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風不調、雨不順
從科學與環境看全球暖化

撰文/王寶貫


春去秋來，寒來暑往，這是人人熟悉的「四季」變化。孔子曾說：「天何言哉！四時行焉，百物生焉。」言下之意，大自然有一套運行法則，來顯出季節現象，雖然他老人家並沒有指出「為什麼」會有四季變化。從科學上，我們已了解，四季變化的主要原因是地球自轉軸和「黃道面」(地球公轉太陽的平面)有個二十三點五度的交角，以致一年到頭太陽光照射地球表面的角度一直在變動。


然而四季的運轉規則雖然早已為人所熟悉，每一季的「季節性強度」卻又是另一回事。同樣一個季節，每年的冷暖乾濕可能會大大不同。今年的夏天可能比去年夏天炎熱得多，而明年的冬天也許會比今年冬天更為酷寒。有些年份的春季是春光明媚、鳥語花香，惹得詩人們文思不斷；有的年份則老是春雨連綿，搞得木屋的舊門板上長出許多菌菇來。有的年份是洪澇成災，有的年份卻又赤地千里，反正只要老天偏離「正常狀況」，那就是風不調、雨不順，遭殃的當然是芸芸眾生，看著顛沛流離的災民，只能「無語問蒼天」。


這種跨年度以上的天氣變化，屬於「氣候變化」的範疇，不像四季變化那麼簡單明瞭。氣候變化有可能是年際(inter-annual)變化，有可能是十年尺度、百年尺度、千年尺度的氣候變化，甚至還有百萬年以上尺度的地質時代的氣候變遷。本文所要討論的題目「全球暖化」，便是位於十年尺度與百年尺度之間的氣候變化。


二十世紀的六○至七○年代，氣候變化偶爾會以比較聳動的標題在新聞媒體上出現，不過那時候的主調卻是：「新冰河期即將降臨！」意謂著地球氣候會漸漸變冷，而曾經覆蓋地球中高緯度大片面積的冰河將會重新出現。一九七五年四月號的美國《新聞週刊》(Newsweek)中一篇〈變冷中的世界〉(The Cooling World)一文提及：「自四○年代中期起，原來過去幾十年逐步上升的氣溫不斷往下降，到了七○年代初已經降了約攝氏零點三度。這個趨勢如果繼續下去，氣候轉寒，將導致水旱頻仍，農業歉收，自然會造成全球人類社會的大災禍。」文末指出：「氣候學者對政治領袖們是否願意提出任何正面的行動來彌補氣候變遷或甚至降低其效應之事，感到悲觀。」


然而這個氣候變冷的預測卻沒能維持多久，從後續的觀察中發現，氣候不但沒有變冷，反倒越來越熱，且變熱的趨勢來勢洶洶，到目前為止尚無減弱跡象。這就是本文要討論的「全球暖化」現象。


從全球暖化現象的數據曲線顯示，如果以一九六○至九○年這三十年間的平均氣溫為基準的話，那麼在一八六○到一九四○年的一段期間顯然是個冷期，大致比上述平均低個攝氏零點三度左右。然而從一九○○年左右開始，氣溫似乎有個明顯的上升趨勢，一直延續到一九四○年。


弔詭的是，一九四○至七○年間，氣溫卻往下滑降。這一段曲線就是惹來上世紀七○年代的氣候專家們紛紛做出「世界在變冷」的結論之主因。然而在那之後，氣溫卻開始急遽上升。過去二十幾年來，氣溫上升的幅度幾乎類似一九○○到四○年那段期間。根據美國國家海洋大氣總署(NOAA)的統計，去年和一九九八年是美國本部四十八州(不計夏威夷及阿拉斯加)有史以來最高氣溫記錄的兩年。


因此，若從十九世紀末開始推算至今，全球的總氣候趨勢的確是在朝暖化的方向進行。


除了直接的氣溫記錄外，還有其他許多替代數據也顯現同樣的趨勢，例如麥迪遜威斯康辛大學校園旁邊的門多塔湖(Lake Mendota)，從一百五十年左右的冬季湖面封凍起訖日期的記錄可看出，封凍開始日期越來越晚，而總封凍期間也變得較短，基本上也可看成是氣候暖化的佐證。
現在問題是：為什麼氣候會變暖？這就是爭議之所在。

暖化緣由與機制


想要找出氣候暖化的原因，首先就必須對大氣及海洋的物理化學結構有十分詳盡的了解。然而大氣和海洋偏偏都是十分複雜的系統，兩者有很強烈的「非線性」。所謂非線性，簡單來說，就是當你對這個系統施加某一程度的擾動力時，它的反應不會和你的擾動力成比例。有時你給它一點小擾動，它卻產生很大的反應；而有時當你給它一個強力擾動，它卻反而沒有多少反應，或甚至和您預期的反應方向相反﹗


而氣候系統最主要的運作機件就是大氣和海洋，並非兩大機件各自單獨運作的總和，而是它們彼此相互作用——大氣與海洋耦合(coupling)的結果。兩大非線性系統耦合出來的系統可以預期必然是個極其複雜的非線性系統。而非線性系統的主要特點，是對外力的反應很難預測。


氣候系統的機件不止是大氣和海洋，生物圈也是其中一個作用不小的機件，也同樣是強烈非線性的系統。地表上的森林植被和海面上的藍綠藻類，都會受到氣候狀況的影響而作出種種反應，而這些反應同時也會影響未來氣候的趨勢。而「人類社會」，更是生物圈中令「人」無法預測的非線性系統！
人類社會對氣候的影響也正是目前「全球暖化」這個議題的焦點所在。


關於氣候暖化原因的理論有許多種。本文只提出以下比較受爭議與引起廣泛討論的三種論述。


第一，是自然變率說。這個學說指出，氣候系統既然是一個強烈的非線性系統，它本身就包含極大的自然變率(Natural Variability)。這是說，即使在沒有外力因素的影響下，氣候系統本身就會一下子暖，一下子冷，也會忽乾忽濕，而全球暖化現象也許只不過是這種自然變率的表現而已。


麻省理工學院的大氣科學家羅倫茲(Edward Lorentz)教授曾經提出「混沌」(chaos)理論，指出像大氣層這麼非線性的系統，其內部變化只能作短期預測，長時期的預測本來就非常困難，因為這個混沌系統會從一個準穩定狀態突然跳到另一種準穩定狀態。它何時跳？會跳到哪個狀態？這都是不能準確預測的。前幾年過世的耶魯大學大氣科學家薩茲曼(Barry Saltzman)教授曾以數值模擬指出，在沒有任何外力作用下，大氣氣候系統之震盪頻率會突然改變，從近乎穩定的緩慢氣候變化範疇，突然變為急劇氣候動盪範疇，也是這種混沌系統的表徵。

杞人憂天？


反對這個說法的人認為，氣候的確有自然變率，但那變率總該有個一定的幅度，而根據一些研究，現在全球暖化的變率已經超過從過去氣候資料統計求出的自然變率。因此，應當有外來因素的影響使得氣候發生如此重大的改變。


根據第二種理論——太陽活動說，太陽輻射是地球運轉「氣候機器」的能量來源，可想而知，如果太陽自己發生變化，也頗可能透過這個能量供應機制而影響了地球上的氣候。目前最熱衷於宣揚這個學說的是幾位瑞典的科學家，他們利用「相關分析」的統計方法指出了，地表氣溫的震動似乎和太陽活動週期的長度有很好的「正相關」關係。眾所週知，太陽活動有個平均十一年的週期，在太陽活動的高峰期，太陽表面黑子數變多，而在極小期則黑子數稀少。但實際上這個週期有時長有時短，而這幾位瑞典科學家指出，太陽活動週期長時，地球氣候也相對溫暖，反之亦然。


除了幾位學者指出他們的數據及計算似有錯誤之外，學說的主要問題在於，太陽輻射目前處於一個相當穩定的狀態，雖然隨著太陽活動而略有變動，但它的輻射改變量比起氣候運轉能量差了好幾個量級，尚無法指出一個令人信服的物理機制，可以透過如此小的能量改變而達成重大的氣候變化量。僅僅相關係數高並不代表相關的兩者間真有什麼因果關係。因此，大部份學者對此學說仍持存疑態度。


第三種學說，是溫室氣體說。眾所周知，這是目前最當紅的學說，也是本文要探討的主題。太陽輻射的確是天氣氣候運轉的能量總來源，但它必須首先要能讓大氣吸收才行。然而太陽輻射絕大部分是可見光，偏偏大氣對可見光而言卻是個透明體(要不然我們哪能透過大氣，看到星星、月亮、太陽？)，所以大氣是不會吸收可見光的。然而地表(不管是陸地或海洋)卻是不透明的，因此它們會把可見光全數吸收，而轉化成波長較長的紅外線輻射再放射出來。


假如大氣對紅外線也如可見光一般透明，那麼，紅外線將毫無阻攔地散回太空中。但事實上大氣中的氣體或多或少會吸收紅外線，使紅外線輻射的外溢沒有那麼順當，部分被攔截下來的輻射，最終使得大氣因能量增多而增暖。大氣中的水蒸氣、二氧化碳、甲烷(Methane)、氧化氮(Nitrous oxide)，乃至氯氟化物(Chlorofluorocarbons, CFCs)，都是吸收紅外線輻射的高手，一般統稱為「溫室氣體」(Greenhouse Gases)，它們吸收紅外線的功能，就叫做「溫室效應」(Greenhouse Effect)。要是大氣中沒有這些氣體的話，地表平均溫度將會比目前狀況冷了攝氏十幾度。


這些溫室氣體中，功能最強大的首推水蒸氣。大氣學家們相信，超過百分之九十的地表溫室增溫作用是因為水蒸氣和雲的關係。假如大氣中的水蒸氣含量發生重大變化的話，可想而知，地表溫度也會有重大變化，不過，目前尚未有證據指出水蒸氣含量有什麼長期的重大變化。但另一方面，卻也沒有證據說明它不會產生變化，因為全球水蒸氣含量本來就很難估計，水在大氣中也有複雜的相態變化。


而二氧化碳的溫室效應功能則位於水蒸氣之後。與水蒸氣不同的是，過去五十幾年大氣中二氧化碳的含量卻已經確切知道是在增加中，因此，如果溫室氣體增加的確是全球暖化的主因，那麼，最大嫌疑犯顯然便是二氧化碳了。




~更多詳細內容請參閱經典雜誌---危機年代---全球暖化---經典雜誌-第107期~