安知◎科普 | 温室气体有哪些？

日期： 2024-05-09

所谓“温室气体（Green House Gas）”就是会造成温室效应的气体。万物生长靠太阳，地球上的能量大多数来自于太阳辐射，而大气层就像一个温室（Green House）一样，在太阳底下保护着地球、帮助地球保存热量、维持一个温和的气温环境。正是因为隔在地表和太阳之间的各类气体不断吸收和放出热量，才维持了地球生态系统不是太热也不是太冷，变冷或变热的速度也不会太快，这才孕育出地球上多种多样的生物和生态环境。可以说，适当的温室效应是地球必须的。

但是，由于人类的工业活动增多、向大气排放了大量以二氧化碳为首的多种废气，造成了大气成分不断发生着微小的变化，于是大气层作为温室的性能也发生了变化——它的保温效果越来越强了。这种微小的变化已经持续了很多年，如今已经到了可以切实观测到的程度了：地球的温度正在缓慢升高，全球气候正在变暖。

全球气候变暖会怎样呢？这不仅是天气会更热这么简单，这可能会引发一系列的后果，比如灾害和疫病增多、粮食减产、淡水储备减少等，最终都会对人类的生存造成严重威胁。

全球变暖可能会导致一系列复杂的连锁后果，放任全球气候变暖的后果是人类无法承受的。经过多年的科学研究，人们已经发现了造成全球气候变暖的罪魁祸首：7大类温室气体。

二氧化碳是最重要的温室气体，要为全球气候变暖承担主要责任。人和动植物都会呼出二氧化碳，植物光合作用也需要二氧化碳，大气中的二氧化碳含量原本能够平衡，千万年来其浓度都稳定在0.03%，而现在早已经超过了0.04%（2019年410ppm），这主要是由于工业革命以来大量煤和石油被燃烧掉导致的。煤和石油曾经是、现在也是人类社会发展的主要能源来源，减少二氧化碳排放将是人类社会发展方式的深刻变革，已受到了全社会的关注。
但二氧化碳并不是唯一的温室气体。其他还有很多种类气体同样能带来温室效应，它们具有不同的热量吸收能力，能够在大气中存在的寿命长短也不同，因此造成温室效应的程度有不同。为便于比较，国际上通用100年全球增温潜势（Global Warming Potential，GWP100)参数作为比较，二氧化碳的GWP定义为1，某种气体的GWP值可以简单理解为它的全球增温能力是二氧化碳的多少倍。除了二氧化碳外，目前国际上主要还关注六大类温室气体，它们的GWP都比二氧化碳高很多。

甲烷是大气含量第二名的温室气体，它的全球升温能力是二氧化碳的二十多倍。甲烷可能来自天然过程，也可能来自沼气、天然气生产和使用等人类活动。作为仅次于二氧化碳的温室气体，目前国际上已经广泛关注并开展了治理。2021年美国与欧盟等105个国家签署了“全球甲烷承诺”，倡议到2023年将甲烷排放量减少30%（较2020年）。

氧化亚氮（一氧化氮）是一种在医疗行业有普遍应用的物质，俗称“笑气”，是一种无色、带有甜味、无刺激性的吸入麻醉药。但是大气中的氧化亚氮更多是来自人类的工业农业活动。在人类排放的大气污染物中，有一定比例的氮氧化物，其中也有可能含有氧化亚氮，或者也有可能在大气中通过光化学反应二次生成氧化亚氮。土壤中的硝化作用和反硝化作用也是氧化亚氮的主要生成过程，这与农业活动中过量施用氮肥有关。

氧化亚氮不仅是一种重要的温室气体，同时也属于可以使臭氧层遭到破坏的ODS类污染物。相比较而言，氧化亚氮是大气中的一种痕量气体，但是近年来不断发现其浓度上升，稳居温室气体第三位。

六氟化硫最广泛的用途是电子电器元件绝缘和微电子领域电子蚀刻。此外，因其化学惰性、无毒、不燃及无腐蚀性等特点，还被广泛应用于、航空航天领域、金属冶炼中的保护气体（如镁合金熔化炉)、医疗（x 光机、激光机)、气象（示踪分析)、化工（高级汽车轮胎、新型灭火器）等行业。

六氟化硫是已知最严重的温室气体，它造成温室效应的能力是二氧化碳的两万多倍。人们甚至将同样属于温室气体的NF3和HFC-134a作为SF6的替代技术，以部分减少对温室效应的贡献。但是，由于它优越的绝缘特性，在部分航空航天及军工领域它仍是无可替代的。

三氟化氮在常温是无色稳定气体，高纯二氟化氮几乎没有气味，但商业产品带有痕量活性氟，因而具有刺激性气味。三氟化氮气体不可燃，但可助燃并放出有毒烟雾或气体；是强氧化剂，与还原性气体混合有爆炸风险。对人体有毒性，其主要危害是由呼吸道吸入。三氟化氮主要应用于微电子工业中，是一种优良的等离子蚀刻气体，广泛用于半导体、平板电视和笔记本电脑的液晶显示屏，以及薄膜太阳能电池板的生产过程。

三氟化氮是工业生产中使用的一种具有极强温室效应但却未得到足够国际重视的人造化学物质，它造成温室效应的能力是二氧化碳的17200倍，仅次于六氟化硫，在大气的生命周期长达740年。在最初的《京都议定书》和《联合国气候变化框架公约》中都尚未包括三氟化氮；进入21世纪，三氟化氮产量已由1992年不足100吨产量增加至2010年的8000吨，各国都已陆续将三氟化氮作为管制的温室气体类型。在2013年开始京都第二承诺期，各缔约方也曾计划将该气体添加到温室气体管控附件中。

制冷和空气调节系统（包括家用制冷、热泵机组、冷冻/冷藏仓库/运输、工业过程制冷设备等）需要通过工质的气态-液态不断转化实现制冷过程。最初人们使用以“氟利昂”为代表的氟氯烃类（CFCs和HCFCs）作为制冷剂，但是很快发现这些物质的排放和泄漏会引起臭氧层消耗问题。随着臭氧层空洞被发现，国际上开展了以蒙特利尔会议为代表的一系列努力来淘汰臭氧层消耗物质（ODS）以拯救臭氧层。随着国际范围内氟氯烃类物质逐步禁用，制冷行业找到了含氟烃类——全氟化碳和氢氟碳化物作为替代，它们物理化学性质相似但不含氯，因此不会引发臭氧消耗的化学反应。然而，新物质产生了新问题，氢氟碳化物（HFCs）的新问题就是引起温室效应。目前，以1,1,1,2-四氟乙烷（HFC-134a）为代表的一系列制冷工质仍是广泛使用的。此外，氢氟碳化物还可用作冶金机械工业的保护气体，及医药、农药、化妆品、清洗等产品的气雾推进剂和阻燃剂以及发泡剂等。

不同的氢氟碳化物种类引发温室效应的能力有所不同，人们可以在物理化学性质近似的氢氟碳化物类物质当中选择用GWP更低的种类作为替代。

全氟化碳除了作为氟氯烃类的替代物质被工业应用外，还有可能在铝熔融过程中作为副产物产生。现代电解铝工业的生产采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法，正常条件下，电解液中的氧化铝被还原成铝，而碳阳极与氧气发生反应消耗；然而，当电解液中氧化铝浓度过低时，碳阳极会直接跟溶剂冰晶石解离出来的氟发生反应，生成PFCs。此外，医疗领域中，全氟化碳在眼科手术中有较多应用。

按温室气体来源分，前三类（二氧化碳，甲烷，氧化亚氮）都属于自然界本来存在的物质，它们既有人为来源、也有天然来源。这三类是所有温室气体中浓度最高的，在大气中的浓度水平是ppm级（百万分之一）～ppb级（十亿分之一）。虽然这三类自然界当中也有产生，但是近年来都观测到了一个十分明显的浓度上升，且趋势相对一致，这必然是人类工业活动导致的。