西交大能源环境学讲义第2章 能源及其现状.doc

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第2章能源及其现状

2.1地球能源系统

地球最初能源来自太阳。地球能源系统，输入：太阳、地热；输出：大气辐射（反射、散射）、地面辐射（反射、散射）；地表附近能量贮存、转换、流动。

2.1.1太阳—大气—地球辐射平衡

辐射是以电磁波将能量从一处传向另一处的传递方式。

万物生长、气象变化所需的最初能源来自太阳。太阳热能辐射到大气、地球，而后又返回空间。

地球的能量收支是平衡的。地球和大气接受太阳辐射，同时又向外发出辐射。地球总体上不积累能量，也不失去能量。因而只要保持这种平衡，地球整体来说，温度不上升也不下降；尽管地球局部有的地方储存能量，有的地方付出能量。但自然的和人为的因素，会时时打破这种平衡。辐射对大气空间的温度分布起决定作用。而热力结构决定了大气运动，继之又作用于污染物的传输、转化、扩散。反过来，污染物又对大气辐射产生影响。温室气体阻挡地球向外界空间的红外辐射，温室气体浓度上升使地球表面温度上升。气溶胶、水蒸汽通过散射太阳短波辐射而影响地球的辐射平衡。污染物使云凝结核增加，影响云的辐射性状，从而对气候产生作用。

在大气上界、日地处于平均距离位置、垂直于太阳光线的单位面积上单位时间的太阳辐射能量，叫太阳常数；数值为S0=1370W/m2。到达地球的太阳辐射要比S0小得多。太阳投向地球的辐射，约30%被反射，其中主要是云（~20%），还有大气中的气溶胶颗粒和气体分子散射（~6%），以及地球表面（~4%）；约21%被空气和云吸收。太阳、大气与地球的辐射平衡如图2.1所示。

图2.1太阳—大气—地球辐射平衡示意图

资料来源：徐玉貌等，大气科学概论，南京，南京大学出版社，2000

南京大学大气科学系，气候学研究，北京，气象出版社，1998

太阳辐射通过大气时受到三种减弱：吸收、散射和反射。有云等的反射；有空气分子的散射，气溶胶粒子的散射和吸收；有痕量气体，主要是水汽、O3、CO2等的吸收。

反射对太阳辐射减弱作用最显著。云层、气溶胶、地面将太阳辐射相当一部分反射回外界空间。主要是云层。反射对波长没有选择性。云的反射能力随云状、云厚而不同。高云反射率25%，低云65%，稀薄云层10~20%，厚云层可达90%；云的平均反射率为50~55%。

太阳辐射遇到空气分子、粒子、云滴等质点发生散射，辐射以质点为中心向周围发散。能量并不损失，只是改变了方向；于是一部分返回外界空间。散射特性依赖于粒子尺度与入射辐射波长λ的相对大小。引进参数ρ=2πr/λ，r为质点半径。当ρ＜0.1(rλ)时，称为瑞利(Raleigh)散射或分子散射；当0.1＜ρ＜50时，称为米(Mie)散射；当ρ＞50(rλ)时散射为几何光学问题。瑞利散射是对称的蚕茧形，前向、后向散射最大。米散射没有对称性，前向散射大，且随ρ增大，散射分布形状越来越不规则，越来越集中于前向散射。

大气中一些成分具有选择性吸收某些波长辐射能的特性。吸收太阳辐射的主要成分是O2、O3(紫外区)、H2O(红外区)，其次是CO2、CH4、N2O等。大气的吸收光谱如图4.3所示。O3的吸收带是：0.2~0.32，0.3~0.36，0.6，9~10?m；CO2的吸收带是1.4，1.6，2.65~2.8，4.15~4.45，13~17?m；水蒸汽的吸收带是0.94，1.1，1.38，1.87，2.55~2.84，5.6~7.6，12~30?m。由图可见，0.29?m以下的太阳紫外辐射几乎被全部吸收了；可见光范围吸收很少；红外区吸收也很强。经过选择性吸收，穿过大气后的太阳辐射光谱变得很不规则。由于大气对太阳辐射的吸收带都位于太阳光谱两端能量较小的区域，因而太阳辐射减弱很小。大气直接吸收的太阳辐射很少，尤其是对流层，太阳辐射不是主要的直接热源。

2.1.2碳循环

自然界中的碳以有机和无机两种形式存在，无机形式主要由二氧化碳和碳酸盐。碳的各种存在形态和流动如图3.11所示。

据估计，全球碳量约为26×1015t，绝大部分以碳酸盐形式固定在岩石圈中。能够供生物利用的二氧化碳存在于大气圈和水圈中。大气中的二氧化碳约有碳量750GtC(GtC—109吨碳)；并在逐年增加，20世纪80、90年代增加速度是3~3.4GtC/a。地球上生物贮存碳量约550GtC，其中森林是生物碳的主要贮存库，约482GtC，大致是大气中碳量的2/3。再多一些的碳贮存于陆地的土壤、动植物残体中（1200~1500GtC），海洋表层水中（1000~2800GtC）。海洋的中层、深层水中贮存量更大。但最大量的碳贮存在沉积物、岩石圈中。

碳的循环流动过程关键在大气—陆地、大气—海表层之间。大气中含碳化学成分主要是二氧化碳、一氧化碳、甲烷。碳循环的主要环节是二氧化碳的循环。

大气与陆地之间的二