1.2.2 溫室氣體

從組成地球大氣的成分來看，氮氣（N₂）占78%，氧氣（O₂）占21%，氬氣（Ar）等差不多占了0.9%，這些占大氣中99%以上的氣體都不是溫室氣體，這些非溫室氣體一般來說與入射的太陽輻射相互作用極小，也基本上不與地球放射的紅外長波輻射產(chǎn)生相互作用。也就是說，它們既不吸收也不放射熱輻射，對地球氣候環(huán)境的變化基本上不會產(chǎn)生什么影響。對地球氣候環(huán)境有重大影響的是大氣中含量極少的溫室氣體，這些氣體只占大氣總體積混合比的0.1%以下，但由于它們能夠吸收和放射輻射，在地球能量收支中起著重要的作用。

溫室氣體主要包括水蒸氣（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、臭氧（O₃）、一氧化碳（CO），以及氟利昂或氯氟烴類化合物（CFC）、氫代氯氟烴類化合物（HCFC）、氫氟碳化物（HFC）、全氟碳化物（PFC）和六氟化硫（SF₆）等極微量氣體。

水蒸氣能凝結(jié)和沉降，其在大氣中通常會停留十天時間，通過人為源頭進入大氣的流量比“自然”蒸發(fā)的要少得多。因此，它對長期的溫室效應沒有顯著作用。這就是對流層水汽（通常低于10km高度）不被認為是造成輻射強迫的人為氣體的主要原因。在平流層（大氣層約10km以上的部分），人為排放對水汽確實有顯著影響。平流層水汽對變暖的貢獻，從強迫和反饋兩方面來講，都要比來自甲烷或二氧化碳的小得多。因此，一般認為水汽是一個反饋介質(zhì)，而不是引發(fā)氣候變化的強迫。而二氧化碳、甲烷等溫室氣體可以吸收地表長波輻射，與“溫室”的作用相似，對保持全球氣候的適宜性具有積極的作用。若無“溫室效應”，地球表面平均氣溫將是零下19℃，而非現(xiàn)在的零上14℃。但是，一旦大氣中溫室氣體的濃度在短時間內(nèi)出現(xiàn)劇烈變化，氣候系統(tǒng)中原有的穩(wěn)定和平衡就會被破壞。

溫室氣體基本可分為兩大類，一類是地球大氣中所固有的，但是工業(yè)化（約1750年）以來由于人類活動排放而明顯增多的溫室氣體，包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、臭氧等；另一類是完全由人類生產(chǎn)活動產(chǎn)生的（即人造溫室氣體），如氯氟烴、氟化物、溴化物、氯化物等。例如，氯氟烴（如CFC-11和CFC-12）曾被廣泛用于制冷機和其他的工業(yè)生產(chǎn)中，人類活動排放的氯氟烴導致了地球平流層臭氧的破壞。20世紀80年代以來，由于制定了保護臭氧層的國際公約，氯氟烴等人造溫室氣體的排放量正逐步減少。

由于二氧化碳含量在溫室氣體中占比最高，且溫室效應最顯著，減排一般指減少二氧化碳的排放。如果考慮所有溫室氣體，則可將非二氧化碳溫室氣體排放量乘以其溫室效應值（如GWP）后換算為等價二氧化碳當量，這樣可以將不同溫室氣體的效應標準化。

地球上的碳循環(huán)主要表現(xiàn)為自然生態(tài)系統(tǒng)的綠色植物從空氣中吸收二氧化碳，經(jīng)光合作用轉(zhuǎn)化為碳水化合物并釋放出氧氣，同時又通過生物地球化學循環(huán)過程及人類活動將二氧化碳釋放到大氣中。自然生態(tài)系統(tǒng)的綠色植物將吸收的二氧化碳通過光合作用轉(zhuǎn)化為植物體的碳水化合物，并經(jīng)過食物鏈的傳遞轉(zhuǎn)化為動物體的碳水化合物，而植物和動物的呼吸作用又把攝入體內(nèi)的一部分碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳釋放入大氣，另一部分則構(gòu)成了生物的有機體，自身貯存下來；在動、植物死亡之后，大部分動、植物的殘體通過微生物的分解作用又最終以二氧化碳的形式排放到大氣中，少部分在被微生物分解之前被沉積物掩埋，經(jīng)過漫長的年代轉(zhuǎn)化為化石燃料（煤、石油、天然氣等），當這些化石燃料風化或作為燃料燃燒時，其中的碳又轉(zhuǎn)化為二氧化碳排放到大氣中。圖1-3所示為全球碳循環(huán)過程示意圖。

大氣和海洋、陸地之間也存在著碳循環(huán)，二氧化碳可由大氣進入海水，也可由海水進入大氣，這種碳交換發(fā)生在大氣和海水的交界處；大氣中的二氧化碳也可以溶解在雨水和地下水中成為碳酸并通過徑流被河流輸送到海洋中，這些碳酸鹽通過沉積過程又形成石灰?guī)r、白云石和碳質(zhì)頁巖等；在化學和物理作用下，這些巖石風化后所含的碳又以二氧化碳的形式排放到大氣中。

工業(yè)革命之后，大規(guī)模的森林砍伐使碳循環(huán)的平衡被打破，化石燃料—煤炭、石油和天然氣等燃燒量不斷增加，海洋和陸地生物圈不能完全吸收多排放的二氧化碳，從而導致大氣中的二氧化碳濃度不斷增加。目前，全世界每年燃燒化石燃料排放到大氣中的二氧化碳總量折合成碳大約是60億t，森林破壞和土地利用變化釋放二氧化碳約15億t，共75億t。其中，37億t會被海洋和陸地生物圈吸收（海洋約20億t，陸地生物圈約17億t），約有50%的二氧化碳留在了大氣中，每年大氣中碳的凈增量大約是38億t。留在大氣中的這部分二氧化碳使全球大氣中二氧化碳濃度由工業(yè)化前的280ppm（1ppm=0.0001%，即百萬分比濃度）增加到2019年的410ppm，導致了全球氣候系統(tǒng)的變暖。

甲烷（CH₄）是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，其排放量約占全球溫室氣體排放的20%，對全球變暖的貢獻率約占四分之一。甲烷是大氣中的有機氣體，主要來自地表，可分為人為源和自然源。人為源主要包括天然氣泄漏、石油及煤炭開采及其他生產(chǎn)活動、水稻種植、反芻動物消化、動物糞便管理、燃料燃燒、垃圾填埋、污水處理等。自然源包括天然沼澤、多年凍土融解、濕地、河流湖泊、海洋、熱帶森林、苔原、白蟻等。全球甲烷排放量約為5.35（4.10～6.60）億t/年，其中自然源為1.60（1.10～2.10）億t/年、人為源為3.75（3.00～4.50）億t/年，人為源約占70%。人類排放源可分為與化石燃料有關(guān)的排放源和生態(tài)排放源。近年來，國際社會對全球甲烷減排的關(guān)注程度明顯增強。根據(jù)2021年1月國際能源署（IEA）發(fā)布的《甲烷追蹤2021：幫助解決減少甲烷泄漏這一緊迫的全球挑戰(zhàn)》報告估計，2020年全球石油和天然氣行業(yè)向大氣中排放的甲烷超過7000萬t，一噸甲烷對氣候變暖的貢獻大約相當于30t二氧化碳，油氣行業(yè)排放的甲烷折算為二氧化碳相當于歐盟能源相關(guān)碳排放的總和。2018年加拿大和墨西哥已將控制油氣行業(yè)甲烷排放納入實現(xiàn)本國國家自主貢獻中的甲烷減排承諾。2020年10月，歐盟委員會（European Commission）發(fā)布了《歐盟甲烷戰(zhàn)略》，并將于2021年推動立法，促進石油和天然氣企業(yè)減少甲烷排放或泄漏。

氧化亞氮來源于地面排放，全球每年氧化亞氮排放總量約為1470萬t。其中自然源（主要包括海洋以及溫帶、熱帶的草原和森林生態(tài)系統(tǒng)）為900萬t，人為源（主要包括農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、生物質(zhì)燃燒和化石燃燒、己二酸以及硝酸的生產(chǎn)過程）大約為570萬t。大氣中氧化亞氮每年的增加量約為390萬t，其產(chǎn)生和排放的領(lǐng)域主要包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、能源生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換、土地變化和林業(yè)等，其中農(nóng)業(yè)過量施氮是一個重要因素。人類主要通過施用氮肥增加農(nóng)作物產(chǎn)量，而以氮肥所代表的活性氮一方面污染了環(huán)境，另一方面當活性氮以氧化亞氮的形式存在時，它還是增溫效應最強的溫室氣體。目前氧化亞氮的溫室效應貢獻為二氧化碳的1/10。

2019年全球大氣中CO₂、CH₄和N₂O的平均濃度分別為（410.5±0.2）ppm、（1877±2）ppm和（332.0±0.1）ppm，較工業(yè)化前時代（1750年）水平分別增加48%、160%和23%，達到過去80萬年來的最高水平。2019年大氣主要溫室氣體增加造成的有效輻射強迫已達到3.14W/m2，明顯高于太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素所導致的輻射強迫，是全球氣候變暖最主要的影響因素。

人類排放的溫室氣體和溫升之間的關(guān)系非常復雜，特別是溫室氣體排放量、溫室氣體濃度和溫升之間并不存在一一對應的同步變化關(guān)系，全球氣候變暖的幅度與全球二氧化碳的累積排放量之間存在著近似線性的相關(guān)關(guān)系，全球二氧化碳的累積排放量越大，全球氣候變暖的幅度就越高。

需要指出的是，地球大氣中本身就含有一定濃度的二氧化碳，地球上許多不同的自然生態(tài)系統(tǒng)過程也都吸收和釋放二氧化碳，因此大氣中的二氧化碳濃度本身就存在時間和空間上的自然變率。當二氧化碳（不管是自然釋放的還是人為排放的）進入大氣中時會被風混合，并隨著時間的推移而分布到全球各地。這種混合過程在北半球或南半球的尺度上需要一到兩個月的時間，在全球尺度上則需要一年多的時間，因為北半球和南半球之間混合的速度很慢。