全球氣候變暖中的大氣化學(xué)問(wèn)題

學(xué)化學(xué)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(xué)問(wèn)題

*

尹學(xué)博

300071)天津南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院分析科學(xué)研究中心(

討論臭氧層破壞的化學(xué)機(jī)理。介紹全球氣候變暖中的大氣化學(xué)問(wèn)題搖摘要搖搖從化學(xué)結(jié)構(gòu)角度分析溫室氣,

。并給出解決氣候變暖的應(yīng)對(duì)措施,體對(duì)溫室效應(yīng)的影響

分子結(jié)構(gòu)搖臭氧層破壞搖溫室效應(yīng)搖氣候變暖搖關(guān)鍵詞搖搖

搖多個(gè)國(guó)家和地190在丹麥哥本哈根舉行的聯(lián)合國(guó)氣候大會(huì)吸引了來(lái)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(wèn)題是全球溫度逐漸升高。

[1]

萬(wàn)名代表參會(huì)51.區(qū)的超過(guò)

在到。通過(guò)大氣輻射到地面400nm)~200波長(zhǎng)(太陽(yáng)短波,

[2]

所示1如圖。球上的能量主要來(lái)自太陽(yáng)

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(dá)地球的輻射中

地球吸收的輻射和放出的輻射達(dá)到平,在正常情況下。

[3]

收的部分還可以長(zhǎng)波輻射的形式返回外太空

太陽(yáng)入射輻射的增加或地表向外。

[3]

稱(chēng)為輻射平衡,衡并維持相對(duì)穩(wěn)定的地球溫度balance)radiative(

。即通常所說(shuō)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(zhǎng)長(zhǎng)的電磁波能量低,其中波長(zhǎng)短的電磁波能量高,長(zhǎng)波輻射和短波輻射都是電磁波搖搖從分子結(jié)

,而分子的振動(dòng)能量所需要能量較低;與某些短波能量相近,破壞分子化學(xué)鍵所需要的能量高,構(gòu)角度看

臭氧)、

O(如氧氣,太陽(yáng)短波輻射可以導(dǎo)致大氣中的分子。與太陽(yáng)輻射中的某些長(zhǎng)波輻射能量相近

2

(O大氣平流,因此。從而降低太陽(yáng)短波對(duì)地球的輻射,等的共價(jià)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(dǎo)致太陽(yáng)向地球的短波輻射增加

24

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

(N化二氮

22

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

。

[2鄄3]

冶體

,而全球氣候變暖又導(dǎo)致了許多其他問(wèn)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(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害增加沙漠化面積增大以及一些與之相關(guān)的潛在影、土地干旱,氣候反常,海平面上升

從而導(dǎo)致南極地區(qū)臭氧層的損耗,溫室氣體增加導(dǎo)致溫度的升高可進(jìn)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(fù)

為衡量對(duì)輻射平衡的影。

[3鄄4]

通過(guò)紅外輻射的增加使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到新的平衡,當(dāng)溫度升高后。輻射增大

forcing)(radiative科學(xué)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(jié)合構(gòu)成了影響地球變暖的總輻射壓迫力。

[3鄄4]

而負(fù)輻射壓迫力則相反

它既可以,最大的負(fù)輻射壓迫力則是氣溶膠;導(dǎo)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(duì)太陽(yáng)輻射的反射能力,反射和吸收太陽(yáng)輻射但氣溶膠導(dǎo)致。從而導(dǎo)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(yīng)的冶冷卻“的

[5]

認(rèn)為溫室氣體導(dǎo)致的溫度Aldhous。年的數(shù)據(jù)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(rèn)為大氣污染和溫室氣體不是某個(gè)局Feng和,Ramanathan升高同時(shí)與南極地區(qū)臭氧層的損耗有關(guān)

cnedu.nankai.,E鄄mail:xbyin@通訊聯(lián)系人

*

83

搖卷26第學(xué)化學(xué)大

。全球變暖已成為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題,因?yàn)樗鼈冋趯?dǎo)致全球的氣候變化,部而是全球的問(wèn)題

大氣的組成影響太陽(yáng)短波輻射的吸收和長(zhǎng)波。哥本哈根聯(lián)合國(guó)氣候大會(huì)就是在這種背景下召開(kāi)的

;從而決定地表溫度,輻射的散失了解與氣候變暖相關(guān)的大氣化學(xué)問(wèn)題對(duì)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(xué)角度探討大氣成分對(duì)短波輻射和長(zhǎng)波輻射的影響。有重要意義

。變暖中所起的作用及其應(yīng)對(duì)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(xué)問(wèn)題1搖

范長(zhǎng)波射輻波太陽(yáng)的短,時(shí)球地達(dá)到光陽(yáng)太當(dāng)。線外紫的說(shuō)所常通即400nm,~200為圍

:原子O分子形成兩個(gè)O破壞,分子吸收O的短波輻射可以被臆242nm波長(zhǎng)

22

(1)2O)臆242nm姿(光子+O搖搖搖搖

寅

2

光子242nm波長(zhǎng)1mol與,

[7]-1

498kJ·mol約為)即鍵能(分子所需要的能量O1mol這是因?yàn)槠茐?/p>

2

破,N而空氣中的。相當(dāng))

-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(duì)氣候,N因此。這個(gè)波長(zhǎng)不在太陽(yáng)輻射的短波范圍127nm,三鍵所對(duì)應(yīng)電磁波的波長(zhǎng)約為NN壞

繎

2

。變暖影響相對(duì)較小

其中中,個(gè)氧原子鍵連在一起3臭氧分子中的)。

(O另一個(gè)可以阻擋短波輻射的重要分子是臭氧

3

2

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

3同時(shí)在120毅。小于等性雜化的117毅,鍵之間的鍵角為O—O對(duì)的較大排斥力使得兩個(gè)個(gè)氧原子之間

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

的短波輻射可以通過(guò)臆320nm波長(zhǎng),研究發(fā)現(xiàn)。

[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(yáng)短波輻射方面發(fā)揮著重要作用O和

32

O。

[2]

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

322

的短波形成兩個(gè)氧原子臆242nm波長(zhǎng)因此,易參與化學(xué)反應(yīng),因?yàn)檠踉拥淖钔鈱雍袉坞娮?化學(xué)上(

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

3

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

人類(lèi)活動(dòng)在大氣中引入了一些其他,然而。分子O同時(shí)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(guò)程如下O

3

:

[2,9]

Cl)(·分解產(chǎn)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(xué)問(wèn)題:尹學(xué)博期1第搖

]2[

查普曼循環(huán)2搖圖

(ClO·):形成氯氧自由基,反應(yīng)O再與(Cl·)氯自由基

3

搖(4)+ClO·O·+ClO搖搖搖

寅

23

搖ClOOCl:結(jié)合得到(ClO·)兩個(gè)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(chǎn)生的氯自鄄12而氟利昂,可以分解一個(gè)臭氧分子O·)(一個(gè)氧自由基,從查普曼循環(huán)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(lái)狀態(tài)據(jù)報(bào)。分子的分解O

3

對(duì)鄄12氟利昂,由此可見(jiàn)。

[2]5

冶分子O個(gè)伊101在被風(fēng)帶到低層大氣之前可以催化分解約Cl·一個(gè)“道

3

。臭氧層的破壞力極大

長(zhǎng)波吸收中的大氣化學(xué)問(wèn)題2搖

吸收的能量通過(guò)分子間的相互碰撞而傳,地球發(fā)出的長(zhǎng)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?qū)ν獾拈L(zhǎng)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(jì)算的無(wú)大氣存在情況Stefan鄄Boltzmann比按,15益現(xiàn)今地球的平均溫度約為。存在所必需的溫度

即適當(dāng)?shù)臏厥倚?yīng),大氣對(duì)輻射的吸收和釋放對(duì)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(lèi)活動(dòng)增加了大氣中,然而。

[8]

對(duì)于維持目前地球環(huán)境起著重要作用

2

。加劇了地球變暖,從而降低了大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的釋放,

[3]

balance)(radiative破壞了既有的輻射平衡,度

Houghton

[11]

。詳細(xì)評(píng)述了各種溫室氣體對(duì)全球氣溫的影響及全球氣溫的變化趨勢(shì)

波(溫室氣體分子吸收不同能量的長(zhǎng)波輻射,鍵斷裂不同O—O吸收太陽(yáng)短波輻射導(dǎo)致O和O與

32

。振動(dòng)能級(jí)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷、可導(dǎo)致分子內(nèi)部電子能級(jí)的躍遷),紅外光區(qū)域的電磁波、長(zhǎng)位于可見(jiàn)光

而轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)則是分子內(nèi)原子繞鍵;所謂振動(dòng)能級(jí)是指分子中原子間距離增加或減小時(shí)分子能量的差異

而振動(dòng)能級(jí)躍,電子能級(jí)躍遷需要的能量高于振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)分子能量的差異

大。因振動(dòng)時(shí)電荷分布不變而不吸收長(zhǎng)波輻射,O如,同核雙原子分子。

[12]

遷高于轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)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(dòng)能級(jí)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷而顯示、這些氣體可以吸收長(zhǎng)波輻射引起分子內(nèi)部電子能級(jí)。等O)

(H氣

2

溫室效應(yīng)。

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(chǎn)物(chlorofluorocarbons,CFCs)氯氟碳化合物

、無(wú)毒性、不易燃、這類(lèi)化合物因具有合適的沸點(diǎn)且無(wú)味CFC鄄12。和CFC鄄11最重要的是,此又稱(chēng)氯氟烴

清潔劑、廣泛用作壓縮噴霧噴射劑,無(wú)腐蝕性和相當(dāng)穩(wěn)定氯氟碳化合物中。發(fā)泡劑和抗凝劑等、冷凍劑、

,后面的數(shù)字,個(gè)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(xué)化學(xué)大

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

。

[2]

個(gè)氯3個(gè)氟和,1個(gè)氫,0個(gè)碳1中包括CFC鄄11即,按照飽和烴計(jì)算氯原子個(gè)數(shù),子數(shù)

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(yīng)用廣泛

占其他溫室氣體對(duì)輻射力影響CFC鄄12和,CFC鄄11以外CO除了,年代80世紀(jì)20在。射的能力相當(dāng)高

2

因此。

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

3

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

3

。

[13]

阻擋地表對(duì)外的長(zhǎng)波輻射,體

2搖2.水汽

人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的水汽,相對(duì)于自然界的排放。受人類(lèi)活動(dòng)影響較小O)

(H普遍認(rèn)為大氣中的水汽

2

,因?yàn)闇囟壬咂仁股炙舭l(fā)增加冶。天然溫室氣體“水汽又稱(chēng),因此,對(duì)溫室效應(yīng)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(tǒng)的發(fā)酵過(guò)程也可能產(chǎn)生;甲烷是在缺氧環(huán)境中由甲烷細(xì)菌或生物體腐敗產(chǎn)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(huì)凈增。甲烷

CH人為活動(dòng)造成的,

。排放因素有自然水體受生活污水和工業(yè)廢水的污染以及工業(yè)制造等CH然排放

44

氮氧化物4搖2.

如,另一部分則來(lái)源于人為排放,其中一部分來(lái)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(chǎn)農(nóng)業(yè)畜牧活動(dòng)和工業(yè)排放、如硝酸,

2

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

。反應(yīng)(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(zhuǎn)化為ON即兩個(gè),+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(lái)1860。大氣中二氧化碳濃度增加的主要原因是工業(yè)化后的大量開(kāi)采和使用礦物燃料

平均每年增長(zhǎng)率為,燒礦物質(zhì)燃料排放的二氧化碳億50二氧化碳排放量每年達(dá)到,年30而近;22%4.

二氧化碳在大氣中的壽命長(zhǎng)達(dá)一。

[15]

大氣中二氧化碳增加的另一個(gè)原因是采伐樹(shù)木作燃料。噸左右

。blanket)

[4]

“被形象地稱(chēng)為,因此。這足以使其在大氣中積累到數(shù)十億噸,個(gè)世紀(jì)冶(CO二氧化碳毯

2

結(jié)論及應(yīng)對(duì)策略3搖

理解產(chǎn)生臭氧層破壞和溫室氣體的作用機(jī)制對(duì)于普及全球變暖的基礎(chǔ)知,氣候變暖引起全球關(guān)注

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

、氫氟化物(HFCs)、各種氧化物和人類(lèi)活動(dòng)排放的氯氟甲烷這些物質(zhì)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(shí)空分布變化較大:淤具體分析這些溫室氣體。最強(qiáng)的物質(zhì)在進(jìn)行減排措施規(guī)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(qiáng)、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(xiàn)在增加一倍;對(duì)全球升溫的影響最大,55%所占比例高達(dá),量較多

降低氯氟烷和二氧,通過(guò)以上分析可知。因此二氧化碳被稱(chēng)為最大的正輻射壓迫力,

[3][4]

5益~4升高

[11]

卻,Houghton但是。同時(shí)還可以減輕它們對(duì)臭氧層的破壞,化碳排放成為降低溫室效應(yīng)的首要任務(wù)

。認(rèn)為全球氣候的穩(wěn)定首先需要控制大氣中溫室氣體含量的穩(wěn)定

14

全球氣候變暖中的大氣化學(xué)問(wèn)題:尹學(xué)博期1第搖

或人為,人類(lèi)活動(dòng)還可能直接排放微小顆粒物,除了上面討論的與大氣化學(xué)有關(guān)的氣候變暖因素外

排放SO如,PM),微米級(jí)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(zhì),從化學(xué)角度看。

[4]

aerosols)(sulfate形成的硫酸鹽氣溶膠

;PM對(duì)人類(lèi)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(xué)家就認(rèn)識(shí)到氣溶膠反射太陽(yáng)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(chēng)為,為表明顆粒物對(duì)太陽(yáng)光的遮擋。

[16]

從而有助于降低地球表面溫度

減少了到達(dá)地球的太陽(yáng),棕色云團(tuán)增強(qiáng)了對(duì)太陽(yáng)光的吸收和散射。

[17]

brown冶(atmospheric團(tuán)clouds)

雖然這種影響只是。

[17]

硫酸鹽和有機(jī)物等對(duì)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(lèi)活動(dòng)在增加溫室氣體的同時(shí),但空氣中氣溶膠的含量與溫室氣體含量呈正相關(guān),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(zhì)量

石油和天然氣等化石燃料放出的二氧化碳?xì)怏w對(duì)全球溫度影、由于現(xiàn)代化工業(yè)社會(huì)過(guò)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(xiàn)在經(jīng)常說(shuō)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?？赡苡绊懘髿庵谐粞醯暮縉O不完全燃燒產(chǎn)生的

x

哥本哈根會(huì)議的一個(gè)議題就是根據(jù)世界上不同國(guó)家的國(guó)情制定。改善空氣質(zhì)量的一個(gè)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(shí)侯。有效遏制全球氣候變暖過(guò)快,不同國(guó)家的減排目標(biāo)

如國(guó)家科技部發(fā)布的,這個(gè)問(wèn)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(gè)重要課題

。項(xiàng)目指南中就把化石能源高效轉(zhuǎn)化關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題作為一個(gè)重點(diǎn)資助方向937年2010

獻(xiàn)搖文搖考搖參

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