3.1.2.1 碳循環與溫室效應

前面（2.5.1）提到過去16萬年前大氣中二氧化碳濃度變化不大，保持天然的正常循環，是保持地球平均溫度為15℃左右的主導原因。但是從近200年的觀測結果來看，大氣中主要溫室氣體之一的水蒸氣在對流層的濃度（1%～5%）受人類的生活和生產活動影響很小。而人為排放的二氧化碳相對較高，嚴重影響CO2的正常循環，使全球增溫，預計今后100 a將增溫1.8～5.8℃。

碳循環是地球生態系統中最有代表性的物質循環之一。大氣中二氧化碳被陸地和海洋中植物和介質吸收，通過光合作用，把無機碳轉化為有機碳，然后通過生物作用、生態化學作用以及人類活動再把有機碳轉化為CO2，返回大氣。其詳細過程模式如圖3.1.3所示。

自然界碳的總量為26×105 t，其中無機碳占總量的99.95%，主要存在于巖石圈的各類巖石礦物之中。僅占0.05%的有機碳（13 Tt），主要存在于煤和石油（8.3 Tt）之中，占總量的64%，土壤殘存有機體（4.06 Tt）占30%，水、陸生物體（0.5 Tt）、大氣（0.19 Tt）和海洋水體各占一定分量。隨著人口增加和經濟發展，地球生態受到破壞，對大氣中的CO2吸收大大減少。另一方面，每年燃燒化石燃料75×108 t當量標準煤（1970年世界耗能）使大量地下碳迅速進入大氣，增加大氣中的CO2（見表3.1.3），1958～1988年北半球平均年增長率為1.8×10-6/a，破壞了正常的碳循環體系。

表3.1.3所列資料是1990年世界氣象組織（IPCC）根據當時的資料計算得到的大氣中溫室氣體的增量結果。

圖3.1.3 碳循環模式

表3.1.3 大氣中主要溫室氣體

近100年來已有大量氣溫觀測記錄：1880～1993年全球平均氣溫相對變化示于圖3.1.4。可見從19世紀末到20世紀40年代，全球氣溫出現明顯的帶有波動性的上升趨勢，北極地區最為突出；以后的20多年，全球氣溫出現由暖變冷的現象。北緯60°以北最明顯，1968年冬，冰島和格陵蘭因結冰而連接起來，北極熊可以從格陵蘭走到冰島。20世紀70年代以后氣溫又趨于變暖，1980年以后增溫的趨勢非常突出。威爾遜（H.Wilson）和漢森（J.Hansen）等根據全球氣象站資料計算出：1880～1940年的60年中平均增溫0.5℃，北半球增溫略高。1880～1940年平均增溫0.7℃；接著30年降低0.2℃，1970～1993年增溫0.6℃（圖3.1.4）。說明工業革命以來，大氣污染特別是CO2排放量的增加，使全球氣溫增高，超乎平常的越演越烈。

中國學者（中國科技藍皮書第5號，1990，141～146頁）根據1910～1984年137個氣象站紀錄資料，將每月平均氣溫分成五個等級，繪圖3.1.5。與北半球對比略有不同，1980～1984年平均氣溫最低，說明我國大規模經濟建設剛剛開始，大氣污染并不嚴重，遠好于發達國家。到1989年我國已成為世界大氣污染最嚴重的十個國家之一。

圖3.1.4 近代全球平均氣溫變化（1880～1993）

圖3.1.5 中國近代氣溫變化細線

3.1.2.2 臭氧層遭破壞

臭氧層是20世紀初法國科學家法布里發現的，臭氧（O3）是大氣中的微量成分，由于集中存在于平流層，距地面20～30 km范圍，成薄層狀分布（見圖2.3.1），稱臭氧層（約10×10-6）。

大氣中氧分子在太陽紫外線（＜0.28 μm）輻照下，氧分子吸收光能，產生光化學作用，使氧分子（O2）分解成氧原子，再和另外氧分子結合，生成臭氧（O3）。臭氧在地面很少，到10 km以上開始逐漸增加，在20～30 km處達到最大值，再往上太陽紫外線過強，氧分子分解過多，原子少也難以形成臭氧。

臭氧能大量吸收太陽輻射的紫外線（95%），降低地面紫外線強度，保護地面上的人類和生物成為地球的保護層。在正常情況下，臭氧層的平均臭氧濃度變化很小，因為臭氧的分解和形成速率基本相當，一般變化在±2%以內。

臭氧層處于平流層的下部，大量吸收紫外線使自身增溫（見圖2.3.1），形成一個溫暖的空氣層（平流層），使對流層保持平均溫度，是構成地球溫室效應的一個因素。對保持大氣環流和溫度的垂直分布以及維持地球目前的氣候都是相當重要的。

氟氯烷（CFCS）降低平流層中臭氧濃度，是1974年化學家（S.Rowland和M.Molina）進行計算提出的，并于1995年獲諾貝爾獎。這些1930年發明的氟氯烷（CFCS）的廢棄物大約要用10～20 a時間緩慢地從地面上升到平流層中，受高能的紫外線輻射后分解放出氯原子，而氯加速了臭氧分解為氧分子和原子。導致臭氧層的臭氧以高于其形成速率進行分解，使臭氧減少，臭氧層變薄（稱空洞）。每個CFC分子可以在平流層停留65～110 a，在這段時間中每釋放出一個氯原子（Cl+O+O3→Cl+2O2）就能將多達10×104個O3轉變成O2。1976年以后觀測到南極上空臭氧層較薄，1985年衛星資料分析表明臭氧迅速減少。1993年觀測到臭氧空洞大于3倍美國面積。其實破壞臭氧層的不只是CFCS，表3.1.3所列的溫室氣體，都是大氣臭氧層的破壞者，其中主要起作用的是氟利昂（CFC11、CFC1voc豸2），其次是溴化物及氧化亞氮（N2O）。自20世紀80年代初期開始，臭氧層的臭氧量逐漸降低，圖3.1.6是地球各緯向臭氧（平均值）總量距正常臭氧平均值的年際變化量（1965～1985）。可見南極1985年達最低值，為-15%，北極為-5%，60°N～60°S之間臭氧總量1987年減少3%～4%。臭氧層喪失的后果是地面紫外線增強，造成日光灼傷，形成白內障、皮膚癌，生物種群絕滅，糧食減產。

圖3.1.6 各緯向氣候帶O3量變化（1965～1985年）

3.1.2.3 形成酸雨

酸雨又稱為酸沉降，是指pH＜5.6的天然降水、酸性氣體及其顆粒物的沉降。燃燒和汽車以及化學工業的酸霧等排入大氣的SO2、NOx在大氣中與水蒸氣或其他顆粒物結合以兩種方式沉降到地面：①濕式沉降：酸雨、霧、雪空氣污染、水汽；②干式沉降：酸性氣體及顆粒物。酸沉降引起的環境酸化是20世紀后半葉以來的最大環境問題之一。20世紀20年代發現大馬哈魚捕獲量下降，1959年挪威魚類專家提出酸雨與斯堪的納維亞半島魚類消失有關，從而出現酸雨概念。20世紀50年代末北歐地區受工業酸性排氣污染，出現酸雨，到80年代擴大到中歐；同時加拿大、美國酸雨沉降猛增。至此酸雨沉降已成為世界性的環境破壞因素，中國、日本、韓國、東南亞、南美以及非洲的尼日利亞、象牙海岸等都受到酸雨危害，分布很廣泛，如圖3.1.7所示。

酸雨沉降最為突出的地區是歐洲、北美和中國。最嚴重的地區是歐洲、北美中部和中國的西南部。近年來中國的華東、華南、華中也比較嚴重，華北部分地區也有酸雨出現。1994年77個城市調查統計，降水的pH＜5.6的占48.1%（1995年環境公報）。表3.1.4為部分城市降水的pH值。

圖3.1.7 全球酸性沉降地區

酸雨使植物失去營養物質，甚至枯死；使魚類死亡；使工業設施銹蝕；使土壤淋失，抑制土壤中有機物的分解和氮的固定；使土壤貧瘠化。

表3.1.4 我國部分城市降水的pH值

3.1.2.4 熱污染與熱島效應

1970年統計世界消耗的能量相當于75×108 t標準煤的燃燒（而且以每年5.5%的速度增長），放出25×1010J的熱量，主要集中在人口稠密的大城市，局部增溫相當顯著（表3.1.5）；高緯度寒冷地區城市更為明顯，如莫斯科人為熱量（QF）大于太陽全年輻射熱。

表3.1.5 世界若干城市人為熱排放量

城市地區排放進入大氣的污染物質比較集中，僅就大氣凝結核一項而言，在海洋上空凝結核平均含量為940粒/cm3，在大城市上空平均為147000粒/cm3，高出156倍。上海1998～1990年監測SO2和NOx兩種污染物的結果，城區比郊縣高出8.7倍和2.4倍。使城區低云量增多，能見度降低，平均溫度比郊區增高，稱為城市熱島效應。1984年10月22日20時，天氣晴，風速1.8 m/s。廣大郊區氣溫13℃上下，城區溫度陡升（圖3.1.8），老城區氣溫17℃，26中學18.6℃，比川沙、嘉定高出5.6℃。城市熱島效應一般將伴隨著形成熱島環流。

圖3.1.8 上海熱島效應