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1、第1讲 温室气体排放 和大气温室气体浓度的变化,资源与环境学院 魏秀国,目录,温室气体的排放与排放情景 碳循环与大气温室气体浓度的变化 海洋和陆地的碳收支,何谓温室效应,大气温室效应是指大气物质对近地气层的增温作用。随着大气中CO2等增温物质的增多，使得能够更多地阻挡地面和近地气层向宇宙空间的长波辐射能量支出，从而使地球气候变暖。其可能的积极作用是使部分干旱区雨量增多，高纬度农业区热量状况改差，但更主要的是负面影晌，就是便热带和温带的旱、涝灾害发生频繁，以及冰山熔化，海平面上升，沿海三角洲被淹没。,温室的特点：,温度较室外高，不散热。 生活中我们可以见到的玻璃育花房和蔬菜大棚就是典型的温室。使
2、用玻璃或透明塑料薄膜来做温室，是让太阳光能够直接照射进温室，加热室内空气，而玻璃或透明塑料薄膜又可以不让室内的热空气向外散发，使室内的温度保持高于外界的状态，以提供有利于植物快速生长的条件。,温室气体种类和作用,温室效应逐渐增强,全球变暖的证据: 气象观测证据 冰芯记录 树木年轮学证据 遥感证据,温室效应的影响,若是温室效应气体浓度不断增加，则将使地表温度增加，进而导致气候的变化，其影响包括： 北半球冬季将缩短，并更冷更湿，而夏季则变长且更干更热，亚热带地区则将更干，而热带地区则更湿。 由于气温增高水汽蒸发加速。全球雨量每年将减少，各地区降水型态将会改变。 改变植物、农作物之分布及生长力，并加
3、快生长速度，造成土壤贫瘠，作物生长终将受限制，且间接破坏生态环境，改变生态平衡。 海洋变暖、海平面将于2100年上升 1595公分，导致低洼地区海水倒灌，全世界三分之一居住于海岸边缘的人口将遭受威胁。 改变地区资源分布，导致粮食、水源、渔获量等的供应不平衡，引发国际间之经济、社会问题。,排放温室气体的人类活动（一） 化石能源燃烧活动 （二氧化碳等） 化石能源开采过程中的排放和泄漏 （二氧化碳和甲烷） 部分工业生产 过程(如水泥生产) （二氧化碳）,排放温室气体的人类活动（二） 农业(如水稻) （甲烷） 畜牧业(如牛等反刍动物消化) （甲烷） 废弃物处理 （甲烷和二氧化碳） 土地利用变化减少对二
4、氧化碳的吸收（如森 林砍伐）,排放情景,排放情景是指为了制作未来全球和区域气候变化的预测，根据一系列驱动因子（包括人口增长、经济发展、技术进步、环境条件、全球化、公平原则等）的假设得出的未来温室气体和硫化物气溶胶排放的情况。 早期的模式预测并没有特定的排放情景，主要进行的是CO2加倍平衡试验（IPCC，1990）。此后先后发展了两套温室气体和气溶胶排放情景，即IS92和SRES。,IS92排放情景于1992年提出（IPCC，1992），主要用于SAR中气候模式的预测。IS92包含了六种不同的排放情景（IS92a到IS92f），分别代表未来世界不同的社会、经济和环境条件。 SRES排放情景于20
5、00年提（IPCC 2001），主要用于替代IS92用于TAR的气候预测。SRES排放情景主要由四个框架组成：,A1框架和情景系列,描述的是一个经济快速增长，全球人口峰值出现在21世纪中叶、随后开始减少，新的和更高效的技术迅速出现的未来世界。其基本内容是强调地区间的趋同发展、能力建设、不断增强的文化和社会的相互作用、地区间人均收入差距的持续减少。A1情景系列划分为3个群组，分别描述了能源系统技术变化的不同发展方向，以技术重点来区分这三个A1情景组：化石密集（A1FI）、非化石能源（A1T）、各种能源资源均衡（A1B）（此处的均衡定义为，在假设各种能源供应和利用技术发展速度相当的条件下，不过分依
6、赖于某一特定的能源资源）。,A2框架和情景系列,描述的是一个极其非均衡发展的世界。其基本点是自给自足和地方保护主义，地区间的人口出生率很不协调，导致持续的人口增长，经济发展主要以区域经济为主，人均经济增长与技术变化越来越分离，低于其它框架的发展速度。,B1框架和情景系列,描述的是一个均衡发展的世界，与A1描述具有相同的人口，人口峰值出现在世纪中叶，随后开始减少。不同的是，经济结构向服务和信息经济方向快速调整，材料密度降低，引入清洁、能源效率高的技术。其基本点是在不采取气候行动计划的条件下，更加公平地在全球范围实现经济、社会和环境的可持续发展。,B2框架和情景系列,描述的世界强调区域性的经济、社
7、会和环境的可持续发展。全球人口以低于A2的增长率持续增长，经济发展处于中等水平，技术变化速率与A1、B1相比趋缓、发展方向多样。同时，该情景所描述的世界也朝着环境保护和社会公平的方向发展，但所考虑的重点仅仅局限于地方和区域一级。,SRES以及IS92a主要温室气体和SO2的排放情景,图2,碳循环与温室气体浓度的变化,碳循环之所以重要，是因为它调节着两种最重要的温室气体CO2与CH4的大气浓度。碳循环比较复杂，它具有多种不同化学物质的化学转换。而水循环中不同库间的交换过程涉及到相变，但只有一个化学物质H2O的输送。在全球碳循环中有四个大的碳库：大气、生物圈（湿地与海洋）、地壳（含地幔）和海洋碳库
8、。大气CO2库的大小在活跃的生物圈库（绿色植物，浮游生物，与整个食物链）和巨大的地壳碳库之间，进出小库的交换率比进出大库的要快几个量级。,几百万年来，通过硅酸盐岩石的风化作用和由海洋植物固碳作用而埋藏于海洋沉积物中，CO2由大气中被清除。而化石燃料的燃烧又把地球在地质时期捕获的碳重新释放到大气中。新的冰芯资料表明，地球系统至少在过去65万年内（6次冰期间冰期循环）没有达到目前大气CO2或CH4的浓度值。在那个时期，大气CO2浓度一直在180ppm（冰期最盛时期）和300ppm（暖的间冰期）。一般认为，在冰期盛期，由大气中清除的CO2被储存于海洋中，并提出了一些因果的机理，它们把天文变化，气候，
9、CO2和其它温室气体，海洋环流与温度，生物生产力和营养供应与海洋沉积物之相互作用联系起来。,在1750年之前，CO2的大气浓度稳定在260-280ppm已达10万年。相对于自然变化，人类活动对碳循环的扰动是不明显的。1750年之后，大气中CO2浓度以增长的速率由280ppm上升到2005年近380ppm。这种增加主要产生自人类活动：主要是化石燃料燃烧和毁林，也由于水泥生产，土地利用和管理的变化（生物质燃烧，作物生产，草地变农用等）。其中人类活动造成的CO2排放是单一的对气候变化贡献最大的人类活动因子。甲烷浓度从1750年的700ppb类似的上升到2005年的1775ppb，其排放源有：化石燃料
10、，填埋废弃物处理，泥地/湿地，反刍动物和稻米生产。CH4辐射强迫的增加量略小于CO2的三分之一，是第二个重要的温室气体。,无论是CO2和CH4在自然碳循环中都起着重要的作用。它们在陆地生物圈，海洋和大气之间连续地大量流动，在近十万年到1750年维持着稳定的大气CO2和CH4浓度。通过光合作用，碳被转换成植物生物质。陆地植物由大气中捕获CO2；植物，土地和动物呼吸（包括死亡，生物质分解），在厌氧条件下把碳作为CO2和CH4又可返回到大气中。在年尺度上，植被火灾可能是CO2与CH4的重要源。但如果植被再生，在年代时间尺度大量CO2又可被陆地生物圈再度捕获。,在大气与海洋间CO2被连续地交换，进入洋
11、面的CO2立即与水形成重碳酸盐（HCO3-）和碳酸盐（CO32-）离子，CO2，HCO3-和CO32-一起被称作溶解性无机碳（DIC）。相对于大气和其下海洋中层的物理交换CO2在表层洋面作为DIC的存留时间不到10年。冬季，高纬的冷水，重且富有CO2（作为DIC）由于溶解性高）从表层下沉到深层，这种局地的下沉与MOC（经向翻转环流）有关，被称作“溶解泵”。长时期看，它被分布式向上扩散到暖表层水的DIC输送大致相平衡。,浮游生物通过光合作用摄取碳，以后作为死亡的有机物与颗粒，其中一些又从表层下沉（生物泵）或转变成溶解有机碳（DOC）。大部分下沉颗粒中的碳在表层通过细菌的作用又被氧化，并最终作为D
12、IC再循环到海表。其余的颗粒通量到达深海区（2000-6000m），一小部分到达深海沉积物，其中一些又重新悬浮起来，一些被埋存。中层海水以几十年几百年时间尺度混合，而深层水混合是千年时间尺度，需要一些混合时间以使海洋达到其充分的缓冲能力。溶解和生物泵一起维持CO2在洋面（低值）到深层海洋（高值）的垂直梯度（作为DIC），因而调节着CO2在大气与海洋间的交换。,从全球看，溶解泵的浓度依赖于MOC的强度，洋面温度，盐分，层结和冰盖。生物泵的效率依赖于光合作用中由表层海洋作为下沉颗粒物输出的那一部分，它受到海洋环流，营养供应和浮游生物群组成和生理作用的影响。 下图中，黑箭头是海洋，大气和陆地生物圈间
13、的自然或未扰动碳交换。总的陆地生物圈与大气以及海洋与大气间的通量分别是120与90GtC/yr（约1995年）。只有不到1GtC/yr碳从陆地通过河流输入到海洋中。这些通量在长时期平均是平衡的。对于长期地质年代具有重要性的，另外自然通量包括由陆地植物的有机物质向土壤中惯性有机碳的不稳定转换，岩石风化和沉积物积累（反风化作用）与火山活动释放，它们的量值总体上是小的。在1750年前的1万年中净通量不到0.1GtC/yr。,地球系统不同碳库间的碳循环,大气与海洋,地壳,生物圈,地幔层,光合作用,呼吸与衰亡,埋藏,俯冲,海床扩张,风化作用,火山活动,图3,图中给出的是年平均碳通量（Gtc/yr）。黑箭
14、头：工业化前自然通量；红箭头：人类活动通量。净的陆地损失（-39Gtc）由累积化石燃料排放减大气增加再减海洋储存倒算得到。-140Gtc代表土地利用变化造成的累积排放，并要求101Gtc的陆地生物圈汇。GPP是年平均总陆地初级生产力。,1990年代全球碳循环示意图,图4,海洋和陆地的碳收支,海洋中碳以三种形式存在： （1）溶解的CO2或H2CO3（碳酸） （2）与Ca2+与Mg2+及其它金属阳离子偶对的碳酸盐粒子（CO2-3） （3）重碳酸盐离子，这是海洋碳库含量最大的。,陆地生态系统：总碳含量比海洋低很多，18世纪中的估计表明总碳库容量为2300GtC，其中80%在土壤和地表废弃物中，其余在
15、地上植被中：净初级生产力（NPP）每年把约120GtC/y碳通过光合作用吸收到生态系统中，而呼吸与生物质燃烧/衰亡又把同样的碳量返到大气中。 （光合作用： CO2+H2O CH2O+O2; 呼吸与衰亡： CH2O+O2 CO2+H2O； 即使有机物质氧化）,大气碳库主要由CO2和CH4构成，工业化前的大气CO2浓度280ppm相当于约600GtC的碳库。大气与其它碳库间的年通量为130GtC，这表明大气中碳的更新十分迅速，每4-5年一次。42或65万年前南极冰芯资料表明，CO2和CH4浓度变化与南极温度是非常紧密的耦合在一起（冰期：180-220ppm，间冰期：280-300ppm）。冰期与间
16、冰期循环可能由地球轨道参数变化引起或启动（它改变地球上太阳辐射的数量和分布），但这种初始的气候变化引起了大气与其它碳库间CO2通量的明显变化（主要是海洋）。之后引起大气CO2浓度的变化以及温室强迫强度的变化。这种重要的反馈作用约为冰期间冰期循环振幅的50%左右。,过去1万年CO2浓度只在260-280ppm很小范围变化。大气CO2浓度变化是大气与其它碳库间碳净通量的一种度量。这表明，进出大气通量间的净年收支，对于全新世大部分时期约为零。直到过去200年才发生了变化。 另外，不到1GtC/y的碳通过河流由陆地输送到海洋（溶解或悬浮的颗粒物）。还有0.1GtC/y来自火山活动和由陆地植物向惰性有机碳（土壤，岩石风化和沉积物累积（反风化作用）不稳定有机物转换。,地壳中的有机与无机碳库都很巨大，进出这些库的交换很慢（化石燃料燃烧除外），居留时间在几百万年的量级。碳进入这些库是通过生物圈，尤其是无机碳库主要由碳酸钙组成，几乎完全由海洋生物圈产生。有机碳库表现为天然气、煤、石油和油页岩等。风化作用使沉积岩中的有机碳暴露于大气中，允许它氧化，
