溫室气体与温室效应.docVIP

温室气体与温室效应 近百年来，全球的地面气温呈明显上升趋势。根据气象学记录，自1860年以来，地球表面的平均气温升高了0.6摄氏度。而进入了20世纪，全球温度进一步升高。其中1998年又创历史新高，是20世纪最热的一年，它比1860年至2000年间的平均值高了0.55摄氏度。同时，20世纪北半球温度的增幅是过去1000年最高的。总的变暖趋势越来越明显。气候变暖使南极，北极及高山大冰川融化，融化的水流向海洋，从而使海平面上升。在过去的一百年里，全世界海平面一共上升了10~20cm。而且自从20世纪60年代后期以来，冰雪的覆盖面积已经减少了10%。 1．温室气体 温室气体通常是指大气中那些让太阳短波辐射自由通过，同时强烈吸收地面和空气放出的长波辐射（红外线），对地表有一种遮挡作用的气体。 地球形成初期存在的12种主要元素，按丰度递减，依次是H（90%），He（9%），O，Ne，N，C，Si，Mg，Fe，S，Ar和Al。在这12种元素中，只有C，H，O，N和S能结合成分子并进入大气中，最初只有水，氨和甲烷，硫化氢，氢。在进化过程中，不少氢，氦，氖和氩逃逸到太空中，但由于引力作用，这些气体的大部分都被吸引在地表附近，大气层演变为由氨，甲烷，水蒸气和硫化氢组成。 地球的大气层通过光解作用演变的含有丰富的氧。地球的引力不能留住所有的氢气，但能留住大部分的氧气。游离的氧具有从其他气体中夺取氢原子重新形成水分子的趋势。氧从氨中夺取氢后，留下游离氮，从甲烷中夺取氢生成二氧化碳。千百年以后，地球大气中留下的主要是氮，氧，二氧化碳和水蒸气。如今，地球大气以氮，氧和氩为主，其他成为微量气体。那些与产生温室效应有关的微量气体便是温室气体。 温室气体有以下几种： 1、水蒸汽(H2O) 水蒸汽是大气中最主要的温室气体。水蒸汽所产生的温室效应大约占整体温室效应的60%-70%； 2、二氧化碳(CO2)二氧化碳在大气中大约占26%； 3、臭氧(O3)； 4、甲烷(CH4)； 5、氧化亚氮(又称笑气,N2O)； 6、氢氟氯碳化物。它包括:氟氯碳化物(CFCs)、氢氟碳化物(HFCs)、氯氟烃(HCFCs)等； 7、全氟碳化物(PFCs)； 由于水蒸汽和臭氧的时空分布变化较大,因此在制订减量措施规划时，一般都不将它们纳入。著名的《京都议定书》提出针对6种温室气体进行减量控制，它们是:二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)和六氟化硫(SF6)。其中又以后三种气体形成温室效应的能力最强，但以对全球变暖的影响来说，由于CO2含量最多,因而影响也最大。 1.1 温室气体的特征 温室气体是能够强烈吸收红外线的气体。实际上，根据近代物理化学的研究，这些温室气体是具有红外吸收活性的。由于红外线是一种能量流，在它通过某物质传播时，会引起该物质的电子跃迁或使原子振动，从而使其能量的一部分变成热能，导致其能量的衰减。这样我们就称红外线被该种物质吸收了。 但红外线的吸收也是有条件的。在分子中存在着非极性共价键和极性共价键。分子也分为极性分子和非极性分子。分子极性的强弱可以用偶极矩μ来表示。而只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收光谱，则该分子就被称为红外活性的，而Δμ=0的分子振动不能产生红外振动吸收，则称之为非红外活性的。 分子的振动可以分为改变键长的伸缩振动和改变键角的弯曲振动。而伸缩振动又分为对称伸缩振动和不对称伸缩振动，弯曲振动又分为面内弯曲振动和面外弯曲振动。故而当CO2进行对称伸缩振动时，它不具有红外吸收活性，因为此时它的偶极矩变化为0。但当它进行不对称伸缩振动或进行弯曲振动时，它的偶极矩变化不为0，故此时它具有红外吸收活性。当然，作为非极性键构成的非极性分子，N2，O2根本没有偶极矩，辐射不能引起它们共振，当然就不具有红外吸收活性。图1为分子振动方式： 图1 分子振动方式 但相对来说，一种气体够不够格当温室气体，还应考虑它在大气中的含量和持续的时间。 表1为温室气体的一些具体特点： 表1 温室气体的具体特点 温室气体的寿命：温室气体的分子在产生后的大气存留时间．任何一种温室气体的分子在产生之后，其寿命受多种因素决定．首先，看他是不是容易和其他化学成分反应．再有，它是不是容易被海洋，土壤或植物所吸收或者把它们是放到大气中等等．如二氧化碳的寿命最长，达200年左右，氧化亚氮可达150年左右．变暖潜值：这是比较二氧化碳的变暖效果计算的．如一个二氧化碳在一周年内形成一个单位的增温效果，则一个甲烷63个单位，氧化亚氮270，氟氯烃更大．其中CFC-11为4500。 1.2 温室气体的光谱吸收 地气系统存在着两个主要辐射源，一个是太阳短波辐射（~6000K黑体辐射），其能量峰值在0.5μm附