大气温室气体红外光谱的分析.doc

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：123154 大气温室气体红外光谱的分析 黄晓璜，崔国民，胡金鹏，华泽钊 （上海理工大学新能源科学与工程研究所，上海，200093） （Tel:021E-mail: huangxiaohuang@126.com） 摘 要 本文从温室气体红外吸收光谱的角度出发，结合其产生的温室效应，分析了二氧化碳、水汽、甲烷、氧化亚氮和臭氧等主要温室气体的红外光谱的分布特点，比较了不同温室气体间吸收光谱的峰值以及分布范围；最后结合混合均匀大气的光谱特点，计算了不同波段下温室效应的强度。 关键词 温室气体，气体光谱，地表辐射，温室效应 0 引言 地球之所以具有适合于生存的温度环境，一方面是太阳辐射提供的能量，另一方面，更重要的是地球上拥有独特的大气环境，其中的温室气体产生的温室效应作用起到了保温的效果，使得地表平均温度升高为更适合生存的15℃。若没有温室气体的作用，地球表面温度仅有-18℃。可以说，以、、、和为代表的温室气体，对于地球环境的形成具有至关重要的作用。据IPCC第四次报告[1]表明，工业革命百年以来，全球温度平均升高了0.74±0.18℃，其产生的根源也正是由于人类活动造成的温室气体浓度大幅提高的结果[2,3]。然而，温室气体造成的这一效果和它们自身的辐射光谱吸收性能是密不可分的。本文将重点从温室气体的光谱特点出发，分析主要温室气体对地表红外辐射的吸收特点，并对不同温室气体之间的光谱进行比较。 如果不考虑温室气体间光谱的重叠吸收作用，以及大气温室气体其他因素的影响，温室气体的吸收性能取决于其自身的光谱吸收能力和其在大气中的含量、分布情况。HITRAN是具有高分辨率的光谱参数数据库，原早是由空军剑桥研究实验室（1960年）编制的。目前，HITRAN on the Web可以解决的问题有强度直方图、吸收系数、吸收和传输计算。本文采用必威体育精装版的HITRAN数据[4]，在相同温度、压力和浓度条件下，对每种温室气体的光谱吸收性能进行分析比较。 1.1 二氧化碳吸收光谱 是全球变暖最受关注的温室气体之一。工业革命以来，由于人类活动的影响使其含量急剧增加，1960年到2005年的增加速率为1.4 ppm yr-1。在空间分布上，在 大气中混合均匀。在HITRAN on the Web中，可以得到任意温度、压力下的吸收系数值，本文取温度300K、压力1atm条件下的光谱吸收系数。的吸收系数谱线线性选择为Voigt线性，得到以波数分布的吸收系数数据，转化为对应波长下的吸收系数参数。因此，在温度300 K、压力1atm条件下的吸收光谱分布，分段表示如图1。 从上图中可以看到的强吸收带为2.7、4.3和14.7，相应的峰值分别为0.3cm-1、23.6 cm-1和21.9 cm-1。此外，还有弱吸收带1.4、1.6、2.0、4.8、5.2、9.4和10.4 。在大气之窗8-12吸收能力相对很弱，与4.3强吸收带相差4个数量级。 基金项目：国家自然科学基金；上海市重点学科建设项目（S30503）。 图1-a 的吸收光谱0~4 图1-b 的吸收光谱4~8 图1-c 的吸收光谱8~13 图1-d 的吸收光谱13~50 1.2 水汽吸收光谱 水汽是最重要的温室气体，在光谱吸收方面，吸收能力遍布可见波段和红外波段；水汽在大气中的总含量排在氮气、氧气、氩之后的第4位，其含量在空间，沿垂直高度分布不均匀，主要集中分布在对流层内；同时，不同纬度、不同季节含量也不同，而且可以有1~2个数量级的变化。此外，水汽对温度机制反馈明显，水循环使水汽含量随温度等因素反馈在大气中。水汽在温度300 K、压力1atm时的吸收系数光谱分布分段表示如图2。可以看到水汽的强吸收带为2.7、6.3 和大于13光谱范围均为强吸收带。2.7、6.3光谱带对应的吸收系数峰值分别为0.62cm-1、1.1 cm-1。此外，水汽还有若干弱吸收带，如1.1、1.4等。 图2-a 水汽的吸收光谱0~8 图2-b 水汽的吸收光谱8~13 图2-c 水汽的吸收光谱13~20 图2-d 水汽的吸收光谱20~50 1.3 甲烷吸收光谱 是大气中最丰富的碳氢化合物，同时也是受人类活动影响最重要的大气温室气体之一。在的含量变化方面，工业革命以前，大气中的浓度一直在700ppb左右，但2005年已经达到1774ppb，增长了大约2.5倍。而目前的增长趋势有趋缓的迹象。 图3-a