温室效应的物理基础

肖胜利 郑好望 尹 涛

(西安通信学院数理教研室 陕西西安 710106)

2009年12月18日在哥本哈根举行的全球气候会议中心议题是二氧化碳减排,提倡低碳经济,以缓解全球气候变暖.全球气候为什么会变暖呢?人所共知这是温室效应所闯的祸.下面从物理的角度对温室效应加以分析.

1 温室效应简介

温室效应(Greenhouseeffect),又称“花房效应”,是地球大气保温效应的俗称.大气能使太阳辐射中的短波成分到达地面并被吸收.长波成分被大气吸收,同时地表向外辐射中的长波成分即红外辐射(Infraredradiation,简称IR)也被大气吸收.长波成分具有热效应,这就使地表与低层的大气温度升高,其作用类似于栽培反季节花木的人造小环境——温室,故称之为温室效应.

由环境污染引起的温室气体浓度增加而导致的温室效应是指地球表面比没有环境污染的地球表面升温的现象.

2 温室效应的两种解释

温室气体包括水蒸气、二氧化碳、甲烷、臭氧和氯氟烃及其他微量气体;这些气体原为大气的自然组成部分,具有吸热和隔热的功能.从这点来说,地球具有天然的温室效应,以适应动植物繁衍.由于现代人类过多燃烧煤炭、石油和天然气,这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气,在大气中增多的结果如同形成一种无形的“玻璃”罩,使太阳辐射到地球上的热量及大气反射回地球上的热量难以向外层空间发散,其结果是地球表面升温,破坏了天然的温室效应,导致出现所谓的温室效应,即全球气候变暖等一系列严重问题(图1).

关于地球升温目前流行的观点是:温室气体中的二氧化碳起主要作用,为罪魁祸首.

关于地球升温的另一种观点是:温室气体中的水蒸气起主要作用,为罪魁祸首.这种观点来自于美国空间研究所的詹姆斯·汉森博士,他认为由于煤和柴油等含碳量高的燃料燃烧不充分,碳的利用率太低而造成的.这不仅浪费资源,而且导致环境的污染,更可甚的是众多的碳粒粉尘聚集在大气对流层中以引起云的堆积.汉森博士认为因40%至90%的地面热量来自于云层所产生的大气逆辐射,云层越厚,热量越不易向外扩散,地球就越来越热,可见由碳粒粉尘固体颗粒状物质凝聚形成的云是罪魁祸首.

图1 温室效应原理简图

不论哪种观点的解释,共同的结论是,温室气体导致了温室效应.只是针对不同的观点,可采取不同的防护措施以保护好人类赖以生存的大气环境而已.

3 温室效应的物理分析

众所周知,地球大气的99%是氮气和氧气,而这两种气体都不吸收长波成分的红外辐射,所以它们对温室效应没有贡献.但不同的是大气中的温室气体却能有效地吸收地球表面、大气(包括其中的云层)本身所辐射出的IR,并产生同样的辐射.温室气体将吸收的热量贮藏于地面及对流层系统之内,如果没有外界因素的影响,则形成天然温室效应.由地球辐射收支平衡假设及各种模拟计算得知:地球表面的平均温度保持在平均15℃,大气上层的平均温度为-20℃.温室气体浓度的增加将导致大气对IR吸收能力的增强,从而引起大气向空间的有效IR,增加了地球表面的额外吸收,原来地球辐射收支平衡的状态被打破,这种收支不平衡的状态只能通过地面及对流层系统温度的升高来补偿,引起温室效应.

以地球表面平均温度保持在15℃时的模型为例,它可等效为一个温度为288K的黑体,按照黑体辐射理论有如图2的辐射分布.

图2 288K时地球辐射分布

从图形可以看出,其辐射能量极大值对应于波长约10000nm,属于红外波段.而研究表明,温室气体中的二氧化碳和水蒸气(包括云层)正好是这一波段辐射的强吸收体.由黑体辐射理论也可知,强的吸收体也正好是强的辐射体,即此时二氧化碳和水蒸气组成的空气可等效为另一黑体,向外辐射IR,其中部分IR又返回到地球,被地球表面又重新吸收,于是二氧化碳和水蒸气保护了地表热量的散失,形成了天然的温室效应,保持动态平衡.但当二氧化碳和云层的浓度增加时,温室气体中二氧化碳浓度和云层厚度比原来更浓更厚,成为更强的吸收体,也成为更强的辐射体,地球表面将吸收更多的热量,从而产生了温室效应.

全球气候变暖的后果很难预料,最严重的问题是海平面因海水的膨胀和两极冰雪的消融而升高,造成沿岸土地大面积淹没;对农作物的影响也很大.

总之,为防止温室效应给全球带来的巨大灾难,必须减少大气中过多的碳粒粉尘和二氧化碳.一方面倡导低碳经济,使人们尽量节约能源,以减少向空气中碳粒粉尘和二氧化碳的排放;另一方面保护好森林和海洋(如不乱砍滥伐森林,不让海洋受到污染以保护浮游生物的生存).当然也可以通过植树造林,减少使用一次性方便木筷,节约纸张(造纸用木材),不践踏草坪等等行动来保护绿色植物,使它们多吸收二氧化碳来帮助消除温室效应.