為什么二氧化碳會(huì)成為地球的溫室氣體？

為什么二氧化碳被人們稱為溫室氣體呢？二氧化碳是一種紅外活性分子，它能吸收地球表面釋放的長(zhǎng)紅外輻射。

1856年夏季，科學(xué)家尤妮斯·福特試圖找出影響太陽(yáng)光熱量的因素，她的實(shí)驗(yàn)結(jié)論顯示，在陽(yáng)光照射下，富含碳酸氣體（現(xiàn)在被稱為二氧化碳）的封閉環(huán)境比在普通空氣環(huán)境中升溫更快，當(dāng)遠(yuǎn)離陽(yáng)光直射時(shí)，它的冷卻速度要慢很多。

尤妮斯在論文中指出，富含二氧化碳的大氣層會(huì)給地球帶來(lái)高溫，假設(shè)在地球歷史上的某個(gè)時(shí)期，空氣中混入二氧化碳的比例比現(xiàn)在更大，將出現(xiàn)高溫氣候……。但由于該論文并未發(fā)表，該研究結(jié)論在當(dāng)時(shí)并未引起太多關(guān)注，但現(xiàn)在伴隨著全球氣候趨暖，人們開始更加關(guān)注二氧化碳?xì)怏w效應(yīng)，顯然當(dāng)前正如尤妮斯在19世紀(jì)50年代所預(yù)測(cè)的那樣，人類正在面對(duì)一個(gè)不太愉快的高溫未來(lái)。

除非人類能在地下環(huán)境生活十幾年，否則你肯定知道二氧化碳是一種導(dǎo)致全球氣候轉(zhuǎn)暖的溫室氣體（雖然從技術(shù)上講，全球氣候轉(zhuǎn)暖是由于人類活動(dòng)所導(dǎo)致的），但是，當(dāng)空氣中其他主要成分不是溫室氣體時(shí)，二氧化碳有什么“資格”成為溫室氣體呢？讓我們來(lái)了解一下，二氧化碳?xì)怏w如何使蘇打水產(chǎn)生氣泡，以及如何導(dǎo)致冰川崩潰……

溫室氣體簡(jiǎn)史

地球平均每天從太陽(yáng)接收到大約10億焦耳的能量，賦予生命的陽(yáng)光是紫外線、可見光和紅外線的混合物。

在所有光線到達(dá)地球表面之前，我們的大氣層就像一個(gè)55000萬(wàn)億噸的氣體毯漂浮在人類頭頂上，在臭氧層的幫助下過濾了99%的紫外線（不是100%，因此人們不要忘記涂防曬霜）。然后大氣層能讓可見光照射進(jìn)來(lái)，照亮地球，最終紅外線能使地球變暖，使處于寒冷狀態(tài)中的生命獲得熱量。

照射地球表面的紅外線被不同物體吸收，然后以熱量的形式輻射出去，反射的熱量試圖從天空中被加熱區(qū)域轉(zhuǎn)移至較冷區(qū)域，這時(shí)它們面臨著熱量的“控制者”——溫室氣體。

像二氧化碳、水蒸汽、氮氧化物、甲烷和含氯氟烴等氣體，能夠阻止熱量完全逸入太空，如果沒有它們，地球?qū)?huì)是一個(gè)平均溫度低于零下18攝氏度的冰凍星球。

什么因素使二氧化碳?xì)怏w成為溫室氣體？

在該情況下，當(dāng)我們說(shuō)紅外線或者紅外輻射時(shí)，通常指的是地球表面反射的紅外射線，而不是與太陽(yáng)光線一起進(jìn)入地球大氣層的紅外射線。

空氣的主要成分，例如：氮?dú)夂脱鯕?，?duì)紅外輻射是“透明”的，這意味著這些氣體不與紅外輻射相互作用，然而，二氧化碳?xì)怏w具有紅外活性，它會(huì)與紅外輻射發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)，從而阻止二氧化碳離開地球（雖然不是全部）。那么這些分子干擾紅外射線的路徑時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢？為此，我們需要放大單個(gè)氣體分子。

即使在常溫常壓條件下，氣體分子也處于恒定振動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)受到外部能量的沖擊時(shí)，這些運(yùn)動(dòng)會(huì)變得更加劇烈。現(xiàn)在人們可以想象一下二氧化碳分子的碳原子和氧原子是乒乓球，連接它們的鍵是彈簧。在正常情況下，這些化學(xué)鍵會(huì)以特定頻率彎曲和拉伸，并在大氣中懸浮。

當(dāng)紅外輻射光子撞擊氣體分子時(shí)，氣體分子會(huì)吸收光子然后被激活，并開始以更快的速度振動(dòng)，然而，該氣體分子不能保持長(zhǎng)時(shí)間較快運(yùn)動(dòng)，必須放松恢復(fù)至原始狀態(tài)，它通過將能量釋放至空氣，或者轉(zhuǎn)移至附近的二氧化碳分子來(lái)實(shí)現(xiàn)。

同樣的現(xiàn)象在數(shù)萬(wàn)億個(gè)二氧化碳分子中一次次重復(fù)發(fā)生，能量的持續(xù)吸收、激活和再釋放是氣體分子捕獲熱量的根本原因。

為什么氮?dú)夂脱鯕獠皇菧厥覛怏w呢？

在每個(gè)分子中，由于原子核和電子云的相互作用，它們都擁有正負(fù)電荷，當(dāng)二氧化碳、甲烷或者二氧化氮等雜核分子發(fā)生振動(dòng)時(shí)，它們的電荷分布會(huì)發(fā)生變化。有時(shí)它們是均勻分布的，但有時(shí)不是?；瘜W(xué)鍵之間電荷的不均勻分布會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，使它們對(duì)電磁輻射（例如：紅外輻射）非常敏感。

然而，在像氮?dú)夂脱鯕膺@樣的雜核氣體中，即使化學(xué)鍵被拉伸，電場(chǎng)也不會(huì)發(fā)生變化，因此，電磁輻射不受阻礙地通過它們，此外，當(dāng)涉及到與輻射相互作用的頻率時(shí)，氣體分子是非常挑剔的。二氧化碳容易吸收較低能量的長(zhǎng)波紅外輻射，而氮?dú)夂脱鯕鈨H吸收較高能量的輻射，例如：伽馬或者X射線。

二氧化碳是最危險(xiǎn)的溫室氣體嗎？

單個(gè)含氯氟烴分子所產(chǎn)生的碳足跡相當(dāng)于10000個(gè)二氧化碳分子，甲烷可以吸收30倍以上的熱量，而水蒸汽是空氣中所有溫室氣體中吸收熱量最強(qiáng)的。

盡管水蒸汽比二氧化碳吸收熱量更多，但它們的濃度并沒有受到人類活動(dòng)的顯著影響。二氧化碳就完全不一樣，因?yàn)樗侨藶榛顒?dòng)的主要副產(chǎn)品，自上世紀(jì)70年代以來(lái)，二氧化碳排放量增大了90%，因此，雖然二氧化碳本身不是最危險(xiǎn)的溫室氣體，但由于它向大氣中不受管制地過度排放，現(xiàn)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

結(jié)論

二氧化碳是維持地球具有生命適宜性的一個(gè)非常重要因素，它可以使水保持液態(tài)，使人類家園適宜居住，但由于過度排放造成的失衡，夏季氣溫逐年遞增，幸運(yùn)的是，大自然以土壤、森林和海洋的形式為我們提供了巨大的碳沉積，我們至少能保護(hù)和修復(fù)地球，提供較好的生命適宜環(huán)境。

水泥企業(yè)作為碳排放大戶，降低碳排放義不容辭。當(dāng)前，面對(duì)即將到來(lái)的碳交易市場(chǎng)，碳配額的測(cè)算、碳交易價(jià)格的制定、企業(yè)如何參與碳交易等問題成為大家關(guān)注的重點(diǎn)。為此，中國(guó)水泥網(wǎng)將于2021年6月29-30日，在河北石家莊召開“第四屆中國(guó)水泥超潔凈排放技術(shù)交流大會(huì)”，探討超低排放和碳減排領(lǐng)域，更經(jīng)濟(jì)高效實(shí)施方案，分享最先進(jìn)技術(shù)理念，助力行業(yè)“十四五”綠色高質(zhì)量發(fā)展。

會(huì)后將參觀石家莊市曲寨水泥有限公司SCR脫硝示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目依托清華大學(xué)煙氣多污染物控制技術(shù)與裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評(píng)估中心，進(jìn)行了SCR 脫硝技術(shù)改造。