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上一篇文章回顾：化学是什么？-第7章 化学是环境的保护者（1）
第7章 化学是环境的保护者
7.3 气候变暖和低碳化学
地球气候变暖已引起全世界人们的关注。自1860年有气象仪器观测记录以来，在150年间，全球平均气温升高了0.6℃。最暖的13个年份均出现在1983年以后。我国自1985年以来，连续出现了16个全国范围的暖冬。为什么气候会变暖？它对环境、生态有什么影响？化学应该怎样和其他学科一起应对这种气温升高的趋势？
7.3.1 地球气候变暖的原因
地球气候变暖的原因，有人认为是人类文明发展，用大量煤炭炼钢铁、生产水泥，用来修路、建楼，外出坐车、坐飞机，居家烧暖气、开冷气，大量使用能源、大量放出热量所引起。其实不然，全球气候变暖的原因不是这么简单。目前人类一年使用的全部能源约相当于100亿吨石油，按标准油的热值41.82兆焦/千克计，全部能源燃烧放出的热量为4.2×1014兆焦，如果把这些热量全部用来加热海水（1.4×1021千克），仅仅能使海水的温度上升7×10-5 ℃，也就是说，每年用这些热量给海水持续加热1万年，海水的温度也增加不到1℃。显然，地球变暖不能简单地归因于人类使用能源放出的热量所致。使地球变暖的原因，在于大气的化学成分起了变化，温室气体增加，出现温室效应所致。主要的温室气体是二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）。![]()
对温室效应的理解要从太阳辐射的能量和围绕地球的大气中各种分子的结构来分析。太阳辐射的能量主要是短波辐射，包括可见光和紫外光。地球吸收太阳能量的同时，也向太空辐射能量，达到能量收支平衡，维持地球表面的正常温度（大约15℃），这种温度辐射的能量属低温辐射，即它是长波辐射。太阳光照射到地球的表面上，地表大气中的单原子分子，如氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）等气体，以及双原子分子，如氮气（N2）、氧气（O2）和氢气（H2）等，对太阳短波辐射的吸收很少，是微不足道的，即对太阳光是透明的；同样，这些单原子分子和双原子分子对地球辐射到太空的低温辐射也吸收很少，也是透明的。对于三原子和三原子以上的多原子分子，如二氧化碳（CO2）、卤代烃（如氟氯烃、卤代烷）、臭氧（O3）、氧化亚氮（N2O）和甲烷（CH4）等，它们对辐射的吸收性能就不同了，它们对太阳的短波辐射是“透明”的，但对地球表面发出的长波辐射有较强的吸收作用，是“不透明”的。当离地面为1万米到5万米高空的平流层中CO2和CH4的浓度增加时，就会阻挡由地表发射到太空的长波辐射，即会减少由地球散发到宇宙太空中的能量，使地球的温度升高。这种含有较多CO2和CH4的大气，在地球表面形成了一个无形的保温罩子，使地球形成一个温室。这种作用称为温室效应，CO2和CH4等称为温室气体。现在人们认为温室效应是使地球气候变暖的主要原因。1992年《联合国气候变化框架公约》中控制的六种温室气体以及它们在大气中能存在的生存期限、对气候变化的潜在影响的大小、对温室效应的“贡献”等情况，列于表7.3.1中。由表7.3.1可见，CO2对温室效应的贡献近2/3，是主要的。它在大气中的体积分数由1958年的3.15×10-4，增加到1992年的3.55×10-4和现在的3.8×10-4。每年增加值大约25×108吨。其中燃烧煤和燃烧油分别占31％，燃烧天然气占13％。甲烷作为温室气体，它一个分子的潜在影响是一个二氧化碳分子的56倍，但它在大气中的含量比CO2要低2～3个数量级，“贡献”却达到19％。而且它增加很快，特别是当气候变暖，寒带和冻土层中天然气水合物释放量增加，“贡献”也将增大。表中虚线以下所列的卤代烃包括氟、氯、溴、碘的碳氢化合物、气体分子，包括常见的四氯化碳、四氟化碳、氟氯烃，它是人工合成物质，这类物质性质稳定、不易燃烧，被广泛用作冷冻剂、清洗剂、灭火剂、喷雾剂。它们因引起大气平流层中臭氧层的破坏而出名，广为人知，它们也是主要的温室气体，在平流层稳定存在时间很长，对温室效应的“贡献”达10％。将它们归为一起，按同一类化合物计，所造成的影响已名列第三。气候变暖对全球生态环境的影响引起人们极大关注，对它可能的后果有着许多推测和预计。![]()
第一，南、北极地区冰雪的消融，导致海平面升高，威胁沿海和低海拔地区人类的生活。据报道，北极地区气候变暖的速度比其他地区更快，冰的总覆盖率在下降，北冰洋的海冰面积近10年来缩小9％，海冰的大量融化使北极地区反射太阳光能力减弱，没有冰盖的裸露水面吸收太阳能多，进一步增加地球变暖的趋势。记录表明，20世纪海平面升高了近20厘米，有人预测21世纪末全球海平面有可能上升近1米，这对一些沿海和低海拔地区将是灭顶之灾。例如，印度洋上岛国马尔代夫将没入海中，孟加拉国有1700万人居住在海拔不足1米的地区，将丧失家园，许多沿海地区亿万人口的生活将受到威胁。第二，气候变暖，山地上的冰川在退缩。据报道，喜马拉雅山脉冰川每年退缩达10～15米，青藏高原地区的冰川面积近30年来缩减了4400多平方千米，比20世纪70年代减少了9％。这对依赖冰川积雪获得水资源的地方构成威胁，对周围地区生态环境产生了明显影响，洪涝和干旱交替加剧。第三，气候变暖将使极端天气的发生频率增高。近年席卷北半球天气的热浪为许多地区创下前所未有的记录。气候变暖也引发一些台风、洪水、冰雹、寒流等极端天气事件，或使这些自然灾害更为猛烈。第四，气候变暖使生态环境发生变化，对生态的破坏力会急剧上升，这对农业生产以及人类的健康也会带来影响。第五，更为严重的后果是原来冻土地带中甲烷气体水合物融化，释放出更多的甲烷到大气中，造成大气中温室气体浓度增加，温室效应加大，自然的力量促使地球变暖加剧。有众多科学家认为，全球平均气温比工业革命前（即1750年前）升高2℃，是引发灾难的临界点。现在已增温0.8℃，只差1.2℃。预计当大气中CO2含量达4×10-4时，就不可避免地导致全球增温2℃。目前CO2含量已达3.8×10-4，而且每年以2×10-6在增长，10年内就会超过4×10-4的临界值。摆在世界人民面前的形势是非常严峻的。化学已利用它的慧眼查明气候变暖和极端气候产生的元凶，这有利于全体人民采取行动予以制服。首先要推动全民学习化学知识，认识温室气体中主要成分是CO2，要发展低碳产业，替代高碳产业。这个问题对我国来说是十分艰巨的任务。我国是世界上人口最多的国家，也是最大的煤炭生产国和消费国，现在温室气体排放量仅次于美国，居世界第二。预计不久，会居于首位。在目前的工业生产中，钢铁、建材、电力、汽车、化工、机械等都是大量消耗化石能源，排放大量二氧化碳的工业。工业生产面临着能源和环境的双重压力。学习化学知识、节能减排和低碳生产的知识，深入思考所在的企业走向没有废气、废渣和热能的排放途径，实现高效的原子循环用于生产，已成为我国全民关注的大事。其次，控制高排碳和高能耗产业，特别是有些在线生产的产品，其产量已超出国内需求，但因它在国际市场上走俏，仍争先恐后地建设生产线，竞相出口产品，这种为别国提供高能耗、高排放产品的产业，宜及早控制。鼓励开发低碳新能源，特别是可持续发展的能源，如太阳能电池、风力发电等。最后，积极植树造林。森林利用大气中已有的二氧化碳进行光合作用，使它和水在植物的叶绿素中结合成糖类物质，包括纤维素和淀粉等。植树造林可以防止水土流失、干旱灾荒，减少大气中的二氧化碳，在我国已取得巨大成就，自1980年至2005年的25年间，我国森林覆盖率提高到18％，累计吸收的二氧化碳约30亿吨，约占我国人为排放量的10％。可以预计，随着森林长大，吸收的二氧化碳会逐年增加。化学是什么？化学是一门使人类具有慧眼，能识别出隐藏在大气中使地球变暖并发生极端气候的元凶，而且能找到制服这些元凶的方法的基础科学。
大气指包围整个地球的空气层。由于受地心引力的作用，大气在垂直地面方向的分布并不均匀，按质量计，50％集中在离地面5千米以下，75％集中在10千米以下，90％集中在30千米以下，剩余10％分布在30～1000千米高空之中。超过1000千米，大气极为稀薄，地心引力微弱，大气物质将容易摆脱地球引力而进入宇宙空间。根据大气温度随垂直地面高度变化的特征，将大气层分为对流层、平流层、中间层、热成层和逸散层，如图7.4.1所示。![]()
图7.4.1 大气圈的分层结构
对流层是最靠近地面的大气层，厚度约12千米，这层存在着强烈的垂直对流作用，故名。对流层里水汽、尘埃较多。雨、雪、云、雾、雷电等主要的天气现象和过程都发生在这一层里。这层大气对人类的影响最大，大气污染通常是指这一层靠地面2千米范围。对流层内大气温度随高度的增加而下降，大约平均达6.5℃/千米。平流层是从对流层顶到约52千米高度范围的大气层，也称同温层。其下部有一很明显的温度稳定区，然后随高度增加而温度上升，其原因是地表辐射影响减少以及氧和臭氧对太阳辐射吸收加热，这种温度结构抑制大气垂直对流运动，而主要作水平方向运动。中间层是由平流层顶到约86千米高度范围的大气层。在这层中温度随高度增加而下降，到中间层顶，气温达到极低值，约为180 K。热成层是由中间层顶到约800千米处的大气层，其温度随高度增加而上升，白天最高温度可达1250～1750 K。由于太阳和其他星球辐射各种射线，该层中大部分空气分子发生电离，成为原子、离子和自由电子，所以这层也叫电离层。逸散层是在热成层以上的大气层，也称外大气层。化学家已对离地不同高度的化学成分进行了测定，了解它们的形成、变化及对人们生活的影响。例如气体元素氦是填充放飞气球以及核磁共振扫描仪和深海潜水设备的气体，如果不珍惜使用，充氦气球直飞高空，氦气消失在外太空中，会减少氦的使用年限。现代分析化学测定的结果说明：围绕地球的臭氧层，在20世纪的后30年间已遭到严重的损耗破坏。南极上空臭氧总量1979年为290 DU，1987年降为121 DU，1991年降为110 DU。1994年国际臭氧委员会宣布：1969年以来，全球臭氧总量减少了10％，南极上空下降了70％，南极上空已出现了大面积的臭氧洞。上述的DU表示该处的臭氧总量以多布森单位（DU）表示，它相当于每10亿个空气分子和原子中有大约1个臭氧分子。为什么地处高空的臭氧层会遭到破坏呢？这要从大气层的结构和性质来了解。从地表到对流层顶部，气温约从15℃降至-56℃（见图7.4.1），再往上到50千米左右是平流层顶部，气温又升至约-2℃。对流层顶的低温，使水和一般污染物到此都凝结下落，保护了平流层。由于平流层中大气在垂直方向对流很少，而水平方向混合得快，有害污染物一旦进入平流层，可能在那里滞留数年之久，影响整个地球。从对流层扩散到平流层的破坏臭氧的污染物主要为氮氧化物（NOx）和氯氟烃。氯氟烃是如CFCl3、CF2Cl2等若干种氯和氟置换的甲、乙、丙烷的总称，商品名为氟里昂（freon）。另外，在平流层飞行的飞机直接把NO和H2O等排放入平流层。氮氧化物和氯氟烃是破坏臭氧层的主要物质。破坏臭氧层的机理是按链式反应进行的，一个污染物分子平均可破坏上千个O3分子，破坏O3的机理如下：![]()
② 氯氟烃破坏O3的机理，是紫外光子打断C—Cl键，产生Cl原子自由基：![]()
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大气中的臭氧只占大气组成的千万分之几，其中平流层臭氧占大气总臭氧的91％。在高度为15～35千米处浓度较高，但也只有大气的十万分之一（10-5）左右。化学家和物理学家一起，共同努力对臭氧进行科学研究，为人类做了好事：
第一，精确测定臭氧的物理性质，臭氧对波长为220～330纳米范围的紫外线有强吸收作用，大气中的臭氧能有效地吸收波长为290～320纳米的中波段紫外线，因它照射到人体会降低人体免疫功能、危害呼吸器官和眼睛、增加皮肤癌的发病率。臭氧的存在使地球上的生命免受紫外线的伤害，科学家提出散布在大气中的臭氧是“人类的保护伞”的观点，引起大家重视。
第二，测定大气中臭氧含量逐渐降低的实验事实，以化学科学的原理说明臭氧分子被破坏的原因，并从生物化学的研究说明大气中臭氧含量降低的危害：臭氧减少1％，到达地面的对人体有害的紫外线将增加2％，白色人种皮肤癌发病率增加4％。
第三，从化学科学的研究说明大气中臭氧遭受破坏的主要原因是广泛地应用于制冷、工业溶剂、清洗剂和气溶胶中的氟里昂等。在国际上取得共识，签订公约，限制这些化学品的生产量、使用量和停用时间。由于全世界人民重视保护臭氧层，近年来臭氧层已经逐渐恢复。这是世界人民共同努力和环境和谐相处的可喜成果，也是化学对人类作出的贡献。1．大气污染物污染物的意义并不是绝对的。污染物可以说是在不适当的地点以不适当的浓度存在的物质。例如，臭氧是高空（平流层）大气的重要天然成分，可以保护人类免受紫外线伤害，而它在地表的空气中却是十分有害的气体，是一种污染物。按化学成分分类，对流层中主要的大气污染物列于表7.4.1中。![]()
大气污染物的来源有天然源和人为源。从天然源看，火山爆发产生二氧化硫、硫化氢、气溶胶和烟尘等；生物腐烂会释放出二氧化碳、硫化氢、氨、甲烷；森林着火产生碳氧化物、气溶胶；雷电产生氮氧化物、臭氧等。从人为源看，大气污染物主要来自燃料燃烧，化肥、农药的使用，工业生产中各种废气的排放，生活垃圾和工业废渣的排放。人类生活的改善和工农业的发展，使燃料用量大幅度上升，废气大量排放，造成大气污染日益严重。通常以五种主要的空气污染物，包括SO2、CO、NO2、O3和悬浮颗粒物等在空气中的浓度作为空气品质判别标准，将空气品质分成若干等级。由于NO2可转变为硝酸、产生烟雾，加之它的直接来源都是汽车尾气和燃料燃烧产生的人为源，所以一般不用氮氧化物NOx，而只用二氧化氮NO2作空气品质标准。悬浮颗粒物指悬浮于空气中的固体和液体的微小颗粒。大风扬起的尘埃、汽车排出的尾气、工农业生产中排放的烟尘等都会产生悬浮颗粒物。不同的化学成分和颗粒的大小对人的危害不同。大气中的悬浮颗粒物又称雾霾或气溶胶。水滴分散在大气中形成的气溶胶称雾或水雾；固体微粒分散在大气中形成的气溶胶称为霾或烟雾。水雾由微小水滴形成，太阳一晒就会消失，烟雾是“干雾”，阳光不能使它消失。烟雾又称“灰霾”，使天空灰蒙蒙、能见度降低，眼前好像蒙上一层薄纱。有时固体微粒表面有水存在，它既是水雾又是干雾，也称雾霾或烟雾。有两类化合物形成的烟雾引起人们的重视。一类主要是由二氧化硫所引发的硫酸烟雾，另一类主要是由氮氧化物引发的光化学烟雾。二氧化硫吸附在烟雾微粒表面上，受到微粒所含铁元素等的催化氧化，形成三氧化硫，它和微粒表面的水或水雾中的水相遇，和水起化学作用形成硫酸烟雾：![]()
由于单纯二氧化硫的危害性小于硫酸烟雾，为了防止它形成，既要在烟道气排放前进行脱硫处理，还要减少固体烟尘颗粒物的排放。光化学烟雾是由氮氧化物（NOx）和烃类有机化合物气体在强烈阳光辐照下发生一系列化学反应形成的。汽车尾气含有不完全燃烧的烃类气体和氮氧化物，它与石油化工中的排放物是主要的污染源。光化学烟雾形成时产生大量臭氧，臭氧成为光化学烟雾的标志物，可借以判别烟雾可能形成及其严重程度，警示人们采取避险措施。雾霾是关系到大气质量的重要因素。如前面所述，雾是水蒸气凝结形成的小水滴，是自然出现的天气问题，纯粹的雾在气温升高后，水滴蒸发成水蒸气而消散。霾是尘埃的小颗粒，是人们在生产和生活中燃烧煤炭、汽油及排放汽车尾气等，散发到大气中的小颗粒。雾和霾来源不同，化学成分有差异，但两者有密切的关联。将雾水收集，当它蒸发干燥后，残留许多固体小颗粒，即雾滴包含着霾出现在大气中，雾和霾相互联系，通称雾霾。PM 2.5指直径小于或等于2.5微米（μm，10-6米）、悬浮于大气中的细颗粒物，所用单位为微克/立方米，即每立方米大气中包含细颗粒的质量，以微克计。选择PM 2.5，而不采用PM 10或其他数字是由于通过实验了解到直径大于2.5微米的颗粒物大部分易于沉积在鼻腔和口腔的黏膜，而粒径等于或小于2.5微米的细颗粒物容易进入支气管，对人的健康影响大。而且PM 2.5对阳光的散射效应和吸收效应强。雾霾对环境有重大影响：第一，当大气中存在雾霾，对阳光进行吸收和散射效应，使能见度降低，影响飞机的升降和航行，影响道路上车辆的通行。根据实验测定，雾霾颗粒大于2.5微米时影响较小。第二，雾霾影响人体的健康。粒径小于或等于2.5微米的雾霾容易进入支气管，干扰肺部气体的交换，引发哮喘、支气管炎和心血管疾病。每人每天平均要吸入约1万升空气，包含雾霾数量多，对人体健康的影响大，是人们关注的重大问题。![]()
酸雨是指带酸性的雨水、雪和雾等来自大气的不同形式的水。雨水变酸是由于大气污染物造成的，这里所指的污染物主要是硫酸和硝酸。二氧化碳溶于水形成碳酸，所以二氧化碳俗称碳酸气。在含有碳酸的雨水中会产生电离平衡如下：
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所以二氧化碳的水溶液呈酸性，它的pH最低可达5.7。这种单纯由CO2引起变酸的雨水不算酸雨。雨水含有其他酸性物质使pH小于5.6者定义为酸雨。大气污染物中导致酸雨产生的硫酸和硝酸，两者共占酸雨总酸量的90％以上。大凡以石油为主要燃料的地区，酸雨组成中硝酸成分较多；以煤为主要燃料的地区，硫酸成分较多。导致酸雨形成的因素有自然源和人为源。自然界由于火山爆发、森林失火、雷电产生的高温、微生物的分解等都会产生硫的氧化物和氮氧化物，导致硫酸和硝酸的形成。有估计表明：大气中SO2的来源中自然源占90％，人为源约占10％；NOx的自然源占60％，人为源占40％。但是一般考虑酸雨的形成，为什么不计自然源呢？这是因为自然源的酸性气体物质分散于全球大气，成为大气酸性气体计量的背景值，这个数值是很低的。据监测，大气对流层中SO2的背景值仅为1×10-9，而NOx自然源的背景值比SO2还要低一个数量级，所以这两者都可以不必考虑自然源。人为排放的污染源，虽然比自然源少，却主要散布在局部地区的低层大气，其浓度比背景值一般要高2～3个数量级，所以它是形成酸雨的主要因素。是不是大气中有了酸性气体（SO2、NOx），就一定导致酸雨呢？不是。我国有世界上酸雨严重的地区，它主要分布在长江流域，西起四川峨眉山，经重庆、贵州遵义、湖南长沙，向东直至安徽。北方酸雨较少，工业发达、用煤很多的京津唐地区就无酸雨，其原因是这个地区的土壤和地壳矿物成分中的碱金属如Na、K，碱土金属如Mg、Ca含量较多，它们成为气溶胶转入大气后，与云中的酸发生中和作用，降低了雨水中的酸性，不形成酸雨。而南方雨水充沛，降水多，土壤和地壳中的碱金属和碱土金属多被淋溶，转入大气的碱性物质较少，而土壤中含量丰富的铁、锰、铝氧化物，以黏土的形式存在，它们转入大气后，有加速SO2转化为硫酸的作用，其本身还会水解生成酸，更加强了雨水的酸度。酸雨危害生态环境、腐蚀建筑物和金属器物，影响人体健康。酸雨对植物叶片有直接的破坏作用，严重危害森林、草场和农作物。酸雨主要出现在酸雨土壤地区，使土壤酸度更高，土壤中细菌的种类特别是固氮菌减少，影响土壤有机质的形成和肥力，使土壤团粒结构变坏，农作物减产。酸雨使湖泊酸化，鱼类烂鳃、变形，甚至难以生存。因此必须根据物质的基本化学性质认真研究和防治。例如对SO2产生比较集中的燃煤电厂，必须坚决实行脱硫措施，以免排放扩散，影响大面积区域，否则再治理就很困难了。化学是什么？化学是一门教会人们检测天上大气的化学组成、了解大气污染形成的科学依据，并设法经济有效地治理大气污染的基础科学。
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