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CO2温室效应贡献率的估算及其与水汽的比较
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CO2温室效应贡献率的估算及其与水汽的比较
1.由理想气体状态方程看大气的温室效应
在大气物理学和热力学分析中，往往借助于理想气体假设及其状态方程进行分析计算。
pv=RMT (1)
式中，p为气体压力，v为气体摩尔比容，RM为通用气体常数，RM=8.314kJ/(kmol•K)，T为气体绝对温度。
大气是一种实际气体混合物，假定其总摩尔数为n，它等于大气所有气体摩尔数之和：
n=Σ(ni) (2)
如果将大气近似看成理想气体，并假定大气总体积为V，则
pV=nRMT (3)
即，pV=ΣniRMT (4)
理想气体状态方程告诉我们，只要维持大气压力p和体积V的恒定，大气温度T就可以保持恒定。显然，所有的气体都具有温室效应。
2.混合气体体积分数(摩尔分数)与质量分数的关系
假定大气总容积V一定，根据理想气体分容积定律，有：
V=Σ(Vi) (5)
Σ(Vi/V)=Σ(ni/n)=Σxi=1 (6)
式中，V为大气总容积，Vi为大气中第i种气体的分容积，xi为第i种气体的摩尔分数。
根据理想气体道尔顿分压力定律：
P=Σ(pi) (7)
Σ(pi/p)=Σ(ni/N)=Σxi=1 (8)
大气的折合分子量Meq为：
Meq=Σ(xiMi) (9)
式中，Mi为第i种气体的分子量。
假定大气总质量为m，则有：
m=Σmi (10)
某一气体的质量分数为：
yi=mi/m=niMi/(nMeq)=xiMi/Meq=xiMi/Σ(xiMi) (11)
3. CO2的温室效应贡献率
大气中二氧化碳由原先的280ppmv，增加到了目前的383ppmv，增长了80%。CO2对地表长波辐射有很强的吸收性，因此目前全球气候变暖理论认为，人为活动增加的CO2排放是导致全球气候变暖的一个重要原因。
但是，二氧化碳究竟能产生多大的温室效应？为了给大家一个简单清晰的数量概念，这里从气体热容量的角度，初步估算一下CO2的温室效应贡献率。
根据有关资料，大气气体成分如表1所示。
表1 干洁空气的主要成分（25千米以下）
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气体成分
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体积分数（%）
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氮（N2）
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78.08
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氧（O2）
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20.94
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氩（Ar）
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0.93
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二氧化碳（CO2）
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0.03
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为了简单，这里仅以表1的大气体积成分比例进行计算，虽然不是很准确，但很能说明问题。
根据式11，383ppmv的CO2，在大气中的质量分数为：
y CO2=m CO2/m=x CO2M CO2/Σ(xiMi)
=0.000383*44/(0.7808*28+0.2094*32+0.0093* 39.938+0.000383*44)
=0.000582077
根据有关资料，大气总质量约m=5.27×1018kg，其定压比热约为Cp =1.005kJ/(kg•K)。0℃时，C02气体的定压比热为0.815kJ/(kg℃)。显然，大气中C02气体与大气的热容量之比为：
mCO2Cp CO2/mCp=y CO2Cp CO2/Cp
=0.000582077*0.815/1.005
=0.000472033
显然，大气中CO2的热容量相对于大气总热容量而言，几乎可以忽略不计。
众所周知，物质吸收辐射能，温度升高，发射辐射能，温度降低。
假定大气中的CO2由地表大气平均温度273.15+15=298.15K，通过热辐射降温至其冰点温度216.55K，温降达81.6℃(CO2在大气中的最大可能温降幅度，实际不可能)，其全部显热都被大气吸收，则大气的温升为：
Δt=0.000472033*81.6=0.03851786℃
不足0.04℃。
4. 与水汽凝结的温室效应贡献率的对比
根据《全球水循环与水资源》[M] (王守荣，朱川海，程磊，毛留喜，气象出版社，2003年]，全球多年平均降水量约57.7万km3，占全球大气5.27×1018kg总质量的约11%。
凝结水降水量与CO2的质量比为：
=0.11/0.000582077=188.98
水汽凝结所释放的潜热高达1.4425×1021kJ(以Lv≈2500kJ/kg计算)，按大气物理学关于水汽凝结将潜热热传导给周围的大气计算(即全部被大气吸收)，大气温度将升高272.4℃，这显然不是事实。
根据前面的博文中关于水汽凝结辐射放热的推断，以及根据IPCC第三次报告关于全球降水增加的事实和数据，我们假定全球降水量仅增加了0.5%，其中45%的潜热辐射到地面并为大气吸收，则可以使全球大气温度升高0.61K，与IPCC第三次报告的(0.6±0.2K)全球气候变暖值非常吻合。
5. 疑问
对比一下，我们很难想象，CO2作为大气中的一种微量气体，如何能达到一些学者和机构所宣称的：到2100年，全球气温估计将上升大约1.4-5.8℃？
https://blog.sciencenet.cn/blog-38693-279484.html
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