第7章大气温室气体与气候变化ppt课件.ppt
第七章 大气温室气体与气候变化,主要内容：大气温室气体的种类、来源及其分布大气中温室气体浓度的变化温室效应增加和全球变暖气候变化对人类生存环境的影响,第一节 大气温室气体的种类、来源及其分布,什么是温室气体 大气圈实际上就是指包围在地球周围的气体层，其总质量约为6000108 T。大气层是由氮气（78%）氧气（20.95%）氢气（0.93%）以及少量的二氧化碳,臭氧,一氧化碳,甲烷等微量气体组成。此外大气层中还有一些含量变化不定的水蒸汽等组分。,大气层就像人们熟知的温室中的玻璃或塑料薄膜一样，将整个地球变成了一个大温室，使地球表面的温度变暖并基本保持在目前的这个水平上。那些能够阻挡地球红外辐射向大气层外逃逸从而对地球起着保温作用的气体就被称为温室效应气体或简称为温室气体。,大气中的温室气体有哪几种 大量的研究结果表明，地球大气中的温室气体主要有水汽，二氧化碳，甲烷，氧化亚氮，臭氧，二氧化硫，一氧化碳以及其他滞留在大气中的痕量气体，如氟氯烃，氟化物，溴化物，氯化物，醛类，以及各种氮氧化物，硫化物等。温室气体的气体总和也超不过整个大气层体积的0.03。一部分由于人类本身的生产和社会活动排放而滞留在大气中。,大气中的温室气体来自何处大气中温室气体大致分为两类：一类是大气中固有的，如二氧化碳、臭氧、氧化亚氮、甲烷一类是工业化以来人类活动过程中排放到大气中的，如氟氯烃、醛类以及一些氮和硫的氧化物。,一、二氧化碳 大气中的二氧化碳主要来源于于燃烧过程，土壤或其他地方有机物的分解以及人群和动物的呼吸。,二、甲烷 大气中的甲烷由于其含量甚微，长期以来不被人们所重视。甲烷是天然气的主要成分，甲烷通常被俗称为沼气，按来源可分为自然源和人为源，前者主要是自然湿地，海洋，淡水，甲烷水合物以及白蚁等，其中自然湿地是大气中甲烷的最主要自然源。人为源就是水田，由于水田中可提供良好的厌氧条件，因此促进了甲烷气体的产生和向大气排放。另外，畜产业的快速发展也会使畜牧场地的粪便、碎屑等动物废弃物大量增加，而这些废弃物以肥料形式埋入地下腐烂发酵时会产生厌氧条件百而导致甲烷的产生和排放。第三个被公认的甲烷人为源就是固体废弃物的填埋。,三、氧化亚氮 N2O是低层大气中含量最高的含氮化合物，主要来自于天然来源，即由土壤中硝酸盐(NO3-)经细菌的脱氮作用而产生：由于在低层大气中N2O非常稳定，是停留时间最长的氮的氧化物，一般认为其没有明显的污染效应，大气寿命约120a,天然源：海洋和热带森林人为源：农田氮肥使用、工业生产和家畜、生物质燃烧以人为源排放导致增加为主,四、臭氧 天然源 平流层输送 原因：对流层顶折叠 判断：数据突变，7Be 高值（平流层物种，由宇宙射 线产生）峰值出现在冬季和春季，或浓度没有明显白昼变化 对流层光化学过程产生,第二节 大气中温室气体浓度的变化,一、温室气体的浓度极其测量“温室气体”的真正科学问题是：大气中的重要温室气体自工业革命以来有多大变化？今后会如何变化？温室气体含量变化会使它们的温室效应增强多少？1958年，美国斯克里普斯海洋研究所在夏威夷岛的莫纳洛娃山建立了全球第一个连续观测大气中温室气体浓度极其变化的观测站20世纪70年代初，世界气象组织（WMO）、世界卫生组织（WHO）和联合国环境规划署（UNEP）等国际组织共同发起和组织了“大气本底污染观测网”（Background Air Pollution Monitoring Network，简称BAPMoN，旨在对世界范围内大气污染状况进行长期全球性观测，其中包括对大气中主要温室气体的观测，目前，在世界各地已有200个观测站。对历史大气状况进行研究，使用冰芯气泡分析法，已获得距今20万年以来大气中CO2、CH4等气体的含量；海底沉积物也是研究方法。,二、大气中主要温室气体的浓度极其变化CO2浓度的增加,它被公认为大气中最重要的温室气体，含量取决于地球上生物圈，海洋和大气圈等主要碳库间二氧化碳的交换和平衡过程。就全球而言，大气中二氧化碳的浓度并非是均匀分布的，如前所述，化石燃料燃烧是当前导致大气中二氧化碳浓度增加的主要原因，由于这种燃烧大约百分之九十五发生在北半球，因此，北半球大气中二氧化碳浓度要高于南半球大气中的相应值。南北半球浓度之差约为2106到3106。,2.CH4浓度的变化 20世纪90年代后，大气中甲烷浓度呈迅速增长态势，平均增长速率1%左右；北半球浓度明显高于南半球浓度。CH4在大气中的源、会情况复杂，其源、汇变化和在大气中的输送过程至今还不是很清楚 1993年前后在全球范围内观测到了大气CH4浓度增长速率大大降低的结果，其原因还没有达成共识。,3.N2O浓度的变化 20世纪中叶，大气中N2O浓度一直处于285106左右，几乎没有什么明显变化，其后，浓度呈现了明显增长趋势，目前，年增长率约为0.26%。N2O在全球浓度基本呈现均匀分布，一方面因为浓度较低，另一方面跟N2O在大气中寿命较长有关。,四、大气中CFCs的变化,三、未来大气中温室气体浓度的变化趋势 主要温室气体在大气中的浓度在今后3050a间如何变化时当今人们在温室气体研究中最关心的问题。大气中温室提起浓度今后的变化特征将主要取决与人类本省的行为。估计大气中温室气体的浓度今后的变化是一件非常困难的事，不仅涉及到各种温室气体在大气中的源、汇需要作出科学认识和估算，更重要的是它涉及到人口增长、经济发展以及能源结构等一系列社会、环境问题。所有温室气体未来变化趋势的预测都带有较大的盲目性和不确定性。,根据政府间气候变化委员会(IPCC)以及世界能源协会（WEC）的研究：1.CO22.CH4 利用大气中甲烷浓度与世界人口增长之间的统计关系，根据联合国估计的未来人口增长速率预测，21实际末，CH4浓度将翻一番，达到3.5106,3.N2O 由于排放量小，汇相对稳定，未来变化预测中，不确定性相对较小，未来几十年大气中N2O将以0.20.3%的年增长率增加。4.CFCs 取决于他们被控制的程度和时间进程。近几十年，CFC11、CFC12始终以4%左右的年增长率迅速增加。,气候：研究气温、降水、风速风向等气象要素的长期（如100年）平均规律，是一个地区的冷、暖、干、湿等天气状况基本特征的综合反映。气候系统由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和冰冻圈共同组成，气候是这些圈层相互作用的结果。气候变化：指长时期内气候状态的变化，通常用不同时期温度和降水等气候要素统计量的差异来反映，变化的时间尺度从最长的几十亿年到年际、季际、月际。气候异常：指正常气候起伏中出现的明显反常现象，导致人类及动植物的不适应，影响人类社会及生产活动，危机动植物的正常生长发育，并可能导致飓风、热浪、暴风雪等灾害性时间。大气辐射以及各个圈层内部和相互之间的物理、化学和生物过程的相互作用决定了气候变化。温室效应 气溶胶：阳伞效应,第一节 大气辐射传输过程一、大气对辐射的吸收和散射 吸收：空气分子与电磁波发生相互作用时，一部分电磁场的能量转化为分子或原子内部的能量。被吸收的能量可使温度增加，也可变化为化学能或导致光化学反应。一般吸收都伴随着分子内部的能级跃迁，具有波长选择性。散射：当电磁波照射到折射不均匀的地区时，会发生传播方向的改变，称为散射。大气中的空气分子、水滴、气溶胶粒子、冰晶等颗粒物会造成散射，由于温度不均匀导致的湍流块也会造成散射。散射过程特点是将波传播的方向改变。弹性散射 非弹性散射 一次散射 多次散射,X50 几何光学方法,大气散射参数的观测研究消光系数Kex：测量光（I0）通过一段距离（L）的衰减,太阳光度计测量大气光学厚度：,地面、大气及地气系统的辐射平衡,地球大气系统接受的太阳短波辐射,地气系统向宇宙空间的长波辐射,太阳常数：S0=1367 W/m2;行星反照率：A=0.3；斯蒂芬-玻尔兹曼常数=5.669610-8 Wm-2K-4计算结果：Te=255K（约-18），为地气系统平衡时的有效温度,由于温室效应的存在，实际上地球表面平均温度为15,当大气层对长波辐射吸收率AL增大时，地面温度也将升高地面辐射收入总是大于支出，多余能量用于水分蒸发，以潜热和热对流方式给予大气；整层大气辐射平衡为负，通过地面显热和潜热补偿,实际辐射平衡状况在不同纬度和季节都会有所变化,第二节 温室效应和温室气体,大气中的温室气体，能够吸收来自地面、大气和云层的部分红外辐射，并向外发射红外辐射，由于这些微量气体发射的红外辐射是朝向各个方向的，其中一部分辐射返回地面净的结果是将能量阻截在低层大气中，使地面温度升高，这种作用机制被称为天然温室效应；能够产生温室效应的气体就称为温室气体。,“大气窗口”713m地面长波辐射很强，CO2和H2O吸收很小但O3，CFCs吸收很大,判断一种物质是否为温室气体，主要有三个方面：1.该气体必须有足够宽的红外吸收带，在大气中浓度足够高，能显著吸收红外辐射；2.该气体如果在713 m的大气辐射窗口有吸收，对温室效应的增强最有效；3.大气寿命长。,气体分子的红外辐射基态（E0）碰撞活化、吸收光子 激发态(E1)激发态(E1)自发发射、受激发射、碰撞失活 基态（E0）对流层由于气体浓度高，碰撞活化和碰撞失活是主导因素,玻尔兹曼分布：处于激发态的分子数目随着温度降低而减少，辐射能量也随着温度降低而减少,激发态分子数,基态分子数,温室气体的净效应不只取决与它对地球长波辐射的吸收，还取决于它自身发射的红外辐射。CO2进入平流层，由于浓度很低，吸收的红外辐射很小，但平流层温度随高度增加而升高，激发态分子比例也随着高度增加而增加，净结果是更多的辐射能量进入到宇宙空间，与对流层相反，平流层CO2起降温作用，H2O也一样。,二、大气中的温室气体大气中温室气体分为两类：一种能吸收和发射红外辐射，称为辐射活性气体，包括CO2,CH4,N2O和卤代烃等寿命较长，在对流层大气中混合均匀的气体，也包括时空分布差异很大的O3；另一种不能或只能微弱地吸收和发射红外辐射，但可以通过化学转化来影响辐射活性气体的浓度水平，称为反应活性气体，包括NOX，CO和VOCS.平流层O3损耗，降低平流层温度，降低向下的红外辐射；增加进入对流层紫外辐射，使对流层光化学过程活跃，OH浓度增加，加速CH4和HFCs的去去除，起到降温作用NOX 升高会使CH4和HFCs浓度降低，O3浓度升高，另外作为N肥，沉降到地面和海洋，促进植物生长，降低CO2浓度，对辐射平衡的影响很难量化。,三、温室气体的辐射强迫 辐射强迫：考虑某一扰动作用于气候系统，当平流层温度已调至辐射平衡状态，而地表和对流层仍保持未扰动状态时，这一扰动所产生的对流层顶平均净辐照度的变化（包括太阳辐射和红外辐射），称为辐射强迫，单位是W/m2，能够打破地气系统平衡的扰动，被称为辐射强迫因子。能够简单、准确反映某一辐射强迫因子对气候系统的影响。,温室气体的直接辐射强迫：辐射活性气体通过吸收和发射红外辐射对辐射平衡产生影响间接辐射强迫：反映活性温室气体通过影响化学转化过程和大气中反映活性物种（例如OH）的分布对辐射平衡产生间接的影响,新增温室气体产生的辐射强迫会随着其本底浓度的增加而减弱，存在饱和现象。,四、全球变暖潜势全球变暖潜势（global warming potential GWP）：是一个相对概念，定义为单位质量的某一温室气体在一定时间内相对于参考气体的累积辐射能力。,第三节 气溶胶的辐射强迫,气溶胶的辐射强迫：一方面导致大气对太阳光散射作用增强，反照率增加，产生负的辐射强迫；一方面吸收太阳辐射，产生正的辐射强迫。,一、气溶胶的直接辐射强迫 气溶胶的消光作用：散射和吸收，以散射为主 Dp 10 m,消光佯谬 米散射消光系数理论计算公式：粒径：积聚模态气溶胶粒径与太阳短波辐射波长相近，具有最大的质量消光系数，又易悬浮在大气中，大气寿命长，是辐射强迫的主要贡献者。化学成分：外混合：不同成分以独立个体存在 内混合：单个颗粒物由多种化学成分组成,不确定因子：最大值和最小值之差与最可能值的比值,二、气溶胶的间接辐射强迫作用 当气溶胶浓度大幅度上升，CCN（cloud condensationNuclei)数目增加，云中含水量不变的情况下，云滴的数浓度增加，粒径减小，云对太阳辐射的反照率升高，造成负的辐射强迫（第一种）；云滴粒径减小，使降水效率降低，云的寿命增长、云厚度以及云量增加，产生负的间接强迫效应（第二种）。,气溶胶对于成云的影响第一种辐射强迫作用 只有含有可溶性物质的气溶胶才能成为CNN，包括硫酸盐气溶胶、海盐气溶胶、硝酸盐气溶胶以及表面含有亲水基团的有机气溶胶。目前，主要对0.11m之间的硫酸盐气溶胶研究较多。,第二种间接辐射强迫作用 CNN增加，降低云滴大小，降低云滴碰撞合并的速率，导致降水效率的降低，云寿命增长，进而影响大气中水和热的垂直分配、全球水循环、对全球天气变化的作用不可忽略，但由于影响因素很多，测定非常困难冰云与气溶胶间接辐射强迫 地面排放气溶胶传输到对流层的上空，成为冰的凝结核有利于冰晶的形成。飞机排放烟炱导致云中冰晶浓度升高，直径减小，产生正的辐射强迫。飞机排放的颗粒物在高空形成冰核，称为在高空形成了凝结尾迹，有利于冰晶沉降，降低了高层空气中水蒸气含量从而影响卷云的形成和大气湿度垂直廓线，进而产生间接的辐射强迫。,4.气溶胶的间接辐射强迫清单,除硫酸盐气溶胶外，生物质和化石燃料燃烧产生的含碳气溶胶、炭黑气溶胶及沙尘气溶胶也是间接辐射强迫的主要贡献者。,2.吸水性 气溶胶粒子吸收后粒径和消光系数都会增大,潮解相对湿度（DRH),如果环境湿度大于DRH，颗粒则吸水生长半径增大；如果低于DRH，则水分蒸发，粒径降低。湿度消光增长因子f（RH）,三、炭黑气溶胶（BC）的辐射强迫以及气候效应 炭黑气溶胶对光一吸收为主，对大气又加热作用，使全球气候变暖。1.化石燃料燃烧产生的BC 2.生物质燃烧产生的BC,第四节 气候变化的历史趋势,与历史记录、树木年轮、湖泊沉积、黄土、深海岩芯、孢粉、古土壤和沉积岩等可提取过去气候环境变化信息的介质相比，冰芯以其保真性好（低温环境）、分辨率高（可达到年），记录序列长（可达几十万年）和信息量大，受到地球科学家的青睐。冰芯中氢、氧同位素比率是度量气温高低的指标，净积累速率是降水量大小的指标，冰芯气泡中的气体成分和含量可以揭示大气成分的演化历史，宇宙成因的同位素可以提供宇宙射线强度变化、太阳活动和地磁场强度变化的证据；冰芯中微粒含量和各种化学物质成分的分析结果，可以提供不同时期大气气溶胶、沙漠演化、植被演替、生物活动、大气环流强度、火山活动等信息，同时，冰芯也记录了人类活动队气候环境影响的各种信息。,四次冰期理论,全球已开始变暖（一）全球温度上升（二）气温上升多少？0.30.6（三）温室气体增加和全球变暖,气候变化对人类生存环境的影响,全球和区域气候变化 首先，人们推断，由于温室效应增强，全球变暖会导致地球及其大气系统的能量收支的变化。其次，全球变暖会导致大气中水蒸汽含量的变化，进而改变全球的云量及其分布。由于全球变暖会引起全球降水分布的变化及土壤含水量的变化，因此全球冷暖、干湿格局也会相应的变化。全球变暖给了一个全球气候变化的量化概念，但更关心的是区域性气候变化，如大陆尺度的气候变化，在这方面科学家做了大量的研究工作,海平面上升速度会加快吗？对水资源的影响对全球生态系统的影响气候灾害频繁发生,
