全球變暖現(xiàn)象的科學(xué)論文

【專家解說】：　　人類早期的活動能力、也就是破壞自然的能力很弱，最多只能引起局部地區(qū)小氣候的改變，所以幾百萬年間人與自然還能相安無事。但是工業(yè)革命以來情況發(fā)生爭劇變化。工業(yè)化意味著大量燃燒煤和石油，意味著向地球大氣排放巨量的廢氣。其中二氧化碳?xì)怏w造成大氣溫室效應(yīng)，使全球變暖、極冰融化、海平面上升；二氧化硫和氮氧化物可以形成酸雨；氯氟烴氣體能破壞高空臭氧層，造成南極臭氧洞和全球臭氧層變薄。此外，工業(yè)化排放的污染氣體也使人類聚居的城市成了濃度特高的大氣污染島……人類在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、提高生活質(zhì)量的同時也闖下了彌天大禍。不少災(zāi)害看起來似乎是天災(zāi)，而實際上卻往往是屬于人類自己造成的人禍。被破壞的地球大氣正在對人類進(jìn)行可怕的報復(fù)，大自然是絕不會因為人類的無知而原諒人類的。 　　1992年6月，世界各國元首、政府首腦云集巴西里約熱內(nèi)廬，在聯(lián)合國《氣候變化框架公約》上簽字。為什么氣候變化這樣一個普普通通的科學(xué)問題，會變得如此令人關(guān)注？ 　　原來，工業(yè)革命以來，由于人類大量燃燒化石燃料和毀滅森林，使全球大氣中二氧化碳（CO2）含量在百年內(nèi)增加了25％。如果按目前CO2濃度的增加速度，到2100年大氣中CO2含量將增加一倍。據(jù)聯(lián)合國發(fā)布的評估報告，那時全球平均氣溫會比現(xiàn)在上升1.0～3.5℃，這將引起極冰融化、海平面上升15～95厘米，從而淹沒大片經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)，還可能引起其他一系列嚴(yán)重問題。世界各國政府開始重視這種狀況及其危害后果，共同商討削減CO2排放量的問題。 　　什么叫溫室效應(yīng) 　　全球的地面平均溫度約為15℃。如果沒有大氣覆蓋，根據(jù)地球獲得的太陽熱量和地球向宇宙空間放出的熱量相等的原理，可以計算出地球的地面年均溫度為－18℃。這33℃的溫差就是大氣像被子一樣保護(hù)地球造成的。這就是溫室效應(yīng)。 　　宇宙中任何物體都輻射電磁波。物體溫度越高，輻射的波長越短。太陽表面溫度約6000K，它發(fā)射的電磁波的波長很短，稱為太陽短波輻射（其中包括從紫到紅的可見光）。地面在接受太陽短波輻射而增溫的同時，也時時刻刻向外輻射電磁波而冷卻下來。地球發(fā)射的電磁波因溫度較低而具有較長的波長，稱為地面長波輻射。短波輻射和長波輻射在經(jīng)過地球大氣時的遭遇是不同的：大氣對太陽短波輻射來說幾乎是透明的，而它卻強烈吸收地面長波輻射。大氣在吸收地面長波輻射的同時，它自己也向外輻射波長更長的長波輻射（因為大氣的溫度比地面更低）。其中向下到達(dá)地面的部分稱為逆輻射。地面接受逆輻射后就會升溫，這也可以說是大氣對地面起到了保溫作用。這就是大氣溫室效應(yīng)的原理。 　　地球大氣的這種保溫作用，很類似于種植花卉的暖房頂上的玻璃（溫室效應(yīng)也可稱為暖房效應(yīng)或花房效應(yīng)），因為玻璃也具有透過太陽短波輻射和吸收地面長波輻射的保溫功能。 　　溫室效應(yīng)源自溫室氣體 　　我們知道，并不是大氣中的每種氣體都會強烈吸收地面長波輻射的。地球大氣中起溫室作用的氣體稱為溫室氣體，主要有二氧化碳、甲烷、臭氧、一氧化二氮、氟里昂以及水汽等。它們幾乎吸收地面發(fā)出的所有波長的長波輻射，只有一個很窄的區(qū)段吸收很少，這個區(qū)段被稱為“盲區(qū)”。地球主要通過這個盲區(qū)把從太陽獲得的熱量中的70％又以長波輻射形式返還宇宙空間，從而維持地面溫度不變。我們所說的溫室效應(yīng)，主要是指由于人類活動增加了溫室氣體的數(shù)量和品種，使這盲區(qū)即能返回宇宙空間的70％的熱量的數(shù)值下降，使留下的余熱增多而使地球變暖的情況。 　　不過，CO2等溫室氣體雖然吸收地面長波輻射的能力很強，但它們在大氣中的數(shù)量卻極少。如果把壓力為一個大氣壓、溫度為0℃的大氣狀態(tài)稱為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，那么把地球整個大氣層壓縮到這個標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，它的厚度是8000米。目前大氣中CO2的含量是355ppm即百萬分之355（ppm為百萬分之一），把它換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，就是2.8米厚。在8000米厚的大氣中就占這2.8米厚的這一點點。甲烷含量是1.7ppm，相應(yīng)是1.4厘米厚。臭氧濃度是400ppb（ppb為ppm的千分之一）換算后只有3毫米厚。一氧化二氮是310ppb，2.5毫米。氟里昂有許多種，但大氣中含量最多的氟里昂12也只有400ppt（ppt是ppb的千分之一），換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)只有3微米。由此可見大氣中溫室氣體是極少的。正因為如此，所以人為釋放的溫室氣體如不加限制，很容易引起全球迅速變暖。 　　早在1938年，英國氣象學(xué)家卡林達(dá)在分析了19世紀(jì)末世界各地零星的CO2觀測資料后，指出當(dāng)時CO2濃度已比世紀(jì)初上升了6％，并指出從上世紀(jì)末到本世紀(jì)中葉全球存在變暖傾向，在世界上引起了很大反響。為此，美國斯克里普斯海洋研究所的凱林于1958年在夏威夷的冒納羅、亞山海拔3400米的地方建立起了觀測所，開始了大氣中CO2含量的精密觀測。夏威夷位于北太平洋中部，幾乎未受陸地大氣污染的影響，觀測結(jié)果有相當(dāng)高的可靠性。 　　從冒納羅亞山觀測到的1958年4月到1991年6月大氣中CO2濃度的變化曲線可以看出1958年時大氣中CO2含量不過315ppm左右，而1991年已經(jīng)達(dá)到了355ppm。問題的嚴(yán)重性還在于，人類每年燃燒55億噸化石燃料（每噸約產(chǎn)生4噸CO2）中，大約只有一米進(jìn)入了大氣，其余一米主要被海洋和陸地植物所吸收。一旦海洋中CO2達(dá)到飽和，大氣中CO2含量將成倍上升。從圖上還可發(fā)現(xiàn)CO2含量還有季節(jié)變化，冬夏可以相差6ppm。這主要是由于北半球廣闊大陸上植被冬枯夏榮的影響，因為植物在夏季大量吸收CO2因而使大氣中CO2濃度相對降低。 　　根據(jù)對南極和格陵蘭大陸冰蓋中密封的氣泡中空氣的CO2濃度測定，古代大氣中CO2含量一直比較穩(wěn)定，大體是280ppm左右。只是從18世紀(jì)中葉，即工業(yè)革命前后開始逐步上升。人類用了240年時間，使大氣中CO2濃度從280ppm上升到355ppm。 　　甲烷是僅次于CO2的重要溫室氣體。它在大氣中的濃度雖比CO2少得多，但增長率卻大得多。據(jù)聯(lián)合國政府的氣候變化委員會（IPCC）1996年發(fā)表的第二次氣候變化評估報告的資料（簡稱《報告》），從1750～1990年共240年間CO2增加了30％，而同期甲烷卻增加了145％。甲烷也稱沼氣，是缺氧條件下有機物腐爛時產(chǎn)生的，例如水田、堆肥和畜糞等都會產(chǎn)生沼氣。一氧化二氮又稱笑氣，因為呼入一定濃度的這種氣體后會引起面部肌肉痙攣，看上去像在發(fā)笑一樣。它主要是由于使用化肥、燃燒化石燃料和由生物體所產(chǎn)生的。大氣中的臭氧含量，在平流層中雖有減少，但在對流層中是增加的。氟里昂氣體是氯、氟和碳的化合物，它在自然界里本不存在，完全是人類制造出來的。由于它的溶點和沸點都比較低，不燃、不爆、無臭、無害、穩(wěn)定性極好，廣泛用來生產(chǎn)制冷劑、發(fā)泡劑和清潔劑等。地球大氣中濃度最高的氟里昂12和氟里昂11含量雖都極少，但這些年增長率卻很高，均達(dá)到年增5％。根據(jù)1987年國際《蒙特利爾議定書》，它在大氣中的濃度將在21世紀(jì)初開始逐漸減少。 　　應(yīng)當(dāng)說明，CO2以外的其他溫室氣體在大氣中的濃度雖比CO2小得多，有的要小好幾個量級，但它們的溫室效應(yīng)作用卻比CO2強得多，它們對大氣溫室效應(yīng)的作用，根據(jù)IPCC第二次《報告》，都只比CO2低一個量級。這是值得注意的。 　　溫室效應(yīng)的后果 　　如前所述，工業(yè)革命前大氣中CO2含量是280ppm，如按目前增長的速度，到2100年將增加到550ppm，即幾乎增加一倍。全世界的許多氣象學(xué)家都在努力研究，CO2含量增加一倍以后，到2100年全球的平均氣溫會增高多少？ 　　目前采用的具體辦法是，根據(jù)大氣運動規(guī)律和物理狀態(tài)變化規(guī)律，設(shè)計成數(shù)值模式進(jìn)行計算。但由于人們對大氣運動變化規(guī)律的認(rèn)識還不夠完善，采取的簡化設(shè)計辦法也不同，因而各個模式的計算結(jié)果常相差很大。為此80年代美國科學(xué)院組織了評估委員會，對這些模式的結(jié)果進(jìn)行研究和綜合評詁，最終得出CO2倍增后全球平均氣溫將上升1.5～4.5℃。這就是對本問題最有權(quán)威的組織——聯(lián)合國IPCC第一次《報告》中采用的數(shù)字。 　　近年來，氣候模式的模擬能力有了重大改進(jìn)，這主要是考慮了大氣中氣溶膠（空氣中懸浮的微小顆粒）的作用。因為在燃燒化石燃料放出CO2的同時也釋放了巨量的硫化物等氣溶膠。這種氣溶膠顆粒會遮擋部分陽光使之無法到達(dá)地面，使地面氣溫降低，起到冷卻作用。其數(shù)值據(jù)IPCC估計可達(dá)－0.5瓦／平方米，即相當(dāng)于CO2增溫效應(yīng)（＋1.56瓦／平方米）的1／3，比甲烷的增溫效應(yīng)（+0.47瓦／平方米）還略大。主要根據(jù)這個改進(jìn)，IPCC1996年公布的第二個《報告》中，把2100年CO2倍增后全球平均氣溫的升溫值從1.5～4.5℃，修改為1.0～3.5℃。評估報告中還指出，由于海洋的巨大熱慣性，到2100年這個增溫值中大約只有50～90％得以實現(xiàn)。 　　模式計算結(jié)果還說明，全球平均增溫1.0～3.5℃并不均勻分布于世界各地。赤道和熱帶地區(qū)不升溫或幾乎不升溫，升溫主要集中在高緯度地區(qū)，數(shù)量可達(dá)6～8℃甚至更大。這一來引起另一嚴(yán)重后果，即兩極和格陵蘭的冰蓋會發(fā)生融化，引起海平面上升。北半球高緯度大陸的凍土帶也會融化或變薄，引起大范圍地區(qū)沼澤化。還有，海洋變暖后海水體積膨脹也會引起海平面升高。IPCC的第一次評詁報告中預(yù)計海平面上升20～140厘米（相應(yīng)升溫1.5～4.5℃），第二次評估報告中修改為15～95厘米（相應(yīng)升溫1.0～3.5℃），最可能值為50厘米。即比第一次評估結(jié)果降低了約25％。IPCC的第二次評詁報告還指出，從19世紀(jì)末以來的百年間，由于全球平均氣溫上升了0.3～0.6℃，全球海平面相應(yīng)也上升了10～25厘米。 　　全球海平面的上升將直接淹沒人口密集、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的大陸沿海低地地區(qū)，后果十分嚴(yán)重。1995年11月在柏林召開的聯(lián)合國《氣候變化框架公約》締約方第二次會議上，44個小島國組成了小島國聯(lián)盟，為他們的生存權(quán)而呼吁。 　　此外，研究結(jié)果還指出，CO2增加不僅使全球變暖，還將造成全球大氣環(huán)流調(diào)整和氣候帶向極地擴(kuò)展。包括我國北方在內(nèi)的中緯度地區(qū)降水將減少，加上升溫使蒸發(fā)加大，氣候?qū)②呌诟珊祷?。大氣環(huán)流的調(diào)整，除了中緯度地區(qū)干旱化之外，還可能造成世界其他地區(qū)氣候異常和一些災(zāi)害，例如低緯度臺風(fēng)強度將增強，臺風(fēng)源地將向北擴(kuò)展等。氣溫升高還會引起或加劇一些傳染病流行。以疾為例，過去5年中世界痰疾發(fā)病率已翻一兩番，現(xiàn)在全世界每年約有5億人得痰疾，其中200多萬人死亡。 　　但是，溫室效應(yīng)也并非全是壞事。最寒冷的高緯度地區(qū)增溫最大，農(nóng)業(yè)區(qū)將向極地大幅度推進(jìn)。CO2增加也有利于植物光合作用而直接提高有機物質(zhì)產(chǎn)量。還有的專家指出，在我國和世界歷史上溫暖期多是降水較多、干旱區(qū)退縮的繁榮時期。 　　在大氣溫室效應(yīng)這個問題上，也有不同意見。有些科學(xué)家認(rèn)為：目前數(shù)值模式還不成熟，計算結(jié)果過于夸大；百年升高0.3～0.6℃屬于正常氣候變化，不能證明是大氣溫室效應(yīng)所造成。這是少數(shù)人的意見。 　　盡管如此，對于目前大氣中CO2濃度和全球溫度正迅速增加，以及溫室氣體增加會造成全球變暖的原理，都是沒有爭論的事實。我們?nèi)绻鹊絾栴}已發(fā)展到了可以明顯感知的水平，就往往難以逆轉(zhuǎn)。因此必須引起高度重視，以便采取對策，保護(hù)好人類賴以生存的大氣環(huán)境。 　　全球?qū)Σ? 　　大氣溫室效應(yīng)造成的全球變暖，對策主要有以下3個方面。 　　第一方面是減少目前大氣中的CO2。最切實可行的辦法是廣泛植樹造林、加強綠化、停止濫伐森林；用太陽光的光合作用大量吸收和固定大氣中的CO2。還有利用化學(xué)反應(yīng)來吸收CO2的辦法，但在技術(shù)上都不成熟，經(jīng)濟(jì)上更難大規(guī)模實行。 　　第二方面是適應(yīng)。這是無論如何必須考慮的問題。例如除了建設(shè)海岸防護(hù)堤壩等工程技術(shù)措施以防止海水入侵外，有計劃地逐步改變當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的種類和品種，以適應(yīng)逐步變化的氣候。日本北部因為夏季過涼，過去并不種植物稻，即使種了產(chǎn)量也很低。由于培育出了抗寒抗逆品種，現(xiàn)在即使在最北的北海道也不僅能長水稻，而且產(chǎn)量還很高。這是一個很好的例子。氣候變化是一個相對緩慢的過程，只要能及早預(yù)測出氣候變化趨勢，我們是能找到適應(yīng)對策并順利實施的。 　　第三方面是削減CO2的排放量。這是在1992年巴西里約熱內(nèi)盧世界環(huán)境與發(fā)展大會上，各國領(lǐng)導(dǎo)人共同簽署的《氣候變化框架公約》的主要目的（框架是指比較原則，有待進(jìn)一步具體化的意思）。公約要求在2000年發(fā)達(dá)國家應(yīng)把CO2排放量降回到1990年水平，并向發(fā)展中國家提供資金和轉(zhuǎn)讓技術(shù)，以幫助發(fā)展中國家減少CO2的排放量。近百年來全球大氣中CO2濃度的迅速升高，絕大部分是發(fā)達(dá)國家排放造成的。發(fā)展中國家首先是要脫貧、要發(fā)展，發(fā)達(dá)國家有義務(wù)這樣做。 　　由于公約是框架性的，并沒有約束力。而削減CO2排放量直接影響到發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)利益，因此有的發(fā)達(dá)國家不僅沒有減排，還在增排，現(xiàn)在看來，2000年根本不可能降到1990年水平。在1997年12月11日結(jié)束的聯(lián)合國氣候變化框架公約締約方第3次大會（日本京都會議）上發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家展開了尖銳緊張的斗爭。最后，發(fā)達(dá)國家作出讓步，難產(chǎn)的《京都議定書》終于得到通過。議定書規(guī)定，所有發(fā)達(dá)國家應(yīng)在2010年把6種溫室氣體（CO2、一氧化二氮、甲烷和3種氯氟烴）的排放量比1990年水平減少5.2%。這雖與發(fā)展中國家的要求的到2010年減少15％和到2020年減少20％的目標(biāo)相差很大，但畢竟這是一份具有約束力的國際減排協(xié)議。 　　終于找到了累!!!