林棟樑
天氣, 每天都在變化的現象, 括風下雨, 春去秋來, 好像稀鬆平常的事, 世界本來就是這個樣子, 沒有需要大驚小怪的, 直到有人說二氧化碳濃度會越來越高, 地球會越來越熱, 因為我們人類從工業革命以來, 為了生存發展, 到處設工廠, 燒煤砍樹, 產生過多的二氧化碳, 讓地球受不了, 溫度會越來越高, 最後溫水煮青蛙, 我們人類會被高溫逼得無處可逃, 甚至絕種. 這話一出, 對大家是棒頭一喝, 頓時全世界各國派代表聚在一起開會, 趕緊集體想辦法,制定對策.
地球氣候, 這種星球的大題目, 與天文學是息息相關. 我們地球在太陽系的排行, 算老三, 前面有水星,金星, 後面有火星, 木星, 土星, 天王星, 海王星. 但是奇怪, 目前的現況是, 前2顆奇熱, 後面5顆奇冷. 只有地球得天獨厚, 氣溫適宜, 除了水外, 又有大氣層. 3-40億年前的地球是否有這麼舒爽的環境,不敢說, 但是自Homo Sapien 在2-30萬年前在地球上出現以來, 大約就是這個樣子. 我們當然希望地球永遠是這樣子, 但是我們的太陽到老年時(4-50億年後的事), 是有一天會大爆炸, 把地球吞噬掉. 然而, 億萬年後的事, 誰也管不了, 我們關心的是我們不能任意糟蹋地球, 留給子孫一個惡劣的, 難以生存的環境.
古代氣候變遷 — 自從45億年前誕生以來, 地球就經過一連串相當大的變動. 最初，由於地球成形是吸引其軌道上的四散小岩石; 這些岩石互相碰撞產生的大熱量，讓地球像一團熔岩。表面溫度估計高達 1,982 oC. 這個炙熱的火球卻處在極其冰冷的太虛宇宙中, 只好冷卻下來. 再者，火山爆發開始形成大氣，主要由二氧化碳和水蒸氣組成。隨著地表進一步冷卻，水蒸氣凝結成水,這就有了海洋河流. 圖一代表地球過去5億年的溫度變化. 顯然, 在5億年前到3百萬年前, 地球溫度絕大部分時間都比現在高.
大氣層中的每一種氣體都有它們自己的循環cycle來造成一種平衡的狀態. 如果循環的環節有某處出現了輕微不尋常狀況, 自然界會調整失衡的情況變成再平衡. 比方說早期地球的大氣層並沒有氧氣. 後來生命在地球上出現,這些生命(植物和其他生物), 利用陽光, 產生光合作用. 在水和二氧化碳產生能量的過程中, 氧氣被釋放出來, 大氣中氧氣的濃度經過20多億年的無數階段的失衡,再平衡, 慢慢增加到目前的20%. 至於二氧化碳, 在每個地質紀元都有它自己的循環cycle以造成平衡. 圖二是地下3公里南極冰柱挖出來後, 經過分析後顯示過去80萬年的二氧化碳濃度, 這濃度雖然有上有下, 卻都低於300 ppm之內, 驚人的超標是發生在二十世紀以後.
今天, 二氧化碳濃度已經達到420 ppm. 難道人類過去一百多年來瘋狂的追求文明進步, 燒煤砍樹, 破壞生態, 把二氧化碳濃度在短時間內推上一個瘋狂的高度? 對這麼高的二氧化碳, 今日的地球在溫度上又會如何因應? 更確切的說, 二氧化碳濃度與地球溫度, 從古代以來, 到底關係如何密切? 圖三顯示過去80萬年來他們兩者的密切關係 (紅線是溫度,藍線是二氧化碳濃度). 看到這個圖, 很多人免不了會下一個因果關係的結論: 就是因為二氧化碳的變化所以產生地球氣溫的變化. 但是嚴格來講, 圖三紅線與藍線的起伏雖然有相當程度的correlation, 但是有correlation並不一定會有因果關係, 比如說許多人步入老年, 皮膚都會變皺, 頭髮也會變白. 這變皺變白的correlation並不能推論說, 由於皮膚變皺促成頭髮變白, 說了也沒人會信. 況且, 如果二氧化碳濃度變化是因, 地球溫度變化是果, 那麼圖三所顯示的100ppm到280 ppm濃度增加將近3倍就應該產生10 oC的地球溫度變化, 這是與本文後面討論的輻射傳熱理論不合的.
再者, 說地球溫度跟隨二氧化碳同步變化也不對, 有學者就研究9千年前到1萬9千年前地球溫度跟二氧化碳的各別變化, 如圖四所示. 1.3萬 – 1.4萬年前, CO2 沒變動, 但是地球氣溫先上升後又下降. 9千到1.1萬年前, CO2稍微下降, 但是地球氣溫卻繼續上升. 所以地球氣溫也沒有亦步亦趨地跟隨著二氧化碳的變化而變動. 這表示造成氣候變化的因素有許多, 不僅僅只是二氧化碳這個原因. 而且二氧化碳也好像不是站主導地位. 其實, 對於過去80萬年地球經歷多次的冰河期現象. 塞爾維亞科學家米蘭科維奇 (Milutin Milankovitch) 於1911年開始研究是什麼原因造成過去這80萬年來地球陸陸續續產生的冰河期。
他深深相信, 地球相對於太陽位置的變化會驅動長期氣候並引發冰河期. 他認真研究地球軌道本身, 地球自轉軸的轉進及轉軸角度如何受太陽月亮及行星種種萬有引力的影響, 發現
- 地球軌道從比較不橢圓到比較橢圓之間有一個約10萬年的週期性,
- 地球自轉軸與地球軌道垂直線之間的角度從22度到24.5度之間有一個約4.1萬年的週期性,
- 地球自轉軸的轉進(像陀螺旋轉之類的搖擺), 繞一圈360度約2.2萬年.
這三個週期赫赫有名, 現在被稱為「Milankovitch Cycles」. 太陽光對地球的照射由於地球本身的這三種週期變動, 所以直射折射角度會以萬年的緩慢腳步變動而有所不同, 因而產生地球每時期接受到的日照(insolation)能量的不同. 日照能量太少, 是會trigger冰河期的發生(圖五). Milankovitch的理論認為地球所接收到的日照多寡是因, 所引起的地球溫度變化是果. Qualitatively, 他的理論全世界都接受, 但是quantitatively來講, 還是要從物理學裡面的輻射傳熱的基本面著手, 來研究地球的大氣層如何處理太陽能的射入以及地球熱能的散出到外太空. 基本概念後文會闡述, 簡單地說就是, 當進來的能量與散出的能量平衡時, 這就決定了地球的溫度.
大氣層的輻射傳熱 –大氣層的輻射傳熱是一個複雜的過程. 圖六顯示太陽光能的入射到地球及地球熱能的散出到外太空的物理模型. 光能與熱能都是輻射波, 前者是短波, 後者是長波. 會吸收熱能的氣體叫Greenhouse Gas (GHG). 大氣層含量最多的是78%的氮和21%的氧, 但都不是 GHG. 二氧化碳與水氣是最重要的GHG. 1896年, 瑞典科學家Arrhenius開始研究大氣GHG對地球溫室的影響, 發表論文說如果二氧化碳的濃度增加一倍, 地球溫度會增加5 – 6oC (高估了許多). 但是對地球二氧化碳濃度的精確測量是在1958年Charles Keeling在遠離大陸塊的夏威夷島上設立測量台開始. 他的測量顯示CO2濃度確實年年上升, 為日益嚴重的全球暖化趨勢提供了具體證據. 越來越多的科學家投入氣候變遷的研究. 為了喚起人類來了解氣候變遷威脅人類生存的嚴重性, 科學界在聯合國的贊助之下, 於1988 年成立了”政府間氣候變遷專門委員會”(IPCC)來提供這方面的知識給各行各業. 2007年前副總統Gore出了一本書”An Inconvenient Truth”, 推動全球節能減碳運動. 為此, Gore和IPCC共同獲得2007諾貝爾和平獎.
經過14年, S. Manabe及K. Hasselmann, 在2021年也因為”建造地球氣候的物理模型, 量化變化並預測全球暖化” 而得諾貝爾物理獎. 其實預測地球暖化的基本概念與我們一般家庭收入支出的概念沒有兩樣. 簡單地說, 地球(包括大氣層)的收入就是進來的太陽能, 其支出就是散出外太空的熱能. 這兩者平衡時, 就決定地球溫度. 到底有多少太陽能跑到地球? 太陽表面溫度5500 oC, 根據黑體輻射, 太陽半徑,及太陽與地球之間的距離, 可算出照到地球的太陽能是每平方公尺1364瓦特. 因為陽光平行線照射到地球,被地球圓面積擷取,然後分佈到整個地球的球面積, 所以大氣外面的入射太陽能是每平方公尺341瓦特(圖六). 其中, 102瓦特反射回外太空, 只有239瓦特進入大氣達到地表. 為了取得平衡, 地球及大氣層需要釋放出239瓦特的熱能到外太空. 地表的熱能要到外太空就需要通過大氣層中GHG (水氣, CO2,臭氧等等) 的考驗. 這些GHG氣體只有在熱能的某些波段具有吸收能力, 而且吸收的強度也各自不同. 筆者用一個大氣層模型, 包括溫度與氣體密度隨高度的變化,
對三種GHG (水氣, CO2,臭氧) 的吸收量做計算, 所得結果如圖七所示. 紅色曲線代表地球表面溫度16 oC的熱能, 開始向大氣層散熱. 所有波長合起來的總熱能為每平方公尺396瓦特(圖六). 由於這三種氣體的吸收, 所以在某些波段的熱能並沒有100%的透過. 最後透出的是藍色曲線, 其總熱能為每平方公尺242瓦特. 如果再加入其他GHG的吸收, 透出的總熱能會成為每平方公尺239瓦特 (圖六).
綜合地講, 地表發出的396瓦特熱能, 只有239瓦特到達外太空, 約60%透過. 現在如果大氣中CO2的濃度增加一倍(400ppm到800ppm), 溫室效應增強, 用上面的方法計算, 透出的總熱能會降為每平方公尺235瓦特.這與太陽射進來的239瓦特差了4瓦特, 這失衡的量又稱為” 輻射驅動力”(Radiative Forcing). 進來多, 出去少, 地球溫度不得不增加, 一直到出去的又達到239瓦特時就再恢復平衡, 讓輻射驅動力變零. 用上面的方法計算, 加入”水氣回饋” (water vapor feedback) 及”雲回饋” (Cloud feedback) 的作用, 地球溫度要增加約 2oC才能再平衡. 現在大氣中CO2的濃度每年平均約增加2ppm, 所以濃度如果要增加一倍, 以目前的速度來看, 要200年. 但是如果人類不好好地控制, 濃度增高的速度增加, 可能更短的時間就會增加一倍. 2016年的《巴黎協定》有一個長期溫度目標, 就是將全球地表溫度的上升幅度控制在較工業化前水準遠低於 2°C 的範圍內. 該條約還規定, 最好將升溫限制在 1.5°C. 這個協定由聯合國大多數會員國簽訂, 目的是要集全人類的力量長期性的共同努力來控制二氧化碳的排放以抗拒地球的暖化.我們熟悉的”節能減碳”的集體活動, 包括推動不燃汽油的電動汽車, 推動屋頂的太陽能板, 推動海上的風力發電種種”綠能”政策, 人類卯足全力來減低二氧化碳的排放. 畢竟, 比較起過去地球溫度變化的超慢速度(如圖五, 冰河期來去之間, 地球氣溫相差可以達到12°C, 但這是要經過10萬年的超長時間才達成. 也就是平均1百年也只不過相差0.012°C而已), 工業革命以來全球暖化的超快速度也確實讓人類心驚膽跳, 不敢有所懈怠.
結論: 集全人類力量來防備的, 在1950-1960年代是針對可以瞬間毀滅人類的核武競賽, 在2010-2020年代, 是氣候變遷. 雖然同樣可以毀滅全人類, 但後者卻極為緩慢, 生活層面影響所及更是廣闊. 反之, 前者的摧毀力是瞬間的, 巨大的, 其科學的根據也是無人不信. 而後者的摧毀力在短期間微不足道, 也因此, 僅只模型計算與外太空儀器觀測的吻合†來證明學者專家們已百分之百掌握氣候變遷的所有原因,仍然有許多人不甚信服, 因而導致巴黎協定各國的推行力道參差不齊. 甚至有些國家退出. 我們對儀器測量出來的數據是要尊重, 例如”CO2濃度從1960年的320ppm已逐漸上升到2025年的420ppm”, 或”現在地球均溫已比工業革命時代時上升1.5oC” 都毋庸置疑. 但是說”最近CO2上升這麼快, 都是人類惹的禍”卻要小心, 因為全球均溫如果因為某種與CO2關係不大的因素升高, 海洋水溫也升高, 水溫升高, 含CO2能力下降(跟可口可樂瓶子一熱, 氣泡就多的道理一樣),海洋就會吐出CO2到大氣. 再者, 說” 全球均溫高, CO2要負全責”, 顯然不對. 所以過度相信模型計算而遽下結論要全人類集體努力就要非常小心. 因此, 對成因極為錯綜複雜的氣候變遷需要有更深入的學術研究(包括雲層,洋流及地殼分合等的影響)以及各方面的數據收集與反覆驗證, 以求發展出一套完整的學術論述來解釋不僅現在, 連過去數十萬年以來各種地球氣溫變化的種種細節, quantitatively, 始能讓全人類, 以及所有的國家都毫無疑義地信服. 畢竟, 我們都真心希望為子孫保護好地球, 如果CO2真是全球暖化的罪魁大元凶, 我們都會通力合作來拯救地球, 避免走上我們隔壁鄰居火星和金星的命運.
† 模型計算與觀測吻合的出名例子就是西元二世紀時托勒密的”地心說”裡, 用”均輪”和”本輪” 的模型來計算各個天體的運動, 其結果完全吻合當時的天文觀測. 這”地心說”主宰人類對宇宙的認知超過一千年, 到牛頓提出”萬有引力定律”, 才證明”地心說”是錯的.
( 2025-02 於New Jersey）