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12年级

臭氧层、温室效应

平流层臭氧屏蔽紫外线，保护生物；温室气体吸收地表向外发出的红外辐射，使低层大气变暖。本课通过光化学、分子振动和地球辐射收支解释这两个不同过程。

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直觉大气的两种不同作用

高空中的臭氧吸收大量有害紫外线，而近地面臭氧本身是空气污染物。温室气体则是另一类问题：它们吸收地球红外辐射的特定波长，减缓热量向太空散失。

在 Chapman 臭氧循环与氯催化破坏、温室层示意图之间切换。观察紫外线吸收、入射阳光、向外红外辐射和大气向下回辐射。

中学阶段中学阶段：平流层臭氧

Chapman 循环描述阳光持续生成和分解臭氧的过程。短波紫外线使氧分子分解，氧原子再与 O₂ 结合生成臭氧；臭氧吸收紫外线后也会再次分解。

OX2→hν2 OO+OX2+M→OX3+MOX3→hνOX2+OO+OX3→2 OX2\ce{O2 ->[h\nu] 2 O}\qquad\ce{O + O2 + M -> O3 + M}\\\ce{O3 ->[h\nu] O2 + O}\qquad\ce{O + O3 -> 2 O2}

定义: 消耗臭氧层物质

氯氟烃（CFC）在低层大气中较稳定。在平流层，高能紫外线可断裂 C–Cl 键，释放参与臭氧催化破坏的氯自由基 Cl·。

CFClX3→hνCFClX2X ∙ +ClX ∙ \ce{CFCl3 ->[h\nu] CFCl2^. + Cl^.}
ClX ∙ +OX3→ClOX ∙ +OX2ClOX ∙ +O→ClX ∙ +OX2net: OX3+O→2 OX2\ce{Cl^. + O3 -> ClO^. + O2}\qquad\ce{ClO^. + O -> Cl^. + O2}\\\text{net:}\ \ce{O3 + O -> 2 O2}

Cl· 会再生，因此在转化为储存化合物前可破坏许多臭氧分子。极地平流层云表面的反应会把较不活泼的含氯储库转化为其他形式；阳光回归后释放活性氯，促成南极季节性臭氧洞。

1987 年《蒙特利尔议定书》控制多种消耗臭氧层物质的生产和消费。全球逐步削减使臭氧层开始恢复，但由于某些化合物寿命很长，恢复需要数十年。

中学阶段中学阶段：温室效应

地球吸收阳光后发出红外辐射。温室气体吸收某些波长的红外线并再次辐射，其中一部分返回地表。这种自然效应使地表比没有大气时更温暖；温室气体浓度增加会增强这一效应。

Te=(S(1−A)4σ)1/4≈255 K;Ts≈288 KT_e=\left(\frac{S(1-A)}{4\sigma}\right)^{1/4}\approx255\ \mathrm{K};\qquad T_s\approx288\ \mathrm{K}

例题: 地球的有效温度

取太阳常数 S=1361 W m⁻²、行星反照率 A=0.30、斯忒藩–玻尔兹曼常数 σ=5.67×10⁻⁸ W m⁻² K⁻⁴，估算有效辐射温度。

解答

平衡时，地球平均吸收太阳通量为 S(1−A)/4≈238 W m⁻²。令其等于 σT⁴，得 T≈255 K（约 −18 °C）。地球实际平均地表温度约 288 K（15 °C）；约 33 K 的差值体现自然温室效应，并非某个均匀大气层的温度。

部分温室气体
气体重要特点
CO₂燃烧和土地利用变化；寿命长
CH₄湿地、农业和化石燃料；百年尺度上单位质量的增温效应强于 CO₂
N₂O农业和工业；寿命长
水蒸气最丰富的天然温室气体；浓度随温度快速响应

当分子振动或转动引起偶极矩变化时，就可能吸收红外线。CO₂ 的弯曲振动和不对称伸缩振动具有红外活性，对称伸缩振动则无红外活性。N₂ 和 O₂ 不会通过这种机制强烈吸收红外，而 H₂O、CH₄ 和 N₂O 具有红外活性振动模式。

100 年全球增温潜势（IPCC AR6 代表值）
气体相对于 CO₂=1 的 GWP₁₀₀
CO₂1
CH₄（非化石源）≈27
N₂O≈273

例题: 以 CO₂ 当量表示甲烷

某来源排放 2.0 kg 非化石甲烷。用 GWP₁₀₀≈27 估算其 CO₂ 当量。

解答

CO₂e = 质量 × GWP₁₀₀ = 2.0 × 27 ≈ 54 kg CO₂e。该比较对 100 年气候影响进行积分，并不表示甲烷和 CO₂ 的大气寿命或各时间尺度效应相同。

大学大学入门：吸收与辐射强迫

对较窄的光谱波段，Beer–Lambert 衰减为 I/I₀ = exp(−σN)，其中 σ 是吸收截面，N 是吸收分子的柱数密度。真实大气柱还涉及温度、压力、云、吸收带重叠和辐射过程；该简单公式只是理解起点，并非完整气候模型。

ΔF≈5.35ln⁡(C/C0) W m−2\Delta F\approx5.35\ln(C/C_0)\ \mathrm{W\,m^{-2}}

例题: CO₂ 从 280 ppm 增至 420 ppm 的辐射强迫

用近似关系 ΔF≈5.35 ln(C/C₀) W m⁻²，估算 C₀=280 ppm 增至 C=420 ppm 时的辐射强迫。

解答

ΔF≈5.35 ln(1.5)=5.35×0.405≈2.17 W m⁻²。这是辐射不平衡的估算；反馈过程和海洋吸热会影响最终温度响应。

参考文献