溫室效應(yīng)原因陳佳琦,李亮,王孟,章藝2

1、原因根據(jù)物理學(xué)原理，自然界的任何物體都在向外輻射能量，一般物體熱輻射的波長由該物 體的絕對溫度決定。溫度越高，熱輻射的強(qiáng)度越大，短波所占的比重越大;溫度越低，熱輻 射的強(qiáng)度越低，長波所占的比例越大。太陽表面溫度約為絕對溫度6000K，熱輻射的最強(qiáng)波 段為可見光部分；地球表面的溫度約為288K，地表熱輻射的最強(qiáng)波段位于紅外區(qū)。太陽輻 射透過大氣層到達(dá)地球表面后，被巖石土壤等吸收，地球表面溫度上升；與此同時(shí)，地球表 面物質(zhì)向大氣發(fā)射出紅外輻射。大氣層中的二氧化碳和水蒸汽等氣體允許絕大部分太陽輻射 透過并達(dá)到地面，使地球表面溫度升高。同時(shí)，由于二氧化碳和水蒸汽分子可以產(chǎn)生分子偶 極矩改變的振動(dòng)，故能

2、吸收太陽和地球表面發(fā)出的波長在2000納米以上的長波輻射，僅讓 很少的一部分熱輻射散失到宇宙空間。同時(shí)，大氣本身也向外輻射波長更長的長波輻射，其 中向下到達(dá)地面的部分稱為逆輻射。地面接受逆輻射后就會(huì)升溫，所以大氣對地面起了保溫 作用。這就是“大氣的溫室效應(yīng)”。-14-另一種重要的溫室氣體CH4在過去的15000年中， 其濃度一直保持在500750ppbv，只是到了近一百年才出現(xiàn)大幅度的上升。CH4在大氣中 的濃度變化從1750年的750ppbv增加到1998年的1745ppbv，即增加了 151%，平均每年以 大約1.1%的比率增長（IPCC,1996）。大氣中的痕量氣體N2O是一種公認(rèn)的溫室

3、氣體。N2O 在大氣中的存留時(shí)間長，并可以輸送到平流層，同時(shí)，N2O也是導(dǎo)致臭氧層消耗的氣體之 一。研究表明，自工業(yè)革命以來，大氣中N2O的濃度急劇增加，從1750年的270 ppb增加 到1998年的314ppb，即增加了 17%，而且還以每年0.2%0.3%的速度增加22。有關(guān)研究結(jié)果表明，全球近百年來水蒸汽的濃度是增加的。大氣中能夠最有效地吸收地面輻 射的成分是水蒸汽?？諝鉂穸仍黾訒r(shí)，大氣吸收的地面輻射就增多；空氣干燥時(shí)，大氣吸收 的地面輻射就減少。另外，水蒸汽對溫室效應(yīng)的影響還要考慮其凝結(jié)（凝華）過程釋放的巨 大潛熱量。由大氣層中二氧化碳、甲烷、臭氧和一氧化二氮溫室氣體濃度升高所導(dǎo)致的

4、總的 溫室效應(yīng)的增強(qiáng)量為2.43W/m2。而在這些溫室氣體所導(dǎo)致的溫室效應(yīng)增強(qiáng)之中，CO2的貢 獻(xiàn)約占60%，即1.46 W/m2； CH4的貢獻(xiàn)占20%，即0.48 W/m2； N2O的貢獻(xiàn)是0.15 W/m 222。但這些數(shù)據(jù)只是根據(jù)溫室氣體的輻射吸收特性得來的結(jié)果，明顯沒有考慮水蒸汽凝 結(jié)釋放的潛熱對溫室效應(yīng)的影響，這樣得出的數(shù)據(jù)不能正確地反映溫室效應(yīng)增強(qiáng)對氣候變化 的影響。對于二氧化碳以外的其他溫室氣體，含量雖然不多，但它們的作用不可低估，有關(guān) 文獻(xiàn)對此做了總結(jié)，具體特性如下24：含量增加快。大氣中甲烷濃度每年遞增約12%， 一氧化二氮平均每年遞增0.51%，CFBS為5.76%，它們

5、都超過了二氧化碳的增長率 存留時(shí)間長。二氧化碳在空氣中存留只有幾十年的時(shí)間，一氧化二氮在大空氣中存留的時(shí)間 可達(dá)170年，而碳氯化合物的存留時(shí)間卻可長達(dá)5萬年之久。所以即使微量氣體的排放量不 變，其濃度也會(huì)因逐年積累而不斷提高。華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文-15-吸熱能力強(qiáng)。溫 室氣體的重要性不在于它們的濃度，而是取決于它們吸收紅外輻射的溫度。因此，盡管有些 溫室氣體的濃度與二氧化碳相比很低，但它們卻具有很強(qiáng)的溫室效應(yīng)，必需引起足夠的重視。 例如，單位甲烷的吸熱量是二氧化碳的21倍，一氧化氮是二氧化碳的270倍。通過對資料 的分析發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的文獻(xiàn)都只是從溫室氣體的物理特性方面分析它們對溫室效應(yīng)

6、的貢 獻(xiàn)，沒有更深入地考慮過水蒸汽對溫室效應(yīng)的影響，這些文獻(xiàn)的理由是水蒸汽含量不穩(wěn)定且 地區(qū)間分布不平衡，不易被人們測量和控制25。但是，水蒸汽對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)可能并不 主要取決于其濃度的多少，而且，這種理由并沒有考慮水蒸汽凝結(jié)（凝華）釋放的大量潛熱 對氣候變化的影響。2.2對二氧化碳濃度增加與全球氣候變暖關(guān)系的質(zhì)疑2.2.1目前關(guān)于全球氣候變暖原因的一些主要觀點(diǎn)大氣中溫室氣體含量的增加將會(huì)減少地面紅外輻射放射到太空，地球的氣候系統(tǒng)因此需要調(diào) 整以使吸收和釋放輻射的份額達(dá)到新的平衡，這個(gè)調(diào)整主要是地球表面及大氣低層的變暖。“當(dāng)二氧化碳含量升高時(shí)，會(huì)增強(qiáng)大氣對太陽光中紅外線輻射的吸收，阻止地球表

7、面的熱量 向外散發(fā)，從而使地球表面的平均氣溫上升。”(上海教育出版社2001年版初中義務(wù)教育教 材化學(xué)上冊第37頁)，這是目前關(guān)于全球氣候變暖原因的主流觀點(diǎn)，這種觀點(diǎn)認(rèn)為人為因素 是造成全球氣候變暖的主要原因。除此之外，關(guān)于全球氣候變暖的原因還有一些別的觀點(diǎn)。 其中一種觀點(diǎn)認(rèn)為目前全球溫度升高是由于太陽射線能量的長期變化造成的22。宇宙射線 隨太陽周期發(fā)生變化，并與太陽風(fēng)相互作用，太陽風(fēng)直接影響地球上空云層的形成，從而對 氣候產(chǎn)生影響。另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，在各種時(shí)間尺度上，由于其它更多原因引起了氣候變化， 改變了地球表層系統(tǒng)中碳在各種源與匯之間的交換傳輸方向和通量的大小，造成了大氣中含 碳?xì)怏w隨

8、著溫度的上升而增加，大氣中二氧化碳濃度變化似乎是一種正反饋的效應(yīng)，而不是 氣候變化的動(dòng)力26。還有觀點(diǎn)認(rèn)為化石燃料燃燒釋放二氧化碳會(huì)使對流層增溫，但是它對 于全球增溫的貢獻(xiàn)也許并沒有想象的那樣大，影響氣候變化的主要因素還是太陽輻射、火山 噴發(fā)和ENSO等自然因素27。2.2.2對“二氧化碳濃度增加是全球氣候變暖主要原因”的一些質(zhì)疑20世紀(jì)的氣溫在波動(dòng)中 上升，這一事實(shí)是同期穩(wěn)定上升的溫室氣體含量變化不能完全解釋的28，而且目前的任何 檢測研究尚不能說明，儀器觀測到的近百年來大華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文16-氣中溫室氣 體濃度的增加與全球氣候變暖兩個(gè)現(xiàn)象之間存在因果聯(lián)系29。因此，越來越多的學(xué)者認(rèn)

9、為 自然因子的作用不可忽視，溫室氣體只能對升溫起加劇作用，太陽活動(dòng)等自然因素的變化才 是氣候變化的主要原因。下面本文從幾個(gè)不同的方面對“二氧化碳濃度增加是全球氣候變暖 主要原因”這一主流觀點(diǎn)進(jìn)行批判性的分析。地球氣候變化具有多重時(shí)間尺度的特性，而現(xiàn)有的溫度觀測記錄最長不超過1個(gè)半世紀(jì)， 根據(jù)這個(gè)序列可以看到現(xiàn)代氣候變暖，但是僅僅從這個(gè)序列本身卻無法判斷氣候變暖是19 世紀(jì)中后期寒冷氣候的回暖，還是超出了自然氣候變率的范圍。根據(jù)南極俄羅斯東方站附近挖出來的深3300米的冰核上的一條記錄，使我們可以考察過 去42萬年之內(nèi)的溫度變化(Petit etal.1999)。根據(jù)該記錄，地球一共有四個(gè)高溫期

10、，其中距今 33萬年附近和13萬年附近的兩個(gè)高溫期的平均氣溫都明顯高于近一萬年來高溫期的平均氣 溫。根據(jù)該記錄尚不能清楚地建立原因一一影響之間的關(guān)系，但是計(jì)算表明，溫室氣體濃度 的變化在導(dǎo)致過去氣候變化的所有原因中是最不重要的一部分(IPCC,1990)。如果二氧化碳等溫室氣體對長波的吸收特性是氣候變暖的主要原因，則由此造成大氣增暖 理應(yīng)與太陽的短波輻射無關(guān)，即白天和夜晚的增溫幅度理應(yīng)相同，但事實(shí)是夜間的增溫幅度 總是高于白天。根據(jù)IPCC第3次評估報(bào)告，自從20世紀(jì)50年代以來，全天最高和最低氣 溫測量已覆蓋50%以上的全球陸地面積，這些數(shù)據(jù)顯示平均日平均最低氣溫的增溫速率是 最高氣溫的兩倍

11、，全天溫度范圍減小0.8 C。根據(jù)文獻(xiàn)2,對全球2000個(gè)觀測站不足40年 的觀測資料所進(jìn)行的分析，夜間與白天的增溫幅度分別為0.84K和0.28K，這意味著幾乎所 有地面探測的增溫都是由于夜間增溫的緣故。對這一現(xiàn)象，人們嘗試著用云及云的覆蓋進(jìn)行 解釋，但所闡述的理由缺乏說服力。夜間的增溫也不能簡單地歸因于城市熱島效應(yīng)，因?yàn)榧?使在沒被開發(fā)且人口不足10000人的鄉(xiāng)村也會(huì)有這種趨勢。迄今為止，對此現(xiàn)象還沒有令人 信服的解釋，也未得到應(yīng)有的關(guān)注?？茖W(xué)家們通過對更長時(shí)間內(nèi)的氣候變化進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，溫度變化記錄與大氣中二氧化碳 含量變化并不完全一致3。盡管大氣中二氧化碳的含量仍在不斷增加，但這種趨勢

12、卻被寒 冷期中斷了三次(最近的一次寒冷期在20世紀(jì)60年代末70年代初)。例如，從19世紀(jì)末 到20世紀(jì)初，全球氣溫的變暖并不是持續(xù)的，其中從20世紀(jì)40年代到70年代氣溫約下降 0.05 r；然而這段時(shí)間正是第一次世界大戰(zhàn)及戰(zhàn)后恢復(fù)時(shí)期，大氣中二氧化碳濃度迅速增加， 顯然這時(shí)期氣溫變化的特征與溫室效應(yīng)的加劇是背道而馳的。另外，從我國有較準(zhǔn)確的氣象 資料記錄顯示，自唐朝至今的一千多年中，我國氣溫經(jīng)歷了高溫低溫-高溫的變化過程，其 最大溫差達(dá)3C,而近些年來高溫天氣與上世紀(jì)的低溫時(shí)期相比，其溫差未超過1C。最后 盛冰期向全新世過渡期期間，溫度迅速升高，同時(shí)二氧化碳也增加了 40%，在大氣中的體

13、積分?jǐn)?shù)從1.89X10-4增加到了 2.65X10-4。但是，二氧化碳的變化要落后華北電力大學(xué)碩士 學(xué)位論文-17-于溫度的變化，落后約800年30。這可能意味著二氧化碳不一定就是氣候變 化的絕對驅(qū)動(dòng)因子，而溫度的變化則可能是二氧化碳變化的原因。Fiseher31等研究了最近 三次大冰期結(jié)束時(shí)的情況，發(fā)現(xiàn)大冰期結(jié)束后全球溫度的上升同樣是超前二氧化碳的增加。 與此相類似，冰期開始時(shí)，二氧化碳的減少也落后溫度的下降數(shù)千年32。衛(wèi)星觀測、探空氣球和地面觀測結(jié)果存在明顯差別的事實(shí)，己經(jīng)引起人們的極大關(guān)注。由 于對流層通常被看作充分混合的氣層，那么整個(gè)氣層中從低空到高空的溫度變化應(yīng)該有很好 的一致性，但

14、事實(shí)卻不完全是這樣的。從1979年1月開始，NOAA衛(wèi)星搭載的微波探測儀 (MSU)可以精確地遙感對流層低層(10008000m)的大氣溫度，精度可以達(dá)到0.01 C，而且 可以完整覆蓋整個(gè)地球。MSU探測的全球?qū)α鲗拥讓悠骄鶜鉁貜?979年到1999年期間的 線性趨勢只有+0.06C/a，幾乎沒有變暖的趨勢。這就是說，最近幾十年全球氣溫的變暖并非 如以前認(rèn)為的那樣整個(gè)對流層都迅速升溫，而是只出現(xiàn)在近地面非常薄的一層大氣中。這對 主流觀點(diǎn)關(guān)于全球變暖原因的論斷提出了質(zhì)疑。因?yàn)槿绻郎厥怯捎诙趸嫉葴厥覛怏w的 增溫效應(yīng)，大氣層本身的增溫應(yīng)該比地球表面增溫快。溫室效應(yīng)是全球性的，既然已經(jīng)觀測到溫

15、室氣體的變化，并且顯示其濃度有持續(xù)增長的趨 勢，那么變暖也應(yīng)當(dāng)是全球性的。然而，世界上有許多地方，如南半球、海洋、熱帶低緯度 地區(qū)以及類似美國懷俄明州那樣像被隔離的地區(qū)，并未出現(xiàn)可以識(shí)別的溫度變化，有些地區(qū) 的氣溫不但沒有增加反而呈下降趨勢，例如中國的東北、新疆西部和山東半島變暖，而青藏 高原以北及以東的大部分地區(qū)都變冷。這種現(xiàn)象是無法用二氧化碳濃度增加來解釋的。溫室效應(yīng)是自然界的一種輻射效應(yīng)，基于溫室氣體濃度變化的輻射平衡應(yīng)當(dāng)對那些輻射最 強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間最長的地區(qū)產(chǎn)生較大的影響，這種地方理應(yīng)是熱帶地區(qū)，而不是溫帶或者北極； 然而觀測資料卻表明，溫帶與北極的氣候變暖最為明顯。顯然這表明還有二氧化

16、碳等溫室氣 體以外的因子在起作用。如果真的是由于二氧化碳過量排放導(dǎo)致全球溫度升高，則同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致云量增加，那么這 種增溫很容易因到達(dá)地球表面陽光量的減少而抵消，云量只要增加2%就能抵消大氣中二氧 化碳增加一倍所產(chǎn)生的增溫效果33。位于瑞士世界輻射中心的科學(xué)家拉爾夫菲利普納領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過分析近些年的歐洲 氣象觀測數(shù)據(jù)，得出的研究成果表明近些年歐洲快速的增溫現(xiàn)象與濕度變化有明顯的正比關(guān) 系。事實(shí)上，氣候變化是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)過程，它甚至與整個(gè)宇宙的環(huán)境都有密切關(guān)系， 并不是二氧化碳能單獨(dú)左右的。科學(xué)家們研究氣候變化和銀河系宇宙射線的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，宇 宙射線也會(huì)使地球降溫。它能產(chǎn)生離子使空氣中的水滴聚集成云團(tuán)，最終將降低地球上的溫 度。兩位來自德國和以色列的科學(xué)家通過研究海底化石中氧的同位素，計(jì)算出地球表面溫度 的變化，之后他們又用宇宙射線活動(dòng)的變化華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文與此同位素作對比， 又通過觀察宇宙射線怎樣作用于隕星中的鐵的同位素最終做出測定。結(jié)論表明，氣候波動(dòng)在 過去的5億5千萬年間更和宇宙射線有關(guān)，而非和二氧化碳有關(guān)1822年法國數(shù)學(xué)家傅里葉首次把大氣層比作“溫室”，1827年指出了大氣中溫室氣體的增暖 效應(yīng)以