全球气候变化中的物理问题

全球气候变化中的温室效应

海洋二所物理海洋专业巩彪学号：JX10009

摘要全球气候变化是一个复杂的科学问题，它涉及到气候系统或地球系统的变化，不但需要考虑它们所包含的这些系统内各部分本身的变化，以及它们之间复杂的相互作用，而且还需考虑物理与地球生物化学等许多过程.本文主要讨论全球气候变化中温室效应方面的物理问题。

关键词气候变化;温室效应;物理问题

一全球气候变化及其发生的原因

长期以来，地球的气候变化虽然以全球平均地表温度作为主要的衡量参数或标准，但实际上它涉及的是全球气候系统的变化。全球气候系统指的是一个由大气圈、水圈（含海洋）、冰雪圈、岩石圈（含陆面）和生物圈组成的高度复杂的系统（图1）。这些圈层不但自身发生着明显的变化和演变，而且它们之间有着明显的相互作用。现代气候主要是指人类社会工业化（1750年）以后，由于人类活动，全球大气CO2浓度值已从工业化前的约280 mL/m3（ppm，下同），增加到了2005年的379 mL/ m3，是650ka以来的最高值。CO2浓度的增加主要源于使用化石燃料。虽然与漫长的地质年代相比，它们的变化幅度有些并没有完全超过自然的脉动，但它们的变化速率是空前的（图2）。

图1气候系统及其圈层，它们的相互作用过程示意图[1]

图2过去10000年大气CO2浓度的变化（相对于2005年）[1]

人类活动对气候变化的作用主要表现为三个方面[2]：(1)化石燃料燃烧排放的CO2等温室气体通过温室效应影响气候，这是人类活动造成气候变暖的主要驱动力；(2)农业和工业活动排放的CH4，CO2，N2O，PFC，HFC，SF6等温室气体，也通过温室效应增强气候变暖；

(3)土地利用变化导致的温室气体源(汇)变化和地表反照率变化进一步影响气候变化，这包括森林砍伐、城市化、植被改变和破坏等所引起的温室气体浓度增加和减少或清除。

最近几十年，随着气候科学的迅速发展以及观测资料的改进和采用更先进的气候模式，提高了气候变化的认知和归因。1900年以后，所有温度演变序列都表现出高度的一致性，高度一致的多种分析得到的时间序列，有力地说明它们共同指示的温度变化比较趋于真实。寻找引起气候变化的人为信号，必须先检测出世纪尺度气候自然变率的背景信号，仅用观测资料很难满足这一点，因为大多数观测记录的时间都不长，也很难区分各种外强迫影响因子的实际作用。唯一可靠的方法是根据气候模式模拟区分各种人类与自然强迫因子的贡献。在模拟中可以改变某种外强迫以确定这种强迫的气候效应，也可以同时改变多种强迫因子以模拟实际的所有强迫因子的共同作用。目前由观测资料分析和模式模拟得到的结论是，观测到的气候变化不可能只用自然气候波动解释，必须考虑人类活动的影响，如温室气体的浓度，等等。耦合气候模式对六大洲每个大陆上观测到的温度变化的模拟能力，提供了关于人类活动影响气候的更强有力的证据。

二温室效应简介

温室效应（Greenhouse effect），又称“花房效应”，是地球大气保温效应的俗称。大气能使太阳辐射中的短波成分到达地面并被吸收。长波成分被大气吸收，同时地表向外辐射中的长波成分即红外辐射（Infrared radiation，简称IR）也被大气吸收。长波成分具有热效应，

这就使地表与低层的大气温度升高，其作用类似于栽培反季节花木的人造小环境-------温室，故称之为温室效应。[3]

由环境污染引起的温室气体浓度增加而导致的温室效应是指地球表面比没有环境污染的地球表面升温的现象。

随着人类无节制地消耗化石燃料等自然资源，大气中温室气体浓度显著增加，致使温室效应加剧，由此带来了一系列的环境、经济和社会问题。太阳能够不断地向陆地和海洋发射410Lm波长的光，同时地表也会向外辐射近红外到远红外的长波光，若大气层中不存在吸收红外辐射的气体，太阳与地球的相互辐射达到平衡，地球会处于250K稳定温度状态。若大气中存在吸收红外辐射的气体，其作用的结果是使太阳短波辐射到达地面，而地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，从而引起温室效应。

三温室效应的两种解释

当前的温室效应有两部分[4]：一部分是自然的温室效应，由原为大气的自然的温室气体所组成，以适应动植物繁衍；另一部分是增强的温室效应，即人类活动引起的温室效应。在地球大气中，除了含有占99%的氮、氧以外，还含有其他少量的微量气体如CO2，CH4等以及云，水和尘埃等，后者虽然所占体积和数量很少，但它们可以吸收地表放射的一部分红外热辐射，根据基尔霍夫定律（Kirchof定律），大气中的一个气层如果吸收辐射，它也在同一频率下，正比于吸收后再以自己的温度放射出辐射。因而大气中，上述这些微量气体和水汽、云等在吸收大气与地表发射的长波热辐射的同时，也以自身的温度向外空放射出热辐射。在大气高层的这些气体、水汽与云，由于其温度比地表低得多（大气中的气温从地表到对流层顶平均以6℃/km下降，因而在5-10km的高层大气，比地表冷30-50℃），发射的热辐射量比较小，因此这些高层的温室气体吸收了大量或全部由地表和低层大气发射的长波辐射，但向外发射了比其吸收小得多的长波辐射。这比没有这些水汽与温室气体情况下的大气损失于外空的热辐射要小得多。

因而这些温室气体在大气中增多的结果如同形成一种无形的“玻璃”罩，使太阳辐射到地球上的热量及大气反射回地球上的热量难以向外层空间发散，其结果是地球表面升温，破坏了天然的温室效应，导致出现所谓的温室效应，即全球气候变暖等一系列严重问题。

图3说明了自然的温室效应，图4说明了增强的温室效应。在图5中，由于大气中水汽和温室气体的存在,使地球的温度由-19℃上升到15℃。如果由于人类的排放，大气中CO2浓度增加一倍，这时大气顶的辐射平衡将受到破坏，由于增加的CO2拦截了地球和大气放射的长波辐射，使离开大气的长波辐射量只有236W /m2，因而气候系统内部将进行调整，以恢复原有的平衡。根据斯特藩—玻尔兹曼辐射定律，辐射通量密度E=σTs4（Ts是地表平均温度），地表必须升温1.2℃。温度升高之后，根据克劳修斯—克拉珀龙方程，大气中的水汽将增加，这将使温室效应进一步加强。通过这种正反馈作用，地表的增温将不是1.2℃，而是2.5℃，所以反馈作用是非常明显的。

[4]

图3 图4 图5

关于地球升温目前流行的观点是：温室气体中的二氧化碳起主要作用，为罪魁祸首。

关于地球升温的另一种观点是：温室气体中的水蒸气起主要作用，为罪魁祸首。这种观点来自于美国空间研究所的詹姆斯·汉森博士，他认为由于煤和柴油等含碳量高的燃料燃烧不充分，碳的利用率太低而造成的。这不仅浪费资源，而且导致环境的污染，更可甚的是众多的碳粒粉尘聚集在大气对流层中以引起云的堆积。汉森博士认为因40%至90%的地面热量来自于云层所产生的大气逆辐射，云层越厚，热量越不易向外扩散，地球就越来越热，可见由碳粒粉尘固体颗粒状物质凝聚形成的云是罪魁祸首。

不论哪种观点的解释，共同的结论是，温室气体导致了温室效应。

四温室效应的物理分析

温室气体将吸收的热量贮藏于地面及对流层系统之内，如果没有外界因素的影响，则形成天然温室效应。由地球辐射收支平衡假设及各种模拟计算得知：地球表面的平均温度保持在平均15℃，大气上层的平均温度为-20℃。温室气体浓度的增加将导致大气对IR吸收能力的增强，从而引起大气向空间的有效IR，增加了地球表面的额外吸收，原来地球辐射收支平衡的状态被打破，这种收支不平衡的状态只能通过地面及对流层系统温度的升高来补偿，引起温室效应。

图6 288K时地球辐射分布

从图6可以看出，其辐射能量极大值对应于长约10000nm，属于红外波段。而研究表明，温室气体中的二氧化碳和水蒸气（包括云层）正好是这一波段辐射的强吸收体。由黑体辐射理论也可知，强的吸收体也正好是强的辐射体，即此时二氧化碳和水蒸气组成的空气可等效为另一黑体，向外辐射IR，其中部分IR又返回到地球，被地球表面又重新吸收，于是二氧化碳和水蒸气保护了地表热量的散失，形成了天然的温室效应，保持动态平衡。但当二氧化碳和云层的浓度增加时，温室气体中二氧化碳浓度和云层厚度比原来更浓更厚，成为更强的吸收体，也成为更强的辐射体，地球表面将吸收更多的热量，从而产生了温室效应。

由上可见，现代全球气候变化的原因从物理上讲，除了自然的外强迫因子继续影响地球的气候外，还增加了由于人类活动因素造成的影响，并且随着人类活动引起的温室气体排放的增加，这种人为产生的强迫作用可能会不断增强。气候模式的模拟和预测表明，它的作用在将来可能会超过自然变化的因素，使地球的气候不断地变暖，至少在21世纪人类将进入一个更加变暖的世界。

五温室效应的全球对策

大气温室效应造成的全球变暖，对策主要有以下3个方面：

第一方面是减少目前大气中的CO2。最切实可行的办法是广泛植树造林、加强绿化、停止滥伐森林；用太阳光的光合作用大量吸收和固定大气中的CO2。还有利用化学反应来吸收CO2的办法，但在技术上都不成熟，经济上更难大规模实行。

第二方面是适应。这是无论如何必须考虑的问题。例如除了建设海岸防护堤坝等工程技术措施以防止海水入侵外，有计划地逐步改变当地农作物的种类和品种，以适应逐步变化的气候。日本北部因为夏季过凉，过去并不种植物稻，即使种了产量也很低。由于培育出了抗寒抗逆品种，现在即使在最北的北海道也不仅能长水稻，而且产量还很高。这是一个很好的例子。气候变化是一个相对缓慢的过程，只要能及早预测出气候变化趋势，我们是能找到适应对策并顺利实施的。

第三方面是削减CO2的排放量。这是在1992年巴西里约热内卢世界环境与发展大会上，各国领导人共同签署的《气候变化框架公约》的主要目的（框架是指比较原则，有待进一步具体化的意思）。公约要求在2000年发达国家应把CO2排放量降回到1990年水平，并向发展中国家提供资金和转让技术，以帮助发展中国家减少CO2的排放量。近百年来全球大气中CO2浓度的迅速升高，绝大部分是发达国家排放造成的。发展中国家首先是要脱贫、要发展，发达国家有义务这样做。

参考文献：

[1] IPCC. Climate Change 2007: Physical Science Basis. Cambridge: Cambridge University Press, 2007. 996

[2]丁一汇,张锦,徐影等.气候系统的演变及其预测,北京:气象出版社,2003.137[DingY H, Zhang J, XuYetal. Evolution of the Climate System and Its Prediction. Beijing: Meteorological Press, 2003. 137( in Chinese)]

[3] ]James Han sen,Larissa Nazarenko,Reto Ruedy,etal. Earth’s energy mibalance:confirmation and miplications[J].Science,2005,308(5727):143121435

[4] Houghton J. Global Warming. Cambridge: Cambridge University Press, 2004. 351