的气候变化进行的研究发现，温度变化记录与大气中二氧化碳 含量变化并不完全一致3。尽管大气中二氧化碳的含量仍在不断增加，但这种趋势

12、却被寒 冷期中断了三次(最近的一次寒冷期在20世纪60年代末70年代初)。例如，从19世纪末 到20世纪初，全球气温的变暖并不是持续的，其中从20世纪40年代到70年代气温约下降 0.05 r；然而这段时间正是第一次世界大战及战后恢复时期，大气中二氧化碳浓度迅速增加， 显然这时期气温变化的特征与温室效应的加剧是背道而驰的。另外，从我国有较准确的气象 资料记录显示，自唐朝至今的一千多年中，我国气温经历了高温低温-高温的变化过程，其 最大温差达3C,而近些年来高温天气与上世纪的低温时期相比，其温差未超过1C。最后 盛冰期向全新世过渡期期间，温度迅速升高，同时二氧化碳也增加了 40%，在大气中的体

13、积分数从1.89X10-4增加到了 2.65X10-4。但是，二氧化碳的变化要落后华北电力大学硕士 学位论文-17-于温度的变化，落后约800年30。这可能意味着二氧化碳不一定就是气候变 化的绝对驱动因子，而温度的变化则可能是二氧化碳变化的原因。Fiseher31等研究了最近 三次大冰期结束时的情况，发现大冰期结束后全球温度的上升同样是超前二氧化碳的增加。 与此相类似，冰期开始时，二氧化碳的减少也落后温度的下降数千年32。卫星观测、探空气球和地面观测结果存在明显差别的事实，己经引起人们的极大关注。由 于对流层通常被看作充分混合的气层，那么整个气层中从低空到高空的温度变化应该有很好 的一致性，但

14、事实却不完全是这样的。从1979年1月开始，NOAA卫星搭载的微波探测仪 (MSU)可以精确地遥感对流层低层(10008000m)的大气温度，精度可以达到0.01 C，而且 可以完整覆盖整个地球。MSU探测的全球对流层底层平均气温从1979年到1999年期间的 线性趋势只有+0.06C/a，几乎没有变暖的趋势。这就是说，最近几十年全球气温的变暖并非 如以前认为的那样整个对流层都迅速升温，而是只出现在近地面非常薄的一层大气中。这对 主流观点关于全球变暖原因的论断提出了质疑。因为如果升温是由于二氧化碳等温室气体的 增温效应，大气层本身的增温应该比地球表面增温快。温室效应是全球性的，既然已经观测到温

15、室气体的变化，并且显示其浓度有持续增长的趋 势，那么变暖也应当是全球性的。然而，世界上有许多地方，如南半球、海洋、热带低纬度 地区以及类似美国怀俄明州那样像被隔离的地区，并未出现可以识别的温度变化，有些地区 的气温不但没有增加反而呈下降趋势，例如中国的东北、新疆西部和山东半岛变暖，而青藏 高原以北及以东的大部分地区都变冷。这种现象是无法用二氧化碳浓度增加来解释的。温室效应是自然界的一种辐射效应，基于温室气体浓度变化的辐射平衡应当对那些辐射最 强、持续时间最长的地区产生较大的影响，这种地方理应是热带地区，而不是温带或者北极； 然而观测资料却表明，温带与北极的气候变暖最为明显。显然这表明还有二氧化

16、碳等温室气 体以外的因子在起作用。如果真的是由于二氧化碳过量排放导致全球温度升高，则同时也会导致云量增加，那么这 种增温很容易因到达地球表面阳光量的减少而抵消，云量只要增加2%就能抵消大气中二氧 化碳增加一倍所产生的增温效果33。位于瑞士世界辐射中心的科学家拉尔夫菲利普纳领导的研究小组通过分析近些年的欧洲 气象观测数据，得出的研究成果表明近些年欧洲快速的增温现象与湿度变化有明显的正比关 系。事实上，气候变化是一个极其复杂的系统过程，它甚至与整个宇宙的环境都有密切关系， 并不是二氧化碳能单独左右的。科学家们研究气候变化和银河系宇宙射线的关系后发现，宇 宙射线也会使地球降温。它能产生离子使空气中的水滴聚集成云团，最终将降低地球上的温 度。两位来自德国和以色列的科学家通过研究海底化石中氧的同位素，计算出地球表面温度 的变化，之后他们又用宇宙射线活动的变化华北电力大学硕士学位论文与此同位素作对比， 又通过观察宇宙射线怎样作用于陨星中的铁的同位素最终做出测定。结论表明，气候波动在 过去的5亿5千万年间更和宇宙射线有关，而非和二氧化碳有关1822年法国数学家傅里叶首次把大气层比作“温室”，1827年指出了大气中温室气体的增暖 效应以