溫室氣體

溫室氣體

溫室氣體指的是大氣中能吸收地面反射的太陽輻射,並重新發射輻射的一些氣體,如水蒸氣、二氧化碳、大部分製冷劑等。它們的作用是使地球表面變得更暖,類似于溫室截留太陽輻射,並加熱溫室內空氣的作用。這種溫室氣體使地球變得更溫暖的影響稱為"溫室效應"。水汽(H₂O)、二氧化碳(CO₂)、氧化亞氮 (N₂O)、甲烷(CH₄)等是地球大氣中主要的溫室氣體。

  • 中文名
    溫室氣體
  • 外文名
    greenhousegasses;greenhousegases;greenhousegas;GHG
  • 學科
    大氣、電力、海洋、生態學、資源
  • 主要氣體
    水蒸氣、二氧化碳、甲烷、臭氧
  • 主要危害
    溫室效應
  • 國際協定
    《京都議定書》
  • 解決方向
    危害氣體減排

主要種類

溫室氣體(GHG Greenhouse Gas): 指任何會吸收和釋放紅外線輻射並存在大氣中的氣體。京都議定書中規定控製的6種溫室氣體為:二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)、氧化亞氮(N₂O) 、氫氟碳化合物(HFCs) 、全氟碳化合物(PFCs) 、六氟化硫(SF6)。

地球的大氣中重要的溫室氣體包括下列數種:二氧化碳(CO₂)、臭氧(O3)、氧化亞氮(N₂O)、甲烷(CH4)、氫氟氯碳化物類(CFCs,HFCs,HCFCs)、全氟碳化物(PFCs)及六氟化硫(SF6)等。由于水蒸氣及臭氧的時空分布變化較大,因此在進行減量措施規劃時,一般都不將這兩種氣體 納入考慮。至于在1997年于日本京都召開的聯合國氣候化綱要公約第三次締約國大會中所通過的〔京都議定書〕,明訂針對六種溫室氣體進行削減,包括上述所提及之:二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N₂O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)及六氟化硫(SF6)。其中以後三類氣體造成溫室效應的能力最強,但對全球升溫的貢獻百分比來說,二氧化碳由于含量較多,所佔的比例也最大,約為55%。

二氧化碳

大氣中的二氧化碳(CO₂)是植物光合作用合成碳水化合物的原料,它的增加可以增加光合產物,無疑對農業生產有利。同時,它又是具有溫室效應的氣體,對地球熱量平衡有重要影響,因此它的增加又通過影響氣候變化而影響農業。此外,大氣中具有溫室效應的微量氣體還有甲烷、氯氟烴、一氧化碳、臭氧等,總的溫室效應中二氧化碳的作用約佔一半,其餘為以上各種微量氣體的作用。

二氧化碳濃度有逐年增加的趨勢,50年代其質量分數年平均值約315×10(-6),70年代初已增加至325×10(-6),已超過345×10(-6),平均每年增加1.0~1.2×10(-6),或每年約以0.3%的速度成長。綜合多數測定結果,在工業革命以前的二氧化碳質量分數為275×10(-6)。

大氣中二氧化碳濃度增加的主要原因是工業化以後大量開採使用礦物燃料。1860年以來,由燃燒礦物質燃料排放的二氧化碳,平均每年成長率為4.22%,而近30年各種燃料的總排放量每年達到50億噸左右。

大氣中二氧化碳增加的另一個主要原因是採伐樹木作燃料。森林原是大氣碳迴圈中的一個主要的"庫",每平方米面積的森林可以同化1~2kg的二氧化碳。砍伐森林則把原本是二氧化碳的"庫"變成了又一個向大氣排放二氧化碳的"源"。據世界糧農組織(FAO,1982)估計,70年代末期每年約採伐木材24億立方米,其中約有一半作為燃柴燒掉,由此造成的二氧化碳質量分數增加量每年可達0.4×10(-6)左右。

近200年來,另一個主要的溫室氣體--甲烷的增加也十分迅速。人和草食動物的腸道、糞便、沼澤地,稻田等都是產生甲烷的"源"。此外,人類在開採天然氣和煤炭時,也向大氣中排放甲烷。在工業化以前,大氣中的甲烷的質量分數隻有0.7×10(-6),已接近1.9×10(-6),預計到2030年可達到2.34×10(-6)。

氯氟烴是近50年工業污染的結果,70年代初首次檢測到大氣中的氯氟烴。由于氯氟烴可以破壞大氣臭氧層而且本身又具有溫室效應,因而已受到各國重視。

根據以上綜合分析,如果按現二氧化碳等溫室氣體濃度的增加幅度,到21世紀30年代,二氧化碳和其它溫室氣體增加的總效應將相當于工業化前二氧化碳濃度加倍的水準,可引起全球氣溫上升1.5~4.5℃超過人類歷史上發生過的升溫幅度。由于氣溫升高,兩極冰蓋可能縮小,融化的雪水可使海平面上升20~140cm,對海岸城市會有嚴重的直接影響。

甲烷

甲烷是在缺氧環境中由產甲烷細菌或生物體腐敗產生的,沼澤地每年會產生150Tg(1T=1012)消耗50Tg,稻田產生100Tg消耗50Tg,牛羊等牲畜消化系統的發酵過程產生100-150Tg,生物體腐敗產生10-100Tg,合計每年大氣層中的甲烷含量會凈增350Tg左右。它在大氣中存在的平均壽命在8年左右,可以通過下面的化學反應:

CH4 + OH --> CH3 + H2O

消耗掉,而用于此反應的氫氧根(OH)的重量每年就達到500Tg。

一氧化二氮

一氧化二氮在大氣層中的存在壽命是150年左右,盡管在對流層中是化學惰性的,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,剩下的10%可以和活躍的原子氧O(1D)反應而消耗掉。即使如此大氣層中的N2O仍以每年0.5-3Tg的速度凈增。

N2O + hv --> N2 + O(1D)

N2O + O(1D) --> N2 + O2

N2O + O(1D) --> 2NO

氯氟碳化合物

氯氟碳化合物(CFC-11和CFC-12),它們在對流層中也是化學惰性的,但也可在同溫層中利用太陽輻射光解掉或和活性碳原子反應消耗掉。

CCl₃F + hv --> CCl₂F + Cl,

Cl₂F₂ + hv --> CClF₂+ Cl

CCl₃F + O(1D) --> CCl₂F + ClO

CCl₂F₂+ O(1D) --> CClF + ClO

產生效應

溫室氣體之所以有溫室效應,是由于其本身有吸收紅外線的能力。溫室氣體吸收紅外的能力是由其本身分子結構所決定的。

在分子中存在著非極性共價鍵極性共價鍵。分子也分為極性分子非極性分子。分子極性的強弱可以用偶極矩μ來表示。而隻有偶極矩發生變化的振動才能引起可觀測的紅外吸收光譜,則擁有偶極矩的分子就是紅外活性的;而Δμ=0的分子振動不能產生紅外振動吸收的,則是非紅外活性的。

也就是說,溫室氣體是擁有偶極矩紅外活性分子,所以才擁有吸收紅外線,儲存紅外熱能的能力。

大氣中主要的溫室氣體是水汽(H2O),水汽所產生的溫室效應二氧化碳氫氟碳化物

歷史起源

1820年之前,沒有人問過地球是如何獲取熱量的這一問題。正是在那一年,讓-巴普蒂斯特-約瑟夫·傅裏葉傅裏葉(1768~1830年,法國數學家與埃及學家),回到法國後,他整年披著一件大衣,將大部分時間用于對熱傳遞的研究。他得出的結論是:盡管地球確實將大量的熱量反射回太空,但大氣層還是攔下了其中的一部分並將其重新反射回地球表面。他將此比作一個巨大的鍾形容器,頂端由雲和氣體構成,能夠保留足夠的熱量,使得生命的存在成為可能。他的論文《地球及其表層空間溫度概述》發表于1824年。當時這篇論文沒有被看成是他的最佳之作,直到19世紀末才被人們重新記起。

其實隻因為地球紅外線在向太空的輻射過程中被地球周圍大氣層中的某些氣體或化合物吸收才最終導致全球溫度普遍上升,所以這些氣體的功用和溫室玻璃有著異曲同工之妙,都是隻允許太陽光進,而阻止其反射,進而實現保溫、升溫作用,因此被稱為溫室氣體。其中既包括大氣層中原來就有的水蒸氣、二氧化碳、氮的各種氧化物,也包括近幾十年來人類活動排放的氯氟甲烷(HFCs)、氫氟化物、全氟化物(PFCs)、硫氟化物(SF6)、氯氟化物(CFCs)等。種類不同吸熱能力也不同,每分子甲烷的吸熱量是二氧化碳的 21倍,氮氧化合物更高,是二氧化碳的270倍。不過和人造的某些溫室氣體相比就不算什麽了,目前為止吸熱能力最強的是氯氟甲烷(HFCs)和全氟化物(PFCs)。

主要危害

環境危害

氣候變化及其影響是多尺度、全方位、多層次的,正面和負面影響並存,但負面影響更受關註。全球變暖對許多地區的自然生態系統已經產生了影響,如氣候異常、海平面升高、冰川退縮、凍土融化、河(湖)冰遲凍與早融、中高緯生長季節延長、動植物分布範圍向極區和高海拔區延伸、某些動植物數量減少、一些植物開花期提前,等等。

水蒸氣為最大的溫室氣體,其高出二氧化碳近兩個數量級,但其受高度、緯度的影響較大,受水域和季風的氣候影響也較大,相對的:絕對濕度大的海洋性氣候受人工排放的濕室氣體影響不明顯,海拔較高、高緯度、幹旱地區等絕對濕度較低的地區受人工溫室氣體的影響較大。例如中國的天山山脈處于內陸高海拔地區,雪線明顯上移。美國、歐洲等地區濕度較大人工溫室氣體加速水汽對流反而造成極端的低溫和高溫天氣。若沒有水蒸氣的影響,人工溫室氣體整體會造成溫度上升,但水蒸氣的存在使得大氣湍流增加、氣候趨于極端。

美國環境保護署認定,二氧化碳等溫室氣體是空氣污染物,"危害公眾健康與人類福祉",人類大規模排放溫室氣體足以引發全球變暖等氣候變化。

氣候影響

溫室氣體的增加對氣候和生態系統的影響是一個更為復雜的問題。二氧化碳增加雖然有利于增加綠色植物的光合產物,但它的增加引起的氣溫和降水的變化,會影響和改變氣候生產潛力,從而改變生態系統的初級生產力和農業的土地承載力。這種因氣候變化而對生態系統和農業的間接影響,可能大大超過二氧化碳本身對光合作用的直接影響。按照氣候模擬試驗的結果,二氧化碳加倍以後,可能造成熱帶擴展,副熱帶、暖熱帶和寒帶縮小,寒溫帶略有增加,草原和荒漠的面積增加,森林的面積減少。二氧化碳和氣候變化可能影響到農業的種植決策、品種布局和品種改良、土地利用、農業投入和技術改進等一系列問題。因此在製定國家的發展戰略和農業的長期規劃時,應該考慮到二氧化碳增加可能導致的氣候和環境的變化背景。這個問題對于面臨人口膨脹和人均資源貧乏兩大壓力的我國,顯得尤為重要和緊迫。

減排措施

CO2排放減量

化石燃料燃燒為二氧化碳人為排放之主要來源,企業/產業于因應時,可資減量之方向包括:

能源替代:以天然氣替代其他燃料。

採用高效率或節電設備。

引進再生能源(風力、太陽能等)。

評估及增進廢棄物再利用

資源物回收。

節約用水、廢水減量以降低廢水處理負荷。

廢棄物減量,以降低廢棄物焚化、掩埋或其他物理化學處理程式之負荷

節約用電:照明管理、夏季空調管理及建築物自然採光、防曬之設計。

環保標章或環境友善產品之開發、改良。

環境綠化。

CH4排放減量

甲烷(CH₄)多屬天然排放,自然界的生物厭氧腐解作用本會有CH₄之排放,如水體流動性不高之湖泊、濕地等均有較高貢獻。而人為活動造成的CH4排放因素則有自然水體受生活污水及工業廢水的污染、農業畜牧活動及工業製造程式等。

甲烷結構式甲烷結構式

農業/畜牧業:

有機堆肥管理,及其臭氣的妥善處理或回收能源。

避免燃燒農作廢棄物或以焚燒大區域農作地作為農耕/開發方式。

工業程式:

降低儲油輸油設施之泄漏、逸散。

燃燒系統妥善管理、維護,降低意外或跳機事件之頻率。

儲油槽設定隔熱裝置,降低逸散。

塗裝改採低油性或無油性塗料施作。

垃圾掩埋場沼氣引燃或回收能源。

廢水場厭氧處理之沼氣處理或回收熱能。

N2O排放減量

氧化亞氮(N2O)人為排放源多為農業/畜牧之相關活動,工業程式之排放則以需用氮元素相關化工原料製程為主如硝酸(Nitric Acid)、己二酸(Adipic Acid)(以硝酸為反應原料之一)等。農業/畜牧業:

全球溫室氣體排放流程圖全球溫室氣體排放流程圖

有機堆肥管理,及其臭氣的妥善處理或回收能源。

避免燃燒農作廢棄物或以焚燒大區域農農作地作為農耕/開發方式。

工業程式:

提高相關化學品反應主產品生成率(程式替代或設備改良方式均可達成)。

相關化學品化學反應後端設定De-NOx設施。

焚化爐(特別是生物污泥焚化爐) 設定De-NOx設施。

生活污水妥善處理。

其他氣體

氫氟碳化物(HFCs)、六氟化硫(SF6) 、 全氟碳化物(PFCs)排放減量

氫氟碳化物(HFCs)、六氟化硫(SF6)、全氟碳化物(PFCs)、多用于替代蒙特爾議定書列管破壞臭氧層物質(ODS):氟氯碳化物(CFCs)。 HFCs、PFCs相關用途包括冰櫃空調冷媒、滅火劑、氣膠、清洗溶劑、發泡劑等;而SF6則有用于絕緣氣體、滅火劑等。該三類管製溫室氣體于製造及使用階段均可能造成排放。

選用CFCs替代品時,同時考量GWPs(Global Warming Potentials)低者。GWPs參見表列。

空調、滅火系統之相關管路避免泄漏。

用于清洗溶劑時,配合其他清洗程式及清洗設施改善,提升清洗效率,降低清洗溶劑用量。

清洗溶劑回收系統改善,提升回收量、降低溶劑散失量。

發泡產品製造程式確實做好廢氣收集及處理。

減排政策

歐洲

發達國家在減少溫室氣體排放方面主要是採取具有綜合性的經濟和財政政策,包括:自願協定、能源/二氧化碳稅、排放貿易、可再生能源或熱電聯產生產配額、能源效率標準、對可再生能源等的直接資金鼓勵如優惠費率、贈款、免稅措施等等。但是這些政策隨著實施情況的差別,也在發生不斷變化。以能源/CO2稅收為例,已經從單純稅收向"稅收+補貼"的形式轉變。 從上世紀90年代初一些發達國家為了提高財政收入和/或降低對國外石油供應的依賴程度而開始實行能源或以燃料碳含量為依據的CO2稅。

由于能源/CO2稅具有減少能源消費和溫室氣體排放的作用,許多發達國家都把能源/二氧化碳稅作為減少溫室氣體排放的重要措施。但是,後來,為了避免能源/二氧化碳稅影響本國工業在世界市場上的競爭力,一些國家對高耗能部門實行了低稅率,挪威降低了海上油氣生產的CO2稅率,瑞典製造業的CO2稅率已經改為標準稅率的35%,某些能源密集型工業的稅率也已經降低到接近為零稅率,英國的能源密集型工業的稅率僅為標準稅率的20%。為了激勵節能技術的發展,又避免影響本國工業在國際市場的競爭力,很多國家變稅收為補貼。實行了對可再生能源和熱電聯產等高能效技術的稅收優惠或減免政策,以鼓勵其供應和消費。從供應端來說,主要包括對與可再生能源生產或熱電聯產相關的各種稅收如生產稅、固定資產稅、增值稅、進口關稅等的優惠或減免。

英國政府為熱電聯產的發展製定了稅收優惠政策。2002年,英國的熱電聯產裝機為4700MW,按照政府的目標在2010年時要建成高效的熱電聯產10000MW,為此英國政府對熱電聯產不征收氣候變化稅,並以稅收優惠的形式對投資熱電聯產的企業提供投資補助。

法國對熱電聯產企業減少50%的企業稅,地方政府可以將減少率提高到最多100%。對可再生能源的使用也實施了稅收優惠政策通過稅收優惠和降低增值稅率,企業用于購買可再生能源設備的成本將降低15%,同時,對可再生能源投資的企業一年以後可以享受加速折舊的政策。

美國

2009年12月7日,美國環保署(EPA)署長麗莎·傑克森重申溫室氣體會對公眾健康和自然環境造成威脅,呼吁政府加大清潔空氣法案執行力度,並稱美國環保署正在考慮製定新條例,以進一步限製發電廠、煉油廠、化工廠和水泥廠的廢氣排放。

中國

中國政府高度重視並積極應對氣候變化。2007年,中國政府成立了由溫家寶總理任組長的 "國家應對氣候變化領導小組"。同年,中國政府發布了《中國應對氣候變化國家方案》,這是開發中國家第一個應對氣候變化的國家級方案。

方案中提出到2010年中國單位gdp能耗在2005年基礎上減少20%左右的目標。中國政府還在《可再生能源中長期發展規劃》中,提出到2010年使可再生能源消費量達到能源消費總量的10%,到2020年達到15%左右。

為確保這些目標的實現,中國政府採取了一系列強有力的相關政策措施,成效顯著。

2013年年,中國將全面開展省級應對氣候變化方案工作,以確保應對氣候變化國家方案的切實貫徹實施。

此外,中國的經濟刺激方案安排了2100億用于節能減排和生態工程,3700億用于調整結構和技術改造。民生工程為4000億,主要是保障性住房建設,將積極採用節能環保材料;農村的民生工程3700億,目標是以可持續、環保的方式提高農村生活水準。

在努力應對氣候變化的同時,需要強調的是,中國是一個人均gdp隻有3000美元的低收入開發中國家。按照聯合國的貧困標準,中國尚有1.5億貧困人口。中國別無選擇,面臨著發展經濟、消除貧困和減緩溫室氣體排放的多重壓力。在這一過程中,國際社會相信中國會在力所能及的範圍內,積極採取措施應對氣候變化。

國際社會均希望哥本哈根會議能夠達成積極成果。我們認為,哥本哈根會議成功的關鍵在于能否把協定和 《京都議定書》的要求落到實處。發達國家整體上到2020年應在1990年水準上至少減排25%-40%。

非議定書的發達國家締約方應當承諾遵守具有可比性的定量減排目標。發達國家應當履行規定的義務,向開發中國家轉移技術並提供金融支持,使開發中國家能夠有效地應對氣候變化。

此外,應當為遵守規定、金融支持和技術轉移建立起恰當的機製和製度保證。發展中在得到發達國家"可測量、可報告和可核實的"資金、技術和能力建設的支持下,在可持續發展的架構下,根據本國國情採取適當的減緩行動。

當前,全球金融危機加劇,給各國應對氣候變化工作帶來了嚴峻挑戰。但由于氣候變化是更為長期和嚴峻的挑戰,國際社會應對氣候變化的決心不能動搖、行動不能松懈、力度不能減弱。事實上,國際金融危機如果處理得當,也可以化挑戰為機遇,達到既保護氣候又促進發展的雙贏局面。

中國將本著對本國人民、對全人類利益高度負責的態度,採取積極措施應對氣候變化,為保護全球氣候系統做出新貢獻。

(作者為中國國家發展和改革委員會副主任、中國氣候變化問題特別代表。著作權所有:projectsyndicate,2009。)

國際協定

1997年12月11日,《聯合國氣候變化架構公約》第三次締約方大會在日本京都召開,促生了公約的第一個附加協定《京都議定書》。2005年2月16日,《京都議定書》正式生效,這是人類歷史上首次以法規的形式限製溫室氣體排放。

京都議定書》的目標是在2008年至2012年間,將主要工業發達國家的二氧化碳等6種溫室氣體排放量在1990年的基礎上平均減少5.2%。減排的溫室氣 體包括二氧化碳(co2)、甲烷(ch4)、氧化亞氮(n20)、氫氟碳化物(hfcs)、全氟化碳(pfcs)、六氟化硫(sf6)。其中,歐盟削減8%、美國削減7%、日本削減6%、加拿大削減6%、東歐各國削減5%至8%。紐西蘭、俄羅斯和烏克蘭可將排放量穩定在1990年水準上。議定書同時允許愛爾蘭、澳大利亞和挪威的排放量比 1990年分別增加10%、8%和1%。而議定書對包括中國在內的開發中國家並沒有規定具體的減排義務。

京都議定書京都議定書

合作機製《京都議定書》建 立了三種旨在減排溫室氣體的新的靈活的合作機製--國際排放貿易機製(et)、聯合履行機製(ji)和清潔發展機製(cdm)。排放貿易和聯合履行主要涉 及附屬檔案一所列締約方之間的合作;而清潔發展機製涉及附屬檔案一所列締約方與開發中國家締約方之間在二氧化碳減排量交易方面的合作關系。

為促進各國完成溫室氣體減排目標,議定書允許採取以下四種減排方式:

1.兩個發達國家之間可以進行排放額度買賣的"排放權交易",即難以完成削減任務的國家,可以花錢從超額完成任務的國家買進超出的額度。

2.以"凈排放量"計算溫室氣體排放量,即從本國實際排放量中扣除森林所吸收的二氧化碳的數量。

3.可以採用綠色開發機製,促使發達國家和開發中國家共同減排溫室氣體。

4.可以採用"集團方式",即歐盟內部的許多國家可視為一個整體,採取有的國家削減、有的國家增加的方法,在整體上完成減排任務。

重要事件

2009年11月多位世界頂級氣候學家的郵件和檔案被黑客公開。郵件和檔案顯示,一些科學家在操縱資料,偽造科學流程來支持他們有關氣候變化的說法。人們的焦點開始轉向全球氣候變暖的可信度上。這份科學家的名單並未同期公布,有分析指出這一事件或許對哥本哈根氣候大會產生一定影響。

2012年11月21日,世界氣象組織21日在日內瓦發布年度《溫室氣體公報》稱,2010年地球大氣溫室氣體含量創工業化時代以來的新高。其中,大氣中二氧化碳的濃度較2009年上升了2.3個PPM(1PPM為百萬分之一),達389PPM,增幅高于近10年2.0PPM的年均成長水準,和20世紀90年代1.5PPM的年均成長水準。

由于大量使用化石燃料、毀林和改變土地用途,自1750年工業化進程開始以來,二氧化碳在大氣中的濃度增加了39%。此外,2010年大氣中甲烷濃度較上一年增加了5個PPB(1PPB為十億分之一),達1808PPB,較1750年水準成長158%。同時,另一種溫室氣體氧化亞氮的濃度也有一定程度上升,達到323.2PPB,較1750年水準成長20%。

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