人类近代历史上的温室效应,与过去相比特别得显著,全球暖化即适用于形容现在的异常情形。之所以如此,是由于工业革命以来,人类燃烧化石燃料而使二氧化碳含量急剧增加,近10年来增加将近30%。
然而,许多人还不曾知道,在加剧地球温室效应方面,二氧化碳还有一支由许多气体组成的强大同盟军,它们正以极快的速度在大气中积累,并在加剧温室效应的步伐,从而加快了对地球气候的影响。
这支队伍是由甲烷、氟氯烃、氧化亚氮、三氯乙烷、四氯化碳等种气体组成的。由于它们在大气中的浓度很低,故这类气体又被称为“微量气体”。尽管它们的量是如此微小,但在加剧温室效应方面所起的作用却是不可低估的。
温室气体的增加,加强了温室效应,是造成全球暖化的主要原因,已成为世界各国家的共识,也是一种全球性的污染。
二氧化碳
二氧化碳在常温常压下为无色而略带刺鼻气味和微酸味的气体。分子式为CO2。
17世纪初,比利时化学家范·海尔蒙特在检测木炭燃烧和发酵过程的副产气时,发现二氧化碳。1773年,拉瓦锡把碳放在氧气中加热,得到被他称为“碳酸”的二氧化碳气体,测出质量组成为碳23.5%~28.9%,氧71.1%~76.5%。1823年,迈克尔·法拉第发现,加压可以使二氧化碳气体液化。1835年,制得固态二氧化碳(干冰)。1884年,在德国建成第一家生产液态二氧化碳的工厂。
在自然界中二氧化碳含量丰富,为大气组成的一部分。二氧化碳也包含在某些天然气或油田伴生气中以及碳酸盐形成的矿石中。大气里含二氧化碳为0.03%~0.04%(体积比),总量约2.75×1012吨,主要由含碳物质燃烧和动物的新陈代谢产生。在国民经济各部门,二氧化碳有着十分广泛的用途。二氧化碳产品主要是从合成氨制氢气过程气、发酵气、石灰窑气、酸中和气、乙烯氧化副反应气和烟道气等气体中提取和回收,目前,商用产品的纯度不低于99%(体积)。
二氧化碳可以防止地表热量辐射到太空中,具有调节地球气温的功能。如果没有二氧化碳,地球的年平均气温会比目前降低20℃。但是,二氧化碳含量过高,就会使地球温度逐步升高,形成“温室效应”。
人每天都要通过吸进氧气、呼出二氧化碳来维持生命。同时,二氧化碳也是地球上一切绿色生物赖以生存的物质之一。
大气中的二氧化碳就像一层厚厚的玻璃,使地球变成了一个大暖房。据估计,如果没有大气,地表平均温度就会下降到-23℃,而实际地表平均温度为15℃,这就是说温室效应使地表温度提高38℃。
人类释放的二氧化碳空气中含有二氧化碳,而且在过去很长一段时期中,含量基本上保持恒定。这是由于大气中的二氧化碳始终处于“边增长、边消耗”的动态平衡状态。大气中的二氧化碳有80%来自人和动、植物的呼吸,20%来自燃料的燃烧。散布在大气中的二氧化碳有75%被海洋、湖泊、河流等地面的水及空中降水吸收溶解于水中。还有5%的二氧化碳通过植物光合作用,转化为有机物质贮藏起来。这就是多年来二氧化碳占空气成分的0.03%(体积分数)而始终保持不变的原因。
在空气中,氮和氧所占的比例是最高的,它们都可以透过可见光与红外辐射。但是二氧化碳就不行,它不能透过红外辐射。所以,二氧化碳可以防止地表热量辐射到太空中,具有调节地球气温的功能。如果没有二氧化碳,地球的年平均气温会比目前降低20℃。但是,二氧化碳含量过高,就会使地球仿佛捂在一口锅里,温度逐渐升高,就形成“温室效应”。形成温室效应的气体,除二氧化碳外,还有其他气体。其中二氧化碳约占75%、氯氟代烷占15%~20%,此外还有甲烷、一氧化氮等30多种。
全世界二氧化碳排放的总量已超过200亿吨,其中汽车的排放量约占10%~15%。
如果二氧化碳含量比现在增加1倍,全球气温将升高3℃~5℃,两极地区可能升高10℃,气候将明显变暖。气温升高,将导致某些地区雨量增加,某些地区出现干旱,飓风力量增强,出现频率也将提高,自然灾害加剧。更令人担忧的是,由于气温升高,将使两极地区冰川融化、海平面升高,许多沿海城市、岛屿或低洼地区将面临海水上涨的威胁,甚至被海水吞没。20世纪60年代末,非洲下撒哈拉牧区曾发生持续6年的干旱。由于缺少粮食和牧草,牲畜被宰杀,饥饿致死者超过150万人。
因此,必须有效地控制二氧化碳含量增加,控制人口增长,科学使用燃料,加强植树造林,绿化大地,防止温室效应给全球带来的巨大灾难。
科学家预测,今后大气中二氧化碳每增加1倍,全球平均气温将上升1.5℃~4.5℃,而两极地区的气温升幅要比平均值高3倍左右。因此,气温升高不可避免地使极地冰层部分融解,引起海平面上升。海平面上升对人类社会的影响是十分严重的。如果海平面升高1米,直接受影响的土地约5×106平方千米,人口约10亿人,耕地约占世界耕地总量的1/3。如果考虑到特大风暴潮和盐水侵入,沿海海拔5米以下地区都将受到影响,这些地区的人口和粮食产量约占世界的1/2。一部分沿海城市可能要迁入内地,大部分沿海平原将发生盐渍化或沼泽化,不适于粮食生产。同时,对江河中下游地带也将造成灾害。当海水入侵后,会造成江水水位抬高,泥沙淤积加速,洪水威胁加剧,使江河下游的环境急剧恶化。温室效应和全球气候变暖已经引起了世界各国的普遍关注,目前正在推进制订国际气候变化公约,减少二氧化碳的排放已经成为大势所趋。
科学家预测,如果我们现在开始有节制地对树木进行采伐,到2050年,全球暖化会降低5%。
二氧化碳在新鲜空气中含量约为0.03%。人生活在这个空间,不会受到危害,如果室内聚集着很多人,而且空气不流通,或者室内有煤气、液化石油气及煤火炉燃烧,使空气中氧气含量相对减少,产生大量二氧化碳,室内人员就会出现不同程度的中毒症状。关于二氧化碳在室内空气中最大允许含量,各国尚无统一规定,日本规定室内空气中二氧化碳含量为0.15%时为换气标准。
甲烷
甲烷,最简单的烃(碳氢化合物),化学式CH4。在标准状态下是一无色气体。主要来源为天然湿地(沼泽、苔原等)、水稻田、反刍动物、煤炭开采、海洋湖泊和其他生物活动场所、CH4水合物的失稳分解等。吸收红外线辐射,影响对流层中O3及OH的浓度,影响平流层中O3和H2O的浓度,产生CO2。
甲烷是天然气的主要成分,约占了87%。在标准压力的室温环境中,甲烷无色、无味;家用天然气的特殊味道,是为了安全而添加的人工气味,通常是使用甲硫醇或乙硫醇。在1大气压力的环境中,甲烷的沸点是-161℃。空气中的瓦斯含量只要超过5%~15%就十分易燃。液化的甲烷不会燃烧,除非在高压的环境中(通常是4~5大气压力)。中国国家标准规定,甲烷气瓶为棕色,白字。甲烷并非毒气,然而,其具有高度的易燃性,和空气混合时也可能造成爆炸。甲烷和氧化剂、卤素或部分含卤素的化合物接触会有极为猛烈的反应。甲烷同时也是一种窒息剂,在密闭空间内可能会取代氧气。若氧气被甲烷取代后含量低于19.5%时可能导致窒息。当有建筑物位于垃圾掩埋场附近时,甲烷可能会渗透入建筑物内部,让建筑物内的居民暴露在高含量的甲烷之中。某些建筑物在地下室设有特别的回复系统,会主动捕捉甲烷,并将之排出至建筑物外。
甲烷是在缺氧环境中由产甲烷细菌或生物体腐败产生的,沼泽地每年会产生150Tg、消耗50Tg,稻田产生100Tg、消耗50Tg,牛羊等牲畜消化系统的发酵过程产生100~150Tg,生物体腐败产生10~100Tg,合计每年大气层中的甲烷含量会净增350Tg左右。它在大气中存在的平均寿命在8年左右,可以通过下面的化学反应:CH4+OH—>CH3+H2O消耗掉,而用于此反应的氢氧根(OH—)的重量每年就达到500Tg。
甲烷在自然界分布很广,是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。它可用作燃料及制造氢气、炭黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。
甲烷是很有意思的温室气体。许多人可能没听过,然而它竟是使人类造成气候变迁的第二大温室气体。大家可能都听过二氧化碳,而甲烷是影响强大且在短期内就举足轻重的。德国核物理研究所的科学家经过试验发现,植物和落叶都产生甲烷,而生成量随着温度和日照的增强而增加。另外,植物产生的甲烷是腐烂植物的10~100倍。他们经过估算认为,植物每年产生的甲烷占到世界甲烷生成量的10%~30%。
碳氢化合物
由碳和氢两种元素组成的有机化合物称为碳氢化合物,又叫烃。它和氯气、溴蒸汽、氧等反应生成烃的衍生物,不与强酸、强碱、强氧化剂(例如高锰酸钾)反应。如甲烷和氯气在见光条件下反应生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷和四氯甲烷(四氯化碳)等衍生物。在烃分子中碳原子互相连接,形成碳链或碳环状的分子骨架,一定数目的氢原子连在碳原子上,使每个碳原子保持4价。烃的种类非常多,结构已知的烃在2000种以上。烃是有机化合物的母体,其他各类有机化合物可以看做是烃分子中1个或多个氢原子被其他元素的原子或原子团取代而生成的衍生物。
烃是化学家发明的字,就是用“碳”的声母加上“氢”的韵母合成一个字,用“碳”和“氢”两个字的内部结构组成字形,烃类是所有有机化合物的母体,可以说所有有机化合物都不过是用其他原子取代烃中某些原子的结果。
氟氯碳化合物(CFCs):目前以CFC—11,CFC—12,CFC—113为主。使用于冷气机、电冰箱的冷媒、电子零件清洁剂、发泡剂,是造成温室效应的气体。吸收红外线辐射,影响平流层中O3的浓度。
每年,全世界排放的碳氢化合物总量约为185830万吨。其中,甲烷是最大的天然来源,排放量占总排放量的86%;另一重要天然源,是植物排出的,占总量的9.15%。这些物质排放量虽大,但由于它分散在广阔的大自然中,并未构成对环境的直接危害。但是,1978~1987年,在低层大气中,世界范围内的甲烷浓度已上升11%,这会强化温室效应。
碳氢化合物的人为来源,主要是燃料的不完全燃烧和溶剂的蒸发。美国1970年的碳氢化合物排放总量是3500万吨。其中,汽车排放量1670万吨,占47.7%;工业企业排放550万吨,占15.7%;有机溶剂的蒸发为310万吨,占8.9%。由此看来,汽车尾气是产生碳氢化合物的主要污染源。
相对而言,许多碳氢化合物比较低毒,只有乙烯对植物直接有害;甲醛和丙烯醛有催泪作用;碳氢化合物常和含氮化合物协同作用,产生光化学雾,从而造成很大危害。
氯氟碳化合物,它们在对流层中也是化学惰性的,但也可在同温层中利用太阳辐射光解掉或和活性碳原子反应消耗掉。
不可忽视的氟污染
我国新疆东疆某煤矿患腰腿关节痛者甚多,并有四肢无力、骨关节功能障碍等症状。北疆某垦区部分团场中学生斑釉齿达95%以上,成人中也有相当多的骨关节病症,牲畜中则常见有厌食、牙齿磨损和早期脱落等病患。