摘要：随着人类社会经济的发展，环境问题越来越突出，温室气体与气候变化更是成为国际社会关注的焦点。根据政府间气候变化专门委员会IPCC第四次评估报告，在过去一百年内，即1906～2005年全球平均气温上升了0.74℃，最近50年升温约为每10年升高0.13℃，是过去100年升温的2倍，未来20年全球气温还会以每10年0.2℃的速度上升。全球变暖不可避免会引发一系列连锁反应，不管是海平面上升还是极端气候增多，其后果都不容忽视。本文将从温室气体和城市热岛两个角度来分析气候变化，对与之相关的盖亚假说也有较详细介绍。
关键词：温室效应 温室气体 源和汇 城市热岛 气候变化 盖亚假说
一、温室效应原理
正如万物生长靠太阳，太阳辐射穿透大气层到达地球表面后，地球在增温的同时也不断对外辐射能量。研究表明，在漫长的岁月中，地球的能量收入和支出基本上处于平衡状态，地表温度大致上没有什么变化。

根据热力学基本定律，任何物体辐射能量的最大值所对应的波长与该物体温度的乘积都等于同一个常数，也就是说，物体的温度越高，其辐射出的电磁波波长越短，反之亦然。太阳表面温度约为6000K，主要为短波辐射，而地球表面却是长波辐射。地球大气层中有些气体对于太阳的短波辐射几乎是透明，却能强烈吸收地面的长波辐射再以大气逆辐射的形式将大部分热量返还地表，从而使地球表面从太阳辐射获得的能量相对多，而散失到大气层以外的热量相对少，地球表面的温度维持在一个适合人类生存的水平。这就是大气的温室效应，这些气体称为温室气体，主要包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氟氯烃、臭氧、水蒸汽、二氧化硫以及一氧化碳等。

二、主要温室气体
IPCC第四次评估报告认为，过去50年全球平均气温升高其中90％以上与人类燃烧化石燃料排放的温室气体有关。自从1750年以来，由于人类活动的影响，全球大气CO2、CH4、N2O和CFCs的浓度显著增加，目前已经远远超出根据冰芯记录得到的工业化前几千年来的浓度值。全球大气CO2的浓度增加主要是由化石燃料的使用和土地利用的变化引起的，而CH4和N2O浓度的增加主要由农业活动引起，CFCs从无到有完全是人类制造并在生产和生活中释放到大气中的。其中CO2浓度从工业化前约280ppm增加到2005年的379ppm，CH4浓度从工业化前约715ppb增加到2005年的1774ppb，N2O浓度从工业化前约270ppb增加到2005年的319ppb，CFCs从无到有，年平均以4％的速率增长。正因为这样，20世纪后半期，北半球的平均气温是过去1300年间最高的。除1996年外，最近12年，即1995～2006年全球地面平均气温是1850年以来最高的时期。按照这样的趋势发展下去，21世纪末全球平均气温将升高2.4～6.4℃。

1.二氧化碳CO2

IPCC第三次气候变化评估报告认为，气候变暖至少66％以上与人类活动排放的二氧化碳有关。全球大气CO2浓度从工业革命前的280ppm上升到了2005年的379ppm，冰芯研究表明，2005年大气CO2浓度远远超过了过去65万年来自然因素引起的变化范围180～300ppm。过去10年CO2浓度平均每年增长1.9ppm，而有连续直接测量记录以来的增长率为1.4ppm/a。18世纪中叶到20世纪40年代，大气中的CO2含量平均每年增加0.06％，主要是工业革命以来的土地利用变化、毁林造田以及生物质燃烧等人类活动造成的。第二次世界大战之后，人类开始大量使用化石燃料，大气中的CO2浓度迅速上升，按照这样的趋势发展下去，全球变暖会越来越明显。

表2 未来大气中的CO2浓度值（ppm）

年份

2025

2050

2075

2100

大气中CO2浓度值

404～425

434～480

456～536

469～614

数据来自IPCC第四次评估报告，2007

大气中的CO2主要来源于各种燃烧过程、土壤或其他地方有机物的分解以及人群和动物的呼吸作用。化石燃料燃烧释放的CO2从20世纪90年代的每年6.0～6.8GtC增加到2000～2005年的每年6.9～7.5GtC。20世纪90年代，与土地利用有关的CO2释放量估计是每年0.5～2.7GtC，自然生态系统转化为耕地使土壤碳贮量减少了38Gt。随着人口剧增，呼吸作用产生的CO2也不容忽视。绿色植物通过光合作用会吸收大量CO2，全球森林生态系统中贮存的碳量为1146Mt，另外海洋也是一个巨大的碳汇。

表3 全球碳的主要源和汇（百万吨/年）

源

化石燃料燃烧排放

5700

土地利用变化排放

2000

汇

海洋吸收

2500

植物生态系统吸收

1000

CO2合计

自然源

人为源

年吸收

年增量

770000

23100

781400

11700

引自王彦佳. 气候变化与温室气体减排，2005

2.甲烷CH4
随着人口剧增、水田耕作以及畜牧业发展，大气中的CH4浓度越来越高，全球大气CH4浓度从工业革命前的715ppb增加到了20世纪90年代的1732ppb，2005年更是高达1774ppb，远远超过了过去65万年来自然因素引起的变化范围320～790ppb。据联合国预测，21世纪末大气中的CH4浓度将翻一番，达到3500ppb。

表4 大气中CH4的浓度变化（ppb）

年份

工业革命以前

20世纪90年代

2005年

21世纪末

大气CH4浓度

715

1732

1774

3500

数据来自冰芯资料和直接观测与预测

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　大气中CH4的每月平均混合比

资料显示，北半球大气中CH4的平均浓度明显比南半球高，可能是因为北半球受人类活动影响比较大，估计人为源占60％，主要是水田耕作、畜牧业发展、生物质燃烧以及固体废弃物填埋。另外自然湿地由于其良好的厌氧发酵条件而向大气释放大量CH4，约占25％。大气中的CH4可与羟基自由基发生氧化还原反应而去除，少量会向平流层输送，也有部分被土壤吸收。

3.一氧化二氮N2O
全球N2O浓度从工业革命前的270ppb增加到了2005年的319ppb，冰芯分析结果表明，直到20世纪中叶，大气中N2O的浓度一直处于285ppb左右，其后就呈现出明显的增长趋势。目前大气中的N2O浓度的年增长率约为0.25％，即平均每年增加0.8ppb。

世界各地的观测资料几乎没有显示出南北半球大气中N2O的浓度差，可能是因为它本身浓度很低，人为排放量小，也可能与N2O在大气中的寿命较长有关。不过像燃烧化石燃料、施用化学肥料以及生物质燃烧等人类活动无疑会向大气排放N2O，其中人为源有60％～70％来自耕作土壤，另外一些工业生产过程如硝酸、尼龙、合成氨和尿素等也会向大气释放N2O。大气中N2O的自然源则主要包括森林、草地和海洋等自然系统，约占总排放量的60％。N2O在大气中非常稳定，主要通过光化学反应除去，另外土壤也能吸收少量N2O。

表6 大气中N2O的源和汇（百万吨/年）

N2O

自然源

人为源

年吸收

年增量

9.5

6.9

12.6

3.8

引自王彦佳. 气候变化与温室气体减排，2005

4.氟氯烃CFCs
大气中原本不存在CFCs，只因为它们是理想的制冷剂和气溶胶喷雾剂，长期以来被广泛应用于制冷、泡沫、消防、气溶胶和清洗等部门。人类活动向大气排放的CFCs是一种重要的温室气体，还会破坏臭氧层。近几十年来，大气中的CFC11和CFC12始终以4％左右的年增长率迅速增加，目前已达到0.4ppb，未来还会缓慢增加。CFCs在对流层会与羟基自由基反应，在平流层中发生光化学分解而去除。

三、城市热岛
正如温室气体会导致全球变暖，城市热岛对气候变化也有一定贡献。在人口高度密集、工业集中的城市区域，由人类活动排放的大量热量与其他自然条件的共同作用致使城区气温普遍高于周围郊区，人们把这种现象称为“人造火山”。高温的城市处于低温郊区的包围之中，如同汪洋大海中的一个小岛，因此也称为“城市热岛”。城市热岛强度表现为夜间大于白天，日落以后城郊温差迅速增大，日出以后又明显减小，主要由以下几种因素综合形成。
城市建筑物和水泥路面大多导热性好，受热传热快。城市建筑物密度越大，布局越呈团块状，下垫面对太阳辐射吸收就越明显，吸收的太阳辐射总量就越多。布局越呈团块状，下垫面的天穹可见度就越小，地表热量损失的空间就越小，地面通过长波辐射损失的热量就越少，气温就越高。城市建筑物参差不齐，形成许多高宽比不同的城市街谷，这种复杂的立体下垫面在白天能比郊区获得较多的太阳辐射，在夜晚相对于空旷的郊区来说不易散开热量，导致了城市热岛的形成。