大气化学与人类全球气候变化

1、复旦大学环境科学与工程系大气环境与人类杨新yan2014-11-17二、臭氧消耗和全球气候变化1. 序言到目前为止，的主要的空气污染物对环境的影响主要限定在一个区域范围内。而在这一章，个实例关注影响全球大气环境和气候的两实例1：平流层臭氧消耗（目前已经被密切关注并采取了相关措施）。臭氧问题令人惊讶的地方在于如此微量的气体却可产生意想不到的重要。实例2：温室效应可能造成的大尺度全球气候变化2. 平流层的臭氧损耗平流层底部（距地面2030km）的臭氧能吸收光中的短波紫外线，减少紫外线对人体的。对流层中的臭氧主要来自于地面排放，是一种污染物，是光化学烟雾的主要成分。具有强腐蚀性，损伤肺部组织、引起呼

2、吸道植被。；毁坏紫外线对的紫外线可分为短波、 中波与长波三个波段。波长愈短，对人类皮肤危害越大，波长愈长，穿透性越强。 又称为短波灭菌紫外线 穿透能力最弱，几乎全部被臭氧层吸收不能达到地球表面 又被称作紫外线的晒伤（红）段，是应重点预防的紫外线波段。 穿透力中等。大部 分被皮肤表皮吸收， 又称做长波黑斑效应紫外线 具有很强的穿透性，可引起皮肤黑色素 沉着 虽不会引起皮肤急性炎症，但对皮肤不渗皮肤部。 对的很大，短时间照射即可灼伤皮肤，长期或高强度照射还会造成 可对皮肤产生强烈的光损伤。长久照射会出现红斑、炎的作用缓慢，可长期积累，是导致皮肤老化和严重损害皮肤癌症、皮肤老化，严重者可引起皮肤癌的

3、原因之一200280nm280315nm315400nm长波（UVA）中波（UVB）短波（UVC）1985年，在南极洲Halley臭氧损耗的发现Bay工作的英国学家宣称，他们用地面仪器检测垂直大气气柱的过程中发现了 臭氧浓度急剧下降的趋势。迄今最大的南极臭氧空洞，中心臭氧浓度减少了50%以上。(2006年9月).此项结论已经被多国的数据及高空飞机的监测结果证实。臭氧损耗现象在南极地区、甚至是中纬度地区都有发生。总体来说，全球平流层的臭氧损耗只有3%，但在南极地区损耗已达至2004年，南极Halley Bay 春季上空平流层臭氧浓度呈下降趋势50%AntarcticArctic臭氧损耗机制臭氧的

4、形成需要O2与紫外线参与，并维持一定平衡：O2 + UV 2O,O + O2 O3,O3 + UV O + O2人造的氟氯烃(CFC)是导致臭氧浓度低于自然水平的主要人为原因。最广泛使用的两种氟氯烃：氟里昂11 (CFCl3)和氟里昂12 (CF2Cl2)，常见于空调、冰箱、房屋保温、电子工业用溶剂与喷雾。CFCs可以传输至平流层，经紫外线照射产生游离的氯离子及其他分子碎片，游离氯可催化O3 的分解过程。OOClOOCl催化循环Cl+O3反应ClO+O反应臭氧损耗OOOOCl游离氯原子以催化剂的形式参与反应不会被消耗，因此能周而复始地“启动”上述反应，每一次都会破坏臭氧。据估算，1个氯原子能够

5、破坏100,000个臭氧分子。地球表面有许多能产生含氯化合物的源，但这些化合物通常溶解于水中，难以到达平流层。通常情况下，只有平流层中CFCs的氯能够快速破坏臭氧，所占比例也较小；其余大部分的氯会以分子形式（如HCl）存在于平流层，参与较为缓慢的化学反应。在南极冬季，可形成极地平流层云。云冰晶表面会大量吸附空气中的CFCs，并发生将Cl转化为ClO的化学反应。催化反应会中的臭氧消耗。平流层但由于反应过程需要光参与，因此长期处于夜间的南极冬季很少发生臭氧损耗现象。一般来说，南极臭氧层空洞大多发生在春季日光增多的时候（8月之后）。臭氧损耗的现象证明人类活动会无意间对大自然产生难以预料的恶果。能缓和

6、全球性臭氧损耗的方法目前只有限制CFCs的使用。由于CFCs同时也是温室效应气体，限继续使是一箭双雕的行为。在1987年，蒙特利尔的气候会议上达成一个全球性的共识减少CFCs的使用。蒙特利尔协议要求在1998年以前降低50%CFCs的产量。此项公1992年被加强（补充协议），要求于1995年以前，全面停止工业国家对CFCs的使用。尽管根据蒙特利尔协议及补充协议已作出了补救措施，南极上空大气中的臭氧含量与几十年前相比仍然处于一个较低的水平。哪怕停止排放CFCs，由于其在大气中的停留时间很长（估计为50100年），大气中还是会存在一定量的CFCs虽然大气臭氧损耗的问题还没有被完全解决，但是多数国家

7、坚持履行蒙特利尔协议，成为通过国际合作解决全球性世界环境问题的一个令人振奋的典范。臭氧层空洞何时能够恢复？1990年后，臭氧层空洞的面积完全由天气主导。由于氟氯烃的十分长，估计等到2025年蒙特利尔公约的作用才能体现出来，2058年至2090才会完全恢复。臭氧层空洞臭氧层损耗带来的健康影响 严重晒伤 白内障与皮肤癌 免疫系统受损增加食物与森林 农作物产量降低 浮游植物锐减影响海产品产量 对紫外线敏感的树木生长受抑制 对流层中的CFCs是一种温室气体The Nobel Prize in Chemistry 1995"for their work in atmospheric chemi

8、stry, particularly concerning theformation andition of ozone"Paul J. CrutzenMario J. MolinaF. Sherwood RowlandUSAUniversity of California Irvine, CA, USAthe NetherlandsMax-Planck- Institut für Chemie Mainz, Federal Republic of GermanyUSAMassachusetts Institute of Technology (MIT) Cambridge

9、, MA, USA3. 全球气候变化天气主要指某个区域在短期（通常是几个小时或者几天）内大气特征的变化，包括温度、降水、风速、气压等。气候则指的是某个地区或整个地球在较长时间内的平均天气状况（主要是温度与降水），一般认为最短的测量尺度在30天左右。全球气温受多个影响会在几年内发生波动变化（如火山爆发）。将短期内的温度波动看过为“气候暖化”或者“气候冷化”是对“气候”一词的错误理解。（1）温室效应地球的温度在几个世纪内能保持相对恒定，意味着 温室效应输入的能量必须与输地面辐射中，一部分能穿透大气层，大部出的辐射近乎平衡。分会被温室气体截留在大气层，加热地球输入的短波辐射中：表面及大气层底部一些辐

10、射50% 被地球表面吸收被地表或大气反射回太空30% 被气体、气溶胶、云及地球表面反射回外太空20% 被大气吸收输出的能量主要以地面长波辐射的形式逸散至外太空。射红外辐射对生物圈！地面也会发大约一半的能被地表吸收辐射为地球提供能源主要的温室气体种类15%气溶胶的区域和全球气候效应直接效应：颗粒物可以散射和吸收阳光 荷属东群岛的Tambora 火山1815年喷发的火山灰导致在其后的几年全球气温下降。 城市地区现在接收的阳光辐射比非工业区少了20%。间接效应：颗粒物作为云凝结核影响云的形成各种温室气体以温潜势(GTP)。为标准计算得到的全球暖化潜势（GWP)与全球升GWP，global warpo

11、tential,为瞬间1kg温室气体在一定时间段产生的辐射强迫与对应于1kg参照气体辐射强迫的比值。GTP，global temperature potential, “造成的全球地表温度变化” 水蒸气其实是最重要的一种温室气体 如果大气环境中没有自然形成的水蒸气，地球的温度会比现在冷得多 大气中水蒸气的含量相对较稳定，不会直接受到人为影响，因此通常不被认作温室气体 然而当气候变暖发展到一定程度时，温暖的环境会促进水蒸发为水蒸气，产生正反馈效应。暖化程度增加意味着更多的水蒸气，而的水蒸气会加剧暖化，循环往复。（2）大气温度变化历史过去90万年，地球交替出现全球冷化与全球暖化的时期，被称作冰期与

12、间冰期。大一万年前，地球进入了气候稳定的大间冰期，此时的大气温度有利于农耕文明发展，为人类繁衍生息提供了一个舒适的环境。估算与测量方法般为冻雪下一层较透彻，缓慢冻结层中速冻结层 迅速速冻结层缓慢冻结层1861年以后，人类才开始对地球大气温度进行定期测量。以往的历史数据可通过以下途径间接得到：岩石和化石中的放射性同位素测量；海洋沉积物中的浮游植物与放射性同位素检测；分析冰核中封存的古代空气气泡；（右图）琥珀与泥沼底部的花粉分析；树木的年轮；上述测量方法具有一定的限制，但已能够较好地反映地球温度变化规律。冰芯中封存的气泡表层较薄为白色，一历史变化的原因地球运行轨道的周期性变化，也称作米兰科维奇循环

13、，包括：1.地球公转轨道偏心率的变化（E）2.地球自转轴倾斜角的变化（T）3.地球的岁差（P）通过冰核分析到当时的大气温度与浓度，发现彼此有很好的相关性。（3）地球正在变暖世界气象组织(WMO)和环境规划署(UNEP)于1988年成立了间气候变化专业委员会 (IPCC)，负责变化方向。过往气候特征并未来气候2013年9月27日，IPCC公布了第五次评估的决策者摘要。与2007年发布的第四次评估（AR5）第一工作组（AR4）相比，新的评估认为气候变化要比原来认识到的更加严重，而且有95%以上的把握认为气候变化是人类的行为造成的。如果温室气体浓度持续升高，在本世纪内，地球大气的温度可能会急剧升高、

14、造成全球性的气候异常AR5对气候变化的观测结果 ：大气从有详细气象以来的1850年始，了气刚刚过 温最高的的三个十年每一个都刷；18802012年，全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势，升高了0.8520032012年平均温度比18501900年平均温度上升了0.78。大气气候会显现出年代际和年际差异，短期的气候趋势对起始年和终止年的选择很敏感，一般长期的气候趋势，所以气候变化研究一般要基于30年及以上的变化趋势。比如，过去15年（1998-2012）正好开始于一个强厄尔尼诺年，且受到周期处于下行期、火山喷发、海洋热量重新分布等的影响，平均升温速率为0.05每十年，比1951年以来的平均升温速率

15、（0.12每十年）要小。这回应了对全球变暖是否客观存在的质疑和对近年来变暖趋势减弱的疑问。冰冻圈全球陆地冰川和格陵兰、南极冰盖都在消融。北半球受影响更加明显：北冰洋海冰和北半球春季积雪都在减少，北半球冻土温度上升和冻土层厚度减小也被观测到。过去30，北极夏季海冰范围退缩史无前例，北极海表温度至少在过去1450年来异常偏高。多重证据表明，自二十世纪中叶以来北极出现了大幅度增暖。海洋：由于地球表面大部分被海水覆盖且海水比热容更大，吸收最多新增热量的是海洋。从1971年到2010年，积累的热量有 90%被海水吸收，其中700米深度以内的上层海水吸收了60%。在海洋上层 75米以上深度的海水温度升幅为

16、每十年0.11。自20世纪50年代以来，以蒸发为主的高盐度海区的海水已变得更咸，而以降水为主的低盐度海区的海水已变得更淡，间接表明海洋表面的蒸发和降水已发生 变化。海平面：19世纪中叶以来海平面上升速率明显高于过去两千年来的平均速度。全球平均海平面上升速率在1901-2010的平均值为每年1.7毫米，1971-2010为每年2.0毫米。二十世纪七十年代初以来，观测到的全球平均海平面上升的75%可以由冰川冰量损失和因变暖导致的海洋热膨胀来解释。CO2now.碳和其它生物地球化学循环：、甲烷和氧化亚氮的大气浓度至少已上升到过去80万年以来前所未有的水平。 2011年，上述温室气体浓度分别约超过工业

17、化前水平的40%、150%和 20%。浓度增加的首要原因是Now: 395.93 ppm化石燃烧和水泥生产（占68%），其次是由于土地利用变化导致的净排放。人为排放的在大气中，中43%累积%被海洋吸收，导致了海洋酸化AR5对气候变化驱动因子的结果 ：总辐射强迫是正值，并导致了气候系统的能量吸收。对总辐射强迫的最大贡献来自于大气CO2浓度的增加，总辐射强迫比AR4给出的2005年值高43%。一些短气体的贡献不可忽视。一氧化碳（CO）排放几乎确定已引起正辐射强迫，氮氧化物（NOx）可能引起负辐射强迫。-2，大气中气溶胶总效应（包括气溶胶造成的云调节）的辐射强迫为 . W这是将大多数气溶胶产生的负强

18、迫作用和黑碳吸收辐射产生的正贡献合计得到。但气溶胶及其与云的相互作用仍然是总辐射强迫估算中的最大不确定性来源。蓝色：仅使用自然强迫的模式红色：自然强迫+人为强迫黑色：实际观测值FAQ20世纪内全球暖化现象是否由自然原因主导 在过去20年内，超过2500名世界顶尖的气候学者不断验证着全球气候变暖的真实性。尽管仍有许多的不确定性，环境学者对以下表示确信1980年后，地球温度已上升了0.6oC，人类活动在地球暖化起了重要的作用。如此大范围严肃且严谨地一个科学问题，这在历史上是前所未见的。2007年，IPCC与著名的候选人戈，以表彰其为对抗尔了气候变暖、警示人类做出的贡献。然而，世界上仍有怀疑论者不断

19、质疑全球气候变暖的真实性。（5）全球辐射平衡IPCC的学者已提出有关的自然或人为，能够影响全球辐射流动，对全球温度变化产生放大（正反馈）或抑制（负反馈）作用，主要有：-的作用-海洋的作用-云的作用-大气污染(气溶胶)的作用-废热的作用自然或人为会对全球温度变化产生放大（正反馈）或抑制（负反馈）作用。其中红色箭头表示加热大气的过程，蓝色箭头表示冷却过程。辐射是影响地球温度的最重要之一，地球上一切能量的来源最终都可归为辐射能量增加，到达大气层顶部的能量增加，从而加热地球大气然而，目前的数据显示，大气层是由底部（即对流层层）开始加热，这意味着人为活动的影响开始变得重要海洋通过吸收大气中的CO2参与碳

20、循环，保持地海洋深处，以沉积物的形式可维持几百万年抑制了光合作用（固碳过程）球气候处于稳定状态海洋吸收低层大气中的热量，并将表层CO2至近年来，海水温度逐渐上升（上世纪内升高了0.32 0.67oC ），使得溶解于表层的CO2难以传输至海底，甚至重新 回大气表层海水酸度升高，形成弱酸（H2CO3 ），破坏碳 酸钙类物质（如珊瑚礁）；同时影响浮游植物生存，云对地球热量的影响有两方面目前，气象模型还无法得出哪种作用更重要较低高度形成的厚重连续积云能反射辐射至地面的能量，使得地球温度降低（左图） 纤薄的卷云可以减少逃逸回太空的能量，加热低层大气（右图）自然或人类活动会向大气排放大量的污染物，除了加热

21、作用能加热大气的温室气体外，大气气溶胶对全球变暖有缓解作用多数气溶胶颜色较浅（如硫酸盐气溶胶），能反射入射的 部分深色光，降低大气温度气溶胶（如飞灰），能吸收能量，有由于能量利用不够充分，当使用含碳的化石时，不仅仅出温室效应气体，还排放出大量废热加热大气这部分废热无法循环再利用，因此如何提高能量的利用效率是减少废热的关键（6）全球变暖造成的影响IPCC最新结果表明，相对于18501900年，21世纪末全球表面温度变化可能超过1.5°C，在较高排放水平下可能超过2°C。极地区域增温明显，海洋上层100米变暖幅度的约为0 . 6 °C 至2.0°C全球变暖将

22、会造成物多样性等一系列严重天气增多、冰雪消融、永冻土融化、海平面上升、影响生。天气增多：干旱温度升高增加水分蒸发，长时间蒸发的水量远远超过降水时，便会发生干旱。目前地球30%的土地已是干旱或严重干旱地区几乎等同于亚洲的面积；据估计，到2059年45%的地区会经历极度干旱干旱现象加剧，植被的生长受到限制，使得CO2清除受到抑制；干旱使得森林大火频发，增加CO2的排放。从而加剧气候变暖。帕尔默干旱指数(PDSI)是不仅考虑当时的水分条件，而且考虑前期水分状况、持续时间，即干旱强度是水分亏缺和持续时间的函数，能够定量描述旱情。红橙色表示干旱地区，蓝绿色表示湿润地区。天气增多：洪涝气候变暖后，陆地和海

23、洋表面的气温都会增加，更容易发生蒸发和蒸腾，大气中水汽含量就会增加，可容纳的水分就会增多，达到饱和后容易形成强降水，导致洪涝频发。天气增多：热浪气候异常导致高温天气出现的频率明显增加，严重程度逐步提高。今年夏季，我国南方地区纷纷刷新高温历史。据中心气象台消息，市2013年8月7日当天最高气温达到了40.8，超过此前7月26和8月6日创造的40.6高温，成为了有气象史以来新的最高温。市南京路附近地面温度计显示42度宁波高温导致牌自燃千株法国梧桐被烤焦冰雪消融受全球气候变化影响最剧烈的地区是极地区域。极地常年覆盖着浅色的冰雪，能反射入射的出深色的土壤，反而会吸收光帮助地球降温。冰雪融化后会能，因此

24、极地地区比低纬度地区升温更快，因此会促进冰雪融化，加剧变暖速度。另外，人类排放的黑碳颗粒物也会附着在冰盖表面，降低其反射率。IPCC估计到21世纪末，在全球冰川体积（不包括南极周边地区的冰川）预估减少1555%，预估北极海冰范围全年都会减少，2月至少达43%；在高排放水平下，在本世纪中叶前9月份可能出现北冰洋几乎无冰的现象。冰雪消融IPCC认为，格陵兰岛冰雪消融现象应受到关注。据估计，格陵兰冰盖表面的融化量将超过降雪的增加量，从而使格陵兰冰盖表面物质平衡的变化对未来海平面的贡献为正。而南极冰盖表面融化则较少，且预计降雪量将增加），对未来海平面的贡献为负。南极洲（a）与格陵兰岛（b）冰盖消融的程

25、度2004阿拉斯加著名的缪尔冰川(Muir Glacier)永冻土融化每年，以甲烷（CH4）形态封存在永冻土中碳的含量是通过化石燃烧排放的的5060倍。北极的海底覆盖着一层永冻土，2009年科学家们已观测到不断的甲烷气者称其为“甲烷定时”。如果封存的CH4和CO2全部此类气体的浓度，可能会出来，会大大提高大气中性的气候变化。俄罗斯东部地区苔原面积变化结果（20042100）海平面上升IPCC估计：在较高排放水平模拟下，2100年底全球平均海平面将上升0.520.98米，20812100升速度为每年816毫米。的上其中，热膨胀的贡献占21世纪全球平均海平面上升的3055%，冰川融化占 1535%

26、。结果表示，至2100年海平面上涨速度将达到1.7 mm/ yr 。海平面上升66米的中国版图影响生物多样性如果全球平均温度改变超过1.52.5oC,30%的陆地动植物会机，如果温度改变超过3.5oC，这个比例会超过70%。危影响最大的几类物种：生活在寒冷环境中的动物（北极熊、企鹅）高纬度地区的动植物生存限制较多的物种（如两栖动物）对温度改变敏感的物种影响生物多样性珊瑚礁是最容易被破坏的生态系统。海水温度上升及酸度升高都会对其产生威胁，出现“白化”现象。珊瑚礁的破坏会使得海岸线侵蚀加剧，降低渔业产量，严重影响的水生生物多样性。温度上升也会增加昆虫和真菌生物的数量，使得病虫害增加，破坏植被。大堡

27、礁已严重白化混合种植来保护扭叶松林影响农业农业对环境的依赖性很强，全球变暖会导致气候异常，改变农耕地区的水文条件。其影响有双面性：在严重依赖一农作物的农耕地区，温度升高与降雨增加会使得产量降低一，气候变暖会使得中高纬度地区更加温暖湿润、增加降水，农业产量会有所升高。但假如温度升高过快又会影响产量，另外，土壤肥力不足也是限制产量的其中一个原因。对于热带和亚热带地区，高温干旱天气会使得农业产量下降短期来看，全球变暖会略微增加农产品的产量，但随着温度逐渐升旱、洪水频发，最终将严重影响全球农业发展。影响人类健康一方面，热浪的频发会增加健康人群极易受到影响。与致死率，尤其是老人、孩子、亚另外，全球变暖会

28、使得严寒天气的致死人数略有下降。温暖且高CO2的环境会促进昆虫、微生物、霉菌、真菌生物繁殖，植物会增加疾病的花粉。几率（如登革热、黄热病）、增加过敏症。城市地区温升高与水蒸气增加还会增加空气污染。高温能促进化学反应，增加O3及其他污染物的产量，导致夏季光化学烟雾频发。据统计，每年平均有300,000人因气候异常而过早（约822人/天）（7）如何应对全球气候变化Our most urgent priority to do all we can to avoid any and all climate tippos气候变化问题十分棘手是一个全球性问题是一个长期的政治问题全球气候变化带来好处与危害，

29、但两者不能均衡目前解决方案仍具有争议许多人仍然不愿意承认气候变化问题的严峻性1981年开始，James C. Hansen担任NASA戈达德太空的首脑。作为世界上最受人尊敬的气候科学家和气候建模者，为全球气候变暖与气候异常做出了突出的贡献。他联合其他著名的气象学家发出倡导，提议决策者与商业界者共同合作，做到2050年将CO2的排放量降低50%85%，此举能够大大减缓全球气候变化速度。John Sterman 的浴缸模型浴缸代表大气环境。1700年代中期，CO2的输入量开始上升。目前输入量近乎是排出量的两倍。排出的碳汇集至三个主要的“蓄水库”：植物及土壤（每天能吸收30%的排放）；海洋（占25%

30、）；岩石与沉积物（少于1%）。上述三项加起来仅占人类活动输入量的55%，余下的45%留在了浴缸中，使“水位”上涨。预防和减少温室气体排放四种主要解决措施增加化石能源使用效率，特别是燃煤过程。“煤的正确使用能解决80%的全球变暖”逐步减少非可再生的高含碳量化石使用，根据各地条件采用低碳的可再生能源停止砍伐热带森林并合理种植树木，帮助清除大气中的CO2采用可持续、气候友好型农耕方法（使用有机肥料、轮耕、生物防治病虫害等）问题：进行减排，温室气体的大气浓度就会迅速下降吗？在不同减排水平下的大气浓度模拟结果和储存温室气体1. 全球范围内植树造林（尤其针对热带地区长较快的多年生草丛，增加CO2的吸收的土

31、地），或种植生2. 保护已有的自然森林，修复湿地，增加CO2的吸收3. 向海洋撒铁。铁元素能促进许多海洋藻类与浮游植物生长，可以吸收大量的 CO2来进行光合作用，生物后能沉积至海底达到固定二氧化碳的作用此方法仍具有争议：危害性尚不明；碳可进入食物链，再次以二氧化碳形式出来4. 捕捉燃煤发电厂与工厂的出来的CO2，储存至地底或者海底。被称作碳捕捉及封存技术（carbon capture and storage, CCS）CCS示意图可以储存CO2的地点：土壤、植物、地底蓄水层、海底的沉积物地球工程“地球工程”是指通过超大规模的工程改变地球环境遏制地球变暖及海平面上升的一些项目。“地球工程”耗资巨大，存在较大的争议，目前仅作为人类对抗气候变暖的“最后”。向平流层喷洒硫酸盐 “人造火山”太空中安装反射镜把海水喷入大气增加云团亮度种植可净化空气的“人造树”内部措施决策可采取的措施1. 将与甲烷明确作为污染物的同时一定要制定标准，提出严格的监条例，否则法案无法奏效度与相应的处罚2. 通过征收碳税来间接减少温室气体排放为CO2或CH4的排放定价，按照排放额度收取税费优点：方便管理；价格明确；可覆盖所有的排放源；增加税收