全球气候变暖中的大气化学问题

学化学大摇摇

1No.26Vol.

期1第卷26第

摇摇

CHEMISTRYUNIVERSITY

2011Feb.月2年2011

全球气候变暖中的大气化学问题

*

尹学博

300071)天津南开大学化学学院分析科学研究中心(

讨论臭氧层破坏的化学机理。介绍全球气候变暖中的大气化学问题摇摘要摇摇从化学结构角度分析温室气,

。并给出解决气候变暖的应对措施,体对温室效应的影响

分子结构摇臭氧层破坏摇温室效应摇气候变暖摇关键词摇摇

摇多个国家和地190在丹麦哥本哈根举行的联合国气候大会吸引了来自全球,日19~7月12年2009摇

地。即全球气候变暖,目前气候变化的主要问题是全球温度逐渐升高。

[1]

万名代表参会51.区的超过

在到。通过大气辐射到地面400nm)~200波长(太阳短波,

[2]

所示1如图。球上的能量主要来自太阳

其中被吸,被地表吸收50%其余,被大气吸收,20%被地表和云层散射回外太空,30%达地球的辐射中

地球吸收的辐射和放出的辐射达到平,在正常情况下。

[3]

收的部分还可以长波辐射的形式返回外太空

太阳入射辐射的增加或地表向外。

[3]

称为辐射平衡,衡并维持相对稳定的地球温度balance)radiative(

。即通常所说的全球气候变暖,都可能使地表与低层大气温度增高,辐射的降低

。波长长的电磁波能量低,其中波长短的电磁波能量高,长波辐射和短波辐射都是电磁波摇摇从分子结

,而分子的振动能量所需要能量较低;与某些短波能量相近,破坏分子化学键所需要的能量高,构角度看

臭氧)、

O(如氧气,太阳短波辐射可以导致大气中的分子。与太阳辐射中的某些长波辐射能量相近

2

(O大气平流,因此。从而降低太阳短波对地球的辐射,等的共价键的破坏(CFCs)氯氟碳化合物)、

[2]

3

一氧),CH(甲烷),

CO(而大气中的二氧化碳;层中臭氧层的破坏将导致太阳向地球的短波辐射增加

24

减少长波辐射向外大气的释,的分子振动则可以吸收某些长波辐射O)(H及水汽CFCsO),

(N化二氮

22

从而导致地表温度的升高,放温室气“这些气体又称为effect),greenhouse(这种影响称为温室效应,

。

[2鄄3]

冶体

,而全球气候变暖又导致了许多其他问题,臭氧层的破坏和温室气体的增加已成为气候变暖的元凶摇摇

,如农业病虫害增加沙漠化面积增大以及一些与之相关的潜在影、土地干旱,气候反常,海平面上升

从而导致南极地区臭氧层的损耗,温室气体增加导致温度的升高可进一步使臭氧层变薄,而且。

[3鄄4]

响

。

[5]

增加

,正常情况下高温物体的红外,黑体辐射定律Plank如按照。辐射平衡的微小破坏可以得到自修复

为衡量对辐射平衡的影。

[3鄄4]

通过红外辐射的增加使整个系统达到新的平衡,当温度升高后。辐射增大

forcing)(radiative科学家提出了辐射压迫力,响,正辐射压迫力指吸收的辐射多于放出的辐射;的概念

温室气体的。多种辐射压迫力结合构成了影响地球变暖的总辐射压迫力。

[3鄄4]

而负辐射压迫力则相反

它既可以,最大的负辐射压迫力则是气溶胶;导致地球温度升高,增加以及臭氧层破坏是正辐射压迫力

又可以增加云层对太阳辐射的反射能力,反射和吸收太阳辐射但气溶胶导致。从而导致全球气温降低,

等Hartmann。即全球变暖,因而总辐射压迫力是正值,

[6][4]

30利用47%效果仅为温室效应的冶冷却“的

[5]

认为温室气体导致的温度Aldhous。年的数据证明了臭氧层损耗和全球变暖是气候变化的主要原因

[4]

则认为大气污染和温室气体不是某个局Feng和,Ramanathan升高同时与南极地区臭氧层的损耗有关

cnedu.nankai.,E鄄mail:xbyin@通讯联系人

*

83

摇卷26第学化学大

。全球变暖已成为一个复杂的系统问题,因为它们正在导致全球的气候变化,部而是全球的问题

大气的组成影响太阳短波辐射的吸收和长波。哥本哈根联合国气候大会就是在这种背景下召开的

;从而决定地表温度,辐射的散失了解与气候变暖相关的大气化学问题对于理解全球气候变暖的根源具

了解大气成分在气候,本文从大气化学角度探讨大气成分对短波辐射和长波辐射的影响。有重要意义

。变暖中所起的作用及其应对措施

]2[

地球能量的吸收和散失1摇图

短波辐射中的大气化学问题1摇

范长波射辐波太阳的短,时球地达到光阳太当。线外紫的说所常通即400nm,~200为围

:原子O分子形成两个O破坏,分子吸收O的短波辐射可以被臆242nm波长

22

(1)2O)臆242nm姿(光子+O摇摇摇摇

寅

2

光子242nm波长1mol与,

[7]-1

498kJ·mol约为)即键能(分子所需要的能量O1mol这是因为破坏

2

破,N而空气中的。相当)

-1[7]-1

946kJ·mol为,键能更大,三键NN因存在,分子(495kJ·mol的能量

繎

2

对气候,N因此。这个波长不在太阳辐射的短波范围127nm,三键所对应电磁波的波长约为NN坏

繎

2

。变暖影响相对较小

其中中,个氧原子键连在一起3臭氧分子中的)。

(O另一个可以阻挡短波辐射的重要分子是臭氧

3

2

而孤对电子,键滓其中两个单电子轨道分别与另两个氧原子形成一个,不等性杂化sp间的氧原子采取

3同时在120毅。小于等性杂化的117毅,键之间的键角为O—O对的较大排斥力使得两个个氧原子之间

即破坏臭氧分,键的键长和键能介于单键与双键之间O—O这种成键模式使得两个。键仔形成一个大

的短波辐射可以通过臆320nm波长,研究发现。

[7]

分子的能量O键所需要的能量小于破坏O—O子中

2

下面的方式被臭氧分子吸收:

(2)+OO)臆320nm姿(光子+O摇摇摇摇

寅

23

O

提Chapman)(Sydney查普曼·西德尼,年1920。在抑制太阳短波辐射方面发挥着重要作用O和

32

O。

[2]

收吸子分)2图称oxygen鄄cycle,sChapman忆(环循曼普查为又,环循的O和O中出了大气

322

的短波形成两个氧原子臆242nm波长因此,易参与化学反应,因为氧原子的最外层含有单电子,化学上(

臭氧);慢指反应速度的快和慢、中的快2图(分子O氧原子与氧气分子发生碰撞形成),又称为自由基

3

<320nm分子吸收波长也可以和一个氧自由基结合变成两个,失去一个氧原子变成氧气分子,的紫外光

人类活动在大气中引入了一些其他,然而。分子O同时地球上绿色植物的光合作用不断提供。氧分子

2

破坏)氯氟烃的一种鄄12(氟利昂。如氯氟烃,容易形成自由基的分子在平流层紫外光的:的过程如下O

3

:

[2,9]

Cl)(·分解产生氯自由基鄄12氟利昂,辐射下

ClCl

(3)Cl+··CF)臆220nm姿(光子+ClCF摇摇摇摇

寅

FF

93

全球气候变暖中的大气化学问题:尹学博期1第摇

]2[

查普曼循环2摇图

(ClO·):形成氯氧自由基,反应O再与(Cl·)氯自由基

3

摇(4)+ClO·O·+ClO摇摇摇

寅

23

摇ClOOCl:结合得到(ClO·)两个氯氧自由基摇

摇(5)ClOOCl·ClO·+ClO摇摇摇

寅

摇(6)·ClClOO·+光子ClOOCl+摇摇摇

寅

摇摇(7)Cl·+O·ClOO摇摇

寅

2

产生的氯自鄄12而氟利昂,可以分解一个臭氧分子O·)(一个氧自由基,从查普曼循环中可以看出

它又可以参与更多Cl·),(重新生成氯自由基,由基分解臭氧后又回到原来状态据报。分子的分解O

3

对鄄12氟利昂,由此可见。

[2]5

冶分子O个伊101在被风带到低层大气之前可以催化分解约Cl·一个“道

3

。臭氧层的破坏力极大

长波吸收中的大气化学问题2摇

吸收的能量通过分子间的相互碰撞而传,地球发出的长波辐射可以被大气中的温室气体分子吸收

,温室气体含量高,因大气低层密度大。从而降低地球对外的长波辐射,递并被保留在大气层地表和低

它有助于维持生命,首先需要肯定地球与大气之间的能量交换。层大气的温度受温室气体的影响更大

方程计算的无大气存在情况Stefan鄄Boltzmann比按,15益现今地球的平均温度约为。存在所必需的温度

即适当的温室效应,大气对辐射的吸收和释放对于维持地球温度起着重要作用,因此。

[3][10]

33益下高

甲烷以及其他气体的浓、CO人类活动增加了大气中,然而。

[8]

对于维持目前地球环境起着重要作用

2

。加剧了地球变暖,从而降低了大气对长波辐射的释放,

[3]

balance)(radiative破坏了既有的辐射平衡,度

Houghton

[11]

。详细评述了各种温室气体对全球气温的影响及全球气温的变化趋势

波(温室气体分子吸收不同能量的长波辐射,键断裂不同O—O吸收太阳短波辐射导致O和O与

32

。振动能级或转动能级的跃迁、可导致分子内部电子能级的跃迁),红外光区域的电磁波、长位于可见光

而转动能级则是分子内原子绕键;所谓振动能级是指分子中原子间距离增加或减小时分子能量的差异

而振动能级跃,电子能级跃迁需要的能量高于振动能级和转动能级的跃迁。轴旋转时分子能量的差异

大。因振动时电荷分布不变而不吸收长波辐射,O如,同核双原子分子。

[12]

迁高于转动能级跃迁N和

22

及水CFCs)(氯氟碳化合物O),N(一氧化二氮),(CH甲烷),

(CO气层中主要的温室气体有二氧化碳

422

振动能级或转动能级的跃迁而显示、这些气体可以吸收长波辐射引起分子内部电子能级。等O)

(H气

2

温室效应。

氯氟碳化合物1摇2.

因,是烃中的某些氢原子被氯原子和氟原子取代后的产物(chlorofluorocarbons,CFCs)氯氟碳化合物

、无毒性、不易燃、这类化合物因具有合适的沸点且无味CFC鄄12。和CFC鄄11最重要的是,此又称氯氟烃

清洁剂、广泛用作压缩喷雾喷射剂,无腐蚀性和相当稳定氯氟碳化合物中。发泡剂和抗凝剂等、冷冻剂、

,后面的数字,个元素的首字母3碳、氟、为氯CFC鄄11,CFC如,代码表示了它的组成即90,加上11如

04

摇卷26第学化学大

,位表示氢原子数2第,位表示分子中碳原子数1左起第,得到的三位数中101,=11+90位表示氟原3第

。

[2]

个氯3个氟和,1个氢,0个碳1中包括CFC鄄11即,按照饱和烃计算氯原子个数,子数

CFC鄄12和CFC鄄11由于而且这两种气体吸收红外线辐,是大气中的浓度最高的氯氟烃,应用广泛

占其他温室气体对辐射力影响CFC鄄12和,CFC鄄11以外CO除了,年代80世纪20在。射的能力相当高

2

因此。

同时。总和的三分之一O的过程消耗平流层内的(7)~(4)还可以通过方程CFC鄄12和,CFC鄄11

3

另一方面作为温室气,增加太阳对地球的短波辐射,层O一方面破坏,它们对全球变暖的影响是双重的

3

。

[13]

阻挡地表对外的长波辐射,体

2摇2.水汽

人类活动产生的水汽,相对于自然界的排放。受人类活动影响较小O)

(H普遍认为大气中的水汽

2

,因为温度升高迫使森林水汽蒸发增加冶。天然温室气体“水汽又称,因此,对温室效应的影响可以忽略

等Soden

[14]

。提出了一种利用大气中水汽含量衡量全球变暖程度的方法

甲烷3摇2.

牛羊等牲畜消化系统的发酵过程也可能产生;甲烷是在缺氧环境中由甲烷细菌或生物体腐败产生

除了天。年左右8它在大气中存在的平均寿命为,吨左右350每年大气层中的甲烷含量会净增。甲烷

CH人为活动造成的,

。排放因素有自然水体受生活污水和工业废水的污染以及工业制造等CH然排放

44

氮氧化物4摇2.

如,另一部分则来源于人为排放,其中一部分来源于大气放电O),

氮氧化物主要指一氧化二氮(N

2

尽管,年左右150在大气层中的存在寿命是O

N。己二酸等的生产农业畜牧活动和工业排放、如硝酸,

2

部分的,分解90%但是可以利用太阳辐射的光解作用在同温层中将其中的,它在对流层中呈化学惰性

。反应(O·)可以和活跃的氧自由基ON

2

(8)+O·N淄hO+N摇摇摇摇

寅

22

(9)+ON·O+ON摇摇摇摇

寅

222

。N分子在光子作用下转化为ON即两个,+O2N淄hO+

寅

O和:2N有,相加(9)与式(8)式

222222

二氧化碳5摇2.

由燃,年以来1860。大气中二氧化碳浓度增加的主要原因是工业化后的大量开采和使用矿物燃料

平均每年增长率为,烧矿物质燃料排放的二氧化碳亿50二氧化碳排放量每年达到,年30而近;22%4.

二氧化碳在大气中的寿命长达一。

[15]

大气中二氧化碳增加的另一个原因是采伐树木作燃料。吨左右

。blanket)

[4]

“被形象地称为,因此。这足以使其在大气中积累到数十亿吨,个世纪冶(CO二氧化碳毯

2

结论及应对策略3摇

理解产生臭氧层破坏和温室气体的作用机制对于普及全球变暖的基础知,气候变暖引起全球关注

氮的、二氧化碳、温室气体包括大气层中自然产生的水蒸气。群策群力解决环境问题具有重要意义,识

、氢氟化物(HFCs)、各种氧化物和人类活动排放的氯氟甲烷这些物质的吸热能力。等PFCs)(全氟化物

则是目前为止吸热能力PFCs)(和全氟化物(HFCs)氯氟甲烷,倍270如氮氧化合物是二氧化碳的,不同

,水蒸气及臭氧的时空分布变化较大:淤具体分析这些温室气体。最强的物质在进行减排措施规划一

二氧化碳含;盂但含量较低,氯氟烷烃和全氟化物吸热能力最强、氮氧化合物;于般不考虑这两种气体

全球气温将,如果二氧化碳含量比现在增加一倍;对全球升温的影响最大,55%所占比例高达,量较多

降低氯氟烷和二氧,通过以上分析可知。因此二氧化碳被称为最大的正辐射压迫力,

[3][4]

5益~4升高

[11]

却,Houghton但是。同时还可以减轻它们对臭氧层的破坏,化碳排放成为降低温室效应的首要任务

。认为全球气候的稳定首先需要控制大气中温室气体含量的稳定

14

全球气候变暖中的大气化学问题:尹学博期1第摇

或人为,人类活动还可能直接排放微小颗粒物,除了上面讨论的与大气化学有关的气候变暖因素外

排放SO如,PM),微米级的颗粒(这些微粒分散到大气中形成气溶胶,排放物在大气中形成微小颗粒物

2

而是包,这些颗粒物并不是单一的某种物质,从化学角度看。

[4]

aerosols)(sulfate形成的硫酸盐气溶胶

;PM对人类的影响也不同,它们的大小不同。

[2]

是指粒径小于括排放到空气中各种微小固体和液体

10

科学家就认识到气溶胶反射太阳光,年1970从。PM而;的颗粒悬浮物10滋m

[2]

5滋m2.的粒径则小于

52.

大气棕色云“气溶胶被形象地称为,为表明颗粒物对太阳光的遮挡。

[16]

从而有助于降低地球表面温度

减少了到达地球的太阳,棕色云团增强了对太阳光的吸收和散射。

[17]

brown冶(atmospheric团clouds)

虽然这种影响只是。

[17]

硫酸盐和有机物等对这种变暗起着重要作用、炭黑。从而使地球表面变暗,能

,这表明人类活动在增加温室气体的同时,但空气中气溶胶的含量与温室气体含量呈正相关,物理影响

改善空,有助于降低空气颗粒物含量,因此降低温室气体的排放。

[4]

同样增加了大气中的颗粒物含量

。气质量

石油和天然气等化石燃料放出的二氧化碳气体对全球温度影、由于现代化工业社会过多燃烧煤炭

而且这些化石燃料,已成为刻不容缓的事情)即现在经常说的碳排放(有效降低二氧化碳排放,响最大

有效降低化石燃料的使用也是降低人为颗粒物。可能影响大气中臭氧的含量NO不完全燃烧产生的

x

哥本哈根会议的一个议题就是根据世界上不同国家的国情制定。改善空气质量的一个重要手段,排放

如何提高其使用,在不可避免使用化石能源的时侯。有效遏制全球气候变暖过快,不同国家的减排目标

如国家科技部发布的,这个问题已引起高度重视。效率从而降低它的使用也成为减排的一个重要课题

。项目指南中就把化石能源高效转化关键科学问题作为一个重点资助方向937年2010

献摇文摇考摇参

,2010(5):317商业文化.李帅摇[1]

化学与社会.等,朱志伟,卞江,段连运摇[2],2008化学工业出版社:北京.

,2010,24:10BiologyConservationC.MSerreze摇[3]

,2009,43:37EnvironAtmosY.V,FengRamanathan摇[4]

,2000,404:531NatureP.Aldhous摇[5]

,2000,97:1412USASciAcadNatlProcal.etV,M,LimpasuvanJL,WallaceDHartmann摇[6]

Jersey:Prentice鄄HallNewed.2ndSciences.BiologicalinApplicationsJrandChemist