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解决空气污染和全球变暖的简单方案：将雾霾排放到平流层 杨学祥，杨冬红
解决全球变暖的简单方案 同人于野评论 Super Freakonomics 2009-12-18 02:18:41
“一些专家认为人类正处在一个新的，恶化了的全球气候模式的边缘，而且没有准备好怎么应对…气候变化是对全世界人的威胁”。–《纽约时报》 “气候变化将强迫调整世界范围内的经济和社会活动…气候学家对政治家们是否有能力应对气候变化，哪怕仅仅是减轻其影响，持悲观的态度。”—《新闻周刊》 你一定误会了。以上这两段话说的不是最近的热门话题“全球变暖”。这两段话发表于1970年代中期，说的是“即将到来的”，全球变冷。 Super Freakonomics 这本书刚刚出版不久，是 Freakonomics （中文译为《魔鬼经济学》）的续集。与第一本相比，此书的大部分内容虽然同样有趣，但并不“新鲜”，说的都是现在的微观经济学家怎么用数字统计的方法发现违反直觉的事实。传统直觉不可靠，数字才可靠。我认为这本新书最大的价值在于最后一章，这一章讲全球变暖。 为了铺垫这一章，书中用了整整一章来说明一个道理：特别复杂的大问题也许存在一个特别简单廉价的解决方案，而且历史一再证明了这一点。比如说只要医生常常洗手，就可以大大降低产妇的死亡率；提高撞车之后的存活率，安全带比安全气囊要廉价得多也有效得多，等等。 然后两位作者在最后一章宣布，全球变暖，也有一个简单而廉价的方案。 他们不是胡说八道。 回到1970年代，那个时候之所以科学家担心全球变冷，是因为二氧化硫污染。二氧化硫可以在大气平流层停留一年，在那里它们跟水蒸气结合形成云，从而遮挡阳光。但此后各国减少了硫排放，变冷问题解决了。 二氧化硫的作用在1991年再一次得到证实。当年，菲律宾的皮纳图博火山爆发，火山灰直上天空22英里，导致两千万吨二氧化硫进入大气平流层并散开。结果是两年之后，全球温度平均降低了 0.5 摄氏度。 所以解决全球变暖的最简单办法是往平流层排放二氧化硫。这个想法并不好听，“排放”，“二氧化硫”，都不是什么好词儿。但提出这个解决方案的不是写书的“魔鬼经济学家”，而是位于西雅图近郊的 Intellectual Ventures （IV）公司的几位科学家。 实际上，往平流层放二氧化硫并不是什么新方案，以前早就有人想当过，只是难度很大，因为你不想大规模的放，否则会污染大气。要点是怎么点穴式的放，直接放到平流层。IV 公司的方案就是这样。 这个方案说，鉴于全球变暖主要影响两极，应该重点往极地上空放二氧化硫。只要每年往北极上空的平流层投放10万吨，就足以解决北半球的变暖问题。这点量是微不足道的，因为每年已经有两亿吨二氧化硫进入地球大气。 关键是怎么直接送到平流层。IV 的方案是“garden hose to the sky”—用一根非常长，也就是18英里长，非常轻的管子。这跟管子被一系列气球带动，好像一串珍珠一样，带入平流层。地下这头，只要燃烧硫，把取得的二氧化硫液化，然后靠管子里面一系列的抽水泵把液态二氧化硫抽上去。 这个方案还特别便宜。拯救北极的话，需要两年时间和两千万美元搭建设备，然后每年运行费用是一千万美元。即使是拯救全球，也只需要一亿五千万美元的搭建费用和每年一亿美元的运行费。 二氧化硫法得到了诺贝尔奖得主 Paul Crutzen （1995年，化学奖，获奖研究是臭氧空洞）的支持。二氧化硫会破坏臭氧层，但 Crutzen 2006 年在 Climatic Change 上发表的一篇论文说，向平流层释放二氧化硫，“is the only option available to rapidly reduce temperature rises andcounteract other climatic effects.”而他估计这点排放对臭氧层的影响非常小。 所以这的确是一个特别简单的方案。这是一个直接对地球动手的方案，以至于被称之为“地质工程”(Geo engineering) 。 https://book.douban.com/review/2869511/ https://www.douban.com/group/topic/10427410/ 实际上，我们不需要这样的高额的代价。我们在2016年12月31日提出，用倒置火箭排霾的锅炉烟筒混合系统将烟尘排送到逆温层和平流层，同样可以起到遮蔽阳光的降温作用，这是同时解决雾霾污染和全球变暖的最廉价方法。
驱霾新装置：倒置火箭排霾的锅炉烟筒混合系统 2016-12-31 07:17
通常大气对流层内的气温是随高度呈递减速关系。但是在某些特殊条件下，如在空气下沉、辐射冷却、空中热气流流向地面、近地层扰动等因素的影响下，高层气温反而高于低层气温，这种现象称为逆温。逆温的类型有辐射逆温、下沉逆温、湍流逆温、平流逆温和锋面逆温。出现逆温现象的一层气体，称为逆温层。 在逆温层内，空气密度随高度增加而迅速减小。逆温层的物理特征是气体状态稳定，对气体上下对流过程有抑制作用。对流层内的逆温层高度通常在100-200米上下。 由于逆温层对空气对流有强烈的抑制作用，所以极其不利于大气污染物的扩散。由于大量气溶胶粒子和水汽积聚在逆温层下面，因此近地面层极易形成烟雾。 如果我们能将烟尘送到逆温层之上，加快烟尘的扩散，就可以减轻烟尘对地表空气的污染。倒置火箭排霾的锅炉烟筒混合系统是利用火箭喷出的高速气流，将锅炉排放的烟尘送到逆流层之上，将烟筒也变为加热锅炉的一部分，充分利用煤炭和燃油的热能，使煤炭也变为清洁能源。 本设置可安装在现有的锅炉烟筒底部和热电厂烟筒底部，变烟筒变为加热锅炉，变烟筒为倒置火箭筒，利用火箭高速喷气，将烟尘送到逆温层之上，打破逆温层对雾霾的封锁。
图1 倒置火箭排霾的锅炉烟筒混合系统示意图 http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1024411.html 城市热岛效应是雾霾积累的元凶
2017年元旦假期处于工厂停工、学生停课、城市交通拥堵相对缓解、污染物排放相对较少的时期，因此形成严重雾霾除天气原因以外，必然有城市雾霾难以消散的其他原因。 研究表明，逆温层+城市热岛效应可形成大城市的雾霾自循环封闭系统，导致区域性雾霾连续积累，是严重雾霾的发生主要原因。消除雾霾必须从降低城市热岛效应开始。换句话说，没有风来吹散雾霾是自然原因；城市热岛效应导致的大气封闭自循环是城市雾霾难以消散的人为原因，即使初始雾霾浓度很低，长时间自循环积累也可以导致严重雾霾发生。这就可以解释，为什么尽最大努力，包括停产放假、停课限行，都挡不住雾霾的来势汹汹。 据网上资料，热岛效应是由于人们改变城市地表而引起小气候变化的综合现象，是城市气候最明显的特征之一。由于城市化的速度加快，城市建筑群密集、柏油路和水泥路面比郊区的土壤、植被具有更大吸热率和更小的热容量，使得城市地区升温较快，并向四周和大气中大量辐射，造成了同一时间城区气温普遍高于周围的郊区气温，高温的城区处于低温的郊区包围之中，如同汪洋大海中的岛屿，人们把这种现象称之为城市热岛效应。 大城市散发的热量可以达到所接收的太阳能的2/5，从而使城市的温度升高，这就是常说的热岛效应。 地面等温线图上，郊区气温相对较低，而市区则形成一个明显的高温区，如同出露水面的岛屿，被形象的称之为“城市热岛”。城市热岛中心，气温一般比周围郊区高1℃左右，最高可达6℃以上。在城市热岛作用下，近地面产生由郊区吹向城市的热岛环流。城市热岛增强空气对流，空气中的烟尘提供了充足的水汽凝结核，故城市降水比郊区多。对欧美许多大城市研究发现，城市降水量一般比郊区多5%~10%。
图2 大城市的温度分布
气候条件是造成城市热岛效应的外部因素，而城市化才是热岛形成的内因。一般认为热岛成因有三： 一是城市与郊区地表面性质不同，热力性质差异较大。城区反射率小，吸收热量多，蒸发耗热少，热量传导较快，而辐射散失热量较慢，郊区恰相反。 二是城区排放的人为热量比郊区大。 三是城区大气污染物浓度大，气溶胶微粒多，在一定程度上起了保温作用。 大气污染在城市热岛效应中起着相当复杂特殊的作用。来自工业生产、交通运输以及日常生活中的大气污染物在城区浓度特别大，它像一张厚厚的毯子覆盖在城市上空，白天它大大地削弱了太阳直接辐射，城区升温减缓，有时可在城市产生“冷岛”效应。夜间它将大大减少城区地表有效长波辐射所造成的热量损耗，起到保温作用，使城市比郊区“冷却”得慢，形成夜间热岛现象。 城市人口密集、工厂及车辆排热、居民生活用能的释放、城市建筑结构及下垫面特性的综合影响等是其产生的主要原因。热岛强度有明显的日变化和季节变化。日变化表现为夜晚强、白天弱，最大值出现在晴朗无风的夜晚，上海观测到的最大热岛强度达6℃以上。季节分布还与城市特点和气候条件有关，北京是冬季最强，夏季最弱，春秋居中，上海和广州以10月最强。年均气温的城乡差值约1℃左右，如北京为0.7～1.0℃，上海为0.5～1.4℃，洛杉矶为0.5～1.5℃。城市热岛可影响近地层温度层结，并达到一定高度。城市全天以不稳定层结为主，而乡村夜晚多逆温。水平温差的存在使城市暖空气上升，到一定高度向四周辐散，而附近乡村气流下沉，并沿地面向城市辐合，形成热岛环流，称为“乡村风”，这种流场在夜间尤为明显。城市热岛还在一定程度上影响城市空气湿度、云量和降水。对植物的影响则表现为提早发芽和开花、推迟落叶和休眠。
图3 城市热岛效应形成的自封闭大气循环
城市热岛效应是城市气候中典型的特征之一。它是城市气温比郊区气温高的现象。城市热岛的形成一方面是在现代化大城市中，人们的日常生活所发出的热量；另一方面，城市中建筑群密集，沥青和水泥路面比郊区的土壤、植被具有更小的函授比热容（可吸收更多的热量），并且反射率小，吸收率大，使得城市白天吸收储存太阳能比郊区多，夜晚城市降温缓慢仍比郊区气温高。城市热岛是以市中心为热岛中心，有一股较强的暖气流在此上升，而郊外上空为相对冷的空气下沉，这样便形成了城郊环流，空气中的各种污染物在这种局地环流的作用下，聚集在城市上空，如果没有很强的冷空气，城市空气污染将加重，人类生存的环境被破坏，导致人类发生各种疾病，甚至造成死亡。 近年来，随着城市建设的高速发展，城市热岛效应也变得越来越明显。城市热岛形成的原因主要有以下几点： 首先，是受城市下垫面特性的影响。城市内有大量的人工构筑物，如混凝土、柏油路面，各种建筑墙面等，改变了下垫面的热力属性，这些人工构筑物吸热快而比热容（即是单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的热量）小，在相同的太阳辐射条件下，它们比自然下垫面（绿地、水面等）升温快，因而其表面温度明显高于自然下垫面。 另一个主要原因是人工热源的影响。工厂生产、交通运输以及居民生活都需要燃烧各种燃料，每天都在向外排放大量的热量。 此外，城市里中绿地、林木和水体的减少也是一个主要原因。随着城市化的发展，城市人口的增加，城市中的建筑、广场和道路等大量增加，绿地、水体等却相应减少，缓解热岛效应的能力被削弱。 当然，城市中的大气污染也是一个重要原因。城市中的机动车、工业生产以及居民生活，产生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉尘等排放物。这些物质会吸收下垫面热辐射，产生温室效应，从而引起大气进一步升温。 城市热岛效应主要由以下因素影响：蒸发减少、城市下垫面反射率降低、能量输入，其强度影响为：蒸发减少0.05g/sm，热输入增加120.9w/m；城市下垫面反射率降低10%，热输入增加30w/m；人工能量输入10w/m，城市中总热输入增加160.9w/m，由于受空气对流的影响，实际热输入约20w/m，计算温升约3.5℃，这与实际比较相符。当夏季空气流通减缓时，热输入会急剧增加，由于城市蒸发系统适应性低，造成城市温度急剧上升，同时由于空调和火电厂的加速运转又会造成恶性循环，加剧城市大气温升。城市蒸发量减少也形成了城市干岛效应，造成城市上空大气稳定度升高，不易发生垂直对流，易形成近地表高温，产生严重的空气污染（例发灰霾和光化学烟雾）。 对比图3-4我们可以看到，北京地区地表温度分布与污染物浓度分布有非常好的对应性，表明热岛效应对雾霾形成的决定性影响。
图4 北京地区的地表温度分布
图5 2016年12月16日8时北京地区污染物分布
逆温层+城市热岛效应形成封闭型大城市雾霾自循环系统
一般情况下，在低层大气中，气温是随高度的增加而降低的，这时候地面的暖空气上升、高空冷空气下沉，形成的对流有利于污染物的扩散。成都市气象台台长陈洪介绍，有时在某些层次可能出现相反的情况，即气温随高度的增加而升高，这种现象称为逆温，出现逆温现象的大气层称为逆温层。“逆温层不利于污染物的扩散，会加剧雾霾现象。” 逆温层的形成原因主要有4类：一是晴空逆辐射。晴天的夜晚地面向大气释放热量，加热远地面空气，而贴近地面的空气因为夜间温度下降而降低，形成上热下冷的逆温层；二是地形所致。盆地地形因冷空气到来后易沉淀至盆地底部，周边温度升高得比底部冷空气快，形成逆温层；三是暖平流效应。当地面是正常温度时，有暖湿气流或温暖的干气流吹来，便会覆盖在原来的空气上层，形成逆温层；四是当一个地区受高压系统控制时，易形成下沉空气，空气在下沉过程中温度会升高，有可能温度比近地面的温度还要高，形成逆温层。 除了逆温层之外，城市热岛效应的存在也会增加冬季重污染天气出现的几率。热岛效应，即城市中人类生产、居住释放热量比郊区多，加热城市上空空气，且加热范围呈现点状，类似于大海中的岛屿，因此称为“热岛效应”。城市上空空气受热后上升，遭遇郊区的低温后又下沉，以此循环，形成从城市到郊区的环流。 虽然一般情况下，空气形成环流有利于空气中颗粒物的扩散。但因大城市上空逆温层的存在，热岛效应带来的次环流力量不足以冲破逆温层，不能带来干净的空气，一直都是含有大量水汽和颗粒物的空气在来回循环。这样的次环流不仅不能扩散污染物，反而还可能会将郊区近地面的颗粒物带回到城市中来（见图2）。 http://news.163.com/16/1217/02/C8F28AS0000187VI.html http://news./shehui/2016/12/17/30688584.html
城市热岛效应的解决方法与相应措施
城市化建设的脚步几乎不可能被叫停，所以大家所说的减少空气污染，减少汽车、电器、生产制造的热量排放，现阶段也几乎不可能实现，再加上这些也不是城市热岛效应最主要的原因。所以目前要解决城市热岛效应只能从还原绿地着手。 各地政府在城市绿化方面一直非常重视也一直在不断完善，增加城市绿化面积不但可以吸收太阳热能，还可以吸收各种保温、有害气体，吸附空气中的固体颗粒。城市绿化通常的做法是建设公园、园林、道路绿化，但是地面上可以做绿化的地块越来越少，且地块成本也非常高。楼顶绿化成了城市绿化的重要方向之一。目前国内大部分楼顶一直闲置，地块成本几乎为零，种上草坪之后一平方的成本也就100-200元间，远远低于地面绿化，有专家得出结论：如果城市的屋顶有60%做了楼顶绿化，城市热岛效应将会消失！所以城市绿化对于城市热岛效应的抑制或消除起到决定性的地位。而低成本、低维护费、有效的屋顶草坪成了大面积楼顶绿化的唯一选择。 将烟尘排放到城市上空的逆温层和平流层，可以遮蔽阳光，像火山灰一样，降低城市温度，减轻热岛效应，是同时解决空气污染和全球变暖的一种最廉价人工方法。 希望相关部门予以关注。 http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1025474.html |
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