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，熱輻射的強度越大，短波所占的比重越大;溫度越低，熱輻 射的強度越低，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，地表熱輻射的最強波段位于紅外區(qū)。太陽輻 射透過大氣層到達地球表面后，被巖石土壤等吸收，地球表面溫度上升；與此同時，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 透過并達到地面，使地球表面溫度升高。同時，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，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，大氣本身也向外輻射波長更長的長波輻射，其 中向下到達地面的部分稱為逆輻射。地面接受逆輻射后就會升溫，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是一種公認的溫室

3、氣體。N2O 在大氣中的存留時間長，并可以輸送到平流層，同時，N2O也是導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，大氣吸收的地面輻射就增多；空氣干燥時，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致的

4、總的 溫室效應(yīng)的增強量為2.43W/m2。而在這些溫室氣體所導致的溫室效應(yīng)增強之中，CO2的貢 獻約占60%，即1.46 W/m2； CH4的貢獻占20%，即0.48 W/m2； N2O的貢獻是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 存留時間長。二氧化碳在空氣中存留只有幾十年的時間，一氧化二氮在大空氣中存留的時間 可達170年，而碳氯化合物的存留時間卻可長達5萬年之久。所以即使微量氣體的排放量不 變，其濃度也會因逐年積累而不斷提高。華北電力大學碩士學位論文-15-吸熱能力強。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，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大氣中溫室氣體含量的增加將會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到新的平衡，這個調(diào)整主要是地球表面及大氣低層的變暖?！爱敹趸己可邥r，會增強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，這種觀點認為人為因素 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。 其中一種觀點認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，并與太陽風相互作用，太陽風直接影響地球上空云層的形成，從而對 氣候產(chǎn)生影響。另一種觀點則認為，在各種時間尺度上，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 碳氣體隨

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 氣候變化的動力26。還有觀點認為化石燃料燃燒釋放二氧化碳會使對流層增溫，但是它對 于全球增溫的貢獻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世紀的氣溫在波動中 上升，這一事實是同期穩(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碩士學位論文16-氣中溫室氣 體濃度的增加與全球氣候變暖兩個現(xiàn)象之間存在因果聯(lián)系29。因此，越來越多的學者認

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”這一主流觀點進行批判性的分析。地球氣候變化具有多重時間尺度的特性，而現(xiàn)有的溫度觀測記錄最長不超過1個半世紀， 根據(jù)這個序列可以看到現(xiàn)代氣候變暖，但是僅僅從這個序列本身卻無法判斷氣候變暖是19 世紀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，地球一共有四個高溫期

10、，其中距今 33萬年附近和13萬年附近的兩個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，但是計算表明，溫室氣體濃度 的變化在導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，但事實是夜間的增溫幅度 總是高于白天。根據(jù)IPCC第3次評估報告，自從20世紀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2,對全球2000個觀測站不足40年 的觀測資料所進行的分析，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)，因為即 使在沒被開發(fā)且人口不足10000人的鄉(xiāng)村也會有這種趨勢。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家們通過對更長時間內(nèi)的氣候變化進行的研究發(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60年代末70年代初)。例如，從19世紀末 到20世紀初，全球氣溫的變暖并不是持續(xù)的，其中從20世紀40年代到70年代氣溫約下降 0.05 r；然而這段時間正是第一次世界大戰(zhàn)及戰(zhàn)后恢復時期，大氣中二氧化碳濃度迅速增加， 顯然這時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3C,而近些年來高溫天氣與上世紀的低溫時期相比，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，同時二氧化碳也增加了 40%，在大氣中的體

13、積分數(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碩士 學位論文-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，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，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，精度可以達到0.01 C，而且 可以完整覆蓋整個地球。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 如以前認為的那樣整個對流層都迅速升溫，而是只出現(xiàn)在近地面非常薄的一層大氣中。這對 主流觀點關(guān)于全球變暖原因的論斷提出了質(zhì)疑。因為如果升溫是由于二氧化碳等溫室氣體的 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)當對那些輻射最 強、持續(xù)時間最長的地區(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致全球溫度升高，則同時也會導致云量增加，那么這 種增溫很容易因到達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家拉爾夫菲利普納領(lǐng)導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。事實上，氣候變化是一個極其復雜的系統(tǒng)過程，它甚至與整個宇宙的環(huán)境都有密切關(guān)系， 并不是二氧化碳能單獨左右的?？茖W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 宙射線也會使地球降溫。它能產(chǎn)生離子使空氣中的水滴聚集成云團，最終將降低地球上的溫 度。兩位來自德國和以色列的科學家通過研究海底化石中氧的同位素，計算出地球表面溫度 的變化，之后他們又用宇宙射線活動的變化華北電力大學碩士學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