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二氧化碳温室效应的机理是什么?

(2018-10-18 14:35:23)
标签:

环保

科普

分类: 环保

A、  A扼要解释:

大气中的二氧化碳就象温室的玻璃外罩一样,能使太阳的短波热辐射透过大气层射入地面,而地面增温后向宇宙发出的长波热辐射却被二氧化碳吸收并反射,致使大气增温,这种现象称为二氧化碳的温室效应。如下图:

二氧化碳温室效应的机理是什么?


B、详细讲解:
一、热量传递的三种方式
    在自然界中,物体内部或物体之间的热量传递有三种方式:传导、对流、辐射。
1、热传导:
  将铁棍的一头伸进火炉里,另一头会慢慢发热直至烫手;冬天用手摸野地里的石头感觉冰凉;感冒发烧时用湿毛巾放在额头上用以降体温;印度热带的老虎常爱卧在水坑里寻求体表散热;…… 象这样, 物体内部或物体与物体之间不发生相对位移,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递,称为热传导。
2
、对流传热:
  夏天清风拂面时心旷神怡;冬天嗍风吹透单衣时瑟瑟发抖;喝热汤或热茶时,先吹一下液面就不烫嘴;闷热时冲个凉水澡,洗去汗泥和燥热后感觉痛快淋漓;……象这样,流体(气体或液体)流过一个物体的表面且由于流体的宏观运动而使流体中的冷、热部分相互掺混所引起的热量传递过程,称为对流传热。
3、辐射传热:
      野外宿营时,在篝火边伸手烤火感受温暖;农闲在家猫冬时,抄手坐在背风的屋檐下晒阳阳;法式面包或北京填鸭在特制的火炉中烤得外焦里嫩;一杯热水放在办公桌上,即使门窗紧闭过一会儿也会凉;……象这样,物体与物体之间不接触且中间没有流体流过,以辐射(热量发射方)和吸收(热量接受方)的方进行的热量传递,称为辐射传热。
  
关于辐射的概念需深入一步明确的是:物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射,因热的原因而释放出辐射能的现象称为热辐射。可见,热辐射是属于电磁波辐射这个庞大家族中的一类。不言而喻,光辐射也是电磁波辐射中的一类,只是它们的波长范围不同罢了。
  
还需要指出的是,宇宙中一切高于绝对零度(-273.15摄氏度
)的物体都在进行着热辐射,温度越高则辐射波的频率越高,也就是波长越短(因为波长与频率是倒数的关系)。烧红的铁块和冰冷的石头都在进行着热辐射,只不过高温铁块热辐射的波长范围在高频、短波区段,低温石头热辐射的波长范围在低频、长波区段。
  
还需要了解的是,假如当较高温度的甲物体与较低温度的乙物体单纯地以辐射的方式进行热量传递时,两物体都在不停地向对方辐射热量的同时也都在不停地吸收着对方的热量,当两物体最终温度相等时处于热平衡状态,此时两物体的辐射与吸收过程仍在不停的进行,只是他们各自的辐射热与吸收热相等。也就是说,辐射传热是一个动态过程。
  综上所述,举一个简单的例子描述热量传递的三种方式:
  
冬季采暖期,家里的暖气中流动的热水不断地以对流传热的方式将流体(热水)中心的热量传给暖气片内壁,暖气片内壁不断地以热传导的方式将热量传到暖气片外壁,暖气片外壁又不断地以热辐射的方式将热量传给室内,此时室内靠近暖气片的空气升温、变轻、上升,旁边的空气补充进来而形成室内的空气流动,使暖气片散发热量的方式除了辐射传热又增加了对流传热的过程。
二、太阳和地球的热辐射
  首先,定义两个概念和一个属性:
  
谱:按照事物的类别或系统进行编排的记录,称为谱。例如,菜谱、家谱。
  
电磁波谱:将所有类型的电磁波按照波长的顺序排列而组成的一个系列,称为电磁波谱。
  
电磁波谱的连续性:电磁波谱上的波长数据就象数轴上实数的连续性一样,任意两点无论怎样趋近,只要没有重合为一点,则两点间就有无穷无尽紧密排列的波长数据。也就是说,电磁波谱是连续谱。由此可以证明,宇宙物体并不是以单一波长而是以某个波长范围(即某个波段)发射电磁波的,在这个波段内有无穷多个不同波长形式的电磁波。
1
、太阳
  太阳是一个正在进行热核聚变的巨大火球,它不断地以电磁波的形式向宇宙空间释放着巨大的能量。科学家们经过长期实验,测得太阳发射的电磁波谱如下(波长单位为微米,即千分之一毫米):

太阳辐射的电磁波谱示意图
二氧化碳温室效应的机理是什么?

上图中:

波长0.20.4微米的范围是紫外线。
波长0.40.75微米的范围是人眼可见的光线,由紫、蓝、青、绿、黄、橙、红组成。
波长0.751000微米的范围是红外线。在红外线中,0.751.5微米称为近红外线;1.54微米称为中红外线;41000微米称为远红外线。
  
科学家们测定,在太阳的表面温度为6000摄氏度
下,它所辐射的能量中99.9%集中在波长为0.1510.0微米的范围内,其中,紫外区域(<0.4微米)约占7%,可见光区域(0.40.75微米)约占50%,红外区域(0.7510.0微米)约占43%,而最大辐射的平均波长约为0.48微米
  
上述电磁波谱示意图也适用于解释宇宙中其它物体的电磁波发射过程。例如,一个烧红的铁块,在1200
摄氏度左右时是黄亮色的,此时它的热辐射波段在黄色和橙色可见光区;降到800摄氏度左右时是通红的,此时它的热辐射波段移到了橙色和红色可见光区;降到500摄氏度左右时是暗红的,此时它的热辐射波段移到了红色可见光区;再降到300摄氏度左右时暗红色消失,只能看到铁块的本色了,但温度还是绝对烫手的,此时它的热辐射波段已经移到了红外线区域。这说明物体的热辐射波段随温度的降低而向长波方向移动,同时也说明“红外线”是人的肉眼看不见的热辐射线。

2、地球
  地球表面在吸收太阳热辐射的同时,又将其中的大部分能量昼夜不停地以辐射的方式向宇宙传递,这称为地面热辐射。
  由于地表温度(平均约为15
摄氏度)比太阳表面温度(约6000摄氏度)低得多,经科学家测定,地面热辐射的主要能量集中在波长130微米的范围内,其最大辐射的平均波长约为10微米,属于电磁波谱的红外线区间域,远远大于太阳的最大辐射平均波长0.48微米。因此,称太阳的热辐射为短波辐射(或称高频辐射),称地球的地面热辐射为长波辐射(或称低频辐射)。

三、二氧化碳气体的温室效应
  地球的大气层中,氮气占78%,氧气占21%,氩、氖等稀有气体占0.94%,二氧化碳占0.03%,其它如臭氧、甲烷、氯氟烃(氟里昂)等占0.03%。
  
科学家们测定,大气中的所有气体,对太阳的短波辐射都具有很好的透明度(只有臭氧层对来自太阳的紫外线具有很高的吸收率),对地面的长波辐射都有不同程度的吸收率(这是大气层的保温效应),而占比例很低的二氧化碳、甲烷、氟里昂等气体对地面长波辐射的吸收率尤为突出且远远高于其它气体,它们被称为温室气体。经测定,二氧化碳气体的分子对于波长1218微米的红外线波段具有强烈的吸收谱带,而这个波谱区恰好集中了大部分从地面辐射到空间的热能。这就是二氧化碳气体温室效应的机理。
  
应该指出,没有大气层的保温效应,地球就会象月球一样白天表面温度可达127
摄氏度,夜间可降至-183摄氏度。同时还应指出,大气层中少量温室气体的存在和恰到好处的温室效应对人类是有益的,经科学家们推测,如果没有与地球平均温度15摄氏度这个点上相对应的一定量的温室气体,近地层平均气温要比现在下降33摄氏度,地球会变成一个寒冷的星球。但是,如果人为地破坏了地球经过几十亿年的演变才达到的目前这种最适合人类繁衍生息的热量平衡状态,则作为这种平衡状态标志的地球平均温度就要移动,随之而来的就是洪涝、干旱、风雪暴、海平面上升等等自然灾害。这就是二氧化碳等温室气体人为增加的后果。

 

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