谁是温室效应的最大元凶

赵德水

摘 要：本文综述了温室效应产生的原因，分析了产生温室效应的主要机理，以及引起温室效应的主要气体，并分析各气体理化性质，介绍它们影响气温的过程以及温室气体对环境带来的影响。倡导通过科学的方法来处理目前全球的温室效应。

关键词：温室效应 二氧化碳 甲烷

中图分类号：Q89 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0134-02

温室效应是全球主要环境问题之一，也是近年来人们最为关注的环境问题之一，是造成全球变暖的主要因素。温室效应是一场全球性的环境灾难，它将加速极地和高山的冰川和冻土的融化，导致海水变暖和膨胀、海平面上升，影响地表水分配、降水量、气候带、农业生产以及生态系统的结构和功能。本文对于引起温室效应的气体的一些研究论述，让温室效应的机理清楚明了。

1 温室效应

温室效应：由于化石燃料燃烧、森林砍伐和工业活动等人类活动改变了大气的成分，破坏了自然温室效应的热平衡，导致全球气候急剧变暖，从而成为了一个全球环境问题，称为温室效应。

（1）潘瑞炽先生在《植物生理学》中认为：大气中的CO2能强烈地吸收红外线，太阳辐射的能量在大气层中就“易入难出”，温度上升似温室一样，由此产生“温室效应”（greenhouse effect）。

（2）唐益韶先生在《环境科学》中认为：大气中的臭氧、水蒸气和二氧化碳是影响太阳辐射到达地表的强度的主要因素……大部分长波辐射能阻留在地表和大气层，就使地表和大气下层温度增高。这种现象称为温室效应。如果不存在大气层，地表的长波辐射无阻地射向太空，地表的平均温度将在-22℃～26℃之间，而不是现在的15℃上下。

（3）温室气体的化学组成：目前大气中主要的温室气体主要有就九种：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、臭氧（O3）、水蒸气（H2O）、氧化亚氮（N2O）、氯氟烃（CFCs）、高氟碳化合物（PFCs）、氢氟碳化合物（HFCs）、六氟化硫（SF6）。

二氧化碳（CO2）：是主要的温室气体，其全球变暖影响比例因素为60%。现代大气中CO2增加的原因，主要是由于人类长期使用化石燃料（如，煤、石油、天然气等）所造成的。

甲烷（CH4）：是天然气的主要成分，甲烷主要由厌氧微生物活动产生。随着人口剧增、水田耕作以及畜牧业发展，大气中的CH4浓度越来越高.

臭氧（O3）：臭氧层存在于的平流层中，主要分布在距地面15～35 km范围内，浓度峰值在20～25 km处。由于臭氧层能够吸收99%以上来自太阳的紫外辐射，从而保护了地球上的生物不受其伤害。气候条件和氯氟烃等化合物的共同作用加快了臭氧的分解，促使平流层的臭氧一直在减少，使得更多的紫外线B辐射到达地表，并导致许多严重的生态学后果。臭氧层吸收太阳辐射，可以加热大气层，其原因是臭氧分子吸收紫外线后将分解为氧分子和一个氧原子，当两个氧原子重新组合为氧分子时要放出热能，这实际也是臭氧把太阳辐射里的紫外线转化为热能的过程。

氧化亚氮（N2O）：是一种微量温室气体。因具有较长的大气寿命，一般是150年，因此是一种高强度温室气体。N2O主要来源于陆地-土壤植被系统的释放，以及化石燃料和生物质燃烧。农业中氮肥的使用也增加了N2O的大气排放。

氯氟烃（CFCs）：对大气臭氧层有极大的破坏作用，可谓是臭名昭著。因为其光谱吸收带处于地球辐射光谱最强的一段，因而是一种温室效应极强的温室气体。

高氟碳化合物（PFCs）、氢氟碳化合物（HFCs）和六氟化硫（SF6）：全氯化碳和六氟化硫是在工业过程中产生的。由于具有可能超过1000年的大气寿命，所以这些气体被释放累积在大气中，将持续影响气候达数千年。PFCs主要包括三种物质，其中CF4占绝大数，主要来自冶炼的过程。比如铝的生产。SF6完全是人类活动的产物，因为它具有阻止高温熔化态下铝镁氧化的特征，所以被大量应用于镁铝冶炼。另一个主要来源是绝缘器及高压转化器的消耗，占SF6总排放量的80%。

2 神秘的温室气体甲烷

虽然甲烷在大气中的浓度远小于CO2，但其温室效应却不可小觑。同为一个分子CH4产生的温室效应强度约是一个CO2分子的7.5倍。除了一部分属天然生成外，绝大部分甲烷来源于人类的活动。比如，天然气管道和油井的泄露，掩埋场地的垃圾废物分解，煤矿逸出等等。美国的环境保护电影大片《难以忽视的真相》，介绍的就是温室效应气体CO2浓度升高，对地球生态环境造成的极其恶劣的灾难性后果。

2.1 甲烷的理化性质

甲烷作为一种温室效应气体，近年来在科学界备受关注。甲烷（ methane），分子式CH4，是最简单的有机化合物，分子量16.04kD。甲烷是无色、无味的气体，沸点-161.49℃，比空气轻，易燃烧，水中溶解度极小，与空气成适当比例的混合物遇到火花会发生爆炸，爆炸极限4.9%～16%。甲烷主要是作为燃料，如天然气和煤气，广泛应用于民用和工业中。作为化工原料，可以用来生产乙炔、氢氰酸、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、四氯甲烷和氢氰酸等颇有应用潜力的清洁能源。

2.2 颇有应用潜力的清洁能源

甲烷燃烧不排放污染物，生成的二氧化碳也比较少，是一种颇有应用潜力的清洁能源。甲烷俗名之一叫“沼气”，这是因为沉积于池沼底部的植物残体在厌氧菌的作用下产生的气体主要成分是甲烷。据此原理，人们发明了用发酵法获得沼气的沼气池，利用人畜粪便，杂草和垃圾等在密闭环境中产生沼气，用来烧水、蒸饭、点灯、发电等，以节约石油、煤炭和其它燃料。这也是目前最常见的甲烷气体的利用方式之一。

根据美国能源部测算，在35个标准大气压下，每升吸收剂要储存150升的甲烷，才有可能将甲烷应用于实际。2003年，日本科学家用加热和氧化的方法处理纳米碳材料，然后在这些圆锥形的碳材料侧面开了许多1纳米左右的“小窗”，将甲烷通过小孔送到碳材料内部。进入内部的甲烷气体紧紧聚成小气体团，密度接近液体密度，实现了甲烷的高密度贮存，完全达到了上述标准，而且贮存在碳材料中的气体相当稳定。用纳米碳材料进行甲烷的高密度贮存在日本试验成功，为甲烷能源进入实用阶段提供了技术支持。endprint

2.3 导致甲烷浓度快速升高的因素

甲烷是一种有用的清洁能源，但在对全球变暖的“贡献”上，甲烷的“潜力”却比同为温室气体的二氧化碳大。中国科学院寒区旱区环境与工程研究所姚檀栋研究员，徐柏青博士等科研人员2002年利用自己设计的高精度冰芯气泡甲烷提取分析系统，对青藏高原达索普冰芯进行研究，获得了近两千年来高分辨率中低纬度大气甲烷纪录，使大气温室气体与全球气候变化相互作用取得了突破性进展。他们发现，1850年以来大气中甲烷含量急剧上升，在过去的150年里上升了1.4倍。而在两次世界大战期间人类活动甲烷排放量负增长。大气变暖是甲烷作祟。

美国阿拉斯加大学沃尔特教授在《Nature》（2006年）杂志上说，随着永久冻土层的解冻，其内部富含的甲烷正在迅速向空中释放，速度比先前认为的快5倍。大量温室效应极强的甲烷气体进入大气，将给本已变暖的全球气候“火上浇油”。当科学家飞到遥远的西伯利亚研究永久冻结带的时候，看见一望无际的北极圈湖泊。这听起来很美，但是这些湖泊却非常危险。随着全球气候变暖，这里的湖泊却开始释放甲烷，应为其中冻结的史前动植物开始腐烂解体。这种甲烷释放进入大气的速度比以2006年末快了将近5倍。据科学家研究推断，北部西伯利亚当前已释放出了380 t甲烷，这比以往的估算要高出5倍之多。这一研究成果已经发表在《Nature》上。

2.4 牛羊也排放甲烷

联合国粮农组织公布的一份报告指出：不仅汽车、空调、工厂排放大量温室气体，加速气候变暖，连老牛也应该对气候变暖承担一定责任，因为它们在反刍和打嗝的过程中会排放出导致气候变暖的气体—甲烷。据推算，全球温室气体排放量的18%来自家畜。全球10.5亿～15亿头牛，17亿头羊才是温室效应气体的最大元凶。奶牛在消化这些食物时，各种微生物包括细菌、原虫、真菌和古菌等，都在忙着打破牛瘤胃内的纤维素和其他营养素。奶牛在消化过程中会释放出氢气和二氧化碳，古细菌把这两种气体转化为甲烷，每头奶牛每天可产生最高达380 L的甲烷，主要由每40 s一次的打嗝排出。每年全球反刍动物产生约8000万吨的甲烷排放量，约占每年人造甲烷的28%。在新西兰，因为绵羊和奶牛打嗝产生的甲烷占该国甲烷总产生量的15%。

最近，日本国立禽畜和草原科学研究所的研究人员在《New Scientist》杂志上发表计算了牛肉生产对环境的影响，生产1kg牛肉所产生的温室气体排放相当于36kg二氧化碳。

2.5 将甲烷作为温室气体减排的“突破口”

美国环保专家认为，如果人们现在采取切实可行的措施，大约有1/3的甲烷排放可以避免，而且人们还可以获得经济效益。甲烷在大气中的寿命大约是12年，而二氧化碳是120年。抓住“短命”的甲烷采取措施，易收到立竿见影之功效。

2001年我国科学家赵长伟等对辽河三角洲芦苇湿地温室气体甲烷的观测结果表明，芦苇淹水期间有大量的甲烷排放，排水后甲烷排放明显减少。

更有许多针对牛羊的节能减排，抑制全球气候变暖的措施。温弗里德.德罗赫纳和同事们就研究出一种肥皂大小的药片—“止嗝片”，目的就是制止甲烷产生，从而让牛为减少温室气体排放尽微薄之力。英国科学家已为牛设计出环保餐单，以减少空气污染，政府将制定法规，要求养牛业者引进新的技术保证牛打嗝和放屁不污染环境。新西兰则决定向农民征收牛、羊的“放屁税”，以控制对大气的污染。

参考文献

[1] 潘瑞炽.植物生理学[M].5版.北京：高等教育出版社，2004.

[2] 吴学周.中国大百科全书，环境科学[M].中国大百科全书出版社，1983.

[3] 段昌群.环境生物学[M].2版.科学出版社，2010.

[4] 刘培桐.环境学概论[M].2版.高等教育出版社，1995，5.

[5] 郝吉明，马广大，王书肖.大气污染控制工程[M].3版.高等教育出版社，2010.endprint