摘要：隨著人類社會經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境問題越來越突出，溫室氣體與氣候變化更是成為國際社會關(guān)注的焦點。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會IPCC第四次評估報告，在過去一百年內(nèi)，即1906～2005年全球平均氣溫上升了0.74℃，最近50年升溫約為每10年升高0.13℃，是過去100年升溫的2倍，未來20年全球氣溫還會以每10年0.2℃的速度上升。全球變暖不可避免會引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，不管是海平面上升還是極端氣候增多，其后果都不容忽視。本文將從溫室氣體和城市熱島兩個角度來分析氣候變化，對與之相關(guān)的蓋亞假說也有較詳細介紹。

　　關(guān)鍵詞：溫室效應(yīng) 溫室氣體 源和匯 城市熱島 氣候變化 蓋亞假說

　　一、溫室效應(yīng)原理

　　正如萬物生長靠太陽，太陽輻射穿透大氣層到達地球表面后，地球在增溫的同時也不斷對外輻射能量。研究表明，在漫長的歲月中，地球的能量收入和支出基本上處于平衡狀態(tài)，地表溫度大致上沒有什么變化。

　　根據(jù)熱力學(xué)基本定律，任何物體輻射能量的最大值所對應(yīng)的波長與該物體溫度的乘積都等于同一個常數(shù)，也就是說，物體的溫度越高，其輻射出的電磁波波長越短，反之亦然。太陽表面溫度約為6000K，主要為短波輻射，而地球表面卻是長波輻射。地球大氣層中有些氣體對于太陽的短波輻射幾乎是透明，卻能強烈吸收地面的長波輻射再以大氣逆輻射的形式將大部分熱量返還地表，從而使地球表面從太陽輻射獲得的能量相對多，而散失到大氣層以外的熱量相對少，地球表面的溫度維持在一個適合人類生存的水平。這就是大氣的溫室效應(yīng)，這些氣體稱為溫室氣體，主要包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氟氯烴、臭氧、水蒸汽、二氧化硫以及一氧化碳等。

　　二、主要溫室氣體

　　IPCC第四次評估報告認為，過去50年全球平均氣溫升高其中90%以上與人類燃燒化石燃料排放的溫室氣體有關(guān)。自從1750年以來，由于人類活動的影響，全球大氣CO2、CH4、N2O和CFCs的濃度顯著增加，目前已經(jīng)遠遠超出根據(jù)冰芯記錄得到的工業(yè)化前幾千年來的濃度值。全球大氣CO2的濃度增加主要是由化石燃料的使用和土地利用的變化引起的，而CH4和N2O濃度的增加主要由農(nóng)業(yè)活動引起，CFCs從無到有完全是人類制造并在生產(chǎn)和生活中釋放到大氣中的。其中CO2濃度從工業(yè)化前約280ppm增加到2005年的379ppm，CH4濃度從工業(yè)化前約715ppb增加到2005年的1774ppb，N2O濃度從工業(yè)化前約270ppb增加到2005年的319ppb，CFCs從無到有，年平均以4%的速率增長。正因為這樣，20世紀后半期，北半球的平均氣溫是過去1300年間最高的。除1996年外，最近12年，即1995～2006年全球地面平均氣溫是1850年以來最高的時期。按照這樣的趨勢發(fā)展下去，21世紀末全球平均氣溫將升高2.4～6.4℃。

　　1.二氧化碳CO2

　　IPCC第三次氣候變化評估報告認為，氣候變暖至少66%以上與人類活動排放的二氧化碳有關(guān)。全球大氣CO2濃度從工業(yè)革命前的280ppm上升到了2005年的379ppm，冰芯研究表明，2005年大氣CO2濃度遠遠超過了過去65萬年來自然因素引起的變化范圍180～300ppm。過去10年CO2濃度平均每年增長1.9ppm，而有連續(xù)直接測量記錄以來的增長率為1.4ppm/a。18世紀中葉到20世紀40年代，大氣中的CO2含量平均每年增加0.06%，主要是工業(yè)革命以來的土地利用變化、毀林造田以及生物質(zhì)燃燒等人類活動造成的。第二次世界大戰(zhàn)之后，人類開始大量使用化石燃料，大氣中的CO2濃度迅速上升，按照這樣的趨勢發(fā)展下去，全球變暖會越來越明顯。

　　表2 未來大氣中的CO2濃度值(ppm)

　　年份

　　2025

　　2050

　　2075

　　2100

　　大氣中CO2濃度值

　　404～425

　　434～480

　　456～536

　　469～614

　　數(shù)據(jù)來自IPCC第四次評估報告，2007

　　大氣中的CO2主要來源于各種燃燒過程、土壤或其他地方有機物的分解以及人群和動物的呼吸作用。化石燃料燃燒釋放的CO2從20世紀90年代的每年6.0～6.8GtC增加到2000～2005年的每年6.9～7.5GtC。20世紀90年代，與土地利用有關(guān)的CO2釋放量估計是每年0.5～2.7GtC，自然生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為耕地使土壤碳貯量減少了38Gt。隨著人口劇增，呼吸作用產(chǎn)生的CO2也不容忽視。綠色植物通過光合作用會吸收大量CO2，全球森林生態(tài)系統(tǒng)中貯存的碳量為1146Mt，另外海洋也是一個巨大的碳匯。

　　表3 全球碳的主要源和匯(百萬噸/年)

　　源

　　化石燃料燃燒排放

　　5700

　　土地利用變化排放

　　2000

　　匯

　　海洋吸收

　　2500

　　植物生態(tài)系統(tǒng)吸收

　　1000

　　CO2合計

　　自然源

　　人為源

　　年吸收

　　年增量

　　770000

　　23100

　　781400

　　11700

　　引自王彥佳. 氣候變化與溫室氣體減排，2005

　　2.甲烷CH4

　　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，全球大氣CH4濃度從工業(yè)革命前的715ppb增加到了20世紀90年代的1732ppb，2005年更是高達1774ppb，遠遠超過了過去65萬年來自然因素引起的變化范圍320～790ppb。據(jù)聯(lián)合國預(yù)測，21世紀末大氣中的CH4濃度將翻一番，達到3500ppb。

　　表4 大氣中CH4的濃度變化(ppb)

　　年份

　　工業(yè)革命以前

　　20世紀90年代

　　2005年

　　21世紀末

　　大氣CH4濃度

　　715

　　1732

　　1774

　　3500

　　數(shù)據(jù)來自冰芯資料和直接觀測與預(yù)測

　　大氣中CH4的每月平均混合比

　　資料顯示，北半球大氣中CH4的平均濃度明顯比南半球高，可能是因為北半球受人類活動影響比較大，估計人為源占60%，主要是水田耕作、畜牧業(yè)發(fā)展、生物質(zhì)燃燒以及固體廢棄物填埋。另外自然濕地由于其良好的厭氧發(fā)酵條件而向大氣釋放大量CH4，約占25%。大氣中的CH4可與羥基自由基發(fā)生氧化還原反應(yīng)而去除，少量會向平流層輸送，也有部分被土壤吸收。

　　3.一氧化二氮N2O

　　全球N2O濃度從工業(yè)革命前的270ppb增加到了2005年的319ppb，冰芯分析結(jié)果表明，直到20世紀中葉，大氣中N2O的濃度一直處于285ppb左右，其后就呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢。目前大氣中的N2O濃度的年增長率約為0.25%，即平均每年增加0.8ppb。

　　世界各地的觀測資料幾乎沒有顯示出南北半球大氣中N2O的濃度差，可能是因為它本身濃度很低，人為排放量小，也可能與N2O在大氣中的壽命較長有關(guān)。不過像燃燒化石燃料、施用化學(xué)肥料以及生物質(zhì)燃燒等人類活動無疑會向大氣排放N2O，其中人為源有60%～70%來自耕作土壤，另外一些工業(yè)生產(chǎn)過程如硝酸、尼龍、合成氨和尿素等也會向大氣釋放N2O。大氣中N2O的自然源則主要包括森林、草地和海洋等自然系統(tǒng)，約占總排放量的60%。N2O在大氣中非常穩(wěn)定，主要通過光化學(xué)反應(yīng)除去，另外土壤也能吸收少量N2O。

　　表6 大氣中N2O的源和匯(百萬噸/年)

　　N2O

　　自然源

　　人為源

　　年吸收

　　年增量

　　9.5

　　6.9

　　12.6

　　3.8

　　引自王彥佳. 氣候變化與溫室氣體減排，2005

　　4.氟氯烴CFCs

　　大氣中原本不存在CFCs，只因為它們是理想的制冷劑和氣溶膠噴霧劑，長期以來被廣泛應(yīng)用于制冷、泡沫、消防、氣溶膠和清洗等部門。人類活動向大氣排放的CFCs是一種重要的溫室氣體，還會破壞臭氧層。近幾十年來，大氣中的CFC11和CFC12始終以4%左右的年增長率迅速增加，目前已達到0.4ppb，未來還會緩慢增加。CFCs在對流層會與羥基自由基反應(yīng)，在平流層中發(fā)生光化學(xué)分解而去除。

　　三、城市熱島

　　正如溫室氣體會導(dǎo)致全球變暖，城市熱島對氣候變化也有一定貢獻。在人口高度密集、工業(yè)集中的城市區(qū)域，由人類活動排放的大量熱量與其他自然條件的共同作用致使城區(qū)氣溫普遍高于周圍郊區(qū)，人們把這種現(xiàn)象稱為“人造火山”。高溫的城市處于低溫郊區(qū)的包圍之中，如同汪洋大海中的一個小島，因此也稱為“城市熱島”。城市熱島強度表現(xiàn)為夜間大于白天，日落以后城郊溫差迅速增大，日出以后又明顯減小，主要由以下幾種因素綜合形成。

　　城市建筑物和水泥路面大多導(dǎo)熱性好，受熱傳熱快。城市建筑物密度越大，布局越呈團塊狀，下墊面對太陽輻射吸收就越明顯，吸收的太陽輻射總量就越多。布局越呈團塊狀，下墊面的天穹可見度就越小，地表熱量損失的空間就越小，地面通過長波輻射損失的熱量就越少，氣溫就越高。城市建筑物參差不齊，形成許多高寬比不同的城市街谷，這種復(fù)雜的立體下墊面在白天能比郊區(qū)獲得較多的太陽輻射，在夜晚相對于空曠的郊區(qū)來說不易散開熱量，導(dǎo)致了城市熱島的形成。

　　引自肖榮波等. 城市熱島時空特征及其影響因素，2007

　　人口高度密集、工業(yè)集中，燃燒的工業(yè)鍋爐及冷氣、采暖等固定熱源，機動車輛、人群等流動熱源大量釋放城市廢熱。有資料顯示，在人口為50～100萬的城市氣溫要比郊區(qū)高1.1～1.2℃，人口超過100萬的城市城郊溫差為1.2～1.5℃。

　　高聳入云的建筑物造成近地表通風(fēng)不良。

　　人類活動釋放的廢氣改變了城市上空的大氣組成，使其吸收地面長波輻射的能力增強。

　　總的來說，城市熱島強度與城市規(guī)模、人口密度以及氣象條件有關(guān)，其影響不容忽視，對氣候變化也有一定貢獻。

　　城市熱島使城區(qū)冬季縮短，霜雪減少，有時甚至發(fā)生郊區(qū)降雪而城內(nèi)降雨的情況，如上海1996年1月17～18日。

　　城市熱島在中低緯城市造成的高溫容易導(dǎo)致夏季中暑和死亡的人數(shù)增加，1980年7月熱浪襲擊圣路易斯和堪薩斯，兩市商業(yè)區(qū)死亡率分別提高了57%和64%，而附近郊區(qū)死亡率只增加10%。

　　熱島效應(yīng)使城市上空云霧量增多，導(dǎo)致城市的降水量發(fā)生變化，形成明顯的“雨島效應(yīng)”和“霧島效應(yīng)”，2000年上海市區(qū)汛期雨量平均比遠郊多50mm以上，相當于多下了一場暴雨。

　　城市熱島會使城市耗電量及用水量大增，從而耗掉大量能源，造成更多的廢熱，進一步加強熱島效應(yīng)和其他氣候效應(yīng)，形成惡性循環(huán)。

　　城市熱島使市區(qū)溫度高，熱空氣上升，周圍冷空氣向市區(qū)匯流補充，結(jié)果把郊區(qū)工廠的煙塵和由市區(qū)擴散到郊區(qū)的污染物重新聚集到市區(qū)上空，加重了大氣污染。

　　緩解城市熱島效應(yīng)需要廣泛有效的氣象環(huán)境監(jiān)測，減少人為熱的排放，開發(fā)新能源，發(fā)展溫排水冷卻技術(shù)。此外還要優(yōu)化城市結(jié)構(gòu)，搞好城市綠化工作，發(fā)展城市公共交通系統(tǒng)，減少汽車尾氣排放。

　　四、氣候變化

　　不管是溫室氣體還是城市熱島，對氣候變化都有不可推卸的責(zé)任。IPCC第四次評估報告指出，21世紀末氣候變暖引起海平面平均升高26～59cm，因海平面升高等異常氣象災(zāi)害造成的難民將達到2億人。1960年以來，西半球中緯度西風(fēng)在加強。1970年之后，在熱帶和亞熱帶地區(qū)觀測到了更強和更長時間的干旱。強降水的發(fā)生頻率有所上升，與氣候變暖和觀測到的大氣水氣含量增加相一致。近50年來已經(jīng)觀測到極端溫度的大范圍變化，冷晝、冷夜和霜凍更為少見，而熱晝、熱夜和熱浪卻更加頻繁。1970年以來全球呈現(xiàn)出熱帶氣旋強度不斷增大的趨勢，伴隨著更大的風(fēng)速和更強的降水。IPCC預(yù)測，未來多年凍土區(qū)的融化深度會廣泛增加，南北極海冰將退縮。熱帶以外的風(fēng)暴路徑會向極地方向移動，引起非熱帶地區(qū)的風(fēng)、降水和溫度場變化。高緯地區(qū)的降水量很可能增多，而多數(shù)亞熱帶大陸地區(qū)的降水量則有可能減少。

　　氣候變化不可避免會引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，海平面上升直接威脅到沿海地區(qū)人們的生命財產(chǎn)安全。全球變暖和干濕格局變化對動植物適應(yīng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都會產(chǎn)生嚴重影響。全球水資源分布變化會明顯改變河川徑流和水分平衡值，進而改變河湖的總水量和水位并由此引發(fā)一系列的水文學(xué)問題。熱帶氣旋、洪水、雷暴、熱浪、雪崩、干旱、泥石流和海嘯等與氣候變化直接相關(guān)的自然災(zāi)害頻頻發(fā)生，造成巨大損失。例如1998年中國長江流域發(fā)生特大洪水，受災(zāi)人口達2.23億，經(jīng)濟損失高達2700億元，2004年印度尼西亞海嘯有20多萬人喪失了寶貴的生命。

　　五、蓋亞假說Gaia hypothesis

　　既然氣候變化的后果這么嚴重，而全球變暖還在繼續(xù)，地球就真的那么不堪一擊嗎?英國大氣學(xué)家拉伍洛克James Lovelock早在20世紀60年代末就提出了蓋亞假說Gaia hypothesis，認為地球上的生物不僅生成了大氣，而且還調(diào)節(jié)著大氣，使其保持一種穩(wěn)定的氣體構(gòu)成，從而有利于生命的存在。地球上的生命及其物質(zhì)環(huán)境，包括大氣、海洋和地表巖石是緊密聯(lián)系在一起的系統(tǒng)進化。生命首次出現(xiàn)的地球完全不同于今天的地球，那時地球大氣充滿了CO2，根本就沒有O2。根據(jù)恒星演化理論，那時的太陽溫度要比現(xiàn)在低25%～30%，早期的溫室效應(yīng)使地球保持溫暖的狀態(tài)。隨著太陽溫度的升高，海水變熱，蒸發(fā)強烈，再加上若干億噸蘊藏在碳酸鹽巖石中的CO2釋放出來，長此以往溫室效應(yīng)必將失控。幸運的是，大約在20億年前海洋中開始出現(xiàn)藍藻，它們通過光合作用使大氣中的CO2轉(zhuǎn)化為有機化合物，釋放出O2，拯救了整個生命世界。地球從誕生之日起就從來沒有平靜過，除了各種旱澇、颶風(fēng)、海嘯、地震以及火山爆發(fā)之外，它還不斷地被來自宇宙空間的巖石碎塊所轟擊。平均大約一億年就有一顆巨大的隕星撞擊地球，往地球大氣中注入大量塵埃和氣體，遮蔽住陽光，使地球遭受極大的災(zāi)難，大量物種滅絕，例如恐龍的滅絕就是一個典型的例子。但6500萬年前恐龍滅絕之后經(jīng)過漫長的年代地球上又出現(xiàn)了新物種，這表明地球上生物和環(huán)境結(jié)合起來的系統(tǒng)是強健的并能很快修復(fù)自己的創(chuàng)傷。雖然災(zāi)難發(fā)生時生命對全球環(huán)境的控制會暫時中斷，但在事后生命會迅速恢復(fù)控制并重新啟動調(diào)節(jié)功能。這并不意味著地球沒有變化，因為物種更新了，環(huán)境也有所改變。總之，蓋亞假說認為地球上的生物與環(huán)境結(jié)合起來的大系統(tǒng)一般來說是穩(wěn)定的，但當其處于超越自身調(diào)節(jié)能力的非常狀態(tài)時，也會發(fā)生突變。

　　蓋亞假說的核心思想是認為地球是一個生命有機體，拉伍洛克說地球是活著的, 其本身就是一個巨大的生命有機體, 具有自我調(diào)節(jié)能力。 為了這個有機體的健康, 假如她的內(nèi)在出現(xiàn)了一些對她有害的因素，蓋亞本身具有一種反饋調(diào)節(jié)機能,能夠?qū)⒛切┯泻σ蛩厝コ簟Ｉ镅莼c環(huán)境變化是藕合的過程，自然選擇的生物進化是行星自我調(diào)節(jié)的一個重要部分，生物通過反饋對氣候和環(huán)境進行調(diào)控，造就適合自身生存的環(huán)境。

　　自地球形成以來的46億年中，太陽輻射強度增加了25%～30%。從理論上講，太陽輻射強度增減10%就足以引起全球海洋蒸發(fā)干涸或全部凍結(jié)成冰，但地質(zhì)歷史記錄卻證明，地球上盡管發(fā)生過三次大冰期和大冰期內(nèi)的暖熱期交替變化，地表的平均溫度變化僅在10℃上下，說明地球存在某種內(nèi)部的自我調(diào)節(jié)機制。當前大氣中溫室氣體的濃度越來越高，全球變暖越來越明顯，理論上將導(dǎo)致陸地植被向兩極擴展，面積不斷增大，對CO2等溫室氣體的吸收能力也越來越強，這又反過來降低了大氣中溫室氣體的濃度，即地球上存在著負反饋調(diào)節(jié)機制。

　　根據(jù)蓋亞假說，地球上的各種生物能有效調(diào)節(jié)大氣的溫度和化學(xué)構(gòu)成，影響生物環(huán)境，而環(huán)境又反過來影響達爾文的生物進化過程，兩者共同進化。各種生物與自然界之間主要由負反饋環(huán)連接，從而保持地球生態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)。大氣能保持穩(wěn)定狀態(tài)不僅取決于生物圈，而且在一定意義上為了生物圈。各種生物調(diào)節(jié)其物質(zhì)環(huán)境，以便創(chuàng)造各類生物優(yōu)化的生存條件。

　　蓋亞假說認為，地球表面的溫度和化學(xué)組成是受生物圈主動調(diào)節(jié)的。地球大氣的成分、溫度和氧化還原狀態(tài)等受天文、生物或其他干擾而發(fā)生變化并產(chǎn)生偏離。生物通過改變其生長代謝對偏離做出反應(yīng)，以緩和地球表面的變化。全球變暖導(dǎo)致海平面上升，威脅萬物生存，從蓋亞假說的角度來看，地球不會變得如此不適合萬物生存，總會有一些制衡作用應(yīng)運而生，而所有作用加起來就是一個恒定的地球。把地球看成一個最大的生物，一些看似不平衡的現(xiàn)象就可以用個體生物上的觀念來理解。我們發(fā)現(xiàn)氣溫上升、鹽度增加等現(xiàn)象會導(dǎo)致藻類增加二甲基初油酸的排放量，而二甲基硫的增加會使得大氣的反射率增加，進而降低地表溫度。

　　雖然根據(jù)蓋亞假說，地球母親這個巨大的生命有機體能有效抵制外來變化以保持自身的穩(wěn)定，適應(yīng)萬物生存，但是這并不代表人類所做的一切都有一個凡事包容的媽媽在為他們處理善后。我們不是悲觀主義者，但我們也不要過于樂觀，作為孩子的我們應(yīng)該學(xué)會認錯，更應(yīng)該懂得彌補。蓋亞假說本身并不是判斷人們的行為正確與否的最終道德標準，從哲學(xué)的角度來看，物極必反，事物性質(zhì)的穩(wěn)定需要一個“度”，一旦超過了這個“度”，事物必然會發(fā)生質(zhì)變。人類肆無忌憚的破壞速度是蓋亞母親來不及趕上的，今天的蓋亞假說并不是給人類的所作所為找一個下臺階，而是提供一個思考或研究的方向來合理地對待我們的環(huán)境，甚至期待人們可以將創(chuàng)造力用于幫助大地之母，至少不要再增加她的負擔(dān)。

　　六、展望

　　正如我們不能全靠地球母親來處理善后，氣候變暖將持續(xù)數(shù)百年，會帶來一系列災(zāi)難性后果，各國政府應(yīng)該積極采取有效措施。我們不僅要嚴格控制人口增長，減少化石燃料燃燒，開發(fā)新能源，還要植樹造林，合理利用土地，停止使用氟氯烴等化合物。

　　科學(xué)家還設(shè)想了一些方案，比如說把CO2儲存到地下，從空氣中過濾CO2，向海洋傾斜鐵粉以促進那些吞噬CO2的浮游生物大量繁殖，把CO2轉(zhuǎn)變成巖石，向云層噴灑微鹽粒子以提高云層反射太陽光的能力，還有用太空鏡過濾太陽光等。

　　其實有些技術(shù)早已成為現(xiàn)實，例如采用食品級CO2替代氟氯烴進行煙絲膨化。光明化工研究設(shè)計院開發(fā)了利用超臨界CO2進行無水印染技術(shù)，中試各項性能指標達到傳統(tǒng)工藝水平。工業(yè)氣體生產(chǎn)商德國林德公司推出的干洗新方法，使用基于CO2的洗滌技術(shù)，讓綠色化學(xué)進入洗衣業(yè)。上海化工設(shè)計院以焦炭為原料，CO2為氣化劑，經(jīng)還原法制備出粗CO氣，再采用組合裝置對粗CO氣進行凈化精制，生產(chǎn)出高純CO氣。日本關(guān)西電力公司和三菱重工公司正在開發(fā)用CO2和H2生產(chǎn)二甲醚的新方法，從工業(yè)設(shè)施捕集CO2和H2反應(yīng)生成甲醇，甲醇再脫水產(chǎn)生二甲醚。內(nèi)蒙古蒙西高新技術(shù)集團在國內(nèi)首創(chuàng)全生物降解CO2共聚物技術(shù)，從水泥窖尾氣中提取CO2作為原料用于全降解塑料生產(chǎn)。河南省上蔡駿馬廣建化工公司采用上海化工研究院有機化工研究所開發(fā)的CO2廢氣在近臨界狀態(tài)下與環(huán)氧丙烷直接合成碳酸丙烯酯的清潔生產(chǎn)新工藝，利用化肥生產(chǎn)中富余的CO2直接進行生產(chǎn)，可節(jié)約蒸汽40%，節(jié)約電65%，節(jié)約水60%，設(shè)備投資減少30%以上。