温室气体
摘要
- 编辑本段名称由来
- 1820年之前,没有人问过地球是如何获取热量的这一问题。正是在那一年,让-巴普蒂斯特-约瑟夫·傅里叶傅里叶(1768~1830年,法国数学家与埃及学家),回到法国后,他整年披着一件大衣,将大部分时间用于对热传递的研究。他得出的结论是:尽管地球确实将大量的热量反射回太空,但大气层还是拦下了其中的一部分并将其重新反射回地球表面。他将此比作一个巨大的钟形容器,顶端由云和气体构成,能够保留足够的热量,使得生命的存在成为可能。他的论文《地球及其表层空间温度概述》发表于1824年。当时这篇论文没有被看成是他的最佳之作,直到19世纪末才被人们重新记起。
其实只因为地球红外线在向太空的辐射过程中被地球周围大气层中的某些气体或化合物吸收才最终导致全球温度普遍上升,所以这些气体的功用和温室玻璃有着异曲同工之妙,都是只允许太阳光进,而阻止其反射,进而实现保温、升温作用,因此被称为温室气体。其中既包括大气层中原来就有的水蒸气、二氧化碳、氮的各种氧化物,也包括近几十年来人类活动排放的氯氟甲烷(HFCs)、氢氟化物、全氟化物(PFCs)、硫氟化物(SF6)、氯氟化物(CFCs)等。种类不同吸热能力也不同,每分子甲烷的吸热量是二氧化碳的 21倍,氮氧化合物更高,是二氧化碳的270倍。不过和人造的某些温室气体相比就不算什么了,目前为止吸热能力最强的是氯氟甲烷(HFCs)和全氟化物(PFCs)。
- 编辑本段原理介绍
温室气体之所以有温室效应,是由于其本身有吸收红外线的能力。温室气体吸收红外的能力是由其本身分子结构所决定的。
在分子中存在着非极性共价键和极性共价键。分子也分为极性分子和非极性分子。分子极性的强弱可以用偶极矩μ来表示。而只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收光谱,则拥有偶极矩的分子就是红外活性的;而Δμ=0的分子振动不能产生红外振动吸收的,则是非红外活性的。
也就是说,温室气体是拥有偶极矩的红外活性分子,所以才拥有吸收红外线,保存红外热能的能力。
- 编辑本段气体成份
- 地球的大气中重要的温室气体包括下列数种:水蒸气(H2O)、臭氧(O3)、 二氧化碳(CO₂)、氧化亚氮(N2O)、甲烷(CH4)、氢氟氯碳化物类(CFCs,HFCs,HCFCs)、全氟碳化物(PFCs)及六氟化硫(SF6)等。由于水蒸气及臭氧的时空分布变化较大,因此在进行减量措施规划时,一般都不将这两种气体 纳入考虑。至于在1997年于日本京都召开的联合国气候化纲要公约第三次缔约国大会中所通过的〔京都议定书〕,明订针对六种温室气体进行削减,包括上述所提及之:二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)及六氟化硫(SF6)。其中以后三类气体造成温室效应的能力最强,但对全球升温的贡献百分比来说,二氧化碳由于含量较多,所占的比例也最大,约为55%。
- 编辑本段影响危害
危害
气候变化及其影响是多尺度、全方位、多层次的,正面和负面影响并存,但负面影响更受关注。全球变暖对许多地区的自然生态系统已经产生了影响,如气候异常、海平面升高、冰川退缩、冻土融化、河(湖)冰迟冻与早融、中高纬生长季节延长、动植物分布范围向极区和高海拔区延伸、某些动植物数量减少、一些植物开花期提前,等等。危害健康
美国环境保护署认定,二氧化碳等温室气体是空气污染物,“危害公众健康与人类福祉”,人类大规模排放温室气体足以引发全球变暖等气候变化。
对气候的影响
二氧化碳等温室气体的增加对气候和生态系统的影响是一个更为复杂的问题。二氧化碳增加虽然有利于增加绿色植物的光合产物,但它的增加引起的气温和降水的变化,会影响和改变气候生产潜力,从而改变生态系统的初级生产力和农业的土地承载力。这种因气候变化而对生态系统和农业的间接影响,可能大大超过二氧化碳本身对光合作用的直接影响。按照气候模拟试验的结果,二氧化碳加倍以后,可能造成热带扩展,副热带、暖热带和寒带缩小,寒温带略有增加,草原和荒漠的面积增加,森林的面积减少。二氧化碳和气候变化可能影响到农业的种植决策、品种布局和品种改良、土地利用、农业投入和技术改进等一系列问题。因此在制定国家的发展战略和农业的长期规划时,应该考虑到二氧化碳增加可能导致的气候和环境的变化背景。这个问题对于面临人口膨胀和人均资源贫乏两大压力的我国,显得尤为重要和紧迫。
全球碳循环
甲烷(CH4):甲烷是在缺氧环境中由产甲烷细菌或生物体腐败产生的,沼泽地每年会产生150Tg(1T=1012)消耗50Tg,稻田产生100Tg消耗50Tg,牛羊等牲畜消化系统的发酵过程产生100-150Tg,生物体腐败产生10-100Tg,合计每年大气层中的甲烷含量会净增350Tg左右。它在大气中存在的平均寿命在8年左右,可以通过下面的化学反应:
CH4 + OH --> CH3 + H2O
消耗掉,而用于此反应的氢氧根(OH)的重量每年就达到500Tg。
一氧化二氮(N2O):它在大气层中的存在寿命是150年左右,尽管在对流层中是化学惰性的,但是可以利用太阳辐射的光解作用在同温层中将其中的90%分解,剩下的10%可以和活跃的原子氧O(1D)反应而消耗掉。即使如此大气层中的N2O仍以每年0.5-3Tg的速度净增。
N2O + hv --> N2 + O(1D)
N2O + O(1D) --> N2 + O2
N2O + O(1D) --> 2NO
氯氟碳化合物(CFC-11和CFC-12):它们在对流层中也是化学惰性的,但也可在同温层中利用太阳辐射光解掉或和活性碳原子反应消耗掉。
CCl3F + hv --> CCl2F + Cl
Cl2F2 + hv --> CClF2+ Cl
CCl3F + O(1D) --> CCl2F + ClO
CCl2F2 + O(1D) --> CClF + ClO
通过以上的文字我们从根本上了解了温室效应,及引发这种效应的各种气体的存在情况,我们不禁会对它对环境的影响产生好奇。其实和许多别的事情一样,这种影响也是相互的,接下去我们就看看全球变暖也就是温度和各种现象之间的相互制约关系。
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