能源、经济、环境-第3章
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系统热量增加 系统热量减少 系统热量盈亏
外来热量 太阳能 向系统外散热 地球向外太空热辐射 热量增加 大气温度升高
月球引力潮汐能 反射太阳光 水温升高，蒸发加大
地热能
冰川融化
地表温度升高
内部产生热量 人类利用化石燃料、核能释放出来的热量 内部热量减少 人类活动固化的能量，如提纯的金属，树立的高楼等
生物质腐烂或者燃烧产生热量 生物质能增加
风能、水能转化成热量 热量转化成风能、水能
以上热量来源中，太阳能占据绝对主导地位。太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为×1026W）的22亿分之一，但已高达173；000TW（1TW=106MW），也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。是人类目前使用能源的15000倍。
地球与宇宙之间主要是通过辐射过程交换能量并且保持辐射平衡。对于地球大气，其能量的存在和交换形式就不仅是辐射能了。这里还有水分的相变（降水、蒸发）伴随的热能量交换，冷暖空气流动传递的能量以及空气与下垫面之间的热量交换。考虑到多年来大气的温度基本稳定，所以大气、地面、地气系统的各种能量应当保持在一定水平上的平衡状态，这就是地球的热量平衡。
地球上的热量平衡问题是目前人类关注的重要问题之一，地球上的热量变化不仅影响到气温的变化同时还影响到生态环境以及人类的生存和发展。地球上的热量平衡来源于太阳的辐射能。太阳的短波辐射能量与地面，大气的长波辐射能，其全部的输入量和全部的输出量之差，称作净辐射。从整个地球来看，每年的净辐射值为零，即热量处于平衡的状态，如果辐射能量的输入大于输出量，地球热量增加，气温增高，积累起来后果将是严重的。它会改变地球上各个圈层，特别是具有生命圈层的现状。反之，如果辐射能量输出大于输入量，地球热量减少，气温降低，也会严重影响地球各个圈层的变化，是许多生物将不复存在。因此，关注地球上的热量平衡是十分必要的。
无论从太阳的短波辐射状况，从地面的热量状况以及大气的热量状况来看，还是把地面和大气做为一个整体来看全球的热量均达到收支平衡。有些地方的热量输入和输出有时不平衡。根据观测证明大致以纬度35度为界。纬度低于35度的地区热量收入大于支出，热量盈余，气温高；纬度高于35度的地区热量收入小于支出，热量亏损，气温低。但是，实际情况，由于大气运动和洋流的调节，使高低纬度地区多年的平均气温也大致保持恒定。
地球表面的能量循环
从古至今，人类生存所必需的能量几乎全部都间接或直接地取自于太阳。太阳能为人类生存提供了各种植物的化学能。太阳能使地表水蒸发而形成雨和雪，它们的一部分汇合在一起形成河流，利用河流，农业可灌溉良田，工业可水利发电。太阳能加热空气，热气流上升形成风，风能过去用于行船，当今用于发电。就连当今最重要的能源—煤炭、石油、天然气等化石燃料，都是各种古代生物把太阳能转化为化学能固定下来后，又经过漫长的年代沉积在地下演变而成的。
地球表面的能量循环本质上是各种能量形式的转化过程。太阳能将地表水蒸发形成水蒸汽，一部分水蒸汽形成云，从而将太阳能转化为水的势能。一些云漂流到较高的陆地后下雨下雪，形成河流，形成水的势能。河流由高而低，产生速度，将势能转化成动能，水分子不断碰撞，产生热量，将动能转化成热能。而热能又可以使水蒸发形成云，形成新的循环。大部分的热能通过热辐射散发到外太空了，只有小部分的能量进行了循环。如果人类修建水坝，拦河发电，则将水的势能和动能转化成电能，电能驱动各种机械运动，将电能转化成机械能，机械能通过摩擦转化成热能。电能也可以直接通过照明和加热转化成热能。
太阳能加热空气，或者各种热能加热空气，由于加热温度不同形成压力差，形成风，将太阳能转化成动能，风与树木、房屋、山川等碰撞，风速衰减，摩擦生热，将动能转化成热能。如果人类利用风力发电机发电，则将风的动能转化成电能，电能又可通过驱动机械和照明、加热等方式，最后转化成热能，形成一个循环。
在这些循环过程中，热能是最终的形式，因为所有的能量循环都以热能（太阳能也是一种热辐射）开始，经过动能、势能、机械能等转变，最后转变成热能，散发到外太空，形成一个能量循环。
能量平衡与气候的关系
在自然界中，任何物体都具有一定的温度，都会发出波长在2000纳米以上的长波辐射而散失热量，物体温度越高，辐射波长越短，散失的热量越多。太阳向大地辐射热量的主体是短波辐射，且大部分是可见光。大部分太阳短波辐射可以顺利通过大气层到达地面，使地球表面温度升高。与此同时，大气能强烈地吸收地面放出的长波辐射，仅散失少量热辐射到宇宙空间。地面温度越高，辐射的波长越短，穿过大气的能力越强，散失的能量则越多。由于大气吸收热量多，散失少，使地球气温升高。随着地球气温的升高，地面的长波辐射穿越大气的能力增强，散失到宇宙空间去的热量也随之增多。最终，地球接受到的太阳辐射热量和地球散失的长波辐射热量会达到平衡，形成地球上的平衡温度。
在影响地球能量收支平衡的诸多因素中，最重要的因素是“温室效应”。
什么是“温室效应”？玻璃花房在墙体的保护下室内温度要高于室外温度。地球的大气也像玻璃墙体一样部分地锁定从地球表层反射而出的能量。可以说正是由于地球大气的存在，地球的气温才得以维持生命体普遍能适应的温度——平均为15摄氏度。假如没有地球大气，那么地球的平均温度可能保持在零下18摄氏度。那些保护地球适宜温度的气体被称为“温室气体”。
那么“温室气体”包括哪些？地球大气的构成主体是氧气和氢气，它们在大气中的含量高达99％（其中氧气约占21％，氮气则占78％左右）。它们都可以透过可见光与红外辐射，对气候变化却几乎没有直接影响。真正能够引发地球风云变幻的只是大气剩余1％份额里的其他气体：二氧化碳、甲烷、臭氧、水蒸气及卤烃等。别看这些气体在大气中所占比重不大，它们却能够对气候变化产生巨大影响。其中最主要的是二氧化碳。 二氧化碳不能透过红外辐射，所以二氧化碳可以防止地表热量辐射到太空中，具有调节地球气温的功能。如果没有二氧化碳，地球的年平均气温会比目前降低33 ℃。但是，二氧化碳含量过高，就会使地球仿佛捂在一口锅里，温度逐渐升高，就形成“温室效应”。 形成温室效应的气体，除二氧化碳外，还有其他气体。其中二氧化碳约占75％、氯氟代烷约占15％～20％，此外还有甲烷、一氧化氮等30多种。
近年来气温连续普遍升高，根据仪器记录，相对于1860年至1900年期间，全球陆地与海洋温度上升了摄氏度。自1979年，陆地温度上升速度比海洋温度快一倍（陆地温度上升了摄氏度，而海洋温度上升了摄氏3度）。根据卫星温度探测，对流层的温度每十年上升摄氏2度至度。据世界上许多科学家预测，未来50—100年人类将完全进入一个变暖的世界。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖等一系列严重问题，引起了全世界各国的关注。 除二氧化碳以外，对产生温室效应有重要作用的气体还有甲烷、臭氧、氯氟烃以及水气等。随着人口的急剧增加，工业的迅速发展，排入大气中的二氧化碳相应增多；又由于森林被大量砍伐，大气中应被森林吸收的二氧化碳没有被吸收，由于二氧化碳逐渐增加，温室效应也不断增强。据分析，在过去二百年中，二氧化碳浓度增加25％，地球平均气温上升℃。估计到下个世纪中叶，地球表面平均温度将上升—℃，而在中高纬度地区温度上升更多。
空气中含有二氧化碳，而且在过去很长一段时期中，含量基本上保持恒定。这是由于大气中的二氧化碳始终处于“边增长、边消耗” 的动态平衡状态。大气中的二氧化碳有80％来自人和动、植物的呼吸，20％来自燃料的燃烧。散布在大气中的二氧化碳有75％被海洋、湖泊、河流等地面的水及空中降水吸收溶解于水中。还有5％的二氧化碳通过植物光合作用，转化为有机物质贮藏起来。这就是多年来二氧化碳占空气成分（体积分数）始终保持不变的原因。 但是近几十年来，由于人口急剧增加，工业迅猛发展，呼吸产生的二氧化碳及煤炭、石油、天然气燃烧产生的二氧化碳，远远超过了过去的水平。而另一方面，由于对森林乱砍乱伐，大量农田建成城市和工厂，破坏了植被，减少了将二氧化碳转化为有机物的条件。再加上地表水域逐渐缩小，降水量大大降低，减少了吸收溶解二氧化碳的条件，破坏了二氧化碳生成与转化的动态平衡，就使大气中的二氧化碳含量逐年增加。空气中二氧化碳含量的增长，就使地球气温发生了改变。但是有乐观派科学家声称，人类活动所排放的二氧化碳远不及火山等地质活动释放的二氧化碳多。他们认为，最近地球处于活跃状态，诸如喀拉喀托火山和圣海伦斯火山接连大爆发就是例证。地球正在把它腹内的二氧化碳释放出来。所以温室效应并不全是人类的过错。这种看法有一定道理，但是无法解释工业革命之后二氧化碳含量的直线上升，难道全是火山喷出的？
根据在南极提取的冰芯，以及近代对大气中二氧化碳含量直接测定的结果，显示二氧化碳在不断升高。下表为测试结果。
测定冰核值
冰芯深度（米） 年度 CO2（ppm）
16 1806 280
11 1894 297
102。 5 1919 300
82 。5 1949 311
68 。4 1973 328
直接测定大气值， 所测得的CO2含量为：
年度 CO2 （ppm）
1959 316。 00
1960 317。 02
1965 320。 41
1970 325。 51
1973
1975
1980
1985
1987
从上述数值可以看出，南极冰核中CO2浓度已由1759年的279 ppm上升到1973年的328 ppm。在1973年中从大气直接测定的CO2浓度为329。 82 ppm，与从冰核测定到的此年CO2浓度为328ppm是一致的。从上表数值可以看出，大气中CO2浓度从1754年到1987年的233年中，CO2浓度上升了69 。62 ppm，每年乎均上升0。 298ppm。
如果二氧化碳含量比现在增加一倍，全球气温将升高℃～℃，两极地区可能升高10 ℃，气候将明显变暖。气温升高，将导致某些地区雨量增加，某些地区出现干旱，飓风力量增强，出现频率也将提高，自然灾害加剧。更令人担忧的是，由于气温升高，将使两极地区冰川融化，海平面升高，许多沿海城市、岛屿或低洼地区将面临海水上涨的威胁，甚至被海水吞没。海平面上升对人类社会的影响是十分严重的。如果海平面升高1 m，直接受影响的土地约5×106 km2，人口约10亿，耕地约占世界耕地总量的1/3。如果考虑到特大风暴潮和盐水侵入，沿海海拔5 m以下地区都将受到影响，这些地区的人口和粮食产量约占世界的1/2。一部分沿海城市可能要迁入内地，大部分沿海平原将发生盐渍化或沼泽化，不适于粮食生产。同时，对江河中下游地带也将造成灾害。当海水入侵后，会造成江水水位抬高，泥沙淤积加速，洪水威胁加剧，使江河下游的环境急剧恶化。温室效应和全球气候变暖已经引起了世界各国的普遍关注，目前正在推进制订国际气候变化公约，减少二氧化碳的排放已经成为大势所趋。
从地球表面的能量平衡及能量循环来看，人类活动通过燃烧石化能源、排放温室气体、砍伐森林等方式，极大改变了地球表面的能量平衡状态，促使地球表面吸收的热量比散发的热量更多，从而提高�
