碳、工業(yè)化和溫室氣體

對比非常明顯。

前工業(yè)社會利用的差不多都是即時的太陽能量流，對實際上取之不盡的太陽輻射能量進(jìn)行的轉(zhuǎn)化則少到幾乎可以忽略不計。

現(xiàn)代文明依賴于提取巨大的能量儲蓄，耗盡有限的化石燃料。雖然對核裂變的依賴和對其他可再生能源的利用一直在增加，但直到2015年，化石燃料仍然占全球初級能量的86%，這一比例只比一代人之前的1990年少4%。

通過利用這些豐富的儲藏，我們所創(chuàng)造的社會轉(zhuǎn)化了前所未有的巨大能量，最終產(chǎn)生了新的高能耗的服務(wù)型經(jīng)濟(jì)，也造成了許多令人擔(dān)憂的后果。它們造成了全球生物圈的不穩(wěn)定，尤其是全球變暖的相對加快帶來了許多糟糕的結(jié)果。

前所未有的力量

關(guān)于全球統(tǒng)計數(shù)據(jù)的最佳匯編顯示，自19 世紀(jì)人們開始大規(guī)模開采化石燃料以來，它們的生產(chǎn)持續(xù)呈指數(shù)級增長。

從1810—1910年，煤炭開采量從10Mt增加到了1Gt，增長了100 倍; 煤炭開采量在1950年達(dá)到1.53Gt，2000年達(dá)到4.7Gt，它于2015年下降至7.9Gt 之前曾達(dá)到8.25Gt。

原油開采量從19世紀(jì)80年代末的不到10Mt，增加到1988年的超過3Gt，增長了約300倍;2000年為3.6 Gt ，2015年為近4.4 Gt。天然氣產(chǎn)量增加了1000倍，從19世紀(jì)80年代末的不足2Gm3 增加到1991年的2Tm3;2000年為2.4Tm3，2015年為 3.5Tm3。在整個20世紀(jì)期間，全球化石能源開采總量增長了14倍。

要追溯這種擴(kuò)張有個更好的方法，就是計算真正的有用能量的增長：用實際傳遞的熱、光和動量來表達(dá)增長。

早期的化石燃料轉(zhuǎn)化效率相當(dāng)?shù)停ò谉霟?2%，蒸汽機(jī)車<5%，熱發(fā)電<10%，小型煤爐<20%），燃煤鍋爐和爐灶的改善很快就使這些效率翻了一番，家用爐具以及工業(yè)和電廠鍋爐能以較高的效率轉(zhuǎn)化液態(tài)碳?xì)浠衔铩?/p>

只有使用汽油的乘用車內(nèi)燃機(jī)效率較低。無論是高爐、鍋爐還是燃?xì)廨啓C(jī)，使用天然氣都是高效的，效率通常超過90%。初級電力的轉(zhuǎn)換效率也是如此。

1900年，全球的能量使用平均加權(quán)效率不高于20%;到2015年，全球化石燃料和初級電力轉(zhuǎn)化的平均量已達(dá)到商業(yè)能量投入總量的50%。國際能源署的統(tǒng)計表明，2013年全球初級能量供應(yīng)為18.8Gt油當(dāng)量，最終消費量為9.3Gt 油當(dāng)量。

與此同時，化石能源的總供應(yīng)量在20世紀(jì)增長14倍，能量供應(yīng)效率穩(wěn)步增長，和 1990年相比，增長30倍以上。

結(jié)果就是，在1900年已經(jīng)使用化石燃料做主要能量供應(yīng)源的富裕國家，現(xiàn)在每一個單位的初級能量供應(yīng)所提供的有用能量，是一個世紀(jì)前的兩倍甚至三倍;直到20世紀(jì)下半葉才由現(xiàn)代化能量主導(dǎo)的低收入國家，每個單位的初級能量供應(yīng)所提供的有用能量普遍可以達(dá)到一個世紀(jì)前的5—10倍。

能量使用的急劇增長，也將人均消耗水平提升到了前所未有的高度。

采集社會人們所需的能量主要來自食品供應(yīng)，當(dāng)時的人均年消耗量不超過 5—7GJ。埃及新王國時期人均年消耗量不超過10—12GJ，關(guān)于羅馬帝國早期的能量消耗情況的最佳估值約為每人每年 18GJ。

早期工業(yè)社會輕而易舉地使傳統(tǒng)人均能量消耗翻了一番。增加的消耗量大多來自由煤的燃燒支撐起來的制造業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)。估計1500年歐洲平均值約為每人每年消耗 22GJ，后一直停滯在16.6—18.1GJ，直至1800年。

美國的年人均消耗量，從1820年的不到70GJ增長到1910年的150GJ。一個世紀(jì)后，所有富裕歐洲國家的年人均能量消耗量都達(dá)到150GJ 以上，美國的人均值則超過300GJ。在能量消耗升高的同時，能量結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變。

在采集社會，食物是唯一的能量來源。估計在羅馬帝國早期，食物和飼料占能量來源的45%。在前工業(yè)時代的歐洲，食物和飼料占能量來源的 20%—60%，到 1820年，所占份額的平均值不超過 30%;到1990年，在英國和德國它們的份額不到10%。

到20世紀(jì)60年代，飼料供應(yīng)能量的份額跌到了可以忽略不計的程度，在最富裕的社會，食物能量不超過總量的3%，甚至低于2%。

在這些富裕國家，工業(yè)、交通和居民家用的燃料和電變成了能量消耗的主力。在高收入經(jīng)濟(jì)體中，人均電力輸送值升高了兩個數(shù)量級。到 2010年，西歐的人均年電力輸送值達(dá)到7MWh，美國為13MWh。個人直接控制的能量流之間的對比同樣讓人印象深刻。

1900年，北美大平原上的一名農(nóng)場主牽著6匹大型馬的韁繩耕種麥田。他坐在鋼制座椅上，常常全身覆滿灰塵，要付出相當(dāng)?shù)捏w力勞動，控制著不超過 5kW的生物能量。一個世紀(jì)后，他的曾孫高高地坐在裝有空調(diào)的舒適的拖拉機(jī)駕駛室里，輕松控制著功率超過250kW的柴油發(fā)動機(jī)。

1900年，一名工程師操作一臺1MW蒸汽動力的燃煤火車頭拉著列車，以100km/h 的速度行駛——這已是手動加煤所能表現(xiàn)出的最好性能了。到2000年，飛行員駕駛波音747在11km的高空飛過跨越大陸的航線。在4個燃?xì)廨啓C(jī)輸出的120MW功率的力量推動下，飛機(jī)以900km/h 的速度飛行。

能量越集中，也就要求更安全的防護(hù)措施。

直至19世紀(jì)，坐在城際交通馬車上的車夫，穩(wěn)定控制的能量通常不超過3kW（4匹馬拉的馬車），搭載4—8名乘客。城際噴氣飛機(jī)駕駛員則操控著30MW的噴氣發(fā)動機(jī)，搭載150—200名乘客。在操控有著4個數(shù)量級差別的兩種能量（即3kW和30MW）的過程中，短暫的走神或判斷失誤帶來的后果明顯存在著巨大差別?？刂拼祟愶L(fēng)險的一個顯而易見的辦法是采取電子控制。

電子控制和連續(xù)監(jiān)控，已經(jīng)與被廣泛使用的電腦和移動電子設(shè)備一樣，成了電力需求的主要新類型。

“煤基”工業(yè)化

“工業(yè)革命”一詞既相當(dāng)具有吸引力，又有誤導(dǎo)性，這個概念的英語起源至少要回溯到16 世紀(jì)后期，但英國全面的工業(yè)發(fā)展要等到 1850年之前才開始。即便到那時，傳統(tǒng)工匠的數(shù)量也大大超過在工廠里操作機(jī)器的工人：1851 年人口普查顯示，英國的鞋匠比煤礦工更多，鐵匠比煉鐵工人更多。

關(guān)鍵的國家特質(zhì)導(dǎo)致了迥異的工業(yè)化模式。

法國注重水力發(fā)展，美國和俄羅斯長期依賴木材，日本則有著細(xì)致工藝的傳統(tǒng)。煤和蒸汽最初并不是工業(yè)化的革命性因素。慢慢地，它們才以前所未有的程度和可靠性來提供熱和機(jī)械能。此時工業(yè)化進(jìn)程才開始擴(kuò)大和加速，最終成為化石能源消費膨脹的代名詞。

對工業(yè)擴(kuò)張而言，采煤業(yè)并非必不可少——但它對于工業(yè)化的加速發(fā)展無疑是至關(guān)重要的。

比利時和荷蘭的比較能說明這種影響。高度城市化的荷蘭社會，有著出色的航運(yùn)能力和相對發(fā)達(dá)的商業(yè)和金融，卻最終落后于起初比較貧窮但煤炭資源豐富的比利時。比利時在19 世紀(jì)中葉成為歐洲大陸工業(yè)化完成度最高的國家。以煤為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)較早騰飛的歐洲地區(qū)還包括萊茵—魯爾地區(qū)、哈布斯堡帝國的波希米亞和摩拉維亞以及普魯士和奧地利的西里西亞。

以煤炭為基礎(chǔ)的工業(yè)化發(fā)展模式，在西歐和中歐之外也曾反復(fù)出現(xiàn)。

擁有優(yōu)質(zhì)無煙煤的賓夕法尼亞州和擁有優(yōu)質(zhì)煙煤的俄亥俄州，成為美國工業(yè)化發(fā)展的早期領(lǐng)導(dǎo)者。在一戰(zhàn)前的俄國，儲量豐富的烏克蘭頓涅茨克煤礦的發(fā)現(xiàn)和 19 世紀(jì)70年代巴庫油田的開發(fā)，帶動了隨后的快速工業(yè)擴(kuò)張。

明治時代，日本的現(xiàn)代化發(fā)展也得益于九州北部的煤。日本開放國門僅僅48年后的1901年，九州北部的八幡制鐵所（日本鋼鐵公司的前身）東田1號高爐的開爐，標(biāo)志著日本的第一座現(xiàn)代化綜合鋼鐵廠開始投入生產(chǎn)。

印度最大的商業(yè)帝國（塔塔集團(tuán)）則起源于J. 塔塔1911年在賈姆謝德布爾建立的使用比哈里焦炭的高爐。

一旦有了煤和蒸汽動力的推動，傳統(tǒng)制造商就能以更低的成本生產(chǎn)更多的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。這一成就是大眾消費必要的先決條件。廉價而可靠的機(jī)械能供應(yīng)，確保了加工工藝變得越來越復(fù)雜。反過來，這又導(dǎo)致零件、工具和機(jī)器的制造開始變得更復(fù)雜和更專業(yè)。

那些以煤、焦炭和蒸汽為動力的新產(chǎn)業(yè)形成后，便以前所未有的速度為國內(nèi)和國際市場供應(yīng)貨物。1810 年后，高壓鍋爐和管道開始投入制造。1830年后，鐵路、機(jī)車和貨車產(chǎn)量迅速增加。水輪機(jī)和螺旋槳的產(chǎn)量則在1840年后開始增長。

1850年后，鋼鐵船體和海底電報線纜有了巨大的新市場。生產(chǎn)廉價鋼材的商業(yè)方法——先是 1856年之后的貝塞麥轉(zhuǎn)爐，然后是19世紀(jì)60年代的“西門子—馬丁”平爐——創(chuàng)造了更大的新興制成品市場，從餐具到鐵軌、從鐵犁到建筑橫梁等。

燃料投入的增加和以機(jī)器替代工具，使得人體肌肉變成了一種邊緣能量源。人類勞動不斷地轉(zhuǎn)到支持、控制和管理生產(chǎn)過程的工作上來。

對英格蘭和威爾士一個半世紀(jì)的人口普查和勞動力調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，可很好地說明這一趨勢。1871年，大約24%的勞動者從事“肌肉力量”型工作（農(nóng)業(yè)、建筑和工業(yè)），只有約1% 的人在從事“管理”型工作（健康和教育、兒童和家庭護(hù)理、福利工作）。

到2011年，“管理”型工作占到了 12%，“肌肉力量”型工作僅占 8%。且今天的許多“肌肉力量”型工作（如清潔、家政服務(wù)以及常規(guī)的工廠流水線工作）都在很大程度上實現(xiàn)了機(jī)械化。

即使人類勞動的重要性開始下降，最近的一些對個人任務(wù)和完整工業(yè)流程的系統(tǒng)性研究仍表明，通過對肌肉活動進(jìn)行優(yōu)化、重新安排和標(biāo)準(zhǔn)化，勞動生產(chǎn)率可以大大提高。

弗雷德里克·溫斯洛·泰勒（Frederick Winslow Taylor，1856—1915）是這類研究的先驅(qū)。從1880年開始，他花費了26年的時間來量化鋼鐵切割中涉及的所有關(guān)鍵變量，將他的所有發(fā)現(xiàn)簡化為一套簡單的計算規(guī)則，并在《科學(xué)管理原理》（The Principles of Scientific Management）中總結(jié)了關(guān)于效率管理的一般結(jié)論。

一個世紀(jì)之后，它仍在指導(dǎo)著世界上的一些最成功的消費品制造商。

電力的革命

當(dāng)蒸汽機(jī)因電氣化而黯然失色，一個全新的工業(yè)化時代便隨之來臨了。

電是一種更好的能量形式（不僅在與蒸汽動力相比時如此）。只有電可以即時輕松地接入，且能非?？煽康貫槊恳环N消費（飛行除外）提供服務(wù)。只需撥動開關(guān)，我們就能將電轉(zhuǎn)換為光、熱、動能或化學(xué)能量。電流易于調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了前所未有的精度、速度和過程控制。

20世紀(jì)全球電力輸出的增速甚至超過了化石能源開采的增長——后者的年增長率約為3%。

1900年，不到2%的燃料被轉(zhuǎn)化為電力，到20世紀(jì)末，這一比例已上升至近 25%。除此之外，新的水電站（在第一次世界大戰(zhàn)后大規(guī)模發(fā)展）和新的核電設(shè)施使得發(fā)電量進(jìn)一步擴(kuò)大。

1900-1935年間，全球電力供應(yīng)每年增長約11%，此后以超過9%的年增長率一直持續(xù)增長到20世紀(jì)70年代早期，在剩余時間里，發(fā)電量的年增長率降至3.5%左右，很大程度上是高收入經(jīng)濟(jì)體需求量更低、轉(zhuǎn)化率更高的結(jié)果。

蒸汽機(jī)替代水車，并沒有改變工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)械能傳輸方式。因此，這種替代對工廠的整體布局幾乎沒有影響。工廠天花板下的空間里依然擠滿了與主軸連接的一堆副軸，它們通過皮帶將動力傳送到各個機(jī)器。

最初的電動機(jī)能夠驅(qū)動的傳動軸更短，它們只能為一小組機(jī)器提供動力。

1900 年后，獨立的單元驅(qū)動迅速成為常態(tài)。1899—1929年，美國制造業(yè)的機(jī)械總裝機(jī)功率增長了約3倍，工業(yè)電動機(jī)的容量增長了近60 倍，提供了82%以上的可用功率。在19世紀(jì)末，這一份額還不到 5%。

從19世紀(jì)90年代后期開始，電動機(jī)只用了30年就基本取代了蒸汽動力和直接由水力驅(qū)動的裝置。這種高效又可靠的單元動力供應(yīng)的影響，遠(yuǎn)不只消除了頭頂雜亂的管道（和由之而來的不可避免的噪聲與事故風(fēng)險）。

傳動軸的拆除解放了天花板，后者因此得以安裝更好的照明和通風(fēng)系統(tǒng)，并使工廠的設(shè)計更靈活，更容易擴(kuò)展。電動機(jī)的高效以及在更好的工作環(huán)境中的精確、靈活和獨立的動力控制，最終大大提高了勞動生產(chǎn)率。

電氣化還創(chuàng)造了大量的專門產(chǎn)業(yè)，一開始是燈泡、發(fā)電機(jī)和輸電線的制造（1880 年以后），之后是蒸汽輪機(jī)和水輪機(jī)的生產(chǎn)（1890年以后）。

1920年后誕生了燃燒粉狀燃料的高壓鍋爐，使用大量鋼筋混凝土的巨型水壩也在10年后開始建造。1950年后，各地普遍開始安裝空氣污染控制設(shè)施。第一座核電廠于 1960 年前投入生產(chǎn)。

電力需求的不斷增長也促進(jìn)了地球物理勘探和燃料的開采與運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。在材料特性、工程控制和自動化方面的大量基礎(chǔ)研究，對于生產(chǎn)更好的鋼鐵、其他金屬和合金是必需的，對那些用于提取、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)換能量的昂貴設(shè)備的可靠性的提高和壽命的延長也是必要的。

可靠又便宜的電力的可用性，幾乎改變了所有的工業(yè)活動。

經(jīng)典但已過時（略顯僵化）的福特式流水線是基于1913年發(fā)明的輸送帶發(fā)展而來的，現(xiàn)代靈活的日式流水線則依賴于零部件的即時傳送和分工明確的工人。

這種在豐田工廠中采用的系統(tǒng)，將美國的經(jīng)驗元素和日本本土的實踐與原創(chuàng)思想結(jié)合在了一起。豐田生產(chǎn)系統(tǒng)依賴于產(chǎn)品的不斷改進(jìn)與對最佳質(zhì)量控制的不斷追求。同樣，所有這些行為的基本共同點都是盡量減少能量浪費。

廉價的電力供應(yīng)也催生了全新的金屬生產(chǎn)和電化學(xué)工業(yè)。通過電解冰晶石（Na3AlF6）溶劑中的氧化鋁（Al2O3），大規(guī)模提取并熔煉鋁成為可能。

從20 世紀(jì)30 年代開始，對于種類越來越多的塑料的合成和塑造以及最近一類新的復(fù)合材料（特別是碳纖維）的推出，電力都是必不可少的。這些材料的能量成本約為鋁的3倍，其最大的商業(yè)用途是在商業(yè)飛機(jī)制造中替代鋁合金：最新的波音787按體積計算，約有80%由復(fù)合材料組成。

正當(dāng)新型輕質(zhì)材料已經(jīng)在很多地方取代鋼鐵的同時，煉鋼過程本身正越來越多地使用電弧爐。新型的更輕但更強(qiáng)韌的鋼材具備多種用途，尤其是在汽車制造業(yè)中。

如果沒有電力，具備嚴(yán)格公差的大規(guī)模微機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)便不可能出現(xiàn)，也就不可能有如今常見的噴氣發(fā)動機(jī)或醫(yī)療診斷設(shè)備。當(dāng)然，也不會有準(zhǔn)確的電子控制，更別提遍布世界各地的電腦和數(shù)十億臺電信設(shè)備了。

冶煉的進(jìn)化

能量和材料的大量流動，是工業(yè)化過程的基礎(chǔ);金屬仍是典型的工業(yè)材料;以多種鋼材形式出現(xiàn)的鐵，仍是主要的金屬。

2014年，鋼鐵產(chǎn)量比四大有色金屬（即鋁、 銅、鋅和鉛）的產(chǎn)量總和高出近 20 倍。使用高爐冶煉鐵礦石，然后在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐中煉鋼，以及在電弧爐中冶煉二次回收的鋼材，仍然主導(dǎo)著鋼鐵生產(chǎn)。如果沒有更大更高效的高爐，鋼鐵產(chǎn)量的龐大增長是不可能的。

同樣，煉鋼技術(shù)效率的提高不僅在于能量耗費的減少，還在于產(chǎn)量的提高。

早期的貝塞麥轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)化率一開始不到60%，后來升至70%出頭（把鐵變成鋼）。平爐的轉(zhuǎn)化率最終可達(dá)80%左右。

于20世紀(jì)50年代開始使用的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，如今最高轉(zhuǎn)化率可達(dá)95%。電弧爐的轉(zhuǎn)化率高達(dá)97%。電弧爐在今天每生產(chǎn)1噸鋼鐵，耗電量低于350kWh在1950年時則高于700kWh。

這些收益還伴隨著廢物排放率的降低：1960—2010年，美國每生產(chǎn)1噸 鐵水的二氧化碳排放下降了近50%，粉塵排放下降了98%。通過對鐵水進(jìn)行持續(xù)鑄造，能量成本進(jìn)一步降低。這一創(chuàng)新取代了傳統(tǒng)的鑄鐵生產(chǎn)過程。

由此而來的產(chǎn)量增幅非常大，即使按人均計算也是指數(shù)級增長：1850年（現(xiàn)代鋼鐵產(chǎn)業(yè)開始之前），每年的鋼鐵產(chǎn)量不足100kt，平均到每人只有 75g，且全部以手工方式生產(chǎn)。

1900年，鋼鐵總產(chǎn)量為30Mt，全球人均值為18kg。到2000年，總產(chǎn)量為850Mt，人均140kg。到2015年，全球鋼鐵總產(chǎn)量達(dá)到1，650Mt，人均225kg，約為1900 年時的12.5 倍。

據(jù)估計，2013年全球鋼鐵生產(chǎn)至少需要 35EJ 的燃料和電力，占全世界初級能量供應(yīng)總量的不到7%。因此，鋼鐵業(yè)是全世界能量消耗最大的工業(yè)領(lǐng)域。相比之下，其他所有工業(yè)的能耗總和為23%，交通運(yùn)輸為 27%，住宅用途和服務(wù)業(yè)為36%。

迄今為止，鋁冶煉技術(shù)的進(jìn)步是有色冶金領(lǐng)域最重要的創(chuàng)新。

鋁元素于1824年首次被提純出來，要等到1866年才出現(xiàn)可以大規(guī)模生產(chǎn)鋁的經(jīng)濟(jì)的工藝。美國的查爾斯.馬丁.霍爾（Charles M. Hall）和法國的埃魯（P. L. T. Héroult）各自的獨立發(fā)明是建立在氧化鋁的電解技術(shù)之上的。

當(dāng)時提取鋁金屬所需的能量至少要比熔煉鋼鐵高出6倍以上。即便在大規(guī)模發(fā)電開始后，鋁業(yè)發(fā)展仍然緩慢。在19世紀(jì)80年代，冶鋁的具體電力消耗超過了每噸5萬千瓦時，后來霍爾—埃魯工藝的穩(wěn)步改進(jìn)，使這一比率到1990年降低了 2/3以上。

鋁的用途的擴(kuò)大起初是由航空業(yè)的發(fā)展推動的。20 世紀(jì)20年代后期，金屬機(jī)身取代了木材和布料制作的機(jī)身。之后，第二次世界大戰(zhàn)期間建造戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)的需求使得對鋁的需求急劇增加。

自1945年以來，只要哪個領(lǐng)域的設(shè)計同時需要材料的輕便和高強(qiáng)度，鋁和鋁合金就會在這個領(lǐng)域替代鋼鐵，這些應(yīng)用場景包括汽車、鐵路用漏斗車和宇宙飛船。需注意一點，新型輕質(zhì)鋼合金在這些市場也能起到作用。

自20世紀(jì)50年代以來，鈦已經(jīng)在高溫應(yīng)用場景中（特別是超音速飛機(jī)）取代了鋁。不過，鈦生產(chǎn)的過程能量密集度至少是鋁的3倍。盡管在一個專注于最新電子技術(shù)進(jìn)步的社會，大規(guī)模量產(chǎn)金屬的根本重要性經(jīng)常被人們忽視，但毫無疑問，通過與現(xiàn)代電子產(chǎn)品的不斷融合，現(xiàn)代制造業(yè)已經(jīng)發(fā)生變化。

二者的結(jié)合，帶來了前所未有的精確控制和靈活性，極大地豐富了可用設(shè)計的選擇，并改變了營銷、分銷和績效監(jiān)控方式。

一項全球性的對比顯示，2005 年，美國制造商從外部企業(yè)購買的服務(wù)的費用占工業(yè)成品附加值的30%，在歐盟主要經(jīng)濟(jì)體中這一份額也相似（23%——29%）。2008 年，與服務(wù)相關(guān)的職位略高于美國制造業(yè)所有就業(yè)崗位的一半（53%），而在德國、法國和英國也達(dá)到了44%——50%，在日本則是32%。

“地球物理實驗”?

化石燃料和電的供應(yīng)與使用，是大氣污染和溫室氣體排放最主要的人為因素，也是導(dǎo)致水污染和土地利用發(fā)生變化的主要原因。

當(dāng)然，無論哪種化石燃料的燃燒都和碳的快速氧化有關(guān)，都會增加二氧化碳排放量。

甲烷（CH4）作為一種效果更顯著的溫室氣體，會在天然氣的生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中被釋放出來;化石燃料的燃燒過程也會釋放少量的一氧化二氮（N2O）。

在過去，煤的燃燒是顆粒物質(zhì)、硫和氮的氧化物（SOx 和 NOx）的主要來源，如今這些物質(zhì)的固定排放大部分被靜電除塵器、脫硫和氮氧化物去除過程控制住了。即便如此，煤燃燒排放的物質(zhì)仍會對健康產(chǎn)生重大影響。

燃料和電力也會間接造成更多污染和生態(tài)系統(tǒng)退化，其中最明顯的是工業(yè)生產(chǎn)（主要來自黑色冶金和化學(xué)合成）、農(nóng)業(yè)化學(xué)品、城市化和交通運(yùn)輸。

相比于過去，這些影響在程度和強(qiáng)度上都有所增加，影響范圍也從地方拓展到了地區(qū)。這些代價已經(jīng)迫使所有主要經(jīng)濟(jì)體越來越重視環(huán)境管理。

到20世紀(jì)60年代，環(huán)境退化的表現(xiàn)之一是中歐、西歐和北美東部的酸雨。它主要是由大型煤電廠的硫氧化物和氮氧化物排放與汽車排放造成的，影響范圍一度覆蓋半個大陸。

直到20世紀(jì)80年代中期，酸雨一直被富裕國家普遍視為所面臨的最緊迫的環(huán)境問題。一系列行動——使用低硫煤和無硫天然氣發(fā)電，使用更清潔的汽油和柴油以 及更高效的汽車發(fā)動機(jī)，在主要污染源安裝煙氣脫硫設(shè)施——不僅阻止酸化的加深，到1990年還使情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。1990年以來，同樣的問題在東亞又出現(xiàn)了。

南極洲和周圍海域上空的臭氧層被部分破壞，曾短暫地成為與能量使用相關(guān)的環(huán)境問題中的首要話題。早在1974 年科學(xué)家就準(zhǔn)確預(yù)見到，保護(hù)地球免受過度紫外線輻射的平流臭氧層濃度可能會降低。直到 1985 年，人們才首次在南極洲上空測量到該現(xiàn)象。

臭氧損失主要是氯氟烴（CFCs，主要用作制冷劑）的排放造成的。世界各國在 1987 年 簽署了一項有效的國際條約，即《蒙特利爾議定書》，并使用危害較小的化合物來替代氯氟烴，很快緩解了這一擔(dān)憂。

對臭氧層的威脅只是氣候變化引發(fā)全球性后果的幾個新問題中的第一個。

自 20 世紀(jì)80 年代后期以來，有一個全球性氣候問題一直尤為緊要：人為排放的溫室氣體導(dǎo)致氣候相對迅速變化，尤其是對流層變暖、海洋酸化與海平面升高。

早在19 世紀(jì)末，人類就對溫室氣體的性質(zhì)以及它們可能造成的變暖效應(yīng)有了相當(dāng)?shù)牧私狻Ｗ钪饕娜藶橐蛩厥嵌趸?，它是所有化石燃料和生物質(zhì)燃料有效燃燒的最終產(chǎn)物。森林（尤其是在潮濕的熱帶地區(qū)）和草原的退化一直是二氧化碳排放第二大來源。

自1850年——當(dāng)時大氣里只有 54Mt 碳（轉(zhuǎn)化為二氧化碳時需乘以3.667）——以來，全球的人為二氧化碳排放呈指數(shù)級增長，與化石燃料消費的增加保持同步：到 1900 年，大氣中的碳含量已上升到534Mt，到 2010 年超過9Gt（Boden and Andres 2015）。

1957 年，漢斯·聚斯（Hans Suess）和羅格·雷維爾（Roger Revelle）總結(jié)道：

人類正在進(jìn)行一場大規(guī)模的地球物理實驗。

這種實驗在過去不可能發(fā)生，在未來也不會再現(xiàn)。我們在短短幾個世紀(jì)的時間里，向大氣和海洋傾瀉著大自然用數(shù)億年的時間才沉積儲存在巖層中的濃縮有機(jī)碳。

第一次系統(tǒng)測量二氧化碳濃度上升情況的實驗是由查爾斯.基林（Charles Keeling，1928—2005）組織的，于 1958 年在夏威夷莫納羅亞火山山頂附近和南極點開展（Keeling 1998）。

莫納羅亞火山的二氧化碳濃度數(shù)據(jù)一直是對流層二氧化碳濃度上升的全球性指標(biāo)：1959年其平均值約為316ppm（ppm指百萬分比濃度，1ppm=0.001‰），1988 年超過350ppm，到2014年達(dá)到 398.55ppm。

人類活動釋放的其他溫室氣體體積比二氧化碳小得多，但由于它們的分子能吸收更多的紅外輻射（20年中，甲烷吸收的紅外輻射是二氧化碳的86倍，一氧化二氮吸收的紅外幅射是二氧化碳的268倍），它們加起來貢獻(xiàn)因人為因素而增強(qiáng)的熱輻射的35%。

目前人們的共識是：為避免全球變暖造成最嚴(yán)重的后果，平均氣溫的上升幅度應(yīng)限制在2℃以內(nèi)。這需要立即大幅削減化石燃料的使用，并迅速過渡到非碳能源時代。

這個方案雖不是毫無可能，但非常難以實現(xiàn)。

因為要考慮到化石燃料在全球能源系統(tǒng)中所占的主導(dǎo)地位，以及低收入社會對能源的龐大需求：我們可以用可再生發(fā)電來滿足某些新的大規(guī)模能源需求，目前在運(yùn)輸燃料、生產(chǎn)化工原料（氨、塑料）和鐵礦石冶煉方面，還沒有經(jīng)濟(jì)實惠且可大規(guī)模應(yīng)用的替代能源。

本文選編自《能量與文明》，瓦茨拉夫·斯米爾著，吳玲玲、李竹譯，九州出版社出版，后浪出品方授權(quán)刊載，2021年5月出版。