低碳科普 | 温室气体有哪些?碳是怎样循环的?——双碳目标的科学内涵

编者按

碳达峰、碳中和是应对气候变化的行动目标，要深入理解双碳目标，必须知晓气候变化的科学基础。本期内容旨在阐发双碳目标的科学内涵，厘清温室气体的范畴，说明碳达峰即二氧化碳（或等价二氧化碳当量）达峰，并简要概括地球上的碳循环模式与结果。

有哪些气体是温室气体？

对地球气候环境有重大影响的，是大气中含量极少的温室气体，这些气体只占大气总体积混合比的0.1%以下，但由于它们能够吸收和放射辐射，在地球能量收支中起着重要作用。

温室气体主要包括水蒸气、二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、臭氧、一氧化碳，以及氯氟烃、氟化物、溴化物、氯化物、醛类和各种氮氧化物、硫化物等极微量气体。

一般认为水汽是一个反馈介质，而不是引发气候变化的强迫。而二氧化碳、甲烷等温室气体可以吸收地表长波辐射，与“温室”的作用相似，对保持全球气候的适宜性具有积极作用。

若无“温室效应”，地球表面平均气温将是零下19℃，而非现在的零上14℃。但是，一旦大气中温室气体的浓度在短时间内出现剧烈变化，气候系统中原有的稳定和平衡就会被破坏。

温室气体基本可分为两大类，一类是地球大气中所固有的、但是工业化（约1750年）以来由于人类活动排放而明显增多的温室气体，包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、臭氧等。另一类是完全由人类生产活动产生的（即人造温室气体），如氯氟烃、氟化物、溴化物、氯化物等。

例如，氯氟烃（如CFC—11和CFC—12）曾被广泛用于制冷机和其他工业生产中，人类活动排放的氯氟烃导致了地球平流层臭氧的破坏。20世纪80年代以来，由于制定了保护臭氧层的国际公约，氯氟烃等人造温室气体的排放量正逐步减少。

由于二氧化碳含量在温室气体中占比最高，且温室效应最显著，减排一般指减少二氧化碳排放，碳达峰即二氧化碳达峰。

如果考虑所有温室气体，则可将非二氧化碳温室气体排放量乘以其温室效应值（如GWP）后，换算为等价二氧化碳当量，这样可以将不同温室气体的效应标准化。

地球上的碳是怎样循环的？

地球上的碳循环，主要表现为自然生态系统的绿色植物从空气中吸收二氧化碳，经光合作用转化为碳水化合物并释放出氧气，同时又通过生物地球化学循环过程及人类活动，将二氧化碳释放到大气中。

自然生态系统的绿色植物，将吸收的二氧化碳通过光合作用，转化为植物体的碳水化合物，并经过食物链的传递，转化为动物体的碳水化合物。而植物和动物的呼吸作用，又把摄入体内的一部分碳转化为二氧化碳释放入大气，另一部分则构成了生物的有机体，自身贮存下来。

在动、植物死亡之后，大部分动、植物的残体通过微生物的分解作用，又最终以二氧化碳的形式排放到大气中，少部分在被微生物分解之前，被沉积物掩埋，经过漫长的年代转化为化石燃料（煤、石油、天然气等），当这些化石燃料风化或燃烧时，其中的碳又转化为二氧化碳排放到大气中。

大气和海洋、陆地之间也存在着碳循环。二氧化碳可由大气进入海水，也可由海水进入大气，这种碳交换发生在大气和海水的交界处；大气中的二氧化碳也可溶解在雨水和地下水中，成为碳酸，并通过径流被河流输送到海洋中，这些碳酸盐通过沉积过程又形成石灰岩、白云石和碳质页岩等；在化学和物理作用下，这些岩石风化后所含的碳又以二氧化碳的形式排放到大气中。

人类活动通过化石燃料燃烧，向大气中释放了大量的二氧化碳，其中大约有57%被自然生态系统所吸收，约43%留在了大气中。留在大气中的这部分二氧化碳，使全球大气中二氧化碳浓度由工业化前的280ppm增加到2019年的410ppm，导致了全球气候系统的变暖。