温室气体：二氧化碳、甲烷和其他化合物在气候变化中的作用

如果没有温室气体的存在，地球上的生命就不可能存在。 这些化合物在大气中含量很少，能够 捕获太阳的热量，防止部分热量逸出到太空，从而使地球的温度保持在适合生物生存的数值。。 但是， 由于人类活动，这些气体浓度的增加正在改变全球气候。，从而引发全球变暖现象及其相关后果。

了解温室气体如何发挥作用、其主要类型、其来源以及其如何影响地球气候平衡对于应对气候变化至关重要。 在本文中，我们将概述有关二氧化碳 (CO2)、甲烷 (CH4)、一氧化二氮 (N2O)、氟化气体和其他化合物的所有最相关和最新的信息，以及衡量其影响的机制和减少其排放的策略。

什么是温室气体？它们如何发挥作用？

温室效应是生命活动必不可少的自然现象，但其加剧却是当前全球变暖的主要原因。 该术语的灵感来自于农业温室的工作方式：玻璃墙允许阳光穿过但保留一些热量，从而提高内部温度。同样，大气中存在的一些气体 它们吸收并重新发射地球表面从太阳接收的能量后的红外辐射.

地球变暖后发出的红外辐射有90%被温室气体吸收。 吸收的热量被重新分配，使地球平均气温保持在 15°C，而不是如果没有这些气体时的 -18°C。 主要温室气体包括水蒸气、二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和臭氧。.

当人类活动（主要是燃烧化石燃料和砍伐森林）导致大气中这些成分的浓度高于自然水平时，问题就出现了。 这加剧了温室效应，造成能源失衡，导致全球气温上升、天气模式改变以及极端天气事件增多。

主要温室气体：特性、来源和全球变暖潜能值

温室气体种类繁多，来源、性质和使地球变暖的能力各不相同。 根据国际组织的研究和现有的气候知识，造成这一现象的主要因素如下：

• 水蒸气（H₂哦）： 它是最丰富、最有效的温室气体，因为 吸收大量红外辐射。它主要由水的蒸发和 取决于全球温度。其浓度随海拔、温度和当地条件而变化。 水蒸气至关重要，因为它起到强大的正反馈回路的作用：温度升高会增加蒸发，进而进一步升高温度。
• 二氧化二碳 (CO₂): 这种气体是气候变化讨论的焦点，因为自工业革命以来，其浓度迅速增长。它是生物呼吸、有机物分解、化石燃料燃烧（煤、石油、天然气）、工业活动和森林砍伐的结果。 自然界的二氧化碳循环涉及排放和吸收，海洋和森林是主要的天然吸收源。
• 甲烷（CH₄): 它是最简单的碳氢化合物。它通过湿地、稻田、反刍动物的消化系统和有机物的厌氧分解自然释放，以及通过畜牧业、废物管理、化石燃料的开采和运输等人类活动释放。 尽管甲烷的浓度低于二氧化碳，但它的吸热能力却强得多，自工业化前时代以来，其占比已经增长了 2%。
• 一氧化二氮（N₂哦）： 这主要是由集约农业、氮肥的使用、畜牧业、废物和化石燃料的燃烧以及一些工业过程造成的。 尽管它的含量不如二氧化碳或甲烷丰富，但其全球变暖潜力却比二氧化碳高出约 2 倍。
• 臭氧（O₃): 平流层臭氧通过阻挡紫外线来保护地球上的生命，而对流层臭氧则存在于大气的最低层，是污染物之间化学反应的结果。 对流层臭氧是一种温室气体，也是一种有害健康的污染物。
• 氟化气体（F气体）： 这些由人类创造的合成化合物包括氢氟碳化物 (HFC)、全氟碳化物 (PFC)、六氟化硫 (SF₆)和三氟化氮(NF₃）。它们用于制冷、空调、电子和工业过程。 它们以极高的全球变暖潜能值以及在大气中的寿命可达数千年而著称，尽管它们的浓度比其他气体低得多。

下表列出了主要温室气体、其浓度以及对全球变暖的估计贡献百分比：

煤气	公式	大气浓度（约）	贡献 （％）
水蒸气	H2O	10–50,000 ppm	36-72
二氧化碳	CO2	〜420 ppm	9-26
甲烷	CH4	〜1.8 ppm	4-9
臭氧层	O3	2–8 ppm	3-7

并非大气中的所有气体都会导致温室效应： 最丰富的，例如氮（N₂）、氧气（O₂) 和氩气 (Ar) 影响很小，因为它们的分子结构不允许它们吸收红外辐射。

全球变暖潜能值和气体在大气中的寿命

为了比较不同温室气体的影响，我们使用全球变暖潜能值（GWP）。 该指数量化了每种气体在一定时期内（通常为 2、20 或 100 年）吸收能量并使地球升温的能力（相对于二氧化碳）。

例如： 甲烷的全球变暖潜能值在 84 年内为 20，在 28 年内为 30-100，而 一氧化二氮的全球变暖潜能值达到 265 100年。氟化气体的全球升温潜能值 (GWP) 可超过 10.000，其在大气中的寿命可达数百至数千年。

温室气体的持续存在同样至关重要： 二氧化碳可持续存在 2 至 30 年，甲烷可持续存在约 95 年，一氧化二氮可持续存在一个多世纪，六氟化硫等氟化合物可持续存在长达 12 年。

这意味着今天的排放的影响将持续几十年甚至几个世纪，影响子孙后代。

自然和人为排放源

温室气体既有自然来源，也有人类活动的结果。 例如：

• CO2： 自然循环（呼吸、分解、自然火灾、火山）和化石燃料燃烧、工业过程、森林砍伐。
• 甲烷： 湿地、稻田、白蚁、水下火山活动、反刍动物消化、垃圾堆、石油和天然气开采、管道泄漏。
• 笑气： 土壤、海洋、农业施肥、生物质燃烧、化学制造中的细菌过程。
• 对流层臭氧： 氮氧化物与挥发性有机化合物在阳光作用下发生的化学反应。
• 氟化气体： 工业过程，用于制冷系统、空调、灭火器和微电子制造。

目前，温室气体浓度上升的主要来源是人类活动： 以煤炭、石油和天然气为基础的能源消耗，以及农业和土地利用的变化，与过去几个世纪相比有着显著的差异。

人类活动加剧温室效应

温室气体浓度的增加是数十年工业化和大规模开发自然资源的结果。 自工业革命以来，能源需求、农业机械化、大规模森林砍伐和工业发展导致二氧化碳、甲烷和一氧化二氮排放量急剧增加。

例如： 化石燃料燃烧是欧盟近80%温室气体排放的根源。 农业与甲烷和一氧化二氮排放有关，而工业和废物处理会产生二氧化碳和氟化气体。

其结果是大气中气体的积聚，加剧了自然温室效应： 自工业化前时代以来，二氧化碳浓度增加了 2%，甲烷浓度增加了近 50%，一氧化二氮增加了约 150%。

全球变暖的环境和社会影响

全球变暖对环境、经济和社会有着深远的影响。 主要影响包括：

• 冰川融化加速，积雪减少，导致海平面上升。
• 极端天气事件发生频率和严重程度增加，例如热浪、干旱、洪水和强烈风暴。
• 生物多样性减少和生态系统改变，影响食物、水和生态系统服务的可用性。
• 空气质量恶化及其对公众健康的负面影响 例如与雾霾和​​空气污染有关的呼吸系统疾病。
• 对农业和粮食生产以及农村人口脆弱性的影响.
• 因自然灾害或重要资源损失而导致的人口流离失所和气候相关的移徙。

排放量测量与比较：二氧化碳当量与评估方法

温室气体的总体效应不仅通过排放量来衡量，而且还通过其全球变暖能力和在大气中停留的时间来衡量。 为此，专家们提出了“二氧化碳当量”的概念，以二氧化碳的全球变暖潜力为参考，比较和总结不同气体的影响。

排放量按经济部门（能源、农业、运输、工业、废物）、国家和地区，甚至个人（人均排放量）进行评估。 计算方法包括直接估计、排放因子模型、质量平衡、持续监测和生命周期评估。

测量挑战包括透明度、数据可用性和一致性，以及确定每次计算中使用的地理和时间边界。

汇的作用和土地利用变化

大气并不是唯一的碳储存器：陆地和海洋碳汇在气候调节中发挥着重要作用。 森林、丛林、土壤、湿地和海洋有能力吸收和储存大量的二氧化碳，从而限制全球变暖。

然而，森林砍伐和这些天然汇的退化降低了它们的吸收能力，进一步增加了大气中气体的浓度。 保护、恢复和扩大碳汇是减缓气候变化最有效且最经济的策略之一。

气溶胶和短期气候污染物

除了传统的温室气体外，被称为气溶胶的微小颗粒和其他短寿命污染物也会影响气候。 气溶胶可能来自沙漠尘埃或火山爆发等自然来源，也可能来自燃烧化石燃料和砍伐森林等人类活动。

根据其成分， 一些气溶胶会吸收热量（导致温室效应），而另一些则将其反射到太空中（导致全球变冷）。最主要的短期气候污染物包括黑碳、甲烷、对流层臭氧和氢氟碳化物。

减少这些污染物可以为气候和公众健康带来直接的益处。 由于它们在大气中的寿命很短，减排的积极效果会在几周或几年内显现。

国际减排行动与战略

气候变化的挑战需要全球协调应对。 从《京都议定书》到《巴黎协定》，各国都做出了减少排放的承诺，并制定了实现低碳经济的战略。

欧盟、美国和其他全球参与者已经实施立法和政治措施，限制化石燃料的使用，推广可再生能源，提高能源效率，规范含氟气体的使用，并促进废水保护。 亮点包括排放交易、部门减排计划以及碳捕获和储存（CCS）技术研究。

解决方案范围包括 交通和能源系统的变化，直到必要为止 农业、畜牧业和工业转型。可持续废物管理和资源的合理利用也变得越来越重要。

技术创新与自然解决方案

新技术的开发是减少或消除温室气体排放的关键。 有各种用于捕获、储存和利用二氧化碳的技术，例如捕获和储存的生物能源、直接空气捕获和生物炭生成以增强农业土壤的封存。

另外， 促进再生农业、恢复森林、湿地和海洋以及保护生物多样性是减缓气候变化的重要工具。 这些自然解决方案有助于碳封存以及生态系统的适应和恢复力。

全球减排挑战

全球减少温室气体排放是一个多维而复杂的挑战。 发达国家（历史上的主要排放国）和发展中国家（排放量不断增加）之间的不平等使得明确责任和资源变得困难。经济、地缘政治、技术可用性和适应性各不相同。

人口增长、国际流动、消费和饮食习惯以及经济发展都会影响排放的数量和类型。 因此，解决方案必须适应不同的社会、文化和经济背景。

各部门和国家排放量：全球贡献

温室气体排放源多种多样，分布于多个经济部门：

• 发电和热能 （主要通过燃烧煤炭和天然气）是世界上最大的罪魁祸首。
• 运输该行业严重依赖化石燃料，是最难脱碳的行业之一。
• 行业，包括化学过程、水泥厂和材料制造。
• 农业、林业和土地利用，造成甲烷和一氧化二氮的排放，并减少碳汇。
• 残留物，尤其是垃圾填埋场和废水处理。

在国家层面，历史和当前的排放量差异很大： 美国、欧盟、俄罗斯和中国由于工业化较早、发展规模较大，累计排放量居世界前列，而中国、印度等新兴国家近几十年来人均排放量不断增长。

人造温室气体的作用：氟化气体

氟化气体是一种合成化合物，对全球变暖有着不成比例的影响。 他们在其中脱颖而出：

• 氢氟碳化物（HFCs）： 用于制冷、空调、气雾剂和泡沫。它们的变暖潜力比二氧化碳高出数千倍。
• 全氟碳化物（PFCs）： 铝和电子行业的员工。它们极其稳定，可以在大气中停留数千年。
• 六氟化硫（SF₆): 用于电气设备的绝缘。它被认为是已知的最强效的温室气体。
• 三氟化氮（NF₃): 用于半导体和微电子工业。尽管其存在程度较低，但全球变暖潜能值却非常高。

促进控制使用并用安全、气候友好的替代品取代这些气体对于实现国际目标至关重要。

决定温室气体影响的因素

每种气体对全球变暖的影响取决于三个主要因素：

1. 大气中的浓度： 浓度越高，对保留能量的影响越大。
2. 停留时间： 在大气中停留数十年或数百年的气体会产生长期影响。
3. 吸热潜力： 有些气体虽然数量较少，但在捕获能量方面却更有效（例如甲烷或六氟化硫₆).

因此， 控制具有高全球变暖潜力的气体，即使排放量较少，对于气候政策的有效性也至关重要。

大气中气体的恢复、捕获和消除

应对气候变化不仅涉及减少排放，还包括消除空气中的温室气体。 其中最有前景的技术包括：

• 二氧化碳的地质捕获和储存 在安全的地下地层中。
• 直接空气捕获，使用提取二氧化碳并储存或再利用的技术。
• 改善农业土壤的吸收 通过使用生物炭和可持续农业实践。

这些技术必须辅以森林、土壤和湿地等自然资源的保护和恢复。

气候教育和意识的重要性

培养知情、有意识、积极参与的公民是应对气候变化的关键。 环境教育、科学宣传和获取清晰的信息是动员社会、促进可持续实践以及向政府和企业施加压力以做出负责任决策的重要工具。