第7章 大气温室气体与气候变化

2. CH4浓度的变化
20世纪90年代后，大气中甲烷浓度呈迅速增长态势， 平均增长速率1%左右；北半球浓度明显高于南半球浓度。 CH4在大气中的源、会情况复杂，其源、汇变化和在大 气中的输送过程至今还不是很清楚 1993年前后在全球范围内观测到了大气CH4浓度增长 速率大大降低的结果，其原因还没有达成共识。
气候：研究气温、降水、风速风向等气象要素的长期 （如 100年）平均规律，是一个地区的冷、暖、干、湿等天气状 况基本特征的综合反映。气候系统由大气圈、水圈、生物圈、 岩石圈和冰冻圈共同组成，气候是这些圈层相互作用的结果。 气候变化：指长时期内气候状态的变化，通常用不同时 期 温度和降水等气候要素统计量的差异来反映，变化的时间尺 度从最长的几十亿年到年际、季际、月际。 气候异常：指正常气候起伏中出现的明显反常现象，导 致人类及动植物的不适应，影响人类社会及生产活动，危机 动植物的正常生长发育，并可能导致飓风、热浪、暴风雪等 灾害性时间。 大气辐射以及各个圈层内部和相互之间的物理、化学和 生物过程的相互作用决定了气候变化。
第七章 大气温室气 体与气候变化
主要内容： 大气温室气体的种类、来源及其分布 大气中温室气体浓度的变化 温室效应增加和全球变暖 气候变化对人类生存环境的影响 大气圈实际上就是指包围在地球周围的气 体层，其总质量约为6000×108 T。 大气层是由氮气（78%）氧气（20.95%） 氢气（0.93%）以及少量的二氧化碳,臭氧, 一氧化碳,甲烷等微量气体组成。此外大气 层中还有一些含量变化不定的水蒸汽等组 分。
温室气体的直接辐射强迫：辐射活性气体通过吸收和发射红 外辐射对辐射平衡产生影响 间接辐射强迫：反映活性温室气体通过影响化学转化过程和 大气中反映活性物种（例如OH）的分布对辐射平衡产生 间接的影响
新增温室气体产生的辐射强迫会 随着其本底浓度的增加而减弱， 存在饱和现象。
四、全球变暖潜势
全球变暖潜势（global warming potential GWP）：是一个相对概念， 定义为单位质量的某一温室气体在一定时间内相对于参考气体的累积 辐射能力。
大气层就像人们熟知的温室中的玻璃或 塑料薄膜一样，将整个地球变成了一个大 温室，使地球表面的温度变暖并基本保持 在目前的这个水平上。那些能够阻挡地球 红外辐射向大气层外逃逸从而对地球起着 保温作用的气体就被称为温室效应气体或 简称为温室气体。
大气中的温室气体有哪几种 大量的研究结果表明，地球大气中的温 室气体主要有水汽，二氧化碳，甲烷，氧 化亚氮，臭氧，二氧化硫，一氧化碳以及 其他滞留在大气中的痕量气体，如氟氯烃， 氟化物，溴化物，氯化物，醛类，以及各 种氮氧化物，硫化物等。温室气体的气体 总和也超不过整个大气层体积的0.03℅。一 部分由于人类本身的生产和社会活动排放 而滞留在大气中。
当大气层对长波辐射吸收率AL增大时，地面温度也将升高 地面辐射收入总是大于支出，多余能量用于水分蒸发，以潜热 和热对流方式给予大气；整层大气辐射平衡为负，通过地面显热和潜热补偿
实际辐射平衡状况在不同纬度和季节都会有所变化
第二节 温室效应和温室气体
大气中的温室气体，能够吸收来自地面、大气和云层的 部分红外辐射，并向外发射红外辐射，由于这些微量气体发 射的红外辐射是朝向各个方向的，其中一部分辐射返回地面 净的结果是将能量阻截在低层大气中，使地面温度升高，这 种作用机制被称为天然温室效应；能够产生温室效应的气体 就称为温室气体。 “大气窗口” 7~13μm 地面长波辐射 很强，CO2 和H2O吸收很小 但O3，CFCs 吸收很大
二、甲烷 大气中的甲烷由于其含量甚微，长期以来不被人们 所重视。甲烷是天然气的主要成分，甲烷通常被俗 称为沼气，，按来源可分为自然源和人为源，前者 主要是自然湿地，海洋，淡水，甲烷水合物以及白 蚁等，其中自然湿地是大气中甲烷的最主要自然 源。人为源就是水田，由于水田中可提供良好的厌 氧条件，因此促进了甲烷气体的产生和向大气排 放。另外，畜产业的快速发展也会使畜牧场地的粪 便、碎屑等动物废弃物大量增加，而这些废弃物以 肥料形式埋入地下腐烂发酵时会产生厌氧条件百而 导致甲烷的产生和排放。第三个被公认的甲烷人为 源就是固体废弃物的填埋。
三、氧化亚氮 N2O是低层大气中含量最高的含氮化合 物，主要来自于天然来源，即由土壤中硝 酸盐(NO3-)经细菌的脱氮作用而产生：
由于在低层大气中N2O非常稳定，是停留 时间最长的氮的氧化物，一般认为其没有 明显的污染效应，大气寿命约120a
天然源：海洋和热带森林 人为源：农田氮肥使用、工业生产和家畜、生物质燃烧 以人为源排放导致增加为主
四、臭氧
天然源 平流层输送 原因： 对流层顶折叠 判断：数据突变，7Be 高值（平流层物种，由宇宙射 线产生） 峰值出现在冬季和春季，或浓度没有明显白昼变化
对流层光化学过程产生
第二节 大气中温室气体浓度的变化
一、温室气体的浓度极其测量 “温室气体”的真正科学问题是：大气中的重要温室气体自工 业革命以来有多大变化？今后会如何变化？温室气体含量变 化会使它们的温室效应增强多少？ 1958年，美国斯克里普斯海洋研究所在夏威夷岛的莫纳洛娃山 建立了全球第一个连续观测大气中温室气体浓度极其变化的 观测站 20世纪70年代初，世界气象组织（WMO）、世界卫生组织 （WHO）和联合国环境规划署（UNEP）等国际组织共同 发起和组织了“大气本底污染观测网”（Background Air Pollution Monitoring Network，简称BAPMoN，旨在对世 界范围内大气污染状况进行长期全球性观测，其中包括对大 气中主要温室气体的观测，目前，在世界各地已有200个观 测站。 对历史大气状况进行研究，使用冰芯气泡分析法，已获得距今 20万年以来大气中CO2、CH4等气体的含量； 海底沉积物也是研究方法。
判断一种物质是否为温室气体，主要有三个 方面：1. 该气体必须有足够宽的红外吸收带，在大气中浓度足够高，
能显著吸收红外辐射；2. 该气体如果在7~13 μm的大气辐射窗口有吸 收，对温室效应的增强最有效；3.大气寿命长。
气体分子的红外辐射
基态（E0） 碰撞活化、吸收光子 激发态(E1) 激发态(E1) 自发发射、受激发射、碰撞失活 基态（E0） 对流层由于气体浓度高，碰撞活化和碰撞失活是主导因素
二、大气中的温室气体
大气中温室气体分为两类：一种能吸收和发射红外辐射，称 为辐射活性气体，包括CO2,CH4,N2O和卤代烃等寿命较 长，在对流层大气中混合均匀的气体，也包括时空分布差 异很大的O3；另一种不能或只能微弱地吸收和发射红外 辐射，但可以通过化学转化来影响辐射活性气体的浓度水 平，称为反应活性气体，包括NOX，CO和VOCS. 平流层O3损耗，降低平流层温度，降低向下的红外辐射； 增加进入对流层紫外辐射，使对流层光化学过程活跃， OH浓度增加，加速CH4和HFCs的去去除，起到降温作用 NOX 升高会使CH4和HFCs浓度降低，O3浓度升高，另外 作为N肥，沉降到地面和海洋，促进植物生长，降低CO2 浓度，对辐射平衡的影响很难量化。
3. N2O浓度的变化
20世纪中叶，大气中N2O浓度一直处于285×106 左右，几乎没有什么明显变化，其后，浓度呈现了 明显增长趋势，目前，年增长率约为0.26%。
N2O在全球浓度基本呈现均匀分布，一方面因为 浓度较低，另一方面跟N2O在大气中寿命较长有关。
四、大气中CFCs的变化
三、未来大气中温室气体浓度的变化趋势 主要温室气体在大气中的浓度在今后30~50a间 如何变化时当今人们在温室气体研究中最关心的问 题。 大气中温室提起浓度今后的变化特征将主要取 决与人类本省的行为。 估计大气中温室气体的浓度今后的变化是一件 非常困难的事，不仅涉及到各种温室气体在大气中 的源、汇需要作出科学认识和估算，更重要的是它 涉及到人口增长、经济发展以及能源结构等一系列 社会、环境问题。 所有温室气体未来变化趋势的预测都带有较大 的盲目性和不确定性。
大气中的温室气体来自何处
大气中温室气体大致分为两类： 一类是大气中固有的，如二氧化碳、臭氧、氧化亚 氮、甲烷 一类是工业化以来人类活动过程中排放到大气中的， 如氟氯烃、醛类以及一些氮和硫的氧化物。
一、二氧化碳 大气中的二氧化碳主要来源于于燃烧过程， 土壤或其他地方有机物的分解以及人群和 动物的呼吸。
第一节 大气辐射传输过程
一、大气对辐射的吸收和散射 吸收：空气分子与电磁波发生相互作用时，一部分电磁场 的能量转化为分子或原子内部的能量。被吸收的能量可使温 度增加，也可变化为化学能或导致光化学反应。一般吸收都 伴随着分子内部的能级跃迁，具有波长选择性。 散射：当电磁波照射到折射不均匀的地区时，会发生传播 方向的改变，称为散射。大气中的空气分子、水滴、气溶胶 粒子、冰晶等颗粒物会造成散射，由于温度不均匀导致的湍 流块也会造成散射。散射过程特点是将波传播的方向改变。 弹性散射 非弹性散射 一次散射 多次散射 X<<1 瑞利散射；0.1<x<50 米（Mie)散射 x>50 几何光学方法
激发态分子数 基态分子数 玻尔兹曼分布：处于激发态的分子数目随着 温度降低而减少，辐射能量也随着温度降低 而减少
温室气体的净效应不只取决与它对地球长波辐射的吸收，还 取决于它自身发射的红外辐射。 CO2进入平流层，由于浓度很低，吸收的红外辐射很小，但 平流层温度随高度增加而升高，激发态分子比例也随着高度增 加而增加，净结果是更多的辐射能量进入到宇宙空间，与对流 层相反，平流层CO2起降温作用，H2O也一样。
二、大气中主要温室气体的浓度极其变化 1. CO2浓度的增加 它被公认为大气中最重要的温室气体，含量取决于地球 上生物圈，海洋和大气圈等主要碳库间二氧化碳的交换和 平衡过程。就全球而言，大气中二氧化碳的浓度并非是均 匀分布的，如前所述，化石燃料燃烧是当前导致大气中二 氧化碳浓度增加的主要原因，由于这种燃烧大约百分之九 十五发生在北半球，因此，北半球大气中二氧化碳浓度要 高于南半球大气中的相应值。南北半球浓度之差约为 2×106到3×106。