趙德水

摘 要：本文綜述了溫室效應產生的原因，分析了產生溫室效應的主要機理，以及引起溫室效應的主要氣體，并分析各氣體理化性質，介紹它們影響氣溫的過程以及溫室氣體對環(huán)境帶來的影響。倡導通過科學的方法來處理目前全球的溫室效應。

關鍵詞：溫室效應 二氧化碳 甲烷

中圖分類號：Q89 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0134-02

溫室效應是全球主要環(huán)境問題之一，也是近年來人們最為關注的環(huán)境問題之一，是造成全球變暖的主要因素。溫室效應是一場全球性的環(huán)境災難，它將加速極地和高山的冰川和凍土的融化，導致海水變暖和膨脹、海平面上升，影響地表水分配、降水量、氣候帶、農業(yè)生產以及生態(tài)系統的結構和功能。本文對于引起溫室效應的氣體的一些研究論述，讓溫室效應的機理清楚明了。

1 溫室效應

溫室效應：由于化石燃料燃燒、森林砍伐和工業(yè)活動等人類活動改變了大氣的成分，破壞了自然溫室效應的熱平衡，導致全球氣候急劇變暖，從而成為了一個全球環(huán)境問題，稱為溫室效應。

（1）潘瑞熾先生在《植物生理學》中認為：大氣中的CO2能強烈地吸收紅外線，太陽輻射的能量在大氣層中就“易入難出”，溫度上升似溫室一樣，由此產生“溫室效應”（greenhouse effect）。

（2）唐益韶先生在《環(huán)境科學》中認為：大氣中的臭氧、水蒸氣和二氧化碳是影響太陽輻射到達地表的強度的主要因素……大部分長波輻射能阻留在地表和大氣層，就使地表和大氣下層溫度增高。這種現象稱為溫室效應。如果不存在大氣層，地表的長波輻射無阻地射向太空，地表的平均溫度將在-22℃～26℃之間，而不是現在的15℃上下。

（3）溫室氣體的化學組成：目前大氣中主要的溫室氣體主要有就九種：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、臭氧（O3）、水蒸氣（H2O）、氧化亞氮（N2O）、氯氟烴（CFCs）、高氟碳化合物（PFCs）、氫氟碳化合物（HFCs）、六氟化硫（SF6）。

二氧化碳（CO2）：是主要的溫室氣體，其全球變暖影響比例因素為60%。現代大氣中CO2增加的原因，主要是由于人類長期使用化石燃料（如，煤、石油、天然氣等）所造成的。

甲烷（CH4）：是天然氣的主要成分，甲烷主要由厭氧微生物活動產生。隨著人口劇增、水田耕作以及畜牧業(yè)發(fā)展，大氣中的CH4濃度越來越高.

臭氧（O3）：臭氧層存在于的平流層中，主要分布在距地面15～35 km范圍內，濃度峰值在20～25 km處。由于臭氧層能夠吸收99%以上來自太陽的紫外輻射，從而保護了地球上的生物不受其傷害。氣候條件和氯氟烴等化合物的共同作用加快了臭氧的分解，促使平流層的臭氧一直在減少，使得更多的紫外線B輻射到達地表，并導致許多嚴重的生態(tài)學后果。臭氧層吸收太陽輻射，可以加熱大氣層，其原因是臭氧分子吸收紫外線后將分解為氧分子和一個氧原子，當兩個氧原子重新組合為氧分子時要放出熱能，這實際也是臭氧把太陽輻射里的紫外線轉化為熱能的過程。

氧化亞氮（N2O）：是一種微量溫室氣體。因具有較長的大氣壽命，一般是150年，因此是一種高強度溫室氣體。N2O主要來源于陸地-土壤植被系統的釋放，以及化石燃料和生物質燃燒。農業(yè)中氮肥的使用也增加了N2O的大氣排放。

氯氟烴（CFCs）：對大氣臭氧層有極大的破壞作用，可謂是臭名昭著。因為其光譜吸收帶處于地球輻射光譜最強的一段，因而是一種溫室效應極強的溫室氣體。

高氟碳化合物（PFCs）、氫氟碳化合物（HFCs）和六氟化硫（SF6）：全氯化碳和六氟化硫是在工業(yè)過程中產生的。由于具有可能超過1000年的大氣壽命，所以這些氣體被釋放累積在大氣中，將持續(xù)影響氣候達數千年。PFCs主要包括三種物質，其中CF4占絕大數，主要來自冶煉的過程。比如鋁的生產。SF6完全是人類活動的產物，因為它具有阻止高溫熔化態(tài)下鋁鎂氧化的特征，所以被大量應用于鎂鋁冶煉。另一個主要來源是絕緣器及高壓轉化器的消耗，占SF6總排放量的80%。

2 神秘的溫室氣體甲烷

雖然甲烷在大氣中的濃度遠小于CO2，但其溫室效應卻不可小覷。同為一個分子CH4產生的溫室效應強度約是一個CO2分子的7.5倍。除了一部分屬天然生成外，絕大部分甲烷來源于人類的活動。比如，天然氣管道和油井的泄露，掩埋場地的垃圾廢物分解，煤礦逸出等等。美國的環(huán)境保護電影大片《難以忽視的真相》，介紹的就是溫室效應氣體CO2濃度升高，對地球生態(tài)環(huán)境造成的極其惡劣的災難性后果。

2.1 甲烷的理化性質

甲烷作為一種溫室效應氣體，近年來在科學界備受關注。甲烷（ methane），分子式CH4，是最簡單的有機化合物，分子量16.04kD。甲烷是無色、無味的氣體，沸點-161.49℃，比空氣輕，易燃燒，水中溶解度極小，與空氣成適當比例的混合物遇到火花會發(fā)生爆炸，爆炸極限4.9%～16%。甲烷主要是作為燃料，如天然氣和煤氣，廣泛應用于民用和工業(yè)中。作為化工原料，可以用來生產乙炔、氫氰酸、合成氨、炭黑硝、氯基甲烷、二硫化碳、一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷和氫氰酸等頗有應用潛力的清潔能源。

2.2 頗有應用潛力的清潔能源

甲烷燃燒不排放污染物，生成的二氧化碳也比較少，是一種頗有應用潛力的清潔能源。甲烷俗名之一叫“沼氣”，這是因為沉積于池沼底部的植物殘體在厭氧菌的作用下產生的氣體主要成分是甲烷。據此原理，人們發(fā)明了用發(fā)酵法獲得沼氣的沼氣池，利用人畜糞便，雜草和垃圾等在密閉環(huán)境中產生沼氣，用來燒水、蒸飯、點燈、發(fā)電等，以節(jié)約石油、煤炭和其它燃料。這也是目前最常見的甲烷氣體的利用方式之一。

根據美國能源部測算，在35個標準大氣壓下，每升吸收劑要儲存150升的甲烷，才有可能將甲烷應用于實際。2003年，日本科學家用加熱和氧化的方法處理納米碳材料，然后在這些圓錐形的碳材料側面開了許多1納米左右的“小窗”，將甲烷通過小孔送到碳材料內部。進入內部的甲烷氣體緊緊聚成小氣體團，密度接近液體密度，實現了甲烷的高密度貯存，完全達到了上述標準，而且貯存在碳材料中的氣體相當穩(wěn)定。用納米碳材料進行甲烷的高密度貯存在日本試驗成功，為甲烷能源進入實用階段提供了技術支持。endprint

2.3 導致甲烷濃度快速升高的因素

甲烷是一種有用的清潔能源，但在對全球變暖的“貢獻”上，甲烷的“潛力”卻比同為溫室氣體的二氧化碳大。中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所姚檀棟研究員，徐柏青博士等科研人員2002年利用自己設計的高精度冰芯氣泡甲烷提取分析系統，對青藏高原達索普冰芯進行研究，獲得了近兩千年來高分辨率中低緯度大氣甲烷紀錄，使大氣溫室氣體與全球氣候變化相互作用取得了突破性進展。他們發(fā)現，1850年以來大氣中甲烷含量急劇上升，在過去的150年里上升了1.4倍。而在兩次世界大戰(zhàn)期間人類活動甲烷排放量負增長。大氣變暖是甲烷作祟。

美國阿拉斯加大學沃爾特教授在《Nature》（2006年）雜志上說，隨著永久凍土層的解凍，其內部富含的甲烷正在迅速向空中釋放，速度比先前認為的快5倍。大量溫室效應極強的甲烷氣體進入大氣，將給本已變暖的全球氣候“火上澆油”。當科學家飛到遙遠的西伯利亞研究永久凍結帶的時候，看見一望無際的北極圈湖泊。這聽起來很美，但是這些湖泊卻非常危險。隨著全球氣候變暖，這里的湖泊卻開始釋放甲烷，應為其中凍結的史前動植物開始腐爛解體。這種甲烷釋放進入大氣的速度比以2006年末快了將近5倍。據科學家研究推斷，北部西伯利亞當前已釋放出了380 t甲烷，這比以往的估算要高出5倍之多。這一研究成果已經發(fā)表在《Nature》上。

2.4 牛羊也排放甲烷

聯合國糧農組織公布的一份報告指出：不僅汽車、空調、工廠排放大量溫室氣體，加速氣候變暖，連老牛也應該對氣候變暖承擔一定責任，因為它們在反芻和打嗝的過程中會排放出導致氣候變暖的氣體—甲烷。據推算，全球溫室氣體排放量的18%來自家畜。全球10.5億～15億頭牛，17億頭羊才是溫室效應氣體的最大元兇。奶牛在消化這些食物時，各種微生物包括細菌、原蟲、真菌和古菌等，都在忙著打破牛瘤胃內的纖維素和其他營養(yǎng)素。奶牛在消化過程中會釋放出氫氣和二氧化碳，古細菌把這兩種氣體轉化為甲烷，每頭奶牛每天可產生最高達380 L的甲烷，主要由每40 s一次的打嗝排出。每年全球反芻動物產生約8000萬噸的甲烷排放量，約占每年人造甲烷的28%。在新西蘭，因為綿羊和奶牛打嗝產生的甲烷占該國甲烷總產生量的15%。

最近，日本國立禽畜和草原科學研究所的研究人員在《New Scientist》雜志上發(fā)表計算了牛肉生產對環(huán)境的影響，生產1kg牛肉所產生的溫室氣體排放相當于36kg二氧化碳。

2.5 將甲烷作為溫室氣體減排的“突破口”

美國環(huán)保專家認為，如果人們現在采取切實可行的措施，大約有1/3的甲烷排放可以避免，而且人們還可以獲得經濟效益。甲烷在大氣中的壽命大約是12年，而二氧化碳是120年。抓住“短命”的甲烷采取措施，易收到立竿見影之功效。

2001年我國科學家趙長偉等對遼河三角洲蘆葦濕地溫室氣體甲烷的觀測結果表明，蘆葦淹水期間有大量的甲烷排放，排水后甲烷排放明顯減少。

更有許多針對牛羊的節(jié)能減排，抑制全球氣候變暖的措施。溫弗里德.德羅赫納和同事們就研究出一種肥皂大小的藥片—“止嗝片”，目的就是制止甲烷產生，從而讓牛為減少溫室氣體排放盡微薄之力。英國科學家已為牛設計出環(huán)保餐單，以減少空氣污染，政府將制定法規(guī)，要求養(yǎng)牛業(yè)者引進新的技術保證牛打嗝和放屁不污染環(huán)境。新西蘭則決定向農民征收牛、羊的“放屁稅”，以控制對大氣的污染。

參考文獻

[1] 潘瑞熾.植物生理學[M].5版.北京：高等教育出版社，2004.

[2] 吳學周.中國大百科全書，環(huán)境科學[M].中國大百科全書出版社，1983.

[3] 段昌群.環(huán)境生物學[M].2版.科學出版社，2010.

[4] 劉培桐.環(huán)境學概論[M].2版.高等教育出版社，1995，5.

[5] 郝吉明，馬廣大，王書肖.大氣污染控制工程[M].3版.高等教育出版社，2010.endprint