全球气候变暖中的大气化学问题

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1、 学化学大摇摇 1No.26Vol. 期1第卷26第 摇摇 CHEMISTRYUNIVERSITY 2011Feb.月2年2011 全球气候变暖中的大气化学问题 * 尹学博 300071)天津南开大学化学学院分析科学研究中心( 讨论臭氧层破坏的化学机理。介绍全球气候变暖中的大气化学问题摇摘要摇摇从化学结构角度分析温室气, 。并给出解决气候变暖的应对措施,体对温室效应的影响 分子结构摇臭氧层破坏摇温室效应摇气候变暖摇关键词摇摇摇多个国家和地190在丹麦哥本哈根举行的联合国气候大会吸引了来自全球,日197月12年2009摇 地。即全球气候变暖,目前气候变化的主要问题是全球温度逐渐升高。 1 万名代

2、表参会51.区的超过 在到。通过大气辐射到地面400nm)200波长(太阳短波, 2 所示1如图。球上的能量主要来自太阳 其中被吸,被地表吸收50%其余,被大气吸收,20%被地表和云层散射回外太空,30%达地球的辐射中 地球吸收的辐射和放出的辐射达到平,在正常情况下。 3收的部分还可以长波辐射的形式返回外太空 太阳入射辐射的增加或地表向外。 3 称为辐射平衡,衡并维持相对稳定的地球温度balance)radiative( 。即通常所说的全球气候变暖,都可能使地表与低层大气温度增高,辐射的降低 。波长长的电磁波能量低,其中波长短的电磁波能量高,长波辐射和短波辐射都是电磁波摇摇从分子结 ,而分子的

3、振动能量所需要能量较低;与某些短波能量相近,破坏分子化学键所需要的能量高,构角度看 臭氧)、 O(如氧气,太阳短波辐射可以导致大气中的分子。与太阳辐射中的某些长波辐射能量相近 2(O大气平流,因此。从而降低太阳短波对地球的辐射,等的共价键的破坏(CFCs)氯氟碳化合物)、 2 3 一氧),CH(甲烷), CO(而大气中的二氧化碳;层中臭氧层的破坏将导致太阳向地球的短波辐射增加 24 减少长波辐射向外大气的释,的分子振动则可以吸收某些长波辐射O)(H及水汽CFCsO), (N化二氮 22 从而导致地表温度的升高,放温室气“这些气体又称为effect),greenhouse(这种影响称为温室效应,

4、 。 2鄄3 冶体 ,而全球气候变暖又导致了许多其他问题,臭氧层的破坏和温室气体的增加已成为气候变暖的元凶摇摇 ,如农业病虫害增加沙漠化面积增大以及一些与之相关的潜在影、土地干旱,气候反常,海平面上升 从而导致南极地区臭氧层的损耗,温室气体增加导致温度的升高可进一步使臭氧层变薄,而且。 3鄄4响 。 5增加 ,正常情况下高温物体的红外,黑体辐射定律Plank如按照。辐射平衡的微小破坏可以得到自修复 为衡量对辐射平衡的影。 3鄄4 通过红外辐射的增加使整个系统达到新的平衡,当温度升高后。辐射增大 forcing)(radiative科学家提出了辐射压迫力,响,正辐射压迫力指吸收的辐射多于放出的辐

5、射;的概念 温室气体的。多种辐射压迫力结合构成了影响地球变暖的总辐射压迫力。 3鄄4而负辐射压迫力则相反 它既可以,最大的负辐射压迫力则是气溶胶;导致地球温度升高,增加以及臭氧层破坏是正辐射压迫力 又可以增加云层对太阳辐射的反射能力,反射和吸收太阳辐射但气溶胶导致。从而导致全球气温降低, 等Hartmann。即全球变暖,因而总辐射压迫力是正值, 64 30利用47%效果仅为温室效应的冶冷却“的 5 认为温室气体导致的温度Aldhous。年的数据证明了臭氧层损耗和全球变暖是气候变化的主要原因 4 则认为大气污染和温室气体不是某个局Feng和,Ramanathan升高同时与南极地区臭氧层的损耗有关

6、 cnedu.nankai.,E鄄mail:xbyin通讯联系人 * 83 摇卷26第学化学大 。全球变暖已成为一个复杂的系统问题,因为它们正在导致全球的气候变化,部而是全球的问题 大气的组成影响太阳短波辐射的吸收和长波。哥本哈根联合国气候大会就是在这种背景下召开的 ;从而决定地表温度,辐射的散失了解与气候变暖相关的大气化学问题对于理解全球气候变暖的根源具 了解大气成分在气候,本文从大气化学角度探讨大气成分对短波辐射和长波辐射的影响。有重要意义 。变暖中所起的作用及其应对措施 2 地球能量的吸收和散失1摇图 短波辐射中的大气化学问题1摇 范长波射辐波太阳的短,时球地达到光阳太当。线外紫的说所常

7、通即400nm,200为围 :原子O分子形成两个O破坏,分子吸收O的短波辐射可以被臆242nm波长 22 (1)2O)臆242nm姿(光子+O摇摇摇摇 寅 2 光子242nm波长1mol与, 7-1 498kJmol约为)即键能(分子所需要的能量O1mol这是因为破坏 2 破,N而空气中的。相当) -17-1 946kJmol为,键能更大,三键NN因存在,分子(495kJmol的能量 繎 2 对气候,N因此。这个波长不在太阳辐射的短波范围127nm,三键所对应电磁波的波长约为NN坏 繎 2 。变暖影响相对较小 其中中,个氧原子键连在一起3臭氧分子中的)。 (O另一个可以阻挡短波辐射的重要分子是

8、臭氧 3 2 而孤对电子,键滓其中两个单电子轨道分别与另两个氧原子形成一个,不等性杂化sp间的氧原子采取 3同时在120毅。小于等性杂化的117毅,键之间的键角为OO对的较大排斥力使得两个个氧原子之间 即破坏臭氧分,键的键长和键能介于单键与双键之间OO这种成键模式使得两个。键仔形成一个大 的短波辐射可以通过臆320nm波长,研究发现。 7 分子的能量O键所需要的能量小于破坏OO子中 2 下面的方式被臭氧分子吸收: (2)+OO)臆320nm姿(光子+O摇摇摇摇 寅 23 O 提Chapman)(Sydney查普曼西德尼,年1920。在抑制太阳短波辐射方面发挥着重要作用O和 32 O。 2 收吸

9、子分)2图称oxygen鄄cycle,sChapman忆(环循曼普查为又,环循的O和O中出了大气 322 的短波形成两个氧原子臆242nm波长因此,易参与化学反应,因为氧原子的最外层含有单电子,化学上( 臭氧);慢指反应速度的快和慢、中的快2图(分子O氧原子与氧气分子发生碰撞形成),又称为自由基 3 320nm分子吸收波长也可以和一个氧自由基结合变成两个,失去一个氧原子变成氧气分子,的紫外光 人类活动在大气中引入了一些其他,然而。分子O同时地球上绿色植物的光合作用不断提供。氧分子 2 破坏)氯氟烃的一种鄄12(氟利昂。如氯氟烃,容易形成自由基的分子在平流层紫外光的:的过程如下O 3 : 2,9

10、 Cl)(分解产生氯自由基鄄12氟利昂,辐射下 ClCl (3)Cl+CF)臆220nm姿(光子+ClCF摇摇摇摇 寅 FF 93 全球气候变暖中的大气化学问题:尹学博期1第摇 2 查普曼循环2摇图 (ClO):形成氯氧自由基,反应O再与(Cl)氯自由基 3 摇(4)+ClOO+ClO摇摇摇 寅 23 摇ClOOCl:结合得到(ClO)两个氯氧自由基摇 摇(5)ClOOClClO+ClO摇摇摇 寅 摇(6)ClClOO+光子ClOOCl+摇摇摇 寅 摇摇(7)Cl+OClOO摇摇 寅 2 产生的氯自鄄12而氟利昂,可以分解一个臭氧分子O)(一个氧自由基,从查普曼循环中可以看出 它又可以参与更多

11、Cl),(重新生成氯自由基,由基分解臭氧后又回到原来状态据报。分子的分解O 3 对鄄12氟利昂,由此可见。 25 冶分子O个伊101在被风带到低层大气之前可以催化分解约Cl一个“道 3 。臭氧层的破坏力极大 长波吸收中的大气化学问题2摇 吸收的能量通过分子间的相互碰撞而传,地球发出的长波辐射可以被大气中的温室气体分子吸收 ,温室气体含量高,因大气低层密度大。从而降低地球对外的长波辐射,递并被保留在大气层地表和低 它有助于维持生命,首先需要肯定地球与大气之间的能量交换。层大气的温度受温室气体的影响更大 方程计算的无大气存在情况Stefan鄄Boltzmann比按,15益现今地球的平均温度约为。存

12、在所必需的温度 即适当的温室效应,大气对辐射的吸收和释放对于维持地球温度起着重要作用,因此。 310 33益下高 甲烷以及其他气体的浓、CO人类活动增加了大气中,然而。 8 对于维持目前地球环境起着重要作用 2 。加剧了地球变暖,从而降低了大气对长波辐射的释放, 3 balance)(radiative破坏了既有的辐射平衡,度 Houghton 11 。详细评述了各种温室气体对全球气温的影响及全球气温的变化趋势 波(温室气体分子吸收不同能量的长波辐射,键断裂不同OO吸收太阳短波辐射导致O和O与 32 。振动能级或转动能级的跃迁、可导致分子内部电子能级的跃迁),红外光区域的电磁波、长位于可见光

13、而转动能级则是分子内原子绕键;所谓振动能级是指分子中原子间距离增加或减小时分子能量的差异 而振动能级跃,电子能级跃迁需要的能量高于振动能级和转动能级的跃迁。轴旋转时分子能量的差异 大。因振动时电荷分布不变而不吸收长波辐射,O如,同核双原子分子。 12 迁高于转动能级跃迁N和 22 及水CFCs)(氯氟碳化合物O),N(一氧化二氮),(CH甲烷), (CO气层中主要的温室气体有二氧化碳 422 振动能级或转动能级的跃迁而显示、这些气体可以吸收长波辐射引起分子内部电子能级。等O) (H气 2 温室效应。 氯氟碳化合物1摇2. 因,是烃中的某些氢原子被氯原子和氟原子取代后的产物(chlorofluo

14、rocarbons,CFCs)氯氟碳化合物 、无毒性、不易燃、这类化合物因具有合适的沸点且无味CFC鄄12。和CFC鄄11最重要的是,此又称氯氟烃 清洁剂、广泛用作压缩喷雾喷射剂,无腐蚀性和相当稳定氯氟碳化合物中。发泡剂和抗凝剂等、冷冻剂、 ,后面的数字,个元素的首字母3碳、氟、为氯CFC鄄11,CFC如,代码表示了它的组成即90,加上11如 04 摇卷26第学化学大 ,位表示氢原子数2第,位表示分子中碳原子数1左起第,得到的三位数中101,=11+90位表示氟原3第 。 2 个氯3个氟和,1个氢,0个碳1中包括CFC鄄11即,按照饱和烃计算氯原子个数,子数 CFC鄄12和CFC鄄11由于而且这两种气体吸收红外线辐,是大气中的浓度最高的氯氟烃,应用广泛 占其他温室气体对辐射力影响CFC鄄12和,CFC鄄11以外CO除了,年代80世纪20在。射的能力相当高 2 因此。 同时。总和的三分之一O的过程消耗平流层内的(7)(4)还可以通过方程CFC鄄12和,CFC鄄11 3 另一方面作为温室气,增加太阳对地球的短波辐射,层O一方面破坏,它们对全球变暖的影响是双重的 3 。 13 阻挡地表对外的长波辐射,体 2摇2.水汽 人类活动产生的水汽,相对于自然界的排放。受人类活动影响较小O) (H普遍认为大气中的水汽 2