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1、二氧化碳与温室效应摘要：通过气候变暖及生态系统变化的事例简述了温室效应的危害及其起源,并从生物技术、能源革新、大气污染控制技术几个方面评述了近年来涌现出的二氧化碳掌握技术的优缺点和进展前景。关键词：温室效应二氧化碳引言人类面临的环境问题很多,也很简单。最近20多年来,臭氧层的损耗、温室效应加剧和全球性气候变化,酸雨等全球性环境问题日趋严峻。使人类环境与经济可持续进展面临严峻的挑战。很多科学家担忧,人类在改造地球的活动中影响最为深远的是地球的升温,由于它会使其他变化进展为突变。因此,温室效应的加剧是近年来引起国际争辩的又一全球性环境污染热门课题。李远哲教授1998年5月指出:随着人类社会对能源消
2、耗的增加,我们过度依靠地球上千万年累积的石油，自然气等矿物燃料,燃烧结果产生二氧化碳、二氧化硫带来了温室效应、酸雨等全球性环境问题。世界自然基金组织公布了1999年度全球环境指数报告中指出:从1970年到1995年,全球环境指数约下降了30%,这意味着在短短的25年间,人类拥有的自然资源骤减了三成,消耗能源数量相当于过去一个世纪的总和。人类燃烧煤炭、石油、自然气和砍伐下来的树木,产生的大量可以蓄热的气体二氧化碳和甲烷进入大气层后引起地球升温,使碳循环失去平衡,转变了地球生物圈的能量转换形式。一批科学家在联合国组织召开的一次国际会议上预言说,假如人类连续按现在的速度排放二氧化碳,在21世纪的某一
3、天,地球温度将提升约2-5温室效应与温度效应的加剧燃料的燃烧会产生C02和H2O,产生的C02可溶解在雨水、江河、湖泊和海洋里,也可以被植物汲取进行光合作用等。产生和消耗的C02量之间达到平衡,使大气层中C02浓度保持肯定的范围内。地球大气层中的C02和水蒸气等允许部分太阳辐射（短波辐射）透过并达到地面,使地球表面温度提升。同时,由于CO2和H20分子可以产生分子偶极矩转变的振动,故能汲取太阳和地球表面发出波长在2000纳米以上的长波辐射,仅让很少的一部分热辐射散失到宇宙空间。由于大气汲取的辐射热量多于散失的,最终导致地球和外层空间保持某种热量平衡,使地球维持相对稳定的气温,这种现象称为温室效
4、应。温室效应是地球上生命赖以生存的必要条件。大气中温室效应气体C02所引起的温室效应早已存在。假如不存在温室效应,据科学家计算,地球表面的温度大约在-18C左右,而地球表面的实际年平均温度为15。自工业革命以来,大气中温室气体量增加,温室效应已增加。现在全球每年排入大气中的温室气体C02总量估量为I（M）-200亿吨,几乎全部来自矿物燃的燃烧,自然来源和CO的光化学氧化产生的C02所占比例很少。大气中C02浓度不断提升。1896年约为296ppm,1960年约为320ppm,据估量到2000年将增加到370ppm。由于C02温室效应增加,已经产生全球气候变暖的趋势。由联合国一些机构资助的政府间
5、气候变化讨论组织（IPCC）指出,假如矿物燃料的使用连续稳定增加,那么,到2050年全球年平均温度将达到16-19C,超过以往的变暖速度而加速全球的变暖。当前人们谈论的“温室效应”，实际上是温室效应的增加后引起地球升温的环境问题。温室效应气体温室效应是由于温室气体急剧增加而引起的。温室效应气体主要有Co2、CH4、CO、CFC（氟里昂）和O3（臭氧）等气体，大气中的温室效应气体在大气中的浓度（PPbV）每年平均增长率（%）二氧化碳（CO2）3440000.4甲烷（CH4）16501.0一氧化二氮（N2O）3040.25三氯乙烷（CHC13）3040.25臭氧（03）不定CFC110.235.0
6、CFC120.45.0四氯化碳（CC1）0.1251.0一氧化碳（C0）不定0.2具有温室效应的气体汲取地球红外辐射线的谱带范围为7000-18000nm,二氧化碳汲取辐射线的范围为12500-17000nm,透射到大气中的红外辐射约70-90%都是7000-13（M）Onm范围内,所以二氧化碳对汲取红外辐射起了主要作用。其它具有温室效应的痕量气体也可汲取部分红外辐射。所以,地球今后的气候取决于大气中的二氧化碳浓度以及其它痕量气体浓度增加的程度。2.1二氧化碳大气中的二氧化碳在全部生物中都起着重要作用。动物和人类呼出二氧化碳,而植物却汲取二氧化碳,生物可以把碳转化成它们需要的碳水化合物。在过去
7、年月中,大气中的二氧化碳浓度有了很大的变化。1750年时,全球大气中的二氧化碳浓度为280ppm。自1958年以来,在美国夏威夷的昌纳罗亚气象站连续监测了大气中的二氧化碳浓度变化。结果表明:1950-1984年,大气中的二氧化碳浓度增加了23%,这主要是燃烧矿物燃料所致,大量的森林破坏也是造成二氧化碳提升的缘由之一。1985年在奥地利的韦拉契召开的温室效应国际会议上，联合国环境规划署、世界气象组织和国际科学同盟提出的报告认为,到2050年,二氧化碳的年排放量可能为IOO-200亿吨。一个全球性碳循环的模型猜测值大气中的二氧化碳浓度是367-531pPmo即是说,到2050年,二氧化碳的排放量比
8、工业革命前要增长144.0倍。很多权威人士全都认为:二氧化碳的成倍增加会造成严峻的气候恶化,这种恶化或许能够被将来的人类社会所接受。2.2其他温室气体近30年来的分析结果表明,除二氧化碳外,还有甲烷、一氧化二氮、氨里昂及其它具有剧烈温室效应的气体,都在与日俱僧,对将来的气候将产生重要的影响。从分子的角度看,这些气体对远红外辐射的汲取远比二氧化碳更剧烈,但由于它们在大气中的浓度远小于二氧化碳,因此对气候的影响比二氧化碳小,这些气体合在一起的作用与二氧化碳的作用大致相等。eCo气温提升数量值虽小但影响很大。在以往一万年中,平均气温变化还不到2。这表明如二氧化碳浓度翻一番,气温至少提升1.5CC。气
9、温变暖在北半球的高纬度地区的冬天最为明显,南半球气温变暖主要发生在南极洲。有一个模型预报出,欧洲大部分地区和北美气温提升4C,撒哈拉提升5C,在纬度60地区内气温提升还要更多。各种计算机模型计算表明,气温提升后,降水量与土壤温度会起变化。在北纬30。与南纬30之间的地区,总降水量会增加7-11%即赤道四周的年平均降水量增加,离赤道远的地区在某些年内降水量会削减。在北半球的中纬度地区,夏天的土壤会变得更加干燥。计算气温提升虽还有很多未知因素,但据最近以来对室温效应的讨论指出,到2030年气温变暖是确定的,变化最大范围在1-7。4温室效应加剧对环境的影响与对策温室效应的加剧导致全球变暖,会对气候,
10、生态及人类健康等诸多方面带来影响。4.1温室效应加剧对环境的影响（1）对沿海地区的影响气温变暖使海平面提升温室效应增加,海水将会由于海温提升而膨胀,促使海平面提升。据统计,近百年来随着全球气温增高大约08CC时,海平面可能提升20-165cm;如取中位,当全球增暖3C时,海平面可能提升80cm。对世界沿海城市及数十个小岛国构成严峻威逼。海平面提升对沿海地区的影响世界上大约有1/3的人口生活在沿海海岸线60km范围以内。沿海地区的经济大多比较发达,世界上的很多大城市也都位于沿海江河入海口的四周,如美国的纽约,日本的东京,我们我国的上海等等。江河入海口四周的三角洲平原大多是富裕的鱼米之乡,经济富强
11、。如我们我国的长江三角洲平原,珠江三角洲平原等等。海平面提升时,沿海地区将会造成沿海低地被沉没，海滩和海崖患病侵蚀、农田土地盐碱性恶化、海水倒灌与洪水加剧、港口设施和海岸建筑遭损坏、影响航运、沿海水产养殖业受害影响巨大、破坏大中城市的供排水系统等灾难性后果。（2）对农业和森林的影响种植业种植业的生产对象是植物。温室气体增多对植物的影响主要通过两个途径:一是大气中的二氧化碳含量增多对植物光合作用的影响;二是温室效应引起的气候变暖所带来的影响。（A）第一种影响二氧化碳是植物进行光合作用的基本原料,当大气中二氧化碳含量增高时,假如光、热、水、肥供应充分，可使大多数作物增产。二氧化碳增多对于世界粮食生
12、产是有利的。（B）其次种影响气候增暖可能使作物的生长季节延长。据估量,夏季平均温度提高1C,相当于生产季节延长10天,气温提升、生长季节延长的一个直接影响是使作物的分布区有可能的向北扩展。从世界上来说,全部农作物的种植区域都有向高纬度扩展的趋势。林业和牧业全球增暖对林业和牧业的影响是多方面的。（A）草木产量提高据估算,当二氧化碳浓度加倍时,北半球各纬度自然植被的产量都有肯定幅度的提高大气中二氧化碳浓度加倍时,北半球各纬度带自然植被的产量提高幅度纬度带（。,加拿大林线将北移100km。随着气温的大幅度提升,现今北极地区的苔原有可能完全消逝。海洋渔业海洋面积占地球表面的71%左右。海洋的生产力量特
13、别巨大,在不破坏海洋生态平衡的状况下海洋每年可为人类供应20亿吨鱼类和贝类,而目前人类开发采用的还不足一亿吨。因此,海洋渔业有着宽阔的进展前景。气候变暖对海洋渔业的影响主要体现在两个方面：一是影响鱼类的分布,即渔场的分布;二是影响渔业生产活动。（3）对健康与生态的影响对人体健康和物种的影响由于高温天气会使人体增加紧急心情,而凉快天气则使人感到轻松,全球气温变暖后,在高纬度我国里,常年高温会使某些疾病增多。虽然人类能适应气候的变化,但地球上有些物种可能受到气候变化的影响,不适应这种变化,从而使气候变化给某些物种增加了压力,导致物种的多样性的进一步削减。生态系统的转变随着气温提升,降水带移动,气候
14、变化,将使森林所占土地的面积比例从现在的58%削减到47%,荒漠将由21%扩展到24%,草原将由18%增加到29%,苔原将由3%削减到零。荒漠扩展,意味着目前某些荒漠边缘地区将面临严峻威逼。而永冻层的溶化,苔原的消逝,将给人类供应更多的可采用土地,这对人类社会来说则是有利的。从以上分析看出C。这将使水资源,农牧业,森林木材等受到影响;海平面提升后会沉没很多沿海城市,低地;气候变化会使某些地区变得干85燥,沙漠化加剧;有些地区降水量会增加,水土流失将加剧。因此,气候变化会给全球的社会稳定、经济进展、人口与物种分布带来很多影响,为此,实行有效措施应付气候变化势在必行4。2防止气候变暖的国际行动与对
15、策二氧化碳促成的温室效应加剧是超越国境的全球性环境问题。全世界科学家们正在以前所未有的势头投身到这个问题的讨论中去。1990年6月“政府间气候变化专家委员会”在总结报告中强调:防止气候变暖的关键是在全球范围内稳定进而削减二氧化碳等温室气体的排放。首先二氧化碳排放量应削减60%;此外,甲烷应削减15-20%,筑氯烧应削减70-80%。于是在1991年2月开头了联合国气候变化框架公约谈判,最终达成合同并全都通过。公约所规定的最终目标是：“将大气中温室气体的浓度稳定在防止气候系统受到危急的人为干扰的水平上”。联合国环境方案署1997年12月在日本京都又召开了有关全球温室效应会议,特殊要求工业化发达我
16、国将努力在2022年把二氧化碳的排放量削减到比1990年还少5.2个百分点的程度。由于从历史上看，工业革命以来200多年间,大气中二氧化碳等温室气体浓度增加了25%,主要是发达我国造成的。发达我国仅占世界人口的25%左右,但它们的能源消费占全球总消费量的75%左右,其排放的二氧化碳仍占世界总排放量的75%。美国人口虽只占全球人口的5%,他们却在消耗着全球30%以上的能源。因此应由发达我国限制能源的消费和削减其温室气体的排放。限制二氧化碳的排放,实质上就是限制能源消费,其后果就是限制进展中我国的经济进展。但是假如在2022年地球上60多亿人口平均二氧化碳等温室气体排放量全部达到工业化我国1990
17、的水准,那么,我们的地球的确是承受不了温室效应加剧所带来的特别严峻的后果。进展中国经济进展是不能牺牲人类赖以生存的环境作代价的，二氧化碳的掌握技术2.1生物技术采用自然界光合作用来汲取并贮藏二氧化碳,是掌握二氧化碳最直接且副作用最少的方法。美国等一些对二氧化碳排放负有重大责任的发达我国就曾以大量植树为由要求放宽削减二氧化碳排放的指标。然而,地球上曾拥有的76亿hm2森林资源在人类的过度砍伐下仅存2.8亿hm2,而且正以每分钟20hm2的速度消逝。在这种状况下,小范围的植树犹如杯水车薪,难以逆转二氧化碳积累的趋势。然而生物汲取二氧化碳的方法并非末路穷途。讨论发觉海洋生物汲取二氧化碳的潜力很大。日
18、本环保科学家已筛选出几种能在高浓度二氧化碳下繁殖的海藻并方案在太平洋海岸进行繁殖,以汲取四周工业区排出的二氧化碳。美国一些讨论人员拟以加州巨藻为载体,在其上繁殖一种可汲取二氧化碳的钙质海藻,它汲取二氧化碳后形成碳酸钙沉入海底,腾出巨藻表面可供连续繁殖。这些探究如能胜利,必将减轻因削减二氧化碳排放而对经济增长造成的压力,故具有很大的现实意义。2.2能源革新二氧化碳的排放很大程度上取决于为获得能量而进行的矿物燃料的燃烧,因此改革能源形式或能量来源成为削减二氧化碳排放的一个突破口,这也符合污染掌握的原则,即从源头掌握二氧化碳的生产。90年月以来消失了两种新技术:燃料脱碳与燃料电池。燃料脱碳是以含碳量
19、较低的燃料（如石油和自然气）或无碳燃料（如氢气）取代含碳量高的燃料（如煤）,使得每单位能耗量的平均二氧化碳排放量削减。早在80年月美国化工界提出的炭化物混合处理气化流程便能实现这一目的。煤炭、生物体等不清洁燃料与氢气一起反应生成甲烷、一氧化碳、氢以及固态焦炭等,再将甲烷高温分解成氢、一氧化碳及固态炭黑,然后氢与一氧化碳合成甲醇,未反应的氢与一氧化碳作为原料循环使用。1997年7月美国能源部（DoE）又推出一项新技术,将一个重整器或气化器与转移器组合起来便能把矿物燃料转化成氢气与二氧化碳的混合物,然后分别并处置二氧化碳。燃料电池是通过电化学氧化产生电力,即直接将化学能转化为电能,冲破了燃烧产热生
20、成水蒸气再带动汽轮机发电的传统模式,因而燃料电池的效率不受卡诺定律限制,可达到40%60%（与之相比火力发电的效率仅有30%左右）,大大地节省了初级能源,也避开了大量污染。燃料电池有多种类型,各有千秋并在航天、国防、交通等领域得到应用。其中质子交换膜燃料电池（PEM）在低温下运行可产生高密度电力且体积小,可用作驱动汽车的动力来源。目前福特和克莱斯勒汽车公司正开发用PEM驱动的汽车,德国的奔驰公司也与温哥华的Banard动力系统公司合作开发用在交通工具上的燃料电池。燃料电池是以氢为燃料的,为了便利地输运和配给氢,波士顿东北高校讨论人员正开发一种固态氢载体,使大量的氢在压力下储存在小容器内,解决氢
21、的输配问题。据报道,他们已用石墨毫微米纤维获得胜利,室温下一个碳原子能保持18个氢分子,超过目前储存介质储存氢力量的10倍。不仅如此,如把燃料脱碳与燃料电池合二为一,将形成一种全新的清洁能源体系。在这个体系中,矿物燃料和含碳的生物体被转化氢气和二氧化碳,前者通过燃料电池宜接产生电和热,后者则被收集和处置,这样便能避开燃烧矿物燃料生产电能过程中排放大量二氧化碳。2.3大气污染掌握技术近几年,大气污染掌握在二氧化碳的捕集、处理及处置方面有了长足的进展。二氧化碳的捕集是整个掌握体系的第一步。尽管目前已有化学汲取、膜分别、冷冻分级分别、分子筛吸附和浮石吸附等方法,但对于燃烧矿物燃料的热电厂而言,由于烟
22、气量大,二氧化碳浓度低,烟气脱碳的代价昂贵。据估量,电力部门仅捕集二氧化碳的费用就使电力生产成本增加30%100%,更毋需说后继处置了,如此高的成本是电力部门难以承受的。此外,捕集二氧化碳过程中所消耗的能量也降低了一吨原材料能产生的电源,加速了能源耗竭。因此捕集技术已成为热电厂废气脱碳的掌握步骤。富集的二氧化碳可以用于食品工业及生产碳酸钠外,还可用于生产清洁能源和化工产品。据日本东北电力公司宣称,二氧化碳与氢气按1：4比例在肯定温度、压力下混合并以错一镁为触媒可生成甲烷。东芝公司也在试验室中以激光束或电子束激发,直接用燃烧后的废气与乙烘在不同比例下混合,生成甲醇与一氧化碳或甲烷、丙烷等其他化工
23、产品。二氧化碳的处置尤其是地质处置正得到越来越多的关注与讨论。目前常用的三种途径是将二氧化碳储存在废油、气井、地下含水层和海洋,据国际能源机构(IEA)猜测它们储存二氧化碳的潜力依次为870亿、1250亿和2X108亿t。而人类每年二氧化碳排放量仅60亿t(以碳计),由此可见地质储存潜力很大。将二氧化碳用于采油或气贮存在油、气井中,并非一项新技术。早在70年月能源危机时美国就曾采用二氧化碳溶于油可削减石油粘度的性质来强化采油,增加石油产量。挪威科学家甚至方案建一艘100万千瓦的大型发电船,以海底石油、自然气为原料,采纳高效燃油气蒸汽组合循环发电并将燃烧排放的二氧化碳冷却、压缩后送入海底油汽田中
24、。向地下含水层深井注入二氧化碳的方法与深井注射处置液态有害废物的方法相像。虽然注入的二氧化碳不会严峻污染地下水,却会降低地下水的PH值,从而腐蚀岩石。此外,对于二氧化碳深井注入是否会造成地面的不稳定尚未定论。有人提出一旦注入二氧化碳的地区发生地震,二氧化碳可能大量喷出,在有人居住的地区特殊是气体易于积累的谷地会置人于死地。虽然尚无此类事故发生,但1996年喀麦隆火山坑湖NyOS发生自然灾难时,大范围的二氧化碳释放夺去了1500余人的生命,并杀死方圆14km内全部动物,这使得上述猜想受到重视。二氧化碳的性质使之特别适于海洋处置。由于在水下500m深处水温IOC左右时,二氧化碳就能变成液态;在30
25、00m以下,二氧化碳的密度便能大于海水并沉入海底,相当平安地保存起来。而且海洋储存二氧化碳的潜力很大,即使把人类排放的全部二氧化碳储入海中,海洋含碳量每年仅增加0.016%。于是科学家们考虑把二氧化碳以固态或液态形式直接埋入海中或海底。于是科学家们考虑把二氧化碳以固态或液态形式直接埋入海中或海底含水层。1996年9月迄今为止最大的海床二氧化碳处置工程在挪威启动。二氧化碳被注入北海海床以下80Om处多孔布满盐水的砂石地层中,年注入量100万L占挪威二氧化碳年排放量的3%左右。此外,在印度尼西亚水域的婆罗洲北部Natuna海岸气田,另一项二氧化碳处置工程即将进行。Natuna气田是世界上最大的气田
26、之一,贮量大,易于开采,但气体中含81%的二氧化碳,满负荷生产时每年将产生1亿t二氧化碳,故方案将二氧化碳与甲烷冷冻分别后把二氧化碳注入海底深处含水层。然而目前海洋处置存在三方面问题。一是海洋处置费用昂贵。据英国一家工程承包公司估算,铺设从英国东部的发电至北海的液态二氧化碳输送管道,每公里管道费用可高达110万美元。二是二氧化碳进入海洋可能会危害海洋生态系统。讨论表明,海水与液态二氧化碳达到平衡时,海水的PH值会下降到3.5,而且二氧化碳还会生成水合物,这些都可能影响海洋生物的生长。三是海洋处置绝非一劳永逸之举。由于大气与海水间二氧化碳的相平衡,储存在海洋中的二氧化碳会缓慢地逸出水面,回归大气
27、。国际应用科学公司的一位名为Stegen的学者应用三维海洋通用环流模型对一个运行100年的发电厂做了猜测。假设其排放的二氧化碳全部被捕获并注入海洋不同深度。在电厂停止运行400年后,有13%的二氧化碳从海洋回到大气。随着二氧化碳注入深度越大,二氧化碳回到大气需要的时间越长。因此,二氧化碳的海洋处置只是临时缓解二氧化碳在大气中的积累。国际社会必需联合行动,乐观讨论对策。全球环境问题的进展和防治,必将引起人类思维方式、社会、观念、经济结构以及科学技术的巨大变革。为了防止气候变暖、掌握温室气体剧增,人类就必需掌握人口、调整现在的能源结构战略、加强爱护森林植被,这就是我们掌握温室气体剧增的基本对策，美国、日本和西欧一些发达我国在推广清洁生产、进行能源改革和二氧化碳掌握技术方面做了乐观的努力与探究。中国等经济尚不发达的我国也会渐渐参加到削减二氧化碳排放的全球行动中去,为改善温室效应爱护地球家园作出贡献
