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人為的全球暖化與氣候變遷

許晃雄

<hsu@atmos1.as.ntu.edu.tw>

台灣大學大氣科學系教授 本文原刊於The 4th International Conference of Atmospheric Action Network East Asia, Taiepi, 19998/9/26-27
(環保聯盟主辦)

目次


一、前言

自從有人類以來,為了求生存以及求更好的生存環境,人類不斷向大 自然爭取生存空間,成為影響環境變遷的因素之一。人類居住越久、 人口越多的地方,受到的影響也越大。當人口稀少、科技不發達,人 類焚燒森林擴張耕地,對大自然的影響是區域性而且緩慢的。隨著人 口快速增加、科技不斷突飛猛進,人類的影響不斷加速而且擴大影響 範圍,假以時日演化成森林縮小、土壤流失、水污染、空氣污染、降 低生物的多樣性、沙漠化,甚至可能導致全球氣候變遷。

工業革命以來,人類大量的製造二氧化碳、氧化亞氮、甲烷、氟氯碳 化物等溫室氣体。人類對大自然的影響不再只是侷限於地表,而是擴 張至大氣,而且藉由大氣的運動,將影響逐漸佈及全球,大幅提高了 全球暖化的可能性。科學家也因此驚覺到氣候不只變幻莫測,更可能 因人類的過度發展而發生更劇烈的變化。1980年代以來,全球平均氣 溫迅速上升,不尋常的天氣與氣候現象頻頻發生頻率,更使得氣候變 遷突然成為世人矚目的議題。

本文從科學的角度,討論溫室氣體增加可能產生的氣候變遷,預測氣 候變遷所面臨的科學問題,以及我們應採取的態度。

二、溫室效應

溫室效應是一自然現象,自盤古開天以來,就存在於地球。如果地球 沒有大氣,在輻射平衡狀態下,地球表面的平均溫度約為 -18°C,比 目前地表的全球平均氣溫15°C低了許多。大氣的存在使地表氣溫上升 了約33° C,溫室效應是造成此一溫度差距的主要原因。地球大氣中的 許多氣體幾乎不吸收可見光,但專門吸收地球放射出去的輻射。這些氣 體,允許約50%的太陽輻射穿越大氣為地表吸收,但卻攔截幾乎所有的 地表及大氣輻射出的能量,減少能量的損失,並且再將之放射出來,使 得地表及對流層溫度升高。大氣放射出的輻射不但暖化地表溫度,而且 在夜晚繼續放射,使地表不致於因缺乏太陽輻射而變得太冷。這些氣體 的影響類似農業用溫室的暖化作用,因此稱為溫室氣體,它們的影響則 稱為溫室效應。溫室效應不只發生在地球, 金星及火星的主要大氣成份 為二氧化碳。金星大氣的溫室效應高達523°C,火星則因為大氣太單薄, 溫室效應只有10°C。

地球大氣的溫室效應,創造了適合生物生存的環境。但是,如果大氣中的溫室氣體含量過高,將攔截過多的地球輻射使得地表氣溫逐漸上升。自從歐洲工業革命以來,人類的工業活動大量使用化石燃料( fossil fuel,如煤、石油 ),製造了大量的二氧化碳,並將之排放至大氣之中。在工業革命之前的一千年,大氣中二氧化碳含量一直維持在約280ppmv( 亦即,一百萬單位體積氣體中含有280單位體積的二氧化碳)。工業革命之後,二氧化碳含量迅速增加,1950年代之後,增加速率更快,到1995年濃度已達358ppmv。

從 18世紀後葉至1990年代,二氧化碳含量增加了30%。這些增加量主要是來自燃燒化石燃料、水泥製造及土地利用。煤及石油中的炭在燃燒過程中被氧化成二氧化碳;石灰岩被製成水泥的過程中也產生二氧化碳;土地的開發利用不但減少了植物吸收二氧化碳的的量,也加速殘枝敗葉的腐壞而產生二氧化碳。我們現在所使用的煤大多是泥炭紀(三億多年前)的樹木因某種原因被掩埋在地層之中,逐漸形成的化石。三億多年前植物吸收太陽輻射所遺留下來的能量,近代人類卻在一、二百年之間就將之消耗殆盡。

除了二氧化碳,甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物( CFC )等皆因人類人口的增加、經濟活動日趨活絡,而迅速增加。比如,從工業革命之前到1994年,甲烷含量由700ppbv (part per billion by volume,十億分之一)增加到1721ppbv; 氧化亞氮由275ppbv增加到311ppbv。氟氯碳化物為人造化學物質在1950年代才大量出現, 而後迅速增加。最近由於蒙特婁公約禁用氟氯碳化物, 其含量在1990年代已不再增加。

如果與二氧化碳相比,甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物的溫室效應更高。比如, 一個甲烷分子的溫室效應是一個二氧化碳分子的21倍,氧化亞氮為206倍,氟氯碳化物則為數千倍到一萬多倍。不過由於二氧化碳含量遠大於其他氣體含量, 因此二氧化碳的溫室效應仍是最大的。從1980年到1990年,各種人造溫室氣體增加,大氣中的輻射量也跟著升高。其中,二氧化碳的效應佔了55%,甲烷15%,氧化亞氮6%,氟氯碳化物則佔了24%。

上述的溫室氣體的另一個特性是它們在大氣中停留的時間 ( 亦即, 生命期)相當的長。二氧化碳的生命期為50∼ 200年,甲烷12∼17年,氧化亞氮為120年,氟氯碳化物(CFC-12)為102年。這些氣體一旦進入大氣,幾乎無法回收,只有靠自然的過程讓它們逐漸消失。由於它們在大氣中的長生命期,溫室氣體的影響是長久的而且是全球性的。從地球任何一角落排放至大氣的二氧化碳分子,在它長達100年的生命期中,有機會遨遊世界各地,影響各地的氣候。即使,人類立刻停止所有的人造溫室氣體的排放,從工業革命之後,累積下來的溫室氣體仍將繼續發揮它們的溫室效應,影響地球的氣候。

三、 溫室氣體對未來氣候的可能影響

地球氣候史中多次暖期發生時,溫室氣體含量也較高。在未受到人為干預的情況下,大自然自有其一定的韻律,地球上的生物想躲也躲不掉。然而,現代人類面臨的問題是,過多的人造溫室氣體的排放,是否已經或即將破壞大自然的韻律,留給後代子孫一個毀滅的未來。

如果大氣中的溫室氣體含量持續升高(不可避免的事實!),「政府間氣候變遷研究小組」(Intergovenmental Panel for Climate Change;IPCC)的科學家估計到2100年,全球平均氣溫將比1990年高出0.9°C到3.5° C。其中,二氧化碳的溫室效應大約佔70%,其他溫室氣體約佔30%。由於海洋熱容量大,比較不容易增溫,陸地的氣溫上升幅度將大於海洋,其中又以北半球高緯度地區上升幅度最大,因為北半球陸地較多。但是,北大西洋的氣溫不但不上升,反而下降。依據推估,二氧化碳濃度升高將使全球平均降水增加,尤其以冬季的高緯度地區最為明顯。在低緯度地區,原本降水量就比較大的地區的降水量普遍增加,尤其是南亞與東南亞。全球平均氣溫上升,海水溫度也上升,體積膨脹加上極區冰雪溶化,使得全球平均海平面逐漸上升,在 2100年時將比1990年高出38公分至56公分。海平面上升的主要原因是海水體積膨脹,格陵蘭及南極洲冰川溶化的影響較小。

在氣候變異度( variability )及極端氣候方面, IPCC 科學家作了以下結論:

  1. 氣候平均或變異度的微小變化可能使極端氣候發生頻率產生相當大的變化。
  2. 普遍增溫將導致高溫情況的發生頻率昇高, 但使低溫情況的發生頻率降低。
  3. 暴雨的發生頻率可能提高。雨量減少的地區, 乾旱的可能性昇高。水循環可能加強, 其含意為某些地區的旱澇加劇, 某些地區則減緩。
  4. 中緯度風暴是否加劇或減弱, 則無定論。
  5. 目前的知識無法判定熱帶氣旋及颱風的可能變化。
  6. 較暖的氣候使熱帶海洋較接近聖嬰現象的情況, 類似聖嬰現象的氣候型態可能較頻繁。

四、氣候變遷預測的爭議

IPCC利用氣候模式在超級電腦中推估未來的氣候,所用的知識與工具皆是最尖端的科技。然而,以目前人類對大自然的瞭解與知識,仍不足以用來準確的預測21世紀的氣候。在此僅討論幾個較具爭議性的議題。
  1. 空間尺度越小、變化越劇烈的天氣現象,準確度越低
    一般而言,氣候模式的空間解析度甚差。在許多模式中,台灣甚至不存在。因此,不同模式預測的區域氣候,有時甚至南轅北轍。因此,要利用目前的氣候模式預測未來的台灣氣候幾乎是不可能的任務。
  2. 許多影響氣候的物理機制仍未為人類所瞭解
    最明顯的例子是懸浮微粒。人類燃燒化石燃料時,也同時產生硫酸鹽懸浮微粒,增加大氣混濁度,也造成空氣污染、酸雨。 1950-60年代的科學家就曾警告說,人類造成的空氣污染增加大氣混濁度,將使氣候逐漸變冷。因此,如果考慮懸浮微粒的降溫作用,許多地區的增溫程度將減少,雨量變化甚至由減少變成增加(或由增加便減少)。IPCC科學家估計,從工業革命以來,人造溫室氣體造成的增溫作用約相當於每平方公尺2.5瓦。同一時期,懸浮微粒的冷卻作用則相當不確定,在每平方公尺0-3瓦之間。
  3. 氣候模式仍不夠完善
    目前的氣候模式仍有許多不完善之處,與用來預測天氣的模式大同小異。許多科學家爭辯,當我們仍無法用這些模式準確的預測10天以後的天氣,如何能預測21世紀的氣候。
  4. 自然變遷與人為變遷
    過去一百多年來的氣候變遷,有多少是氣候的自然變化?有多少是人類污染造成的?科學界針對此一問題仍議論紛紛,尚無定論。最明顯的例子是,IPCC評斷20世紀是否比其他世紀暖和時,所作的結論:「全球平均溫度至少與西元1400年以來任何世紀一樣暖」 ( at least as warm as any century since at least about 1400 )。而且,全球暖化的現象可能與長達數百年而在19世紀末結束的小冰河期有關。小冰河期的發生則與人類的活動無關。至於,小冰河期是否是因為人造溫室氣體造成的溫室效應才結束,則是另一個仍無答案的問題。如何釐清自然變遷與人為變遷是目前科學家面對的一大挑戰。

我們的態度

氣候學家Henderson-Sellers 曾經針對全球暖化防治問題進行問卷調查,詢問確定性要有多高,才必須採取防治行動。結果民眾要求只要50%即可。即使如此,科學家仍無法拍胸脯保證。然而,我們是否可以因此忽略全球暖化的問題?答案是否定的!理由有三:
  1. 全球暖化的可能性:
    雖然,我們仍無法確切知道溫室氣體的累積將如何改變地球的氣候,但是我們知道人為污染確實可能導致氣候變遷,其影響不容忽視。理由有三:(1)人類的活動造成大氣中溫室氣體含量的增加,(2)溫室氣體具有暖化地球大氣的特性,(3)溫室氣體的生命期從十年到數百年不等,能影響地球氣候數百年之久。
  2. 氣候系統的回饋作用:
    氣候系統的運作過程中有許多正回饋與負回饋作用。不論是前者或後者,都可能劇烈的改變地球的氣候。知名學者Broecker,最近發表一篇論文警告說,全球暖化有可能改變大西洋的海洋環流,使得傳送至高緯度地區的熱量因而降低,反而使得歐洲甚至全球進入寒冷的氣候。他所提出來的機制,乍聽之下,似乎會緩和全球暖化,其實不然。因為,該機制的降溫作用,遠大於全球暖化的增溫作用,反而造成更劇烈的氣候變化。Broecker將此機制比喻為氣候系統的「阿基里斯的腳踵」(Achilles Heel),亦即微小的變化可能導致氣候系統的大轉變,甚至瞬變(幾年的時間尺度)。
  3. 氣候變遷的風險太大:
    一個颱風,不管在落後國家如孟加拉灣,或富裕國家如美國,都可能造成巨大的生命、財產的損失。雖然說氣候將如何變遷仍有相當高的不確定性,但是如果全球暖化造成更加劇烈的天氣、氣候變化,其衝擊面之大,將是人類所無法想像的。亦即是,我們所面臨的風險之大,是史無前例的。更何況,資料顯示古代大氣中溫室氣體含量高時,氣候偏暖;含量低時,氣候偏冷。過去一再發生的現象,未來發生的機率也極高。
基於以上的理由,我們應有以下的認知與體認:
  1. 風險的概念:
    首先,我們必須體認氣候變遷預測的不確定性,不能因為科學界無法提出百分之一百可信的結果,而全盤否定氣候變遷的可能性。人的一生中面對許多大大小小的風險。現代人因此投注相當多的時間、金錢與精力, 維護自身的健康,購買壽險、健康保險,防患於未然。而在做這些維護自身利益的措施之前,我們從不需去確定不幸的事情一定會發生。同樣的,人類的未來面臨更多、更大的風險。更何況,過去一、二百年來,人類已經為自己的未來埋下更多不可預期的危機。與其面對茫茫的未來,毫無作為,不如起而行,盡心盡力維護地球的健康。人與自然的互動應是互相融合, 而不是事後的適應與療傷。即使全球暖化發生的機率不高或者程度不嚴重, 任何維護地球環境的投資( 不論是有形或無形的 )都是值得的,因為至少我們維護了一個健康的生存環境。更何況,如果發生了,人類所付出的代價將極其慘重。畢竟, 維護地球的健康,就是延續人類的生存。
  2. 摒棄「得過且過」的觀念:
    京都的「氣候變化綱要公約」會議將全球暖化的議題提昇到最高點。人造溫室氣體可能造成的氣候變遷,由於不確定性較大,對各國的經濟影響大了許多,在國際政治舞臺上,各國也很難取得共識。台灣對此一議題的處理方式,仍處於得過且過的階段。政府總是談論「因應之道」,而不是「解決之道」,一廂情願的希望能適用較寬的二氧化碳排放標準。甚至,有人建議應靠外交談判來處理相關問題。然而,台灣有多少外交籌碼,人人心知肚明。核能政策的擁護者也趁機建議應發展核能發電。殘酷的事實是,台灣仍將繼續投資於高耗能的煉鋼廠,即使多蓋幾座核能發電廠,也緩不濟急,於事無補。更何況,核能發電廠有其另外的環境問題。鴕鳥心態不但解決不了問題,只會使情形惡化。
  3. 營造「環境善國」:
    20世紀末,高度的經濟發展對人類生存的地球已經形成重大壓力。台灣地小人稠,所承受的環境污染與生態破壞更是嚴重。我們應該採取的策略是,重新思考台灣經濟政策與科技政策,讓經濟發展、科技發展、與環境保護合而為一,而不是互相牽制。台灣應該採取的策略不是因應之道,而是規畫一個能兼顧「適度的經濟發展」與「環境保護」的永續發展策略,讓台灣成為「環境善國」,善盡地球村一員應盡的義務,徹底的解決地區性的與全球性的環境污染問題。

結語

本文討論了溫室效應、未來的氣候變遷,而且刻意將科學的不確定性赤裸裸的呈現出來。筆者相信這方面的資訊相當重要,因為氣候預測將嚴重影響下游的衝擊評估及因應策略研究,甚至制訂政策的方向。不確定性( 或概率 )的概念, 也應納入衝擊評估及因應策略研究。我們應作的是依據不同的假想狀況來評估氣候變遷的可能衝擊,而不是鐵口直斷,給予斬釘截鐵的答案。

我們更不希望政府、企業、甚至民眾,因為知道氣候變遷預測的不確定性,而忽視人為環境變遷可能帶來的巨大影響。相反的,就是因為它的不確定性及可能造成的災害,我們應投入更多的精力在環境保護相關的研究、教育與防治上, 設法結合綠色科技與經濟,讓環保與適度而且必要的經濟發展形成雙贏的局面。

參考資料

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