大气温室效应和全球变暖

什么叫温室效应

  全球的地面平均温度约为15℃。可是,如果没有大气,根据地球获得的太阳热量和地球向宇宙空间放出的热量相等,可以计算出地球的地面平均温度应为-18℃。因此,这33℃大体就是因为地球有大气,大气像被子一样造成温室效应之故。

  世界上,宇宙中任何物体都辐射电磁波。物体温度越高,辐射的波长越短。太阳表面温度约6000K,它发射的电磁波长很短,称为太阳短波辐射(其中包括从紫到红的可见光)。地面在接受太阳短波辐射而增温的同时,也时时刻刻向外辐射电磁波而冷却。地球发射的电磁波长因为温度较低而较长,称为地面长波辐射。短波辐射和长波辐射在经过地球大气时的遭遇是不同的:大气对太阳短波辐射几乎是透明的,却强烈吸收地面长波辐射。大气在吸收地面长波辐射的同时,它自己也向外辐射波长更长的长波辐射(因为大气的温度比地面更低)。其中向下到达地面的部分称为逆辐射。地面接受逆辐射后就会升温,或者说大气对地面起到了保温作用。这就是大气温室效应的原理。

  地球大气的这种保温作用,很类似于种植花卉的暖房顶上的玻璃(因此温室效应也称暖房效应或花房效应)。因为玻璃也具有透过太阳短波辐射和吸收地面长波辐射的保温功能。

  温室效应源自温室气体

  大气中每种气体并不是都能强烈吸收地面长波辐射。地球大气中起温室作用的气体称为温室气体,主要有二氧化碳(CO2)、甲烷、臭氧、一氧化二氮、氟里昂以及水汽等。它们几乎吸收地面发出的所有的长波辐射,其中只有一个很窄的区段吸收很少,因此称为"窗区"。地球主要正是通过这个窗区把从太阳获得的热量中的70%又以长波辐射形式返还宇宙空间,从而维持地面温度不变,温室效应主要是因为人类活动增加了温室气体的数量和品种,使这个70%的数值下降,留下的余热使地球变暖的。

  不过,CO2等温室气体虽然吸收地面长波辐射的能力很强,但它们在大气中的数量却极少。如果把压力为一个大气压、温度为0℃的大气状态称为标准状态,那么把地球整个大气层压缩到这个标准状态,它的厚度是8000米。目前大气中CO2的含量是355ppm,即百万分之355,把它换算成标准状态,将是2.8米厚。在8000米厚的大气中就占这2.8米厚这一点点。甲烷含量是1.7ppm,相应是1.4厘米厚。臭氧浓度是400ppb(ppb为ppm的千分之一),换算后只有3毫米厚。一氧化二氮是310ppb,2.5毫米厚。氟里昂有许多种,但大气中含量最多的氟里昂12也只有400ppt(ppt又为ppb的千分之一),换算到标准状态只有3微米。由此可见大气中温室气体之少。也正因为如此,所以人为释放如不加限制,便很容易引起全球迅速变暖。

  早在1938年,英国气象学家卡林达在分析了19世纪末世界各地零星的CO2观测资料后,就指出当时CO2浓度已比世纪初上升了6%。由于他还发现从上世纪末到本世纪中叶全球也存在变暖倾向,因而在世界上引起了很大反响。为此,美国斯克里普斯海洋研究所的凯林于1958年在夏威夷的冒纳罗亚山海拔3400米的地方建立起了观测所,开始了大气中CO2含量的精密观测。由于夏威夷岛位于北太平洋中部。,因而可以认为它不受陆地大气污染影响,观测结果有可靠性。

  1958年4月到1991年6月,人们对冒纳罗亚山大气中CO2的浓度进行了观测,发现1958年大气中CO2含量不过315ppm左右,而1991年已经达到了355ppm。问题的严重性还在于,目前(1996年)人类每年燃烧55亿吨化石燃料(每吨约产生4吨CO2)中,大约只有一半进入了大气,其余一半主要被海洋和陆地植物所吸收。一旦海洋中CO2达到饱和,大气中CO2含量将成倍上升。此外,他们还发现CO2含量还有季节变化,冬夏可以相差6ppm。这主要是由于北半球广阔大陆上植被冬枯夏荣的结果,也就是植物在夏季大量吸收CO2因而使大气中CO2浓度相对降低。

  根据对南极和格陵兰大陆冰盖中密封的气泡中空气的CO2浓度测定,过去长期以来大气中CO2含量一直比较稳定,大体是280ppm左右。只是从18世纪中叶,即工业革命前后开始稳定上升。即人类用了240年时间,使大气中CO2浓度从280ppm上升到355ppm。

  甲烷是仅次于CO2的重要温室气体。它在大气中的浓度虽比CO2少得多,但增长率则大得多。据联合国政府间气候变化委员会(IPCC)1996年发表的第二次气候变化评估报告(《报告》),从1750-1990年共240年间CO2增加了30%,而同期甲烷却增加了145%。甲烷也称沼气,是缺氧条件下有机物腐烂时产生的。例如水田,堆肥和畜粪等都会产生沼气。一氧化二氮又称笑气,因为吸入一定浓度的这种气体后会引起面部肌肉痉挛,看上去像在发笑一样。主要是使用化肥,燃烧化石燃料和生物体所产生。大气中的臭氧含量,在平流层中虽有减少,但在对流层中是增加的,这在后面还要专门谈到。氟里昂气体是氯、氟和碳的化合物;自然界里本不存在,完全是人类制造出来的。由于它的融点和沸点都比较低,不燃,不爆,无臭,无害,稳定性极好,因此广泛用来制造制冷剂、发泡剂和清洁剂等。地球大气中浓度最高的氟里昂12和氟里昂11含量虽都极少,但过去增长率却很高,都是年增5%。由于它剧烈破坏大气臭氧层,根据1987年国际《蒙特利尔议定书》它在大气中的浓度从21世纪初开始可望逐渐减少。

  应当说明,CO2以外的其他温室气体在大气中的浓度虽比CO2小得多,有的要小好几个量级,但它们的温室效应作用却比CO2强得多。因此它们对大气温室效应的贡献,根据IPCC第二次《报告》,都只比CO2低一个量级。如果说它们对地球大气温室效应的总贡献和CO2相比,在1960年以前还是很小的话,那么不久的将来便会和CO2并驾齐驱以至超过CO2,这是不可忽视的。

温室效应的后果


  如前所述,工业革命前大气中CO2含量是280ppm,如按目前增长的速度,到2100年CO2含量将增加到550ppm,即几乎增加一倍。全世界的许多气象学家都在努力研究,CO2含量增加一倍以后,到2100年全球的平均气温会增高多少?

  目前采用的具体办法是,根据大气运动规律和物理状态变化规律,设计成数值模式进行计算。不过,由于人们对大气运动变化规律认识得还不够完善,采取的简化计算办法不同,各个模式的计算结果常相差很大。为此,80年代美国科学院组织了评估委员会,对这些模式的结果进行研究和综合评估,最终得出CO2倍增后全球平均气温将上升3℃土1.5℃,即1.5℃-4.5℃。这就是对本问题最有权威的组织--联合国IPCC第一次《报告》中采用的数字。

  近年来,气候模式的模拟能力有了重大改进,这主要是考虑了大气中气溶胶(空气中悬浮的微小颗粒)的作用。因为在燃烧化石燃料放出CO2的同时也释放出了巨量的硫化物等气溶胶。这种气溶胶会遮挡部分阳光到达地面,因此使地面气温降低,起到冷却作用。其数值据IPCC估计可达-0.5瓦/米2。即相当于CO2增温效应(1.56瓦/米2)的1/3,比甲烷的增温效应(+0.47瓦/米2)还略大。主要根据这个改进,IPCC在l996年公布的第二个《报告》中,把2100年CO2倍增后全球平均气温的升温值从1.5℃-4.5℃,修改为1.0℃-3.5℃。评估报告中还指出,由于海洋的巨大热惯性,到2100年这个增温值中大约只有50%-90%得以实现。

  然而,模式计算结果还说明,全球平均增温1.0℃-3.5℃不均匀分布于世界各地,而是赤道和热带地区不升温或几乎不升温,升温主要集中在高纬度地区,数量可达6℃-8℃甚至更大。这一来便引起另一严重后果,即两极和格陵兰的冰盖会发生融化,引起海平面上升。北半球高纬度大陆的冻土带也会融化或变薄,引起大范围地区沼泽化。还有,海洋变暖后海水体积膨胀也会引起海平面升高。IPCC的第一次评估报告中预计海平面上升70-140厘米(相应升温1.5℃-4.5℃),第二次评估报告中比第一次评估结果降低了约25% (相应升温1.0℃一3.5℃),最可能值为50厘米。IPCC的第二次评估报告还指出,从19世纪末以来的百年间,由于全球平均气温上升了0.3℃-0.6℃,因而全球海平面相应也上升了10-25厘米。

  全球海平面的上升将直接淹没人口密集、工农业发达的大陆沿海低地地区,因此后果十分严重。1995年11月在柏林召开的联合国《气候变化框架公约》缔约方第二次会议上,44个小岛国组成了小岛国联盟,为他们的生存权而呼吁。

  此外,研究结果还指出,CO2增加不仅使全球变暖,还将造成全球大气环流调整和气候带向极地扩展。包括我国北方在内的中纬度地区降水将减少,加上升温使蒸发加大,因此气候将趋干旱化。大气环流的调整,除了中纬度干旱化之外,还可能造成世界其他地区气候异常和灾害。例如,低纬度台风强度将增强,台风源地将向北扩展等。气温升高还会引起和加剧传染病流行等。以疟疾为例,过去5年中世界疟疾发病率已翻了两番,现在全世界每年约有5亿人得疟疾,其中200多万人死亡。

  但是,温室效应也并非全是坏事。因为最寒冷的高纬度地区增温最大,因而农业区将向极地大幅度推进。CO2增加也有利于植物光合作用而直接提高有机物产量。还有论文指出,在我国和世界历史时期中温暖期多是降水较多、干旱区退缩的繁荣时期,等等。

  当然,在大气温室效应这个问题上,也有不同意见。例如,过去有些科学家认为目前数值模式还不成熟,计算结果过于夸大;百年升高0.3℃-0.6℃属于正常气候变化,不能证明是大气温室效应所造成,等等。当然这是少数人的意见。

  尽管如此,但对于目前大气中CO2浓度和全球温度正迅速增加,以及温室气体增加会造成全球变暖的原理,都是没有争论的事实。我们如果等到问题发展到了人类可以明显感知的水平,这时候往往已经难以逆转,那么就为时已晚。因此现在就必须引起高度重视,以便采取对策,保护好人类赖以生存的大气环境。

球变暖的对策


  对大气温室效应造成的全球变暖的对策主要有以下三个方面。

  第一方面是减少目前大气中的CO2。目前最切实可行的办法是广泛植树造林,加强绿化;停止滥伐森林。用太阳光的光合作用大量吸收和固定大气中的CO2。其他还有利用化学反应来吸收CO2的办法,但在技术上都不成熟,经济上更难大规模实行。

  第二方面是适应。这是无论如何必须考虑的问题。例如,除了建设海岸防护堤坝等工程技术措施防止海水入侵外,有计划地逐步改变当地农作物的种类和品种,以适应逐步变化的气候。日本北部因为夏季过凉,过去并不种植水稻,或者产量很低。但是由于培育出了抗寒抗逆品种,现在连最北的北海道不仅也能长水稻,而且产量还很高。这就是一个很好的例子。由于气候变化是一个相对缓慢的过程,只要能及早预测出气候变化趋势,适应对策是能够找到并顺利实施的。

  第三方面是削减CO2的排放量。这就是1992年巴西里约热内卢世界环境与发展大会上,各国领导人共同签字的《气候变化框架公约》的主要目的(框架是指比较原则,有待进一步具体化的意思)。公约要求在2000年发达国家应把CO2排放量降回到1990年水平,并向发展中国家提供资金,转让技术,以帮助发展中国家减少CO2的排放量。因为近百年来全球大气中CO2浓度的迅速升高,绝大部分是发达国家排放造成的。发展中国家首先是要脱贫,要发展。发达国家有义务这样做。

  但是,由于公约是框架性的,并没有约束力,而且削减CO2排放量直接影响到发达国家的经济利益,因此有的发达国家不仅没有减排,还在增排,2000年根本不可能降到1990年水平。在1997年12月11日结束的联合国气候变化框架公约缔约方第3次大会上(日本京都会议),发展中国家和发达国家展开了尖锐紧张的斗争,最后发达国家作出让步,难产的《京都议定书》终于得到通过。议定书规定,所有发达国家应在2010年把6种温室气体(CO2、一氧化二氮、甲烷和三种氯氟烃)的排放量比1990年的水平减少5.2%。这虽与发展中国家的要求到2010年减少15%,到2020年再减少20%的目标相差很大,但毕竟这是一份具有约束力的国际减排协议。