酸雨 3、教学难点 臭氧层破坏问题
§1 温室气体与全球气候变化
一、全球气候变化问题 1.温室效应：
大气层本身具有的属性。它是确保地球气温总能维持在相对稳 定范围的保障，而不会出现其它星球的剧烈冷热变化
2.全球气候变暖的特征： 近百年来，全球气温呈上升趋势，平均升温为0.6℃ 全球气温的变化不呈直进式，而是呈现冷暖交替的波动
大气中CO2、CH4、N2O和CFCs的浓度变化趋势。在过去的一个世纪里， 人 类活动导致所有温室气体的浓度迅速增加。（资料来源：IPCC,1990）
人类活动的影响
人类活动的影响
主要温室气体的年排放量
温室气体
二氧化碳（CO2） 甲烷（CH4）
一氧化二氮（N2O） CFC-11, -12, -113 HCFC-22 HFCs, PFCs, SF6
浓度/ppt
τ/a
268
50
503
102
82
85
20
300
132
42
135
4.9
7
20
3
65
0.7
20
100
12.1
2
9.4
6
18.4
南极臭氧空洞
南 极 上 空 臭 氧 浓 度 垂 直 分 布 的 变 化
南极臭氧空洞
极地平流层云在南极臭氧空洞的形成过程中起 重要作用
吸附并聚集CFCs及哈龙 非均相反应场所
HCFC-141b C2H3FCl2 HCFC-142b C2H3F2Cl
主要用途和来源
气溶胶喷射剂；发泡剂 气溶胶喷射剂；制冷剂；发泡
剂 溶剂 气溶胶喷射剂；制冷剂 溶剂 溶剂 阻燃剂 阻燃剂 阻燃剂 气溶胶喷射剂；制冷剂； 发泡剂；溶剂；阻燃剂 发泡剂；溶剂 发泡剂；溶剂
1992 年大气中 大气中寿命，
温室效应机理
温室具有与大气类似的对入射太阳辐射和射出热辐射的作用
人类活动的影响
1850年以来大气中温室气体浓度的增加
工业化前 的浓度
CO2 ~280ppmv
1994 年的 浓度
358ppmv
最近的浓 1.5ppmv/a
度变化率 (0.4%/a)
大气寿命 中的b（年） 50~200c
CH4 ~700ppbv
影响气候变化的大气成分
CO2
地球上的碳库：生物圈，海洋和大气，以及各碳库之间 的二氧化碳年交换（Gt）
CO2
CH4
气溶胶
各成分的贡献
1980到1990年期间人为源排放的温室气体对大气中波长8～12μm 光线的透射率的影响。对流层臭氧可能也起到一定的作用，但程 度难以确定。
各成分的贡献
预计到2030年全球气温大约平均升高3°C
为什么北极没有形成臭氧空洞？
北极为海洋环境，较南极大陆环境温暖 周围分布不规则大陆，大气层较南极不稳定 不易形成极地平流层云
臭氧层破坏的危害
臭氧含量减少1％，地面紫外线增加2％～3％ 危害
人体健康－损坏人体的免疫系统，使呼吸道疾病增加 可破坏蛋白质与DNA结构，引发皮肤癌 可使眼睛受损，白内障发病率增高
温室效应机理
反射太阳辐 射：107W/m2
云、气溶胶和 大气反射
入射太阳辐 射：342W/m2
大气放射
大气吸收
出射长 波辐射： 107W/m2
大气窗口
温室气体
潜热
地表反射
反辐射
地表吸收
暖气流
地表 辐射 蒸发蒸腾作用
地表吸收
全球能量平衡示意图。图中给出了基于地球表面区域的平均能量（单位W/m2）流动。大 约有49％的入射太阳辐射被地表直接吸收，但是温室气体效应增加了流向地表的能量。 （资料来源：IPCC, 1996a）
1720ppbv 10ppbv/a( 0.6%/a)
12
N2O ~275ppbv
312ppbv 0.8ppbv/a( 0.25%/a)
120
CFC-11 0
268pptv 0ppvb/a(0
%/a)
50
HCFC-22 0
110pptv 5pptv/a(0
%/a)
12
CF4 0
72pptv 1.2pptv/a(
海平面上升
过去100年 10～20cm 1990～2100 8～9cm
气候变化的影响
降水格局变化
中高纬降雨量增大 北半球亚热带降雨量下降，南半球增加
气候灾害
过多降水、大范围干旱、持续高温
影响人体健康 影响农业生产和生态系统
气候变化的影响
与1982-1983年厄尔尼诺时间相关的旱涝分布区
年排放量/Mt·a-1
全世界
美国
29800
5300
375
31
5.7
0.5
0.7
0.1
0.2
0.1
NA
0.034
人类活动的影响
人类活动的影响
美国 中国 俄罗斯 日本 印度 德国 英国 加拿大 意大利 韩国
CO2 年排放量（MtC/年） （a）
美1国997年10个CO2排放量最大的国家的总年排放量（a）和各国人均年 加拿排大 放量（b）（资料来源：Marland et al., 1999）
20世纪90年代末，发达国家温室气体年排放量控 制在1990年水平
1997年，《京都议定书》
明确各发达国家削减温室气体排放的比例
国际行动
《京都议定书》规定的温室气体排放限值
国家
2008－2012 年的排放限值 a
保加利亚，捷克，爱沙尼亚，欧盟（15 个国
家），拉脱维亚，列支敦士登，摩纳哥，罗马
2%/a)
50000
a ppmv ＝每百万体积中的份额；ppbv＝每十亿体积中的份额；pptv＝每万亿体积中的份
额。 b 初始质量以指数形式衰减到其初始值的1/e＝0.368 所需的时间。 c 对于 CO2，不能确定其唯一的大气寿命。因为不同的汇，其吸收速率不同。 资料来源：IPCC，1996 。
人类活动的影响
臭氧吸收紫外线的反应
O3 hv O2 O O3 O O2 O2
平流层臭氧形成和破坏机理
催化清除理论
20世纪70年代建立 活性催化物质的链式反应
Y O3 YO O2 YO O Y O2 总反应： O3 O 2O2
Y—活性物种，包括奇氢HOx、奇氮NOx、奇卤 XOx三大家族
削减 8％
尼亚，斯洛伐克，斯洛文尼亚，瑞士
美国
削减 7％
加拿大，匈牙利，日本，波兰
削减 6%
克罗地亚
削减 5％
新西兰，俄罗斯，乌克兰
不变
挪威
增加 1％
澳大利亚
增加 8%
冰岛
增加 10％
a 相对于 CO2、CH4 和 N2O 的 1990 年的排放量，和相对于 PFCs、HFCs 和 SF6 的 1995 年
大气中CO2含量
1750年以前
280ppm
目前
360ppm
预计21世纪中叶 540～970ppm
气温
20世纪增加了0.60.2oC
海平面
20世纪上升了10～20cm
全球气候变化问题
近代 Effect）机理
应对措施与策略
1. 控制温室气体的排放
改变能源结构 提高能源转换效率 提高能源使用效率 减少森林植被的破坏 控制水田和垃圾填埋场的甲烷排放
应对措施与策略
不同燃料燃烧单位GJ的CO2排放量
CO2排放量/(kg/GJ)
不同燃料燃烧单位GJ的CO 2排放量
100
95
90
80
ODSs的破坏能力
臭氧耗减潜能（Ozone depletion potential） 全球变暖潜势（Global warming potential)
ODSs的破坏能力
CFCs对臭氧层的破坏作用
一个Cl自由基可以消耗数十万个O3
大气中CFCs分子的变化图
CFCs和其他消耗臭氧化合物的特性
俄罗斯
人类活动的影响
以单位GDP（$）的总能量消耗表示的各国的能源强度。所有数据均为 1998年的，GDP以1990的US$表示。（资料来源：USDOE, 2000）
人类活动的影响
某些国家初级能量供应的碳强度。表明了过去几十年，单位能量 的碳排放下降速率。（资料来源：PCAST，1997）
人类活动的影响
1.臭氧层变化与臭氧洞 臭氧层的作用：平流层中的臭氧：吸收紫外线
对流层中的臭氧：为温室气体 臭氧洞：
- 出现时间－每年9月－11月 表现：
臭氧层出现浓度减少区域，对紫外线的抵挡功能削弱；
发生地区： 1984 南极上空首次
1989 北极上空 首次 其它地区也有类似情况出现
二、臭氧层破坏的原因
甲烷
农业产品及采矿活动的副产品
影响臭氧浓度的物理化学过程
臭氧层的分布
大气的两个最低层，对流层和平流层的温度曲线。大部分大 气质量都集中在对流层，但是臭氧却主要集中在平流层
臭氧层的分布
大气中臭氧浓度分布（单位1012个分子/cm3）
臭氧层的作用
大气对紫外线辐射的吸收
臭氧层的作用
臭氧层破坏现象
N.Gas, etc.
Other energy industry Industr
Commerce, service, etc. Transport&communi
Construction
气候变化的影响
雪盖和冰川面积减少
雪盖 20世纪60年代以来 减少10％ 冰川 20世纪50年代以来 减少10%～15％