温室气体与温室效应

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1、1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

2、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

3、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(H 2O)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(CO 2)二氧化碳在大气中大约占 26%；23、臭氧(O 3)；4、甲烷(CH 4)；5、氧化亚氮(又称笑气,N 2O)；6、氢氟氯碳化物。它包

4、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(CO 2)、甲烷(CH 4)、氧化亚氮(N 2O)、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

5、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

6、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，N 2，O 2 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：3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

7、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，

8、可4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，CO 2,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

9、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

10、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5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

11、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

12、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

13、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6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A

14、1B、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

15、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7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” 。

16、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