現今的能源：煤與二氧化碳對氣候的影響

化學原理啟迪226

1.      煤礦來自於植物殘骸，植物殘骸被埋在地底，經過很長一段時間的壓力與熱後轉變成煤。植物的材質大多是纖維，這種大型複合分子的實驗式是CH2O，莫耳量大約是5000,000。

2.      地球在不同時期覆蓋著茂密的植物或樹木，這些植物死亡、埋到地底之後發生化學變化，纖維分子的氧與氫逐漸下降。煤的成熟度可分為四個階段：褐煤lignite、亞煙煤subbituminous、煙煤bituminous、無煙煤anthracite。

3.      從第一階段的褐煤到第四階段的無煙煤，「碳：氧」的比例和「碳：氫」的比例逐漸提高，意思就是，含碳的比重逐漸提高。煤的含碳量增加，燃燒後提供的能量也增加。無煙煤是最有價質的煤，褐煤經濟價值最低。

4.      美國最重要也最豐富的燃料就是煤，大約供應美國20％的能量。隨著石油供應的減少，煤對能量的供應比重提高到30％。然而，煤是比較貴且危險的地底礦，而且開採美國中西部肥沃的農田或西部的風景名勝，會造成許多破壞自然環境的問題。

5.      此外，燃燒煤，尤其是硫含量高的煤，會產生污染問題，例如燃燒產生的二氧化硫會造成酸雨。即使燃燒的煤礦是純碳，燃燒產生的二氧化碳仍舊明顯影響地球氣候。

6.      【二氧化碳對氣候的影響 Effects of Carbon Dioxide on Climate】太陽帶給地球大量的輻射能，地球的大氣層大約會反射30％的輻射能回太空中，剩下的能量會穿透大氣層到地球的表面。

7.      進入地表的能量一部份被植物以光合作用吸收，另一部份被海洋吸收，並且使得海水表面蒸發，但是大部分是被土壤、岩石、水吸收，造成地表溫度增加。然後這些能量再從被加熱的地表輻射到空中，稱為紅外線輻射infrared radiation。

8.      大氣層就像玻璃窗，是透明的，可見光可輕易地穿過，但無法讓紅外線穿透。大氣層中的分子，主要是H2O和CO2，非常會吸收紅外線輻射，把這些能量卡在大氣層中。有一定份量的熱能保留在大氣層中，使得地球比沒有大氣層的狀態暖和許多。

9.      大氣層扮演溫室玻璃的角色，溫室玻璃外牆允許可見光穿透到溫室中，但是會吸收其中的紅外線輻射，因此提高溫室內的溫度。金星上的溫室效應特別明顯，金星上的大氣層非常濃密，是造成這個星球表面高溫的主因。

10.  大氣層內二氧化碳與水的含量會控制地球表面的溫度。美國中西部的氣候可看出大氣層濕度的效應。夏天濕度很高，太陽的熱保留到夜晚，使到晚上的溫度非常高。另一方面，冬季的晴朗的夜晚溫度低，因為低濕度能有效地讓輻射能反射回太空。

11.  大氣的水含量操控在水的循環（蒸發與沈澱），而且平均水含量會好幾年保持不變。

12.  然而，如果石化燃料過度使用，二氧化碳的濃度就會明顯增加。從1880到1980年二氧化碳的濃度共增加16%，過去二十年二氧化碳濃度仍持續增加。

13.  有些研究顯示，21世紀大氣中二氧化碳的含量可能會是1880年的2倍。所以地球的溫度將會增加3℃，造成氣候戲劇性的改變，並且大大影響作物的成長。

14.  我們怎麼準確地預測長期效應呢？因為我們研究氣候的時間長度與地球史的壽命相比，只佔非常非常小的比例，我們並不清楚瞭解在這麼長的地球史中，控制地球氣候的各種因素。舉例來說，我們並不瞭解是什麼造成地球冰河期，所以事實上我們很難預估二氧化碳增加對氣候的影響。

15.  事實上過去一個世紀地球溫度的變動令人感到困惑。上一個世紀的北緯地區，過去六十年平均溫度提高0.8℃，然後接著的25年溫度下降0.5℃，最後20年又提高0.2℃。這種溫度變動與二氧化碳穩定增加毫不符合。

16.  然而，在南緯與靠近赤道的地區，上個世紀的平均溫度持續增加0.5℃。這個數值符合上個世紀二氧化碳濃度增加會產生的溫室效應。另一個明顯的事實是，20世紀的最後10年，是有紀錄以來最暖和的10年。

17.  雖然大氣含二氧化碳的濃度與地球溫度之間的關係至今還不十分清楚。但大氣中二氧化碳濃度的增加確實十分戲劇性。我們必須思考二氧化碳的增加，如同我們必須思考未來的能量需求。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 的《化學原理Chemical Principles》

徐弘毅：

1.      人類如果無止盡地使用石油、煤這些石化產物，遲早有一天也會用完的，為了人類與地球生態永續的發展，人類必須積極地研發新的能源來源，包括太陽能、風力、水力、溫差、生質能源……。

2.      但是最有效的節能減碳與保護自然環境的方法是：減少人類的人口數。當地球上的人類由七十億減少到五十億或三十億人口的時候，自然就不需要那麼多的能源消耗；人類的生活空間因此變大，糧食危機問題、生活空間問題、傳染病問題、自然生態保育問題……也都可以獲得有效的解決。

3.      人類會不顧一切地消耗能源，不顧一切地繁殖生育、不考慮任何後果，不顧一切地拚命賺錢與貪婪，最主要的原因是：知識程度不足造成喪失理性，生物慾望過份衝動。知識水準低的國家，人口通常都過份膨脹，例如蔣經國、李登輝統治時期的台灣。

4.      多數的科學家都拚命地在想如何研發新產品，來滿足其他人類的慾望與貪婪，這當然也是一種現代低能兒的思維模式；真正有智慧的科學家在研究的是，如何把科學知識教育給更多的下一代，促進人類的理性發展，讓人類習慣思考因果關係，思考人類永續發展的問題。

5.      不幸的是，絕大多數學習法律、政治、新聞、經濟的學者與政客，都比多數的科學家低能，都在努力地想要滿足與刺激自己或社會大眾的貪婪。