溫室氣體與氣候變化

論文類別:理學論文 > 地質學論文
論文作者: 伍復勝
上傳時間:2008/6/20 15:21:00

摘要:隨著人類社會經濟的發展,環境问題越來越突出,溫室氣體與氣候變化更是成為國際社會關註的焦點。根據政府間氣候變化專門委員會IPCC第四次評估報告,在過去一百年內,即1906~2005年全球平均氣溫上升了0.74℃,最近50年升温約為每10年升高0.13℃,是過去100年升溫的2倍,未來20年全球氣溫還會以每10年0.2℃的速度上升。全球變暖不可避免會引發一系列連锁反應,不管是海平面上升還是極端氣候增多,其後果都不容忽視。本文將從溫室氣體和城市熱島两個角度來分析氣候變化,對与之相關的蓋亞假說也有較詳細介紹。
關鍵詞:温室效應 溫室氣體 源和匯 城市熱島 氣候變化 盖亞假說
一、溫室效應原理
正如萬物生长靠太陽,太陽輻射穿透大氣層到達地球表面後,地球在增溫的同時也不斷對外輻射能量。研究表明,在漫長的歲月中,地球的能量收入和支出基本上处於平衡狀態,地表溫度大致上没有什麽變化。
温室气体与气候变化

根據热力學基本定律,任何物體輻射能量的最大值所對應的波长與該物體溫度的乘積都等於同一個常數,也就是說,物體的温度越高,其輻射出的電磁波波長越短,反之亦然。太陽表面溫度约為6000K,主要為短波輻射,而地球表面卻是長波輻射。地球大氣層中有些氣體对於太陽的短波輻射幾乎是透明,卻能強烈吸收地面的長波輻射再以大氣逆輻射的形式將大部分熱量返還地表,從而使地球表面從太陽輻射獲得的能量相對多,而散失到大氣層以外的熱量相對少,地球表面的温度維持在一個適合人类生存的水平。這就是大气的溫室效應,這些氣體称為溫室氣體,主要包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氟氯烴、臭氧、水蒸汽、二氧化硫以及一氧化碳等。

温室气体与气候变化

温室气体与气候变化

二、主要溫室氣體
IPCC第四次評估報告認為,過去50年全球平均氣溫升高其中90%以上與人類燃燒化石燃料排放的溫室氣體有關。自從1750年以來,由于人類活動的影響,全球大氣CO2、CH4、N2O和CFCs的濃度顯著增加,目前已經远遠超出根據冰芯記錄得到的工業化前幾千年來的濃度值。全球大氣CO2的濃度增加主要是由化石燃料的使用和土地利用的變化引起的,而CH4和N2O濃度的增加主要由農業活動引起,CFCs從無到有完全是人类制造並在生產和生活中釋放到大氣中的。其中CO2濃度从工業化前約280ppm增加到2005年的379ppm,CH4濃度從工業化前約715ppb增加到2005年的1774ppb,N2O浓度從工業化前約270ppb增加到2005年的319ppb,CFCs從無到有,年平均以4%的速率增長。正因为這樣,20世紀後半期,北半球的平均氣溫是過去1300年間最高的。除1996年外,最近12年,即1995~2006年全球地面平均氣溫是1850年以來最高的时期。按照這樣的趨勢發展下去,21世紀末全球平均氣温將升高2.4~6.4℃。

温室气体与气候变化

1.二氧化碳CO2

IPCC第三次氣候变化評估報告認為,氣候变暖至少66%以上與人類活動排放的二氧化碳有關。全球大氣CO2濃度從工業革命前的280ppm上升到了2005年的379ppm,冰芯研究表明,2005年大氣CO2濃度遠遠超過了過去65萬年來自然因素引起的變化範圍180300ppm。過去10CO2濃度平均每年增長1.9ppm,而有連續直接測量記录以來的增長率為1.4ppm/a18世紀中葉到20世紀40年代,大氣中的CO2含量平均每年增加0.06%,主要是工業革命以來的土地利用變化、毀林造田以及生物質燃燒等人類活動造成的。第二次世界大戰之後,人類開始大量使用化石燃料,大氣中的CO2浓度迅速上升,按照這樣的趨势發展下去,全球變暖會越来越明顯。

2 未來大氣中的CO2濃度值(ppm

年份

2025

2050

2075

2100

大氣中CO2濃度值

404425

434480

456536

469614

數據來自IPCC第四次評估報告,2007

大氣中的CO2主要來源於各種燃燒過程、土壤或其他地方有机物的分解以及人群和動物的呼吸作用。化石燃料燃燒釋放的CO220世纪90年代的每年6.06.8GtC增加到20002005年的每年6.97.5GtC20世紀90年代,與土地利用有關的CO2釋放量估計是每年0.52.7GtC,自然生態系統轉化為耕地使土壤碳貯量減少了38Gt。隨著人口劇增,呼吸作用產生的CO2也不容忽视。綠色植物通過光合作用會吸收大量CO2,全球森林生態系統中貯存的碳量為1146Mt,另外海洋也是一個巨大的碳匯。

3 全球碳的主要源和匯(百万噸/年)

化石燃料燃燒排放

5700

土地利用變化排放

2000

海洋吸收

2500

植物生态系統吸收

1000

CO2合計

自然源

人為源

年吸收

年增量

770000

23100

781400

11700

引自王彥佳. 氣候變化與溫室氣體減排,2005

温室气体与气候变化

2.甲烷CH4
隨著人口劇增、水田耕作以及畜牧業發展,大氣中的CH4濃度越來越高,全球大氣CH4濃度從工業革命前的715ppb增加到了20世纪90年代的1732ppb,2005年更是高达1774ppb,遠遠超过了過去65萬年來自然因素引起的變化範圍320~790ppb。據聯合國预測,21世紀末大氣中的CH4浓度將翻一番,達到3500ppb。

4 大氣中CH4的濃度變化(ppb

年份

工業革命以前

20世紀90年代

2005

21世紀末

大氣CH4濃度

715

1732

1774

3500

數據來自冰芯資料和直接觀測與預測

                    大氣中CH4每月平均混合比

温室气体与气候变化

免費論文下載中心 http://www.hi138.com 資料顯示,北半球大氣中CH4的平均濃度明顯比南半球高,可能是因為北半球受人類活動影響比較大,估計人為源占60%,主要是水田耕作、畜牧業發展、生物質燃烧以及固體廢棄物填埋。另外自然湿地由於其良好的厭氧发酵條件而向大氣釋放大量CH4,约占25%。大氣中的CH4可與羥基自由基發生氧化還原反應而去除,少量會向平流層輸送,也有部分被土壤吸收。

温室气体与气候变化

3.一氧化二氮N2O
全球N2O濃度從工業革命前的270ppb增加到了2005年的319ppb,冰芯分析結果表明,直到20世紀中葉,大氣中N2O的濃度一直處於285ppb左右,其後就呈現出明顯的增長趨勢。目前大氣中的N2O濃度的年增長率約為0.25%,即平均每年增加0.8ppb。

温室气体与气候变化

世界各地的觀測資料幾乎沒有顯示出南北半球大氣中N2O的濃度差,可能是因為它本身濃度很低,人為排放量小,也可能與N2O在大氣中的壽命較長有关。不過像燃燒化石燃料、施用化學肥料以及生物質燃燒等人類活動無疑會向大氣排放N2O,其中人為源有60%~70%来自耕作土壤,另外一些工業生產过程如硝酸、尼龍、合成氨和尿素等也會向大氣釋放N2O。大氣中N2O的自然源則主要包括森林、草地和海洋等自然系統,約占總排放量的60%。N2O在大氣中非常穩定,主要通過光化学反應除去,另外土壤也能吸收少量N2O。

6 大氣中N2O的源和汇(百萬噸/年)

N2O

自然源

人為源

年吸收

年增量

9.5

6.9

12.6

3.8

引自王彥佳. 氣候變化與溫室气體減排,2005

4.氟氯烴CFCs
大氣中原本不存在CFCs,只因為它們是理想的制冷劑和气溶膠噴霧劑,長期以來被广泛應用於制冷、泡沫、消防、气溶膠和清洗等部門。人類活動向大氣排放的CFCs是一種重要的溫室气體,還會破壞臭氧層。近幾十年來,大氣中的CFC11和CFC12始終以4%左右的年增長率迅速增加,目前已達到0.4ppb,未來還會緩慢增加。CFCs在對流層會與羥基自由基反應,在平流層中發生光化學分解而去除。

温室气体与气候变化

温室气体与气候变化

三、城市熱島
正如溫室氣體會導致全球變暖,城市熱島對氣候變化也有一定貢獻。在人口高度密集、工業集中的城市區域,由人類活动排放的大量熱量與其他自然條件的共同作用致使城區氣溫普遍高於周圍郊區,人們把這種現象稱為“人造火山”。高溫的城市處於低温郊區的包圍之中,如同汪洋大海中的一個小島,因此也稱為“城市熱島”。城市熱島強度表現為夜間大于白天,日落以後城郊溫差迅速增大,日出以後又明顯減小,主要由以下幾種因素綜合形成。
城市建築物和水泥路面大多導熱性好,受熱傳熱快。城市建築物密度越大,布局越呈團塊狀,下墊面對太陽輻射吸收就越明显,吸收的太陽輻射總量就越多。布局越呈團塊狀,下墊面的天穹可見度就越小,地表热量損失的空間就越小,地面通過長波輻射損失的热量就越少,氣溫就越高。城市建築物參差不齊,形成許多高寬比不同的城市街谷,這种復雜的立體下墊面在白天能比郊區獲得較多的太陽輻射,在夜晚相對於空曠的郊区來說不易散開熱量,導致了城市熱島的形成。

温室气体与气候变化

 引自肖榮波等. 城市熱島時空特征及其影響因素,2007


人口高度密集、工業集中,燃燒的工業鍋爐及冷氣、采暖等固定热源,機動車輛、人群等流動熱源大量釋放城市廢熱。有資料顯示,在人口為50~100萬的城市氣溫要比郊區高1.1~1.2℃,人口超過100萬的城市城郊溫差为1.2~1.5℃。
高聳入雲的建築物造成近地表通風不良。
人類活動釋放的廢氣改變了城市上空的大氣組成,使其吸收地面長波輻射的能力增強。

温室气体与气候变化

總的來說,城市熱島强度與城市規模、人口密度以及氣象條件有關,其影響不容忽視,對氣候變化也有一定贡獻。
城市熱島使城區冬季縮短,霜雪減少,有時甚至发生郊區降雪而城內降雨的情況,如上海1996年1月17~18日。
城市热島在中低緯城市造成的高溫容易導致夏季中暑和死亡的人數增加,1980年7月熱浪襲击聖路易斯和堪薩斯,兩市商業區死亡率分别提高了57%和64%,而附近郊區死亡率只增加10%。
熱島效應使城市上空雲霧量增多,導致城市的降水量發生變化,形成明顯的“雨島效應”和“霧島效應”,2000年上海市區汛期雨量平均比遠郊多50mm以上,相當於多下了一場暴雨。
城市熱島會使城市耗電量及用水量大增,从而耗掉大量能源,造成更多的廢熱,進一步加強熱島效应和其他氣候效應,形成惡性循環。
城市熱島使市區溫度高,熱空气上升,周圍冷空氣向市區匯流補充,結果把郊區工廠的煙塵和由市區擴散到郊區的汙染物重新聚集到市區上空,加重了大氣汙染。
緩解城市熱島效應需要廣泛有效的氣象環境監測,減少人為热的排放,開發新能源,發展溫排水冷卻技術。此外還要優化城市結構,搞好城市綠化工作,發展城市公共交通系統,減少汽車尾氣排放。
四、氣候變化
不管是溫室氣体還是城市熱島,對氣候變化都有不可推卸的責任。IPCC第四次評估報告指出,21世纪末氣候變暖引起海平面平均升高26~59cm,因海平面升高等异常氣象災害造成的难民將達到2億人。1960年以來,西半球中緯度西風在加強。1970年之後,在熱帶和亞熱帶地區觀测到了更強和更長時間的幹旱。強降水的發生頻率有所上升,與气候變暖和觀測到的大氣水氣含量增加相一致。近50年來已經觀测到極端溫度的大範圍變化,冷晝、冷夜和霜凍更為少見,而熱晝、熱夜和熱浪卻更加頻繁。1970年以來全球呈現出熱帶氣旋強度不斷增大的趨勢,伴隨著更大的風速和更強的降水。IPCC預測,未來多年凍土區的融化深度會廣泛增加,南北極海冰將退縮。熱帶以外的風暴路徑會向極地方向移動,引起非熱帶地區的風、降水和溫度場變化。高緯地區的降水量很可能增多,而多數亞熱帶大陸地區的降水量则有可能減少。

温室气体与气候变化

温室气体与气候变化

免費論文下載中心 http://www.hi138.com

氣候變化不可避免會引發一系列連锁反應,海平面上升直接威脅到沿海地區人們的生命財產安全。全球變暖和幹濕格局變化對動植物适應和農業生產都會產生嚴重影響。全球水資源分布變化會明顯改变河川徑流和水分平衡值,進而改變河湖的總水量和水位並由此引發一系列的水文學问題。熱帶氣旋、洪水、雷暴、熱浪、雪崩、幹旱、泥石流和海嘯等與氣候變化直接相關的自然災害頻頻發生,造成巨大损失。例如1998年中國長江流域發生特大洪水,受災人口達2.23億,經濟損失高達2700億元,2004年印度尼西亞海嘯有20多萬人喪失了寶貴的生命。

温室气体与气候变化

温室气体与气候变化

五、蓋亞假說Gaia hypothesis
既然氣候變化的後果这麽嚴重,而全球變暖還在繼續,地球就真的那麽不堪一擊嗎?英国大氣學家拉伍洛克James Lovelock早在20世紀60年代末就提出了蓋亚假說Gaia hypothesis,認為地球上的生物不僅生成了大气,而且還調節著大氣,使其保持一种穩定的氣體構成,從而有利於生命的存在。地球上的生命及其物質環境,包括大氣、海洋和地表巖石是緊密聯系在一起的系統進化。生命首次出現的地球完全不同於今天的地球,那時地球大氣充滿了CO2,根本就沒有O2。根據恒星演化理論,那時的太陽溫度要比現在低25%~30%,早期的溫室效應使地球保持溫暖的狀態。隨著太陽溫度的升高,海水變熱,蒸发強烈,再加上若幹億噸蕴藏在碳酸鹽巖石中的CO2釋放出來,長此以往溫室效應必將失控。幸運的是,大約在20億年前海洋中開始出現藍藻,它们通過光合作用使大气中的CO2轉化為有機化合物,释放出O2,拯救了整個生命世界。地球從誕生之日起就從來沒有平静過,除了各種旱澇、颶風、海嘯、地震以及火山爆發之外,它還不断地被來自宇宙空間的巖石碎块所轟擊。平均大約一億年就有一顆巨大的隕星撞擊地球,往地球大氣中註入大量塵埃和氣體,遮蔽住陽光,使地球遭受極大的災難,大量物種灭絕,例如恐龍的滅絕就是一個典型的例子。但6500万年前恐龍滅絕之後經過漫長的年代地球上又出現了新物種,這表明地球上生物和環境結合起來的系統是強健的並能很快修復自己的創傷。雖然災難發生时生命對全球環境的控制會暫時中斷,但在事後生命會迅速恢復控制並重新啟動調節功能。这並不意味著地球沒有變化,因為物種更新了,環境也有所改變。總之,蓋亞假說認為地球上的生物與環境結合起來的大系统一般來說是穩定的,但當其處於超越自身調節能力的非常狀態時,也會發生突變。
蓋亞假說的核心思想是認為地球是一個生命有機體,拉伍洛克说地球是活著的, 其本身就是一個巨大的生命有機體, 具有自我調節能力。 為了這個有機體的健康, 假如她的內在出現了一些對她有害的因素,蓋亞本身具有一种反饋調節機能,能夠將那些有害因素去除掉。生物演化與環境變化是藕合的過程,自然選擇的生物進化是行星自我调節的一個重要部分,生物通過反饋對氣候和環境進行调控,造就適合自身生存的環境。
自地球形成以来的46億年中,太陽輻射強度增加了25%~30%。從理論上講,太陽輻射強度增減10%就足以引起全球海洋蒸發幹涸或全部凍結成冰,但地質歷史記錄卻证明,地球上盡管發生過三次大冰期和大冰期內的暖熱期交替變化,地表的平均溫度變化僅在10℃上下,說明地球存在某種內部的自我調節機制。當前大氣中溫室氣體的濃度越來越高,全球變暖越來越明显,理論上將導致陸地植被向两極擴展,面積不斷增大,对CO2等溫室氣體的吸收能力也越來越強,這又反過來降低了大氣中溫室氣體的濃度,即地球上存在著負反饋調节機制。
根據蓋亞假說,地球上的各種生物能有效調节大氣的溫度和化學構成,影响生物環境,而環境又反過來影響達尔文的生物進化過程,兩者共同進化。各種生物與自然界之間主要由負反饋環連接,從而保持地球生态的穩定狀態。大氣能保持稳定狀態不僅取決於生物圈,而且在一定意義上為了生物圈。各種生物調節其物質環境,以便創造各類生物優化的生存條件。
盖亞假說認為,地球表面的溫度和化学組成是受生物圈主动調節的。地球大氣的成分、溫度和氧化還原状態等受天文、生物或其他幹擾而發生變化並產生偏離。生物通過改變其生長代谢對偏離做出反應,以緩和地球表面的變化。全球變暖導致海平面上升,威脅萬物生存,從蓋亞假說的角度來看,地球不會變得如此不適合萬物生存,總會有一些制衡作用應運而生,而所有作用加起來就是一個恒定的地球。把地球看成一個最大的生物,一些看似不平衡的現象就可以用個体生物上的觀念來理解。我們發現氣温上升、鹽度增加等現象會導致藻類增加二甲基初油酸的排放量,而二甲基硫的增加會使得大氣的反射率增加,進而降低地表溫度。
雖然根據蓋亞假說,地球母亲這個巨大的生命有機體能有效抵制外來變化以保持自身的穩定,適應萬物生存,但是這並不代表人類所做的一切都有一個凡事包容的媽媽在為他們處理善後。我們不是悲觀主義者,但我們也不要過於樂觀,作為孩子的我們應該學會認錯,更應該懂得弥補。蓋亞假說本身並不是判断人們的行為正確與否的最終道德標準,從哲學的角度來看,物極必反,事物性質的穩定需要一個“度”,一旦超過了這個“度”,事物必然會發生質變。人类肆無忌憚的破壞速度是蓋亞母親來不及趕上的,今天的盖亞假說並不是給人類的所作所為找一個下臺階,而是提供一個思考或研究的方向來合理地對待我們的環境,甚至期待人们可以將創造力用於幫助大地之母,至少不要再增加她的負擔。
六、展望
正如我們不能全靠地球母親來處理善後,氣候变暖將持續數百年,會帶來一系列灾難性後果,各國政府應該積極采取有效措施。我們不僅要嚴格控制人口增長,減少化石燃料燃燒,開發新能源,還要植樹造林,合理利用土地,停止使用氟氯烴等化合物。
科學家還設想了一些方案,比如說把CO2儲存到地下,從空氣中過濾CO2,向海洋傾斜鐵粉以促進那些吞噬CO2的浮遊生物大量繁殖,把CO2轉變成巖石,向云層噴灑微鹽粒子以提高云層反射太陽光的能力,還有用太空鏡過濾太阳光等。
其實有些技術早已成為現實,例如采用食品級CO2替代氟氯烴進行煙丝膨化。光明化工研究設計院开發了利用超臨界CO2進行無水印染技術,中試各項性能指標达到傳統工藝水平。工业氣體生產商德國林德公司推出的幹洗新方法,使用基於CO2的洗滌技術,讓綠色化學進入洗衣业。上海化工設計院以焦炭為原料,CO2為氣化剂,經還原法制備出粗CO氣,再采用組合裝置對粗CO氣進行凈化精制,生產出高純CO氣。日本關西電力公司和三菱重工公司正在開發用CO2和H2生產二甲醚的新方法,從工業设施捕集CO2和H2反應生成甲醇,甲醇再脫水產生二甲醚。內蒙古蒙西高新技術集团在國內首創全生物降解CO2共聚物技術,從水泥窖尾氣中提取CO2作为原料用於全降解塑料生產。河南省上蔡駿馬廣建化工公司采用上海化工研究院有機化工研究所開發的CO2废氣在近臨界狀態下與環氧丙烷直接合成碳酸丙烯酯的清潔生產新工藝,利用化肥生產中富余的CO2直接進行生產,可節約蒸汽40%,節約電65%,節約水60%,設備投資減少30%以上。

參考文献:1.政府間氣候變化專門委員会IPCC第四次評估報告. 氣候變化的影響、適應與脆弱性,2007
     2.陳新光,潘蔚娟,張江勇,罗曉玲. 氣候顯著變暖使廣州極端氣候事件增多. 廣東气象第29卷第2期,2007
     3.江學頂,夏北成,郭濼,李楠. 廣州城市热島空間分布及時域-頻域多尺度變化特征. 應用生態學報第18卷第1期,2007
     4.肖榮波,歐陽誌雲,李偉峰,張兆明,王效科. 城市熱岛時空特征及其影響因素. 氣象科學第27卷第2期,2007
     5.田武文,黃祖英,胡春娟. 西安市氣候變暖与城市熱島效應問題研究. 應用氣象學報第17卷第4期,2006
     6.景元書,謝濟善. 城市熱岛效應影響因素分析. 中國科技信息第21期,2006
     7.範彩玲,高向陽,朱保安. 溫室效應及其防治對策. 安徽農業科學第34卷第20期,2006
     8.Wang shaowu,Luo Yong,Zhao Zongci,Dong Wenjie,Yang Bao. Debating about the Climate Progress in natural science,VOL.16 NO.1,2006
     9. 王彥佳. 氣候變化與温室氣體減排. 中國石油和化工經濟分析,2005
     10.張強,韓永翔,宋連春. 全球氣候變化及其影響因素研究進展綜述. 地球科學進展第20卷第9期,2005
     11.劉强,劉嘉麒,賀懷宇. 溫室氣體濃度變化及其源與汇研究進展. 地球科學進展第15卷第4期,2000
     12.郭李萍,林而達. 減緩全球變暖與溫室氣體吸收匯研究進展. 地球科學進展第14卷第4期,1999
     13.張金屯. 全球氣候變化對自然土壤碳、氮循環的影響. 地球科學第18卷第5期,1998
     14.Stephen H. Schneider and Penelop J. Boston,edit. Scientists on Gaia. Cambridge Massachusetts. The MIT Press,1993
     15.James Lovelock. The Ages of Gaia: A Biography of Our Living Earth. New York. Bantan Books, 1990
     16.James Lovelock. Healing Gaia. New York. Harmony books,1991

免費論文下載中心 http://www.hi138.com
下载论文

論文《溫室氣體與氣候變化》其它版本

地質學論文服務

網站聲明 | 聯系我們 | 網站地圖 | 論文下載地址 | 代寫論文 | 作者搜索 | 英文版 | 手機版 CopyRight@2008 - 2017 免費論文下載中心 京ICP备17062730号