溫室效應(yīng)新知

匡耀求

“辦法總比困難多”，“有問題就有解決問題的辦法”，這是我們面對(duì)困難時(shí)應(yīng)有的態(tài)度。但是，如果在人類開發(fā)利用地球資源的時(shí)候也這么想，那就可能要出問題了。

熱力學(xué)中有一個(gè)著名的熵增原理指出，任何自發(fā)過程總是朝著無序程度增加的方向進(jìn)行，要使過程朝著有序的方向進(jìn)行，必須施加額外的能量。熵增原理告訴我們，要恢復(fù)在開發(fā)中破壞(或污染)了的生態(tài)環(huán)境，必須付出比當(dāng)初開發(fā)獲得的收益更大的代價(jià)。

防患于未然

全球氣候劇變已在眼前，這和我們?nèi)祟惢顒?dòng)導(dǎo)致的溫室效應(yīng)增強(qiáng)有什么關(guān)系?溫室效應(yīng)增強(qiáng)如何引發(fā)氣候變化呢?

工業(yè)革命以前的40萬年間，地球大氣中二氧化碳濃度約為180ppmv～280ppmv(每百萬升空氣中二氧化碳的升數(shù))，但自工業(yè)革命以來，由于大量燃燒礦物燃料，大氣中二氧化碳濃度急劇上升，到2004年已達(dá)到379ppmv。據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)預(yù)計(jì)，如果不加控制，到2100年這個(gè)濃度將達(dá)到650ppmv～970ppmv。

溫室效應(yīng)會(huì)使地表溫度升高，這個(gè)道理很多人都明白，但是溫室效應(yīng)對(duì)我們居住的這個(gè)地球表面溫度的貢獻(xiàn)到底有多大卻并沒有真正弄清楚。

地球曾經(jīng)是一個(gè)熾熱的星球，在46億年前的地球，表面到處流淌著巖漿，溫度超過1000℃，38億年前地球表面才開始有液態(tài)水，這時(shí)的地表溫度在100℃左右，盡管當(dāng)時(shí)的大氣二氧化碳濃度很高，溫室效應(yīng)很強(qiáng)，但是地表的溫度一直在緩慢下降，到了6億年前地球的海洋才出現(xiàn)軟體動(dòng)物，這時(shí)地表的平均溫度應(yīng)該已下降到6012以下，4億年前地球上才開始有植物，這時(shí)地表的平均溫度可能下降到了40℃左右，可能到3億年前，地表的平均溫度才下降到30℃以下，最近有研究表明，1億多年前的白堊紀(jì)中期，地球的平均溫度為23～25℃。

當(dāng)然，隨著地球表面的冷卻和固化，地球內(nèi)部熱量的釋放就會(huì)變得越來越不均勻，時(shí)間上的冷暖交替和空間上的冷熱不均越來越明顯。因此，從8億年前以來，地球上就出現(xiàn)了冰期和間冰期的冷暖交替變化。但是地球內(nèi)部始終是熾熱的，至今仍有熱流源源不斷地從地球內(nèi)部向地表散發(fā)，目前的平均大地?zé)崃?指單位時(shí)間通過單位地球表面散失的熱量)為63mW／m²，顯然地球內(nèi)部溫暖的心臟對(duì)維持地球表面較高的溫度是有一定貢獻(xiàn)的。我們的研究表明，大地?zé)崃髅吭黾蛹s5mW／m²可使地表溫度升高1℃。目前來自地球內(nèi)部的熱流足以使地球表面的平均溫度升高12．612，把地球看作黑體而估算出的數(shù)字是溫室效應(yīng)使地表溫度提高33℃，那么過去的溫室效應(yīng)對(duì)地球表面溫度的貢獻(xiàn)就只有20．4℃。

如果沒有地球內(nèi)部上傳的熱流，在沒有太陽輻射的冬季夜晚，溫室效應(yīng)的作用也非常有限，地表最低溫度將要比目前觀測(cè)到的最低溫度低得多。溫室氣體就好像一個(gè)被窩，但最好的被窩，如果沒有入睡在里面，它也是冷被窩。地處云貴高原的昆明市為什么冬暖夏涼、四季如春?主要就是因?yàn)槠浯蟮責(zé)崃鬏^高，絕不是因?yàn)槠錅厥倚?yīng)強(qiáng)。昆明的大地?zé)崃鞅热蚱骄蟮責(zé)崃鞲叱?0％多。

溫室效應(yīng)增強(qiáng)是怎樣引發(fā)氣候變化的?

地球的大氣由78％的氮?dú)狻?1％的氧氣及總量約1％的其他氣體(其中包括約0．03％的二氧化碳)構(gòu)成，這些氣體最重要的一個(gè)特性就是熱脹冷縮。地球大氣的運(yùn)動(dòng)主要是下墊面熱力分布的不均勻性驅(qū)動(dòng)的，較熱的地面加熱其上方的空氣使得熱空氣膨脹上升，周圍的相對(duì)較冷空氣為填補(bǔ)熱空氣上升騰出的空間而出現(xiàn)空氣的橫向流動(dòng)，而冷空氣流失的地方則有高空的冷空氣下沉來填補(bǔ)空間，結(jié)果在熱的下墊面上方形成上升氣流，在冷的下墊面上方出現(xiàn)下沉氣流。

在沒有人類活動(dòng)影響的情況下地球大氣層的二氧化碳經(jīng)過長期的對(duì)流混合，并在地球生態(tài)系統(tǒng)長期響應(yīng)過程中達(dá)到平衡，濃度較低而且是近乎均勻的，工業(yè)革命前濃度長期維持在280ppmv左右，各地的溫室效應(yīng)強(qiáng)度較弱而且是近乎一致的，各地近地表大氣層的溫度格局主要與大氣系統(tǒng)下墊面(即地表)的熱力景觀特征有關(guān)。

由于溫室效應(yīng)較弱，近地表大氣層溫度較低，地表熱力景觀(指地球表面不同區(qū)域溫度高低不同而形成的溫度高低起伏在地面的分布格局)的自然起伏很清楚，大氣系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和變化主要與地表熱力景觀特征的變化有關(guān)。隨著時(shí)間的演變，來自地球內(nèi)部的熱流(大地?zé)崃?的空間分布在一定程度上決定了地球陸地表面的熱力景觀特征，比如在大范圍的高熱流區(qū)域形成大氣低壓系統(tǒng)，常年由上升氣流主導(dǎo)而降水充沛：在大范圍的低熱流區(qū)域形成大氣高壓系統(tǒng)，常年由下沉氣流主導(dǎo)而干旱少雨。當(dāng)大氣中二氧化碳濃度急劇升高時(shí)，由于溫室效應(yīng)較強(qiáng)，近地表大氣層溫度有明顯的提高，地表熱力景觀的自然起伏將逐步被掩蓋。原來長期形成的高低壓系統(tǒng)發(fā)生改變或季節(jié)性改變，這種改變達(dá)到一定程度就會(huì)引發(fā)氣候變化。

下墊面相對(duì)較冷的地區(qū)，區(qū)域大氣層的溫度及大氣溫度的分層完全由溫室效應(yīng)和太陽輻射強(qiáng)弱所決定，由于不同高度的大氣層接受的太陽輻射熱量不同，不同高度的大氣層溫度有明顯的不同，大氣分層較明顯，大氣的運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為水平運(yùn)動(dòng)，因而不利于形成降水，下墊面相對(duì)較熱的地區(qū)，區(qū)域大氣層的溫度，雖然在白天，特別在夏季的白天也主要由溫室效應(yīng)和太陽輻射強(qiáng)弱所決定，但到了夜晚，特別是冬季的夜晚，則由于較熱的下墊面驅(qū)動(dòng)較熱的氣流上升，而周圍較冷的氣流下降，使得區(qū)域大氣的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，有利于形成降水。對(duì)于陸地而言，在沒有人類活動(dòng)干預(yù)前，大地?zé)崃鞯母叩蜎Q定了下墊面溫度的高低。

大地?zé)崃餍纬傻牡乇頍崃坝^在一定程度上影響降水的分布。

溫室效應(yīng)還不足以掩蓋地表熱力景觀中強(qiáng)烈的異常，可是一些比較弱的異常卻容易被掩蓋。比如在溫室效應(yīng)比較弱的時(shí)候，廣東省的降水分布有明顯的三個(gè)峰值區(qū)域，年均降雨量大于2000mm，即陽江—恩平一帶、清遠(yuǎn)—佛岡—龍門一帶，海豐—豐順——帶，這三個(gè)地帶也是廣東省大地?zé)崃髯顝?qiáng)的地帶，是溫泉分布最多的區(qū)域，可以認(rèn)為地?zé)嵝纬傻牡乇頍崃坝^在一定程度上影響了廣東省降水的分布。但是隨著溫室氣體排放量的不斷增加，珠江三角洲地區(qū)溫室效應(yīng)和城市熱島效應(yīng)逐步增強(qiáng)，在2003年以來廣東省降水量出現(xiàn)了明顯的減少，2003年和2004年連續(xù)兩年全省降水量比多年平均降水量少20％以上，同時(shí)，降水分布也出現(xiàn)了明顯的變化，靠近珠江三角洲的清遠(yuǎn)—佛岡—龍門一帶的降水峰值區(qū)南移到了溫室效應(yīng)和城市熱島效應(yīng)最強(qiáng)的廣州市和東莞市一帶。顯然，溫室效應(yīng)形成的地表熱力景觀在——定程度上影響了降水的分布。

人類行為增強(qiáng)溫室效應(yīng)

溫室效應(yīng)增強(qiáng)導(dǎo)致了地表各類景觀的溫度發(fā)生了改變。以廣東省東莞市北部水鄉(xiāng)河網(wǎng)地區(qū)為例。該區(qū)域在1989年至1995年期間興建了大量的水泥廠。1998年水泥生產(chǎn)能力達(dá)到693萬噸／年，生產(chǎn)1噸水泥共釋放二氧化碳0．244噸，全年僅水泥生產(chǎn)就排放二氧化碳169萬噸，加上汽車、輪船運(yùn)輸、燃油及人口和動(dòng)物呼吸排放的二氧化碳以及該區(qū)域南北兩側(cè)廣州黃埔電廠和東莞沙角電廠排放的二氧化碳，使得該區(qū)域1998年的溫室效應(yīng)比1988年顯著增強(qiáng)。從美國陸地衛(wèi)星Landsat在1988年和1998年冬季分別為該地區(qū)拍攝的TM圖像上可以看到，該地區(qū)地表各類景觀的溫度圖像發(fā)生了明顯的改變，這就是溫室效應(yīng)增強(qiáng)的力量。局部溫室效應(yīng)的增強(qiáng)還會(huì)造成干旱天氣出現(xiàn)頻率增大，尤其是當(dāng)溫室效應(yīng)導(dǎo)致區(qū)域年平均溫度升高1—2℃時(shí)，

溫室效應(yīng)顯著增強(qiáng)的地區(qū)氣候改變明顯。現(xiàn)在的人類活動(dòng)正在不斷增加二氧化碳的排放，同時(shí)還破壞了自然界植被吸收二氧化碳的能力，使得每年向大氣系統(tǒng)排放的二氧化碳總量不斷增加。在開闊平原地區(qū)的大氣系統(tǒng)中，排放的二氧化碳會(huì)很快進(jìn)入全球大氣循環(huán)，不會(huì)很快導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐臏厥倚?yīng)顯著增強(qiáng)，但對(duì)于像珠江三角洲這類四周是被山脈包圍的盆地，大氣環(huán)境呈半封閉狀態(tài)，二氧化碳排放量的急劇增加會(huì)導(dǎo)致在當(dāng)?shù)氐臏厥倚?yīng)顯著增強(qiáng)。這從廣州市的氣溫觀測(cè)記錄可以得到明確的反映，珠江三角洲地區(qū)的溫室效應(yīng)已經(jīng)非常強(qiáng)烈，已經(jīng)跨越了導(dǎo)致降水分布格局改變和造成干旱天氣出現(xiàn)頻率增大的臨界狀態(tài)。2003年和2004年廣東省持續(xù)兩年多的干旱很可能就是溫室效應(yīng)增強(qiáng)的結(jié)果。

[責(zé)任編輯]唐宇