大氣溫室效應(yīng)和全球變暖-鄭州市第一〇二高級(jí)中學(xué)

人類早期的活動(dòng)能力、也就是破壞自然的能力很弱，最多只能引起局部地區(qū)小氣候的改變，所以幾百萬年間人與自然還能相安無事。但是工業(yè)革命以來情況發(fā)生爭劇變化。工業(yè)化意味著大量燃燒煤和石油，意味著向地球大氣排放巨量的廢氣。其中二氧化碳?xì)怏w造成大氣溫室效應(yīng)，使全球變暖、極冰融化、海平面上升；二氧化硫和氮氧化物可以形成酸雨；氯氟烴氣體能破壞高空臭氧層，造成南極臭氧洞和全球臭氧層變薄。此外，工業(yè)化排放的污染氣體也使人類聚居的城市成了濃度特高的大氣污染島……人類在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、提高生活質(zhì)量的同時(shí)也闖下了彌天大禍。不少災(zāi)害看起來似乎是天災(zāi)，而實(shí)際上卻往往是屬于人類自己造成的人禍。被破壞的地球大氣正在對(duì)人類進(jìn)行可怕的報(bào)復(fù)，大自然是絕不會(huì)因?yàn)槿祟惖臒o知而原諒人類的。

　　1992年6月，世界各國元首、政府首腦云集巴西里約熱內(nèi)廬，在聯(lián)合國《氣候變化框架公約》上簽字。為什么氣候變化這樣一個(gè)普普通通的科學(xué)問題，會(huì)變得如此令人關(guān)注？

　　原來，工業(yè)革命以來，由于人類大量燃燒化石燃料和毀滅森林，使全球大氣中二氧化碳（CO₂）含量在百年內(nèi)增加了25％。如果按目前CO2濃度的增加速度，到2100年大氣中CO₂含量將增加一倍。據(jù)聯(lián)合國發(fā)布的評(píng)估報(bào)告，那時(shí)全球平均氣溫會(huì)比現(xiàn)在上升1.0～3.5℃，這將引起極冰融化、海平面上升15～95厘米，從而淹沒大片經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)，還可能引起其他一系列嚴(yán)重問題。世界各國政府開始重視這種狀況及其危害后果，共同商討削減CO2排放量的問題。

什么叫溫室效應(yīng)

　　全球的地面平均溫度約為15℃。如果沒有大氣覆蓋，根據(jù)地球獲得的太陽熱量和地球向宇宙空間放出的熱量相等的原理，可以計(jì)算出地球的地面年均溫度為－18℃。這33℃的溫差就是大氣像被子一樣保護(hù)地球造成的。這就是溫室效應(yīng)。

　　宇宙中任何物體都輻射電磁波。物體溫度越高，輻射的波長越短。太陽表面溫度約6000K，它發(fā)射的電磁波的波長很短，稱為太陽短波輻射（其中包括從紫到紅的可見光）。地面在接受太陽短波輻射而增溫的同時(shí)，也時(shí)時(shí)刻刻向外輻射電磁波而冷卻下來。地球發(fā)射的電磁波因溫度較低而具有較長的波長，稱為地面長波輻射。短波輻射和長波輻射在經(jīng)過地球大氣時(shí)的遭遇是不同的：大氣對(duì)太陽短波輻射來說幾乎是透明的，而它卻強(qiáng)烈吸收地面長波輻射。大氣在吸收地面長波輻射的同時(shí)，它自己也向外輻射波長更長的長波輻射（因?yàn)榇髿獾臏囟缺鹊孛娓停?。其中向下到達(dá)地面的部分稱為逆輻射。地面接受逆輻射后就會(huì)升溫，這也可以說是大氣對(duì)地面起到了保溫作用。這就是大氣溫室效應(yīng)的原理。

　　地球大氣的這種保溫作用，很類似于種植花卉的暖房頂上的玻璃（溫室效應(yīng)也可稱為暖房效應(yīng)或花房效應(yīng)），因?yàn)椴Ａб簿哂型高^太陽短波輻射和吸收地面長波輻射的保溫功能。

　　溫室效應(yīng)源自溫室氣體

　　我們知道，并不是大氣中的每種氣體都會(huì)強(qiáng)烈吸收地面長波輻射的。地球大氣中起溫室作用的氣體稱為溫室氣體，主要有二氧化碳、甲烷、臭氧、一氧化二氮、氟里昂以及水汽等。它們幾乎吸收地面發(fā)出的所有波長的長波輻射，只有一個(gè)很窄的區(qū)段吸收很少，這個(gè)區(qū)段被稱為“盲區(qū)”。地球主要通過這個(gè)盲區(qū)把從太陽獲得的熱量中的70％又以長波輻射形式返還宇宙空間，從而維持地面溫度不變。我們所說的溫室效應(yīng)，主要是指由于人類活動(dòng)增加了溫室氣體的數(shù)量和品種，使這盲區(qū)即能返回宇宙空間的70％的熱量的數(shù)值下降，使留下的余熱增多而使地球變暖的情況。

　　不過，CO₂等溫室氣體雖然吸收地面長波輻射的能力很強(qiáng)，但它們?cè)诖髿庵械臄?shù)量卻極少。如果把壓力為一個(gè)大氣壓、溫度為0℃的大氣狀態(tài)稱為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，那么把地球整個(gè)大氣層壓縮到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，它的厚度是8000米。目前大氣中CO2的含量是355ppm即百萬分之355（ppm為百萬分之一），把它換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，就是2.8米厚。在8000米厚的大氣中就占這2.8米厚的這一點(diǎn)點(diǎn)。甲烷含量是1.7ppm，相應(yīng)是1.4厘米厚。臭氧濃度是400ppb（ppb為ppm的千分之一）換算后只有3毫米厚。一氧化二氮是310ppb，2.5毫米。氟里昂有許多種，但大氣中含量最多的氟里昂12也只有400ppt（ppt是ppb的千分之一），換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)只有3微米。由此可見大氣中溫室氣體是極少的。正因?yàn)槿绱?，所以人為釋放的溫室氣體如不加限制，很容易引起全球迅速變暖。

　　早在1938年，英國氣象學(xué)家卡林達(dá)在分析了19世紀(jì)末世界各地零星的CO₂觀測資料后，指出當(dāng)時(shí)CO₂濃度已比世紀(jì)初上升了6％，并指出從上世紀(jì)末到本世紀(jì)中葉全球存在變暖傾向，在世界上引起了很大反響。為此，美國斯克里普斯海洋研究所的凱林于1958年在夏威夷的冒納羅、亞山海拔3400米的地方建立起了觀測所，開始了大氣中CO₂含量的精密觀測。夏威夷位于北太平洋中部，幾乎未受陸地大氣污染的影響，觀測結(jié)果有相當(dāng)高的可靠性。

　　從冒納羅亞山觀測到的1958年4月到1991年6月大氣中CO₂濃度的變化曲線可以看出1958年時(shí)大氣中CO₂含量不過315ppm左右，而1991年已經(jīng)達(dá)到了355ppm。問題的嚴(yán)重性還在于，人類每年燃燒55億噸化石燃料（每噸約產(chǎn)生4噸CO₂）中，大約只有一米進(jìn)入了大氣，其余一米主要被海洋和陸地植物所吸收。一旦海洋中CO₂達(dá)到飽和，大氣中CO₂含量將成倍上升。從圖上還可發(fā)現(xiàn)CO₂含量還有季節(jié)變化，冬夏可以相差6ppm。這主要是由于北半球廣闊大陸上植被冬枯夏榮的影響，因?yàn)橹参镌谙募敬罅课?span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: Calibri; mso-fareast-font-family: 宋體; mso-bidi-font-family: 'Times New Roman'; mso-font-kerning: 1.0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA">CO₂因而使大氣中CO₂濃度相對(duì)降低。

　　根據(jù)對(duì)南極和格陵蘭大陸冰蓋中密封的氣泡中空氣的CO₂濃度測定，古代大氣中CO₂含量一直比較穩(wěn)定，大體是280ppm左右。只是從18世紀(jì)中葉，即工業(yè)革命前后開始逐步上升。人類用了240年時(shí)間，使大氣中CO2濃度從280ppm上升到355ppm。

　　甲烷是僅次于CO2的重要溫室氣體。它在大氣中的濃度雖比CO₂少得多，但增長率卻大得多。據(jù)聯(lián)合國政府的氣候變化委員會(huì)（IPCC）1996年發(fā)表的第二次氣候變化評(píng)估報(bào)告的資料（簡稱《報(bào)告》），從1750～1990年共240年間CO₂增加了30％，而同期甲烷卻增加了145％。甲烷也稱沼氣，是缺氧條件下有機(jī)物腐爛時(shí)產(chǎn)生的，例如水田、堆肥和畜糞等都會(huì)產(chǎn)生沼氣。一氧化二氮又稱笑氣，因?yàn)楹羧胍欢舛鹊倪@種氣體后會(huì)引起面部肌肉痙攣，看上去像在發(fā)笑一樣。它主要是由于使用化肥、燃燒化石燃料和由生物體所產(chǎn)生的。大氣中的臭氧含量，在平流層中雖有減少，但在對(duì)流層中是增加的。氟里昂氣體是氯、氟和碳的化合物，它在自然界里本不存在，完全是人類制造出來的。由于它的溶點(diǎn)和沸點(diǎn)都比較低，不燃、不爆、無臭、無害、穩(wěn)定性極好，廣泛用來生產(chǎn)制冷劑、發(fā)泡劑和清潔劑等。地球大氣中濃度最高的氟里昂12和氟里昂11含量雖都極少，但這些年增長率卻很高，均達(dá)到年增5％。根據(jù)1987年國際《蒙特利爾議定書》，它在大氣中的濃度將在21世紀(jì)初開始逐漸減少。

　　應(yīng)當(dāng)說明，CO₂以外的其他溫室氣體在大氣中的濃度雖比CO₂小得多，有的要小好幾個(gè)量級(jí)，但它們的溫室效應(yīng)作用卻比CO₂強(qiáng)得多，它們對(duì)大氣溫室效應(yīng)的作用，根據(jù)IPCC第二次《報(bào)告》，都只比CO₂低一個(gè)量級(jí)。這是值得注意的。

　　溫室效應(yīng)的后果

　　如前所述，工業(yè)革命前大氣中CO₂含量是280ppm，如按目前增長的速度，到2100年將增加到550ppm，即幾乎增加一倍。全世界的許多氣象學(xué)家都在努力研究，CO₂含量增加一倍以后，到2100年全球的平均氣溫會(huì)增高多少？

　　目前采用的具體辦法是，根據(jù)大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律和物理狀態(tài)變化規(guī)律，設(shè)計(jì)成數(shù)值模式進(jìn)行計(jì)算。但由于人們對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)還不夠完善，采取的簡化設(shè)計(jì)辦法也不同，因而各個(gè)模式的計(jì)算結(jié)果常相差很大。為此80年代美國科學(xué)院組織了評(píng)估委員會(huì)，對(duì)這些模式的結(jié)果進(jìn)行研究和綜合評(píng)詁，最終得出CO₂倍增后全球平均氣溫將上升1.5～4.5℃。這就是對(duì)本問題最有權(quán)威的組織——聯(lián)合國IPCC第一次《報(bào)告》中采用的數(shù)字。

　　近年來，氣候模式的模擬能力有了重大改進(jìn)，這主要是考慮了大氣中氣溶膠（空氣中懸浮的微小顆粒）的作用。因?yàn)樵谌紵剂戏懦?span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 9pt; FONT-FAMILY: Calibri; mso-fareast-font-family: 宋體; mso-bidi-font-family: 'Times New Roman'; mso-font-kerning: 1.0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA">CO₂的同時(shí)也釋放了巨量的硫化物等氣溶膠。這種氣溶膠顆粒會(huì)遮擋部分陽光使之無法到達(dá)地面，使地面氣溫降低，起到冷卻作用。其數(shù)值據(jù)IPCC估計(jì)可達(dá)－0.5瓦／平方米，即相當(dāng)于CO₂增溫效應(yīng)（＋1.56瓦／平方米）的1／3，比甲烷的增溫效應(yīng)（+0.47瓦／平方米）還略大。主要根據(jù)這個(gè)改進(jìn)，IPCC1996年公布的第二個(gè)《報(bào)告》中，把2100年CO2倍增后全球平均氣溫的升溫值從1.5～4.5℃，修改為1.0～3.5℃。評(píng)估報(bào)告中還指出，由于海洋的巨大熱慣性，到2100年這個(gè)增溫值中大約只有50～90％得以實(shí)現(xiàn)。

　　模式計(jì)算結(jié)果還說明，全球平均增溫1.0～3.5℃并不均勻分布于世界各地。赤道和熱帶地區(qū)不升溫或幾乎不升溫，升溫主要集中在高緯度地區(qū)，數(shù)量可達(dá)6～8℃甚至更大。這一來引起另一嚴(yán)重后果，即兩極和格陵蘭的冰蓋會(huì)發(fā)生融化，引起海平面上升。北半球高緯度大陸的凍土帶也會(huì)融化或變薄，引起大范圍地區(qū)沼澤化。還有，海洋變暖后海水體積膨脹也會(huì)引起海平面升高。IPCC的第一次評(píng)詁報(bào)告中預(yù)計(jì)海平面上升20～140厘米（相應(yīng)升溫1.5～4.5℃），第二次評(píng)估報(bào)告中修改為15～95厘米（相應(yīng)升溫1.0～3.5℃），最可能值為50厘米。即比第一次評(píng)估結(jié)果降低了約25％。IPCC的第二次評(píng)詁報(bào)告還指出，從19世紀(jì)末以來的百年間，由于全球平均氣溫上升了0.3～0.6℃，全球海平面相應(yīng)也上升了10～25厘米。

　　全球海平面的上升將直接淹沒人口密集、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的大陸沿海低地地區(qū)，后果十分嚴(yán)重。1995年11月在柏林召開的聯(lián)合國《氣候變化框架公約》締約方第二次會(huì)議上，44個(gè)小島國組成了小島國聯(lián)盟，為他們的生存權(quán)而呼吁。

　　此外，研究結(jié)果還指出，CO₂增加不僅使全球變暖，還將造成全球大氣環(huán)流調(diào)整和氣候帶向極地?cái)U(kuò)展。包括我國北方在內(nèi)的中緯度地區(qū)降水將減少，加上升溫使蒸發(fā)加大，氣候?qū)②呌诟珊祷?。大氣環(huán)流的調(diào)整，除了中緯度地區(qū)干旱化之外，還可能造成世界其他地區(qū)氣候異常和一些災(zāi)害，例如低緯度臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度將增強(qiáng)，臺(tái)風(fēng)源地將向北擴(kuò)展等。氣溫升高還會(huì)引起或加劇一些傳染病流行。以疾為例，過去5年中世界痰疾發(fā)病率已翻一兩番，現(xiàn)在全世界每年約有5億人得痰疾，其中200多萬人死亡。

　　但是，溫室效應(yīng)也并非全是壞事。最寒冷的高緯度地區(qū)增溫最大，農(nóng)業(yè)區(qū)將向極地大幅度推進(jìn)。CO2增加也有利于植物光合作用而直接提高有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)量。還有的專家指出，在我國和世界歷史上溫暖期多是降水較多、干旱區(qū)退縮的繁榮時(shí)期。

　　在大氣溫室效應(yīng)這個(gè)問題上，也有不同意見。有些科學(xué)家認(rèn)為：目前數(shù)值模式還不成熟，計(jì)算結(jié)果過于夸大；百年升高0.3～0.6℃屬于正常氣候變化，不能證明是大氣溫室效應(yīng)所造成。這是少數(shù)人的意見。

　　盡管如此，對(duì)于目前大氣中CO₂濃度和全球溫度正迅速增加，以及溫室氣體增加會(huì)造成全球變暖的原理，都是沒有爭論的事實(shí)。我們?nèi)绻鹊絾栴}已發(fā)展到了可以明顯感知的水平，就往往難以逆轉(zhuǎn)。因此必須引起高度重視，以便采取對(duì)策，保護(hù)好人類賴以生存的大氣環(huán)境。

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