能源、经济、环境-第3部分
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地球表面的能量循环
从古至今，人类生存所必需的能量几乎全部都间接或直接地取自于太阳。太阳能为人类生存提供了各种植物的化学能。太阳能使地表水蒸发而形成雨和雪，它们的一部分汇合在一起形成河流，利用河流，农业可灌溉良田，工业可水利发电。太阳能加热空气，热气流上升形成风，风能过去用于行船，当今用于发电。就连当今最重要的能源—煤炭、石油、天然气等化石燃料，都是各种古代生物把太阳能转化为化学能固定下来后，又经过漫长的年代沉积在地下演变而成的。
地球表面的能量循环本质上是各种能量形式的转化过程。太阳能将地表水蒸发形成水蒸汽，一部分水蒸汽形成云，从而将太阳能转化为水的势能。一些云漂流到较高的陆地后下雨下雪，形成河流，形成水的势能。河流由高而低，产生速度，将势能转化成动能，水分子不断碰撞，产生热量，将动能转化成热能。而热能又可以使水蒸发形成云，形成新的循环。大部分的热能通过热辐射散发到外太空了，只有小部分的能量进行了循环。如果人类修建水坝，拦河发电，则将水的势能和动能转化成电能，电能驱动各种机械运动，将电能转化成机械能，机械能通过摩擦转化成热能。电能也可以直接通过照明和加热转化成热能。
太阳能加热空气，或者各种热能加热空气，由于加热温度不同形成压力差，形成风，将太阳能转化成动能，风与树木、房屋、山川等碰撞，风速衰减，摩擦生热，将动能转化成热能。如果人类利用风力发电机发电，则将风的动能转化成电能，电能又可通过驱动机械和照明、加热等方式，最后转化成热能，形成一个循环。
在这些循环过程中，热能是最终的形式，因为所有的能量循环都以热能（太阳能也是一种热辐射）开始，经过动能、势能、机械能等转变，最后转变成热能，散发到外太空，形成一个能量循环。
能量平衡与气候的关系
在自然界中，任何物体都具有一定的温度，都会发出波长在2000纳米以上的长波辐射而散失热量，物体温度越高，辐射波长越短，散失的热量越多。太阳向大地辐射热量的主体是短波辐射，且大部分是可见光。大部分太阳短波辐射可以顺利通过大气层到达地面，使地球表面温度升高。与此同时，大气能强烈地吸收地面放出的长波辐射，仅散失少量热辐射到宇宙空间。地面温度越高，辐射的波长越短，穿过大气的能力越强，散失的能量则越多。由于大气吸收热量多，散失少，使地球气温升高。随着地球气温的升高，地面的长波辐射穿越大气的能力增强，散失到宇宙空间去的热量也随之增多。最终，地球接受到的太阳辐射热量和地球散失的长波辐射热量会达到平衡，形成地球上的平衡温度。
在影响地球能量收支平衡的诸多因素中，最重要的因素是“温室效应”。
什么是“温室效应”？玻璃花房在墙体的保护下室内温度要高于室外温度。地球的大气也像玻璃墙体一样部分地锁定从地球表层反射而出的能量。可以说正是由于地球大气的存在，地球的气温才得以维持生命体普遍能适应的温度——平均为15摄氏度。假如没有地球大气，那么地球的平均温度可能保持在零下18摄氏度。那些保护地球适宜温度的气体被称为“温室气体”。
那么“温室气体”包括哪些？地球大气的构成主体是氧气和氢气，它们在大气中的含量高达99％（其中氧气约占21％，氮气则占78％左右）。它们都可以透过可见光与红外辐射，对气候变化却几乎没有直接影响。真正能够引发地球风云变幻的只是大气剩余1％份额里的其他气体：二氧化碳、甲烷、臭氧、水蒸气及卤烃等。别看这些气体在大气中所占比重不大，它们却能够对气候变化产生巨大影响。其中最主要的是二氧化碳。 二氧化碳不能透过红外辐射，所以二氧化碳可以防止地表热量辐射到太空中，具有调节地球气温的功能。如果没有二氧化碳，地球的年平均气温会比目前降低33 ℃。但是，二氧化碳含量过高，就会使地球仿佛捂在一口锅里，温度逐渐升高，就形成“温室效应”。 形成温室效应的气体，除二氧化碳外，还有其他气体。其中二氧化碳约占75％、氯氟代烷约占15％～20％，此外还有甲烷、一氧化氮等30多种。
近年来气温连续普遍升高，根据仪器记录，相对于1860年至1900年期间，全球陆地与海洋温度上升了摄氏度。自1979年，陆地温度上升速度比海洋温度快一倍（陆地温度上升了摄氏度，而海洋温度上升了摄氏3度）。根据卫星温度探测，对流层的温度每十年上升摄氏2度至度。据世界上许多科学家预测，未来50—100年人类将完全进入一个变暖的世界。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖等一系列严重问题，引起了全世界各国的关注。 除二氧化碳以外，对产生温室效应有重要作用的气体还有甲烷、臭氧、氯氟烃以及水气等。随着人口的急剧增加，工业的迅速发展，排入大气中的二氧化碳相应增多；又由于森林被大量砍伐，大气中应被森林吸收的二氧化碳没有被吸收，由于二氧化碳逐渐增加，温室效应也不断增强。据分析，在过去二百年中，二氧化碳浓度增加25％，地球平均气温上升℃。估计到下个世纪中叶，地球表面平均温度将上升—℃，而在中高纬度地区温度上升更多。
空气中含有二氧化碳，而且在过去很长一段时期中，含量基本上保持恒定。这是由于大气中的二氧化碳始终处于“边增长、边消耗” 的动态平衡状态。大气中的二氧化碳有80％来自人和动、植物的呼吸，20％来自燃料的燃烧。散布在大气中的二氧化碳有75％被海洋、湖泊、河流等地面的水及空中降水吸收溶解于水中。还有5％的二氧化碳通过植物光合作用，转化为有机物质贮藏起来。这就是多年来二氧化碳占空气成分（体积分数）始终保持不变的原因。 但是近几十年来，由于人口急剧增加，工业迅猛发展，呼吸产生的二氧化碳及煤炭、石油、天然气燃烧产生的二氧化碳，远远超过了过去的水平。而另一方面，由于对森林乱砍乱伐，大量农田建成城市和工厂，破坏了植被，减少了将二氧化碳转化为有机物的条件。再加上地表水域逐渐缩小，降水量大大降低，减少了吸收溶解二氧化碳的条件，破坏了二氧化碳生成与转化的动态平衡，就使大气中的二氧化碳含量逐年增加。空气中二氧化碳含量的增长，就使地球气温发生了改变。但是有乐观派科学家声称，人类活动所排放的二氧化碳远不及火山等地质活动释放的二氧化碳多。他们认为，最近地球处于活跃状态，诸如喀拉喀托火山和圣海伦斯火山接连大爆发就是例证。地球正在把它腹内的二氧化碳释放出来。所以温室效应并不全是人类的过错。这种看法有一定道理，但是无法解释工业革命之后二氧化碳含量的直线上升，难道全是火山喷出的？
根据在南极提取的冰芯，以及近代对大气中二氧化碳含量直接测定的结果，显示二氧化碳在不断升高。下表为测试结果。
测定冰核值
冰芯深度（米） 年度 CO2（ppm）
16 1806 280
11 1894 297
102。 5 1919 300
82 。5 1949 311
68 。4 1973 328
直接测定大气值， 所测得的CO2含量为：
年度 CO2 （ppm）
1959 316。 00
1960 317。 02
1965 320。 41
1970 325。 51
1973
1975
1980
1985
1987
从上述数值可以看出，南极冰核中CO2浓度已由1759年的279 ppm上升到1973年的328 ppm。在1973年中从大气直接测定的CO2浓度为329。 82 ppm，与从冰核测定到的此年CO2浓度为328ppm是一致的。从上表数值可以看出，大气中CO2浓度从1754年到1987年的233年中，CO2浓度上升了69 。62 ppm，每年乎均上升0。 298ppm。
如果二氧化碳含量比现在增加一倍，全球气温将升高℃～℃，两极地区可能升高10 ℃，气候将明显变暖。气温升高，将导致某些地区雨量增加，某些地区出现干旱，飓风力量增强，出现频率也将提高，自然灾害加剧。更令人担忧的是，由于气温升高，将使两极地区冰川融化，海平面升高，许多沿海城市、岛屿或低洼地区将面临海水上涨的威胁，甚至被海水吞没。海平面上升对人类社会的影响是十分严重的。如果海平面升高1 m，直接受影响的土地约5×106 km2，人口约10亿，耕地约占世界耕地总量的1/3。如果考虑到特大风暴潮和盐水侵入，沿海海拔5 m以下地区都将受到影响，这些地区的人口和粮食产量约占世界的1/2。一部分沿海城市可能要迁入内地，大部分沿海平原将发生盐渍化或沼泽化，不适于粮食生产。同时，对江河中下游地带也将造成灾害。当海水入侵后，会造成江水水位抬高，泥沙淤积加速，洪水威胁加剧，使江河下游的环境急剧恶化。温室效应和全球气候变暖已经引起了世界各国的普遍关注，目前正在推进制订国际气候变化公约，减少二氧化碳的排放已经成为大势所趋。
从地球表面的能量平衡及能量循环来看，人类活动通过燃烧石化能源、排放温室气体、砍伐森林等方式，极大改变了地球表面的能量平衡状态，促使地球表面吸收的热量比散发的热量更多，从而提高了地球表面温度。txt电子书分享平台
第三节 气候变化原因的学说
第三节 气候变化原因的学说
1、气候变化研究简史
人类对气候变暖现象及其原因的研究具有很长的历史。这里首先对近百年来国际上相关研究的一个侧面做简要介绍。
在20世纪20年代，人们发现，欧洲和北美地区的气温自19世纪晚期以来表现出上升趋势。到30年代中后期，美国科学家利用东部观测资料和世界其他地区的稀疏资料，获得了“全球”平均气温序列，发现自1865年以来全球陆地平均气温已明显上升。不过他们认为，这种变化可能是气候长周期变化的表现。1938年，Callendar发现，从1890年到1935年全球陆地平均气温上升℃并认为这可能是人为CO2温室效应造成的。但其他科学家认为观测的变暖可能是自然变化的一部分，变暖不会一直持续下去。随着多数地区30年代后期的继续升温，温室效应引起增暖的观点变得逐渐流行起来，但与气候自然变化观点仍然存在着明显的争论。
实际上，早在19世纪中后期，Tyndall等就认识到大气中的水汽和C02等气体具有所谓的“温室效应”，并可影响地球的气温。19世纪末，瑞典科学家A rrhenius和Hogbcxn计算了大气C02浓度变化对欧洲地面气温的影响，指出人类活动引起的温室气体浓度增加，可能造成地球表面气温上升。Arrheniu甚至计算了CO2浓度加倍情况下，地球表面平均气温将增加5一6℃。认不过他认为要达到那一浓度可能需要很长时间。
但是，Ahlnann在1952年发现，北方的气温实际上从40年代初开始就降下来了。气温下降无疑给温室效应增暖学说泼了冷水，有关气候变化原因的争论曾一度停息下来。1961年，Mitchel1发现全球地面平均气温从40年代初开始下降。不过他认为，原来的增暖可能仍和大气C02浓度增加有关，而温度逆转可能和火山或太阳活动影响有关。20世纪60年代到70年代初，全球地面气温一直较低，欧亚大陆尤其明显。气候学界对C02引起变暖的推测产生怀疑。Landsberg认为，气候可能正在发生间歇性的波动，而不是持续地变暖。在全球尺度上，自然因子的作用还是主要的，但不排除遥远未来全球变暖的可能性。
20世纪70年代是异常气候事件频繁发生、学术思潮激昂荡漾的时期。北非等地一系列异常气候事件和进一步的转冷引发了思考和争鸣。一些学者倾向于气候变化的自然控制作用，并认为太阳输出辐射变化可以引起气候变冷，地球轨道参数变化也可能正在引起气候长期缓慢变冷，甚至有可能返回到一个新的冰期阶段。一些学者认为，火山活动或人类排放的气溶胶可能正在引起气候变冷。
但70年代早期仍有人坚持认为，人为排放的CO2将导致未来全球气候增暖。他们认为当时的变冷可能是暂时的，温室效应引起的全球变暖在未来几十年终将显露出来。 Budyko 和Manab采用气候模式对未来可能由大气CO2浓度增加引起的气候变暖趋势进行了模拟。到70年代末，全球陆地平均气温停止下降，转而上升，关于未来温室效应将增强的观点逐渐占了上风。
与此同时，古气候研究证实，地球轨道参数的周期变化与北半球冰期和间冰期交互转换步调一致，而且过去的地球系统存在着若干突然的状态变化。简单气候模式模拟和北极地区雪盖面积的剧烈年际波动等观测事实表明，气候系统对外强迫的响应可能是更敏感、迅速的。这些都进一步唤起科学界对气候变化问题的关注。
到80年代初，人们由原来担心核战争会导致平流层臭氧显著下降，现在变为担心核战争可能引发“核冬天”，导致全球变冷和地球生物大灭绝。与此同时，美国、英国和前苏联的科学家分别对全球地面气温资料进行了系统整理，获得了更可靠的全球陆地地面平均气温序列。Hansen等证实，全球地面平均气温在经历了20多年的变冷后，70年代中后期开始转暖。Jones和前苏联的学者获得了同样的结论。此后，不断更新的观测资料序列表明了�
