温室气体与气候变化

　　摘要：随着人类社会经济的发展，环境问题越来越突出，温室气体与气候变化更是成为国际社会关注的焦点。根据政府间气候变化专门委员会IPCC第四次评估报告，在过去一百年内，即1906～2005年全球平均气温上升了0.74℃，最近50年升温约为每10年升高0.13℃，是过去100年升温的2倍，未来20年全球气温还会以每10年0.2℃的速度上升。全球变暖不可避免会引发一系列连锁反应，不管是海平面上升还是极端气候增多，其后果都不容忽视。本文将从温室气体和城市热岛两个角度来分析气候变化，对与之相关的盖亚假说也有较详细介绍。

　　关键词：温室效应 温室气体 源和汇 城市热岛 气候变化 盖亚假说

　　一、温室效应原理

　　正如万物生长靠太阳，太阳辐射穿透大气层到达地球表面后，地球在增温的同时也不断对外辐射能量。研究表明，在漫长的岁月中，地球的能量收入和支出基本上处于平衡状态，地表温度大致上没有什么变化。

　　根据热力学基本定律，任何物体辐射能量的最大值所对应的波长与该物体温度的乘积都等于同一个常数，也就是说，物体的温度越高，其辐射出的电磁波波长越短，反之亦然。太阳表面温度约为6000K，主要为短波辐射，而地球表面却是长波辐射。地球大气层中有些气体对于太阳的短波辐射几乎是透明，却能强烈吸收地面的长波辐射再以大气逆辐射的形式将大部分热量返还地表，从而使地球表面从太阳辐射获得的能量相对多，而散失到大气层以外的热量相对少，地球表面的温度维持在一个适合人类生存的水平。这就是大气的温室效应，这些气体称为温室气体，主要包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氟氯烃、臭氧、水蒸汽、二氧化硫以及一氧化碳等。

　　二、主要温室气体

　　IPCC第四次评估报告认为，过去50年全球平均气温升高其中90%以上与人类燃烧化石燃料排放的温室气体有关。自从1750年以来，由于人类活动的影响，全球大气CO2、CH4、N2O和CFCs的浓度显著增加，目前已经远远超出根据冰芯记录得到的工业化前几千年来的浓度值。全球大气CO2的浓度增加主要是由化石燃料的使用和土地利用的变化引起的，而CH4和N2O浓度的增加主要由农业活动引起，CFCs从无到有完全是人类制造并在生产和生活中释放到大气中的。其中CO2浓度从工业化前约280ppm增加到2005年的379ppm，CH4浓度从工业化前约715ppb增加到2005年的1774ppb，N2O浓度从工业化前约270ppb增加到2005年的319ppb，CFCs从无到有，年平均以4%的速率增长。正因为这样，20世纪后半期，北半球的平均气温是过去1300年间最高的。除1996年外，最近12年，即1995～2006年全球地面平均气温是1850年以来最高的时期。按照这样的趋势发展下去，21世纪末全球平均气温将升高2.4～6.4℃。

　　1.二氧化碳CO2

　　IPCC第三次气候变化评估报告认为，气候变暖至少66%以上与人类活动排放的二氧化碳有关。全球大气CO2浓度从工业革命前的280ppm上升到了2005年的379ppm，冰芯研究表明，2005年大气CO2浓度远远超过了过去65万年来自然因素引起的变化范围180～300ppm。过去10年CO2浓度平均每年增长1.9ppm，而有连续直接测量记录以来的增长率为1.4ppm/a。18世纪中叶到20世纪40年代，大气中的CO2含量平均每年增加0.06%，主要是工业革命以来的土地利用变化、毁林造田以及生物质燃烧等人类活动造成的。第二次世界大战之后，人类开始大量使用化石燃料，大气中的CO2浓度迅速上升，按照这样的趋势发展下去，全球变暖会越来越明显。

　　表2 未来大气中的CO2浓度值(ppm)

　　年份

　　2025

　　2050

　　2075

　　2100

　　大气中CO2浓度值

　　404～425

　　434～480

　　456～536

　　469～614

　　数据来自IPCC第四次评估报告，2007

　　大气中的CO2主要来源于各种燃烧过程、土壤或其他地方有机物的分解以及人群和动物的呼吸作用。化石燃料燃烧释放的CO2从20世纪90年代的每年6.0～6.8GtC增加到2000～2005年的每年6.9～7.5GtC。20世纪90年代，与土地利用有关的CO2释放量估计是每年0.5～2.7GtC，自然生态系统转化为耕地使土壤碳贮量减少了38Gt。随着人口剧增，呼吸作用产生的CO2也不容忽视。绿色植物通过光合作用会吸收大量CO2，全球森林生态系统中贮存的碳量为1146Mt，另外海洋也是一个巨大的碳汇。

　　表3 全球碳的主要源和汇(百万吨/年)

　　源

　　化石燃料燃烧排放

　　5700

　　土地利用变化排放

　　2000

　　汇

　　海洋吸收

　　2500

　　植物生态系统吸收

　　1000

　　CO2合计

　　自然源

　　人为源

　　年吸收

　　年增量

　　770000

　　23100

　　781400

　　11700

　　引自王彦佳. 气候变化与温室气体减排，2005

　　2.甲烷CH4

　　随着人口剧增、水田耕作以及畜牧业发展，大气中的CH4浓度越来越高，全球大气CH4浓度从工业革命前的715ppb增加到了20世纪90年代的1732ppb，2005年更是高达1774ppb，远远超过了过去65万年来自然因素引起的变化范围320～790ppb。据联合国预测，21世纪末大气中的CH4浓度将翻一番，达到3500ppb。

　　表4 大气中CH4的浓度变化(ppb)

　　年份

　　工业革命以前

　　20世纪90年代

　　2005年

　　21世纪末

　　大气CH4浓度

　　715

　　1732

　　1774

　　3500

　　数据来自冰芯资料和直接观测与预测

　　大气中CH4的每月平均混合比

　　资料显示，北半球大气中CH4的平均浓度明显比南半球高，可能是因为北半球受人类活动影响比较大，估计人为源占60%，主要是水田耕作、畜牧业发展、生物质燃烧以及固体废弃物填埋。另外自然湿地由于其良好的厌氧发酵条件而向大气释放大量CH4，约占25%。大气中的CH4可与羟基自由基发生氧化还原反应而去除，少量会向平流层输送，也有部分被土壤吸收。

　　3.一氧化二氮N2O

　　全球N2O浓度从工业革命前的270ppb增加到了2005年的319ppb，冰芯分析结果表明，直到20世纪中叶，大气中N2O的浓度一直处于285ppb左右，其后就呈现出明显的增长趋势。目前大气中的N2O浓度的年增长率约为0.25%，即平均每年增加0.8ppb。

　　世界各地的观测资料几乎没有显示出南北半球大气中N2O的浓度差，可能是因为它本身浓度很低，人为排放量小，也可能与N2O在大气中的寿命较长有关。不过像燃烧化石燃料、施用化学肥料以及生物质燃烧等人类活动无疑会向大气排放N2O，其中人为源有60%～70%来自耕作土壤，另外一些工业生产过程如硝酸、尼龙、合成氨和尿素等也会向大气释放N2O。大气中N2O的自然源则主要包括森林、草地和海洋等自然系统，约占总排放量的60%。N2O在大气中非常稳定，主要通过光化学反应除去，另外土壤也能吸收少量N2O。

　　表6 大气中N2O的源和汇(百万吨/年)

　　N2O

　　自然源

　　人为源

　　年吸收

　　年增量

　　9.5

　　6.9

　　12.6

　　3.8

　　引自王彦佳. 气候变化与温室气体减排，2005

　　4.氟氯烃CFCs

　　大气中原本不存在CFCs，只因为它们是理想的制冷剂和气溶胶喷雾剂，长期以来被广泛应用于制冷、泡沫、消防、气溶胶和清洗等部门。人类活动向大气排放的CFCs是一种重要的温室气体，还会破坏臭氧层。近几十年来，大气中的CFC11和CFC12始终以4%左右的年增长率迅速增加，目前已达到0.4ppb，未来还会缓慢增加。CFCs在对流层会与羟基自由基反应，在平流层中发生光化学分解而去除。

　　三、城市热岛

　　正如温室气体会导致全球变暖，城市热岛对气候变化也有一定贡献。在人口高度密集、工业集中的城市区域，由人类活动排放的大量热量与其他自然条件的共同作用致使城区气温普遍高于周围郊区，人们把这种现象称为“人造火山”。高温的城市处于低温郊区的包围之中，如同汪洋大海中的一个小岛，因此也称为“城市热岛”。城市热岛强度表现为夜间大于白天，日落以后城郊温差迅速增大，日出以后又明显减小，主要由以下几种因素综合形成。

　　城市建筑物和水泥路面大多导热性好，受热传热快。城市建筑物密度越大，布局越呈团块状，下垫面对太阳辐射吸收就越明显，吸收的太阳辐射总量就越多。布局越呈团块状，下垫面的天穹可见度就越小，地表热量损失的空间就越小，地面通过长波辐射损失的热量就越少，气温就越高。城市建筑物参差不齐，形成许多高宽比不同的城市街谷，这种复杂的立体下垫面在白天能比郊区获得较多的太阳辐射，在夜晚相对于空旷的郊区来说不易散开热量，导致了城市热岛的形成。

　　引自肖荣波等. 城市热岛时空特征及其影响因素，2007

　　人口高度密集、工业集中，燃烧的工业锅炉及冷气、采暖等固定热源，机动车辆、人群等流动热源大量释放城市废热。有资料显示，在人口为50～100万的城市气温要比郊区高1.1～1.2℃，人口超过100万的城市城郊温差为1.2～1.5℃。

　　高耸入云的建筑物造成近地表通风不良。

　　人类活动释放的废气改变了城市上空的大气组成，使其吸收地面长波辐射的能力增强。

　　总的来说，城市热岛强度与城市规模、人口密度以及气象条件有关，其影响不容忽视，对气候变化也有一定贡献。

　　城市热岛使城区冬季缩短，霜雪减少，有时甚至发生郊区降雪而城内降雨的情况，如上海1996年1月17～18日。

　　城市热岛在中低纬城市造成的高温容易导致夏季中暑和死亡的人数增加，1980年7月热浪袭击圣路易斯和堪萨斯，两市商业区死亡率分别提高了57%和64%，而附近郊区死亡率只增加10%。

　　热岛效应使城市上空云雾量增多，导致城市的降水量发生变化，形成明显的“雨岛效应”和“雾岛效应”，2000年上海市区汛期雨量平均比远郊多50mm以上，相当于多下了一场暴雨。

　　城市热岛会使城市耗电量及用水量大增，从而耗掉大量能源，造成更多的废热，进一步加强热岛效应和其他气候效应，形成恶性循环。

　　城市热岛使市区温度高，热空气上升，周围冷空气向市区汇流补充，结果把郊区工厂的烟尘和由市区扩散到郊区的污染物重新聚集到市区上空，加重了大气污染。

　　缓解城市热岛效应需要广泛有效的气象环境监测，减少人为热的排放，开发新能源，发展温排水冷却技术。此外还要优化城市结构，搞好城市绿化工作，发展城市公共交通系统，减少汽车尾气排放。

　　四、气候变化

　　不管是温室气体还是城市热岛，对气候变化都有不可推卸的责任。IPCC第四次评估报告指出，21世纪末气候变暖引起海平面平均升高26～59cm，因海平面升高等异常气象灾害造成的难民将达到2亿人。1960年以来，西半球中纬度西风在加强。1970年之后，在热带和亚热带地区观测到了更强和更长时间的干旱。强降水的发生频率有所上升，与气候变暖和观测到的大气水气含量增加相一致。近50年来已经观测到极端温度的大范围变化，冷昼、冷夜和霜冻更为少见，而热昼、热夜和热浪却更加频繁。1970年以来全球呈现出热带气旋强度不断增大的趋势，伴随着更大的风速和更强的降水。IPCC预测，未来多年冻土区的融化深度会广泛增加，南北极海冰将退缩。热带以外的风暴路径会向极地方向移动，引起非热带地区的风、降水和温度场变化。高纬地区的降水量很可能增多，而多数亚热带大陆地区的降水量则有可能减少。

　　气候变化不可避免会引发一系列连锁反应，海平面上升直接威胁到沿海地区人们的生命财产安全。全球变暖和干湿格局变化对动植物适应和农业生产都会产生严重影响。全球水资源分布变化会明显改变河川径流和水分平衡值，进而改变河湖的总水量和水位并由此引发一系列的水文学问题。热带气旋、洪水、雷暴、热浪、雪崩、干旱、泥石流和海啸等与气候变化直接相关的自然灾害频频发生，造成巨大损失。例如1998年中国长江流域发生特大洪水，受灾人口达2.23亿，经济损失高达2700亿元，2004年印度尼西亚海啸有20多万人丧失了宝贵的生命。

　　五、盖亚假说Gaia hypothesis

　　既然气候变化的后果这么严重，而全球变暖还在继续，地球就真的那么不堪一击吗?英国大气学家拉伍洛克James Lovelock早在20世纪60年代末就提出了盖亚假说Gaia hypothesis，认为地球上的生物不仅生成了大气，而且还调节着大气，使其保持一种稳定的气体构成，从而有利于生命的存在。地球上的生命及其物质环境，包括大气、海洋和地表岩石是紧密联系在一起的系统进化。生命首次出现的地球完全不同于今天的地球，那时地球大气充满了CO2，根本就没有O2。根据恒星演化理论，那时的太阳温度要比现在低25%～30%，早期的温室效应使地球保持温暖的状态。随着太阳温度的升高，海水变热，蒸发强烈，再加上若干亿吨蕴藏在碳酸盐岩石中的CO2释放出来，长此以往温室效应必将失控。幸运的是，大约在20亿年前海洋中开始出现蓝藻，它们通过光合作用使大气中的CO2转化为有机化合物，释放出O2，拯救了整个生命世界。地球从诞生之日起就从来没有平静过，除了各种旱涝、飓风、海啸、地震以及火山爆发之外，它还不断地被来自宇宙空间的岩石碎块所轰击。平均大约一亿年就有一颗巨大的陨星撞击地球，往地球大气中注入大量尘埃和气体，遮蔽住阳光，使地球遭受极大的灾难，大量物种灭绝，例如恐龙的灭绝就是一个典型的例子。但6500万年前恐龙灭绝之后经过漫长的年代地球上又出现了新物种，这表明地球上生物和环境结合起来的系统是强健的并能很快修复自己的创伤。虽然灾难发生时生命对全球环境的控制会暂时中断，但在事后生命会迅速恢复控制并重新启动调节功能。这并不意味着地球没有变化，因为物种更新了，环境也有所改变。总之，盖亚假说认为地球上的生物与环境结合起来的大系统一般来说是稳定的，但当其处于超越自身调节能力的非常状态时，也会发生突变。

　　盖亚假说的核心思想是认为地球是一个生命有机体，拉伍洛克说地球是活着的, 其本身就是一个巨大的生命有机体, 具有自我调节能力。 为了这个有机体的健康, 假如她的内在出现了一些对她有害的因素，盖亚本身具有一种反馈调节机能,能够将那些有害因素去除掉。生物演化与环境变化是藕合的过程，自然选择的生物进化是行星自我调节的一个重要部分，生物通过反馈对气候和环境进行调控，造就适合自身生存的环境。

　　自地球形成以来的46亿年中，太阳辐射强度增加了25%～30%。从理论上讲，太阳辐射强度增减10%就足以引起全球海洋蒸发干涸或全部冻结成冰，但地质历史记录却证明，地球上尽管发生过三次大冰期和大冰期内的暖热期交替变化，地表的平均温度变化仅在10℃上下，说明地球存在某种内部的自我调节机制。当前大气中温室气体的浓度越来越高，全球变暖越来越明显，理论上将导致陆地植被向两极扩展，面积不断增大，对CO2等温室气体的吸收能力也越来越强，这又反过来降低了大气中温室气体的浓度，即地球上存在着负反馈调节机制。

　　根据盖亚假说，地球上的各种生物能有效调节大气的温度和化学构成，影响生物环境，而环境又反过来影响达尔文的生物进化过程，两者共同进化。各种生物与自然界之间主要由负反馈环连接，从而保持地球生态的稳定状态。大气能保持稳定状态不仅取决于生物圈，而且在一定意义上为了生物圈。各种生物调节其物质环境，以便创造各类生物优化的生存条件。

　　盖亚假说认为，地球表面的温度和化学组成是受生物圈主动调节的。地球大气的成分、温度和氧化还原状态等受天文、生物或其他干扰而发生变化并产生偏离。生物通过改变其生长代谢对偏离做出反应，以缓和地球表面的变化。全球变暖导致海平面上升，威胁万物生存，从盖亚假说的角度来看，地球不会变得如此不适合万物生存，总会有一些制衡作用应运而生，而所有作用加起来就是一个恒定的地球。把地球看成一个最大的生物，一些看似不平衡的现象就可以用个体生物上的观念来理解。我们发现气温上升、盐度增加等现象会导致藻类增加二甲基初油酸的排放量，而二甲基硫的增加会使得大气的反射率增加，进而降低地表温度。

　　虽然根据盖亚假说，地球母亲这个巨大的生命有机体能有效抵制外来变化以保持自身的稳定，适应万物生存，但是这并不代表人类所做的一切都有一个凡事包容的妈妈在为他们处理善后。我们不是悲观主义者，但我们也不要过于乐观，作为孩子的我们应该学会认错，更应该懂得弥补。盖亚假说本身并不是判断人们的行为正确与否的最终道德标准，从哲学的角度来看，物极必反，事物性质的稳定需要一个“度”，一旦超过了这个“度”，事物必然会发生质变。人类肆无忌惮的破坏速度是盖亚母亲来不及赶上的，今天的盖亚假说并不是给人类的所作所为找一个下台阶，而是提供一个思考或研究的方向来合理地对待我们的环境，甚至期待人们可以将创造力用于帮助大地之母，至少不要再增加她的负担。

　　六、展望

　　正如我们不能全靠地球母亲来处理善后，气候变暖将持续数百年，会带来一系列灾难性后果，各国政府应该积极采取有效措施。我们不仅要严格控制人口增长，减少化石燃料燃烧，开发新能源，还要植树造林，合理利用土地，停止使用氟氯烃等化合物。

　　科学家还设想了一些方案，比如说把CO2储存到地下，从空气中过滤CO2，向海洋倾斜铁粉以促进那些吞噬CO2的浮游生物大量繁殖，把CO2转变成岩石，向云层喷洒微盐粒子以提高云层反射太阳光的能力，还有用太空镜过滤太阳光等。

　　其实有些技术早已成为现实，例如采用食品级CO2替代氟氯烃进行烟丝膨化。光明化工研究设计院开发了利用超临界CO2进行无水印染技术，中试各项性能指标达到传统工艺水平。工业气体生产商德国林德公司推出的干洗新方法，使用基于CO2的洗涤技术，让绿色化学进入洗衣业。上海化工设计院以焦炭为原料，CO2为气化剂，经还原法制备出粗CO气，再采用组合装置对粗CO气进行净化精制，生产出高纯CO气。日本关西电力公司和三菱重工公司正在开发用CO2和H2生产二甲醚的新方法，从工业设施捕集CO2和H2反应生成甲醇，甲醇再脱水产生二甲醚。内蒙古蒙西高新技术集团在国内首创全生物降解CO2共聚物技术，从水泥窖尾气中提取CO2作为原料用于全降解塑料生产。河南省上蔡骏马广建化工公司采用上海化工研究院有机化工研究所开发的CO2废气在近临界状态下与环氧丙烷直接合成碳酸丙烯酯的清洁生产新工艺，利用化肥生产中富余的CO2直接进行生产，可节约蒸汽40%，节约电65%，节约水60%，设备投资减少30%以上。

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文章名称： 温室气体与气候变化

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