全球氣候變暖中的大氣化學(xué)問題

1、學(xué)化學(xué)大搖搖 1No.26VoL期 1 第卷 26 第搖搖 CHEMISTRYUNIVERSITY2011Feb.月 2 年 2011 全球氣候變暖中的大氣化學(xué)問題 * 尹學(xué)博300071）天津南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院分析科學(xué)研究中心（討論臭氧層破壞的化學(xué)機(jī)理。介紹全球氣候變暖中的大氣化學(xué)問題搖摘要搖搖從化學(xué)結(jié)構(gòu)角度分析溫室氣,。并給出解決氣候變暖的應(yīng)對措施,體對溫室效應(yīng)的影響分子結(jié)構(gòu)搖臭氧層破壞搖溫室效應(yīng)搖氣候變暖搖關(guān)鍵詞搖搖搖多個(gè)國家和地190 在丹麥哥本哈根舉行的聯(lián)合國氣候大會(huì)吸引了來自全球,日197 月 12 年2009 搖地。即全球氣候變暖,目前氣候變化的主要問題是全球溫度逐漸升高。1萬名代

2、表參會(huì) 51. 區(qū)的超過在到。通過大氣輻射到地面400nm）200 波長 （太陽短波,2所示 1如圖。球上的能量主要來自太陽其中被吸,被地表吸收50%其余,被大氣吸收,20%被地表和云層散射回外太空,30%達(dá)地球的輻射中地球吸收的輻射和放出的輻射達(dá)到平,在正常情況下。3 收的部分還可以長波輻射的形式返回外太空太陽入射輻射的增加或地表向外。3稱為輻射平衡，衡并維持相對穩(wěn)定的地球溫度balance）radiative（。即通常所說的全球氣候變暖,都可能使地表與低層大氣溫度增高,輻射的降低。波長長的電磁波能量低,其中波長短的電磁波能量高,長波輻射和短波輻射都是電磁波搖搖從分子結(jié),而分子的振動(dòng)能量所需

3、要能量較低;與某些短波能量相近,破壞分子化學(xué)鍵所需要的能量高,構(gòu)角度看臭氧）、0（如氧氣，太陽短波輻射可以導(dǎo)致大氣中的分子。與太陽輻射中的某些長波輻射能量相近2（O 大氣平流,因此。從而降低太陽短波對地球的輻射,等的共價(jià)鍵的破壞（CFC限氟碳化合物 卜23 一氧）,CH（甲烷）,C0（而大氣中的二氧化碳；層中臭氧層的破壞將導(dǎo)致太陽向地球的短波輻射增加24 減少長波輻射向外大氣的釋,的分子振動(dòng)則可以吸收某些長波輻射 0）（H及水汽CFCsO）,（N化二氮22從而導(dǎo)致地表溫度的升高，放溫室 氣這些氣體又稱為 effect）,greenhouse（這種影響稱為溫室效應(yīng)，。2鄴3冶體，而全球氣 候變暖

4、又導(dǎo)致了許多其他問題,臭氧層的破壞和溫室氣體的增加已成為氣候變暖的元兇搖搖,如農(nóng)業(yè)病蟲害增加沙漠化面積增大以及一些與之相關(guān)的潛在影、土地干旱,氣候反常 , 海平面上升從而導(dǎo)致南極地區(qū)臭氧層的損耗,溫室氣體增加導(dǎo)致溫度的升高可進(jìn)一步使臭氧層變薄,而且。 3 鄄4響。5增加,正常情況下高溫物體的紅外,黑體輻射定律Plank 如按照。輻射平衡的微小破壞可以得到自修復(fù)為衡量對輻射平衡的影。3 鄄4通過紅外輻射的增加使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到新的平衡,當(dāng)溫度升高后。輻射增大forcing）（radiative科學(xué)家提出了輻射壓迫力,響 ,正輻射壓迫力指吸收的輻射多于放出的輻射;的概念溫室氣體的。多種輻射壓迫力結(jié)合構(gòu)

5、成了影響地球變暖的總輻射壓迫力。3 鄄4而負(fù)輻射壓迫力則相反它既可以,最大的負(fù)輻射壓迫力則是氣溶膠;導(dǎo)致地球溫度升高,增加以及臭氧層破壞是正輻射壓迫力又可以增加云層對太陽輻射的反射能力,反射和吸收太陽輻射但氣溶膠導(dǎo)致。從而導(dǎo)致全球氣溫降低, 等 Hartmann 。即全球變暖,因而總輻射壓迫力是正值,6430 利用47%效果僅為溫室效應(yīng)的冶冷卻“的 5認(rèn)為溫室氣體導(dǎo)致的溫度Aldhous。年的數(shù)據(jù)證明了臭氧層損耗和全球變暖是氣候變化的主要原因4則認(rèn)為大氣污染和溫室氣體不是某個(gè)局Feng 和 ,Ramanathan 升高同時(shí)與南極地區(qū)臭氧層的損耗有關(guān) cnedu.nankai.,E 鄴 mail

6、:xbyin通訊聯(lián)系人 * 83 搖卷 26 第學(xué)化學(xué)大。 全球變暖已成為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題, 因?yàn)樗鼈冋趯?dǎo)致全球的氣候變化,部而是全球的問題大氣的組成影響太陽短波輻射的吸收和長波。 哥本哈根聯(lián)合國氣候大會(huì)就是在這種背景下召開的;從而決定地表溫度 , 輻射的散失了解與氣候變暖相關(guān)的大氣化學(xué)問題對于理解全球氣候變暖的根源具了解大氣成分在氣候,本文從大氣化學(xué)角度探討大氣成分對短波輻射和長波輻射的影響。 有重要意義。 變暖中所起的作用及其應(yīng)對措施2地球能量的吸收和散失1 搖 圖 短波輻射中的大氣化學(xué)問題1 搖 范長波射輻波太陽的短,時(shí)球地達(dá)到光陽太當(dāng)。 線外紫的說所常通即400nm,200 為圍

7、: 原子 O 分子形成兩個(gè)O 破壞 ,分子吸收O的短波輻射可以被臆242nm波長22（1）20）臆242nm姿（光子+O搖搖搖 搖寅2光子242nm波長1mol與,7-i498kJ mol約為）即鍵能（分子所需要的能量Olmol 這是因?yàn)槠茐?2破，N 而空氣中的。相當(dāng)）-i7-i946kJmol為，鍵能更大，三鍵 NN 因存在, 分子（495kJ mol的能量燃2對氣候,n因此。這個(gè)波長不在太陽輻射的短波范圍127nm，三鍵所對應(yīng)電磁 波的波長約為NN壞繳2。變暖影響相對較小其中中，個(gè)氧原子鍵連在一起3臭氧分子中的）。（O另一個(gè)可以阻擋短波輻射的重要分子是臭氧32 而孤對電子, 鍵滓其中兩個(gè)

8、單電子軌道分別與另兩個(gè)氧原子形成一個(gè),不等性雜化sp 間的氧原子采取3 同時(shí)在 120 毅。 小于等性雜化的117 毅 , 鍵之間的鍵角為O O 對的較大排斥力使得兩個(gè)個(gè)氧原子之間即破壞臭氧分,鍵的鍵長和鍵能介于單鍵與雙鍵之間OO這種成鍵模式使得兩個(gè)。鍵仔形成一個(gè)大的短波輻射可以通過臆 320nm 波長 ,研究發(fā)現(xiàn) 。 7分子的能量O 鍵所需要的能量小于破壞O一。子中2下面的方式被臭氧分子吸收：（2）+OO）1 320nm姿（光子+O搖搖搖搖寅23 O提Chapman）（Sydney查普曼西德尼，年1920。在抑制太陽短波輻射方面發(fā)揮著重要作用 O 和32。 2收吸子分）2圖稱oxygen 鄴

9、 cycle,sChapman憶（環(huán)循曼普查為又，環(huán)循的O和 O 中出了大氣322的短波形成兩個(gè)氧原子臆 242nm 波長因此,易參與化學(xué)反應(yīng),因?yàn)檠踉拥淖钔鈱雍袉坞娮?,化學(xué)上（ 臭氧 ）; 慢指反應(yīng)速度的快和慢、 中的快 2 圖 （ 分子O 氧原子與氧氣分子發(fā)生碰撞形成）, 又稱為自由基3<320nm 分子吸收波長也可以和一個(gè)氧自由基結(jié)合變成兩個(gè), 失去一個(gè)氧原子變成氧氣分子, 的紫外光人類活動(dòng)在大氣中引入了一些其他,然而 。 分子 O 同時(shí)地球上綠色植物的光合作用不斷提供。 氧分子2 破壞)氯氟烴的一種亞B 12(氟利昂。如氯氟燒，容易形成自由基的分子在平流層紫外光的：的過程如

10、下O3：2,9Cl)(分解產(chǎn)生氯自 由基 鄄 12 氟利昂,輻射下C1C1(3)Cl+ CF)1 220nm 姿(光子+C1CF搖搖搖搖寅FF93全球氣候變暖中的大氣化學(xué)問題:尹學(xué)博期1 第搖2查普曼循環(huán)2 搖圖(C1O)：形成氯氧自由基，反應(yīng)。再與(C1)氯自由基3搖(4)+C1OO +C1O搖搖搖寅23搖 C1OOCl結(jié)合得到©0)兩個(gè)氯氧自由基 搖搖(5)C1OOCC1O +C1O搖搖搖寅搖(6) CC1OO+光子C1OOC1搖搖搖寅搖搖(7)C1+OC1OO搖搖寅2產(chǎn)生的氯自鄴12而氟利昂，可以分解一個(gè) 臭氧分子O)(一個(gè)氧自由基 從查普曼循環(huán)中可以看出它又可以參 與更多C1

11、),(重新生成氯自由基，由基分解臭氧后又回到原來狀態(tài)據(jù) 報(bào)。分子的分解O3對鄴12氟利昂，由此可見。5冶分子。個(gè)伊101在被風(fēng) 帶到低層大氣之前可以催化分解約C1 一個(gè)道3。臭氧層的破壞力極大長波吸收中的大氣化學(xué)問題2 搖 吸收的能量通過分子間的相互碰撞而傳,地球發(fā)出的長波輻射可以被大氣中的溫室氣體分子吸收,溫室氣體含量高,因大氣低層密度大。 從而降低地球?qū)ν獾拈L波輻射,遞并被保留在大氣層地表和低它有助于維持生命,首先需要肯定地球與大氣之間的能量交換。 層大氣的溫度受溫室氣體的影響更大方程計(jì)算的無大氣存在情況Stefan 鄄 Bo1tzmann比按 ,15益 現(xiàn)今地球的平均溫度約為。 存在所必

12、需的溫度即適當(dāng)?shù)臏厥倚?yīng),大氣對輻射的吸收和釋放對于維持地球溫度起著重要作用,因此。 31033益 下高甲烷以及其他氣體的濃、 CO 人類活動(dòng)增加了大氣中,然而。 8對于維持目前地球環(huán)境起著重要作用2。 加劇了地球變暖,從而降低了大氣對長波輻射的釋放,3balance）（radiative 破壞了既有的輻射平衡度 Houghton11。 詳細(xì)評述了各種溫室氣體對全球氣溫的影響及全球氣溫的變化趨勢波（溫室氣體分子吸收不同能量的長波輻射,鍵斷裂不同O-O吸收太陽短波輻射導(dǎo)致 O和O與32。振動(dòng)能級或轉(zhuǎn)動(dòng)能 級的躍遷、 可導(dǎo)致分子內(nèi)部電子能級的躍遷）,紅外光區(qū)域的電磁波 、 長位于可見光而轉(zhuǎn)動(dòng)能級則

13、是分子內(nèi)原子繞鍵;所謂振動(dòng)能級是指分子中原子間距離增加或減小時(shí)分子能量的差異而振動(dòng)能級躍,電子能級躍遷需要的能量高于振動(dòng)能級和轉(zhuǎn)動(dòng)能級的躍遷。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)分子能量的差異大。 因振動(dòng)時(shí)電荷分布不變而不吸收長波輻射 ,O 如,同核雙原子分子。 12遷高于轉(zhuǎn)動(dòng)能級躍遷N 和 22 及水CFCs）氯氟碳化合物O）,N（一氧化二氮）,（CH甲烷）,（CO氣層中主要的溫室氣體有二氧化碳422 振動(dòng)能級或轉(zhuǎn)動(dòng)能級的躍遷而顯示、 這些氣體可以吸收長波輻射引起分子內(nèi)部電子能級。 等 O）（H 氣 2 溫室效應(yīng)。氯氟碳化合物1 搖2.因,是烴中的某些氫原子被氯原子和氟原子取代后的廣物（chlorofluorocarb

14、ons,CFCs氯氟碳化合物、無毒性、不易燃、這類 化合物因具有合適的沸點(diǎn)且無味CFC鄴12。和CF網(wǎng)11最重要的是 此又稱氯氟烴清潔劑、 廣泛用作壓縮噴霧噴射劑,無腐蝕性和相當(dāng)穩(wěn)定氯氟碳化合物中。 發(fā)泡劑和抗凝劑等、 冷凍劑 、 ,后面的數(shù)字,個(gè)元素的首字母3碳、氟、為氯CF網(wǎng)11CFC如，代碼表示了它的組成即90加 上 11如04 搖卷 26 第學(xué)化學(xué)大, 位表示氫原子數(shù)2 第 , 位表示分子中碳原子數(shù)1 左起第 , 得到的三位數(shù)中101,=11+90 位表示氟原3 第 。2個(gè)氯3個(gè)氟和，1個(gè)氫，0個(gè)碳1中包括CFC要B 11即，按照飽和烴計(jì)算氯原子個(gè)數(shù),子數(shù)CFC鄴 12 和 CFC鄴

15、11 由于而且這兩種氣體吸收紅外線輻, 是大氣中的濃度最高的氯氟烴,應(yīng)用廣泛占其他溫室氣體對輻射力影響CFCW 12 和,CFC要B 11 以外 CO除了 ,年代 80世紀(jì) 20 在 。射的能力相當(dāng)高2 因此 。 同時(shí) 。 總和的三分之一O 的過程消耗平流層內(nèi)的(7)(4)還可以通過方程CFC鄴12和,CFC鄴113 另一方面作為溫室氣,增加太陽對地球的短波輻射,層 O 一方面破壞, 它們對全球變暖的影響是雙重的3。 13阻擋地表對外的長波輻射,體 2搖2. 水汽人類活動(dòng)產(chǎn)生的水汽 ,相對于自然界的排放。 受人類活動(dòng)影響較小O)(H 普遍認(rèn)為大氣中的水汽2,因?yàn)闇囟壬咂仁股炙舭l(fā)增加 冶

16、。 天然溫室氣體“水汽又稱,因此 ,對溫室效應(yīng)的影響可以忽略等Soden14。 提出了一種利用大氣中水汽含量衡量全球變暖程度的方法甲烷3搖 2. 牛羊等牲畜消化系統(tǒng)的發(fā)酵過程也可能產(chǎn)生; 甲烷是在缺氧環(huán)境中由甲烷細(xì)菌或生物體腐敗產(chǎn)生除了天。 年左右 8 它在大氣中存在的平均壽命為,噸左右350 每年大氣層中的甲烷含量會(huì)凈增。 甲烷 CH 人為活動(dòng)造成的, 。 排放因素有自然水體受生活污水和工業(yè)廢水的污染以及工業(yè)制造等 CH 然排放 44 氮氧化物 4搖2.如 , 另一部分則來源于人為排放,其中一部分來源于大氣放電O) ,氮氧化物主要指一氧化二氮(N2 盡管 ,年左右150 在大氣層中的存在壽命

17、是ON。 己二酸等的生產(chǎn)農(nóng)業(yè)畜牧活動(dòng)和工業(yè)排放 、 如硝酸,2 部分的, 分解90%但是可以利用太陽輻射的光解作用在同溫層中將其中的,它在對流層中呈化學(xué)惰性。反應(yīng)(O)可以和活躍的氧自由基ON2(8)+O N淄hO+N 搖 搖 搖 搖 寅22 (9)+ONO+ON搖搖搖搖寅222 。N分子在光子作用下轉(zhuǎn)化為ON即兩個(gè),+O2N淄 hO+寅。和:2N有,相加(9)與式(8)式222222 二氧化碳 5 搖2 .由燃, 年以來1860。大氣中二氧化碳濃度增加的主要原因是工業(yè)化后的大量開采和使用礦物燃料平均每年增長率為,燒礦物質(zhì)燃料排放的二氧化碳億50 二氧化碳排放量每年達(dá)到, 年 30 而近;22

18、%4.二氧化碳在大氣中的壽命長達(dá)一。 15大氣中二氧化碳增加的另一個(gè)原因是采伐樹木作燃料。噸左右。blanket)/ 藍(lán)形象地稱為，因此。這足以使其在大氣中積累到數(shù)十億噸 ,個(gè)世紀(jì) 冶 (CO 二氧化碳毯2 結(jié)論及應(yīng)對策略3搖 理解產(chǎn)生臭氧層破壞和溫室氣體的作用機(jī)制對于普及全球變暖的基礎(chǔ)知,氣候變暖引起全球關(guān)注氮的、 二氧化碳 、 溫室氣體包括大氣層中自然產(chǎn)生的水蒸氣。 群策群力解決環(huán)境問題具有重要意義,識(shí) 、 氫氟化物(HFCs)、 各種氧化物和人類活動(dòng)排放的氯氟甲烷這些物質(zhì)的吸熱能力。等PFCs)(氟化物則是目前為止吸熱能力PFCs)(全氟化物(HFCs)氟甲烷，倍270如氮氧化合物是二氧

19、化碳的, 不同 , 水蒸氣及臭氧的時(shí)空分布變化較大: 淤 具體分析這些溫室氣體。 最強(qiáng)的物質(zhì)在進(jìn)行減排措施規(guī)劃一二氧化碳含;盂但含量較低,氯氟烷烴和全氟化物吸熱能力最強(qiáng)、 氮氧化合物;于般不考慮這兩種氣體全球氣溫將,如果二氧化碳含量比現(xiàn)在增加一倍;對全球升溫的影響最大,55%所占比例高達(dá), 量較多降低氯氟烷和二氧, 通過以上分析可知。 因此二氧化碳被稱為最大的正輻射壓迫力,34 5 益 4 升高11卻 ,Houghton 但是 。同時(shí)還可以減輕它們對臭氧層的破壞, 化碳排放成為降低溫室效應(yīng)的首要任務(wù)。 認(rèn)為全球氣候的穩(wěn)定首先需要控制大氣中溫室氣體含量的穩(wěn)定14全球氣候變暖中的大氣化學(xué)問題:尹學(xué)

20、博期1 第搖 或人為 ,人類活動(dòng)還可能直接排放微小顆粒物,除了上面討論的與大氣化學(xué)有關(guān)的氣候變暖因素外排放SO如,PM),微米級白顆粒(這些微粒分散到大氣中形成氣溶膠，排放物在大氣中形成微小顆粒物 2 而是包, 這些顆粒物并不是單一的某種物質(zhì),從化學(xué)角度看。4aerosols)(sulfate 形成的硫酸鹽氣溶膠;PM 對人類的影響也不同,它們的大小不同。2是指粒徑小于括排放到空氣中各種微小固體和液體10 科學(xué)家就認(rèn)識(shí)到氣溶膠反射太陽光,年 1970 從。 PM 而 ;的顆粒懸浮物10滋m25滋m2.的粒徑則小于52.大氣棕色云 氣溶膠被形象地稱為，為表明顆粒物對太陽光的遮擋。16從而有助于降

21、低地球表面溫度減少了到達(dá)地球的太陽,棕色云團(tuán)增強(qiáng)了對太陽光的吸收和散射。17brown冶(atmospheric團(tuán)clouds)雖然這種影響只是。17硫酸鹽和有機(jī)物等對這種變暗起著重要作用、炭黑 。從而使地球表面變暗 ,能 ,這表明人類活動(dòng)在增加溫室氣體的同時(shí),但空氣中氣溶膠的含量與溫室氣體含量呈正相關(guān),物理影響改善空,有助于降低空氣顆粒物含量,因此降低溫室氣體的排放。4同樣增加了大氣中的顆粒物含量。氣質(zhì)量石油和天然氣等化石燃料放出的二氧化碳?xì)怏w對全球溫度影、由于現(xiàn)代化工業(yè)社會(huì)過多燃燒煤炭而且這些化石燃料,已成為刻不容緩的事情)即現(xiàn)在經(jīng)常說的碳排放(有效降低二氧化碳排放,響最大有效降低化石燃料

22、的使用也是降低人為顆粒物?？赡苡绊懘髿庵谐粞醯暮縉O不完全燃燒產(chǎn)生的x哥本哈根會(huì)議的一個(gè)議題就是根據(jù)世界上不同國家的國情制定。改善空氣質(zhì)量的一個(gè)重要手段 , 排放如何提高其使用,在不可避免使用化石能源的時(shí)侯。有效遏制全球氣候變暖過快,不同國家的減排目標(biāo)如國家科技部發(fā)布的,這個(gè)問題已引起高度重視。效率從而降低它的使用也成為減排的一個(gè)重要課題。項(xiàng)目指南中就把化石能源高效轉(zhuǎn)化關(guān)鍵科學(xué)問題作為一個(gè)重點(diǎn)資助方向937 年 2010 獻(xiàn)搖文搖考搖參,2010(5):317 商業(yè)文化.李帥搖1化 學(xué) 與 社 會(huì) . 等 , 朱 志 偉 , 卞 江 , 段 連 運(yùn) 搖 2,2008 化 學(xué) 工 業(yè) 出 版

23、社 : 北京.,2010,24:10BiologyConservationC.MSerreze搖3,2009,43:37EnvironAtmosY.V,FengRamanathan 搖 4,2000,404:531NatureP.Aldhous 搖5,2000,97:1412USASciAcadNatlProcal.etV,M,LimpasuvanJL,WallaceDHartmann搖6Jersey:Prentice鄄HallNewed.2ndSciences.BiologicalinApplicationsJrandChemistry:PrinciplesPhysicalC.JK,WangI ,SauerTinoco 搖 7INC