趙德水

摘 要：本文綜述了溫室效應(yīng)產(chǎn)生的原因，分析了產(chǎn)生溫室效應(yīng)的主要機(jī)理，以及引起溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w，并分析各氣體理化性質(zhì)，介紹它們影響氣溫的過程以及溫室氣體對(duì)環(huán)境帶來的影響。倡導(dǎo)通過科學(xué)的方法來處理目前全球的溫室效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：溫室效應(yīng) 二氧化碳 甲烷

中圖分類號(hào)：Q89 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）03（b）-0134-02

溫室效應(yīng)是全球主要環(huán)境問題之一，也是近年來人們最為關(guān)注的環(huán)境問題之一，是造成全球變暖的主要因素。溫室效應(yīng)是一場全球性的環(huán)境災(zāi)難，它將加速極地和高山的冰川和凍土的融化，導(dǎo)致海水變暖和膨脹、海平面上升，影響地表水分配、降水量、氣候帶、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。本文對(duì)于引起溫室效應(yīng)的氣體的一些研究論述，讓溫室效應(yīng)的機(jī)理清楚明了。

1 溫室效應(yīng)

溫室效應(yīng)：由于化石燃料燃燒、森林砍伐和工業(yè)活動(dòng)等人類活動(dòng)改變了大氣的成分，破壞了自然溫室效應(yīng)的熱平衡，導(dǎo)致全球氣候急劇變暖，從而成為了一個(gè)全球環(huán)境問題，稱為溫室效應(yīng)。

（1）潘瑞熾先生在《植物生理學(xué)》中認(rèn)為：大氣中的CO2能強(qiáng)烈地吸收紅外線，太陽輻射的能量在大氣層中就“易入難出”，溫度上升似溫室一樣，由此產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”（greenhouse effect）。

（2）唐益韶先生在《環(huán)境科學(xué)》中認(rèn)為：大氣中的臭氧、水蒸氣和二氧化碳是影響太陽輻射到達(dá)地表的強(qiáng)度的主要因素……大部分長波輻射能阻留在地表和大氣層，就使地表和大氣下層溫度增高。這種現(xiàn)象稱為溫室效應(yīng)。如果不存在大氣層，地表的長波輻射無阻地射向太空，地表的平均溫度將在-22℃～26℃之間，而不是現(xiàn)在的15℃上下。

（3）溫室氣體的化學(xué)組成：目前大氣中主要的溫室氣體主要有就九種：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、臭氧（O3）、水蒸氣（H2O）、氧化亞氮（N2O）、氯氟烴（CFCs）、高氟碳化合物（PFCs）、氫氟碳化合物（HFCs）、六氟化硫（SF6）。

二氧化碳（CO2）：是主要的溫室氣體，其全球變暖影響比例因素為60%。現(xiàn)代大氣中CO2增加的原因，主要是由于人類長期使用化石燃料（如，煤、石油、天然氣等）所造成的。

甲烷（CH4）：是天然氣的主要成分，甲烷主要由厭氧微生物活動(dòng)產(chǎn)生。隨著人口劇增、水田耕作以及畜牧業(yè)發(fā)展，大氣中的CH4濃度越來越高.

臭氧（O3）：臭氧層存在于的平流層中，主要分布在距地面15～35 km范圍內(nèi)，濃度峰值在20～25 km處。由于臭氧層能夠吸收99%以上來自太陽的紫外輻射，從而保護(hù)了地球上的生物不受其傷害。氣候條件和氯氟烴等化合物的共同作用加快了臭氧的分解，促使平流層的臭氧一直在減少，使得更多的紫外線B輻射到達(dá)地表，并導(dǎo)致許多嚴(yán)重的生態(tài)學(xué)后果。臭氧層吸收太陽輻射，可以加熱大氣層，其原因是臭氧分子吸收紫外線后將分解為氧分子和一個(gè)氧原子，當(dāng)兩個(gè)氧原子重新組合為氧分子時(shí)要放出熱能，這實(shí)際也是臭氧把太陽輻射里的紫外線轉(zhuǎn)化為熱能的過程。

氧化亞氮（N2O）：是一種微量溫室氣體。因具有較長的大氣壽命，一般是150年，因此是一種高強(qiáng)度溫室氣體。N2O主要來源于陸地-土壤植被系統(tǒng)的釋放，以及化石燃料和生物質(zhì)燃燒。農(nóng)業(yè)中氮肥的使用也增加了N2O的大氣排放。

氯氟烴（CFCs）：對(duì)大氣臭氧層有極大的破壞作用，可謂是臭名昭著。因?yàn)槠涔庾V吸收帶處于地球輻射光譜最強(qiáng)的一段，因而是一種溫室效應(yīng)極強(qiáng)的溫室氣體。

高氟碳化合物（PFCs）、氫氟碳化合物（HFCs）和六氟化硫（SF6）：全氯化碳和六氟化硫是在工業(yè)過程中產(chǎn)生的。由于具有可能超過1000年的大氣壽命，所以這些氣體被釋放累積在大氣中，將持續(xù)影響氣候達(dá)數(shù)千年。PFCs主要包括三種物質(zhì)，其中CF4占絕大數(shù)，主要來自冶煉的過程。比如鋁的生產(chǎn)。SF6完全是人類活動(dòng)的產(chǎn)物，因?yàn)樗哂凶柚垢邷厝刍瘧B(tài)下鋁鎂氧化的特征，所以被大量應(yīng)用于鎂鋁冶煉。另一個(gè)主要來源是絕緣器及高壓轉(zhuǎn)化器的消耗，占SF6總排放量的80%。

2 神秘的溫室氣體甲烷

雖然甲烷在大氣中的濃度遠(yuǎn)小于CO2，但其溫室效應(yīng)卻不可小覷。同為一個(gè)分子CH4產(chǎn)生的溫室效應(yīng)強(qiáng)度約是一個(gè)CO2分子的7.5倍。除了一部分屬天然生成外，絕大部分甲烷來源于人類的活動(dòng)。比如，天然氣管道和油井的泄露，掩埋場地的垃圾廢物分解，煤礦逸出等等。美國的環(huán)境保護(hù)電影大片《難以忽視的真相》，介紹的就是溫室效應(yīng)氣體CO2濃度升高，對(duì)地球生態(tài)環(huán)境造成的極其惡劣的災(zāi)難性后果。

2.1 甲烷的理化性質(zhì)

甲烷作為一種溫室效應(yīng)氣體，近年來在科學(xué)界備受關(guān)注。甲烷（ methane），分子式CH4，是最簡單的有機(jī)化合物，分子量16.04kD。甲烷是無色、無味的氣體，沸點(diǎn)-161.49℃，比空氣輕，易燃燒，水中溶解度極小，與空氣成適當(dāng)比例的混合物遇到火花會(huì)發(fā)生爆炸，爆炸極限4.9%～16%。甲烷主要是作為燃料，如天然氣和煤氣，廣泛應(yīng)用于民用和工業(yè)中。作為化工原料，可以用來生產(chǎn)乙炔、氫氰酸、合成氨、炭黑硝、氯基甲烷、二硫化碳、一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷和氫氰酸等頗有應(yīng)用潛力的清潔能源。

2.2 頗有應(yīng)用潛力的清潔能源

甲烷燃燒不排放污染物，生成的二氧化碳也比較少，是一種頗有應(yīng)用潛力的清潔能源。甲烷俗名之一叫“沼氣”，這是因?yàn)槌练e于池沼底部的植物殘?bào)w在厭氧菌的作用下產(chǎn)生的氣體主要成分是甲烷。據(jù)此原理，人們發(fā)明了用發(fā)酵法獲得沼氣的沼氣池，利用人畜糞便，雜草和垃圾等在密閉環(huán)境中產(chǎn)生沼氣，用來燒水、蒸飯、點(diǎn)燈、發(fā)電等，以節(jié)約石油、煤炭和其它燃料。這也是目前最常見的甲烷氣體的利用方式之一。

根據(jù)美國能源部測算，在35個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，每升吸收劑要儲(chǔ)存150升的甲烷，才有可能將甲烷應(yīng)用于實(shí)際。2003年，日本科學(xué)家用加熱和氧化的方法處理納米碳材料，然后在這些圓錐形的碳材料側(cè)面開了許多1納米左右的“小窗”，將甲烷通過小孔送到碳材料內(nèi)部。進(jìn)入內(nèi)部的甲烷氣體緊緊聚成小氣體團(tuán)，密度接近液體密度，實(shí)現(xiàn)了甲烷的高密度貯存，完全達(dá)到了上述標(biāo)準(zhǔn)，而且貯存在碳材料中的氣體相當(dāng)穩(wěn)定。用納米碳材料進(jìn)行甲烷的高密度貯存在日本試驗(yàn)成功，為甲烷能源進(jìn)入實(shí)用階段提供了技術(shù)支持。endprint

2.3 導(dǎo)致甲烷濃度快速升高的因素

甲烷是一種有用的清潔能源，但在對(duì)全球變暖的“貢獻(xiàn)”上，甲烷的“潛力”卻比同為溫室氣體的二氧化碳大。中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所姚檀棟研究員，徐柏青博士等科研人員2002年利用自己設(shè)計(jì)的高精度冰芯氣泡甲烷提取分析系統(tǒng)，對(duì)青藏高原達(dá)索普冰芯進(jìn)行研究，獲得了近兩千年來高分辨率中低緯度大氣甲烷紀(jì)錄，使大氣溫室氣體與全球氣候變化相互作用取得了突破性進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)，1850年以來大氣中甲烷含量急劇上升，在過去的150年里上升了1.4倍。而在兩次世界大戰(zhàn)期間人類活動(dòng)甲烷排放量負(fù)增長。大氣變暖是甲烷作祟。

美國阿拉斯加大學(xué)沃爾特教授在《Nature》（2006年）雜志上說，隨著永久凍土層的解凍，其內(nèi)部富含的甲烷正在迅速向空中釋放，速度比先前認(rèn)為的快5倍。大量溫室效應(yīng)極強(qiáng)的甲烷氣體進(jìn)入大氣，將給本已變暖的全球氣候“火上澆油”。當(dāng)科學(xué)家飛到遙遠(yuǎn)的西伯利亞研究永久凍結(jié)帶的時(shí)候，看見一望無際的北極圈湖泊。這聽起來很美，但是這些湖泊卻非常危險(xiǎn)。隨著全球氣候變暖，這里的湖泊卻開始釋放甲烷，應(yīng)為其中凍結(jié)的史前動(dòng)植物開始腐爛解體。這種甲烷釋放進(jìn)入大氣的速度比以2006年末快了將近5倍。據(jù)科學(xué)家研究推斷，北部西伯利亞當(dāng)前已釋放出了380 t甲烷，這比以往的估算要高出5倍之多。這一研究成果已經(jīng)發(fā)表在《Nature》上。

2.4 牛羊也排放甲烷

聯(lián)合國糧農(nóng)組織公布的一份報(bào)告指出：不僅汽車、空調(diào)、工廠排放大量溫室氣體，加速氣候變暖，連老牛也應(yīng)該對(duì)氣候變暖承擔(dān)一定責(zé)任，因?yàn)樗鼈冊诜雌c和打嗝的過程中會(huì)排放出導(dǎo)致氣候變暖的氣體—甲烷。據(jù)推算，全球溫室氣體排放量的18%來自家畜。全球10.5億～15億頭牛，17億頭羊才是溫室效應(yīng)氣體的最大元兇。奶牛在消化這些食物時(shí)，各種微生物包括細(xì)菌、原蟲、真菌和古菌等，都在忙著打破牛瘤胃內(nèi)的纖維素和其他營養(yǎng)素。奶牛在消化過程中會(huì)釋放出氫氣和二氧化碳，古細(xì)菌把這兩種氣體轉(zhuǎn)化為甲烷，每頭奶牛每天可產(chǎn)生最高達(dá)380 L的甲烷，主要由每40 s一次的打嗝排出。每年全球反芻動(dòng)物產(chǎn)生約8000萬噸的甲烷排放量，約占每年人造甲烷的28%。在新西蘭，因?yàn)榫d羊和奶牛打嗝產(chǎn)生的甲烷占該國甲烷總產(chǎn)生量的15%。

最近，日本國立禽畜和草原科學(xué)研究所的研究人員在《New Scientist》雜志上發(fā)表計(jì)算了牛肉生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響，生產(chǎn)1kg牛肉所產(chǎn)生的溫室氣體排放相當(dāng)于36kg二氧化碳。

2.5 將甲烷作為溫室氣體減排的“突破口”

美國環(huán)保專家認(rèn)為，如果人們現(xiàn)在采取切實(shí)可行的措施，大約有1/3的甲烷排放可以避免，而且人們還可以獲得經(jīng)濟(jì)效益。甲烷在大氣中的壽命大約是12年，而二氧化碳是120年。抓住“短命”的甲烷采取措施，易收到立竿見影之功效。

2001年我國科學(xué)家趙長偉等對(duì)遼河三角洲蘆葦濕地溫室氣體甲烷的觀測結(jié)果表明，蘆葦淹水期間有大量的甲烷排放，排水后甲烷排放明顯減少。

更有許多針對(duì)牛羊的節(jié)能減排，抑制全球氣候變暖的措施。溫弗里德.德羅赫納和同事們就研究出一種肥皂大小的藥片—“止嗝片”，目的就是制止甲烷產(chǎn)生，從而讓牛為減少溫室氣體排放盡微薄之力。英國科學(xué)家已為牛設(shè)計(jì)出環(huán)保餐單，以減少空氣污染，政府將制定法規(guī)，要求養(yǎng)牛業(yè)者引進(jìn)新的技術(shù)保證牛打嗝和放屁不污染環(huán)境。新西蘭則決定向農(nóng)民征收牛、羊的“放屁稅”，以控制對(duì)大氣的污染。

參考文獻(xiàn)

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