二、温室效应

（一）二氧化碳概述

自从工业革命以来，人类活动强烈地改变着地球大气的组成，排放出的多种气体中，有许多能够吸收红外辐射，随着吸收热能气体浓度的增加，地球平均温度会逐步上升。在可能引起全球变暖的各种大气污染物质中，最引人注意的是二氧化碳的作用。

二氧化碳是大气中原来就有的物质，是植物光合作用所不可缺少的，一般不将其看作大气污染物。

释放到大气中的二氧化碳主要来源于人类活动和自然界。人类活动释放的二氧化碳主要来自矿物燃料的燃烧和土地利用，尤其是森林砍伐和垦荒种田，减少了植物生物量的总量，引起大量二氧化碳释放到大气中去。据计算， 现在全世界燃烧矿物燃料每年释放出的二氧化碳共含有约 5×1015g 的碳，每年砍伐森林放出的碳相当于 6×1015g，每年从土壤腐殖质放出的碳约为 2× 1015g（Woodwell，1978）。全球人为来源排放二氧化碳与主要消费国燃烧矿物燃料释放二氧化碳量分别见表 5.10 和表 5.11。

表 5.10 全球人为来源排放 CO2 （106t/a，以 C 计）情况

（资料来源：UNEPEnviron，DataReport，1989）

从过去历史看，最近冰河期地球平均温度降低了约 2℃。根据对南极帕斯托克等基地深层冰穴气体的分析，此时大气中二氧化碳的浓度为 0.018

％。冰河期结束后，大气中二氧化碳浓度增到 0.028％，直到 19 世纪初均无很大变化（图 5.9）。当时地球大气中二氧化碳浓度与海洋和绿色植物两大二氧化碳储库形成了平衡。

近百年来，大气中二氧化碳的含量大大增加，从世界不同地区的记录来看，逐年上升的趋势是显而易见的（图 5.10）。根据预测，在本世纪末将达0.038％—0.039％，2050 年将上升到 0.049％—0.063％。

图 5.9 过去南极萨依布尔基地穴中 CO2 的浓度

（资料来源：南觉夫，日本公害与对策，No.5，1989）

表 5.11 21 个矿物燃料主要消费国燃烧矿物燃料释放 CO2 （1982）

（资料来源：同表 5.10）

图 5.10 大气中 CO2 浓度变化

（资料来源：Rotty and Weinberg，1979.）

过去对温室效应曾作过种种预测，根据最近的研究，若大气中 CO2 浓度增加 1 倍，全球温度平均值将比现在上升 1.5—4.5℃。但当前还不能准确地区分哪些气候变化是 CO2 造成的、哪些是自然变化及 CO2 以外的因素造成的。另外，一旦 CO2 浓度增加后，其高浓度状态将持续 100 年以上，由此造成的气候变化将几乎是不可逆转的，因而现在就应该加强科学研究，总结经验， 及早采取切实有效的预防措施。其中很重要的一项工作就是预测大气二氧化碳浓度变化趋势。对于人为活动排放的二氧化碳总量的预测不仅涉及到自然科学发展前景的预测，还涉及到复杂的社会发展前景预测以及一些难以预料的政治问题。

Nordhaus 和 Yohe 根据几种不同的排放率条件，对未来大气中二氧化碳的浓度增加进行了预测（图 5.11）。

图 5.11 未来大气 CO2 浓度增加趋势

（NY 是指 Nordhaus 和 Yohe 的模式， 其后面的数字代表不同的排放率指数）

（资料来源：王明星，大气化学，1991。）

从图 5.11 中可以看出，一直到 2000 年，各种模式预测的结果基本相同，大气中二氧化碳浓度将达到 0.038％左右；2025 年将达到 0.04％—0.047

％；2025—2100 年将达到 0.056％，即大气中二氧化碳浓度达到工业化前的二倍。同时也可以看出，预测未来大气中二氧化碳浓度的关键是预测未来人为二氧化碳排放率。

（二）CO2 浓度变化引起气候变化的数学模式

大气的化学组成是控制地表温度和大气温度结构的重要因子。大气化学组成和大气成分浓度的变化将直接引起地表温度和大气温度结构的变化，并将通过动力过程进一步引起其它气候因子的变化。其中大气中二氧化碳浓度的变化已经引起的全球变暖就是一个有力的证明。要研究大气化学组成变化对气候的影响，不仅要有简单的辐射计算，而且还要有各种因素的综合数值实验，即气候数学模式。

目前，研究大气成分浓度变化引起气候变化的气候模式较多，归纳起来主要有热力学模式和流体动力学模式两大类。其中包括简单的辐射传输模式和复杂的海-气耦合模式。前者属于热力学模式，后者属于流体动力学模式。

下面介绍简单模式预测的大气二氧化碳浓度加倍引起的气候变化。

简单气候模式就是对气候系统进行空间平均，即假定整个大气圈是一个均匀的体系，这实际上就是最简单的能量收支模式，可通过单纯的辐射传输计算来完成，其公式为

6 ∆T

C 6 t

+ Ζ∆T = ∆Q

(1)

式中，Δ T 为全球地表平均温度偏离某个气候平衡态的偏差；λΔT 为长波辐射通量的变化；C 为气候系统的热容量；Δ Q 为气候系统的因子变化量所造成的地气系统净辐射通量的变化。表 5.12 列出了根据（1）式计算的几种大气成分浓度变化所产生的对流层大气净加热量（ΔQ）和由此引起的全球地表平均温度的变化。

表 5.13 列出了 Wang 等（1976）用一维模式估算过的大气中各种气体浓度增加后的温室效应。

表 5.14 列出了一些有代表性的简单模式计算的二氧化碳浓度加倍引起的全球平均地表温度的变化。

从表 5.12 和表 5.13 中可以看出，CH4 和 N2O 等气体含量虽然比 CO2 小 2

—3 个数量级，但它们浓度增加 1 倍后温室效应几乎可达 1℃；CFCs 浓度比CO2 小 5—6 个数量级，但浓度增至 20 倍后，其总温室效应亦可达 1℃。

表 5.12 大气成分浓度变化所产生的对流层净加热和全球地表平均温度变化气体成分/浓度变化范围/净加热ΔQ（W·m-2）/地表温度变化（℃）

（资料来源：王明星，大气化学，1991）。