第26卷第1期大學(xué)化學(xué)Vol 26 No. 12011年2月UNIVERSITY CHEMISTRYFeb.2011題址介全球氣候變暖中的大氣化學(xué)問題尹學(xué)博(南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院分析科學(xué)研究中心天津300071)摘要介紹全球氣候變暖中的大氣化學(xué)問題。討論臭氧層破壞的化學(xué)機理從化學(xué)結(jié)構(gòu)角度分析溫室氣體對溫室效應(yīng)的影響,并給出解決氣候變暖的應(yīng)對措施關(guān)鍵詞氣候變暖溫室效應(yīng)臭氡層破壞分子結(jié)構(gòu)2009年12月7~19日,在丹麥哥本哈根舉行的聯(lián)合國氣候大會吸引了來自全球190多個國家和地區(qū)的超過1.5萬名代表參會。目前氣候變化的主要問題是全球溫度逐漸升高,即全球氣候變暖。地球上的能量主要來自太陽。如圖1所示(,太陽短波(波長200~400m)通過大氣輻射到地面。在到達地球的輻射中,30%被地表和云層散射回外太空,20%被大氣吸收,其余50%被地表吸收,其中被吸收的部分還可以長波輻射的形式返回外太空。在正常情況下,地球吸收的輻射和放出的輻射達到平衡并維持相對穩(wěn)定的地球溫度,稱為輻射平衡( radiative balance)。太陽入射輻射的增加或地表向外輻射的降低,都可能使地表與低層大氣溫度增高,即通常所說的全球氣候變暖。長波輻射和短波輻射都是電磁波,其中波長短的電磁波能量高波長長的電磁波能量低。從分子結(jié)構(gòu)角度看,破壞分子化學(xué)鍵所需要的能量高,與某些短波能量相近;而分子的振動能量所需要能量較低與太陽輻射中的某些長波輻射能量相近。太陽短波輻射可以導(dǎo)致大氣中的分子,如氧氣(O2)、臭氧(O3)、氯氟碳化合物(CFCs)等的共價鍵的破壞從而降低太陽短波對地球的輻射。因此大氣平流層中臭氧層的破壞將導(dǎo)致太陽向地球的短波輻射增加;而大氣中的二氧化碳(CO2),甲烷(CH4),一氧化二氮(N2O),CFCs及水汽(H2O)的分子振動則可以吸收某些長波輻射減少長波輻射向外大氣的釋放從而導(dǎo)致地表溫度的升高,這種影響稱為溫室效應(yīng)( greenhouse effect),這些氣體又稱為“溫室氣臭氧層的破壞和溫室氣體的增加已成為氣候變暖的元兇,而全球氣候變暖又導(dǎo)致了許多其他問題,如農(nóng)業(yè)病蟲害增加,海平面上升,氣候反常,土地干旱、沙漠化面積增大以及一些與之相關(guān)的潛在影而且,溫室氣體增加導(dǎo)致溫度的升高可進一步使臭氧層變薄從而導(dǎo)致南極地區(qū)臭氧層的損耗增加。正常情況下輻射平衡的微小破壞可以得到自修復(fù)。如按照 Plank黑體輻射定律高溫物體的紅外輻射增大。當(dāng)溫度升高后通過紅外輻射的增加使整個系統(tǒng)達到新的平衡3。為衡量對輻射平衡的影響科學(xué)家提出了輻射壓迫力( radiative forcing)的概念;正輻射壓迫力指吸收的輻射多于放出的輻射,而負輻射壓迫力則相反(34。多種輻射壓迫力結(jié)合構(gòu)成了影響地球變暖的總輻射壓迫力。溫室氣體的增加以及臭氧層破壞是正輻射壓迫力,導(dǎo)致地球溫度升高;最大的負輻射壓迫力則是氣溶膠,它既可以反射和吸收太陽輻射,又可以增加云層對太陽輻射的反射能力,從而導(dǎo)致全球氣溫降低。但氣溶膠導(dǎo)致的“冷卻”效果僅為溫室效應(yīng)的47%),因而總輻射壓迫力是正值,即全球變暖。 Hartmann等利用30年的數(shù)據(jù)證明了臭氧層損耗和全球變暖是氣候變化的主要原因。 Aldhous3認為溫室氣體導(dǎo)致的溫度升高同時與南極地區(qū)臭氧層的損耗有關(guān), Ramanathan和Fe中國煤化工體不是某個局CNMHG·通訊聯(lián)系人,Emil: bayin@ nankai,edu,c38大學(xué)化學(xué)第26卷部而是全球的問題,因為它們正在導(dǎo)致全球的氣候變化,全球變暖已成為一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題。哥本哈根聯(lián)合國氣候大會就是在這種背景下召開的。大氣的組成影響太陽短波輻射的吸收和長波輻射的散失,從而決定地表溫度;了解與氣候變暖相關(guān)的大氣化學(xué)問題對于理解全球氣候變暖的根源具有重要意義。本文從大氣化學(xué)角度探討大氣成分對短波輻射和長波輻射的影響,了解大氣成分在氣候變暖中所起的作用及其應(yīng)對措施。地表吸收效應(yīng)圖1地球能量的吸收和散失(11短波輻射中的大氣化學(xué)問題太陽的短波輻射波長范圍為200~400mm,即通常所說的紫外線。當(dāng)太陽光到達地球時,波長≤242m的短波輻射可以被O2分子吸收,破壞O2分子形成兩個0原子O2+光子(A≤242mm)-20這是因為破壞1molO2分子所需要的能量(即鍵能)約為498k·mo-1n,與lmol波長242m光子的能量(45kmol-)相當(dāng)。而空氣中的N2分子,因存在N=N三鍵,鍵能更大,為946kJ·mol1),破壞N=N三鍵所對應(yīng)電磁波的波長約為127mm,這個波長不在太陽輻射的短波范圍。因此,N2對氣候變暖影響相對較小。另一個可以阻擋短波輻射的重要分子是臭氧(O3)。臭氧分子中的3個氧原子鍵連在一起,其中中間的氧原子采取甲p2不等性雜化,其中兩個單電子軌道分別與另兩個氧原子形成一個a鍵而孤對電子對的較大排斥力使得兩個00鍵之間的鍵角為117°,小于等性雜化的120°。同時在3個氧原子之間形成一個大丌鍵。這種成鍵模式使得兩個00鍵的鍵長和鍵能介于單鍵與雙鍵之間,即破壞臭氧分子中00鍵所需要的能量小于破壞O2分子的能量。研究發(fā)現(xiàn)波長≤320m的短波輻射可以通過下面的方式被臭氧分子吸收O3+光子(A≤320m)—O2+0(2)O2和O3在抑制太陽短波輻射方面發(fā)揮著重要作用。1920年西德尼·查普曼( Sydney Chapman)提出了大氣中O2和O3的循環(huán),又稱為查普曼循環(huán)( Chapman' s oxygen-cycle,圖2)(2)。O2分子吸收波長≤242mm的短波形成兩個氧原子(化學(xué)上,因為氧原子的最外層含有單電子,易參與化學(xué)反應(yīng),因此又稱為自由基)氧原子與氧氣分子發(fā)生碰撞形成O3分子(圖2中的快、慢指反應(yīng)速度的快和慢);臭氧分子吸收波長<320m的紫外光,失去一個氧原子變成氧氣分子,也可以和一個氧自由基結(jié)合變成兩個氧分子。同時地球上綠色植物的光合作用不斷提供O2分子。然而,人類活動在大氣中引人了一些其他容易形成自由基的分子如氯氟烴。氟利昂12(氯氟烴的一種)破壞O3的過程如下:在平流層紫外光的輻射下氟利昂12分解產(chǎn)生氯自由基(Cl)(29:ra,博2一r,aYH牌化工H G(3)第1期尹學(xué)博:全球氣候變暖中的大氣化學(xué)問題O2-紫外光子A≤242mm)-20圖2查普曼循環(huán)21氯自由基(Cl·)再與O3反應(yīng),形成氯氧自由基(C0·):O3+Cl-+02+CI0(4)兩個氯氧自由基(CO·)結(jié)合得到Clo0ClClO·+Cl+ClOoClCIOOCI+光子一C00·+Cl(6)C|00從查普曼循環(huán)中可以看出,一個氧自由基(O·)可以分解一個臭氧分子,而氟利昂12產(chǎn)生的氯自由基分解臭氧后又回到原來狀態(tài),重新生成氯自由基(Cl·),它又可以參與更多O3分子的分解。據(jù)報道“一個C·在被風(fēng)帶到低層大氣之前可以催化分解約1×105個03分子”2。由此可見氟利昂12對臭氧層的破壞力極大。2長波吸收中的大氣化學(xué)問題地球發(fā)出的長波輻射可以被大氣中的溫室氣體分子吸收,吸收的能量通過分子間的相互碰撞而傳遞并被保留在大氣層,從而降低地球?qū)ν獾拈L波輻射。因大氣低層密度大,溫室氣體含量高,地表和低層大氣的溫度受溫室氣體的影響更大。首先需要肯定地球與大氣之間的能量交換,它有助于維持生命存在所必需的溫度?，F(xiàn)今地球的平均溫度約為15℃,比按 Stefan- Boltzmann方程計算的無大氣存在情況下高33℃0。因此,大氣對輻射的吸收和釋放對于維持地球溫度起著重要作用,即適當(dāng)?shù)臏厥倚?yīng)對于維持目前地球環(huán)境起著重要作用。然而,人類活動增加了大氣中CO2甲烷以及其他氣體的濃度,破壞了既有的輻射平衡( radiative balance)3),從而降低了大氣對長波輻射的釋放加劇了地球變暖Houghton(詳細評述了各種溫室氣體對全球氣溫的影響及全球氣溫的變化趨勢。與O2和O3吸收太陽短波輻射導(dǎo)致OO鍵斷裂不同,溫室氣體分子吸收不同能量的長波輻射(波長位于可見光紅外光區(qū)域的電磁波),可導(dǎo)致分子內(nèi)部電子能級的躍遷、振動能級或轉(zhuǎn)動能級的躍遷所謂振動能級是指分子中原子間距離增加或減小時分子能量的差異;而轉(zhuǎn)動能級則是分子內(nèi)原子繞鍵軸旋轉(zhuǎn)時分子能量的差異。電子能級躍遷需要的能量高于振動能級和轉(zhuǎn)動能級的躍遷,而振動能級躍遷高于轉(zhuǎn)動能級躍遷)。同核雙原子分子,如O2和N2,因振動時電荷分布不變而不吸收長波輻射。大氣層中主要的溫室氣體有二氧化碳(CO2),甲烷(CH4),一氧化二氮(N2O),氯氟碳化合物(CFCs)及水氣(H2O)等。這些氣體可以吸收長波輻射引起分子內(nèi)部電子能級振動能級或轉(zhuǎn)動能級的躍遷而顯示溫室效應(yīng)2.1氯氟碳化合物氯氟碳化合物( chlorofluorocarbons,CFCs)是烴中的某些氪原子神氯子和氯原子取代后的產(chǎn)物,因此又稱氯氟烴,最重要的是CFC1!和CFC-12。這類化合物中國煤化工易燃、無毒性、無腐蝕性和相當(dāng)穩(wěn)定廣泛用作壓縮噴霧噴射劑、清潔劑冷CNMHG氟碳化合物中代碼表示了它的組成,如CFC11,CFC為氯、氟、碳3個元素的首字母,后面的數(shù)字,如11加上90,即大學(xué)化學(xué)第26卷11+90-101得到的三位數(shù)中左起第1位表示分子中碳原子數(shù)第2位表示氫原子數(shù)第3位表示氟原子數(shù)按照飽和烴計算氯原子個數(shù),即CFC1中包括1個碳,0個氫,1個氟和3個氯21由于CFC1和CFC12應(yīng)用廣泛,是大氣中的濃度最高的氯氟烴,而且這兩種氣體吸收紅外線輻射的能力相當(dāng)高。在20世紀(jì)80年代除了CO2以外,CFC11和CFC12占其他溫室氣體對輻射力影響總和的三分之一。同時,CFC1l和CFC12還可以通過方程(4)~(7)的過程消耗平流層內(nèi)的O3。因此它們對全球變暖的影響是雙重的,一方面破壞O3層增加太陽對地球的短波輻射另一方面作為溫室氣體阻擋地表對外的長波輻射。22水汽普遍認為大氣中的水汽(H2O)受人類活動影響較小。相對于自然界的排放,人類活動產(chǎn)生的水汽對溫室效應(yīng)的影響可以忽略,因此,水汽又稱“天然溫室氣體”。因為溫度升高迫使森林水汽蒸發(fā)增加,Soden等{提出了一種利用大氣中水汽含量衡量全球變暖程度的方法。2.3甲烷甲烷是在缺氧環(huán)境中由甲烷細菌或生物體腐敗產(chǎn)生;牛羊等牲畜消化系統(tǒng)的發(fā)酵過程也可能產(chǎn)生甲烷。每年大氣層中的甲烷含量會凈增350噸左右,它在大氣中存在的平均壽命為8年左右。除了天然排放CH4,人為活動造成的CH4排放因素有自然水體受生活污水和工業(yè)廢水的污染以及工業(yè)制造等24氮氧化物氮氧化物主要指一氧化二氮(N2O),其中一部分來源于大氣放電另一部分則來源于人為排放如農(nóng)業(yè)畜牧活動和工業(yè)排放如硝酸、己二酸等的生產(chǎn)。N2O在大氣層中的存在壽命是150年左右,盡管它在對流層中呈化學(xué)惰性但是可以利用太陽輻射的光解作用在同溫層中將其中的90%分解,部分的N2O可以和活躍的氧自由基(0·)反應(yīng)。N2O+hN2+0·N2O+0·—N2+O2式(8)與式(9)相加,有:2N2O+h+2N2+O2,即兩個N2O分子在光子作用下轉(zhuǎn)化為N2和O225二氧化碳大氣中二氧化碳濃度增加的主要原因是工業(yè)化后的大量開采和使用礦物燃料。1860年以來,由燃燒礦物質(zhì)燃料排放的二氧化碳平均每年增長率為422%;而近30年,二氧化碳排放量每年達到50億噸左右。大氣中二氧化碳增加的另一個原因是采伐樹木作燃料。二氧化碳在大氣中的壽命長達個世紀(jì),這足以使其在大氣中積累到數(shù)十億噸。因此被形象地稱為“二氧化碳毯”(CO2 blanket)。3結(jié)論及應(yīng)對策略氣候變暖引起全球關(guān)注理解產(chǎn)生臭氧層破壞和溫室氣體的作用機制對于普及全球變暖的基礎(chǔ)知識群策群力解決環(huán)境問題具有重要意義。溫室氣體包括大氣層中自然產(chǎn)生的水蒸氣、二氧化碳氮的各種氧化物和人類活動排放的氯氟甲烷(HFCs)、氫氟化物、全氟化物(PCs)等。這些物質(zhì)的吸熱能力不同,如氮氧化合物是二氧化碳的270倍氯氟甲烷(HFCs)和全氟化物(PFCs)則是目前為止吸熱能力最強的物質(zhì)。具體分析這些溫室氣體:①水蒸氣及臭氧的時空分布變化較大,在進行減排措施規(guī)劃般不考慮這兩種氣體;②氮氧化合物、氯氟烷烴和全氟化物吸熱能力最強但含量較低;③二氧化碳含量較多,所占比例高達55%,對全球升溫的影響最大;如果二氧化碳含量比現(xiàn)在增加一倍全球氣溫將升高4~51,因此二氧化碳被稱為最大的正輻射壓迫力中國煤化工氟烷和二氧化碳排放成為降低溫室效應(yīng)的首要任務(wù),同時還可以減輕它CN Ought卻認為全球氣候的穩(wěn)定首先需要控制大氣中溫室氣體含量的穩(wěn)定。第1期尹學(xué)博:全球氣候變暖中的大氣化學(xué)問題除了上面討論的與大氣化學(xué)有關(guān)的氣候變暖因素外,人類活動還可能直接排放微小顆粒物或人為排放物在大氣中形成微小顆粒物,這些微粒分散到大氣中形成氣溶膠(微米級的顆粒,PM),如SO2排放形成的硫酸鹽氣溶膠( sulfate aerosols)(4。從化學(xué)角度看這些顆粒物并不是單一的某種物質(zhì)而是包括排放到空氣中各種微小固體和液體。它們的大小不同,對人類的影響也不同;PM是指粒徑小于10m的顆粒懸浮物而PM12s的粒徑則小于2.5μm121。從1970年科學(xué)家就認識到氣溶膠反射太陽光從而有助于降低地球表面溫度。為表明顆粒物對太陽光的遮擋氣溶膠被形象地稱為“大氣棕色云團"( atmospheric brown clouds)m。棕色云團增強了對太陽光的吸收和散射減少了到達地球的太陽能,從而使地球表面變暗。炭黑、硫酸鹽和有機物等對這種變暗起著重要作用。雖然這種影響只是物理影響但空氣中氣溶膠的含量與溫室氣體含量呈正相關(guān),這表明人類活動在增加溫室氣體的同時,同樣增加了大氣中的顆粒物含量。因此降低溫室氣體的排放,有助于降低空氣顆粒物含量,改善空氣質(zhì)量。由于現(xiàn)代化工業(yè)社會過多燃燒煤炭、石油和天然氣等化石燃料放出的二氧化碳氣體對全球溫度影響最大,有效降低二氧化碳排放(即現(xiàn)在經(jīng)常說的碳排放)已成為刻不容緩的事情,而且這些化石燃料不完全燃燒產(chǎn)生的NO,可能影響大氣中臭氧的含量。有效降低化石燃料的使用也是降低人為顆粒物排放,改善空氣質(zhì)量的一個重要手段。哥本哈根會議的一個議題就是根據(jù)世界上不同國家的國情制定不同國家的減排目標(biāo),有效遏制全球氣候變暖過快。在不可避免使用化石能源的時侯,如何提高其使用效率從而降低它的使用也成為減排的一個重要課題。這個問題已引起高度重視,如國家科技部發(fā)布的2010年937項目指南中就把化石能源高效轉(zhuǎn)化關(guān)鍵科學(xué)問題作為一個重點資助方向?？嘉墨I[1]李帥商業(yè)文化,2010(5):37[2]段連運,卞江,朱志偉等.化學(xué)與杜會北京化學(xué)工業(yè)出版社2008[3 Serreze M C. Conservation Biology, 2010, 24: 10[4] Ramanathan V, Feng Y Atmos Environ, 2009, 43: 37[5] Aldhous P. Nature, 2000, 404:531[6 Hartmann D L, Wallace J M, Limpasuvan v, et al. Proc Natl Acad Sai USA, 2000, 97: 1412[7] Tinoco Jr 1, Sauer K, Wang J C. Physical Chemistry: Principles and Applications in Biological Sciences. 2nd ed. New Jersey: Prentice-HallINC,1995[8 Houghton J T. Climate Change, 1994: Radiative Forcing of Climate Change and an Evaluation of the IPCC LS2 Emission Scenarios. UK:Cambridge University Press, 1995[9] Molina M J, Rowland F S Nature, 1974, 249: 810[10] Barry R G, Chorley R G. Atmosphere, Weather and Climate. 8th ed. London: Routledge, 200[11] Houghton J Rep Prog Phys, 2005, 68: 1343[12]北京大學(xué)普通化學(xué)原理教學(xué)組普通化學(xué)原理第3版北京:北京大學(xué)出版社2005[13] Bostrom A, Morgan M G, Fischhoff B, et al. Risk Anal, 1994, 14:959[14 Soden B J. Wetherald R T Stenchikov G L, e al. Science, 2002, 296:727[15]王秋施陽化學(xué)教育,200(3):5[16] Mitchell ]r J M A Preliminary Evaluation of Atmospheric Pollution as a cause of the Global Temperature Fluctuation of the Past Century//Singer FS. Global Eects of Environmental Pollution. New York: Springer- Verlag, 1970: 139-155[17] Ramanathan V, Carmichael G. Nat Geasci, 2008(1):221中國煤化工CNMHG