摘要：随着人类社会经济的发展，环境问题越来越突出，温室气体与气候变化更是成为国际社会关注的焦点。根据政府间气候变化专门委员会IPCC第四次评估报告，在过去一百年内，即1906～2005年全球平均气温上升了0.74℃，最近50年升温约为每10年升高0.13℃，是过去100年升温的2倍，未来20年全球气温还会以每10年0.2℃的速度上升。全球变暖不可避免会引发一系列连锁反应，不管是海平面上升还是极端气候增多，其后果都不容忽视。本文将从温室气体和城市热岛两个角度来分析气候变化，对与之相关的盖亚假说也有较详细介绍。
关键词：温室效应 温室气体 源和汇 城市热岛 气候变化 盖亚假说
一、温室效应原理
正如万物生长靠太阳，太阳辐射穿透大气层到达地球表面后，地球在增温的同时也不断对外辐射能量。研究表明，在漫长的岁月中，地球的能量收入和支出基本上处于平衡状态，地表温度大致上没有什么变化。
根据热力学基本定律，任何物体辐射能量的最大值所对应的波长与该物体温度的乘积都等于同一个常数，也就是说，物体的温度越高，其辐射出的电磁波波长越短，反之亦然。太阳表面温度约为6000K，主要为短波辐射，而地球表面却是长波辐射。地球大气层中有些气体对于太阳的短波辐射几乎是透明，却能强烈吸收地面的长波辐射再以大气逆辐射的形式将大部分热量返还地表，从而使地球表面从太阳辐射获得的能量相对多，而散失到大气层以外的热量相对少，地球表面的温度维持在一个适合人类生存的水平。这就是大气的温室效应，这些气体称为温室气体，主要包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氟氯烃、臭氧、水蒸汽、二氧化硫以及一氧化碳等。二、主要温室气体
IPCC第四次评估报告认为，过去50年全球平均气温升高其中90％以上与人类燃烧化石燃料排放的温室气体有关。自从1750年以来，由于人类活动的影响，全球大气CO2、CH4、N2O和CFCs的浓度显著增加，目前已经远远超出根据冰芯记录得到的工业化前几千年来的浓度值。全球大气CO2的浓度增加主要是由化石燃料的使用和土地利用的变化引起的，而CH4和N2O浓度的增加主要由农业活动引起，CFCs从无到有完全是人类制造并在生产和生活中释放到大气中的。其中CO2浓度从工业化前约280ppm增加到2005年的379ppm，CH4浓度从工业化前约715ppb增加到2005年的1774ppb，N2O浓度从工业化前约270ppb增加到2005年的319ppb，CFCs从无到有，年平均以4％的速率增长。正因为这样，20世纪后半期，北半球的平均气温是过去1300年间最高的。除1996年外，最近12年，即1995～2006年全球地面平均气温是1850年以来最高的时期。按照这样的趋势发展下去，21世纪末全球平均气温将升高2.4～6.4℃。
1.二氧化碳CO2
全球N2O浓度从工业革命前的270ppb增加到了2005年的319ppb，冰芯分析结果表明，直到20世纪中叶，大气中N2O的浓度一直处于285ppb左右，其后就呈现出明显的增长趋势。目前大气中的N2O浓度的年增长率约为0.25％，即平均每年增加0.8ppb。世界各地的观测资料几乎没有显示出南北半球大气中N2O的浓度差，可能是因为它本身浓度很低，人为排放量小，也可能与N2O在大气中的寿命较长有关。不过像燃烧化石燃料、施用化学肥料以及生物质燃烧等人类活动无疑会向大气排放N2O，其中人为源有60％～70％来自耕作土壤，另外一些工业生产过程如硝酸、尼龙、合成氨和尿素等也会向大气释放N2O。大气中N2O的自然源则主要包括森林、草地和海洋等自然系统，约占总排放量的60％。N2O在大气中非常稳定，主要通过光化学反应除去，另外土壤也能吸收少量N2O。表6 大气中N2O的源和汇（百万吨/年）N2O自然源人为源年吸收年增量9.56.912.63.8气候变化不可避免会引发一系列连锁反应，海平面上升直接威胁到沿海地区人们的生命财产安全。全球变暖和干湿格局变化对动植物适应和农业生产都会产生严重影响。全球水资源分布变化会明显改变河川径流和水分平衡值，进而改变河湖的总水量和水位并由此引发一系列的水文学问题。热带气旋、洪水、雷暴、热浪、雪崩、干旱、泥石流和海啸等与气候变化直接相关的自然灾害频频发生，造成巨大损失。例如1998年中国长江流域发生特大洪水，受灾人口达2.23亿，经济损失高达2700亿元，2004年印度尼西亚海啸有20多万人丧失了宝贵的生命。五、盖亚假说Gaia hypothesis
既然气候变化的后果这么严重，而全球变暖还在继续，地球就真的那么不堪一击吗？英国大气学家拉伍洛克James Lovelock早在20世纪60年代末就提出了盖亚假说Gaia hypothesis，认为地球上的生物不仅生成了大气，而且还调节着大气，使其保持一种稳定的气体构成，从而有利于生命的存在。地球上的生命及其物质环境，包括大气、海洋和地表岩石是紧密联系在一起的系统进化。生命首次出现的地球完全不同于今天的地球，那时地球大气充满了CO2，根本就没有O2。根据恒星演化理论，那时的太阳温度要比现在低25％～30％，早期的温室效应使地球保持温暖的状态。随着太阳温度的升高，海水变热，蒸发强烈，再加上若干亿吨蕴藏在碳酸盐岩石中的CO2释放出来，长此以往温室效应必将失控。幸运的是，大约在20亿年前海洋中开始出现蓝藻，它们通过光合作用使大气中的CO2转化为有机化合物，释放出O2，拯救了整个生命世界。地球从诞生之日起就从来没有平静过，除了各种旱涝、飓风、海啸、地震以及火山爆发之外，它还不断地被来自宇宙空间的岩石碎块所轰击。平均大约一亿年就有一颗巨大的陨星撞击地球，往地球大气中注入大量尘埃和气体，遮蔽住阳光，使地球遭受极大的灾难，大量物种灭绝，例如恐龙的灭绝就是一个典型的例子。但6500万年前恐龙灭绝之后经过漫长的年代地球上又出现了新物种，这表明地球上生物和环境结合起来的系统是强健的并能很快修复自己的创伤。虽然灾难发生时生命对全球环境的控制会暂时中断，但在事后生命会迅速恢复控制并重新启动调节功能。这并不意味着地球没有变化，因为物种更新了，环境也有所改变。总之，盖亚假说认为地球上的生物与环境结合起来的大系统一般来说是稳定的，但当其处于超越自身调节能力的非常状态时，也会发生突变。
盖亚假说的核心思想是认为地球是一个生命有机体，拉伍洛克说地球是活着的, 其本身就是一个巨大的生命有机体, 具有自我调节能力。 为了这个有机体的健康, 假如她的内在出现了一些对她有害的因素，盖亚本身具有一种反馈调节机能,能够将那些有害因素去除掉。生物演化与环境变化是藕合的过程，自然选择的生物进化是行星自我调节的一个重要部分，生物通过反馈对气候和环境进行调控，造就适合自身生存的环境。
自地球形成以来的46亿年中，太阳辐射强度增加了25％～30%。从理论上讲，太阳辐射强度增减10%就足以引起全球海洋蒸发干涸或全部冻结成冰，但地质历史记录却证明，地球上尽管发生过三次大冰期和大冰期内的暖热期交替变化，地表的平均温度变化仅在10℃上下，说明地球存在某种内部的自我调节机制。当前大气中温室气体的B度越来越高，全球变暖越来越明显，理论上将导致陆地植被向两极扩展，面积不断增大，对CO2等温室气体的吸收能力也越来越强，这又反过来降低了大气中温室气体的浓度，即地球上存在着负反馈调节机制。
根据盖亚假说，地球上的各种生物能有效调节大气的温度和化学构成，影响生物环境，而环境又反过来影响达尔文的生物进化过程，两者共同进化。各种生物与自然界之间主要由负反馈环连接，从而保持地球生态的稳定状态。大气能保持稳定状态不仅取决于生物圈，而且在一定意义上为了生物圈。各种生物调节其物质环境，以便创造各类生物优化的生存条件。
盖亚假说认为，地球表面的温度和化学组成是受生物圈主动调节的。地球大气的成分、温度和氧化还原状态等受天文、生物或其他干扰而发生变化并产生偏离。生物通过改变其生长代谢对偏离做出反应，以缓和地球表面的变化。全球变暖导致海平面上升，威胁万物生存，从盖亚假说的角度来看，地球不会变得如此不适合万物生存，总会有一些制衡作用应运而生，而所有作用加起来就是一个恒定的地球。把地球看成一个最大的生物，一些看似不平衡的现象就可以用个体生物上的观念来理解。我们发现气温上升、盐度增加等现象会导致藻类增加二甲基初油酸的排放量，而二甲基硫的增加会使得大气的反射率增加，进而降低地表温度。
虽然根据盖亚假说，地球母亲这个巨大的生命有机体能有效抵制外来变化以保持自身的稳定，适应万物生存，但是这并不代表人类所做的一切都有一个凡事包容的妈妈在为他们处理善后。我们不是悲观主义者，但我们也不要过于乐观，作为孩子的我们应该学会认错，更应该懂得弥补。盖亚假说本身并不是判断人们的行为正确与否的最终道德标准，从哲学的角度来看，物极必反，事物性质的稳定需要一个“度”，一旦超过了这个“度”，事物必然会发生质变。人类肆无忌惮的破坏速度是盖亚母亲来不及赶上的，今天的盖亚假说并不是给人类的所作所为找一个下台阶，而是提供一个思考或研究的方向来合理地对待我们的环境，甚至期待人们可以将创造力用于帮助大地之母，至少不要再增加她的负担。
六、展望
正如我们不能全靠地球母亲来处理善后，气候变暖将持续数百年，会带来一系列灾难性后果，各国政府应该积极采取有效措施。我们不仅要严格控制人口增长，减少化石燃料燃烧，开发新能源，还要植树造林，合理利用土地，停止使用氟氯烃等化合物。
科学家还设想了一些方案，比如说把CO2储存到地下，从空气中过滤CO2，向海洋倾斜铁粉以促进那些吞噬CO2的浮游生物大量繁殖，把CO2转变成岩石，向云层喷洒微盐粒子以提高云层反射太阳光的能力，还有用太空镜过滤太阳光等。
其实有些技术早已成为现实，例如采用食品级CO2替代氟氯烃进行烟丝膨化。光明化工研究设计院开发了利用超临界CO2进行无水印染技术，中试各项性能指标达到传统工艺水平。工业气体生产商德国林德公司推出的干洗新方法，使用基于CO2的洗涤技术，让绿色化学进入洗衣业。上海化工设计院以焦炭为原料，CO2为气化剂，经还原法制备出粗CO气，再采用组合装置对粗CO气进行净化精制，生产出高纯CO气。日本关西电力公司和三菱重工公司正在开发用CO2和H2生产二甲醚的新方法，从工业设施捕集CO2和H2反应生成甲醇，甲醇再脱水产生二甲醚。内蒙古蒙西高新技术集团在国内首创全生物降解CO2共聚物技术，从水泥窖尾气中提取CO2作为原料用于全降解塑料生产。河南省上蔡骏马广建化工公司采用上海化工研究院有机化工研究所开发的CO2废气在近临界状态下与环氧丙烷直接合成碳酸丙烯酯的清洁生产新工艺，利用化肥生产中富余的CO2直接进行生产，可节约蒸汽40％，节约电65％，节约水60％，设备投资减少30％以上。 参考文献：1.政府间气候变化专门委员会IPCC第四次评估报告. 气候变化的影响、适应与脆弱性，2007
2.陈新光，潘蔚娟，张江勇，罗晓玲. 气候显著变暖使广州极端气候事件增多. 广东气象第29卷第2期，2007
3.江学顶，夏北成，郭泺，李楠. 广州城市热岛空间分布及时域－频域多尺度变化特征. 应用生态学报第18卷第1期，2007
4.肖荣波，欧阳志云，李伟峰，张兆明，王效科. 城市热岛时空特征及其影响因素. 气象科学第27卷第2期，2007
5.田武文，黄祖英，胡春娟. 西安市气候变暖与城市热岛效应问题研究. 应用气象学报第17卷第4期，2006
6.景元书，谢济善. 城市热岛效应影响因素分析. 中国科技信息第21期，2006
7.范彩玲，高向阳，朱保安. 温室效应及其防治对策. 安徽农业科学第34卷第20期，2006
8.Wang shaowu，Luo Yong，Zhao Zongci，Dong Wenjie，Yang Bao. Debating about the Climate Progress in natural science，VOL.16 NO.1，2006
9. 王彦佳. 气候变化与温室气体减排. 中国石油和化工经济分析，2005
10.张强，韩永翔，宋连春. 全球气候变化及其影响因素研究进展综述. 地球科学进展第20卷第9期，2005
11.刘强，刘嘉麒，贺怀宇. 温室气体浓度变化及其源与汇研究进展. 地球科学进展第15卷第4期，2000
12.郭李萍，林而达. 减缓全球变暖与温室气体吸收汇研究进展. 地球科学进展第14卷第4期，1999
13.张金屯. 全球气候变化对自然土壤碳、氮循环的影响. 地球科学第18卷第5期，1998
14.Stephen H. Schneider and Penelop J. Boston,edit. Scientists on Gaia. Cambridge Massachusetts. The MIT Press,1993
15.James Lovelock. The Ages of Gaia: A Biography of Our Living Earth. New York. Bantan Books, 1990
16.James Lovelock. Healing Gaia. New York. Harmony books,1991