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大气温室效应

大气温室效应原理

全球地面平均温度约为15℃. 如果没有大气,根据地球获得的太阳热量和地球向宇宙空间放出的热量相等,可以计算出地球的地面平均温度应为 -18℃。因此,这33℃之差就是因为地球有大气,大气像被子一样造成温室效应。 地球大气的这种保温作用,很类似于种植花卉的暖房顶上的玻璃(因此温室效应也称暖房效应或花房效应)。

目录

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1 简介
2 温室效应源自温室气体
3 大气温室效应动态
4 温室效应将使极地冰雪大量融化
5 温室效应的影响

大气温室效应 - 简介

温室效应原理图二

温室效应是指透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热交换而形成的保温效应,就是太阳短波辐射可以透过大气射入地面,而地面增暖后放出的长短辐射却被大气中的二氧化碳等物质所吸收,从而产生大气变暖的效应。大气中的二氧化碳就像一层厚厚的玻璃,使地球变成了一个大暖房。据估计,如果没有大气,地表平均温度就会下降到——23℃,而实际地表平均温度为15℃,这就是说温室效应使地表温度提高38℃。

除二氧化碳以外,对产生温室效应有重要作用的气体还有甲烷、臭氧、氯氟烃以及水气等。随着人口的急剧增加,工业的迅速发展,排入大气中的二氧化碳相应增多;又由于森林被大量砍伐,大气中应被森林吸收的二氧化碳没有被吸收,由于二氧化碳逐渐增加,温室效应也不断增强。据分析,在过去二百年中,二氧化碳浓度增加25%,地球平均气温上升0.5℃。估计到下个世纪中叶,地球表面平均温度将上升1.5——4.5℃,而在中高纬度地区温度上升更多。

空气中含有二氧化碳,而且在过去很长一段时期中,含量基本上保持恒定。这是由于大气中的二氧化碳始终处于“边增长、边消耗” 的动态平衡状态。大气中的二氧化碳有80%来自人和动、植物的呼吸,20%来自燃料的燃烧。散布在大气中的二氧化碳有75%被海洋、湖泊、河流等地面的水及空中降水吸收溶解于水中。还有5%的二氧化碳通过植物光合作用,转化为有机物质贮藏起来。这就是多年来二氧化碳占空气成分0.03%(体积分数)始终保持不变的原因。

全球的地面平均温度约为15℃。可是,如果没有大气,根据地球获得的太阳热量和地球向宇宙空间放出的热量相等,可以计算出地球的地面平均温度应为-18℃。因此,这33℃大体就是因为地球有大气,大气像被子一样造成温室效应之故。

世界上,宇宙中任何物体都辐射电磁波。物体温度越高,辐射的波长越短。太阳表面温度约6000K,它发射的电磁波长很短,称为太阳短波辐射(其中包括从紫到红的可见光)。地面在接受太阳短波辐射而增温的同时,也时时刻刻向外辐射电磁波而冷却。地球发射的电磁波长因为温度较低而较长,称为地面长波辐射。短波辐射和长波辐射在经过地球大气时的遭遇是不同的:大气对太阳短波辐射几乎是透明的,却强烈吸收地面长波辐射。大气在吸收地面长波辐射的同时,它自己也向外辐射波长更长的长波辐射(因为大气的温度比地面更低)。其中向下到达地面的部分称为逆辐射。地面接受逆辐射后就会升温,或者说大气对地面起到了保温作用。这就是大气温室效应的原理。

地球大气的这种保温作用,很类似于种植花卉的暖房顶上的玻璃(因此温室效应也称暖房效应或花房效应)。因为玻璃也具有透过太阳短波辐射和吸收地面长波辐射的保温功能。

大气温室效应 - 温室效应源自温室气体

温室效应原理图三

大气中每种气体并不是都能强烈吸收地面长波辐射。地球大气中起温室作用的气体称为温室气体,主要有二氧化碳(CO2)、甲烷、臭氧、一氧化二氮、氟里昂以及水汽等。它们几乎吸收地面发出的所有的长波辐射,其中只有一个很窄的区段吸收很少,因此称为"窗区"。地球主要正是通过这个窗区把从太阳获得的热量中的70%又以长波辐射形式返还宇宙空间,从而维持地面温度不变,温室效应主要是因为人类活动增加了温室气体的数量和品种,使这个70%的数值下降,留下的余热使地球变暖的。

不过,CO2等温室气体虽然吸收地面长波辐射的能力很强,但它们在大气中的数量却极少。如果把压力为一个大气压、温度为0℃的大气状态称为标准状态,那么把地球整个大气层压缩到这个标准状态,它的厚度是8000米。目前大气中CO2的含量是355ppm,即百万分之355,把它换算成标准状态,将是2.8米厚。在8000米厚的大气中就占这2.8米厚这一点点。甲烷含量是1.7ppm,相应是1.4厘米厚。臭氧浓度是400ppb(ppb为ppm的千分之一),换算后只有3毫米厚。一氧化二氮是310ppb,2.5毫米厚。氟里昂有许多种,但大气中含量最多的氟里昂12也只有400ppt(ppt又为ppb的千分之一),换算到标准状态只有3微米。由此可见大气中温室气体之少。也正因为如此,所以人为释放如不加限制,便很容易引起全球迅速变暖。

温室效应原理图四

早在1938年,英国气象学家卡林达在分析了19世纪末世界各地零星的CO2观测资料后,就指出当时CO2浓度已比世纪初上升了6%。由于他还发现从上世纪末到本世纪中叶全球也存在变暖倾向,因而在世界上引起了很大反响。为此,美国斯克里普斯海洋研究所的凯林于1958年在夏威夷的冒纳罗亚山海拔3400米的地方建立起了观测所,开始了大气中CO2含量的精密观测。由于夏威夷岛位于北太平洋中部。,因而可以认为它不受陆地大气污染影响,观测结果有可靠性。

1958年4月到1991年6月,人们对冒纳罗亚山大气中CO2的浓度进行了观测,发现1958年大气中CO2含量不过315ppm左右,而1991年已经达到了355ppm。问题的严重性还在于,目前(1996年)人类每年燃烧55亿吨化石燃料(每吨约产生4吨CO2)中,大约只有一半进入了大气,其余一半主要被海洋和陆地植物所吸收。一旦海洋中CO2达到饱和,大气中CO2含量将成倍上升。此外,他们还发现CO2含量还有季节变化,冬夏可以相差6ppm。这主要是由于北半球广阔大陆上植被冬枯夏荣的结果,也就是植物在夏季大量吸收CO2因而使大气中CO2浓度相对降低。

根据对南极和格陵兰大陆冰盖中密封的气泡中空气的CO2浓度测定,过去长期以来大气中CO2含量一直比较稳定,大体是280ppm左右。只是从18世纪中叶,即工业革命前后开始稳定上升。即人类用了240年时间,使大气中CO2浓度从280ppm上升到355ppm。

甲烷是仅次于CO2的重要温室气体。它在大气中的浓度虽比CO2少得多,但增长率则大得多。据联合国政府间气候变化委员会(IPCC)1996年发表的第二次气候变化评估报告(《报告》),从1750-1990年共240年间CO2增加了30%,而同期甲烷却增加了145%。甲烷也称沼气,是缺氧条件下有机物腐烂时产生的。例如水田,堆肥和畜粪等都会产生沼气。一氧化二氮又称笑气,因为吸入一定浓度的这种气体后会引起面部肌肉痉挛,看上去像在发笑一样。主要是使用化肥,燃烧化石燃料和生物体所产生。大气中的臭氧含量,在平流层中虽有减少,但在对流层中是增加的,这在后面还要专门谈到。氟里昂气体是氯、氟和碳的化合物;自然界里本不存在,完全是人类制造出来的。由于它的融点和沸点都比较低,不燃,不爆,无臭,无害,稳定性极好,因此广泛用来制造制冷剂、发泡剂和清洁剂等。地球大气中浓度最高的氟里昂12和氟里昂11含量虽都极少,但过去增长率却很高,都是年增5%。由于它剧烈破坏大气臭氧层,根据1987年国际《蒙特利尔议定书》它在大气中的浓度从21世纪初开始可望逐渐减少。

应当说明,CO2以外的其他温室气体在大气中的浓度虽比CO2小得多,有的要小好几个量级,但它们的温室效应作用却比CO2强得多。因此它们对大气温室效应的贡献,根据IPCC第二次《报告》,都只比CO2低一个量级。如果说它们对地球大气温室效应的总贡献和CO2相比,在1960年以前还是很小的话,那么不久的将来便会和CO2并驾齐驱以至超过CO2,这是不可忽视的。

大气温室效应 - 大气温室效应动态

近百年来,全球变暖的趋势越来越明显。不仅温带的老人感到冬天越来越暖和,夏天越来越热,就是在南极地区,气温也在增高,积雪日渐减少。科学家将气候的不正常归结为“温室效应”。

“温室”,可以简单地想像为农民种菜的塑料大棚。在冬季或早春,它可以制造并维持适于蔬菜生长的温度。其原理是:作为棚顶的玻璃或塑料膜,既能让可见光携带热量进入室内,又能吸收红外辐射,阻止热量散发,使室内温度升高,“温室”因此而得名。

从太阳辐射到地球上层大气里的能量是巨大的,如果太阳的能量全部到达地球表面并保存下来,那么,我们这颗行星早就烧灼蒸发掉了。事实上,辐射到地球的太阳能约有50%直接从大气反射或者为大气吸收以后再返回空间,余下的50%是直接的或由云、大气或颗粒物散射到地球的表面,地球把吸收的能量再向大气层辐射以维持辐射平衡;地球表面的温度之所以能维持在舒适的15℃左右,其原因是由水和CO2两者共同作用的结果。大气中水分子和二氧化碳能吸收大量的红外线辐射,而所吸收的能量中一半又辐射回地面。水能吸收波长范围在7—8.5μm和11--14μm的红外线辐射,二氧化碳能强烈吸收12—16.3μm之间的辐射,这对维持热平衡起着关键作用。

“温室效应”的产生,是因为大气中过多的二氧化碳、水蒸气以及臭氧、甲烷等“温室效应气体”在空中充当了玻璃或塑料膜的角色。它们吸收红外辐射,阻止地球热量的散失,破坏了大气层与地面间红外辐射正常关系,使地球表面的大气温度上升,地球变暖了。我们把吸收地球释放出来的远红外辐射,促使地球气温升高的气体就称为温室气体。二氧化碳是数量最多的温室气体,还有其它许多痕量气体也会产生温室效应,如含氯氟的烃类、一氧化碳、甲烷等。所有这些气体在大气中的含量虽然没有二氧化碳多,但它们都是烈性的温室气体,若是把它们所产生的热效应累计在一起,就会把二氧化碳所产生的热效应提高50%。因此,目前全球变暖问题的特点和十年前有所不同,过去主要考虑二氧化碳问题,而现在除二氧化碳外还应考虑各种具有温室效应的其它气体的作用。

“温室效应”或说全球变暖,造成天气干旱或旱涝不均,使地面植物生长受影响,地面沙漠化加剧,沙尘暴频繁发生,也必然会影响大气质量。有人推测,随着温室气体的增加,到21世纪中叶,地球的冰雪将融化一大半,从而造成海洋水位上升,有可能淹没大量沿海城市,导致人类自然环境和生态环境的更大破坏。因此,温室效应将给人类带来综合性灾难。

大气温室效应 - 温室效应将使极地冰雪大量融化

如果二氧化碳含量比现在增加一倍,全球气温将升高3 ℃~5 ℃,两极地区可能升高10 ℃,气候将明显变暖。气温升高,将导致某些地区雨量增加,某些地区出现干旱,飓风力量增强,出现频率也将提高,自然灾害加剧。更令人担忧的是,由于气温升高,将使两极地区冰川融化,海平面升高,许多沿海城市、岛屿或低洼地区将面临海水上涨的威胁,甚至被海水吞没。20世纪60年代末,非洲下撒哈拉牧区曾发生持续6年的干旱。由于缺少粮食和牧草,牲畜被宰杀,饥饿致死者超过150万人。 这是“温室效应” 给人类带来灾害的典型事例。因此,必须有效地控制二氧化碳含量增加,控制人口增长,科学使用燃料,加强植树造林,绿化大地,防止温室效应给全球带来的巨大灾难。 科学家预测,今后大气中二氧化碳每增加1倍,全球平均气温将上升1.5~4.5℃,而两极地区的气温升幅要比平均值高3倍左右。因此,气温升高不可避免地使极地冰层部分融解,引起海平面上升。海平面上升对人类社会的影响是十分严重的。如果海平面升高1 m,直接受影响的土地约5×106 km2,人口约10亿,耕地约占世界耕地总量的1/3。如果考虑到特大风暴潮和盐水侵入,沿海海拔5 m以下地区都将受到影响,这些地区的人口和粮食产量约占世界的1/2。一部分沿海城市可能要迁入内地,大部分沿海平原将发生盐渍化或沼泽化,不适于粮食生产。同时,对江河中下游地带也将造成灾害。当海水入侵后,会造成江水水位抬高,泥沙淤积加速,洪水威胁加剧,使江河下游的环境急剧恶化。温室效应和全球气候变暖已经引起了世界各国的普遍关注,目前正在推进制订国际气候变化公约,减少二氧化碳的排放已经成为大势所趋。科学家预测,如果我现在开始有节制的对树木进行采伐,到2050年,全球暖化会降低5%。

大气温室效应 - 温室效应的影响

受到温室效应和周期性潮涨的双重影响,西太平洋岛国图瓦卢的大部分地方,即将被海水淹没,包括首都的机场及部分住宅和办公室。

由于温室效应会导致南北极冰雪融化,水平线上升,直接威胁图瓦卢,所以该国在国际环保会议上一向十分敢言。前总理佩鲁曾声称图瓦卢是“地球暖化的第一个受害者”。

温室效应可使史前致命病毒威胁人类:

美国科学家近日发出警告,由于全球气温上升令北极冰层溶化,被冰封十几万年的史前致命病毒可能会重见天日,导致全球陷入疫症恐慌,人类生命受到严重威胁。

纽约锡拉丘兹大学的科学家在最新一期《科学家杂志》中指出,早前他们发现一种植物病毒TOMV,由于该病毒在大气中广泛扩散,推断在北极冰层也有其踪迹。于是研究员从格陵兰抽取4块年龄由 500至14万年的冰块,结果在冰层中发现TOMV病毒。研究员指该病毒表层被坚固的蛋白质包围,因此可在逆境生存。

这项新发现令研究员相信,一系列的流行性感冒、小儿麻痹症和天花等疫症病毒可能藏在冰块深处,目前人类对这些原始病毒没有抵抗能力,当全球气温上升令冰层溶化时,这些埋藏在冰层千年或更长的病毒便可能会复活,形成疫症。科学家表示,虽然他们不知道这些病毒的生存希望,或者其再次适应地面环境的机会,但肯定不能抹煞病毒卷土重来的可能性。

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