温室气体聚集在大气中产生温室效应，阻碍地表热量向地外散发，长期作用的结果而导致地球升温，也即全球变暖。
附：
温室气体与温室效应
李玉辉程仕才时腾飞丁睿
北京大学化学与分子工程学院
引言：
为了２１世纪的地球免受气候变暖的威胁，１９９７年１２月，１４９个国家和地
区的代表在日本东京召开《联合国气候变化框架公约》缔约方第三次会议，经过紧张而艰难
的谈判，会议通过了旨在限制发达国家温气体排放量以抑制全球变暖的《京都议定书》。
《京都议定书》规定，到２０１０年，所有发达国家排放的二氧化碳等６种温室气体的
数量，要比１９９０年减少５.２％。
发展中国家没有减排义务。
对各发达国家说来从２０
０８年到２０１２年必须完成的削减目标是：
与１９９０年相比，欧盟削减８％、美国削减
７％、日本削减６％、加拿大削减６％、东欧各国削减５％～８％。
新西兰、俄罗斯和乌克
兰则不必削减，可将排放量稳定在１９９０年水平上。
议定书同时允许爱尔兰、澳大利亚和
挪威的排放量分别比１９９０年增加１０％、８％、１％。
《京都议定书》于２００５年2
月16日正式生效。
一，全球正在变暖
众所周知，近百年来，全球的地面气温呈明显上升趋势。
根据气象学记录，我们知道，
自1860年以来，地球表面的平均气温升高了0.6摄氏度。
而进入了20世纪，全球温度进一
步升高。
其中1998年又创历史新高，是20世纪最热的一年，它比1860年至2000年间的平
均值高了0.55摄氏度，成为了自1860年人类来使记录气温以来平均气温最高的一年。
同时，
20世纪北半球温度的增幅是过去1000年最高的。
总的变暖趋势越来越明显。
气候变暖使南极，北极及高山大冰川融化，融化的水流向海洋，从而使海平面上升。
在
过去的一百年里，全世界海平面一共上升了10~20cm。
而且自从20世纪60年代后期以来，
冰雪的覆盖面积已经减少了10％。
近几年，我们仍可看见一些温度急剧上升的迹象。
※2000年2月18日，海水淹没了有11万人口的西太平洋岛国图瓦卢的大部分区域。
※今年新华社电：
非洲最高峰乞力玛扎罗山上的冰雪正在融化，如果情况恶化，15
年乞力玛扎罗山的冰雪将不复存在。
※今年9月北极冰盖面积约为535万平方公里，比1978年至2001的同期平均值缩小
了20％，也创下了面积最小历史记录。
※巴西亚马逊河日前正遭受着60年来最严重的干旱，主要河流水位下降，不少支流
和湖泊干枯。
亚马逊地区近5年来降雨量逐年减少，这也与全球变暖有关。
今年发生在墨西哥湾的卡特利纳飓风也与全球变暖有关．总之，事实摆在眼前，我们生
活在一个变暖的世界中。
二．温室气体
1．何谓温室气体？
通常是指大气中那些让太阳短波辐射自由通过，同时强烈吸收地面和空气放出的长波辐
射（红外线），对地表有一种遮挡作用的气体。
那么究竟大气中哪些气体是温室气体？
是不
是仅有我们通常所认为的CO2？
为了回答这一问题，我们先简要介绍一下大气起源和地球大气圈：
地球形成初期存在的12种主要元素，按丰度递减，依次是H（90%），He（9%），O，
Ne，N，C，Si，Mg，Fe，S，Ar和Al。
在这12种元素中，只有C，H，O，N和S能结合
成分子并进入大气中，最初只有水，氨和甲烷，硫化氢，氢。
在进化过程中，不少氢，氦，
氖和氩逃逸到太空中，但由于引力作用，这些气体的大部分都被吸引在地表附近，大气层演
变为由氨，甲烷，水蒸气和硫化氢组成。
地球的大气层通过光解作用演变的含有丰富的氧。
地球的引力不能留住所有的氢气，
但能留住大部分的氧气。
游离的氧具有从其他气体中夺取氢原子重新形成水分子的趋势。
氧
从氨中夺取氢后，留下游离氮，从甲烷中夺取氢生成二氧化碳。
千百年以后，地球大气中留
下的主要是氮，氧，二氧化碳和水蒸气。
如今，地球大气以氮，氧和氩为主，其他成为微量
气体。
那些与产生温室效应有关的微量气体便是温室气体。
了解上述有关问题后，我们列举一下具体的温室气体：
温室气体分子式来源降解时间（年）
水蒸气H2O自然蒸发0.001
一氧化碳CO化石燃料和砍伐森林8
氢气
H2来源很广0.3
各种氮化物N2O来源很广2
NH3燃料与化肥120
NO农业化学品0.01
NO2燃烧0.001
硫化物CSO未知未知
CS2未知未知
SO2燃烧和工业0.001
H2S燃烧和工业0.001
氟化物CF4铝厂>500
C2F6铝厂>500
SF6未知>500
氯氟烃CClF3空调设备及制冷剂400
CCl2F2烟雾剂110
CHClF2烟雾剂<20
CCl3F烟雾剂<65
CF3CF2Cl烟雾剂<380
CClF2CClF2烟雾剂<180
CCl2FCClF2烟雾剂90
含氯烃CH3Cl海洋天然合成1.5
CH2Cl2工业溶剂0.6
CHCl3F22的制造0.6
CCl4含氯烃的生产25-50
CH2ClCH2Cl化学工业0.4
C2HCl3去油剂8
C2Cl4去油剂0.02
CH3CCl3去油剂0.5
溴化物CH3Br天然生成1.7
CBrF3灭火剂110
CH2BrCH2Br加铝汽油添加剂0.4
碘化物CH3I海洋天然生成0.02
烃类CH4工业生产5~10
C2H6汽车废气0.3
C2H2工业产生0.3
C3H8天然生成0.03
对流层臭氧O3天然生成0.1~0.3
醛类HCHO烃类氧化0.001
CH3CHO天然合成0.001
2．温室气体的特征：
毋庸置疑，温室气体是能够强烈吸收红外线的气体。
实际上，根据近代物理化学的研究，
这些温室气体是具有红外吸收活性的。
由于红外线是一种能量流，在它通过某物质传播时，
会引起该物质的电子跃迁或使原子振动，从而使其能量的一部分变成热能，导致其能量的衰
减。
这样我们就称红外线被该种物质吸收了。
但为什么N2，O2…气体不是温室气体呢？
它们对红外线的吸收为何又如此微弱？
它们
为何就不是红外活性分子呢？
当然红外线的吸收也是有条件的。
在分子中存在着非极性共价键和极性共价键。
分子也分为极性分子和非极性分子。
分子
极性的强弱可以用偶极矩μ来表示。
而只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸
收光谱，则该分子就被称为红外活性的，而Δμ=0的分子振动不能产生红外振动吸收，则
称之为非红外活性的。
分子的振动可以分为改变键长的伸缩振动和改变键角的弯曲振动。
而伸缩振动又分为对
称伸缩振动和不对称伸缩振动，弯曲振动又分为面内弯曲振动和面外弯曲振动。
故而当CO2进行对称伸缩振动时，它不具有红外吸收活性，因为此时它的偶极矩变化
为0。
但当它进行不对称伸缩振动或进行弯曲振动时，它的偶极矩变化不为0，故此时它具
有红外吸收活性。
当然，作为非极性键构成的非极性分子，N2，O2根本没有偶极矩，辐射
不能引起它们共振，当然就不具有红外吸收活性。
这样看来，很多分子都具有红外吸收活性。
但相对来说，一种气体够不够格当温室气体，
还应考虑它在大气中的含量和持续的时间。
下面为温室气体的一些具体特点：
CO2CH4CFC-11CFC-12N2O
平均寿命50~2001065130150
20年变暖潜值16345007100270
温室气体的寿命：
温室气体的分子在产生后的大气存留时间．任何一种温室气体的分子
在产生之后，其寿命受多种因素决定．首先，看他是不是容易和其他化学成分反应．再有，
它是不是容易被海洋，土壤或植物所吸收或者把它们是放到大气中等等．如二氧化碳的寿命
最长，达２００年左右，氧化亚氮可达１５０年左右．
变暖潜值：
这是比较二氧化碳的变暖效果计算的．如一个二氧化碳在一周年内形成一个
单位的增温效果，则一个甲烷６３个单位，氧化亚氮２７０，氟氯烃更大．其中CFC-11为
4500.
3．温室气体的光谱吸收
地气系统存在着两个主要辐射源，一个是太阳短波辐射（~6000K黑体辐射），其能量峰
值在0.5µm附近。
另一个是地球红外辐射（~300K黑体辐射），其能量峰值在10µm附近。
因此就大气气候效应而言，最感兴趣的应该是紫外，可见，红外波段，在这些波长范围里，
大气气体引起的吸收主要是气体分子的振-转带产生的，其中最强的吸收带在红外光谱区。
大气中主要气候敏感气体是水汽，CO2,O3,和O2
下面简要介绍几种气体的光谱特征：
二氧化碳在远紫外区对太阳辐射有较强吸收，同时它在红外区有很强的吸收带；水汽的
吸收带分布在从近红外到远红外的整个波段内，因此无论对太阳辐射海狮队地气的长波辐射
的传播都起着重要作用；甲烷在红外区有强的吸收带；N2O也是在红外区有强的吸收带；臭
氧在紫外和红外光谱区均有较强的吸收；氟氯碳在红外区有较强的吸收带。
4．常见温室气体主要的源和汇：
大气的化学成分及它们的浓度在地球大气的生成和发展过程中始终在不断变化，但在过
去２００年来大气甲烷，二氧化碳以前所未有的速度增大．人类活动对大气成分浓度的冲击
表现在两个方面，一是使大气成分的源强度增加，二是使大气成分的汇（使该种大气成分从
大气中清楚的过程）强度发生变化．
二氧化碳：
在没有人类活动影响时，大气二氧化碳的主要源是海洋和地幔以及大气中的
化学反应，主要汇是陆地植物．与人类活动有关的大气二氧化碳源主要是化石燃料燃烧，工
业生产，人和动物的呼吸，陆地植被的破坏及生物体燃烧等．其中最为主要的是化石燃料的
燃烧．还有土地利用造成二氧化碳净排放量增加，主要因为森林砍伐和草地变成耕地．总之，
人为活动已经对二氧化碳的源和汇产生了越来越明显的影响。
由于大量CO2被排放，其吸
收问题也日益受到关注，其中植物的光合作用和海洋的吸收是最主要的汇。
现今，由于其多
种性质的应用，工业自身对CO2的需求量增加，望日后自产自销得以实现。
甲烷：
一般认为，大气甲烷的增加主要是人为活动使其源增加造成的，但也不能排除大
气污染造成的汇减少．大气甲烷的主要来源是生物圈．生物活动产生甲烷的过程非常复杂．包
括厌氧微生物作用下的有机物分解，产甲烷细菌作用下的氢气和二氧化碳反应，乙醛的分解，
可简单归纳为：
CH3CH2OH+H20=CH3COO－+H++2H2
4H2+CO2=CH4+2H2O
2[HCHO]=CO2+CH4
这类化学反应需要在无氧环境中进行,而且对环境温度很敏感.．因此，任何使地表生态系统
的局地环境缺氧或使其温度发生变化的人类活动都可能使大气甲烷的生物源发生变化，造成
甲烷浓度变化．与人类有关的大气甲烷的生物源主要是水稻田和食草家畜．大气甲烷的非生
物来源主要是生物体的各种燃烧过程和石油天然气以及煤矿的排放．大气甲烷的汇是其在干
燥土壤的吸收和在大气中的氧化．后者可表示为与OH自由基的反应:
CH4+OH=CH3+H2O
K=5.5*1012EXP（-1900/T）
N2O：
大气N2O的主要来源是土壤释放，其次是各种燃烧过程。
大量化肥施用也成为
一类新的N2O释放源。
N2O的最主要汇为大气中的光化学分解。
另外，陆地水体和土壤有
可能吸收N2O但目前对此尚无定量认识。
二．温室效应
我们知道二氧化碳等温室气体对地球有保温的作用。
那末如果大气中只有氮气和氧气，
地球会是什么样的呢？
这需要一个计算：
到达大气外界的直接太阳辐射为1377W/m2,由于太阳的直射面积为地球总表面积的1/4，
所以到达大气外界1m2面积上的平均能量为1377/4=343w当该辐射通过大气时6%被大气分
子散射返回空间，另外10%由陆地和海表反射到空间，剩下的84%（约288W/m2）用于加
热地表。
为了平衡上述入射辐射，地球本身必须向太空发射同样的辐射。
地表发射的辐射取决于
它的温度---地表越热，发射的辐射就越多。
也取决于地表的吸收---吸收越多，辐射越多。
对
大多数地表来说，他们几乎吸收所有的到达其上的辐射而不反射，所以可以被看作黑体。
根
据黑体辐射=AT4（A为Stefan-Boltzmann常数，5.67*10-8Jm-2K-4s-1）可以求出T=267K=-6oC
这里我们没有考虑云层，大气尘埃对太阳辐射的遮挡作用，如果考虑的话，求出的这个
温度会更低。
而实际上地表的平均温度是15oC.-6oC和15oC.之间21o的差别主要就是由温
室效应引起的。
占大气大部分的氮气和氧气既不吸收也不发射热辐射，而水汽，CO2和其他
一些微量气体能够吸收地表辐射并将其返回地表，起到了对地表辐射的遮挡作用，从而产生
了21oC的温差。
这种遮挡作用称为“自然”温室效应。
与其相对应的是“增强”温室效应。
这里出现了一个疑问：
既然二氧化碳等气体能够吸收遮挡地表辐射，为什么不能遮挡太
阳辐射呢？
这是因为太阳表面温度约为6000K，辐射的最强波段是可见光部分，地球表面温
度是288K,地表辐射波段为红外部分。
而大气只能吸收波长较长的辐射，所以太阳辐射的大
部分会到达地面，而地表辐射由于是红外辐射会被强烈吸收。
温室气体的这个性质和温室表面的玻璃或塑料薄膜相似，也正由于此种原因，这种效应
被称为“温室效应”。
大气中温室气体的增暖效应首先由法国科学家---JeanBaptisteFourier
在1827年认识，并指出了大气中和温室玻璃内情况的相似性，这就是温室效应名称的由来。
下面说一下增强温室效应。
增的部分就是由人类活动（如化石燃料的燃烧和森林破坏）
在大气中产生的气体造成的。
这些气体中既有原就存在的气体如二氧化碳，也有雨来没有的，
如含氯氟烃。
增强温室效应是与全球变暖直接紧密相关的，它的原理和自然温室效应相同。
增强温室效应主要是由二氧化碳引起的。
从工业革命和至今，大气中CO2的含量已经增加
了25%，现在CO2每年增加约0.5%，如果不采取措施，这个速度会继续加快。
所幸，政治
家们已经认识到这一点，并采取了诸如签订《京都议定书》之类的一系列措施。
几乎每个人都知道全球变暖是件不好的事，但究竟会产生哪些方面的影响呢？
1，循环的加剧
2，海平面的上升
3，洋流的变化
4，季风和台风
5，雨型的改变
6，植被的迁移和物种灭绝
7，对社会经济的影响
8，其他
总而言之，温室效应就是由温室气体产生的全球变暖的效应，其对环境产生了一系
列重大的影响，这些影响的利弊有待于人们继续研究。
结语：
从工业革命至今人类在经济，技术，等领域取得了飞速的发展，但是，与此伴随的
是人类与环境日益严峻的对立与矛盾。
以征服自然，以人类为中心的西方价值观，以及与之
相对应的各种制度和处世观念已经不利于可持续性发展，这时候，我们反观中华文化的精
髓――天人合一，似乎它在新的时代又显示出它巨大的生命力。
参考文献：
《温室气体与温室效应》吴兑气象出版社
《全球气候变暖》王明星山东科学技术出版社
《温室效应及其控制对策》郑楚光等中国电力出版社
《GlobalWarning》J.HoughtonLionPublishingplc
“红外与拉曼光谱课件”刘和文
特别鸣谢:
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