溫室氣體part2（Greenhouse gas-2）

溫室氣體part2（Greenhouse gas-2）
台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

氟氯碳化物（CFCs）雖然是溫室氣體且已在蒙特婁公約中規範，但其對臭氧層的破壞影響程度遠勝於對全球性暖化作用。值得注意的事雖然臭氧在溫室暖化現象中居次要角色，但在熱門公眾媒體的報導上這兩個過程常被混淆。

水蒸氣所扮演的角色
水蒸氣是自然存在可引發溫室效應的氣體，其影響力居各種溫室氣體之冠，大約佔36﹪至66﹪之間。水蒸氣的濃度隨所處地點的不同而改變。人類的活動不會對其有直接影響除非是作地區性的測量（如：鄰近灌溉區）。

現今最新的氣象模型已能完全包含水蒸氣與雲層的互動關係。此模型顯示受到人為溫室氣體的影響使大氣的溫度上升並導致對流層的水蒸氣增加。而水蒸氣的增加又使溫室效應加劇，並進一步提升溫度，而溫度的增加又增加大氣中的水氣。如此形成回饋式的循環直到達成平衡為止。

溫室氣體的增加
量測從南極採得的冰核樣本得知在工業革命前大氣中二氧化碳的含量大約為280體積百萬分濃度（ppmv）。在此之前的一萬年間二氧化碳的濃度介於260至280ppmv間。但從葉子化石的氣孔之研究證據指出在過去七千至一萬年間二氧化碳的濃度高於300ppmv。但是有些學者認為此發現比較像污染測量方法上的問題而非真實二氧化碳的變異性。
自從工業革命開始，許多溫室氣體的濃度開始增加，二氧化碳的濃度上升大約100ppmv（ie.從280ppmv上升至380ppmv）。從工業革命開始至1973年此二百年間上升50ppmv，從1973至2006此33年間上升了其餘的50ppmv。目前許多大氣化學的觀測資料可從網路上獲知。

溫室氣體與最大的輻射驅動力（Radiative forcing）間的關係如下：

相關輻射驅動力

輻射驅動力與臭氧層破壞的相關性；下列物質自然界不存在，因此工業革命前含量為零

最近的速率改變與放出量（ Recent rates of change and emission）
在90年代由於開發中與已開發國家碳強度（Carbon intensity）（碳強度的定義為二氧化碳與經濟活動的比值）的衰退使二氧化碳的排放量每年只增加1.1﹪但在2000年以後迅速年增3﹪以上。雖然已開發國家的人為二氧化碳的累積排放量仍然超過3/4，但中國在這段時期的排放量增加率已居全球之冠。在政府間氣候變遷專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change）的部分特別報告排放量預定書中指出在減碳能源的供應上及低估排放量的成長使減緩全球暖化的工作失敗。地區性的排放量下降是由於蘇聯的解體及在這個區域的能源使用效率較佳。與二氧化碳相比，甲烷排放量大幅度增加，一氧化二氮每年增加0.25﹪。
美國在2005年溫室氣體的排放量比1990年增加16.3﹪。由荷蘭環境評估委員會（the Netherlands Environmental Assessment Agency）的初步估計從2006年起中國已成為二氧化碳的最大排放者，每年約釋放6200兆噸而美國排放5800兆噸居次。與2005年相較2006年中國化石燃料燃燒所排放的二氧化碳增加8.7﹪而美國卻減少了1.4﹪。雖然人為的二氧化碳排放量與地球大氣中原有的二氧化碳含量相比仍僅佔少量，但與工業革命前相較則有顯著的增長。

降低大氣全球暖化的趨勢（Removal from the atmosphere and global warming potential）
除了鄰近地表的水蒸氣其存在大氣的時間以天計外，大部分的溫室氣體存在大氣裏的時間都很長。雖然要準確測知其存留時間是很困難的。本世紀初的前五年，48﹪的人為排放二氧化碳仍存在大氣中且其存在量持續增加，只有少數會有碳沉入（carbon sinks）現象。

溫室氣體可由各種不同方式從大氣中移除：
1. 物理變化的因素（水蒸氣的液化與凝結）
2. 大氣中的化學反應，以甲烷為例，甲烷與自然界中的氫氧自由基反應變成二氧化碳與水氣。其他也包含在大氣氣凝膠（atmospheric aerosols）中所發生的溶液與固相間的化學。
3. 物理性交換，發生在大氣與地球上的某些區域。（如大氣的混合氣體溶於海洋中）
4. 大氣界面的化學變化，以二氧化碳為例，因植物的光合作用而減少，之後溶於海洋中產生碳酸、碳酸氫根與碳酸根離子。
5. 光化學變化，碳的鹵化物受到紫外光照射分解成氯與氟的自由基，它們在平流層中可破壞臭氧層（碳的鹵化物因太穩定因此在大氣中無法藉由一般化學反應而消失）。
6. 因高能的宇宙線或閃電破壞分子鍵結而產生離子化現象，如：閃電使氮氣變成氮陰離子與氧氣作用形成二氧化氮。
有兩種尺度用來描述不同氣體在大氣中的溫室效應。第一種在是大氣內的存在時間（the atmospheric lifetime），簡化成大氣存在時間，它描述氣體在大氣系統中存在的時間（即增加少許氣體於大氣時，使大氣系統回復到原來平衡狀態所需時間），個別氣體分子可與其他儲存體（reservoirs）進行分子交換，如土壤、海洋和生物系統等。通常我們會誤認為二氧化碳的大氣存在時間只有少許幾年，那是因為我們只計算二氧化碳分子被溶入海洋及光合作用的吸收等作用前存在大氣中的平均時間所致。我們忽略了二氧化碳也會不斷地由儲存體回到大氣中。所以氣體在大氣的存在時間需同時考慮溫室氣體進出大氣的淨濃度改變，而非只考慮移除的部分。

第二種尺度是全球暖化趨勢（Global warming potential (GWP)），GWP是同時考慮溫室氣體分子的效率與大氣存在時間兩個因素。GWP的測量是與相同質量的二氧化碳作比較，並用特別的時間尺度來評估。因此一個分子若以20年為時間尺度其GWP值會高於以100年為時間尺度。
各種溫室氣體的大氣存在時間及GWP值：
1. 二氧化碳其大氣存在時間不定，因此無法準確測定。最新的研究指出化石燃料產生的二氧化碳在大氣存在時間約有數萬年之久，因此二氧化碳的GWP定為1超過所有時期。
2. 甲烷大氣存在時間12 ± 3年及GWP為62 超過 20 年, 23 超過 100 年 及 7 超過 500年。GWP值減小的原因是大氣中甲烷因化學反應轉化成二氧化碳與水氣所致。
3. 一氧化二氮大氣存在時間120年及GWP為296 超過 100 年。
4. CFC-12大氣存在時間100年及GWP為（100） 10600。
5. HCFC-22大氣存在時間12.1年及GWP為（100） 1700。
6. 四氯化碳大氣存在時間50000年及GWP為（100） 5700。
7. 六氟化硫大氣存在時間3200年及GWP為（100） 22000。

相關效應
一氧化碳可提高甲烷及對流層中臭氧的濃度來間接產生輻射效應，但透過大氣中清除成分（如氫氧自由基）可減低其影響。一氧化碳是燃料燃燒不完全所產生的，在大氣中它最後會氧化成二氧化碳。一氧化碳的大氣存在時間只有幾個月，因此比存再時間較長的氣體有較大的空間變異性。

甲烷是另一種可能的重要間接影響因素，它除了直接的輻射影響外也促進臭氧的形成。Shindell 等人（2005）提出甲烷對氣候變遷的影響至少是先前預估的二倍。