温室效应与全球变暖

一、温室效应与全球变暖

自20世纪80年代中期科学家通过大量观测资料证实全球变暖以来，这种现象已引起了人们的高度重视。全球变暖(Global Warming)是就地球大气环境总体而言的。

(一)地球大气的温室效应及变暖趋势

大气对短波辐射有较大的透明度，允许大部分太阳辐射到达地面。同时，它又可以吸收相当大部分地表及云层向外发出的长波辐射，具有“温室效应”(Greenhouse Effect)。如果地球上不存在大气，温室效应一旦消失，地球处于辐射平衡后的等效黑体温度将达255K。按现在反射率计算，地球表层气温只有－18℃，然而实际上现在的平均温度为15℃。显然，这增高的33℃正是大气温室效应给地球上的万物生灵带来的。近几十年来，人类活动排放的温室气体如CO₂、CFC_S、CH₄、O₃、N₂O等有增无减，地-气系统与外层空间的辐射能量平衡已被打乱，并导致了地表和低层大气温度的升高以及高层大气温度的降低。英国East Anglia大学气候研究中心的P.D.Jones等所建立的全球及半球平均气温序列表明，过去100年中全球平均气温上升了0.6℃，且南北半球趋势相同。同时，在这段时间内，全球海平面平均每10年上升1～2cm。近百年来，中国气温上升了0.4～0.5℃；近50年内，降水量平均每10年减少2.9mm。与全球气候变化趋势基本一致。

(二)温室气体排放的全球变化

地球各圈层在漫长的进化历程中经历复杂的相互作用后，大气化学组成的相对比例基本上达到了平衡。但工业革命以来，CO₂、CH₄、N₂O、CFC_S等温室气体的浓度不断上升，它制约着地-气系统的辐射收支和能量平衡，并直接导致了全球范围的气候变化。其中，一些温室气体虽属痕量，但其增温潜力要远大于CO₂，而且它们在大气中的含量正以前所未有的速度与日俱增。因此，它们在全球变暖中的作用不可低估。表8-4列出了大气中近200年中主要温室气体的浓度变化。

表8-4　大气中近200年主要温室气体浓度的变化

1.大气中二氧化碳(CO₂)浓度的增加

CO₂是大气中浓度最高的温室气体。碳主要以CO₂、碳酸盐和有机碳等几种形式存在于大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈中，并通过一系列生物地球化学过程在地-气系统内循环。化石燃料燃烧、工业生产(如水泥生产)等人类活动是CO₂排放的重要来源。植物通过光合作用将CO₂转变为有机碳，进而经过食物链被异养生物所利用。在被生物同化的有机碳中，一部分经呼吸作用再次分解为CO₂。生物体内的碳，有一部分经微生物分解后放出CO₂，另一小部分经漫长的成岩作用形成煤、石油和天然气等有机燃料。沉积于岩石圈中的碳会因自燃作用或火山喷发放出CO₂。在水生生态系统中除类似的碳转化过程外，还存在CO₂溶解和碳酸盐沉积的过程及逆过程。在整个地-气系统的循环过程中，碳的总量基本保持平衡。

CO₂浓度增加的主要原因是化石燃料和生物质燃烧以及森林砍伐。前者的影响大大加快了岩石圈中有机碳的消耗和CO₂的排放，后者的作用则减弱了生物圈的同化能力。二者共同作用的结果必然会打破原有的碳循环平衡，使大气中的CO₂浓度不断增加。

2.大气中甲烷(CH₄)浓度的变化

大气中的CH₄浓度之高，在温室气体中占第二位。其增长速度大体与世界人口的增长速度一致。工业革命前大气中的CH₄浓度为0.7×10^－3mL/L，1990年已升高到1.72×10^－3mL/L。

大气中CH₄的主要来源可分为生物源与非生物源两类，主要有湿地、沼泽、稻田中的厌氧腐烂分解，牲畜反刍，动物粪便，白蚁，生物物质燃烧，化石燃料燃烧，煤层CH₄，石油天然气逃逸，城市垃圾和污水，极地冻土带的回暖等。通过泥塘、沼泽及苔原，每年排放到大气中的CH₄约为115Tg(1T=10¹²)，稻田排放量在110Tg，牲畜反刍约80Tg，白蚁产生40Tg，加上其他各种来源，年总排放量在500Tg以上。通过与大气中OH－反应吸收约500Tg，因而大体上维持了平衡。但是目前人类活动已使此平衡受到破坏，如果今后仍然与人口增长的速度同步发展。到2030年，估计浓度将高达2.34×10^－3mL/L，2050年可达2.5×10^－3mL/L。

目前，CH₄的自然源排放量不及总排放量的25％。1990年，各类人为排放前三位的国家如下。稻田排放：印度、中国、孟加拉；家畜排放：印度、俄罗斯、巴西；燃煤排放：美国、俄罗斯、中国。亚洲是稻田CH₄最主要的排放源。

3.大气中氧化亚氮(N₂O)浓度的变化

大气中的N₂O主要来自生物过程，大量使用化肥所增加的反硝化作用是其重要的来源之一。此外，海洋也是一个重要的排放源，主要发生在海水的涌升区。在El Nino活跃的年份，由于海水涌升受到抑制，从海洋向大气排放的N₂O也相应减少。研究表明，在陆地生态系统中，蚯蚓可能是N₂O排放的重要源。排放到大气中的N₂O大部分被平流层的光化学过程分解，小部分被土壤吸收，因而大体上维持平衡。但由于燃烧草木和农作物的残枝败叶以及矿物燃料，施用化肥等，使N₂O的浓度不断增加。平流层中的超音速飞行也可产生N₂O。

公元1700年以前，大气中的N₂O浓度相当稳定，平均为285×10^－6mL/L。1990年上升到310×10^－6mL/L。1990年的含量比工业革命前增加了8％。由于N₂O在大气中的平均存留时间为170年，因此在大气中的清除过程比CH₄要缓慢得多。

4.大气中全氯氟烃(CFC_S)浓度的变化

大气中的CFC_S既可消耗平流层中的O₃，又是重要的温室气体。CFC_S完全是由人类合成的，直到20世纪初，它在大气中的浓度还几乎为零，但是从20世纪60年代以来迅速增加。CFC_S的温室效应很强，一个CFC_S分子的增温作用相当于一个CO₂分子的一万倍以上。它主要来自清洁溶剂、雾化剂、制冷剂、发泡剂及灭火剂等。工业合成的CFC_S在对流层内是非常稳定的，唯一的清除途径是向平流层输送并在那里被光化分解。据估计，自20世纪70年代中期开始，每年大约有1.0Tg各种CFC_S产品被排入大气。20世纪90年代，大气中的CFC_S浓度大约为1×10^－6mL/L，且以每年约1％的速率迅速增加着。其浓度增加之快，居各种温室气体之首。

(三)全球变暖对自然与社会经济系统的影响

1.对海平面和水资源的影响

海平面上升是温室效应的必然结果。近一个世纪以来，全球海平面上升了10～15cm。与1990年相比，预计2100年的海平面将上升0.09～0.88m。海平面上升将直接引起沿海低地被淹、海岸被冲蚀、洪涝和风暴的破坏增加、地表水和地下水盐分增加、地下水位升高、干扰海岸带生态系统等。当前，全球人口约有1/3居住在沿海岸线60km宽的范围内，海平面升高将使许多经济、人口密集的沿海低地遭受灭顶之灾。气候变暖导致的蒸发旺盛虽会使全球降水量增加(主要是中、高纬地区)，但降水的年际变率和空间分布、洪涝和干旱的频率及其季节变化都会发生改变，许多地区的水质可能会因干旱而变差。

2.对动植物的影响

自然界的动植物、尤其是植物群落，可能因无法随气候迅速变化作出必要的转移而遭厄运。从CO₂倍增时的气候情景估计，北美森林的南界将北退600～700km。因此，气温急升将使森林面积缩小。生物多样性为人类提供食物、医药和动物栖息地，而人类活动对环境的破坏加速了生物物种的消亡。同时，气候变暖将使一些地区的某些物种消失，而另一些物种则可从气候变化中获益。它们的栖息地可能增加，竞争对手和天敌也可能减少。最近，由8国科学家组成的联合小组以未来半个世纪内气温将升高0.5～3℃为依据，发表了对欧洲、南非、澳大利亚、巴西、墨西哥和哥斯达黎加六地1103个物种(包括植物、哺乳动物、鸟类、爬行动物、昆虫等)的保守估计。指出到2050年，该地区平均有26％的物种将可能因全球变暖、栖息地丧失而灭绝。

3.对农业的影响

CO₂是形成90％的植物干物质的主要原料。光合作用的强度与CO₂浓度的关系大体符合对数曲线分布，但不同作物各异。目前，大气中的CO₂浓度大约是368×10^－3mL/L。若继续增加，必然会促进植物的光合作用。Kimball总结到，如果其他环境条件良好，当CO₂浓度为400×10^－3mL/L时，每增加1×10^－3mL/L，不同作物的增产幅度如下：小麦0.07％～0.13％，大麦0.18％，大豆0.04％，棉花0.34％。

虽然CO₂倍增可使主要粮食作物中的大部分(如小麦、水稻等C₃作物)增产10％～15％，有利于农业生产，但同时也可能遭受长势更旺的C₃杂草的侵害。C₄作物(如玉米、高粱、甘蔗等)对CO₂浓度倍增的敏感性则较差，增产作用不明显。气温升高还会使干旱、高温、热带风暴、龙卷风以及农业虫害的发生频率增加。此外，气候变暖引起的农业结构改变必然导致农产品的生产状况和贸易模式也发生相应的改变，这对于许多经济、技术基础差，无力采取有效应对措施的发展中国家来说，无疑是不利的。

4.对人群健康的影响

气候要素与人群健康有密切的关系。血吸虫、钩虫等一般生活在热带和亚热带地区；痢疾多发生在毛里塔尼亚、乍得等非洲大陆和温带地区；霍乱、疟疾、脑膜炎等许多疾病也都与气候有密切关系。在传染病的各个环节中(病原——病毒、原虫、细菌和寄生虫等，传染媒介——蚊、蝇、虱等带菌宿主)，传染媒介对气候最敏感。温度和降水的微小变化对传染媒介的生存时间、生命周期和地理分布等也都有明显的影响。

5.对社会及经济的影响

经济对于气候冲击的反应是极其复杂的。在粮食紧缺地区，气候导致减产的社会后果很严重，而在人口稠密的地区及沿海地区影响更甚。通过研究死亡率与气候的关系，可以直接估计气候变化所造成的人口变化。此外，气候变化还可能导致国与国之间因资源、财富再分配的不协调而引发新的国际政治冲突。总之，气候变化带来的一系列人类生存环境的变化，将严重阻碍工业化国家及发展中国家的经济发展，并导致严重的自然环境和社会、经济的破坏。据初步研究，全球用于防范气候变化可能造成的损失所消耗的费用将相当于经济总产值的3％。具体地说，全球变暖的不利后果主要有：中纬度地区干旱、水位下降，森林、草原火灾加重，而高纬低地洪涝频发；农业、水源所受的影响可能引起人口迁移，给城市带来更大的冲击，一些沿海陆地可能被淹；世界粮食生产的稳定性与地域分布将发生变化；一些动植物可能绝迹，鱼群的栖息地可能改变等。

6.全球变暖对中国的可能影响

预计21世纪末海平面上升幅度将达30～70cm，届时中国将有八个沿海地区总计35000km²受到威胁。到2030年，京津唐地区、黄河流域以及淮河中上游地区的水资源可利用量可能出现显著的下降，日益突出的水资源短缺问题将严重制约该地区的可持续发展，并直接威胁到干旱缺水地区广大群众的生存条件。各种模型所预测的农作物产量变幅很大，如2030年，小麦产量变幅在－20％～50％之间。应该说，此时的数学平均值、中值与极端值具有相同的出现概率，所以有必要做好面对最困难条件出现的准备，以便取得主动。此外，中国的区域气候变暖还将引发更多的自然灾害、破坏生态系统的良性循环，并能损害生物多样性。

最新的预测结果表明，中国与全球变化趋势一致。在考虑了CO₂增加和气溶胶浓度改变的各种状况下，到2020～2030年，中国的平均气温将上升2.94℃。全国增温的总趋势是北方大于南方，西北和东北将明显变暖。东南沿海地区的降水增加最显著，西北地区的平均增幅也达25％，而华北地区将继续变干。