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温室效应

  温室效应(英文:Greenhouse Effect),又称“花房效应”,是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面,但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收,这样就使地表与低层大气温作用类似于栽培农作物的温室,故名温室效应。自工业革命以来,人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加,大气的温室效应也随之增强,已引起全球气候变暖等一系列极其严重问题,引起了全世界各国的关注。

  法国学者Jean-Baptiste Joseph Fourier(1768~1830)于1824年第一个提出温室效应。


定义


  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波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。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℃。大气中的二氧化碳浓度增加,阻止地球热量的散失,使地球发生可感觉到的气温升高,这就是有名的“温室效应”。

破坏大气层与地面间红外线辐射正常关系,吸收地球释放出来的红外线辐射,就像“温室”一样,促使地球气温升高的气体称为“温室气体”。二氧化碳是数量最多的温室气体,约占大气总容量的0.03%,许多其它痕量气体也会产生温室效应,其中有的温室效应比二氧化碳还强。

  大气能使太阳短波辐射到达地面,但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收,这样就使地表与低层大气温度增高,因其作用类似于栽培农作物的温室,故名温室效应。如果大气不存在这种效应,那么地表温度将会下降约330C或更多。反之,若温室效应不断加强,全球温度也必将逐年持续升高。

  自工业革命以来,人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加,大气的温室效应也随之增强,已引起全球气候变暖等一系列严重问题,引起了全世界各国的关注。 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。

  在空气中,氮和氧所占的比例是最高的,它们都可以透过可见光与红外辐射。但是二氧化碳就不行,它不能透过红外辐射。所以二氧化碳可以防止地表热量辐射到太空中,具有调节地球气温的功能。如果没有二氧化碳,地球的年平均气温会降低20 ℃。但是,二氧化碳含量过高,就会使地球仿佛捂在一口锅里,温度逐渐升高,就形成“温室效应”。

  形成温室效应的气体,除二氧化碳外,还有其他气体。其中二氧化碳约占75%、氯氟代烷约占15%~20%,此外还有甲烷、一氧化氮等30多种。

  如果二氧化碳含量增加一倍,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。

  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,如果现在开始有节制的对树木进行采伐,到2040年,全球暖化会降低5%,故能减轻全球变暖、冰川融化等现象。

适当的温室效应是有好处的。现在全球年平均气温约为15℃,如果没有CO2,地球表面的平均气温就会下降到-23℃,这显然对生物的生存是不利的。


原理


  太阳辐射主要是短波辐射,而地面辐射和大气辐射则是长波辐射。大气对长波辐射的吸收力较强,对短波辐射的吸收力较弱。

  白天:太阳光照射到地球上,部分能量被大气吸收,部分被反射回宇宙,大约47%的能量被地球表面吸收。

  夜晚:晚上地球表面以红外线的方式向宇宙散发白天吸收的热量,其中也有部分被大气吸收。

  大气层如同覆盖玻璃的温室一样,保存了一定的热量,使得地球不至于像没有大气层的月球一样,被太阳照射时温度急剧升高,不受太阳照射时温度急剧下降。一些理论认为,由于温室气体的增加,使地球整体所保留的热能增加,导致全球暖化。


由来


  温室效应主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气,产生的和大量排放的汽车尾气中含有的二氧化碳气体进入大气造成的。

  人类活动和大自然还排放其他温室气体,它们是:氯氟烃(CFC〕、甲烷、低空臭氧、和氮氧化物气体、地球上可以吸收大量二氧化碳的是海洋中的浮游生物和陆地上的森林,尤其是热带雨林。


主要影响


  温室气体有效地吸收地球表面、大气本身相同气体和云所发射出的红外辐射。大气辐射向所有方向发射,包括向下方的地球表面的放射。温室气体则将热量捕获于地面- - 对流层系统之内。这被称为“自然温室效应”。大气辐射与其气体排放的温度水平强烈耦合。在对流层中,温度一般随高度的增加而降低。从某一高度射向空间的红外辐射一般产生于平均温度在-19℃的高度,并通过太阳辐射的收入来平衡,从而使地球表面的温度能保持在平均1 4 ℃。温室气体浓度的增加导致大气对红外辐射不透明性能力的增强,从而引起由温度较低、高度较高处向空间发射有效辐射。这就造成了一种辐射强迫,这种不平衡只能通过地面 对流层系统温度的升高来补偿。这就是“增强的温室效应”。如果大气不存在这种效应,那么地表温度将会下降约3度或更多。反之,若温室效应不断加剧,全球温度也必将逐年持续升高。

  在2006年公布的气候变化经济学报告中显示,如果我们仅以2006年的生活方式,到2100年全球气温将有50%的可能会上升4摄氏度多。同时,英国《卫报》表示,气温如果这样升高就会打乱全球数百万人的生活,甚至全球的生态平衡,最终导致全球发生大规模的迁移和冲突。


环境影响


  ①全球变暖

  温室气体浓度的增加会减少红外线辐射放射到太空外,地球的气候因此需要转变来使吸取和释放辐射的份量

  达至新的平衡。这转变可包括‘全球性’的地球表面及大气低层变暖,因为这样可以将过剩的辐射排放出外。虽然如此,地球表面温度的少许 上升可能会引发其他的变动,例如:大气层云量及环流的转变。当中某些转变可使地面变暖加剧(正反馈),某些则可令变暖过程减慢(负反馈)。利用复杂的气候模式,‘政府间气候变化专门委员会’在第三份评估报告估计全球的地面平均气温会在2100年上升1.4至5.8℃。这预计已考虑到大气 层中悬浮粒子倾于对地球气候降温的效应与及海洋吸收热能的作用 (海洋有较大的热容量)。但是,还有很多未确定的因素会影响 这个推算结果,例如:未来温室气体排放量的预计、对气候转变的各种反馈过程和海洋吸热的幅度等等。

  ②地球上的病虫害增加

  温室效应可使史前致命病毒威胁人类,美国科学家发出警告,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(Tomato Masaic Virus 番茄花叶病毒纽)。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,人类对这些原始病毒尚无抵抗能力,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。

  ③海平面上升

  假若‘全球变暖’正在发生,有两种过程会导致海平面升高。第一种是海水受热膨胀令水平面上升。第二种是冰川和格陵兰及南 极洲上的冰块溶解使海洋水份增加。预期由1900年至2100年地球的平均海平面上升幅度介乎0.09米至0.88米之间。

  全球暖化南太小岛即将没顶,全球暖化使南北极的冰层迅速融化,海平面上升对岛屿国家和沿海低洼地区带来的灾害是显而易见的,突出的是:淹没土地,侵蚀海岸。全世界岛屿国家有40多个,大多分布在太平洋和加勒比海地区,地理面积总和约为77万平方公里,人口总和约为4300万,依据《联合国海洋法公约》有关规定,这些岛国将负责管理占地球表面1/5的海洋环境,其重要战略地位是不言而喻的。尽管这些岛国人均国民产值普遍较高,但极易遭受海洋灾害毁灭性的打击,特别是全球气候变暖海平面上升的威胁最为严重,很多岛国的国土仅在海平面上几米,有的甚至在海平面以下,靠海堤围护国土,海平面上升将使这些国家面临淹没的危险。


  沿海区域是各国经济社会发展最迅速的地区,也是世界人口最集中的地区,约占全世界60%以上的人口生活在这里。各洲的海岸线约有35万公里,其中近万公里为城镇海岸线,海平面上升这些地区将是首当其冲的重灾区。据有关研究结果表明,当海平面上升1米以上,一些世界级大城市,如纽约、伦敦、威尼斯、曼谷、悉尼、上海等将面临浸没的灾难;而一些人口集中的河口三角洲地区更是最大的受害者,特别是印度和孟加拉间的恒河三角洲、越南和柬埔寨间的湄公河三角洲,以及我国的长江三角洲、珠江三角洲和黄河三角洲等。据估算当海平面上升1米时,我国沿海将有12万平方公里土地被淹,7千万人口需要内迁;在孟加拉国将失去现有土地的12%,占人口总量的1/10将出走;占世界海岸线15%的印度尼西亚,将有40%的国土受灾;而工业比较集中的北美和欧洲一些沿海城市也难幸免。

  ④气候反常

气候反常,极端天气多是因为全球性温室效应,即二氧化碳这种温室气体浓度增加,使热量不能发散到外太空,使地球变成一个保温瓶,而且还是不断加温的保温瓶.全球温度升高,使得南北极冰川大量融化,海平面上升,导致海啸,台风,夏天非常热,冬天非常冷的气候反常,极端天气多.

  ⑤土地沙漠化

  土地沙漠化是一个全球性的环境问题。有历史记载以来,中国已有1200万公顷的土地变成了沙漠,特别是近50年来形成的“现代沙漠化土地”就有500万公顷。据联合国环境规划署(UNEP)调查,在撒哈拉沙漠的南部,沙漠每年大约向外扩展150万公顷。全世界每年有600万公顷的土地发生沙漠化。每年给农业生产造成的损失达260亿美元[1,2,3]。从1968年到1984年,非洲撒哈拉沙漠的南缘地区发生了震惊世界的持续17年的大旱,给这些国家造成了巨大经济损失和灾难,死亡人数达200多万[3]。沙漠化使生物界的生存空间不断缩小,已引起科学界和各国政府的高度重视。之前我们提出,气候变冷和构造活动变弱是沙漠化的主要原因,人类活动加速了沙漠化的进程。中国科学家对罗布泊的科学考察提供了不可辩驳的证据。

  ⑥缺氧

  温室气体的摩尔质量总之都大于氧气,世界各国尽管放心地把地球内部所有的能量都开采出来使用了,然后地球上最终的环境的状态是跟地球在10亿年以前的情况差不多,到时候不光是野生动物呼吸不到氧气,甚至连到人类也是无法生存的。


主要对策


全面禁用氟氯碳化物


  实际上全球正在朝此方向推动努力,是以此案最具实现可能性。倘若此案能够实现,对于2050年为止的地球温暖化,根据估计可以发挥3%左右的抑制效果。


保护森林的对策方案


  今日以热带雨林为主的全球森林,正在遭到人为持续不断的急剧破坏。有效的因应对策,便是赶快停止这种毫无节制的森林破坏,另一方面实施大规模的造林工作,努力促进森林再生。由于森林破坏而被释放到大气中的二氧化碳,根据估计每年约在1~2gt.碳量左右。倘若各国认真推动节制砍伐与森林再生计划,到了2050年,可能会使整个生物圈每年吸收相当于0.7gt.碳量的二氧化碳。具结果得以降低7%左右的温室效应。


汽车燃料的改善


  日本汽车在此方面已获技术提升,大幅改善昔日那种耗油状况。但在美国等地,或许是因油藏丰富,对于省油设计方面,至今未见有何明显改善迹象,仍旧维持过度耗油的状况。因此,该地区生产的汽车在改善燃油设计方面,具有充分发挥的余地。由于此项努力所导致的化石燃料消费削减,估计到了2050年,可使温室效应降低5%左右。


改善能源使用效率


  要改善其他各种场合的能源使用效率。今日人类生活,到处都在大量使用能源,其中尤以住宅和办公室的冷暖气设备为最。因此,对于提升能源使用效率方面,仍然具有大幅改善余地,这对2050年为止的地球温暖化,预计可以达到8%左右的抑制效果。如此一来,或许可以促使生产厂商及消费者在使用能源时有所警惕,避免作出无谓的浪费。而其税金收入,则可用于森林保护和替代能源的开发方面。


对化石燃料的限制

  任何化石燃料一经燃烧,就会排放出二氧化碳来。惟其排放量会因化石燃料种类而有不同。由于天然瓦斯的主要成分为甲烷,故其二氧化碳排放量要比煤炭、石油为低。同样是要产生一千卡的热量,煤炭必须排放相当于0.098公克碳量的二氧化碳;这在石油则为0.085公克;若是换成天然瓦斯只需排放0.056公克即可。

  因此,有人提案依照天然瓦斯、石油、煤炭的顺序予以加重课税。譬如生产方面,要对二氧化碳排放量较高的煤炭,以能量换算,每十亿焦耳课税0.5美元,而对天然瓦斯则只课税0.23美元。亦即二氧化碳排放量愈高的化石燃料课税愈重。至于消费方面的情形亦复加此,其课税比例在煤炭订为23%,在天然瓦斯订为13%。

  当然,现今阶段只不过是有这么一个构想而已。但若果真付诸实行,可望对于2050年为止的地球温暖化,提供大约5%的抑制效果。


鼓励使用天然瓦斯


  鼓励使用天然瓦斯作为主要能源。因为天然瓦斯较少排放二氧化碳。日本都市也都普遍改用天然瓦斯取代液化瓦斯,此案则是希望更进一步推广这种运动。惟其抑制温暖化的效果并不太大,顶多只有1%的程度左右。

汽机车的排气限制

  由于汽机车的排气中,含有大量的氮氧化物与一氧化碳,因此希望减少其排放,这可以对到2050年为止的温暖化,分担2%左右的抑制效果。


鼓励使用太阳能


  譬如推动所谓“阳光计划”之类。这方面的努力能使化石燃料用量相对减少,因此对于降低温室效应具备直接效果。不过,就算积极推动此项方案,对于2050年为止的温暖化,只具4%左右的抑制效果。其效果似乎未如人们的期待。


开发替代能源


  利用生物能源(Biomass Energy)作为新的干净能源。亦即利用植物经由光合作用制造出来的有机物充当燃料,藉以取代石油等既有的高污染性能源。


设法挖掘海洋吸收碳的潜力


  作为地球上最大的碳吸收剂载体,海洋大约吸收了人类碳排放量的三分之一,减少了大气中的含量,延缓了气候变化。其能力很大,潜力也很大。海洋中还存在大面积的“荒漠化”区域,区域内海水中生物量很少,在这些区域,可设法,如利用海水温差、风能或波浪能发电,将富含营养的低温深层海水抽到海面,可大大促进浮游生物的繁殖,人为营造大量的海洋牧场,进而提高鱼、虾、贝类等的产出,它们死后,部分尸体会沉入海底,这就相当于增加了海洋吸收碳的能力。这是非常困难问题。总之那些化学能是出自太阳能非常有限无法满足人类社会向前进步的需要。