5.3二氧化碳和温室效应
2018-04-15 作者： 王麟生；戴立益
5.3二氧化碳和温室效应
5.3.1大气中的二氧化碳
据统计,释放到大气中CO2的5％—20％来自土壤，冻土层土壤中的好氧微生物对土壤中有机物的分解,是CO2的主要来源之一。Www.Pinwenba.Com 吧近十年来美国阿拉斯加地区每平方米冻土带表土每年向大气中释放100克CO2气体,这是由于近年阿拉斯加冻土带表层土壤温度上升2℃—4℃,部分表土解冻,使大量富含碳的有机物分解,造成冻土带和北部森林上空的CO2浓度升高。
大量的二氧化碳都来自于燃烧。
即使我们能做到使燃料不含杂质,并能达到完全燃烧,也还要产生CO2。
燃料+O2CO2+H2O+能量(上述反应式也适合于动植物的呼吸作用)产生的CO2一般有两个去除途径:
(1)被水吸收,溶解在雨水、江河、湖泊和海洋里。
(2)植物利用CO2进行光合作用。
在正常情况下地球上CO2的产生与去除之间基本能达到平衡,使大气中的CO2浓度保持在一定的范围之内。
但是,这种平衡正在被打破。在全球循环中,二氧化碳的排放量大大超过海水及植被光合作用的吸收量,一方面,随着工业的发展,化石燃料的消耗量不断增加,CO2的年排放量随人口的不断增加,工业的迅猛发展而逐年增加;另一方面,由于酸雨对植物的危害以及人类的乱砍乱伐,全世界森林覆盖率不断下降,植物光合作用消耗的CO2量减少。因此大气中的CO2含量显逐年上升的趋势。有人推断由于能源的大量消费,CO2每年正以0.7毫克/升的速率增加。
虽然大气CO2浓度的增加,可能使海洋中溶解的CO2量增加,破坏海洋中原有的CO2的溶解平衡,能使海水中CO2的含量增加,pH值下降,但由于海洋中石灰石的溶解,HCO-3浓度增大:H2O+CO2+CaCO3Ca2++2HCO-3,导致平衡H2O+CO2H++HCO-3向左移动,使海水中游离CO2的溶解量减少。这样大气中CO2浓度虽有增加,但海水pH值变化不大。其结果,大气CO2每增加10％,只能使海洋CO2的浓度增加1％。
5.3.2二氧化碳和温室效应CO2的非对称伸缩振动能引起分子偶极矩改变,故可以吸收红外线,并使这种振动的振幅加大。这就是低层大气中的CO2能吸收地表红外辐射而产生温室效应的原因。
G.S.Thomas,M.S.Williman,ChemistryoftheEnvironment,PrenticeHall,Inc.,1996大气中的水蒸气和二氧化碳分子能将800—20000纳米的长波辐射(红外线部分)几乎完全吸收掉。这样,只有波长为300—700纳米的可见光波基本上不被大气分子吸收,他们能透过大气到达地面,这部分约占太阳辐射总能量的40％左右。穿过大气到达地面的太阳直接辐射和大气分子、微粒的散射辐射,一部分被地面反射,一部分被地面吸收。
地面和大气吸收了太阳较短波长的辐射,又由于本身具有一定温度而向外辐射,由于地面和大气的温度远远低于太阳的温度,因而它们辐射的电磁波比太阳辐射的波长长得多,可发射出波长为4微米的辐射(红外线部分),最大波长可达10微米以上。故通常把太阳辐射称为短波辐射,而把地面和大气的辐射称为长波辐射。
吸收地表红外辐射后的CO2和H2O同样再放出长波辐射,其中相当部分返回地表(逆辐射),形成多次辐射。这样,大部分长波辐射被阻留在地表和大气下层,致使地表和大气下层的温度升高。大气中的CO2和H2O对近地层热散失的这种屏蔽作用犹如农业上的温室一样,故将这一现象称为温室效应。
地表红外线辐射的绝大部分(约92％)都被低层大气中的CO2和H2O吸收(4—8微米和13—20微米波长部分),仅有少部分红外线(约8％)能透过大气进入太空。人们将不被大气吸收的8—13微米波长区域形象地称为“大气窗”。有相当一部分的地球长波辐射是从这一波段散失到宇宙空间去的。然而在这一波长范围内有CH4、NO2、O3等微量气体的吸收带,一旦大气中这些微量气体大量增加,即这一波长范围的地球长波辐射也将被大量吸收,地球大气窗关闭,则温室效应就会进一步加剧。
如果不存在大气层,地表的长波辐射无阻挡地射向太空,地表的平均温度据估算应该在-20℃左右而不是现在的15℃左右。
由于CO2的产生与去除之间的自然平衡遭破坏,大气中CO2的浓度正在以每年大约0.2％的平均速度不断增加,CO2在大气中的含量已从一个世纪前的275毫克/升增加到1980年的284毫克/升再增加到目前的380毫克/升左右。
由于温室效应,CO2的积累会使地球表面温度升高。据有人研究估算,CO2的浓度每增加10％,将使地球表面平均温度升高0.3℃—0.5℃,虽然温度增加不算多,但有可能使极地的冰冠融化,使海平面上升,某些陆地将被淹没。
二氧化碳的捕捉与存储
应对二氧化碳排放和全球变暖,仅仅减少化石燃料的使用是不够的,还必须重视现有的化石燃料使用中排放的二氧化碳的捕捉和存储,目前的方法主要有自然固碳和工业固碳。后者包括地质存贮,海洋存贮和矿物质固碳等。
自然固碳主要指的是通过植树造林吸收大气中的CO2。据估计,如果森林完全覆盖从大西洋到乌拉尔山的欧洲陆地,那么就可以吸收21世纪上半叶人类活动所排放的所有CO2。据IPCC估算,如果一个包含减少砍伐、促进热带雨林繁衍在内的世界范围的长期植树造林计划持续到2050年,它将会吸收600—870亿吨大气中的CO2,这相当于同期人类燃烧化石燃料所排放CO2的12%—15％,如果将保护生态多样性,减少水土流失,改变局部地域气候等其他积极作用考虑进来,大规模持续的植树造林显然具有更多的无法估量的社会效益。
如果将人工种植的作物转化为燃料(也就是所谓的生物质能)以替代化石能源来供人类使用,这样的燃料实际是碳中性的。虽然种植的过程中可能会造成CO2的额外排放(如在化肥的生产和分解过程中),但是和化石能源相比,其排放量是非常微小的。
工业固碳是先直接在大量集中排放CO2的火电厂、水泥厂等工业机构就地捕捉CO2,然后将其存储到适合的地质构造中。
捕捉CO2有吸收、吸附和薄膜分离三种方法。可使用乙醇胺进行化学循环吸收,也可以通过无机溶液来物理吸收CO2,同样也可以使用石灰石化学吸附或者活性炭、氧化铝物理吸附CO2。薄膜分离使用的是多孔的无机薄膜,同时结合了钯/聚合物或者沸石。这样可以过滤不同的气体,提高吸收CO2的纯度。
如何安置收集来的CO2呢?在煤矿中常常伴有瓦斯也就是天然气(主要成分是甲烷),有时瓦斯的浓度低于可实际开发的浓度,但却常常会累积造成爆炸。如果将加压后的CO2注入煤层裂缝中,由于密度不同,CO2会迫使瓦斯聚集,最后经过导管引出并净化后可安全使用。同样在增强型油井开采中,也会向油田泵入CO2使得产量增加。这些应用启发了人们,可以利用开采空的煤穴和油田来存储CO2。
还可以选择将CO2存储在地表之下800米深处、广泛分布的盐水层中。挪威的Statoil公司从1996年开始在北海的SleipnerVest天然气田向海面以下1000米(海底之下800米)深度的Utsira地质构造中每天注入2800吨生产天然气过程中分离出来的CO2,这一项目证实了将CO2存贮于海底地下的可行性。
这些CO2存储方式的存储潜力有多大呢?IPCC估计采空的油田中大约可以存贮400亿吨碳当量,天然气田中可以存贮900亿吨碳当量,增强型油井中可以存贮200亿吨碳当量(1吨碳当量=12/44吨CO2),总计约1500亿吨碳当量。根据美国能源部2007年国际能源展望中的统计和预估,从2008年至2030年,人类活动所排放的CO2总和将为2276亿吨碳当量。
CO2在盐水层中的可存贮量因地质类型而不同,根据Statoil公司的估计,仅在Utsira地质构造中,每年就可以存贮10亿吨碳当量,这基本上相当于整个欧洲每年发电厂所排放的CO2的总和,更惊人的是这种趋势可以维持600年!但是发电厂并不是CO2的唯一来源,更多的CO2是来自分散的难以捕捉的交通工具尾气。
一旦大量的CO2从地下涌出,无疑将对当地生态系统包括人类造成极大的灾难,所以必须保证存贮进去的CO2不会重返到大气中。最安全的存贮地质构造是在盐水层的上方有一个穹庐型的低透气岩石结构,这样就可以防止CO2的逃逸。可是符合这样要求的地质构造很少,也只能存贮500亿吨碳当量。但是开放式的盐水层存贮量就要大多了,全球存储量据估算可达2万9千亿吨至13万亿吨。由于CO2在这样的高压盐水层里会与矿物质发生化学反应,从而被固定下来。因此理论上说,还是可以加以利用的,只是存贮密度可能要低一些,安全措施要更完善,而经济投入也要更高。
还可以考虑海洋存贮。在不考虑含碳的矿物质(地壳中的碳酸盐)的情况下,海洋是目前自然碳循环中最大的碳存贮体。海洋的表面大约吸收存贮了1万亿吨碳当量,而深海则存贮了38万亿吨碳当量。与之形成对比的是,全世界的化石碳储量包括石油、天然气、煤炭,总共为6万5千亿吨碳当量。所以即使将全世界的化石燃料都使用完,这些CO2全部溶入深海之后,也只使现有的含量增加17％。
那么怎样将CO2溶入海水中的呢?方法一是将捕捉到的CO2加压排入1000—1500米深的海水中,在海水的压力下,CO2会变成液体,而且其中大部分会稳定地在海底存贮相当长时间。最高效的同时也是最有挑战性和成本最高的存贮方式是将液体的CO2压入3000—4000米深的海底,形成一个“湖泊”,将其无限期的保存下去。
方法二是通过人为措施增强海洋对CO2的自然循环吸收。海洋对CO2的自然循环吸收也有两种方式。第一种是通过热盐循环洋流。温暖而盐分含量低的赤道表面海水通过洋流抵达北冰洋,在这里下沉到海底。由于CO2在温度低而盐分高的海水中的溶解度要高很多,因此也被带入深海大量富集起来;同时冰冷而盐分高的北冰洋深层海水向南流经北大西洋,最终抵达印度洋和赤道太平洋表层,在这里相对少量的CO2被释放到大气中。这种循环的时间框架大概是1000年。
第二种方法是海洋表面的浮游植物通过光合作用吸收大气中的CO2,生产养分,同时为浮游动物提供养料,这些浮游动物又为海洋里的鱼类提供食物。最终,当这些鱼类死亡时,它们身体里大约30％的有机碳沉积到海底,被微生物完全分解成CO2,经过1000年的时间,CO2通过热盐循环到达水面。这一过程也被称为生物泵。
目前所提出的增强海洋自然吸收的方法主要是促进海洋表面浮游植物的生长,使其通过光合作用吸收固定大气中的CO2。具体做法有两种。一是增加海水中的养分,也就是硝酸盐、磷酸盐的含量;另一种是在缺少铁这种元素的海域大量播撒铁粉。这两种做法的结果都可以促进海洋表面浮游植物的生长,同时也给处于食物链高层的鱼类提供了更多的食物,增加了它们的数量,从而提高了渔业的产量。
然而通过海洋存贮CO2的做法也有很多不确定之处。例如:大量浮游生物的爆炸性生长是否会带来赤潮,影响局部水域的氧气平衡,从而对当地的生态系统产生负面影响;在深海大量存贮CO2对深海的生物系统的影响目前还一无所知,但仅就目前湖泊实验来看,提高湖水中CO2的含量会对生态系统造成很大的影响;海水中pH值因为溶入了大量CO2而降低,加上全球变暖带来的海水温度升高会破坏CO2原有的气水平衡,增加CO2从海水向大气中大量释放的危险;海底盐水层和陆地盐水层的CO2加压存贮对地应力的影响是否会造成地震以及地震是否会导致已存贮的CO2大量释放,等等。因此在大规模的实施之前,谨慎地实验是必要的;如果贸然行事,后果则很可能是人类无法控制的巨大灾难。
还可以进行矿物质固碳。CO2可以与有些金属氧化物以及硅酸盐发生化学反应,生成固体的碳酸盐。这些金属氧化物如氧化钙、氧化镁以及硅酸盐等在地壳中是广泛存在的,因此来源不是问题,问题是它们与CO2的化学反应需要的时间相当漫长,如果工业上大规模应用的话就要对这些矿物质进行预处理,并对反应加压加热,以此来加快反应速度。发电厂的成本就会上升60%—180％。另外这些巨量矿物质原料和生成物的存放、运输也都会产生环境问题。
在这些消极的存贮方式之外,还可以积极拓展CO2的工业利用。
在这些CO2捕捉、存贮固定方式中,最简单实用、成本低而收益最高的方式还是植树造林。最有效的立竿见影的方法是工业捕捉之后进行地质、海洋存贮。需要指出的是,目前这些技术还都没有大规模的应用,很多仅处在研究阶段。除了自然固碳之外,其他的方式无一例外的会增加能源供应的成本,而且对环境、生态系统也会造成相当的潜在威胁。一方面,化石燃料的使用成本在增加;另一方面,随着技术的进步和成熟,清洁的可再生能源的生产成本在下降,这将促进可再生能源的更广泛应用,实现减排的良性过渡。
IPCCSpecialReportonCarbondioxideCaptureandStorage
(二氧化碳捕捉和封存——决策者摘要和技术摘要)
5.3.3其他温室气体
G.S.Thomas,M.S.William,ChemistryoftheEnvironment,PrenticeHall,Inc.,1996能够屏蔽地表热量辐射的气体种类很多，除了二氧化碳和水蒸气之外,能够称为温室气体的还有甲烷、一氧化二氮、臭氧、二氧化硫、氯烃、碳氢化合物、醛类、氟化物、溴化物、氯化物、一氧化碳、各种含氮氧化物和硫化物。20世纪80年代研究结果表明,各种温室气体对全球的温室效应所起作用的比例不同,其中CO2的作用约占60％,CH4占14％、O3占10％、CFCs占9％、H2O占4％、N2O占3％。
5.3.4地球气候变化及其影响
在人类的生产力还不发达的时候,气候变化主要是气候的自然波动。但是,随着工业革命的发生,人类活动影响气候变化的能力越来越大。对气候变化进行的权威性评估倾向于认为,最近50年的气候变化主要是由人类活动引起的。引起大气中温室气体浓度增加的主要是人类活动。这种影响主要分为两个方面:一方面是直接向大气排放温室气体,如化石燃料燃烧和生物质燃烧直接向大气排放二氧化碳、一氧化二氮和甲烷等气体,工业生产过程中也会大量产生此类物质;另一方面,对森林大面积的砍伐使得吸收大气中二氧化碳的植物大为减少。
各种观测的记录表明,近百年来地球气候正经历着以全球变暖为主要特征的显著变化,最近100年的温度是过去1000年中最暖的,而最近20年,又是过去100年中最暖的。从1860年有气象仪器观测记录以来,全球的平均温度已经升高了0.6℃±0.2℃。自工业化(1750年)以来,大气中温室气体浓度明显增加,大气中二氧化碳的浓度目前已达到380毫克/升。最暖的17个年份均出现在1983年以后,1998年最暖,2002年和2003年分别为第二和第三暖年。20世纪北半球温度的增幅可能是过去1000年中最高的。降水分布也发生了变化,大陆地区尤其是中高纬地区降水增加,非洲等一些地区降水减少,有些地区极端天气气候事件(厄尔尼诺、干旱、洪涝、雷暴、冰雹、风暴、高温天气和沙尘暴等)出现的频率与强度增加。
《中国应对气候变化国家方案》指出:近百年来,我国年平均气温上升了0.5℃—0.8℃,略高于同期全球增温平均值,以冬季和西北、华北、东北地区最为明显。从1986年到2005年,我国已经连续经历了20个全国性暖冬。自1990年以来,多数年份全国年降水量高于常年并出现南涝北旱现象,干旱和洪水灾害频繁交替发生。近50年来,中国沿海海平面年平均上升高度为2.5毫米,略高于全球平均水平。
全球气候将继续变暖,增暖的速率将比过去100年更快。国内外科学家使用31个复杂气候模式,对6种代表性温室气体排放情景下未来100年的全球气候变化进行了预测:①地球平均地表气温到2100年时将比1990年上升1.4℃—5.8℃,这一增温值将是20世纪增温值的2—10倍。21世纪全球平均降水将会增加,北半球雪盖和海冰范围将进一步缩小,全球平均海平面到2100年将比1990年上升0.09—0.88米。一些极端事件,如近年来出现的高温天气、强降水、热带气旋强风等发生的频率会增加。②我国气候变暖趋势将进一步加剧,2020年,全国年平均气温将比2000年上升1.3℃—2.1℃,到2050年,全国平均气温将上升2.3℃—3.3℃。我国气候变暖的幅度将由南向北增加,不少地区将出现降水增加趋势,但华北和东北南部等一些地区将出现继续变干旱的趋势。未来100年中国境内的极端天气和气候事件发生的频率可能增大,沿海海平面继续上升,青藏高原和天山冰川将加速退缩,土地荒漠化可能性加重。
由于二氧化碳大量排放产生的温室效应,引起地球气候变化,对我国冰冻圈的生态环境产生极大的影响。我国西藏高原冰冻圈作用区是亚洲长江、黄河、塔里木河、怒江、澜沧江、伊犁河、额尔齐斯河、雅鲁藏布江、印度河、恒河等10条大江大河的源区,冰川、冻土和积雪对上述江河水资源的形成与变化有着十分重要的影响。短期内,冰川的加速萎缩可导致河川径流增加,随着冰川的大幅度萎缩,冰川径流趋于减少,势必引发河川径流的持续减少,不仅减少水资源量,更使冰川失去对河川径流的调节作用,导致水资源——生态与环境恶化的连锁反应。此外,冰冻圈还维系着我国西部高寒和干旱区生态系统的稳定,作为气候系统的重要组成部分,其变化对我国及周边地区的气候有重要影响。我国是受冰冻圈灾害影响最为严重的国家之一。随着全球变暖,冰川的加速融化和冻土的退化,已引起了与之相关的冰湖溃决、洪水/泥石流、冰崩、雪崩以及冻土热融等各类冰冻圈灾害发生频率、强度、范围的增加,同时,随着气候变暖,冻土的热融等灾害问题将会越来越突出,还直接威胁着我国多年冻土区工程的建设、安全运营与维护。
南极、北极和青藏高原的冰川变化也印证了全球变暖这一科学事实。格陵兰冰盖表面消融区面积在1979—2002年间平均增加了16％,1992年消融区面积最小。最近的模拟研究结果表明,如果格陵兰地区的年平均气温升高超过3℃,格陵兰冰盖很可能消失,并引起全球海平面升高7米,南、北极海冰范围从20世纪70年代末开始快速缩小,但南极海冰在20世纪90年代后呈微弱上升。中国冰川80％以上位于青藏高原及其周围的高山,目前有大小冰川46377条,总面积59425平方千米。由于人类排放的温室气体迅速增加,预期到2050年左右,将有1/3的冰川会消失。
地球气候变化带来的负面影响气候变化的影响是多尺度、全方位、多层次的,正面和负面影响并存,但它的负面影响更受关注。全球气候变暖不再仅仅是一个环境问题,而是对人类发展的严重挑战,它也不仅仅是一个在各种会议上讨论的科学学术问题,而是亟待解决的社会、政治、经济现实问题,由气候问题引发的各种干旱、强降水、高温、严寒、强对流天气等极端天气气候事件的发生频率持续上升也给地球环境和人类生存带来了严重威胁。像中国这样一个自然资源不足、生态环境相对恶劣、环境污染严重、人口众多的发展中国家,在应对气候变化上,面临着更大的困难和挑战。
1.气候变暖将对全球许多地区的自然生态系统和生物多样性产生严重的影响,如海平面升高、冰川退缩、冻土融化、河(湖)冰迟冻与早融、中高纬生长季节延长、动植物分布范围向极区和高海拔区延伸、某些动植物数量减少、一些植物开花期提前等等。自然生态系统由于适应能力有限,容易受到严重的、甚至不可恢复的破坏。气候变化可能恶化某些本已濒临灭绝的物种的生存环境,对野生动植物的分布、数量、密度和行为产生直接的影响。此外,由于人类社会对土地的占用,生态系统无法进行自然的迁移,致使原生态系统内物种将出现重大损失。气候变化已经并将继续改变植被的组成、结构及生物量,使森林分布格局发生变化,生物多样性减少等等。植物的开花期与200年前相比有所提前,两栖动物等物种的种群数量正在大幅度下降,北美山区的松树甲虫等有害物种的数量却正在增加,南极地区海冰的消失导致艾德林企鹅种群数量下降,而海冰的迟冻早融,也使得北极熊很难有足够的时间完成脂肪的储存。
2.气候变化是导致湖泊水位下降和面积萎缩的主要因素之一。气候变暖将导致地表径流和一些地区的水质等发生变化,特别是水资源供需矛盾将更为突出。气候变化将引起降水的地区、时间以及年际之间分布更加不平衡,将会使许多已经受到水资源胁迫的国家更加困难。由于水温升高,一般来说淡水质量也会下降。融化的冰川会构成巨大威胁。因为冰川融化速度加快,无法起到缓和水流的蓄水作用,造成这些地区旱季降雨很少,而雨季却很有可能造成洪水泛滥。气候变化对水短缺、水质量以及洪灾和旱灾的频度和强度的影响,给水资源管理和洪水管理都带来更大的挑战。
3.海平面升高将影响海岸带和海洋生态系统。气候变化对海洋的影响包括海面温度上升、平均海平面上升、海冰融化增加、海水盐度、洋流、海浪状况发生变化。近百年来,全球海平面平均上升了10—20厘米,我国海平面近50年呈明显上升趋势,上升的平均速率为每年2.6毫米,我国未来海平面还将继续上升,到2050年上升幅度为6—26厘米,预计到21世纪末将达到30—70厘米,这将使许多海岸区遭受洪水泛滥的机会增大,遭受风暴影响的程度、范围和严重性亦会加大,海岸受到更严重的侵蚀,沿海生态也将受到影响,如湿地和植被减少等。海洋生态系统受全球变暖的影响更大,海水温度变化以及某些洋流的潜在变化,可能引起涌升流发生区和鱼类聚集地的变化。
图瓦卢,即将沉没的国度图瓦卢群岛位于南太平洋,南接斐济,北临基里巴斯,西望所罗门群岛,由9个环形珊瑚岛群组成,南北两端相距560千米,由西北向东南绵延散布在夏威夷与澳大利亚之间约130万平方千米的海域上,而陆地面积仅26平方千米。首都富纳富提位于主岛上,方圆不超过2平方公里。地势低洼,海拔最高点不超过海平面4.5米,人口1.02万。
图瓦卢政府在十多年前发表过一次声明,说由于气候变化,这个世界第四小的国家正面临着灭顶之灾。不断上升的海平面和毁灭性的风暴已经开始吞噬海岛。同时,人们的恐惧感也不断加深,传言图瓦卢群岛将不再适合人类居住,甚至可能在几十年内完全消失。2003年,图瓦卢总理上报联合国时说全球变暖的威胁无异于“一种潜藏的、滋生且蔓延的恐怖主义”。一些科学家也做出了残酷的预测。1996年,南太平洋区域环境规划署和日本政府合著的科学研究报告推断:“由于独特的地理位置和自然状况,图瓦卢极易受到气候变化尤其是海平面上升带来的负面影响。”
图瓦卢的问题已经引起了全世界的关注,它面临灾难的主要诱因就是矿物燃料排入大气中的大量二氧化碳,导致了全球变暖。2002年,图瓦卢曾威胁要控告美国和澳大利亚过量排放二氧化碳。与此同时,一些图瓦卢人也开始准备离弃他们的家园。去年,英国《卫报》刊登了评论文章《海平面上升导致岛民背井离乡》。
通过对图瓦卢进行实地考察,重新整理科学材料,并与气象专家和其他学者探讨研究,学者们搜集到了很多重要的证据证明图瓦卢和它将近一万的居民确实处境艰难,甚至面临着大劫难。