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应对全球气候变化 (之一)
发布日期:2015-03-11 来源:中国科学院老科协生态环境分会 作者:殷兴军 浏览次数: 字号:【

  一、序言

  科学家称地球面对的最大挑战是全球性气候变化。 以全球性气候变暖为主要特征的生态危机,正成为21世纪人类共同面临的严峻挑战。

  1979年在瑞士日内瓦召开的第一次世界气候大会上,科学家曾警告说,大气中二氧化碳浓度增加将导致地球升温。于是,国际社会为应对气候变化问题采取了一系列措施,包括1988年成立联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC),专门负责评估气候变化状况及其影响等内容(中国网 2011.11.18)。

  1990年,IPCC首次发布评估报告,认为人为温室气体排放将导致气候变化。1991年,联合国就制定《气候变化框架公约》开始了多边国际谈判。

  近几年,全球对碳排放有关问题的讨论越来越热烈。2009年在哥本哈根召开了气候大会,为拯救地球注下强心剂,2011年12月在南非德班又召开了联合国气候大会,这次大会决定实施《京都议定书》第二承诺期并启动绿色气候基金。2014年在秘鲁首都利马又召开了气候大会。超过190个国家参加的《联合国气候变化框架公约》第20次缔约方大会暨《京都议定书》第10次缔约方大会,为2015年应对气候变化全球协议制定了基本框架。

  上述这些会议都是以减排CO2为议题讨论、争论,为达到共识而努力。

  为什么全世界各国高层人物对碳排放如此重视呢?这是因为碳排放,确切地说,这里指的是CO2等的含碳的天然化石燃料燃烧排放的具有温室效应的有害气体已经给地球造成了恶劣的环境和气候变化以至于威胁到人类的生存了。而CO2的排放是产生温室效应中数量最大,最主要的温室气体。事实上,近地层大气有着自然的温室效应,而人类利用化石燃料、化肥和制冷剂等的生产活动,大量排放温室气体以至于超过了自然的温室效应,其结果就是产生了本文称之为超越自然的温室效应(简称超自然温室效应)的结果。

  二、温室气体和温室效应[2新华网 2008年3月20日]

  1. 温室气体(greenhouse gas)

  温室气体有两类:一类是能在对流层均匀混合的如CO2、CH4 、N2O和CFCs 等。

  另一类是在对流层不能均匀混合的如O3 、nMHCs(非甲烷总碳氢化合物(non-methane hydrocarbon,C2-C8)。造成混合状态不同的原因是因为这些温室气体在大气中的寿命有差异,也就是说,在大气中的平均存留时间不同。寿命长的,容易混合的温室气体,在地球对流层任意流动,其温室效应具有全球特征。而寿命短的不容易混合的温室气体其温室效应只在局地上空停留,具有区域性特征。CO2可在对流层任意流动,寿命长,不易分解,具有累积效应。因而,具有全球年度特征且排放量约占温室气体总量的75%,远大于其他温室气体的排放量。具有温室效应的气体中,二氧化碳约占75%、氯氟代烷约占15%~20%,此外还有HCl、CO、CH4、CCl4、NO、N2O、O3和CFCs(CFC-11、CFC-12)等30多种。就大气中的浓度而言,它们远低于H2O和CO2 。但是,H2O分子吸收红外线的波长是700—850nm 和 1100—1400nm,且微弱,而CO2分子吸收红外线的波长是1200—1630nm,且十分强烈。这个波段的红外光线也能被CH4、N2O和CFCs 强烈吸收。真正具有温室效应的气体主要是CO2、CH4、N2O和CFCs 。但尽管N2O和CFCs 的温室效应比CO2 强很多,但是CO2的排放量远大于其他温室气体的排放量,所以对温室效应的贡献CO2最大。这就是为什么人类对减少碳排放,即CO2 排放如此重视的原因了。 

  2. 温室效应(Greenhouse effect)

  温室效应又称“花房效应”。从理论上说,它实质上是一个地球热平衡问题。

  自然界发生的温室效应(简称自然温室效应)是有利于全球生态系统的,并使地球充满生机。也正是因为自然温室效应才使地球表面的年平均温度维持在特别适合地球生命延续的150C左右。假如没有自然温室效应,那么地球表面年平均温度将是-180C左右,使现有的大多数生物不复存在。因此,自然温室效应有效地保存了地球表面吸收来自太阳的能量,使地球表面维持正常的温暖和生机。

  事实上,达到维持地球的正常温暖和生机的热平衡是因为对冲了一些其他“制冷效应”机制才保持了地球充满生机的热量平衡的自然温室效应。

  什么是制冷效应?

  “制冷效应” 包括“冰室效应”和“阳伞效应”。

  在大气平流层中,O3拦截了绝大多数太阳的高能紫外线,使地球表面有效地降低了升温,此称之为“冰室效应”;大气对流层中的颗粒物(PM100以下)反射和散射了太阳光以阻碍太阳光到达地面而使地球降低了升温,这称之为“阳伞效应”。现在人们关注的PM2.5 就属于阳伞效应之一(PM2.5问题另议)。

  因此,自然温室效应是因为冰室效应及阳伞效应的作用才使地球达到一种平衡的有利于全球生态系统充满生机的自然温室效应。

  历史上,1550—1880年有过延续330年的“小冰期”就是因为在那个时期,地球上频繁的火山喷发出的大量颗粒物在大气中弥漫,阻碍地球接受太阳光而造成的小冰期。可见,颗粒物能减少温室效应,这就是阳伞效应的作用。

  自然的温室效应如下图

  

  自然温室效应简略图

   

  超自然温室效应

  大气中氮和氧所占的比例是最高的,能使太阳光辐射透过大气射入地面。由于对流层与对流层外界缺乏热交换而形成了对流层内的保温效应。但CO2不行,它不能透过红外辐射。当太阳光使地面增暖后,地面放出的长波辐射却被大气中的CO2等温室气体所吸收,因此,CO2起了阻止地表热量辐射到太空中的途径,具有调节地球气温的功能。但是,二氧化碳在空气中含量过高,就像一层厚厚的玻璃,使地球变成了一个大暖房,阻止由于地表的红外辐射使温度逐渐升高而不能释放出对流层外,这样就使对流层的大气温度增高,大气中的CO2从而产生了超越自然温室效应的变暖现象,形成了超自然温室效应,又称“花房效应”。因其作用类似于栽培农作物的温室,故名温室效应。 

3. 二氧化碳的热化学作用

  研究证明,当H2O和CO2分子吸收红外线时,分子内部产生量子转换,使红外辐射线被H2O和CO2分子吸收。 红外辐射是电磁波,物质分子吸收红外光后,分子内部电场发生改变,即分子之间的电偶极距发生变化。而H2O和CO2分子具有不对称的电偶极距,故H2O和CO2分子吸收红外线导致内部电场发生变化而具有热作用。而N2和O2 等单一原子组成的分子,虽然部分能接受红外光辐射,但分子内部不发生原子间的能量转换,只能发生分子颤动,因其分子是对称的,不会导致内部电场的变化,不吸收红外线,当然也就没有热作用了。

 4.  大气中增加温室气体的原因

  总的说,人类活动燃烧化石燃料产生的二氧化碳,远远超越了自然温室效应的水平以及由于乱砍乱伐森林,大量农田建成城市和工厂,破坏了植被,减少了绿色植物的光合作用,减少了二氧化碳转化为氧气及有机碳化合物的汇,再加上地表水域逐渐缩小,降水量大大降低,减少了洗刷、吸收溶解二氧化碳的条件,破坏了二氧化碳生成与转化(光合作用)的动态平衡,使大气中的二氧化碳含量逐年增加。

  自1750年以来,大气中CO2的浓度增加了31%,目前大气中CO2的浓度是过去42万年内最高的。人为排放的CO2占3/4 ,都是化石燃料燃烧的结果。其余的1/4是来自土地利用变化造成毁林开荒,减少了绿色植物对CO2的吸收造成的。在最近的过去20多年里,CO2的增长幅度为1.55ppm/a。

  CH4增长很快,1975年以来增长了1060ppbv,  目前大气中CH4浓度是42万年以来的最高值,约有50%以上是燃烧化石燃料排放所致,其余来自家蓄饲养、水稻种植、垃圾填埋等。

  N2O,1750年以来增加了46ppb,目前浓度是过去1000年中最高的。约增加的1/3是来自人为排放。其余来自农业土壤、家蓄饲养和化学工业。

  CFCs主要是破坏臭氧层。原来大气中并不存在,现有的完全是使用氟利昂制冷剂人为排放的。从1995年开始执行蒙特利尔议定书以来,全球大气中CFCs开始缓慢下降。但是它的替代物哈龙类物质的浓度开始上升。哈龙类物质的化学稳定性虽比CFCs强,但也能够光解破坏臭氧层使太阳辐射的短波紫外线穿透大气层达到地面降低了臭氧层的冰室效应而破坏地球的生态环境。

5.温室效应的形成

  对温室效应,我们可以用人们熟知的种菜、水果、花卉等的大棚做比喻。大棚一般由透明塑料、玻璃作为太阳光的透过材质,这大棚隔开了外界空气而形成一个相对封闭的室内空间,以保持花草、蔬菜和水果需要的生长温度。大多数来自太阳的相对波长较短的辐射线能够透过塑料和玻璃,照射到温室内的花草、蔬菜和水果上并被它们吸收。而吸收的太阳辐射转换成能够致热的长波辐射,从低处向上部反射。但是玻璃或透明塑料只能允许短波通过,长波是通不过去的,于是,温室内的致热长波辐射被“禁闭”在里面,导致温室内的温度要比外界高。这就形成了“温室效应”。

  那么,地球周围被大气(对流层、平流层、平流层顶部是臭氧层)包围着,就像个椭圆形的温室。

  大气中的水分子吸收700—850nm 和 1100—1400 nm的红外线波长引起的温室效应,称之为自然发生的温室效应。这种温室效应并不影响地球的生态环境和人类的正常生存。但是,由于人类活动而大量向空气中排放以CO2为代表的温室气体时,这些温室气体就会阻止地球产生的热量向高空散失,超越了自然发生的温室效应,形成人为的温室效应, 

  太阳的各种波长的辐射,一部分(约50%)在达到地面之前被大气反射回外空间,或被大气吸收后再次反射回外空间。另一部分(约50%)直接到达地面,或通过大气散射到达地面。达到地面的辐射有少量紫外线、大量可见光和长波长的红外光。

  达到地面的太阳辐射在被地面吸收后,除地表存留一部分用于维持地表生态系统热量需要外,其余的最终都以长波辐射形式返回外层空间而维持地球的正常热平衡。

  总的说,人类活动燃烧化石燃料产生的二氧化碳,远远超越了自然温室效应的水平以及由于乱砍乱伐森林,大量农田建成城市和工厂,破坏了植被,减少了绿色植物的光合作用,减少了二氧化碳转化为氧气及有机碳化合物的汇,再加上地表水域逐渐缩小,降水量大大降低,减少了洗刷、吸收溶解二氧化碳的条件,破坏了二氧化碳生成与转化(光合作用)的动态平衡,使大气中的二氧化碳含量逐年增加。

   自1750年以来,大气中CO2的浓度增加了31%,目前大气中CO2的浓度是过去42万年内最高的。人为排放的CO2占3/4 ,都是化石燃料燃烧的结果。其余的1/4是来自土地利用变化造成毁林开荒,减少了绿色植物对CO2的吸收造成的。在最近的过去20多年里,CO2的增长幅度为1.55ppm/a。

   CH4增长很快,1975年以来增长了1060ppbv,  目前大气中CH4浓度是42万年以来的最高值,约有50%以上是燃烧化石燃料排放所致,其余的来自家畜饲养、水稻种植、垃圾填埋等。

  N2O,1750年以来增加了46ppb,目前浓度是过去1000年中最高的。约增加的1/3是来自人为排放。其余来自农业土壤、家畜饲养和化学工业。

  CFCs主要是破坏臭氧层(产生臭氧空洞)。原来大气中并不存在CFCs,现有的完全是使用氟利昂制冷剂人为排放的。从1995年开始执行蒙特利尔议定书以来,全球大气中CFCs开始缓慢下降。但是它的替代物,哈龙类物质的浓度开始上升。哈龙类物质的化学稳定性虽比CFCs强,但也能够光解破坏臭氧层使太阳辐射的短波紫外线穿透大气层达到地面降低了臭氧层的冰室效应而破坏地球的生态环境。

   那么,地球周围被大气(对流层、平流层、平流层顶部是臭氧层)包围着,就像个椭圆形的温室。由于人类活动而大量向空气中排放以CO2为代表的温室气体时,这些温室气体就会阻止地球产生的热量向外层空间散失,超越了自然发生的温室效应,形成人为的温室效应,即超自然温室效应。

   因CO2不能透过红外辐射,当太阳光使地面增暖后,地面放出的长波辐射却被大气中的CO2等温室气体所吸收,因此,CO2等温室气体起了阻止地表热量辐射到太空中的途径。当CO2在空气中含量过高,就像一层厚厚的玻璃,使地球变成了一个大暖房,阻止由于地表的红外辐射而不能释放出对流层外而使地球近地层温度逐渐升高,这样就使对流层的大气温度增高而产生了超越自然温室效应的变暖现象,这就是超自然温室效应的形成。因其作用类似于栽培农作物的温室,故名温室效应。 

   现在人们说的温室效应就是指超自然温室效应而言的。

   目前世界上最关注的是控制碳排放,即CO2的排放量。

  结语

   本文简单描述了温室气体、温室效应及其产生的原因和机制。说明了CO2是产生温室效应最主要的温室气体及其热化学原理。减少或节约使用化石燃料、提高化石燃料的燃烧效率、大力提倡使用清洁能源、尽早在全国建立碳交易市场等是减轻超自然温室效应的措施。

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