池德龙
气候变暖的主因
2023-12-4 12:18
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本文指出气候变暖的主因为大气污染加重与城市化推进。

 2023年10月比往年同期, 全球气温增幅与二氧化碳排放增幅不相关。2023年10月下旬比往年同期,中国多地气温增幅与空气质量指数增幅正相关。

由于1.大气污染削弱致大气电离的太阳辐射中紫外线,x射线及较短波,使大气电导率降低,导致地球多重德拜球层(CMDS)相邻层间CMDS-+(-:地壳所在层;+:电离层D所在层)释电减弱,引发对流减弱;2. 除极端情况外,大气污染对太阳辐射中红外线影响较小,红外线可穿透雾霾,加热地表;3. 地表气温与大气对流强度反相关。因此,大气污染加重会致地表气温升高。

城市化推进造成大气污染与热岛效应皆加重。

控制气候变暖,只有减小大气污染,抑制城市化推进,并减少城市及缩小城市面积。

人类追求文明进步,必须摒弃以城市化程度定义文明级别。 这是控制气候变暖的根本。

金星表面异常高温,因大气中严重雾霾而非二氧化碳。

二氧化碳与甲烷不是温室气体。

  背景

1.    全球热岛效应日益严重

地球是人类在宇宙中生存的唯一的家园。

人类在地球表面正持续地拓展城市,建设高速公路,高铁,机场,住宅,导致绿地,河流,湖泊日益减少。

全球热岛效应日益严重,由于

(1)      在城市扩张中,公路,铁路,机场及住宅等建筑物,是以水泥,柏油,钢铁等构成的。而水泥,柏油,钢铁等的热容小于水,绿地的热容,则在同强度太阳辐射下,水泥,柏油,钢铁等建筑物上方的气温高于绿地,河流,湖泊上方的气温。因此,在夏季下午,城市上方的气温高于郊区农村上方的气温。这种城乡空气温差被称为城市热岛效应 (UHIE)或热岛效应(HIE)。图1所示(1-3)。

(2)      目前,全球城市总面积正在日益增大,而绿地,河流,湖泊的总面积正在日益减小。

图1. 城市热岛效应

在夏季下午,城市地区通常比周围的农村地区温暖,是由多种因素驱动的,其主因是水泥,柏油,钢铁等的热容小于水,绿地的热容,次因是城市化地区普遍存在黑暗、干燥的表面。

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2.    全球大气污染日益严重

人类由乡村生活,工作转入城市生活,工作,必然导致源于生活,工作向大气排放的污染物增多。而绿地的减少,对大气污染物的吸收,降解减少。因此,城市化进程的持续必导致大气污染日益严重。目前全球大气污染已经非常严重,如图2所示(4-6

图2. 2023年11月18日11点(北京时间)全球各地空气质量指数(AQI)概况

目前全球大气污染非常严重,严重威胁到人类生存。在城市化程度越高的区域和正在推进城市化的速度越高的区域,大气污染越严重, 即空气质量指数(AQI越高。

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3.    气候变暖日益严重

2023年10月全球气温破历史记录,图3所示。

2023年10月的全球平均气温为15.30°C,同前几个月破记录的方式类似,也表现为大幅度超越平均值和以往最高值,比1991-2020年30年的平均值高出0.85°C,较以往最热的10月高0.40°C。若从平均温度异常值分析,10月的异常幅度仅次于今年9月,为历史第二高值,比1850-1900年(工业化前参考期)10月份的平均温度高出约1.7°C(7

图3. 2023年10月全球气温

2023年10月全球气温明显高于以往同期水平。

历年10月全球地表气温异常值.png

4.   大气运动的动力

由于大气中压强(即气压)分布不均匀,处处都有压强梯度,即气压梯度。气体微团在压强梯度力(即气压梯度力)的作用下,有从高压向低压运动的趋势。单位质量气体团所受压强梯度力(即气压梯度力)为

screenshot_20231204_111229.jpg,它在x, y, z三个方向上的分量为screenshot_20231204_111257.jpgscreenshot_20231204_111405.jpgscreenshot_20231204_111427.jpg

a.             压强梯度力(即气压梯度力)的方向垂直于等压面,从高压指向低压。

b.             压强梯度力(即气压梯度力)正比于压强梯度(即气压梯度),而不是压强(即气压)本身(8)。

      (2) 地球多重德拜球层(CMDS)相邻层间释电上升力,充电下沉力

在地球多重德拜球层(CMDS)相邻层间充释电动态平衡中,处于相邻层间的物质团块,会受到流经它的相邻层间释电的上升力作用,或受到或流经它的相邻层间充电的下沉力的作用(9)。如图4所示。

CMDS相邻层间CMDS-+(-:地壳所在层;+:电离层D所在层)释电上升力驱动对流层中气团上升,可形成龙卷风(包括台风)等强对流天气。

图4.地球多重德拜球层相邻层间充电下沉力与释电上升力

地球多重德拜球层相邻层间(-:地壳所在层;+:电离层D所在层)充电条(柱),释电条(柱)会受到下方层的库仑力作用。

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  追溯2023年10月全球气温破历史记录的成因

2023年10月与2022年10月对比,在全球经济危机的大背景下,工业生产乏力,城市总面积增幅微小,能源消耗增幅微小或减少,则二氧化碳排放增幅微小或减少,但全球气温却增幅很大(图3)(10)。这明显地表明二氧化碳的排放不是气候变暖的主因。因此,亟需对气候变暖的主因做进一步的探索。

  202310月下旬100多个国家级气象站破高温极值的突出环境因素

在2023年11月3日举行的新闻发布会上,中国气象局发布了信息:10月全国平均气温12.2℃,较常年同期偏高1.6℃,为1961年以来同期最高。100多个国家级气象站破10月下旬高温极值(11)。

1. 北京2023年10月下旬气温破历史记录及其突出的环境因素

(1) 2023年10月下旬(10月21日至31日),北京市观象台平均气温为14.5℃,比常年同期偏高3.4℃,为1961年以来历史同期最高。

 (2) 10月下旬的环境因素中,突出的是严重的空气污染,如图5,6所示。

           (3) 在11月初,气温也超历史同期水平,空气污染也严重,如图6,7所示(12-14)。

2. 100多个国家级气象站破10月下旬高温极值及其突出的环境因素

近同于1,2023年10月下旬,100多个国家级气象站所在位置的空气污染普遍严重,除了云南,贵州,西藏等极少数省,自治区之外。

图5. 北京2023年10月下旬,每日的最高气温最低气温天气, 风力/风向,空气质量指数

2023-10下旬环境北京.jpg

图6. 2023年10月初-11月初每日空气质量指数

2023-10-11雾霾指数.jpg

图7. 北京2023年11月初,每日的最高气温,最低气温天气, 风力/风向,空气质量指数

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  北京2019-2023年10月下旬日均气温-日均空气质量指数统计分析

1.   2019-2023年10月下旬日均气温-日均空气质量指数统计表

时期

日均气温(°C)

日均空气质量指数(AQI)

统计结果

2019年10月 21-31日

11.64

   

78.82

   

2023年10月下旬日均气温比前四年同期日均气温大幅增加3.68°C

 

2023年10月下旬日均空气质量指数比前四年同期日均空气质量指数大幅增加29.1

2020年10月 21-31日

2021年10月 21-31日

2022年10月 21-31日

2023年10月 21-31日

    15.32

    108  

2019-2022年10月下旬气温及其环境因素,如图891011所示。

2.   分析

2023年10月下旬日均气温,日均空气质量指数同步大幅超越前四年(2019-2022年)10月下旬的日均气温,日均空气质量指数,展示出气温增幅与空气质量指数增幅正相关(screenshot_20231204_104203.jpg)。换言之,气温增幅与大气污染加重幅度正相关。

图8. 2019年10月下旬每日的最高气温,最低气温天气, 风力/风向,空气质量指数

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图9. 2020年10月下旬每日的最高气温,最低气温天气, 风力/风向,空气质量指数

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图10. 2021年10月下旬每日的最高气温,最低气温天气, 风力/风向,空气质量指数

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图11. 2022年10月下旬每日的最高气温,最低气温天气, 风力/风向,空气质量指数

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  大气污染致地表升温的动力机制

1.           大气污染对到达地表的太阳辐射的影响

雾霾或大气污染,会削弱致大气电离的紫外线(UV)、X 射线和较短波长太阳辐射,但对太阳辐射中的红外线影响较小,红外线可穿透雾霾,如在白天雾霾天气中可以清晰红外线热成像。红外线照射地表使其升温(15-25)。

2.           大气污染致对流减弱

(1)      地球多重德拜球层(CMDS)相邻层间CMDS-+(-:地壳所在层;+:电离层D所在层)大气对流强度与相邻层间CMDS-+(-:地壳所在层;+:电离层D所在层)释电强度正相关。

(2)      相邻层间CMDS-+(-:地壳所在层;+:电离层D所在层)释电强度与该相邻层间的电导率正相关。

(3)      相邻层间CMDS-+(-:地壳所在层;+:电离层D所在层)的电导率与该相邻层间大气电离度正相关。

(4)      CMDS-+(-:地壳所在层;+:电离层D所在层)的大气电离度与致大气电离作用强度正相关。

(5)      致大气电离主要为紫外线(UV)、X 射线和较短波长太阳辐射

(6)      由于大气污染削弱紫外线(UV)、X 射线和较短波长太阳辐射地球多重德拜球层(CMDS)相邻层间CMDS-+(-:地壳所在层;+:电离层D所在层)大气对流强度与大气污染程度反相关,即大气对流强度与空气质量指数反相关。换言之,大气污染致对流减弱。

3.     地表气温与大气对流强度反相关

地球大气的对流层的底部温度(即地表气温)高于对流层的顶部温度,对流运动可实现热交换,从而消减温差,降低对流层底部温度(即地表气温)。因此,地表气温与大气对流强度反相关(26-28)。

4.           大气污染致地表气温升高

             依据1,2,3,地表气温与大气污染程度正相关,即地表气温与空气质量指数正相关。因此,大气污染可导致气温升高,

             大气污染越严重,气温越高。


  气候变暖的主要因素与主导因素

1.    主要因素为

(1)              大气污染越来越严重:全球大气污染越来越严重,引发全球大气对流越来越弱,造成气候变暖。

(2)              城市持续拓展:全球城市持续拓展,导致全球的城市热岛效应越来越严重,造成气候变暖。

2.    主导因素为城市持续拓展

            城市持续拓展导致大气污染越来越严重,基于建筑材料的生产,供暖和交通设备的使用等都会向大气排放大量污染物。


  金星表面异常高温的主因

1.     图12所示,金星表面大气的物理状态(2930)。金星表面大气中严重雾霾,削弱致大气电离的太阳辐射(紫外线,x射线和较短波),导致低层大气的电导率极低,引发金星多重德拜球层(CMDS金星)相邻层间CMDS金星-+(-:地壳所在层;+:类地电离层D所在层)大气对流极弱。

2.     雾霾对红外线影响较小,红外线可穿透雾霾。红外线照射地表使其升温。

由1,2所致金星表面异常高温(467°C)。

图12 .金星表面大气的物理状态

金星表面大气中存在严重的雾霾,如黄色所示区域。

金星大气中雾霾.jpg

   讨论

1.     除了极端大气污染事件,如核弹爆炸,外来星体(小行星,彗星)或它的较大碎片撞击地面时大爆炸,以及特别剧烈的火山喷发等引发的尘埃蔽日,可造成气温降低,大气污染通常只会削弱太阳辐射中紫外线,x射线和较短波,而对红外线影响较小,红外线可穿透雾霾, 加热地表(31-33)。因此,大气污染在致对流减弱的基础上导致地表气温升高。

2.     人类只有减小大气污染,同时抑制城市化推进,并减少城市,缩小城市面积,才能有效控制气候变暖。

3.     通过控制二氧化碳的排放来控制气候变暖是治标不治本。这也是近些年全球未能有效控制气候变暖的根本原因。

4.     增加城市内部的绿化面积,不但可有效地吸收,降解大气污染成分,还可抑制气候变暖。所以,应大力发展城市立体绿化,减弱热岛效应与减少大气污染,从而可抑制气候变暖。

5.     人类追求文明进步,不应片面地以城市化程度来定义文明的级别。 这是控制气候变暖的根本。

6.   从2003年起,全球气温逐渐攀升至今,图3所示。鉴于住宅建设及城市化对局地和全球的大气污染,气候变暖的贡献,人类应禁止基本住房商品化,以防止该种商品泛滥,也避免人类生存所需的其它基本资源(如水,空气等)也逐渐沦为高昂的商品。

7.     在雾霾天气中可清晰红外线成像,表明红外线可衍射穿越气溶胶粒子群。而二氧化碳,甲烷的分子长度远小于气溶胶粒子的直径(如PM2.5),如图13所示3435。除了它们(二氧化碳,甲烷)不是离散分布于大气中,红外线必可衍射经过它们。因此,它们不是温室气体。

图13.二氧化碳与甲烷分子的结构

二氧化碳与甲烷的大小.jpg

结论

1.     气候变暖源于人类追求文明进步中错误地以城市化程度来定义文明的级别。

2.     在城市化推进中大气污染,热岛效应日益严重,导致气候变暖。

3.     控制气候变暖,必须纠正人类对文明发展的错误认知,落实减少大气污染,抑制城市化推进,减少城市,缩小城市面积。


    致谢

   衷心感谢科学网及其荟萃的多位老师给予我的激励与支持!

   参考文献

1.      Specific heat capacity, https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_heat_capacity

2.      Solids - Specific Heats

https://www.engineeringtoolbox.com/specific-heat-solids-d_154.html

3.      Pavement thermal performance and contribution to urban and global climate,

https://www.fhwa.dot.gov/pavement/sustainability/articles/pavement_thermal.cfm

4.      Air quality index , https://en.wikipedia.org/wiki/Air_quality_index

5.      2022空气质量指数年度报告,https://aqli.epic.uchicago.edu/wp-content/uploads/2022/06/AQLI_2022_Report-Mandarin-Global-map.pdf

6.      世界空气污染: 实时空气质量指数,https://waqi.info/cn/

7.      许小峰,温暖的10月再破全球气温历史记录

https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=1310230&do=blog&id=1409512

8.      陈月娟等,大气-海洋学概论,100,ISBN:978-312022456(2009)

9.      池德龙,龙卷风的动力机制与磁场,https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3474929&do=blog&id=1392026

10.    2023年世界经济形势与展望,https://desapublications.un.org/sites/default/files/publications/2023-01/WESP2023ExecutiveSummaryC.pdf

11.    100多个国家级气象站破10月下旬高温极值

https://news.cctv.com/2023/10/28/ARTIYcizZvW9GK2Gpxt2CYZy231028.shtml

12.    北京2023年10月下旬气温比历史同期偏高3.4℃http://www.bj.news.cn/20231102/bfb58c5e807a45d98e92bd1c3adfb5cf/c.html

13.    空气质量,https://www.iqair.cn/cn/china/beijing

14.    气温历史,https://tianqi.2345.com/wea_history/54511.htm

15.    Ionosphere , https://en.wikipedia.org/wiki/Ionosphere

16.    Haze,  https://en.wikipedia.org/wiki/Haze

17.    雾霾的危害与预防,  http://www.nssc.cas.cn/ggl/ggl/201512/t20151202_4486351.html

18.    Marie MusiolkováPeter HuszárMartin NavrátilVladimír Špunda ,Impact of season, cloud cover, and air pollution on different spectral regions of ultraviolet and visible incident solar radiation at the surface

https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/qj.4102

19.    Infrared,https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared

20.    Infrared Waves, https://science.nasa.gov/ems/07_infraredwaves/

21.    Thermographic camera,  https://en.wikipedia.org/wiki/Thermographic_camera   

22.    Infrared cameras ,https://www.rp-photonics.com/infrared_cameras.html

23.    红外线的透雾摄像,https://www.guideir.cn/about-us/news/marketing-activity/data_410.html

24.    雾霾天气中红外热像仪成像测试报告,http://news.eeworld.com.cn/afdz/2014/0110/article_6666.html

25.    红外热成像仪的工作波段,https://www.magnity.com.cn/article/id/99.html

26.    Convection ,https://en.wikipedia.org/wiki/Convection_(heat_transfer)

27.    大气对流,https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal

28.    Troposphere,https://en.wikipedia.org/wiki/Troposphere

29.    Venus,  https://en.wikipedia.org/wiki/Venus

30.    Atmosphere of Venus,  https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Venus

31.    Nuclear winter, https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_winter

32.    Impact winter ,https://en.wikipedia.org/wiki/Impact_winter

        33. Volcanic winter , https://en.wikipedia.org/wiki/Volcanic_winter

34.  Carbon dioxide , https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide

35.   Methane https://en.wikipedia.org/wiki/Methane


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