溫室效應的物理基礎

肖勝利 鄭好望 尹 濤

(西安通信學院數理教研室 陜西西安 710106)

2009年12月18日在哥本哈根舉行的全球氣候會議中心議題是二氧化碳減排,提倡低碳經濟,以緩解全球氣候變暖.全球氣候為什么會變暖呢?人所共知這是溫室效應所闖的禍.下面從物理的角度對溫室效應加以分析.

1 溫室效應簡介

溫室效應(Greenhouseeffect),又稱“花房效應”,是地球大氣保溫效應的俗稱.大氣能使太陽輻射中的短波成分到達地面并被吸收.長波成分被大氣吸收,同時地表向外輻射中的長波成分即紅外輻射(Infraredradiation,簡稱IR)也被大氣吸收.長波成分具有熱效應,這就使地表與低層的大氣溫度升高,其作用類似于栽培反季節花木的人造小環境——溫室,故稱之為溫室效應.

由環境污染引起的溫室氣體濃度增加而導致的溫室效應是指地球表面比沒有環境污染的地球表面升溫的現象.

2 溫室效應的兩種解釋

溫室氣體包括水蒸氣、二氧化碳、甲烷、臭氧和氯氟烴及其他微量氣體;這些氣體原為大氣的自然組成部分,具有吸熱和隔熱的功能.從這點來說,地球具有天然的溫室效應,以適應動植物繁衍.由于現代人類過多燃燒煤炭、石油和天然氣,這些燃料燃燒后放出大量的二氧化碳氣體進入大氣,在大氣中增多的結果如同形成一種無形的“玻璃”罩,使太陽輻射到地球上的熱量及大氣反射回地球上的熱量難以向外層空間發散,其結果是地球表面升溫,破壞了天然的溫室效應,導致出現所謂的溫室效應,即全球氣候變暖等一系列嚴重問題(圖1).

關于地球升溫目前流行的觀點是:溫室氣體中的二氧化碳起主要作用,為罪魁禍首.

關于地球升溫的另一種觀點是:溫室氣體中的水蒸氣起主要作用,為罪魁禍首.這種觀點來自于美國空間研究所的詹姆斯·漢森博士,他認為由于煤和柴油等含碳量高的燃料燃燒不充分,碳的利用率太低而造成的.這不僅浪費資源,而且導致環境的污染,更可甚的是眾多的碳粒粉塵聚集在大氣對流層中以引起云的堆積.漢森博士認為因40%至90%的地面熱量來自于云層所產生的大氣逆輻射,云層越厚,熱量越不易向外擴散,地球就越來越熱,可見由碳粒粉塵固體顆粒狀物質凝聚形成的云是罪魁禍首.

圖1 溫室效應原理簡圖

不論哪種觀點的解釋,共同的結論是,溫室氣體導致了溫室效應.只是針對不同的觀點,可采取不同的防護措施以保護好人類賴以生存的大氣環境而已.

3 溫室效應的物理分析

眾所周知,地球大氣的99%是氮氣和氧氣,而這兩種氣體都不吸收長波成分的紅外輻射,所以它們對溫室效應沒有貢獻.但不同的是大氣中的溫室氣體卻能有效地吸收地球表面、大氣(包括其中的云層)本身所輻射出的IR,并產生同樣的輻射.溫室氣體將吸收的熱量貯藏于地面及對流層系統之內,如果沒有外界因素的影響,則形成天然溫室效應.由地球輻射收支平衡假設及各種模擬計算得知:地球表面的平均溫度保持在平均15℃,大氣上層的平均溫度為-20℃.溫室氣體濃度的增加將導致大氣對IR吸收能力的增強,從而引起大氣向空間的有效IR,增加了地球表面的額外吸收,原來地球輻射收支平衡的狀態被打破,這種收支不平衡的狀態只能通過地面及對流層系統溫度的升高來補償,引起溫室效應.

以地球表面平均溫度保持在15℃時的模型為例,它可等效為一個溫度為288K的黑體,按照黑體輻射理論有如圖2的輻射分布.

圖2 288K時地球輻射分布

從圖形可以看出,其輻射能量極大值對應于波長約10000nm,屬于紅外波段.而研究表明,溫室氣體中的二氧化碳和水蒸氣(包括云層)正好是這一波段輻射的強吸收體.由黑體輻射理論也可知,強的吸收體也正好是強的輻射體,即此時二氧化碳和水蒸氣組成的空氣可等效為另一黑體,向外輻射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氣保護了地表熱量的散失,形成了天然的溫室效應,保持動態平衡.但當二氧化碳和云層的濃度增加時,溫室氣體中二氧化碳濃度和云層厚度比原來更濃更厚,成為更強的吸收體,也成為更強的輻射體,地球表面將吸收更多的熱量,從而產生了溫室效應.

全球氣候變暖的后果很難預料,最嚴重的問題是海平面因海水的膨脹和兩極冰雪的消融而升高,造成沿岸土地大面積淹沒;對農作物的影響也很大.

總之,為防止溫室效應給全球帶來的巨大災難,必須減少大氣中過多的碳粒粉塵和二氧化碳.一方面倡導低碳經濟,使人們盡量節約能源,以減少向空氣中碳粒粉塵和二氧化碳的排放;另一方面保護好森林和海洋(如不亂砍濫伐森林,不讓海洋受到污染以保護浮游生物的生存).當然也可以通過植樹造林,減少使用一次性方便木筷,節約紙張(造紙用木材),不踐踏草坪等等行動來保護綠色植物,使它們多吸收二氧化碳來幫助消除溫室效應.