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温室气体

温室气体指的是大气中能吸收地面反射的太阳辐射,并重新发射辐射的一些气体,如水蒸气、二氧化碳、大部分制冷剂等。它们的作用是使地球表面变得更暖,类似于温室截留太阳辐射,并加热温室内空气的作用。这种温室气体使地球变得更温暖的影响称为“温室效应”。水汽(HO)、二氧化碳(CO)、氧化亚氮(NO)、氟利昂、甲烷(CH)等是地球大气中主要的温室气体。

温室气体 [1] (GHG Greenhouse Gas): 指任何会吸收和释放红外线辐射并存在大气中的气体。京都议定书中规定控制的6种温室气体为:二氧化碳(CO)、甲烷(CH)、氧化亚氮(NO)、氢氟碳化合物(HFCs) 、全氟碳化合物(PFCs)、六氟化硫(SF6)。 [2]

地球的大气中重要的温室气体包括下列数种:二氧化碳(CO)、臭氧(O3)、氧化亚氮(NO)、甲烷(CH4)、氢氟氯碳化物类(CFCs,HFCs,HCFCs)、全氟碳化物(PFCs)及六氟化硫(SF6)等。由于水蒸气及臭氧的时空分布变化较大,因此在进行减量措施规划时,一般都不将这两种气体 纳入考虑。至于在1997年于日本京都召开的联合国气候化纲要公约第三次缔约国大会中所通过的〔京都议定书〕,明订针对六种温室气体进行削减,包括上述所提及之: [1] 二氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(NO)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)及六氟化硫(SF6)。其中以后三类气体造成温室效应的能力最强,但对全球升温的贡献百分比来说,二氧化碳由于含量较多,所占的比例也最大,约为25%。

二氧化碳

大气中的二氧化碳(CO)是植物光合作用合成碳水化合物的原料,它的增加可以增加光合产物,无疑对农业生产有利。同时,它又是具有温室效应的气体,对地球热量平衡有重要影响,因此它的增加又通过影响气候变化而影响农业。此外,大气中具有温室效应的微量气体还有甲烷、氯氟烃、一氧化碳、臭氧等,总的温室效应中二氧化碳的作用约占一半,其余为以上各种微量气体的作用。

二氧化碳浓度有逐年增加的趋势,50年代其质量分数年平均值约315×10(-6),70年代初已增加至325×10(-6),已超过345×10(-6),平均每年增加1.0-1.2×10(-6),或每年约以0.3%的速度增长。综合多数测定结果,在工业革命以前的二氧化碳质量分数为275×10(-6)。

大气中二氧化碳浓度增加的主要原因是工业化以后大量开采使用矿物燃料。1860年以来,由燃烧矿物质燃料排放的二氧化碳,平均每年增长率为4.22%,而近30年各种燃料的总排放量每年达到50亿吨左右。

大气中二氧化碳增加的另一个主要原因是采伐树木作燃料。森林原是大气碳循环中的一个主要的“库”,每平方米面积的森林可以同化1-2kg的二氧化碳。砍伐森林则把原本是二氧化碳的“库”变成了又一个向大气排放二氧化碳的“源”。据世界粮农组织(FAO,1982)估计,70年代末期每年约采伐木材24亿立方米,其中约有一半作为燃柴烧掉,由此造成的二氧化碳质量分数增加量每年可达0.4×10(-6)左右。

根据以上综合分析,如果按现二氧化碳等温室气体浓度的增加幅度,到21世纪30年代,二氧化碳和其它温室气体增加的总效应将相当于工业化前二氧化碳浓度加倍的水平,可引起全球气温上升1.5-4.5℃超过人类历史上发生过的升温幅度。由于气温升高,两极冰盖可能缩小,融化的雪水可使海平面上升20-140cm,对海岸城市会有严重的直接影响。

甲烷

甲烷分子是天然气的主要成份,是一种洁净的能源气体,同时它是大气中一种重要的温室气体,其吸收红外线的能力是二氧化碳的26 倍左右,其温室效应要比二氧化碳高出22 倍,占整个温室气体贡献量的15%,其中空气中的含量约为2ppm。 [3]

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(1T=1012)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

一氧化二氮

一氧化二氮在大气层中的存在寿命是150年左右,尽管在对流层中是化学惰性的,但是可以利用太阳辐射的光解作用在同温层中将其中的90%分解,剩下的10%可以和活跃的原子氧O(1D)反应而消耗掉。即使如此大气层中的N2O仍以每年0.5-3Tg的速度净增。

N2O+hv→N2+O(1D)

N2O+O(1D)→N2+O2

N2O+O(1D)→2NO

氯氟碳化合物

氯氟碳化合物(CFC-11和CFC-12),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氧原子反应消耗掉。

CClF+hv→CClF+Cl,

CClF+hv→CClF+Cl

CClF+O(1D)→CClF+ClO

CClF+O(1D)→CClF+ClO

温室气体之所以有温室效应,是由于其本身有吸收红外线(一种热辐射)的能力。温室气体吸收红外线的能力是由其本身分子结构所决定的。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,则拥有偶极矩的分子就是红外活性的;而Δμ=0的分子振动不能产生红外振动吸收的,则是非红外活性的。 [1] 也就是说,温室气体是拥有偶极矩的红外活性分子,所以才拥有吸收红外线,保存红外热能的能力。

大气中主要的温室气体是水汽(H2O),水汽所产生的温室效应大约占整体温室效应的60%-70%,其次是二氧化碳(CO)大约占了26%,其他的还有臭氧(O),甲烷(CH),氧化亚氮(NO)全氟碳化物(PFCs)、氢氟碳化物(HFCs)、含氯氟烃(HCFCs)及六氟化硫(SF6)等。

1820年之前,没有人问过地球是如何获取热量的这一问题。正是在那一年,让-巴普蒂斯特-约瑟夫傅里叶(1768-1830年,法国数学家与埃及学家),回到法国后,他整年披着一件大衣,将大部分时间用于对热传递的研究。他得出的结论是:尽管地球确实将大量的热量反射回太空,但大气层还是拦下了其中的一部分并将其重新反射回地球表面。他将此比作一个巨大的钟形容器,顶端由云和气体构成,能够保留足够的热量,使得生命的存在成为可能。他的论文《地球及其表层空间温度概述》发表于1824年。当时这篇论文没有被看成是他的最佳之作,直到19世纪末才被人们重新记起。 [2]

其实只因为地球红外线在向太空的辐射过程中被地球周围大气层中的某些气体或化合物吸收才最终导致全球温度普遍上升,所以这些气体的功用和温室玻璃有着异曲同工之妙,都是只允许太阳光进,而阻止其反射,进而实现保温、升温作用,因此被称为温室气体。其中既包括大气层中原来就有的水蒸气、二氧化碳、氮的各种氧化物,也包括近几十年来人类活动排放的氢氟碳化物(HFCs)、氢氟化物、全氟化物(PFCs)、硫氟化物(SF6)、氯氟化物(CFCs)等。种类不同吸热能力也不同,每分子甲烷的吸热量是二氧化碳的 21倍,氮氧化合物更高,是二氧化碳的270倍。不过和人造的某些温室气体相比就不算什么了,目前为止吸热能力最强的是氢氟碳化物(HFCs)和全氟化物(PFCs)。

气候变化及其影响是多尺度、全方位、多层次的,正面和负面影响并存,但负面影响更受关注。全球变暖对许多地区的自然生态系统已经产生了影响,如气候异常、海平面升高、冰川退缩、冻土融化、河(湖)冰迟冻与早融、中高纬生长季节延长、动植物分布范围向极区和高海拔区延伸、某些动植物数量减少、一些植物开花期提前,等等。

水蒸气为最大的温室气体,其高出二氧化碳近两个数量级,但其受高度、纬度的影响较大,受水域和季风的气候影响也较大,相对的:绝对湿度大的海洋性气候受人工排放的湿室气体影响不明显,海拔较高、高纬度、干旱地区等绝对湿度较低的地区受人工温室气体的影响较大。例如中国的天山山脉处于内陆高海拔地区,雪线明显上移。美国、欧洲等地区湿度较大人工温室气体加速水汽对流反而造成极端的低温和高温天气。若没有水蒸气的影响,人工温室气体总体会造成温度上升,但水蒸气的存在使得大气湍流增加、气候趋于极端。

美国环境保护署认定,二氧化碳等温室气体是空气污染物,“危害公众健康与人类福祉”,人类大规模排放温室气体足以引发全球变暖等气候变化。

温室气体的增加对气候和生态系统的影响是一个更为复杂的问题。二氧化碳增加虽然有利于增加绿色植物的光合产物,但它的增加引起的气温和降水的变化,会影响和改变气候生产潜力,从而改变生态系统的初级生产力和农业的土地承载力。这种因气候变化而对生态系统和农业的间接影响,可能大大超过二氧化碳本身对光合作用的直接影响。按照气候模拟试验的结果,二氧化碳加倍以后,可能造成热带扩展,副热带、暖热带和寒带缩小,寒温带略有增加,草原和荒漠的面积增加,森林的面积减少。二氧化碳和气候变化可能影响到农业的种植决策、品种布局和品种改良、土地利用、农业投入和技术改进等一系列问题。因此在制定国家的发展战略和农业的长期规划时,应该考虑到二氧化碳增加可能导致的气候和环境的变化背景。这个问题对于面临人口膨胀和人均资源贫乏两大压力的我国,显得尤为重要和紧迫。

CO排放减量

化石燃料燃烧为二氧化碳人为排放之主要来源,企业/产业于因应时,可资减量之方向包括:

能源替代:以天然气替代其他燃料。

采用高效率或节电设备。

引进再生能源(风力、太阳能等)。

评估及增进废弃物再利用。

资源物回收。

节约用水、废水减量以降低废水处理负荷。

废弃物减量,以降低废弃物焚化、掩埋或其他物理化学处理程序之负荷。

节约用电:照明管理、夏季空调管理及建筑物自然采光、防晒之设计。

环保标章或环境友善产品之开发、改良。

环境绿化。

CH4排放减量

甲烷(CH)多属天然排放,自然界的生物厌氧腐解作用本会有CH之排放,如水体流动性不高之湖泊、湿地等均有较高贡献。而人为活动造成的CH排放因素则有自然水体受生活污水及工业废水的污染、农业畜牧活动及工业制造程序等。

农业/畜牧业:

有机堆肥管理,及其臭气的妥善处理或回收能源。

避免燃烧农作废弃物或以焚烧大区域农作地作为农耕/开发方式。

工业程序:

降低储油输油设施之漏、逸散。

燃烧系统妥善管理、维护,降低意外或跳机事件之频率。

储油槽设置隔热装置,降低逸散。

涂装改采低油性或无油性涂料施作。

垃圾掩埋场沼气引燃或回收能源。

废水场厌氧处理之沼气处理或回收热能。

NO排放减量

氧化亚氮(NO)人为排放源多为农业/畜牧之相关活动,工业程序之排放则以需用氮元素相关化工原料制程为主如硝酸(Nitric Acid)、己二酸(Adipic Acid)(以硝酸为反应原料之一)等。农业/畜牧业:

有机堆肥管理,及其臭气的妥善处理或回收能源。

避免燃烧农作废弃物或以焚烧大区域农农作地作为农耕/开发方式。

工业程序:

提高相关化学品反应主产品生成率(程序替代或设备改良方式均可达成)。

相关化学品化学反应后端设置De-NOx设施。

焚化炉(特别是生物污泥焚化炉)设置De-NOx设施。

生活污水妥善处理。

其他气体

氢氟碳化物(HFCs)、六氟化硫(SF6) 、 全氟碳化物(PFCs)排放减量

氢氟碳化物(HFCs)、六氟化硫(SF6)、全氟碳化物(PFCs)、多用于替代蒙特尔议定书列管破坏臭氧层物质(ODS):氟氯碳化物(CFCs)。 HFCs、PFCs相关用途包括冰箱空调冷媒、灭火剂、气胶、清洗溶剂、发泡剂等;而SF6则有用于绝缘气体、灭火剂等。该三类管制温室气体于制造及使用阶段均可能造成排放。

选用CFCs替代品时,同时考量GWPs(Global Warming Potentials)低者。GWPs参见表列。

空调、灭火系统之相关管路避免漏。

用于清洗溶剂时,配合其他清洗程序及清洗设施改善,提升清洗效率,降低清洗溶剂用量。

清洗溶剂回收系统改善,提升回收量、降低溶剂散失量。

发泡产品制造程序确实做好废气收集及处理。

发达国家在减少温室气体排放方面主要是采取具有综合性的经济和财政政策,包括:自愿协议、能源/二氧化碳税、排放贸易、可再生能源或热电联产生产配额、能源效率标准、对可再生能源等的直接资金鼓励如优惠费率、赠款、免税措施等等。但是这些政策随着实施情况的差别,也在发生不断变化。以能源/CO税收为例,已经从单纯税收向“税收+补贴”的形式转变。 从上世纪90年代初一些发达国家为了提高财政收入和/或降低对国外石油供应的依赖程度而开始实行能源或以燃料碳含量为依据的CO税。

由于能源/CO税具有减少能源消费和温室气体排放的作用,许多发达国家都把能源/二氧化碳税作为减少温室气体排放的重要措施。但是,后来,为了避免能源/二氧化碳税影响本国工业在世界市场上的竞争力,一些国家对高耗能部门实行了低税率,挪威降低了海上油气生产的CO税率,瑞典制造业的CO税率已经改为标准税率的35%,某些能源密集型工业的税率也已经降低到接近为零税率,英国的能源密集型工业的税率仅为标准税率的20%。为了激励节能技术的发展,又避免影响本国工业在国际市场的竞争力,很多国家变税收为补贴。实行了对可再生能源和热电联产等高能效技术的税收优惠或减免政策,以鼓励其供应和消费。从供应端来说,主要包括对与可再生能源生产或热电联产相关的各种税收如生产税、固定资产税、增值税、进口关税等的优惠或减免。

英国政府为热电联产的发展制定了税收优惠政策。2002年,英国的热电联产装机为4700MW,按照政府的目标在2010年时要建成高效的热电联产10000MW,为此英国政府对热电联产不征收气候变化税,并以税收优惠的形式对投资热电联产的企业提供投资补助。

法国对热电联产企业减少50%的企业税,地方政府可以将减少率提高到最多100%。对可再生能源的使用也实施了税收优惠政策通过税收优惠和降低增值税率,企业用于购买可再生能源设备的成本将降低15%,同时,对可再生能源投资的企业一年以后可以享受加速折旧的政策。

2009年12月7日,美国环保署(EPA)署长丽莎杰克森重申温室气体会对公众健康和自然环境造成威胁,呼吁政府加大清洁空气法案执行力度,并称美国环保署正在考虑制定新条例,以进一步限制发电厂、炼油厂、化工厂和水泥厂的废气排放。

中国政府高度重视并积极应对气候变化。2007年,中国政府成立了由温家宝总理任组长的 “国家应对气候变化领导小组”。同年,中国政府发布了《中国应对气候变化国家方案》,这是发展中国家第一个应对气候变化的国家级方案。

方案中提出到2010年中国单位GDP能耗在2005年基础上减少20%左右的目标。中国政府还在《可再生能源中长期发展规划》中,提出到2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10%,到2020年达到15%左右。

为确保这些目标的实现,中国政府采取了一系列强有力的相关政策措施,成效显著。

2013年年,中国将全面开展省级应对气候变化方案工作,以确保应对气候变化国家方案的切实贯彻实施。

此外,中国的经济刺激方案安排了2100亿用于节能减排和生态工程,3700亿用于调整结构和技术改造。民生工程为4000亿,主要是保障性住房建设,将积极采用节能环保材料;农村的民生工程3700亿,目标是以可持续、环保的方式提高农村生活水平。

在努力应对气候变化的同时,需要强调的是,中国是一个人均GDP只有3000美元的低收入发展中国家。按照联合国的贫困标准,中国尚有1.5亿贫困人口。中国别无选择,面临着发展经济、消除贫困和减缓温室气体排放的多重压力。在这一过程中,国际社会相信中国会在力所能及的范围内,积极采取措施应对气候变化。

国际社会均希望哥本哈根会议能够达成积极成果。我们认为,哥本哈根会议成功的关键在于能否把协定和 《京都议定书》的要求落到实处。发达国家整体上到2020年应在1990年水平上至少减排25%-40%。

非议定书的发达国家缔约方应当承诺遵守具有可比性的定量减排目标。发达国家应当履行规定的义务,向发展中国家转移技术并提供金融支持,使发展中国家能够有效地应对气候变化。

此外,应当为遵守规定、金融支持和技术转移建立起恰当的机制和制度保证。发展中在得到发达国家“可测量、可报告和可核实的”资金、技术和能力建设的支持下,在可持续发展的框架下,根据本国国情采取适当的减缓行动。

当前,全球金融危机加剧,给各国应对气候变化工作带来了严峻挑战。但由于气候变化是更为长期和严峻的挑战,国际社会应对气候变化的决心不能动摇、行动不能松懈、力度不能减弱。事实上,国际金融危机如果处理得当,也可以化挑战为机遇,达到既保护气候又促进发展的双赢局面。

中国将本着对本国人民、对全人类利益高度负责的态度,采取积极措施应对气候变化,为保护全球气候系统做出新贡献。

(作者为中国国家发展和改革委员会副主任、中国气候变化问题特别代表。版权所有:Project Syndicate,2009。)

1997年12月11日,《联合国气候变化框架公约》第三次缔约方大会在日本京都召开,促生了公约的第一个附加协议《京都议定书》。2005年2月16日,《京都议定书》正式生效,这是人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放。

《京都议定书》的目标是在2008年至2012年间,将主要工业发达国家的二氧化碳等6种温室气体排放量在1990年的基础上平均减少5.2%。减排的温室气 体包括二氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(NO)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6)。其中,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%至8%。新西兰、俄罗斯和乌克兰可将排放量稳定在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比1990年分别增加10%、8%和1%。而议定书对包括中国在内的发展中国家并没有规定具体的减排义务。

合作机制《京都议定书》建 立了三种旨在减排温室气体的新的灵活的合作机制国际排放贸易机制(et)、联合履行机制(ji)和清洁发展机制(cdm)。排放贸易和联合履行主要涉 及附件一所列缔约方之间的合作;而清洁发展机制涉及附件一所列缔约方与发展中国家缔约方之间在二氧化碳减排量交易方面的合作关系。

为促进各国完成温室气体减排目标,议定书允许采取以下四种减排方式:

1.两个发达国家之间可以进行排放额度买卖的“排放权交易”,即难以完成削减任务的国家,可以花钱从超额完成任务的国家买进超出的额度。

2.以“净排放量”计算温室气体排放量,即从本国实际排放量中扣除森林所吸收的二氧化碳的数量。

3.可以采用绿色开发机制,促使发达国家和发展中国家共同减排温室气体。

4.可以采用“集团方式”,即欧盟内部的许多国家可视为一个整体,采取有的国家削减、有的国家增加的方法,在总体上完成减排任务。

2009年11月多位世界顶级气候学家的邮件和文件被黑客公开。邮件和文件显示,一些科学家在操纵数据,伪造科学流程来支持他们有关气候变化的说法。人们的焦点开始转向全球气候变暖的可信度上。这份科学家的名单并未同期公布,有分析指出这一事件或许对哥本哈根气候大会产生一定影响。

2012年11月21日,世界气象组织21日在日内瓦发布年度《温室气体公报》称,2010年地球大气温室气体含量创工业化时代以来的新高。其中,大气中二氧化碳的浓度较2009年上升了2.3个PPM(1PPM为百万分之一),达389PPM,增幅高于近10年2.0PPM的年均增长水平,和20世纪90年代1.5PPM的年均增长水平。

由于大量使用化石燃料、毁林和改变土地用途,自1750年工业化进程开始以来,二氧化碳在大气中的浓度增加了39%。此外,2010年大气中甲烷浓度较上一年增加了5个PPB(1PPB为十亿分之一),达1808PPB,较1750年水平增长158%。同时,另一种温室气体氧化亚氮的浓度也有一定程度上升,达到323.2PPB,较1750年水平增长20%。 [4]


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