3.1.2.1 碳循环与温室效应
前面（2.5.1）提到过去16万年前大气中二氧化碳浓度变化不大，保持天然的正常循环，是保持地球平均温度为15℃左右的主导原因。但是从近200年的观测结果来看，大气中主要温室气体之一的水蒸气在对流层的浓度（1%～5%）受人类的生活和生产活动影响很小。而人为排放的二氧化碳相对较高，严重影响CO2的正常循环，使全球增温，预计今后100 a将增温1.8～5.8℃。
碳循环是地球生态系统中最有代表性的物质循环之一。大气中二氧化碳被陆地和海洋中植物和介质吸收，通过光合作用，把无机碳转化为有机碳，然后通过生物作用、生态化学作用以及人类活动再把有机碳转化为CO2，返回大气。其详细过程模式如图3.1.3所示。
自然界碳的总量为26×105 t，其中无机碳占总量的99.95%，主要存在于岩石圈的各类岩石矿物之中。仅占0.05%的有机碳（13 Tt），主要存在于煤和石油（8.3 Tt）之中，占总量的64%，土壤残存有机体（4.06 Tt）占30%，水、陆生物体（0.5 Tt）、大气（0.19 Tt）和海洋水体各占一定分量。随着人口增加和经济发展，地球生态受到破坏，对大气中的CO2吸收大大减少。另一方面，每年燃烧化石燃料75×108 t当量标准煤（1970年世界耗能）使大量地下碳迅速进入大气，增加大气中的CO2（见表3.1.3），1958～1988年北半球平均年增长率为1.8×10-6/a，破坏了正常的碳循环体系。
表3.1.3所列资料是1990年世界气象组织（IPCC）根据当时的资料计算得到的大气中温室气体的增量结果。
图3.1.3 碳循环模式
表3.1.3 大气中主要温室气体
近100年来已有大量气温观测记录：1880～1993年全球平均气温相对变化示于图3.1.4。可见从19世纪末到20世纪40年代，全球气温出现明显的带有波动性的上升趋势，北极地区最为突出；以后的20多年，全球气温出现由暖变冷的现象。北纬60°以北最明显，1968年冬，冰岛和格陵兰因结冰而连接起来，北极熊可以从格陵兰走到冰岛。20世纪70年代以后气温又趋于变暖，1980年以后增温的趋势非常突出。威尔逊（H.Wilson）和汉森（J.Hansen）等根据全球气象站资料计算出：1880～1940年的60年中平均增温0.5℃，北半球增温略高。1880～1940年平均增温0.7℃；接着30年降低0.2℃，1970～1993年增温0.6℃（图3.1.4）。说明工业革命以来，大气污染特别是CO2排放量的增加，使全球气温增高，超乎平常的越演越烈。
中国学者（中国科技蓝皮书第5号，1990，141～146页）根据1910～1984年137个气象站纪录资料，将每月平均气温分成五个等级，绘图3.1.5。与北半球对比略有不同，1980～1984年平均气温最低，说明我国大规模经济建设刚刚开始，大气污染并不严重，远好于发达国家。到1989年我国已成为世界大气污染最严重的十个国家之一。
图3.1.4 近代全球平均气温变化（1880～1993）
图3.1.5 中国近代气温变化细线
3.1.2.2 臭氧层遭破坏
臭氧层是20世纪初法国科学家法布里发现的，臭氧（O3）是大气中的微量成分，由于集中存在于平流层，距地面20～30 km范围，成薄层状分布（见图2.3.1），称臭氧层（约10×10-6）。
大气中氧分子在太阳紫外线（＜0.28 μm）辐照下，氧分子吸收光能，产生光化学作用，使氧分子（O2）分解成氧原子，再和另外氧分子结合，生成臭氧（O3）。臭氧在地面很少，到10 km以上开始逐渐增加，在20～30 km处达到最大值，再往上太阳紫外线过强，氧分子分解过多，原子少也难以形成臭氧。
臭氧能大量吸收太阳辐射的紫外线（95%），降低地面紫外线强度，保护地面上的人类和生物成为地球的保护层。在正常情况下，臭氧层的平均臭氧浓度变化很小，因为臭氧的分解和形成速率基本相当，一般变化在±2%以内。
臭氧层处于平流层的下部，大量吸收紫外线使自身增温（见图2.3.1），形成一个温暖的空气层（平流层），使对流层保持平均温度，是构成地球温室效应的一个因素。对保持大气环流和温度的垂直分布以及维持地球目前的气候都是相当重要的。
氟氯烷（CFCS）降低平流层中臭氧浓度，是1974年化学家（S.Rowland和M.Molina）进行计算提出的，并于1995年获诺贝尔奖。这些1930年发明的氟氯烷（CFCS）的废弃物大约要用10～20 a时间缓慢地从地面上升到平流层中，受高能的紫外线辐射后分解放出氯原子，而氯加速了臭氧分解为氧分子和原子。导致臭氧层的臭氧以高于其形成速率进行分解，使臭氧减少，臭氧层变薄（称空洞）。每个CFC分子可以在平流层停留65～110 a，在这段时间中每释放出一个氯原子（Cl+O+O3→Cl+2O2）就能将多达10×104个O3转变成O2。1976年以后观测到南极上空臭氧层较薄，1985年卫星资料分析表明臭氧迅速减少。1993年观测到臭氧空洞大于3倍美国面积。其实破坏臭氧层的不只是CFCS，表3.1.3所列的温室气体，都是大气臭氧层的破坏者，其中主要起作用的是氟利昂（CFC11、CFC12），其次是溴化物及氧化亚氮（N2O）。自20世纪80年代初期开始，臭氧层的臭氧量逐渐降低，图3.1.6是地球各纬向臭氧（平均值）总量距正常臭氧平均值的年际变化量（1965～1985）。可见南极1985年达最低值，为-15%，北极为-5%，60°N～60°S之间臭氧总量1987年减少3%～4%。臭氧层丧失的后果是地面紫外线增强，造成日光灼伤，形成白内障、皮肤癌，生物种群绝灭，粮食减产。
图3.1.6 各纬向气候带O3量变化（1965～1985年）
3.1.2.3 形成酸雨
酸雨又称为酸沉降，是指pH＜5.6的天然降水、酸性气体及其颗粒物的沉降。燃烧和汽车以及化学工业的酸雾等排入大气的SO2、NOx在大气中与水蒸气或其他颗粒物结合以两种方式沉降到地面：①湿式沉降：酸雨、雾、雪、水汽；②干式沉降：酸性气体及颗粒物。酸沉降引起的环境酸化是20世纪后半叶以来的最大环境问题之一。20世纪20年代发现大马哈鱼捕获量下降，1959年挪威鱼类专家提出酸雨与斯堪的纳维亚半岛鱼类消失有关，从而出现酸雨概念。20世纪50年代末北欧地区受工业酸性排气污染，出现酸雨，到80年代扩大到中欧；同时加拿大、美国酸雨沉降猛增。至此酸雨沉降已成为世界性的环境破坏因素，中国、日本、韩国、东南亚、南美以及非洲的尼日利亚、象牙海岸等都受到酸雨危害，分布很广泛，如图3.1.7所示。
酸雨沉降最为突出的地区是欧洲、北美和中国。最严重的地区是欧洲、北美中部和中国的西南部。近年来中国的华东、华南、华中也比较严重，华北部分地区也有酸雨出现。1994年77个城市调查统计，降水的pH＜5.6的占48.1%（1995年环境公报）。表3.1.4为部分城市降水的pH值。
图3.1.7 全球酸性沉降地区
酸雨使植物失去营养物质，甚至枯死；使鱼类死亡；使工业设施锈蚀；使土壤淋失，抑制土壤中有机物的分解和氮的固定；使土壤贫瘠化。
表3.1.4 我国部分城市降水的pH值
3.1.2.4 热污染与热岛效应
1970年统计世界消耗的能量相当于75×108 t标准煤的燃烧（而且以每年5.5%的速度增长），放出25×1010J的热量，主要集中在人口稠密的大城市，局部增温相当显著（表3.1.5）；高纬度寒冷地区城市更为明显，如莫斯科人为热量（QF）大于太阳全年辐射热。
表3.1.5 世界若干城市人为热排放量
城市地区排放进入大气的污染物质比较集中，仅就大气凝结核一项而言，在海洋上空凝结核平均含量为940粒/cm3，在大城市上空平均为147000粒/cm3，高出156倍。上海1998～1990年监测SO2和NOx两种污染物的结果，城区比郊县高出8.7倍和2.4倍。使城区低云量增多，能见度降低，平均温度比郊区增高，称为城市热岛效应。1984年10月22日20时，天气晴，风速1.8 m/s。广大郊区气温13℃上下，城区温度陡升（图3.1.8），老城区气温17℃，26中学18.6℃，比川沙、嘉定高出5.6℃。城市热岛效应一般将伴随着形成热岛环流。
图3.1.8 上海热岛效应