能源學科專題講座：溫室效應-人類面臨的嚴重挑戰(zhàn)

溫室效應——

人類面臨的嚴重挑戰(zhàn)全球環(huán)境狀況聯合國最新公布的研究結果顯示，在過去30年中，雖然國際社會在環(huán)保領域取得了一定成績，但全球整體環(huán)境狀況持續(xù)惡化。國際社會普遍認為，貧困和過度消費導致人類無節(jié)制地開發(fā)和破壞自然資源，這是造成環(huán)境惡化的罪魁禍首。全球環(huán)境狀況世界經濟發(fā)展和人類賴以生存的環(huán)境是不協調的，經濟發(fā)展和人口增長給環(huán)境造成了巨大的壓力，對發(fā)展中國家這種情況尤為突出。全球環(huán)境狀況全球環(huán)境惡化主要表現在大氣和江海污染加劇、大面積土地退化、森林面積急劇減少、淡水資源日益短缺、大氣層臭氧空洞擴大、生物多樣化受到威脅等多方面，同時溫室氣體的過量排放導致全球氣候變暖，使自然災害發(fā)生的頻率和烈度大幅增加。算一算地球一天的污染帳地球上城市居民約有70%（15億人）呼吸受污染的空氣，每天至少有800人因此過早死亡。每天有1.5萬人死于飲用污染的水，其中大部分是兒童。工業(yè)、各種噴霧罐、冰箱、空調機等每天把1500多噸氯氟烴排入大氣層，它們是造成臭氧層空洞的罪魁禍首。算一算地球一天的污染帳每天進入大氣層的二氧化碳為5600萬噸，“溫室效應”與此有關。每天有5.5萬公頃森林被毀，161

平方公里土地荒漠化。每天有14萬輛新汽車駛上公路，各國400多座核電站產生26噸核廢料，還有1.2萬桶石油瀉入海洋。

1999年的臭氧空洞是有史以來觀測到的最大一次，達到2600萬平方公里的面積。天空正在塌陷全球正在變暖海平面上升與陸地淹沒；

氣候帶的移動；

颶風的加?。?/p>

植被的遷徙與物種滅絕；

洋流的變化與厄爾尼諾；

雨型的改變；地球森林覆蓋量正在減少大氣環(huán)境的三大問題80年代中期在南極上空發(fā)現了臭氧空洞，它與地球變暖及所謂溫室效應和酸雨沉降問題構成全球性大氣環(huán)境問題，明顯地危及全人類的生存和繁衍，引起了國際社會的高度關注，使當今的世界環(huán)境問題具有明顯的時代特征。大氣環(huán)境的三大問題聯合國環(huán)境規(guī)劃署日前發(fā)布的《全球環(huán)境展望》報告指出，消除貧困、發(fā)達國家改變消費方式、加強環(huán)境管理、增加環(huán)保投資以及減免發(fā)展中國家的債務是遏制全球環(huán)境惡化趨勢的先決條件。我國的環(huán)境現狀世界十大嚴重污染城市中國占：個7嚴重局面!因二氧化硫排放每年經濟損失1126億元(世界銀行統計超過5000億元)占全國排放比例：燃煤污染物SO2－85%CO2－85%NOx－60%粉塵－70%污染現狀1998年我國大氣環(huán)境質量狀況1998年，在全國322個環(huán)境統計的城市中,空氣質量達到國家二級標準的占27.6%；處于國家三級標準的占28.9%；超過國家三級標準屬于嚴重污染型城市的占43.5%。在國內47個重點城市中，空氣污染最為嚴重的十大城市，依次為太原、北京、烏魯木齊、蘭州、重慶、濟南、石家莊、青島、廣州、沈陽。1998年我國大氣環(huán)境質量狀況據1998年國際衛(wèi)生組織公布的一項報告表明，全球空氣污染嚴重的城市依此是：太原、米蘭、北京、烏魯木齊、墨西哥城、蘭州、重慶、濟南、石家莊、德黑蘭。十個污染嚴重的城市中我國占了7個，北京名列第三，蘭州名列第六。2000年我國大氣環(huán)境質量狀況2000年統計的338個城市中，36.5%的城市達到國家空氣質量二級標準，63.5%的城市超過國家空氣質量二級標準，其中超過三級標準的有112個城市，占監(jiān)測城市的33.1%。城市空氣質量總體上比1998年度好轉，達標城市比例上升，超過三級的城市比例下降。2000年我國大氣環(huán)境質量狀況47個環(huán)境保護重點城市中，27個城市空氣質量達到國家二級標準，7個城市空氣質量為三級，13個城市空氣質量超過三級標準。

2000年與1995年

廢氣中主要污染物排放狀況對比單位（萬噸）

2002年我國大氣環(huán)境質量狀況2002年，全國471個城市中，有209個城市環(huán)境空氣質量達到國家二級標準，占統計城市的44.37%，比2001年的33.43%增加11個百分點；比1998年的27.64%增加了16.7個百分點。2002年地級以上城市達到二級標準的占32.8%，比2001年的33.4%，略有下降。2002年我國大氣環(huán)境質量狀況2002年城市空氣中二氧化硫平均濃度比2001年降低9.6%，比1998年降低了17.5%；2002年總懸浮顆粒物濃度比2001年和1998年分別下降了6.6%和10.5%。2002年我國大氣環(huán)境質量狀況城市空氣質量惡化的趨勢得到遏制，但空氣污染程度仍然嚴重，尤其是人口超過百萬的特大城市污染較為嚴重。顆粒物是影響城市空氣質量的首要污染物，53.5%的城市顆粒物濃度未達到國家二級標準。一九九八~二零零二年城市空氣質量狀況

城市空氣質量達標情況對比

城市空氣中主要污染物濃度變化趨勢

重點城市空氣質量達標情況2002年全國47個環(huán)境保護重點城市中，有17個城市空氣質量達到國家二級標準，比1998年的12個城市增加5個，比2000年的27個減少了10個；2002年劣三級的城市有11個，比1998年的20個減少了9個，比2000年的13個減少了2個。

大氣SO2濃度最高的城市狀況

中日兩國部分城市SO2濃度比較1998年全國降水PH等值線圖年萬噸SO2我國SO2可能排放情況的預測我們的地球 地球已有45億年的歷史。 在其形成初期，地球被氫氣層包裹著，隨后氫氣消散，氣層充滿氦氣和二氧化碳等氣體，非常類似于今天觀測到的金星大氣和火星大氣。我們的地球大約38億年前，藻類及以后進化出現的各種植物，通過光合作用，逐漸改變了大氣成分，使大氣中的二氧化碳氣體降低到目的濃度，約占大氣總含量的0.03％左右，而氧氣則增加到20％左右。地球環(huán)境才逐漸變得適合生命的產生和生存。我們的地球

太陽系中，在已知的其它行星上還未發(fā)現生命的存在，地球是唯一的。我們的地球大約50億年前，當金星逃離太陽的時候，它與地球的大小和組成基本相同。今天，地球是一個藍色的海洋世界，并具有富含氧氣的大氣層和豐富的生命物資，而金星卻是一個無生命的世界，十分干燥的巖石被濃密的酸雨云籠罩著，表面熱得足以將鉛融化。這是由于金星被二氧化碳所籠罩。我們的地球最近幾十年來，地球日益變暖。地球為什么會變暖？這是由于人類大量使用能源而放出的熱量使地球變暖的嗎？我們的地球人類一年使用的全部能源＝80億t石油＝331016kJ如果把這些熱量全部用于加熱海洋，僅僅可以使海水溫度上升610-5℃，即加熱一萬年，海水溫度也只上升到1℃。地球變暖的原因到底是什么？人類使用能源一天所放出的熱量＝0.11016kJ；地球一天從太陽獲得的熱量＝15001016kJ.地球變暖的原因到底是什么？太陽射向地球的光約1/3被云層、冰粒和空氣分子反射回去；約25％穿過大氣層時暫時被大氣吸收起到增溫作用，但以后又返回到太空；其余的大約37％則被地球表面吸收。這些被吸收的太陽輻射能大部分在晚間又重新發(fā)射到天空。地球變暖的原因到底是什么？如果這部分熱量遇到了阻礙，不能全部被反射出去，地球表面的溫度就會增加。單原子氣體和空氣、氫氣、氧氣、氮氣等分子結構對稱的雙原子氣體實際上并無發(fā)射和吸收輻射能的能力。它們可以看作是熱輻射的透明體。二氧化碳、水蒸汽、二氧化硫、甲烷、氟利昂（制冷劑）等三原子和多原子氣體則有相當的輻射和吸收能力。氣體對包括太陽的各種熱輻射的特性上述氣體的輻射和吸收具有明顯的選擇性，即它們對某些波長段有吸收和輻射能力，對該波長段以外的則不吸收。（見圖1－某些氣體的吸收波段）氣體對包括太陽的各種熱輻射的特性圖1某些氣體的吸收波段氣體對包括太陽的各種熱輻射的特性 太陽表面溫度約為6000K，輻射的最強波段為可見光部分，地球表面溫度為288K，地表輻射波段為紅外部分。從太陽發(fā)射出來的可見光（短波輻射）被地球吸收并變成低溫后，向宇宙空間發(fā)射的是長波的紅外線。CO2不吸收短波，只吸收長波，于是，地球表面吸收的太陽輻射就散不出去，從而使地表溫度升高，地球變暖。象CO2這類會使地球變暖的氣體就稱為溫室氣體（包括水蒸汽、SO2、甲烷、氟利昂等）。氣體對包括太陽的各種熱輻射的特性溫室效應溫室效應溫室氣體的來源

主要溫室氣體含量與來源結論由于人類大量使用化石燃料，其排放出的CO2等溫室氣體對輻射的選擇性和吸收特性是使地球變暖的主要原因。全球氣候變化工業(yè)化時代開始以來，僅僅約200年的時間，人類的活動已使上層大氣發(fā)生變化。全球氣候變化在過去的一個世紀里，由于燃燒化石燃料（石油、天然氣、煤）和砍伐森林，CO2含量已經增加了25％；大氣中N2O也增加了1/3，它主要來自化石燃料的燃燒以及肥料脫氮和破壞森林所釋放的污染物質；全球氣候變化甲烷在上層大氣中的含量也已增加了1倍，這主要由于油氣井的噴發(fā)，而森林和原野轉變成牧場和耕地，以及海洋捕撈活動中產生的有機廢棄物腐爛也起著作用。全球氣候變化20世紀要比19世紀的溫度平均高1℃。

溫度升高1℃，就必然會加熱大量的海水和空氣。從最近一次冰河期到現在，經過18000年地球才升高9℉（5℃），大約每千年平均升高半度。地球過去升溫最快的時候也只是每千年3.6℉（2℃）。全球氣候變化

但近代，僅在一個世紀里就升高1℃，實際上是加快了升溫的速度，比平均數快了20倍。全球氣候變化

地球變暖實際上是一種典型的全球性問題。全球變暖既可能帶來對人類有利的影響，也可能帶來不利的后果。全球氣候變化目前，人們還無法定量地確定出全球變暖的前景及其影響，但地球氣候變暖帶來的南、北極冰山融化，海平面升高，全世界最發(fā)達的沿海陸地的淹沒所造成的災害性的后果，將是無可置疑的。此外海平面升高還會使鹽水向河流倒灌，侵蝕河流使土地鹽堿化。海平面升高

Globalairtemperature

一百年間的海平面水位變化

海平面上升可能受到影響的地域圖4一百年間的海平面水位變化圖5海平面上升可能受到影響的地域全球氣候變化

全球CO2濃度變化及全球氣候變化的預測是一個很復雜的問題，是全世界各國科學家研究的重點課題。圖6全球氣候變化的計算流程圖全球氣候變化

目前至少已有幾十個研究報告給出了這方面的結果。經管不同模式的計算結果不盡相同，但CO2濃度倍增會導致全球氣候的變暖這個趨勢還是一致的。CO2與全球變暖預測結果

10年內，全球表面平均氣溫將上升

0.3K（0.2～0.5K），海平面將上升

6cm（3～10cm）。一旦CO2濃度增加到2倍，全球表面平均氣溫將上升1.5～4.5℃。

各國CO2的排放預測氣候變化對環(huán)境的影響地球表面變暖，在遠離赤道的地方變化最顯著。雖然某些地區(qū)由于蒸發(fā)迅速和風型改變會變得更干燥，但全球降雨量增加。沿海岸的亞熱帶出現更潮濕的季風。在高海拔和高緯度地區(qū)更頻繁地出現更大的風雪。在內地，大陸中部地區(qū)出現較早的雪融和潮濕的春季，夏季漫長且來得早，干旱更加頻繁。氣候變化對環(huán)境的影響在高緯度地區(qū)，農業(yè)條件會更好些。由于海水的邊界向北移動，因此海洋冰量減少。沿海海平面每世紀上升幾英尺。颶風更頻繁、更強大，并向高緯度地區(qū)擴展。森林火災更頻繁、更嚴重。大量物種迅速滅絕。由于氣候的原因，人口死亡率增加。全球的碳循環(huán)碳循環(huán)碳是一切有機物的最重要和最主要的成分之一。地球上碳的主要賦存場所是大氣、土壤、生物體、海水、化石燃料（石油、天然氣、煤等），CO2是上述各個碳庫之間進行碳的輸送和循環(huán)的主要形式。碳循環(huán)

作為生物主體的耗氧生物，通過呼吸作用將食物中的碳變成CO2

呼出體外，進入大氣，而生物就以這種方式獲得生命活動所需的能量。碳循環(huán)生物死亡后，體內的一部分碳被微生物分解，仍以CO2的形式進入大氣、土壤和海水，另一部分則保存下來，經過復雜的地質過程變成化石燃料。化石燃料的一部分被人類發(fā)掘利用，氧化、燃燒后生成CO2又進入大氣。如此往復，形成全球的碳循環(huán)。碳循環(huán)自然界每年的碳循環(huán)數量是相當可觀的，約占大氣總碳量的1/4，其中的一半是與陸地生物群落交換，另一半則通過物理和化學過程穿過海洋表面。碳循環(huán)陸地和海洋含碳量遠大于大氣中的含碳量，它們很小的變化就會對大氣中CO2濃度產生很大影響。例如，存儲于海洋中的碳只要釋放2％，就將使大氣中的CO2含量增加1倍。碳循環(huán)森林是地球上最大的陸地生態(tài)系統，是全球碳循環(huán)的重要組成部分。全球森林植被和土壤中儲存的碳，低緯度森林占37％，中緯度森林占14％，高緯度森林占49％。碳循環(huán)

人類活動對陸地碳循環(huán)有很大的影響。海洋占地球表面積約71％，是一個巨大的碳存儲庫，每年有20～30億t碳以CO2的形式進入海洋。人類活動造成的碳流向（億t）我國對碳循環(huán)的研究長期以來，我國對碳循環(huán)進行了深入研究，取得了豐碩成果。圖4我國有機碳儲量的空間分布圖5中國土地利用數據庫的遙感信息源圖6中國土地利用圖圖7中國森林及農業(yè)生態(tài)系統的碳分布圖8中國的森林覆蓋圖圖10中國森林生態(tài)系統定位研究網絡圖111990～2000我國土地利用

變化類型與動態(tài)度中國生態(tài)系統研究

網絡及碳通量觀測站點分布遙感同步觀測實驗的儀器設備碳通量觀測設備及觀測塔結論

維持全球碳平衡是保持全球生態(tài)平衡、使社會可持續(xù)發(fā)展的關鍵之一。能源利用和CO2排放能源利用和CO2排放化石燃料的燃燒（約占CO2排放總量70％）和地球植被的破壞是CO2濃度增加的主要原因，能源工業(yè)同時也是甲烷氣體的一個重要的產生源（約占總量的20％）。能源利用和CO2排放與化石燃料相關的產業(yè)（包括原煤開采、石油和天然氣及輸氣管道系統在傳輸時的泄漏）是溫室氣體增加的重要原因。能源利用和CO2排放據統計，現在全球每年因燃煤而產生的CO2就高達60億t。因此，能源產業(yè)成為減少溫室氣體排放行動的焦點。圖1各類化石燃料所排放的CO2各類化石燃料所排放的CO2各種發(fā)電方式下每千瓦·時排放

CO2折合碳單位（g）結論能源利用中排放的CO2是造