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主题：【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？六 大自然的碳循环 -- 橡树村
温室气体里面，第二重要的就是甲烷。甲烷实际上也是大自然的碳循环的一部分，在陆地上，含有碳的有机物在厌氧条件下分解，最终产物就是甲烷。不过和二氧化碳相比，甲烷的质量在碳循环中要少很多很多。甲烷在大气中的含量也不高。根据冰芯的研究结果，在过去的65万年里面，大气中的甲烷含量也一直有波动，最低的时候是在冰河期，有400ppb，或者说0.4ppm，最高的时候就是在间冰期，或者说不是冰河期的时期，可以达到700ppb，或者说0.7ppm。与大气中二氧化碳数百个ppm相比，大气中甲烷的含量仅有二氧化碳的千分之几。不过这并不表示甲烷的温室效应不重要。实际上，对于同等量的气体，甲烷的温室效应要比二氧化碳高上几百倍。不过甲烷本身并不像二氧化碳那样，需要大自然几百上千年的时间才能消化，甲烷是可以缓慢氧化分解的，最终的产物是水和二氧化碳，这个过程也不算快，需要几十年上百年的时间，不过总是比二氧化碳的清除要快了不少。
65万年来大气主要温室气体浓度变化情况
最近1万年的时间内，大气中的甲烷含量一直在580-773ppb之间缓慢变化。有两个地方值得注意，一个是基本上大气中甲烷的含量一直没有超出这个波动范围，另一个是说历史上甲烷含量的变化都是很缓慢的。不过2005年，大气中甲烷的含量达到了1774.62+-1.22ppb，是工业化之前1万年以内最高值的两倍多，并且这个变化很明显是在人类工业化行为开始之后发生的，至少可以肯定在过去的8万年时间里面，最近一百年大气中甲烷的浓度增加速率是最快的；65万年以来，大气中的甲烷含量现在也是最高的时候。这很自然就让人联想到是人类的工业化导致了大气中甲烷含量的升高。这个增高导致了什么后果呢？工业化时期以来，大气甲烷浓度增加所产生的辐射强迫是0.48+-0.05 W/m2。看到没有？虽然甲烷的含量仅仅增加了1个ppm，但是其强迫辐射却达到了二氧化碳浓度增加产生的辐射强迫的1.66+-0.17W/m2的四分之一，可以看到甲烷的温室效应有多么强烈。在所有的温室气体里面，甲烷对辐射强迫的贡献仅次于二氧化碳。
大气中主要温室气体2万年来的浓度变化以及辐射强迫变化情况
但是人类究竟哪些行为排放了多少量的甲烷，这方面资料非常欠缺。不是人们不想去收集，而是这个资料收集起来实在太难。甲烷的来源可以有很多种，比如湿地就排放大量的甲烷，自然类似湿地环境的水田，比如稻田，也会排放甲烷；生物质的厌氧发酵要产生甲烷；反刍动物也会排放甲烷；甚至人防屁也会释放甲烷。甲烷的来源基本上都是生物来源的，与化石燃料的使用基本上没有关系。相对集中的甲烷排放地点，比如大片湿地、稻田，还可以通过一些方法来检测，牲畜集中的大型牧场，也可以去跟踪，但是其他各种各样分散的甲烷排放，就很难去收集资料。所以，这方面比没有多少定量的资料。只是因为大气中甲烷异常增加与人类工业化的时间吻合，所以才认定是人类活动造成的这个异常增高，也许与人口的增长过快关系更密切一些？
近期的大气甲烷浓度变化趋势。上图为实际浓度，下图为变化情况
大气中的甲烷浓度增加最快的时候是在1970年代末期到1980年代初期，这个时候，甲烷每年增加1%以上，很是惊人。不过随后，大气甲烷浓度的增长率就开始明显下降。从1999年到2005年6年间，大气的甲烷浓度已经稳定在了1774ppb的这个水平，平均增长基本上是零。换句话说，在2000年代上半期，大气中的甲烷浓度已经稳定了。这就意味着新增加的甲烷排放，与大自然对甲烷的清除速度相当。不过，比较平均结果得到的这个数据，并不意味着甲烷的浓度没有波动。从1996年到2001年，大气中甲烷浓度的变化也是很大的。影响大气中甲烷浓度的原因可以很多，比如湿地对温度就非常敏感，湿地地区的气候情况，可以影响甲烷的排放。目前虽然有模型认为随着全球温度的逐渐升高，湿地排放的甲烷应该会逐渐增多，但是究竟会增加多少，会有什么样的作用，在AR4总结的时候还没有一个明确的研究结果。
已经有国家对牛征税了，俗称屁税
虽然国际上现在有一些组织甚至政府对甲烷的排放限制很热心，不过你可以看到，由于甲烷的浓度已经稳定，而甲烷的排放又与农牧业密切相关，涉及到吃饭这个更基本的人权问题，所以绝大多数国家都缺乏对甲烷排放进行限制的热情，不像二氧化碳的问题那样吵得热闹。那些拿着甲烷排放问题指责这指责那的，特别是不想让亚洲人吃米的，不想让穷人吃肉的，大家忽略掉就是了。指责这些人把科学问题政治化，接着科学问题达到政治目的，绝对没错的。
南非的大圣卢西亚湿地是世界遗产
另外一个重要的温室气体就是氮氧化物，说的是氧化亚氮N2O。这个东西俗称笑气，人呼吸到少量气体会令人发笑，自己还不觉得，很恐怖的笑容呢，不知道虽远大夫能不能给配个图片。浓度高的笑气有麻醉作用，曾经被医院当作麻醉气体使用，不清楚现在是不是还在使用。2005年大气中的氧化亚氮浓度是319+-0.12ppb。不过不用担心，这个浓度不会对人体有什么直接伤害。工业化之前，氧化亚氮的浓度有很长时间稳定在270+-7ppb左右，相对来说，与工业化之前相比，氧化亚氮的浓度增加的不算多，仅有18%。不过这个增加趋势并没有减缓的样子，最近几十年在以每年0.8ppb的速率线性增加，比如1998年大气氧化亚氮浓度只有314ppb，7年增加了5个ppb，而在工业化前的11500年的时间里面，大气氧化亚氮浓度变化小于10ppb。不过注意到在大约1.5万年前，大气氧化亚氮浓度也有一段高速上升的过程，所以在有进一步的研究之前，不能把这个高速上升完全归结到人头上。
笑气的味道有点甜
人类的活动的确有能够导致氧化亚氮排放的地方，工业里面，尼龙行业会排放一定量的氧化亚氮，内燃机的燃烧也会导致一些氮氧化物排放，农业里面化肥的使用可能是人类排放氧化亚氮的大头，土地的变化也会导致氮氧化物的释放。关于氧化亚氮的研究目前还比较少，所以目前也说不好人类的活动究竟对氮氧化物增加有多大的贡献，比较可靠的估算认为人类贡献了大约40%。某个单独排放源的贡献，就更难估算了。目前，因为大气氮氧化物浓度增加而导致的辐射强迫，是0.16+-0.02W/m2。
近期大气氧化亚氮浓度的变化
其他比较重要的温室气体，就是氟氯烃了，也就是氟氯昂。氟氯昂是纯粹的人为排放的温室气体，大自然里面原来是没有的，所以大气里面所有的氟氯昂都可以归结到人类的活动上，非常简单明了，没有争议。不过在蒙特利尔议定书签订之后，人类已经大规模减少了氟氯昂的应用，排放减少迅速。而氟氯昂在大气中的存在寿命并不是很长，所以大气中的氟氯烃的比例已经明显下降。2005年，这些接受蒙特利尔议定书约束的气体，所贡献的辐射强迫是0.32+-0.03W/m2。京都议定书里面还列出了一些工业氟化气体，比如氢氟碳化物HFCs，全氟化碳PFCs，还有六氟化硫SF6。这些气体的浓度还都很低，不过增加的趋势也是很明显的，需要加以监视，并有可能在以后受到限制。2005年，这几样气体产生的辐射强迫是0.017W/m2。
大气氟氯烃和工业氟化气体的浓度变化情况
臭氧也是温室气体。虽然臭氧自身的生命期很短，但是大气自己就可以产生臭氧，所以是有一个长期的浓度存在的。对流层的臭氧的产生，受大气具体条件影响很大，目前只能够做到对对流层臭氧分布进行监测和模拟。臭氧浓度和温度有一些关系，不过更可能与一些高温导致的其他挥发性物质有关系。目前人们对于对流层臭氧的了解还很有限，估计的辐射强迫是0.35[0.25-0.65]W/m2。平流层臭氧会受到氟氯烃的影响，这也是蒙特利尔议定书对氟氯烃的使用进行限制的主要原因。氟氯烃目前仍然存在在大气里面，所以对平流层臭氧层的破坏仍然存在，对于这个影响的相关了解还不多，处于中等水平。基本上，蒙特利尔议定书所管制的气体，目前对臭氧层破坏导致的辐射强迫在-0.05+-0.10W/m2的水平。注意到这个数值是负的，说明其可以减轻温室效应的作用。蒙特利尔议定书的目的是停止对平流层臭氧的破坏，2005年的结果，全球平流层臭氧仍然比1980年代以前的数值低了4%，臭氧层的恢复是否已经开始还不好确定，但是至少，平流层臭氧损耗趋势已经停止了，这也算是人类通过控制自己的行为挽回对环境的影响的一个例子。
对对流层臭氧辐射强迫的估计误差还是不小的
此外还有一些短生命期的温室气体，比如二氧化硫，一氧化碳。这些气体被大气清除的速度很快，浓度变化很大。但是因为其在大气中停留的时间太短，很难对气候产生影响，所以对温室效应的作用基本上可以忽略。
极地臭氧空洞的发现导致了对氟氯烃的禁令，那个时候人们还不大关心温室效应
最后，就是温室气体里面最重要的水汽。人类的活动所排放的水汽，主要包括灌溉，还有化石燃料燃烧。实际上化石燃料燃烧导致的水汽影响远远少于农业用水对水汽的影响。不过总的来说，人类这些活动对辐射强迫的直接影响基本上可以忽略。只是在全球平均温度上升的情况下，对流层的水汽浓度会增加，从而对整个温室效应起到作用。这个作用，不是强迫，而是反馈，所以这里先不讲，后面讲温室效应的效果的时候仔细谈。另外，甲烷氧化也会导致平流层一些水的增加。人们虽然对这个问题的认识程度很低，不过由于甲烷的浓度很低，这个作用对辐射强迫的贡献还是不多的，目前估计为0.07+-0.05W/m2。
人的活动不仅仅带来正的辐射强迫，还有负的辐射强迫
总结一下温室气体的辐射强迫。二氧化碳1.66W/m2，甲烷，0.48W/m2，氧化亚氮，016W/m2，氟氯烃，0.34W/m2，臭氧，平流层-0.05W/m2，对流层0.35W/m2，来自甲烷的水汽0.07W/m2。加在一起，3.01W/m2。不过人的活动可不仅仅是在增加辐射强迫，还有不少行为在降低这个辐射强迫呢，咱们下次谈。
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🙂花政委的态度 1 快乐是什么 字473 2010-01-18 21:57:10
🙂赞成！基本上我就是这个态度--可能比你还消极一些。 随性自在 字142 2010-01-17 21:42:07
🙂这个问题被政治化的太厉害了 2 橡树村 字707 2010-01-14 06:26:24
🙂【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？九 其他温室气体
🙂科普需要水平 3 快乐是什么 字329 2010-01-14 06:14:27
🙂感觉连CH4也要被关注计算太冤枉了. 2 月色溶溶 字183 2010-01-14 05:47:20