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温室气体:原因,来源和环境影响

2019-1-5@艾米 0 评论

应对全球变暖和气候变化的斗争背后是我们大气中温室气体的增加。温室气体是大气中能够吸收红外辐射从而捕获和保持大气中热量的任何气态化合物。通过增加大气中的热量,温室气体导致了温室效应,最终致使全球变暖。

太阳辐射与“温室效应”

全球变暖不是科学上的新概念。Svante Arrhenius于1896年就研究出了这种现象的基础知识。他的论文发表在《哲学杂志》和《科学杂志》上,是第一篇量化二氧化碳对科学家现在称之为“温室效应”的贡献的论文。

温室效应的发生是因为太阳以大量的辐射轰击地球,辐射以可见光的形式撞击地球大气层,加上紫外线(UV)、红外线(IR)和人眼看不到的其他类型的辐射。撞击地球的辐射中,大约30%被云、冰和其他反射面反射回太空。据NASA称,剩下的70%被海洋、陆地和大气吸收。

当它们吸收辐射并加热时,海洋、陆地和大气以红外热辐射的形式释放热量,然后从大气层进入太空。根据NASA的数据,进出辐射的平衡使地球的总体平均温度保持在59华氏度(15摄氏度)左右。

因为温室的工作方式大同小异,这种使地球变暖的进出辐射的交换被称为温室效应。进来的紫外线辐射很容易穿过温室的玻璃墙,被植物和内部的坚硬表面吸收。然而,较弱的红外辐射很难通过玻璃墙并被困在里面,使温室变暖。

温室气体如何影响全球变暖

大气中吸收辐射的气体被称为“温室气体”(有时缩写为GHG),因为它们是造成温室效应的主要原因。反过来,温室效应是导致全球变暖的主要原因之一。根据美国环境保护署(EPA)的数据,最主要的温室气体是水蒸气(H2O)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O )。虽然氧气(O2)是大气中第二丰富的气体,但它不会吸收热红外辐射。

虽然有些人认为全球变暖是一个自然过程,并且一直存在温室气体,但近年来大气中的气体含量急剧上升。在工业革命之前,大气中的二氧化碳在冰河时代的180ppm和间冰期暖水期的280ppm之间波动。然而,根据美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的数据,自工业革命以来,二氧化碳的增加速度是上一个冰河时代结束时的100倍。

在工业过程中产生的氟化气体 – 即加入了氟元素的气体,包括氢氟烃、全氟化碳和六氟化硫,也被视为温室气体。虽然它们以非常小的浓度存在,但它们非常有效地捕获热量,使它们成为高“全球变暖潜能值”(GWP)气体。

在国际协定逐步淘汰之前,氯氟烃(CFCs)曾被用作制冷剂和气溶胶推进剂, 也是温室气体。

有三个因素会影响温室气体对全球变暖的影响程度,具体如下:
它在大气中丰富程度。
它在大气中停留多久。
它的全球升温潜能值。

二氧化碳对全球变暖具有重大影响,部分原因在于其在大气中的丰富程度。根据美国环保署的数据,2016年,美国温室气体排放总量为65.11亿吨(717.7万吨)的二氧化碳当量,相当于所有人为温室气体的81%,比上年减少了2.5%。此外,二氧化碳在大气中停留了数千年。

然而,根据美国环保署的数据,甲烷在吸收辐射方面的效率比二氧化碳高约21倍,因此即使它在大气中停留的时间仅为10年左右,也会使其具有更高的GWP等级。

温室气体的来源

一些温室气体,如甲烷,是通过含牲畜粪便在内的农业实践产生的。其他的,如二氧化碳,主要是由于呼吸等自然过程以及煤、石油和天然气等化石燃料的燃烧产生。

根据杜克大学发表的研究报告,二氧化碳释放的第二个原因是森林砍伐。当树木被杀死以生产商品或热量时,它们会释放出通常储存用于光合作用的碳。根据2010年全球森林资源评估,该过程每年向大气释放近10亿吨碳。

根据美国环保署的说法,林业和其他土地利用做法可以抵消其中的一些温室气体排放。

重新种植有助于减少大气中二氧化碳的积累,因为生长中的树木通过光合作用吸收二氧化碳。然而,森林不能隔离燃烧化石燃料而排放到大气中的所有二氧化碳,为避免在大气中积聚,仍然需要减少化石燃料的排放。

在世界范围内,温室气体的排放令人严重关切。根据NASA的数据,从工业革命开始到2009年,大气中的二氧化碳浓度增加了近38%,甲烷含量增加了148%,其中大部分都是在过去50年中增加的。根据世界气象组织的数据,由于全球变暖,2016年是有史以来最温暖的一年,2018年有望成为第四个最温暖的年份,有记录以来最热的20年中有20年都是在1998年之后。

匹兹堡大学地质与行星科学系副教授Josef Werne说“我们观察到的变暖影响了大气环流,影响了全球的降雨模式,这将为全球人民带来巨大的环境变化和挑战。”

我们星球的未来

如果按目前的趋势继续下去,科学家、政府官员和越来越多的公民担心全球变暖的最坏影响 – 极端天气,海平面上升,植物和动物灭绝,海洋酸化,气候的重大变化和前所未有的社会动荡,将不可避免。

为解决温室气体引起的全球变暖问题,美国政府于2013年制定了一项气候行动计划。2016年4月,根据《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC),来自73个国家的代表签署了《巴黎协定》,这是一项通过投资可持续发展的低碳未来 来应对气候变化的国际公约。美国是2016年同意该协议的国家之一,但在2017年6月开始退出《巴黎协定》的程序。

根据美国环保署的数据,2016年温室气体排放量比2005年减少了12%,部分原因是煤炭转换为天然气导致的化石燃料燃烧大幅减少。这些年来温暖的冬季条件也减少了许多家庭和企业需要加热的需求。

世界各地的研究人员继续努力寻找降低温室气体排放和减轻其影响的方法。弗吉尼亚朗伍德大学生物与环境科学副教授Leech说,科学家正在研究的一个潜在解决方案是将二氧化碳从大气中吸出来并无限期地将其埋入地下。我们能做的是最大限度地减少我们在那里的碳排放量,从而最大限度地减少温度变化。然而,行动的窗口正在迅速关闭。

本文源自 Live Science ,由米粮仓 艾米 基于创作共用协议(CC BY-NC)发布。

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