學化學大搖搖

1No.26Vol.

期1第卷26第

搖搖

CHEMISTRYUNIVERSITY

2011Feb.月2年2011

全球氣候變暖中的大氣化學問題

*

尹學博

300071)天津南開大學化學學院分析科學研究中心(

討論臭氧層破壞的化學機理。介紹全球氣候變暖中的大氣化學問題搖摘要搖搖從化學結構角度分析溫室氣,

。并給出解決氣候變暖的應對措施,體對溫室效應的影響

分子結構搖臭氧層破壞搖溫室效應搖氣候變暖搖關鍵詞搖搖

搖多個國家和地190在丹麥哥本哈根舉行的聯合國氣候大會吸引了來自全球,日19~7月12年2009搖

地。即全球氣候變暖,目前氣候變化的主要問題是全球溫度逐漸升高。

[1]

萬名代表參會51.區的超過

在到。通過大氣輻射到地面400nm)~200波長(太陽短波,

[2]

所示1如圖。球上的能量主要來自太陽

其中被吸,被地表吸收50%其余,被大氣吸收,20%被地表和云層散射回外太空,30%達地球的輻射中

地球吸收的輻射和放出的輻射達到平,在正常情況下。

[3]

收的部分還可以長波輻射的形式返回外太空

太陽入射輻射的增加或地表向外。

[3]

稱為輻射平衡,衡并維持相對穩定的地球溫度balance)radiative(

。即通常所說的全球氣候變暖,都可能使地表與低層大氣溫度增高,輻射的降低

。波長長的電磁波能量低,其中波長短的電磁波能量高,長波輻射和短波輻射都是電磁波搖搖從分子結

,而分子的振動能量所需要能量較低;與某些短波能量相近,破壞分子化學鍵所需要的能量高,構角度看

臭氧)、

O(如氧氣,太陽短波輻射可以導致大氣中的分子。與太陽輻射中的某些長波輻射能量相近

2

(O大氣平流,因此。從而降低太陽短波對地球的輻射,等的共價鍵的破壞(CFCs)氯氟碳化合物)、

[2]

3

一氧),CH(甲烷),

CO(而大氣中的二氧化碳;層中臭氧層的破壞將導致太陽向地球的短波輻射增加

24

減少長波輻射向外大氣的釋,的分子振動則可以吸收某些長波輻射O)(H及水汽CFCsO),

(N化二氮

22

從而導致地表溫度的升高,放溫室氣“這些氣體又稱為effect),greenhouse(這種影響稱為溫室效應,

。

[2鄄3]

冶體

,而全球氣候變暖又導致了許多其他問題,臭氧層的破壞和溫室氣體的增加已成為氣候變暖的元兇搖搖

,如農業病蟲害增加沙漠化面積增大以及一些與之相關的潛在影、土地干旱,氣候反常,海平面上升

從而導致南極地區臭氧層的損耗,溫室氣體增加導致溫度的升高可進一步使臭氧層變薄,而且。

[3鄄4]

響

。

[5]

增加

,正常情況下高溫物體的紅外,黑體輻射定律Plank如按照。輻射平衡的微小破壞可以得到自修復

為衡量對輻射平衡的影。

[3鄄4]

通過紅外輻射的增加使整個系統達到新的平衡,當溫度升高后。輻射增大

forcing)(radiative科學家提出了輻射壓迫力,響,正輻射壓迫力指吸收的輻射多于放出的輻射;的概念

溫室氣體的。多種輻射壓迫力結合構成了影響地球變暖的總輻射壓迫力。

[3鄄4]

而負輻射壓迫力則相反

它既可以,最大的負輻射壓迫力則是氣溶膠;導致地球溫度升高,增加以及臭氧層破壞是正輻射壓迫力

又可以增加云層對太陽輻射的反射能力,反射和吸收太陽輻射但氣溶膠導致。從而導致全球氣溫降低,

等Hartmann。即全球變暖,因而總輻射壓迫力是正值,

[6][4]

30利用47%效果僅為溫室效應的冶冷卻“的

[5]

認為溫室氣體導致的溫度Aldhous。年的數據證明了臭氧層損耗和全球變暖是氣候變化的主要原因

[4]

則認為大氣污染和溫室氣體不是某個局Feng和,Ramanathan升高同時與南極地區臭氧層的損耗有關

cnedu.nankai.,E鄄mail:xbyin@通訊聯系人

*

83

搖卷26第學化學大

。全球變暖已成為一個復雜的系統問題,因為它們正在導致全球的氣候變化,部而是全球的問題

大氣的組成影響太陽短波輻射的吸收和長波。哥本哈根聯合國氣候大會就是在這種背景下召開的

;從而決定地表溫度,輻射的散失了解與氣候變暖相關的大氣化學問題對于理解全球氣候變暖的根源具

了解大氣成分在氣候,本文從大氣化學角度探討大氣成分對短波輻射和長波輻射的影響。有重要意義

。變暖中所起的作用及其應對措施

]2[

地球能量的吸收和散失1搖圖

短波輻射中的大氣化學問題1搖

范長波射輻波太陽的短,時球地達到光陽太當。線外紫的說所常通即400nm,~200為圍

:原子O分子形成兩個O破壞,分子吸收O的短波輻射可以被臆242nm波長

22

(1)2O)臆242nm姿(光子+O搖搖搖搖

寅

2

光子242nm波長1mol與,

[7]-1

498kJ·mol約為)即鍵能(分子所需要的能量O1mol這是因為破壞

2

破,N而空氣中的。相當)

-1[7]-1

946kJ·mol為,鍵能更大,三鍵NN因存在,分子(495kJ·mol的能量

繎

2

對氣候,N因此。這個波長不在太陽輻射的短波范圍127nm,三鍵所對應電磁波的波長約為NN壞

繎

2

。變暖影響相對較小

其中中,個氧原子鍵連在一起3臭氧分子中的)。

(O另一個可以阻擋短波輻射的重要分子是臭氧

3

2

而孤對電子,鍵滓其中兩個單電子軌道分別與另兩個氧原子形成一個,不等性雜化sp間的氧原子采取

3同時在120毅。小于等性雜化的117毅,鍵之間的鍵角為O—O對的較大排斥力使得兩個個氧原子之間

即破壞臭氧分,鍵的鍵長和鍵能介于單鍵與雙鍵之間O—O這種成鍵模式使得兩個。鍵仔形成一個大

的短波輻射可以通過臆320nm波長,研究發現。

[7]

分子的能量O鍵所需要的能量小于破壞O—O子中

2

下面的方式被臭氧分子吸收:

(2)+OO)臆320nm姿(光子+O搖搖搖搖

寅

23

O

提Chapman)(Sydney查普曼·西德尼,年1920。在抑制太陽短波輻射方面發揮著重要作用O和

32

O。

[2]

收吸子分)2圖稱oxygen鄄cycle,sChapman憶(環循曼普查為又,環循的O和O中出了大氣

322

的短波形成兩個氧原子臆242nm波長因此,易參與化學反應,因為氧原子的最外層含有單電子,化學上(

臭氧);慢指反應速度的快和慢、中的快2圖(分子O氧原子與氧氣分子發生碰撞形成),又稱為自由基

3

<320nm分子吸收波長也可以和一個氧自由基結合變成兩個,失去一個氧原子變成氧氣分子,的紫外光

人類活動在大氣中引入了一些其他,然而。分子O同時地球上綠色植物的光合作用不斷提供。氧分子

2

破壞)氯氟烴的一種鄄12(氟利昂。如氯氟烴,容易形成自由基的分子在平流層紫外光的:的過程如下O

3

:

[2,9]

Cl)(·分解產生氯自由基鄄12氟利昂,輻射下

ClCl

(3)Cl+··CF)臆220nm姿(光子+ClCF搖搖搖搖

寅

FF

93

全球氣候變暖中的大氣化學問題:尹學博期1第搖

]2[

查普曼循環2搖圖

(ClO·):形成氯氧自由基,反應O再與(Cl·)氯自由基

3

搖(4)+ClO·O·+ClO搖搖搖

寅

23

搖ClOOCl:結合得到(ClO·)兩個氯氧自由基搖

搖(5)ClOOCl·ClO·+ClO搖搖搖

寅

搖(6)·ClClOO·+光子ClOOCl+搖搖搖

寅

搖搖(7)Cl·+O·ClOO搖搖

寅

2

產生的氯自鄄12而氟利昂,可以分解一個臭氧分子O·)(一個氧自由基,從查普曼循環中可以看出

它又可以參與更多Cl·),(重新生成氯自由基,由基分解臭氧后又回到原來狀態據報。分子的分解O

3

對鄄12氟利昂,由此可見。

[2]5

冶分子O個伊101在被風帶到低層大氣之前可以催化分解約Cl·一個“道

3

。臭氧層的破壞力極大

長波吸收中的大氣化學問題2搖

吸收的能量通過分子間的相互碰撞而傳,地球發出的長波輻射可以被大氣中的溫室氣體分子吸收

,溫室氣體含量高,因大氣低層密度大。從而降低地球對外的長波輻射,遞并被保留在大氣層地表和低

它有助于維持生命,首先需要肯定地球與大氣之間的能量交換。層大氣的溫度受溫室氣體的影響更大

方程計算的無大氣存在情況Stefan鄄Boltzmann比按,15益現今地球的平均溫度約為。存在所必需的溫度

即適當的溫室效應,大氣對輻射的吸收和釋放對于維持地球溫度起著重要作用,因此。

[3][10]

33益下高

甲烷以及其他氣體的濃、CO人類活動增加了大氣中,然而。

[8]

對于維持目前地球環境起著重要作用

2

。加劇了地球變暖,從而降低了大氣對長波輻射的釋放,

[3]

balance)(radiative破壞了既有的輻射平衡,度

Houghton

[11]

。詳細評述了各種溫室氣體對全球氣溫的影響及全球氣溫的變化趨勢

波(溫室氣體分子吸收不同能量的長波輻射,鍵斷裂不同O—O吸收太陽短波輻射導致O和O與

32

。振動能級或轉動能級的躍遷、可導致分子內部電子能級的躍遷),紅外光區域的電磁波、長位于可見光

而轉動能級則是分子內原子繞鍵;所謂振動能級是指分子中原子間距離增加或減小時分子能量的差異

而振動能級躍,電子能級躍遷需要的能量高于振動能級和轉動能級的躍遷。軸旋轉時分子能量的差異

大。因振動時電荷分布不變而不吸收長波輻射,O如,同核雙原子分子。

[12]

遷高于轉動能級躍遷N和

22

及水CFCs)(氯氟碳化合物O),N(一氧化二氮),(CH甲烷),

(CO氣層中主要的溫室氣體有二氧化碳

422

振動能級或轉動能級的躍遷而顯示、這些氣體可以吸收長波輻射引起分子內部電子能級。等O)

(H氣

2

溫室效應。

氯氟碳化合物1搖2.

因,是烴中的某些氫原子被氯原子和氟原子取代后的產物(chlorofluorocarbons,CFCs)氯氟碳化合物

、無毒性、不易燃、這類化合物因具有合適的沸點且無味CFC鄄12。和CFC鄄11最重要的是,此又稱氯氟烴

清潔劑、廣泛用作壓縮噴霧噴射劑,無腐蝕性和相當穩定氯氟碳化合物中。發泡劑和抗凝劑等、冷凍劑、

,后面的數字,個元素的首字母3碳、氟、為氯CFC鄄11,CFC如,代碼表示了它的組成即90,加上11如

04

搖卷26第學化學大

,位表示氫原子數2第,位表示分子中碳原子數1左起第,得到的三位數中101,=11+90位表示氟原3第

。

[2]

個氯3個氟和,1個氫,0個碳1中包括CFC鄄11即,按照飽和烴計算氯原子個數,子數

CFC鄄12和CFC鄄11由于而且這兩種氣體吸收紅外線輻,是大氣中的濃度最高的氯氟烴,應用廣泛

占其他溫室氣體對輻射力影響CFC鄄12和,CFC鄄11以外CO除了,年代80世紀20在。射的能力相當高

2

因此。

同時。總和的三分之一O的過程消耗平流層內的(7)~(4)還可以通過方程CFC鄄12和,CFC鄄11

3

另一方面作為溫室氣,增加太陽對地球的短波輻射,層O一方面破壞,它們對全球變暖的影響是雙重的

3

。

[13]

阻擋地表對外的長波輻射,體

2搖2.水汽

人類活動產生的水汽,相對于自然界的排放。受人類活動影響較小O)

(H普遍認為大氣中的水汽

2

,因為溫度升高迫使森林水汽蒸發增加冶。天然溫室氣體“水汽又稱,因此,對溫室效應的影響可以忽略

等Soden

[14]

。提出了一種利用大氣中水汽含量衡量全球變暖程度的方法

甲烷3搖2.

牛羊等牲畜消化系統的發酵過程也可能產生;甲烷是在缺氧環境中由甲烷細菌或生物體腐敗產生

除了天。年左右8它在大氣中存在的平均壽命為,噸左右350每年大氣層中的甲烷含量會凈增。甲烷

CH人為活動造成的,

。排放因素有自然水體受生活污水和工業廢水的污染以及工業制造等CH然排放

44

氮氧化物4搖2.

如,另一部分則來源于人為排放,其中一部分來源于大氣放電O),

氮氧化物主要指一氧化二氮(N

2

盡管,年左右150在大氣層中的存在壽命是O

N。己二酸等的生產農業畜牧活動和工業排放、如硝酸,

2

部分的,分解90%但是可以利用太陽輻射的光解作用在同溫層中將其中的,它在對流層中呈化學惰性

。反應(O·)可以和活躍的氧自由基ON

2

(8)+O·N淄hO+N搖搖搖搖

寅

22

(9)+ON·O+ON搖搖搖搖

寅

222

。N分子在光子作用下轉化為ON即兩個,+O2N淄hO+

寅

O和:2N有,相加(9)與式(8)式

222222

二氧化碳5搖2.

由燃,年以來1860。大氣中二氧化碳濃度增加的主要原因是工業化后的大量開采和使用礦物燃料

平均每年增長率為,燒礦物質燃料排放的二氧化碳億50二氧化碳排放量每年達到,年30而近;22%4.

二氧化碳在大氣中的壽命長達一。

[15]

大氣中二氧化碳增加的另一個原因是采伐樹木作燃料。噸左右

。blanket)

[4]

“被形象地稱為,因此。這足以使其在大氣中積累到數十億噸,個世紀冶(CO二氧化碳毯

2

結論及應對策略3搖

理解產生臭氧層破壞和溫室氣體的作用機制對于普及全球變暖的基礎知,氣候變暖引起全球關注

氮的、二氧化碳、溫室氣體包括大氣層中自然產生的水蒸氣。群策群力解決環境問題具有重要意義,識

、氫氟化物(HFCs)、各種氧化物和人類活動排放的氯氟甲烷這些物質的吸熱能力。等PFCs)(全氟化物

則是目前為止吸熱能力PFCs)(和全氟化物(HFCs)氯氟甲烷,倍270如氮氧化合物是二氧化碳的,不同

,水蒸氣及臭氧的時空分布變化較大:淤具體分析這些溫室氣體。最強的物質在進行減排措施規劃一

二氧化碳含;盂但含量較低,氯氟烷烴和全氟化物吸熱能力最強、氮氧化合物;于般不考慮這兩種氣體

全球氣溫將,如果二氧化碳含量比現在增加一倍;對全球升溫的影響最大,55%所占比例高達,量較多

降低氯氟烷和二氧,通過以上分析可知。因此二氧化碳被稱為最大的正輻射壓迫力,

[3][4]

5益~4升高

[11]

卻,Houghton但是。同時還可以減輕它們對臭氧層的破壞,化碳排放成為降低溫室效應的首要任務

。認為全球氣候的穩定首先需要控制大氣中溫室氣體含量的穩定

14

全球氣候變暖中的大氣化學問題:尹學博期1第搖

或人為,人類活動還可能直接排放微小顆粒物,除了上面討論的與大氣化學有關的氣候變暖因素外

排放SO如,PM),微米級的顆粒(這些微粒分散到大氣中形成氣溶膠,排放物在大氣中形成微小顆粒物

2

而是包,這些顆粒物并不是單一的某種物質,從化學角度看。

[4]

aerosols)(sulfate形成的硫酸鹽氣溶膠

;PM對人類的影響也不同,它們的大小不同。

[2]

是指粒徑小于括排放到空氣中各種微小固體和液體

10

科學家就認識到氣溶膠反射太陽光,年1970從。PM而;的顆粒懸浮物10滋m

[2]

5滋m2.的粒徑則小于

52.

大氣棕色云“氣溶膠被形象地稱為,為表明顆粒物對太陽光的遮擋。

[16]

從而有助于降低地球表面溫度

減少了到達地球的太陽,棕色云團增強了對太陽光的吸收和散射。

[17]

brown冶(atmospheric團clouds)

雖然這種影響只是。

[17]

硫酸鹽和有機物等對這種變暗起著重要作用、炭黑。從而使地球表面變暗,能

,這表明人類活動在增加溫室氣體的同時,但空氣中氣溶膠的含量與溫室氣體含量呈正相關,物理影響

改善空,有助于降低空氣顆粒物含量,因此降低溫室氣體的排放。

[4]

同樣增加了大氣中的顆粒物含量

。氣質量

石油和天然氣等化石燃料放出的二氧化碳氣體對全球溫度影、由于現代化工業社會過多燃燒煤炭

而且這些化石燃料,已成為刻不容緩的事情)即現在經常說的碳排放(有效降低二氧化碳排放,響最大

有效降低化石燃料的使用也是降低人為顆粒物。可能影響大氣中臭氧的含量NO不完全燃燒產生的

x

哥本哈根會議的一個議題就是根據世界上不同國家的國情制定。改善空氣質量的一個重要手段,排放

如何提高其使用,在不可避免使用化石能源的時侯。有效遏制全球氣候變暖過快,不同國家的減排目標

如國家科技部發布的,這個問題已引起高度重視。效率從而降低它的使用也成為減排的一個重要課題

。項目指南中就把化石能源高效轉化關鍵科學問題作為一個重點資助方向937年2010

獻搖文搖考搖參

,2010(5):317商業文化.李帥搖[1]

化學與社會.等,朱志偉,卞江,段連運搖[2],2008化學工業出版社:北京.

,2010,24:10BiologyConservationC.MSerreze搖[3]

,2009,43:37EnvironAtmosY.V,FengRamanathan搖[4]

,2000,404:531NatureP.Aldhous搖[5]

,2000,97:1412USASciAcadNatlProcal.etV,M,LimpasuvanJL,WallaceDHartmann搖[6]

Jersey:Prentice鄄HallNewed.2ndSciences.BiologicalinApplicationsJrandChemist