话说空气 || 杨建雄 教授

空气看不见，摸不着，却是包括人类在内的生物一刻都离不开的生活必需品，而且是少有的没被商品化的人类生活必需品。有些古代学者如东汉唯物主义哲学家王充，认为“气”是世界的本原，从天体和生命演化的近代研究看，也有一定的道理。

空气的恒定成分是氮气（约占78%）、氧气（约占21%）以及稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡，约占0.939%），这些成分之所以几乎不变，主要是自然界各种变化相互补偿的结果。空气的可变成分是二氧化碳（约占0.031%）和水蒸气。另外，空气里还含有微量的氢、臭氧、氮的氧化物、甲烷等气体，灰尘和微小颗粒（如PM2.5）是空气里或多或少的悬浮杂质。总的来说，空气的成分一般是比较固定的。

氮气可以做填充保护气，还是合成氨工业中的主要原料，液氮可做制冷剂。生物需要氧气进行有氧呼吸，氧气可以作为助燃剂，纯氧可用于电焊等。稀有气体可以作为彩灯和照明灯的填充气。二氧化碳是绿色植物光合作用和侯氏制碱法的原料，还是某些灭火器的主要作用物，还可以在含钙的水中沉积生成石灰石，其液态物和固态物（干冰）也有一定的用途。

空气（地球大气）的一个重要作用是大气效应，即对太阳辐射（主要是紫外线）的削弱作用，和对地面的保温作用（温室效应）。大气效应降低了白天的气温，提高了夜间的气温，从而减小了昼夜温差。

由于大气效应，才使地球表面平均气温提高到15℃，形成适宜人类生存的温度环境。如果没有大气效应，地球表面的平均气温可能会下降到?18℃，即比现在的地表平均气温下降33℃，而且昼夜温差很大，在这样的条件下，地球上的绝大多数生态系统将不复存在。

近些年，在极端环保主义者、部分科技人员和政治人物综合作用下，铺天盖地的 献大肆宣扬温室效应和温室气体的罪恶，温室效应和温室气体被看作十恶不赦的坏蛋。实际上温室效应和温室气体不能太多，也不能太少，更不能没有。

温室效应会日益严重，地球会持续变热吗？其实不一定。

一般认为，在太古代晚期，大气中的水汽和二氧化碳含量很高，氧气含量很低。水汽和二氧化碳是主要的温室气体，所以，地球的温度很高。在滚热的“原始汤”中，逐渐由碳酸盐形成有机分子，生物大分子，水生生物，厌氧菌类和蓝藻。蓝藻通过光合作用消耗二氧化碳和水，生成有机物，并释放氧气。

随着大气中水汽和二氧化碳含量降低，地球逐渐降温，溶入水中的二氧化碳随着地球降温而增加，与钙离子结合形成碳酸钙（石灰石），进一步降低了二氧化碳含量。地球逐渐降温到适合陆地生长的植物产生和繁衍，使大气中的氧含量增加，促进了动物的产生和繁衍。到中生代中期的侏罗纪（距今约1.5亿年前），出现了巨大爬行动物如恐龙，需氧量多的鸟类也出现了。

植物的蓬勃发展，大量消耗大气中的二氧化碳，导致温室效应减弱，大量不耐寒的植物因此而死亡。植物释出的氧不敷巨大爬行类恐龙呼吸之用，再加上一些尚有争议的原因（例如有人认为恐龙等的绝灭是由于星体与地球相碰所致），使恐龙之类的大爬行动物在白垩纪后期很快绝灭。但能够适应新气候条件的植物和动物（如哺乳动物）却得到发展。这时已到了新生代，大气的成分已基本上和现在大气相近了。

现在大气中的碳元素在地球上的岩石圈、生物圈、水圈及大气圈中不断交换，循环不止，保持含量基本稳定，称作碳循环。

在岩石圈中以碳酸盐形式存在的碳，总量约2.7×1016吨；在大气圈中以二氧化碳和一氧化碳形式存在的碳，总量约2×1012吨；生物库中碳的贮存量约为4.82×1011吨，相当于大气含碳量的2/3。

大气中的二氧化碳被陆地和海洋中的植物转化为有机物，还有一部分溶入水中被转化为矿物质。生物的呼吸作用，和有机物的氧化（包括因闪电等原因造成的野火）向大气释放二氧化碳，岩石圈中的碳因自然和人为的作用，可分解为二氧化碳进入大气和海洋，如此构成碳的生物循环和地球化学大循环。碳的生物循环虽然对地球的环境有着很大的影响，但是从以百万年计的地质时间来看，地球化学大循环才是地球环境最主要的控制因素。

碳循环的调节机制能在多大程度上忍受人类的干扰，目前还有不同看法。据估算，人类每年约向大气中释放约2 × 1010吨的二氧化碳，其中的2/3被海洋和植物吸收，结果使大气中二氧化碳的含量每年增加约7.5 × 109吨。由于大气中二氧化碳的浓度较低，这一增量足以引起二氧化碳浓度的较大变化。

据估算，自从19世纪工业时代开始，大气中二氧化碳浓度从280ppm（用一些间接的资料推算出来的，是否准确，一直有人质疑，ppm为百万分比浓度）上升到380ppm，被认为是地球变热的主要原因。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）在2007年的 告中建议，将大气中二氧化碳浓度限制在450ppm，以控制地球气温的升高。

图1 碳循环图示

近几十年，地球在变热，是无可争议的事实。但地球变热仅仅是大气中二氧化碳含量增加造成的吗？地球会持续变热吗？学术界有不同的看法。

古气候学用地质学、古生物学、地球化学、同位素化学、大气物理学和天 学等学科的理论和方法，研究地质时期的气候特点、形成原因和变化规律，为预测今后气候变化及解决有关资源、环境问题服务。即根据物质成分、沉积岩结构和生物化石，按一定的理论和方法推断各地质时代的气候及其变化规律。

综合多项研究结果，以百万年为时间尺度的地球温度和湿度变化如图2所示。宏观而言，地球经历了三个大冰期，分别是震旦纪大冰期（约六亿年前的元古代末期开始）、石炭纪-二叠纪大冰期（约三亿年前开始）、第四纪大冰期（约240万年前开始），冰期之间为间冰期，约间隔1.5～3亿年。

冰期气温平均比现代低8～10℃，间冰期北极地区气温较现今高10℃以上，低纬度地区也较现今高5～6℃。地球最冷时，是一个大冰球，最热时，南极和北极均无冰盖。

冰期和间冰期温度的巨大变化，导致其他气候要素和自然地理因子的变化：① 冰期极地冰原面积扩大，极地高压带向中、低纬度地区扩展，导致中、低纬度地区低气压活动频繁，雨量充沛，湖水面积扩大。例如，亚洲中部、非洲北部和中部、北美洲西部等在冰期时均为湿润地区。② 冰期全球大多数山岳雪线下降1000～1400米，热带地区雪线下降700～900米。③ 冰期地球表面相当大的一部分水形成巨大冰盖，海平面因此降低。④ 冰期生物群落向低纬度地区移动，间冰期生物群落向高纬地区移动。

第四纪中以里斯冰期（指欧洲阿尔卑斯地区更新世的第五个冰期）的冰川作用最为强烈，当时地球有十分之二到十分之三的大陆面积为冰川覆盖（现今约为十分之一）。在亚洲，冰盖到达贝加尔湖附近。

大冰期是如何形成的？有一种观点认为，从时间间隔看，大冰期形成与太阳系在银河系运动的位置有关。按照这一观点，震旦纪大冰期长约6000万年，石炭-二叠纪大冰期长约8000万年，第四纪大冰期（叫“新生代大冰期”更合适）可能还要经历1500～2500万年。近几十年的全球变热，只是“新生代大冰期”期间的小波动。地球的大趋势是变冷，而不是变热。

图2 以百万年为时间尺度的地球温度和湿度变化

历史气候学主要利用历史 献和考古发掘物中关于气候的证据，分析历史时期的气候状况，一般以千年为时间尺度。

中国北宋时期的沈括，通过对延州（今陕西省北部）化石的观察，提出在当时气候条件不宜竹类生长的延州，可能在“旷古以前，地卑气湿而宜竹”的观点。20世纪初，德国A·彭克和E·布吕克纳著《冰川时期的阿尔卑斯山》，将阿尔卑斯山第四纪大冰期划分为4个冰期（后又划分成5个冰期）。中国气象学家竺可桢，曾对历史气候作了大量研究，他的《中国近五千年来气候变迁的初步研究》（1972年）一 受到国内外有关学者的普遍关注。

综合近几十年的研究资料，中国2000年的大气温度变化如图3所示，中国5000年的大气温度和挪威10000雪线海拔高度的变化如图4所示，二者有相当好的吻合度。

图3 中国2000年的大气温度波动

图4 中国的大气温度波动和挪威雪线海拔高度的变化

由图3和图4可知，在人类活动排放二氧化碳很少的古代，地球也热过、冷过，且地球气候变化的大趋势是变冷，提示气温升高不完全是由于二氧化碳含量增高。很多研究认为，气候变化与太阳和地球间距离的缓慢变化、太阳辐射和太阳黑子活动周期、地磁极变动、黄道倾斜（即地球自转轴的倾斜度）和地球自转速度变化、地壳外表山脉的形成、火山爆发、大气圈的演化、洋流的改变等因素有关。

大气对地球的温室效应，水蒸气的作用大约占60%～70%，二氧化碳的作用大约占25%。在海域或植被很好的低海拔地域（水蒸气含量高），二氧化碳的作用可能小于20%。有研究表明，美国近几十年地表温度的变化，与太阳辐射的相关性较大，与二氧化碳浓度的变化相关性较小。

气温升高只要不超过一定的限度，未必是坏事。

由图5可知，在中国历史上，寒冷期常伴随农作物和牧草生长缓慢，自然灾害严重，和社会动乱加剧。温暖期常伴随社会经济的良好发展，即历史所记载的盛世。

图5 中国历史上的气温变化和重大历史事件

当然，社会经济的发展状况、社会动乱的发生和朝代的更替有复杂的社会原因，主要不能归因于气候变化。但是，气候变化似乎也起了一定的作用。这里要说的是，气温适当升高，可促进生物的生长繁衍和多样化，对提高农牧业产量，改善生态环境是有利的，对社会经济发展可能也是有利的。

众所周知，工业革命以来，发达国家大量排放二氧化碳，的确提高了大气的二氧化碳浓度，是造成气温升高的一个因素。气温升高超过一定的限度，会对人类生存造成多方面的不良影响。发达国家现在人均排放温室气体依然很高，减排温室气体，是理所当然的事。

包括我国在内的发展中国家，人均排放温室气体远低于发达国家，但也应提倡减排温室气体，提倡低碳生活。比如，需要尽力发展公交，较少私人小轿车。主要在城市跑的汽车，没必要因攀比心理换成大排量的越野汽车。

但发展中国家要发展经济，适当增加排放温室气体，也是理所当然的事。要警惕发达国家用减排温室气体为口实，限制发展中国家发展经济。要防止因过度强调减排，导致制造业产能过度下降，工农业产品涨价，影响经济发展和人民生活。

还有一个问题需要简单说明。自然界的风沙，野生动植物的排泄物，野生动植物死体的腐烂变质，均会造成一定程度的空气污染。原始人烧柴禾，烟尘中污染物的含量和种类，远大于用改良后的锅炉烧经过处理的精选煤。地球上从来没有过绝对清洁的空气，将来也不会有。

空气的轻度污染对健康有不良影响，但这些年被严重夸大了。比如，我国近几十年被认为空气污染明显加重，但无可争议的事实，是人的预期寿命明显增高了。铺天盖地的资讯说空气污染造成了我国癌症发病率大幅增加，但客观事实是癌症发病率的前8名是被认为空气很好的丹麦、法国、澳大利亚、比利时、挪威、美国、爱尔兰和韩国，中国大约在70多位。很多研究 告认为，PM2.5对人的危害远小于吸烟。不良生活习惯，如熬夜加夜餐，多吃少动、焦虑不安等对健康的危害，可能远大于环境因素。

近些年有个口号，要保卫蓝天。这总体是对的，但要看实际，讲科学。

在空气干燥的戈壁沙漠地域或高原地域，经常可看到蓝天白云。是因为高空细小微粒散射了蓝光，稀薄的云为白色。在沿海和植被良好的低海拔区域，深秋和冬季，空气中的水蒸气凝集成小水滴，就是云雾。由于气压低，雾难以扩散，容易出现雾蒙蒙的天气。这本是正常的自然现象，没必要为此而恐慌，更没必要为保卫深秋和冬季的蓝天过多关闭某些企业（如火电、水泥、造纸、砖瓦、玻璃等行业），造成工人失业、银行坏账增多和物价上涨。其实，在不少地域，即使关闭很多工厂，禁止烧煤，花很多钱保卫蓝天，在深秋和冬季，蓝天也不会多。

总之，应努力控制空气污染，但不必为空气的轻度污染恐慌，不必对空气质量提出不切实际的过高要求，并因此而过多影响社会经济的发展。