1. 全球气候变暖

全球气候变暖一般包括气温升高、海平面上升和降水增加三个方面的内容。对过去100多年中全球气温的研究表明，全球平均地面温度上升了0．3～0．6℃，1981～1990年全球平均气温比1861～1880年上升了0．48℃，20世纪50年代以后全球平均气候约比19世纪下半叶升高了0．612℃。100年来，地球上两极冰川融化后退，海平面上升了14～25 cm。全球陆地降雨量增加了1％。有专家预测，考虑到海水热膨胀、冰雪融化、降水增加等综合因素，全球气温在本世纪可能升高1．5～4℃，海平面可能上升20～165cm。从近6亿年全球周期性气候冷暖变化的地质发展规律来看，目前地球正处于冰期向间冰期的过渡时期，全球性气候变暖是必然的，人类活动所造成的“温室效应”(greenhouse effect)加快了全球变暖的趋势。

所谓“温室效应”是地球上早已存在的自然现象，由瑞典诺贝尔化学奖获得者S．阿伦纽斯在1896年提出的概念。大气中的某些组分，如三原子气体能让太阳短波辐射通过，但却可以强烈地吸收长波辐射，就像温室中玻璃保温一样，使地表大气温度提高。据科学家估算，如果不存在温室效应，地球表面的温度将不是现在的15℃，而是－18℃。

自然界的任何物体都有热辐射，温度越高，辐射能量越大，辐射波长就越短。太阳表面平均温度约为6000K，以300～800nm的紫外光、可见光等短波辐射透过大气被地球表面吸收；而地球表面平均温度约为288K，以16000nm的红外长波辐射形式将到达地表的太阳能向外空间反射，从而维持地球的热平衡。由气体分子结构和分子光谱的原理可知，大气中的CO₂和其它微量气体如CH₄、CFC_{s (}氯氟烃)、H₂O、N₂O、O₃等可以使太阳的短波辐射几乎无衰减地通过，但却可以吸收地面反射的长波辐射，阻止地面向外空间散失能量，使大气温度升高。因此，这些气体有类似温室的作用，故称上述气体为“温室气体”(green housegas)，由此产生的效应称为温室效应。目前由于人类活动增加了大气中的温室气体，温室效应加强了，因而导致全球气候变暖。

大气中能产生温室效应的气体已经发现近30种。从对增加温室效应的贡献来看，最重要的气体是CO₂，大约起66％的作用，其次，CH₄和CFCs分别起到16％和12％的作用。CO₂是一种比较稳定的化学物质，它在大气中的保留时间可达l0年以上，而且较少参与大气中的各种化学反应。大气中CO₂浓度增加的人为原因主要是化石燃料的燃烧和森林植被的毁坏两个原因。据估算，化石燃料燃烧所排放的C0₂占排放总量的70％。1850年工业革命后，人类活动使大气中CO₂体积分数由0.028%增加到1991年的0.0383%，100多年来增长了20～30%。到本世纪中叶，化石燃料仍然是人类的主要能源，而且需求还将增加，大气中的CO₂体积分数将达到0.056%以上。大气CO₂增加的另一个原因是陆地植物系统的破坏。据科学家估算，全球绿色植物每年能吸收285´10⁹t CO₂，其中森林就可吸收其中的42％。热带雨林的破坏，使大气层每年增加17´10⁹t CO₂，这个数字相当于世界燃烧放出的CO₂的总量，所以森林在地球上以极快的速度消失是导致全球性气温升高的又一个重要原因。

CH₄在大气中的含量极少，但对温室效应的贡献是同样数量C0₂的21倍。由于随着人口和人类活动的增加，家畜饲养、生物体分解、煤矿和天然气的开采、以及工业生产等活动的CH₄排放也增加，使得大气中甲烷已经从工业革命开始前的0．7´10^-6增长到1992年的1．7´10^-6，增加了将近150%，而且正以每年1％～2％的速度增加。目前全球甲烷每年排放约5．5亿t，其中2/3左右来自人工源。氯氟烃(CFCs) 的商业名称为氟利昂，它的温室效应作用不仅是同样数量C0₂数千倍，危害极大，而且破坏臭氧层的作用更加令人关注。

全球变暖可能造成的影响有：①人类的传染病、心血管和呼吸道疾病发病率增高，危害增大；②生物物种的迁徙可能跟不上气候变化的速率，影响动植物的分布；③加剧全球干旱、洪涝等气象灾难事件的频率和程度；④海平面上升会对经济相对发达的沿海地区产生重大影响；⑤全球范围农作物的产量和品种的地理分布将发生变化。

2. 臭氧层损耗

臭氧（O₃）在大气中的含量非常微少，仅占一亿分之一。臭氧层存在于距地面高度20～30km范围平流层中，其中臭氧的含量占这一高度上的空气总量的十万分之一。臭氧含量虽然极微，却具有非常强烈的吸收紫外线的功能，它能吸收波长为200～300nm的紫外线。正由于臭氧层能够吸收99％以上来自太阳的，对生物具有极强的杀伤力的紫外辐射，从而保护了地球上各种生命的存在、繁衍和发展，维持着地球上的生态平衡。

科学家观察证实，近40年来，大气中臭氧层的破坏和损耗越来越严重。自1975年以来，南极上空每年早春(南极10月份)总臭氧浓度的减少超过30％。1985年，南极上空臭氧层中心地带的臭氧浓度极为稀薄，近95％被破坏，出现所谓的臭氧层“空洞”。到1994年，南极上空的臭氧层破坏面积已经达2 400万km2。臭氧空洞发生的持续期间和面积不断延长和扩大，1998年的持续期间为100天，比1995年增加23天，而且臭氧洞的面积比1997年增大约15％，几乎可以相当于3个澳大利亚。南极上空的臭氧层是在20亿年里形成的，可是在一个世纪里就被破坏了60％。北半球上空的臭氧层比以往任何时候都薄。欧洲和北美上空的臭氧层平均减少了10％～15％，西伯利亚上空甚至减少了35％。20世纪80年代，中国昆明上空臭氧平均含量减少1．5％，北京减少5％。

臭氧层损耗原因目前还在探索之中，仍然存在着不同的认识，但人类排放的许多物质能引起臭氧层破坏已成了不争的事实。这些物质主要有氟氯烃(CFCs)、哈龙、氮氧化物、四氯化碳以及甲烷)等，其中破坏作用最大的为哈龙与氟氯烃类物质。

氟氯碳(氟利昂)和哈龙的存在是臭氧层遭到破坏的主要原因。氟利昂主要用于致冷剂、发泡剂、清洗剂以及火箭使用的推进器等，而哈龙则是高效灭火剂。进入平流层的氟利昂和哈龙在强烈的紫外线照射下，其分子吸收光子进行光解反应等，释放出具有催化活性的原子态氯和溴。而O₃吸收大量太阳强辐射后会产生激发态氧原子(O)，如果激发态氧原子遇到具有催化活性的基团、原子或分子，就会发生化学反应而被消耗掉。这种反应基本上属于活化能很小的热化学反应，反应快速并容易进行，可循环反应多次，如原子态Cl与O₃反应形成ClO 与O₂，而ClO遇到O原子又反应成原子态Cl，从而再次损耗O₃。只有当原子态Cl形成较稳定的分子（HCl）后，整个链式反应才告终。据估算，一个氯原子可以破坏10万个臭氧分子，哈龙释放的溴原子对臭氧的破坏能力是氯原子的30～60倍。由于人为释放的氟利昂和哈龙等的化学性质很稳定，在大气的对流层中可长期存在(寿命约为几十年甚至上百年)并向全球扩散，不能通过一般的大气化学反应去除。它们通过大气环流进入平流层，由于平流层空气很少有上下对流，没有雨雪的冲洗，污染物可以在平流层停留很长的时间，对臭氧层的破坏很大。

许多氮氧化物也像CFC一样破坏平流层中臭氧层，其中氧化亚氮(N₂O)引人关注。N₂O的光解和氧化作用可以形成NO，NO再与O₃反应形成NO₂和O₂，从而使O₃分解。N₂O的人为来源是施用化肥、化石燃料燃烧等，天然来源有土壤中的细菌作用和空中雷电等自然现象。高空飞行的航空器、核试验等产生的NO_X也可以使O₃分解。据美国科学院估计，假如工业生产及豆科植物产生的氮肥增加1～2倍，全球的臭氧将减少3．5％。

臭氧层损耗，过量紫外线照射造成的危害有：①损害人的免疫系统、眼角膜及人体皮肤，尤其使患皮肤癌患者增加。据估计，平流层臭氧若损耗1％，皮肤癌的发病率将增加2％。②破坏地球上的生态系统。抑制植物的光合作用，损害植物叶片，使农作物减产。水生生态系统中的微生物、小型鱼虾和单细胞藻类减少、死亡，食物链被破坏，还可能导致某些生物物种的突变。③引起新的环境问题。如加剧光化学烟雾的形成，增强大气温室效应，加速材料的老化、分解、破坏，例如塑料老化、涂料变色、钢铁材料加速腐蚀等等。

3. 酸性降水

酸性降水是指pH值小于5．6的大气降水，包括雨、雪、霜、雹、雾和露等各种降水形式，其中最多的酸性降水是酸雨。一般雨水的pH值为6左右，呈现弱酸性，主要是天然降水中溶解了CO₂所致。国际上多年来将pH值5．6作为判断是否是酸雨的界限。但近年来通过对降水的多年监测，有人认为pH值小于5．0为酸雨比较合适。

有关酸雨的研究已有100多年历史。1852年，英国杂志上首次发表了曼彻斯特附近地区降雨中有硫酸的报导，而酸雨(acid rain) 的概念则是1872年R．史密斯在《大气与降水—化学气候学的开端》一书中首次提出的。当前的酸雨主要是人类活动向大气排放的各类酸性物质所造成。

20世纪五六十年代以前，酸雨只在局部地区出现。之后，欧美等工业发达国家陆续发现酸雨增多、范围扩大的现象。70年代初，调查发现北欧斯堪的纳维亚的许多湖泊被酸化，瑞典就有15000个。北欧、英国和联邦德国，酸雨造成的环境酸化程度超过正常值的10倍以上，而且发现北欧酸雨是英国和西欧排放的SO₂“输出”造成的，酸雨成为跨越国界的环境问题。在1974年欧洲科西嘉岛测得过一次pH值为2．4的酸雨，这已经与食醋的pH值一样。1982年美国有15个州的降水pH值在4．8以下，酸雨已经从美国东北部地区蔓延到西部人口稠密区和重要的自然保护区。此后，酸雨在世界各地相继出现。

我国20世纪70年代末也发现酸雨。30年来，酸雨受害面积已扩大到国土面积的30％以上。我国的酸雨主要分布于长江以南、青藏高原以东地区及四川盆地。其中以长沙为代表的华中酸雨区，降水酸度值最低，酸雨出现频率最高，长沙降水平均pH值曾经低至3.54。酸雨的范围也在扩大，北方地区也有一些城市，如青岛、图们、太原等出现酸雨。目前，我国与日本已成为步北欧、北美后的世界第三大酸雨区。

通常，在酸雨形成过程中，硫酸占60％～70％，硝酸占30％，盐酸占5％，有机酸占2％。NO_x和SO₂是形成酸雨的大气污染物的主要成分，主要来自燃烧化石燃料的各种设备和汽车尾气等人为的排放。

气态的NO_x和SO₂在大气中可以氧化成不易挥发的硝酸和硫酸，溶于云雾或雨滴中而形成酸雨。SO₂氧化为SO₃的速度在清洁干燥的大气中非常慢，但在潮湿、有多种微粒和光的作用下，反应速度会大大加快。SO₂的化学氧化机理有：①液相催化反应。当大气湿度较高时，游离在大气中颗粒状的金属盐(锰铁、铜等的硫酸盐或氯化物)作为凝结核可使水分子聚集成小水滴，水滴吸收SO₂和O₂后，在这些金属盐的催化作用下，液相中的SO₂将迅速氧化为H₂SO₄。②光氧化反应。直接光氧化反应是在光的作用下处于激状态的SO₂，与O₂碰撞发生形成SO₃；间接光氧化反应是处于基态的SO₂，与由其他分子光解产生的自由基如HO、HO₂等碰撞而发生热化学反应形成SO₃，SO₃再与H₂O化合成H₂SO₄。NO的氧化途径有两种：NO与O₃反应氧化成NO₂，或与自由基OH、H0₂等反应形成HN0₂、HN0₃。N0₂的氧化途径也有两种：N0₂与0₃和NO₃反应形成N₂0₅，再与HO₂反应转化成HN0₃，或与过H0₂反应转化为H0₂NO₂ (过氧硝酸)。

酸雨的危害极大，主要表现在：①酸雨使水生生态系统酸化，浮游植物和动物减少，影响鱼类繁殖、生存。当pH值小于5.5时，大部分鱼类难以生存；当pH值小于4.5时，水生生物大部分死亡；②酸雨使陆生生态系统酸化，土壤中的营养元素钾、镁、钙、硅等不断流失和有毒元素溶出，抑制了微生物固氮和分解有机质的活动，加速了土壤贫瘠化过程，影响各种绿色植物的生存及产量；③酸雨腐蚀建筑材料和金属制品等各种材料，尤其对主要化学成分为CaCO₃的大理石所构建的文物古迹，如古代建筑、雕刻、绘画等，由酸雨溶解下来的CaSO₄部分侵入颗粒间缝隙，大部分被雨水冲走或以宜于脱落的结壳形式沉积于大理石表面，造成无法挽回的损失；④酸雨间接影响和危害人体健康，如饮用由于酸雨的溶侵作用，使地下水中Al、Cu、Gd等金属元素的浓度超出正常值几十、上百倍的水，食用酸性水体中被食物链的富集作用污染的鱼类等，必然对人体健康造成伤害。