能源学科专题讲座：温室效应-人类面临的严重挑战

温室效应——

人类面临的严重挑战全球环境状况联合国最新公布的研究结果显示，在过去30年中，虽然国际社会在环保领域取得了一定成绩，但全球整体环境状况持续恶化。国际社会普遍认为，贫困和过度消费导致人类无节制地开发和破坏自然资源，这是造成环境恶化的罪魁祸首。全球环境状况世界经济发展和人类赖以生存的环境是不协调的，经济发展和人口增长给环境造成了巨大的压力，对发展中国家这种情况尤为突出。全球环境状况全球环境恶化主要表现在大气和江海污染加剧、大面积土地退化、森林面积急剧减少、淡水资源日益短缺、大气层臭氧空洞扩大、生物多样化受到威胁等多方面，同时温室气体的过量排放导致全球气候变暖，使自然灾害发生的频率和烈度大幅增加。算一算地球一天的污染帐地球上城市居民约有70%（15亿人）呼吸受污染的空气，每天至少有800人因此过早死亡。每天有1.5万人死于饮用污染的水，其中大部分是儿童。工业、各种喷雾罐、冰箱、空调机等每天把1500多吨氯氟烃排入大气层，它们是造成臭氧层空洞的罪魁祸首。算一算地球一天的污染帐每天进入大气层的二氧化碳为5600万吨，“温室效应”与此有关。每天有5.5万公顷森林被毁，161

平方公里土地荒漠化。每天有14万辆新汽车驶上公路，各国400多座核电站产生26吨核废料，还有1.2万桶石油泻入海洋。

1999年的臭氧空洞是有史以来观测到的最大一次，达到2600万平方公里的面积。天空正在塌陷全球正在变暖海平面上升与陆地淹没；

气候带的移动；

飓风的加剧；

植被的迁徙与物种灭绝；

洋流的变化与厄尔尼诺；

雨型的改变；地球森林覆盖量正在减少大气环境的三大问题80年代中期在南极上空发现了臭氧空洞，它与地球变暖及所谓温室效应和酸雨沉降问题构成全球性大气环境问题，明显地危及全人类的生存和繁衍，引起了国际社会的高度关注，使当今的世界环境问题具有明显的时代特征。大气环境的三大问题联合国环境规划署日前发布的《全球环境展望》报告指出，消除贫困、发达国家改变消费方式、加强环境管理、增加环保投资以及减免发展中国家的债务是遏制全球环境恶化趋势的先决条件。我国的环境现状世界十大严重污染城市中国占：个7严重局面!因二氧化硫排放每年经济损失1126亿元(世界银行统计超过5000亿元)占全国排放比例：燃煤污染物SO2－85%CO2－85%NOx－60%粉尘－70%污染现状1998年我国大气环境质量状况1998年，在全国322个环境统计的城市中,空气质量达到国家二级标准的占27.6%；处于国家三级标准的占28.9%；超过国家三级标准属于严重污染型城市的占43.5%。在国内47个重点城市中，空气污染最为严重的十大城市，依次为太原、北京、乌鲁木齐、兰州、重庆、济南、石家庄、青岛、广州、沈阳。1998年我国大气环境质量状况据1998年国际卫生组织公布的一项报告表明，全球空气污染严重的城市依此是：太原、米兰、北京、乌鲁木齐、墨西哥城、兰州、重庆、济南、石家庄、德黑兰。十个污染严重的城市中我国占了7个，北京名列第三，兰州名列第六。2000年我国大气环境质量状况2000年统计的338个城市中，36.5%的城市达到国家空气质量二级标准，63.5%的城市超过国家空气质量二级标准，其中超过三级标准的有112个城市，占监测城市的33.1%。城市空气质量总体上比1998年度好转，达标城市比例上升，超过三级的城市比例下降。2000年我国大气环境质量状况47个环境保护重点城市中，27个城市空气质量达到国家二级标准，7个城市空气质量为三级，13个城市空气质量超过三级标准。

2000年与1995年

废气中主要污染物排放状况对比单位（万吨）

2002年我国大气环境质量状况2002年，全国471个城市中，有209个城市环境空气质量达到国家二级标准，占统计城市的44.37%，比2001年的33.43%增加11个百分点；比1998年的27.64%增加了16.7个百分点。2002年地级以上城市达到二级标准的占32.8%，比2001年的33.4%，略有下降。2002年我国大气环境质量状况2002年城市空气中二氧化硫平均浓度比2001年降低9.6%，比1998年降低了17.5%；2002年总悬浮颗粒物浓度比2001年和1998年分别下降了6.6%和10.5%。2002年我国大气环境质量状况城市空气质量恶化的趋势得到遏制，但空气污染程度仍然严重，尤其是人口超过百万的特大城市污染较为严重。颗粒物是影响城市空气质量的首要污染物，53.5%的城市颗粒物浓度未达到国家二级标准。一九九八~二零零二年城市空气质量状况

城市空气质量达标情况对比

城市空气中主要污染物浓度变化趋势

重点城市空气质量达标情况2002年全国47个环境保护重点城市中，有17个城市空气质量达到国家二级标准，比1998年的12个城市增加5个，比2000年的27个减少了10个；2002年劣三级的城市有11个，比1998年的20个减少了9个，比2000年的13个减少了2个。

大气SO2浓度最高的城市状况

中日两国部分城市SO2浓度比较1998年全国降水PH等值线图年万吨SO2我国SO2可能排放情况的预测我们的地球 地球已有45亿年的历史。 在其形成初期，地球被氢气层包裹着，随后氢气消散，气层充满氦气和二氧化碳等气体，非常类似于今天观测到的金星大气和火星大气。我们的地球大约38亿年前，藻类及以后进化出现的各种植物，通过光合作用，逐渐改变了大气成分，使大气中的二氧化碳气体降低到目的浓度，约占大气总含量的0.03％左右，而氧气则增加到20％左右。地球环境才逐渐变得适合生命的产生和生存。我们的地球

太阳系中，在已知的其它行星上还未发现生命的存在，地球是唯一的。我们的地球大约50亿年前，当金星逃离太阳的时候，它与地球的大小和组成基本相同。今天，地球是一个蓝色的海洋世界，并具有富含氧气的大气层和丰富的生命物资，而金星却是一个无生命的世界，十分干燥的岩石被浓密的酸雨云笼罩着，表面热得足以将铅融化。这是由于金星被二氧化碳所笼罩。我们的地球最近几十年来，地球日益变暖。地球为什么会变暖？这是由于人类大量使用能源而放出的热量使地球变暖的吗？我们的地球人类一年使用的全部能源＝80亿t石油＝331016kJ如果把这些热量全部用于加热海洋，仅仅可以使海水温度上升610-5℃，即加热一万年，海水温度也只上升到1℃。地球变暖的原因到底是什么？人类使用能源一天所放出的热量＝0.11016kJ；地球一天从太阳获得的热量＝15001016kJ.地球变暖的原因到底是什么？太阳射向地球的光约1/3被云层、冰粒和空气分子反射回去；约25％穿过大气层时暂时被大气吸收起到增温作用，但以后又返回到太空；其余的大约37％则被地球表面吸收。这些被吸收的太阳辐射能大部分在晚间又重新发射到天空。地球变暖的原因到底是什么？如果这部分热量遇到了阻碍，不能全部被反射出去，地球表面的温度就会增加。单原子气体和空气、氢气、氧气、氮气等分子结构对称的双原子气体实际上并无发射和吸收辐射能的能力。它们可以看作是热辐射的透明体。二氧化碳、水蒸汽、二氧化硫、甲烷、氟利昂（制冷剂）等三原子和多原子气体则有相当的辐射和吸收能力。气体对包括太阳的各种热辐射的特性上述气体的辐射和吸收具有明显的选择性，即它们对某些波长段有吸收和辐射能力，对该波长段以外的则不吸收。（见图1－某些气体的吸收波段）气体对包括太阳的各种热辐射的特性图1某些气体的吸收波段气体对包括太阳的各种热辐射的特性 太阳表面温度约为6000K，辐射的最强波段为可见光部分，地球表面温度为288K，地表辐射波段为红外部分。从太阳发射出来的可见光（短波辐射）被地球吸收并变成低温后，向宇宙空间发射的是长波的红外线。CO2不吸收短波，只吸收长波，于是，地球表面吸收的太阳辐射就散不出去，从而使地表温度升高，地球变暖。象CO2这类会使地球变暖的气体就称为温室气体（包括水蒸汽、SO2、甲烷、氟利昂等）。气体对包括太阳的各种热辐射的特性温室效应温室效应温室气体的来源

主要温室气体含量与来源结论由于人类大量使用化石燃料，其排放出的CO2等温室气体对辐射的选择性和吸收特性是使地球变暖的主要原因。全球气候变化工业化时代开始以来，仅仅约200年的时间，人类的活动已使上层大气发生变化。全球气候变化在过去的一个世纪里，由于燃烧化石燃料（石油、天然气、煤）和砍伐森林，CO2含量已经增加了25％；大气中N2O也增加了1/3，它主要来自化石燃料的燃烧以及肥料脱氮和破坏森林所释放的污染物质；全球气候变化甲烷在上层大气中的含量也已增加了1倍，这主要由于油气井的喷发，而森林和原野转变成牧场和耕地，以及海洋捕捞活动中产生的有机废弃物腐烂也起着作用。全球气候变化20世纪要比19世纪的温度平均高1℃。

温度升高1℃，就必然会加热大量的海水和空气。从最近一次冰河期到现在，经过18000年地球才升高9℉（5℃），大约每千年平均升高半度。地球过去升温最快的时候也只是每千年3.6℉（2℃）。全球气候变化

但近代，仅在一个世纪里就升高1℃，实际上是加快了升温的速度，比平均数快了20倍。全球气候变化

地球变暖实际上是一种典型的全球性问题。全球变暖既可能带来对人类有利的影响，也可能带来不利的后果。全球气候变化目前，人们还无法定量地确定出全球变暖的前景及其影响，但地球气候变暖带来的南、北极冰山融化，海平面升高，全世界最发达的沿海陆地的淹没所造成的灾害性的后果，将是无可置疑的。此外海平面升高还会使盐水向河流倒灌，侵蚀河流使土地盐碱化。海平面升高

Globalairtemperature

一百年间的海平面水位变化

海平面上升可能受到影响的地域图4一百年间的海平面水位变化图5海平面上升可能受到影响的地域全球气候变化

全球CO2浓度变化及全球气候变化的预测是一个很复杂的问题，是全世界各国科学家研究的重点课题。图6全球气候变化的计算流程图全球气候变化

目前至少已有几十个研究报告给出了这方面的结果。经管不同模式的计算结果不尽相同，但CO2浓度倍增会导致全球气候的变暖这个趋势还是一致的。CO2与全球变暖预测结果

10年内，全球表面平均气温将上升

0.3K（0.2～0.5K），海平面将上升

6cm（3～10cm）。一旦CO2浓度增加到2倍，全球表面平均气温将上升1.5～4.5℃。

各国CO2的排放预测气候变化对环境的影响地球表面变暖，在远离赤道的地方变化最显著。虽然某些地区由于蒸发迅速和风型改变会变得更干燥，但全球降雨量增加。沿海岸的亚热带出现更潮湿的季风。在高海拔和高纬度地区更频繁地出现更大的风雪。在内地，大陆中部地区出现较早的雪融和潮湿的春季，夏季漫长且来得早，干旱更加频繁。气候变化对环境的影响在高纬度地区，农业条件会更好些。由于海水的边界向北移动，因此海洋冰量减少。沿海海平面每世纪上升几英尺。飓风更频繁、更强大，并向高纬度地区扩展。森林火灾更频繁、更严重。大量物种迅速灭绝。由于气候的原因，人口死亡率增加。全球的碳循环碳循环碳是一切有机物的最重要和最主要的成分之一。地球上碳的主要赋存场所是大气、土壤、生物体、海水、化石燃料（石油、天然气、煤等），CO2是上述各个碳库之间进行碳的输送和循环的主要形式。碳循环

作为生物主体的耗氧生物，通过呼吸作用将食物中的碳变成CO2

呼出体外，进入大气，而生物就以这种方式获得生命活动所需的能量。碳循环生物死亡后，体内的一部分碳被微生物分解，仍以CO2的形式进入大气、土壤和海水，另一部分则保存下来，经过复杂的地质过程变成化石燃料。化石燃料的一部分被人类发掘利用，氧化、燃烧后生成CO2又进入大气。如此往复，形成全球的碳循环。碳循环自然界每年的碳循环数量是相当可观的，约占大气总碳量的1/4，其中的一半是与陆地生物群落交换，另一半则通过物理和化学过程穿过海洋表面。碳循环陆地和海洋含碳量远大于大气中的含碳量，它们很小的变化就会对大气中CO2浓度产生很大影响。例如，存储于海洋中的碳只要释放2％，就将使大气中的CO2含量增加1倍。碳循环森林是地球上最大的陆地生态系统，是全球碳循环的重要组成部分。全球森林植被和土壤中储存的碳，低纬度森林占37％，中纬度森林占14％，高纬度森林占49％。碳循环

人类活动对陆地碳循环有很大的影响。海洋占地球表面积约71％，是一个巨大的碳存储库，每年有20～30亿t碳以CO2的形式进入海洋。人类活动造成的碳流向（亿t）我国对碳循环的研究长期以来，我国对碳循环进行了深入研究，取得了丰硕成果。图4我国有机碳储量的空间分布图5中国土地利用数据库的遥感信息源图6中国土地利用图图7中国森林及农业生态系统的碳分布图8中国的森林覆盖图图10中国森林生态系统定位研究网络图111990～2000我国土地利用

变化类型与动态度中国生态系统研究

网络及碳通量观测站点分布遥感同步观测实验的仪器设备碳通量观测设备及观测塔结论

维持全球碳平衡是保持全球生态平衡、使社会可持续发展的关键之一。能源利用和CO2排放能源利用和CO2排放化石燃料的燃烧（约占CO2排放总量70％）和地球植被的破坏是CO2浓度增加的主要原因，能源工业同时也是甲烷气体的一个重要的产生源（约占总量的20％）。能源利用和CO2排放与化石燃料相关的产业（包括原煤开采、石油和天然气及输气管道系统在传输时的泄漏）是温室气体增加的重要原因。能源利用和CO2排放据统计，现在全球每年因燃煤而产生的CO2就高达60亿t。因此，能源产业成为减少温室气体排放行动的焦点。图1各类化石燃料所排放的CO2各类化石燃料所排放的CO2各种发电方式下每千瓦·时排放

CO2折合碳单位（g）结论能源利用中排放的CO2是造