温室气体来源分析.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流温室气体来源分析.精品文档.壹、溫室氣體來源分析一、自工業革命後,大氣中人為排放的溫室氣體濃度不斷地持續增力,全平均地表溫度亦自1890年至今上升0.3-0.6C,並導致全球氣候變化,造成地表溫度變化的原因可歸納出有三點: 1.氣候內部系統的自然變化。2.人為排放溫室氣體的濃度增加,使得氣候因輻射作用力的變化,而產生變化,根據IPCC之報告指出,未來可能列管之溫室氣體主要有四種:CO2、CH4、N2O以及蒙特協定已列管生命週期超過萬年之氟氯碳化合物(簡稱CFC)。3.由於太陽入射角變化或火山爆發生生之懸浮微粒之影響,所造成的輻射作用力的自然變
2、化。二、溫室氣體來源分析1.二氧化碳目前一般預測大氣CO2濃度增加為兩倍時,全球溫度將上升1.5到4.5之間(IPCC,1995)。根據IPCC發表的報告,全球氣候受溫室效應的影響,由現在至2100年止,全球平均海水面溫度可能將增加2。大氣中的N2O的主要來源有二: 1.天然來源包括:海洋和土壤的自然釋放; 2.人為排放則包括:農田耕作,生質燃燒,汽車排放和工業生產等。由表可發現來自耕地的釋放量在1990年至1997年間幾乎呈直線上升趨勢,顯示台灣地區在這段期間裡雖然農耕面積沒有增加,但因缺乏人力,乃大量不當的使用化學肥料所致。台灣地區二氧化碳排放量未來趨勢:總量與每人平均1990199520
3、0020052010總 量(百萬公噸)113166206237256與1990年比較(%)100147182210227每人平均排放量(公噸/人-年)5.57.79.210.210.6平均年成長率6.2%2.2%二、氧化亞氮N2O畜牧飼養是N2O釋放量的來源之一,僅次於土壤耕作所佔比例,佔18.5%強,且有持續上升的趨勢,乃飼畜量成長所致,但與農業部門一樣,相較於人為排放之N2O量,仍可謂相當輕微。溫室氣體N2O釋放量在年度間之變化單位:Gg年度畜養動物廢棄物各處理系統之釋放量(農地)土壤釋放量稻草燃燒之釋放量合計19901.84100%8.17100%0.06100%10.70100%199
4、12.04110.98.50104.00.0583.310.5999.019922.02109.88.66106.00.0466.710.72100.219932.04110.98.89108.80.0466.710.97102.519942.13115.89.00110.20.0350.011.16104.319952.18118.59.28113.60.0350.011.49107.419962.22120.79.41115.20.0350.011.65108.919971.85100.58.93109.30.0350.010.80100.9平均2.04110.98.86108.40.04
5、66.711.01102.9台灣地區1990年N2O排放統計單位:千公噸排 放 源CH4CO2當量佔比(%)說 明作為燃料使用之傳統生質能0.0267薪材及蔗渣燃燒排放之N2O農業廢棄物燃燒0.278693作物收成後,田中殘餘物質燒處理後排放之N2O合 計0.2992100三、甲烷CH4CH4的主要來源是排泄物所致,因此在飼養數量不考慮的情況下,有效分離固形排泄物製作堆肥,並將殘餘廢液集中處理,使其得以作為小型發電站或燒料無應站。至於反芻類動物胃部發酵排氣,則有賴政策上的考量飼養數量來做決策。人民生活水準提高之後,對畜產品的需求必然增加,可是由於禽畜的排泄物所帶來的污染,尤其是對CH4與N2O
6、釋放量的增加,帶來了溫室效應的壓力。根據美國科學院二氧化碳評估委員會表示,當二氧化碳濃度倍增時,全球平均氣溫上升31.5。台灣地區1990年CH4排放統計單位:千公噸排 放 源CH4CO2當量佔比說 明垃圾掩埋48011,76051都市固體廢棄物掩埋,氧發酵排放CH4都市廢水處理102451都市廢水經氧處理,排放CH4工業廢水處理348334工業廢水經氧處理,排放CH4稻 作541,3236牲畜腸胃醱酵排放18仟公噸CH4,排泄物排放36仟公噸CH4農業廢棄物焚燒2726,66429水稻田中有機物氧分解產生CH4,並於成長期籍稻作釋入大氣作為燃料使用之112701作物收成後,田中殘餘物質以焚燒
7、處理後排放CH4傳統生質能249薪材及蔗渣燃燒排放之CH4油氣系統348334油氣開採、處理及輸送時逸入大氣的CH4採 煤379074煤礦開採時,原儲存在裂隙中的CH4逸入大氣合計93423,884100三、溫室效應對氣候變遷的衝擊1.氣候受暖受潮 -糧食向極區移動。沙漠、草原增加, 森林減少。威脅邊緣農業。海平面上升,洪水增多,可耕地面積減少。2.二氧化碳濃度上升-植物變得更大。某些農產品產量增加。雜草變得更大。加速沙漠化。肥料需量增加。二氧化碳為作物行光合作用所必需的氣體,原則上在330到660ppmv濃度下,CO2濃度愈高產量也愈高,在研究模擬結果中也有此現象存在,但產量增加的趨勢則因作
8、物別及期作別而異。對CO2濃度在330、440、550及660 ppmv下模擬之作物產量,其結果在各地區CO2濃度增加下,水稻、大豆及花生之產量也會增加,而高梁及玉米二品種在330ppmv時最高,440到660時降低,但在此範圍內,CO2濃度增大時,產量也會增加。除大豆及花生兩種作物外,其他三種作物的產量,以基準氣象之330ppmv CO2濃度下產量較高,而如提高CO2則不一定會增加。以上資料來源:楊任徵、方良吉(1996) 台灣地區能源部門溫室氣體統計基準年、歷史及趨勢分析 能資所報告第06-3-85-186號 谷復渝、楊任徵、方良吉(1995) 台灣地區人為溫室氣體統計工業製造、農業、土地
9、利用、廢棄物 能資所報告第06-3-84-0071號貳、溫室氣體及懸浮微粒一、 前言生命的發生、延續,自然界的繽紛色彩,氣溫變化,雲、雨、暴風雨.等等,都受到太陽輻射直接或間接的影響。太陽輻射製造生機,提供人類賴以為生的能源,提供大氣運動所需的能量,參與塑造地球的氣候。如果氣候變化只受太陽輻射影響,它的運作將是極其容易掌握,氣候預測更不是問題。然而,大氣(善變的流體)的存在,使氣候變化變得極其複雜(見第四章),難以捉摸。太陽往四面八方放射出能量,單位面積強度與距離的平方成反比。地球距離太陽約6370公里,因此只有一部份太陽輻射能量為地球所攔截,它相當於1370 Wm-2。如果將這些能量平均散布
10、在地球表面,而且假設反照率為0.3(亦即有30%的太陽輻射被反射回太空,地球只吸收了其中的70% ),則為約342Wm-2。 假設地球沒有大氣,在輻射平衡狀態下( 亦即,地球吸收的太陽輻射量等於本身所放射出的輻射量 ),地球表面的平均溫度約為255K( 亦即,-18 )。此一溫度比目前地表的全球平均氣溫15低了許多,相當於中緯度地區高度5公里處的氣溫。大氣的存在使地表氣溫上升了約33, 溫室效應是造成此一溫度差距的原因之一。溫室效應造成的全球暖化現象是全球環境變遷中最重要的議題之一。在討論人造污染是否導致全球暖化之前,我們必須瞭解太陽輻射的特性,以及大氣成分對其影響。二、輻射的特性輻射是經由電
11、磁波傳送的一種能量。正如重力或磁鐵在真空中能使單擺擺動,電磁波能量同樣不需透過任何介質,可在真空中傳遞。X射線、紫外線、可見光、微波、無線電波等都是電磁波的一種。對氣候影響最大的部份為紫外線至紅外線之間的波段,也是太陽輻射最強的波段(圖3-1)。任何物體皆會放射出輻射。一個物質的輻射性質如果遵守基本的輻射定律(如浦朗克定律(Plancks law)、外因位移律(Wiens displacement law)、克希何夫定律(Kirchoff s law)等,稱之為黑體(blackbody),是一理想狀況下的物質。黑體吸收所有的入射輻射,既不反射也不讓輻射穿透。黑體輻射的特性之一是能量與溫度的四次
12、方成正比(此為浦朗克定律)。傳至地球的太陽輻射多來自太陽光球(亦即是肉眼看到的部份),其溫度約為5800K;地球的輻射平衡溫度為255K。如果將太陽與地球當成黑體,太陽輻射強度約為地球輻射強度的30萬倍。具黑體輻射特性的物質,如果溫度較高,放射出的能量集中在波長較短的波段;相反的,溫度較低,能量集中在波長較長的波段。此為外因位移律,亦即具最大能量的電磁波波長與溫度成反比。如將太陽當成黑體,其最大的輻射集中在可見光部份(波長 0.40.7m)。地球的輻射平衡溫度遠低於太陽的溫度,因此能量集中在波長較長的紅外線波段(波長約在10m附近)。由圖3-2,我們可清楚可看到太陽與地球輻射能量集中的波段,彼
13、此之間相距甚大,重疊的部份很少,而且都是在能量很小的波段。我們因此可以很容易分辨太陽及地球的輻射。太陽輻射由於波長較短,通稱為短波輻射;地球輻射,相對而言,波長較長,稱為長波輻射。三、溫室氣體與溫室效應黑體均勻地吸收及放射每一波段的輻射。一般氣體並非黑體,會選擇性的吸收某些波段的輻射。地球大氣中的許多氣體幾乎不吸收可見光,但專門吸收長波輻射。圖3-3是多種氣體在各波段的吸收率。比如,水汽( H2O )在小於0.8 m波段的吸收率幾乎為零,但是在較長波部份( 比如,5 m )的吸收率幾乎為1,亦即完全吸收。二氧化碳( CO2 )在波長大於15 m以上的輻射有絕佳的吸收率。氧(O2 ),臭氧(O3
14、),氧化亞氮( N2O ),甲烷( CH4 )等也都有類似的特性。除了吸收長波輻射,氧及臭氧更吸收了大部份的紫外線,讓地球生物倖免於紫外線的毒害(見第五章)。這些擅長吸收長波輻射但不喜吸收短波輻射的氣體,允許約50%的太陽輻射穿越大氣,為地表吸收,卻幾乎攔截所有的地表及大氣輻射出的能量,減少能量的損失,並且再將之放射出來,使得地表及對流層溫度升高。如果將在大氣層頂的太陽輻射強度(342 Wm-2)當成100單位,地表吸收了89單位由大氣往地表放射的長波輻射,遠大於它所吸收的短波輻射量(約50單位)。在夜晚,大氣繼續放射長波輻射,使地表不致於因缺乏太陽輻射而變得太冷。這些氣體的影響類似農業用溫室
15、的暖化作用,因此稱為溫室氣體,它們的影響則稱為溫室效應。大氣的存在不但暖化地表,而且降低了日夜溫差。如果考慮大氣的輻射特性,但不考慮大氣可以流動的特質,大氣溫度的垂直分布應如圖3-4中的虛線,實際的溫度分布則為實線。比較二者,我們發現若只考慮輻射平衡,地面溫度比實際溫度高出許多,而對流層頂(約10公里處)則太低,因此溫度垂直遞減率遠大於實際大氣的垂直遞減率。此一狀態下的大氣勢必相當不穩定,容易產生劇烈的對流,使熱空氣上升,冷空氣下降,淨效應為將熱量往上傳。地表附近氣溫因此下降,高層氣溫則上升,使氣溫的垂直溫度趨向圖3-4中的實線。這與在火爐上燒開水的過程十分類似: 壼中翻滾的水,將爐火所提供的
16、熱量均勻的散布,直到所有的水達到沸點。溫室效應不只發生在地球,金星及火星的主要大氣成份為二氧化碳。金星大氣的溫室效應高達523,火星大氣太單薄,溫室效應只有10,地球大氣則在二者之間為33 (表3.1 )。嚴格的講,地球大氣的溫室效應應為82,因為如果不考慮大氣的垂直運動,地表溫度將由-15上升至67 ( 圖3-4中的虛線 )。我們量測到的地表氣溫( 15 )事實上是經大氣運動調整過的溫度。溫室效應自古就有。地球誕生於46億年前,當時太陽的強度約只有目前的70%。太陽強度1%的變化,相當於地表氣溫12的變化。因此,如果地球氣候只受太陽輻射的影響,在輻射平衡之下,遠古地球大氣應比目前低幾十度。當
17、時的地球也不會是個藍色、充滿水體的星球,而是個灰白的冰球。但是各種古氣候資料皆未顯示地球曾經處於如此冷的氣候。這就是所謂的弱太陽矛盾論( weak sun paradox )。科學家發現地球剛形成時,火山活動頻繁,噴出許多二氧化碳,成為大氣的主要成份。二氧化碳的溫室效應,使大氣溫度升高了不少。 因此,雖然太陽輻射較弱,但地球氣候卻不致於太冷。此一情況與金星及火星的情況類似。目前大氣的主要成份為氮( N2 )及氧( O2 )與早期大氣成份相去甚遠。這是因為原始藻類生物出現,行光合作用,將二氧化碳中的氧釋出,逐漸改造大氣的成份。如今,大部份的碳儲存於地殼及海洋,大氣中卻充滿了氧。金星與火星因為沒有
18、受生物的影響,早期大氣成份因此保留下來。科學家同時發現古氣候中多次暖期的出現皆與二氧化碳含量(來自火山爆發)增加有關。由以上討論,我們知道溫室效應是一種自然的現象,而且自盤古開天即有。只要有大氣,就可能有溫室效應。二氧化碳含量的變動能影響氣候,但是造就目前大氣溫度分布的主要因素卻是水汽。大氣中的水汽量很少,只佔了不到0.5%的大氣總質量,但是水卻是除了陽光之外,影響生物及氣候最大的物質。科學家模擬大氣溫度的垂直分布,發現只要在模式中放入實際觀測到的水汽含量,模擬的大氣垂直溫度分布就已經與實際狀況相去不遠(圖3-5)。如果再加入二氧化碳,氣溫再提高10K,但不改變溫度分布;平流層(10公里以上)
19、溫度隨高度增加的現象,則須另外加入臭氧才能模擬出來。這個模擬,因為沒有考慮雲的效應,對流層溫度比觀測值高出不少。這個研究指出,影響最大的溫室氣體是水汽,它貢獻了80%的溫室效應,不僅決定了大氣溫度的垂直分布,也創造了溫暖的地球氣候。相對而言,二氧化碳只是使氣候變得更暖和。四、變化中的溫室氣體含量二氧化碳雖然早已不是地球大氣的主要成份,但是它的含量仍是不斷的變化,而且與氣候變遷可能有極大的關係。科學家從化石中碳同位素的含量,推測地球古代大氣中二氧化碳的含量。圖3-6是過去5億多年的二氧化碳含量的變化,圖中R=1相當於現今大氣二氧化碳含量。在寒武紀初期( 5億多年前 ),二氧化碳含量是現今含量的1
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