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永晝計算國度-《科學發現幕後的黑色喜劇》

黑色喜劇寒冷的北歐冬日,孤獨沮喪的瑞典化學家與美麗研究助理的婚姻瀕臨破碎。一個人的耶誕夜要幹嘛呢?該到熱鬧的市中心為自己尋覓下一段良緣,還是待在家為逝去的愛情傷懷?對阿瑞尼斯來說,這兩樣都不是他的選擇。1894 年的耶誕夜,阿瑞尼斯捲起袖子,開始了每天十四小時,維持超過一年的馬拉松式數學計算。計算完成時,他幾乎算是獨立創造了溫室氣體造成全球暖化的理論,同時衍生出近代全球氣候模擬的原理。還不只這樣,阿瑞尼斯所計算「大氣的二氧化碳增加造成暖化加劇」的數據,與國際氣候變遷委員會算出來的結果幾乎一模一樣。不過不幸的是,好像沒有人對他辛苦完成的計算結果有興趣。

阿瑞尼斯(Svante Arrhenius)是頑固的傢伙,以常在無意間惹毛同事而臭名遠播。當北歐的永夜結束、永晝開始時,阿瑞尼斯工作得更努力,把溫室氣體濃度變化對全球各地的影響化為繁複的計算,填滿了一本又一本計算簿;不過現今的超級電腦僅需數秒就能完成這些複雜的計算。他後來承認:「真不敢相信這件無聊的事情竟然花了我整整一年的時間。」不過當時妻子蘇菲雅離他而去,阿瑞尼斯沒有其他事好做。這個計算工作變成一種執迷。

最早開始這個工作的誘因是為了解開當時最熱門的科學迷團,也就是地球如何降溫進入冰河期。阿瑞尼斯的計算顯示,當大氣中二氧化碳的濃度下降三分之一到一半時,地球會降溫攝氏4 到5 度,這個溫度變化足以讓大部分的北歐地區受永凍層覆蓋。八十年後,研究者在最後一個冰河期的南極冰層中發現的二氧化碳濃度,就如阿瑞尼斯所推估。

當計算工作接近尾聲,阿瑞尼斯也開始對「溫室氣體濃度增加」引發「全球暖化」的可能性感興趣。他總結當大氣中二氧化碳濃度加倍時,會引發全球溫度平均上升攝氏5 到6 度。

他是怎麼算出來的?阿瑞尼斯用的方法跟現今氣候模擬學家所用的非常類似。他先利用一些基本公式算出二氧化碳和水蒸汽等氣體在大氣中蓄熱的能力,這些公式是19世紀一群才智出眾的人發明的,這些人當中最有名的要算是法國數學家傅立葉(Jean Baptiste Furier)了。

就傅立葉所知,這些氣體會讓來自太陽的紫外線輻射穿透。但是地表會把大部分的輻射能轉換成紅外線熱能,而紅外線會受溫室氣體阻擋在大氣層內,讓大氣升溫。傅立葉自己並沒深入探討這個問題。阿瑞尼斯是第一個發現這種效應算是某種大氣恆溫裝置的人。

他發現,恆溫器的設定溫度取決於有多少紫外線由地表反射回太空,有多少轉換成紅外線。這個變因又與地表是否受冰或海洋覆蓋、當時是否有雲層遮蔽等因素有關。

利用傅立葉的方程式,阿瑞尼斯著手把地表分成很多小區域,然後評估這些區域吸收及反射太陽輻射的能力。從這些數據以及大氣二氧化碳的變化,他建立了一系列不同季節、不同緯度的氣溫預測,他設定的二氧化碳變化範圍,最小是當時濃度的三分之二,最大到三倍。最引人矚目的是,阿瑞尼斯算出當二氧化碳濃度增加一倍,溫度會上升攝氏5 到6 度,這個結果幾乎完全吻合最近國際氣候變遷委員會公布的攝氏5.8 度的溫度上升範圍。

阿瑞尼斯把結果發表在名為〈空氣中碳酸對地表溫度之影響〉的論文,並且在1895 年把文章提交給斯德哥爾摩物理學會。阿瑞尼斯不僅在預測全球暖化的相關數字上十分準確,他還辨認出許多與今日預測相同的暖化關鍵因素。他說,跟熱帶地區相比,高緯度地區受暖化的影響較劇烈。夜晚、冬天還有陸地的暖化現象會較明顯。

不過他解決的好像是一個沒人感興趣的問題。人們很快忘記阿瑞尼斯的理論,直到1990 年代,他這篇已有一個世紀之久,探討全球暖化的論文成了那十年引用次數最多的科學論文。

本文摘自《科學發現幕後的黑色喜劇》,由天下文化出版

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