杂说生活中的碳（2）燃料与碳排放

人之所以成为人，最重要的发明之一就是火的利用。而千百年来，其燃料就是草木，都是含碳的化合物。

燃烧草木产生火焰，可以取得热量，或烹饪，或取暖，都是人们所需要的。当然，燃烧草木必定会产生烟气。于是，古代有人之处必有火有烟，称之人烟。

烟气的成分主要是燃烧产生的二氧化碳、水蒸气、未燃烧的碳颗粒、灰烬粉末等，也有少量成分非常复杂的有机分子。

烟气污染环境，如今是非常令人讨厌的。但是在古代，由于总人口不多，而有人必有炊烟。所以，人烟稠密、人烟辐辏（强调聚集）、人烟阜盛（突显繁盛）都是好字眼，说那里的人生活好，大家都愿意去。“四方之民襁负其子而至”，这是孔夫子的理想国。

相反，人烟稀少就不大好，杳无人烟就更糟糕，往往是生活条件恶劣之处，或者战乱之处。

几千年来，草木一直作为居民主要的燃料。我小时候，苏州的城市居民仍然是以稻草作为主要燃料的。1950年代中期，国家开始供应小煤球，比乒乓球略大一点，开始了那里的居民以工业产品作为燃料的历史。

过了几年，小煤球换成了蜂窝煤。蜂窝煤燃烧得比小煤球彻底一点，而且煤炉也得到了改造，可以把炉子封上，这样就不用每天早起生炉子了。

煤的主要成分也是碳，也正是这个原因，煤被称为煤炭。各种煤的成分相差颇大，除了碳之外的主要成分是氢，也有一些氧，还含有少量的硫和氮。平均起来，煤可以大致有这样的“分子式”：C135H96O9SN。其结构大致可以有下图所示的模型

由图可见，煤中含有大量的环状芳烃，也有少量含有硫和氮的杂环。这样，煤是环状芳烃的重要来源。不过，在作为燃料燃烧的时候，也容易释放出环状分子污染环境。含硫的煤，燃烧时还产生二氧化硫。

无论是草木还是煤炭，在家庭炉子作燃料，其燃烧的产物，除了二氧化碳之外，还会产生许多对人体健康不利的分子。一氧化碳容易使人中毒，而在燃烧不充分的情况下，产生一氧化碳是必然的。由于家庭条件下炉子燃烧的温度不够高，氧气的供应也不充分，草木和煤炭燃烧时都容易产生苯并芘。苯并芘是并合在一起的环状化合物，具体一点说是苯和芘并在一起的化合物，这是一种强烈的致癌物。顺便强调一下，香烟等烟草制品燃烧时，烟气中也有苯并芘。

相对草木和煤炭的燃烧，燃气的燃烧就清洁得多。正确使用燃气炉，燃气基本上都能够燃烧成为二氧化碳。由于城市居民区的人口密度大，燃烧煤炭产生的不良烟气不容易被稀释散开，危害更大。所以，城市居民首先把燃料换成燃气就是必然的选择。

现在城市居民一般都用上了燃气，据住房建设部公布的资料，到2023年底，城市居民的燃气普及率达98.25%；管道燃气普及率达83.46%。

所谓燃气，我用过的有如下几种。80年代，我用过液化石油气，那是贮存在钢瓶中的。90年代，用过由管道输送的焦炉煤气。现在用的是管道天然气。

液化石油气可以来自炼油厂，是裂解石油的产物。主要含有丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等三四个碳原子的烃，也有少量五个碳的烃，加压后放入钢瓶内。液化气也可以来自天然气，基本上不含烯烃。

焦炉煤气则是炼焦厂中煤干馏的裂解反应产物。主要成分是氢气和甲烷，也有一些一氧化碳，还有二氧化碳和氮气。

天然气的成分主要是甲烷，应当占85%以上。

这些燃气主要成分都是碳氢化合物即所谓烃类。但是由于一般计量燃气都以立方米计算，在相同气体体积内，甲烷、乙烷、丙烷的分子数相差不大，但是一个丙烷分子中含有的碳原子和氢原子的数量，比乙烷多，更比甲烷多得多。所以相同体积的燃气，燃烧时放出的热量，丙烷多于乙烷，更远大于甲烷。这样，我们看到的以体积计量的燃气的价格，液化石油气最贵，甲烷气（天然气）次之，焦炉煤气最便宜。这个价格正是按照它们能够发出的热量而制定的。

如今居民日常生活中的能量来源，主要是燃气和电。电能是二次能源，它虽然可以由太阳能、水能、风能等一次能源转化而得，但是如今发电所用能源最稳定的来源还是煤炭、石油和天然气等所谓化石能源。

在工业和其他产业方面，能源也主要来自煤和石油产品即化石能源。

从这些能源中取得能量的过程，其实质是碳元素或氢元素与氧元素的结合从而释放出能量的化学反应。

C + O2 = CO2

2H2 + O2 = 2H2O

由于近几百年人类工业化社会以来，特别是近百年来，人们消耗能源的数量突飞猛进地增长，引起大气中二氧化碳数量的大幅增加，使得温室效应越来越大，地球表面温度急剧上升，造成了一系列新的环境问题。这些环境问题包括两极冰山的融化引起海平面的上升、各种极端气候灾害的频发等等。

为什么人们要把温室效应的加剧归因于大气中二氧化碳的增加呢？

人所共知，万物生长靠太阳，我们地球上的热量，靠的是太阳的辐射。这里的所谓辐射主要是指各种频率的电磁波。

任何物体，只要是有温度的物体，即原子在运动的物体，都在不断地发射电磁波。这些电磁波的频率，从高到低分别为伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线等。温度越高，发出高频电磁波越多。而低温物体，只能发出红外线这样频率较低的电磁波。

太阳在不停地进行热核反应，从而温度很高，表面温度有六千度，它不断地向太空辐射出各种频率的电磁波。这些电磁波照射到地球，引起地球的温度上升。地球也会把能量辐射到太空，由于地面温度较低，它辐射出去的电磁波将以红外线的形式。

如果地球表面没有大气层，当太阳辐射照射到地面，地面温度迅速上升。到了晚上，地面仍然在把能量以红外线的形式向太空发射，引起温度迅速下降。这样，我们地面的温度就将是大白天是二百多度，晚上则可能迅速降到零下一百多度。这样的温度变化，地球上就不可能有现在形式的生命。

幸亏地球表面有厚厚的大气层。空气的主要成分是氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气以及少量的惰性气体，在高层还有臭氧即三个氧原子组成的分子。

氮气和氧气都是双原子分子，分子中两个原子在不断地振动，整个分子也在不停地转动。这些分子转动和振动频率的间隔在某些特定的红外范围中，也就是说，这些分子能够吸收或放出一定频率的红外线。它们吸收一定频率的红外线引起振动或转动加剧，从而使得分子的能量增加，宏观上就是气体的温度上升。相反，它们发出一定频率的红外线，宏观上引起温度下降。

当太阳辐射到达地球之后，频率最高的伽马射线、X射线以及频率比较高的紫外线都被臭氧分子和高层的空气吸收了。他们把臭氧分子O3打碎，成了氧原子O和氧分子O2。也可以把氧气分子打碎成为两个氧原子。这些高频率的辐射基本上到不了地面。

一部分频率较低的紫外线以及可见光的能量不足以打碎氧气和氮气分子，但是又比引起氮气分子和氧气分子的振动的频率高，因而它们与氮气氧气等大气分子都没有什么作用，因此大气对可见光基本上是透明的。可见光可以照射到地面，被地面吸收，引起地面温度的上升。

一部分红外线的频率正好与引起空气中某些分子振动或转动的频率相匹配，因而被空气截留，引起空气温度的上升。大部分则照射到地面引起地面温度的上升。我们感到太阳的温暖，主要是由于这些红外线的照射。

无论是白天还是黑夜，地面仍然要向外发射红外线，但是由于有空气的存在，地面发射的许多红外线被空气所截留。这些空气也发射红外线，一部分发向了太空，另一部分又回到了地面。由于空气能够吸收一部分红外线，使得太阳照射到地面的能量，不会全部散发回太空。这样，我们在地面上就能够比较温暖，而且日夜温度也能够保持比较缓和的变化。也正因为如此，才有了如今这样的生物圈。

我们地面上用玻璃或塑料薄膜做成的温室，也正是类似这样的作用。所以，大气的这种作用称为温室效应。

温室效应给地球上生物的生长创造了良好的条件。但是，现在的问题是，温室效应太强了，增加得太多、太迅速，致使地面温度升高太快，这就造成了大的问题。

广义地说，所有的大气都是温室气体，氮气、氧气、二氧化碳、水蒸汽，都起到了温室气体的作用。但是，在这些气体中，相同体积的气体，起到的温室作用是不相同的。这是因为它们吸收红外分子频率的“本领”不同。

氮气、氧气这样的双原子分子，由于只有一种振动模式。与它们匹配的红外频率少，吸收红外线的能力就小。

二氧化碳是三原子分子，振动和转动模式比氮气氧气复杂，吸收红外线的能力要强得多，引起温室效应的能力也强得多。同样，水蒸气也是强的温室气体。像甲烷、氟利昂之类的分子，其温室作用又比二氧化碳强了许多倍，但是这些分子的数量远少于二氧化碳和水蒸气。

但是，这么多年以来，在大气的各种成分中，氮气、氧气和水分子并没有像二氧化碳这样有明显的增加。因而，温室效应增加的原因，就在很大程度上归于二氧化碳的迅速增加。

人们把因人类活动产生的二氧化碳等温室气体排放到大气中的过程称为碳排放。化石能源的使用是碳排放的一个最重要的途径。而我们日常生活的许多活动都会引起碳排放。

如何尽可能减少碳排放，就是摆在我们面前的重要任务。

在社会发展比较健全，经济发展比较快的时候，人们比较容易接受减少碳排放。当经济和社会发展遇到困难的时候，人们就往往忽视碳排放的问题了。这是我们需要注意的问题。