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《氣象戰》的背後,那些科學和不科學的事

阿樹_96
・2017/10/17 ・5948字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

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關於《氣象戰Geostorm》這部電影先在這裡說一下結論,由於《氣象戰》算是個災難素材的科幻電影,因此我個人並不會因為科學上的問題而反推,起碼觀賞過程中某程度是覺得有娛樂商業效果;至於特效我個人覺得因人而異,也不可能要求「真實」,就不多作評論。而本文將會循序漸進的從無劇情到預告片層級的雷,到直接聊劇情中的科學元素,請視情況斟酌閱讀喔!

source:IMDb

「氣候」、「天氣」傻傻分不清?

我們會說今天「天氣」好不好,不會說今天「氣候」好不好。「天氣」通常是用以指稱特定時間點的大氣狀態或現象,討論的時間範圍短至一天,長至一星期,空間上的尺度也很小,最小到鄉鎮區層級。而會「氣候」的尺度動輒數個月、數年甚至談論百萬年以上的古氣候都有,空間從像台灣的尺度到世界尺度都有,談的是長時間的「平均狀態」。

「氣候變遷」是近代大眾對大氣科學最關注的議題之一,數年前IPCC的報告已經告訴大眾,全球暖化有 95% 與人類活動有關(延伸閱讀:如果你覺得地球快被我們毀了,你該矯正對全球暖化的認知)。而另一個議題則是極端天氣對人們的影響,譬如極端的降雨、熱浪、暴風雪,皆對人類的生命與財產造成重大損失。而其中也不乏有研究指向極端天氣與氣候變遷的關係,不過試想這兩者的時間空間尺度都差很多,光是探討相關性就夠難了,更不用說討論其因果關係。要我來說,先不論原因為何,起碼統計上極端天氣變頻繁是事實,我們的確是需要正視如何應因極端氣候的問題。

圖片截圖來自 IMDB

______以下開始是預告片等級的微微雷_____

《氣象戰》的空想科學:能「炸」掉一整個颱風嗎?

電影《氣象戰》的科學背景,是人們以衛星科技結合大氣理論來試圖操縱天氣現象,以解決極端氣候問題。由現今科學的角度來看這想法還遠得很:目前的科技,實用的方式還停留在「人造雨」的階段。而且要造雨,也還是需要「雲」,因為人造雨的方式只是在雲中添加一些幫助凝結的東西(詳見氣象局網頁說明),因此這樣的方式還是限縮在某些特定天氣條件下。至於從零開始製造出雲,除了適當的溫壓條件,還要有水氣,要是能憑空造水氣,我們還愁什麼人造雨施作?而 NASA(美國太空總署)的任務中雖然有過製造彩色雲朵,但實際上這些雲是用來給悟空把妹研究電離層的小規模雲朵,對於天氣改變一點用都沒有!

七色雲彩的來源:齊天大聖東遊記。圖片來源:youtube

所以像預告片中製造出暴風雪的情況,即使理論上有可能,但也受限於科技無法提供這麼大量的水氣,更不用說要大幅降低溫度。至於預告中「粉碎熱帶風暴(颱風)」的行為,科技難度根本爆表。之前小弟查了颱風所釋放的能量,一個中度颱風一天釋放出的能量可達數萬顆廣島原子彈的層級,由於數量級過龐大,我實在很難想像要怎麼「炸」才可以轟掉一個成熟颱風。(延伸閱讀:「為何不用用神奇核彈來摧毀颶風?」 美國大氣總署的不思議問題庫

source:fictiontofact.com

而觀測史上颱風被轟掉的唯一例子,是地球自己轟的。1991年颱風詠妮亞(Yunya)從菲律賓經過時,正好皮納圖博火山爆發,火山噴發破壞了颱風結構(不只有能量,火山本身也使其結構受到破壞;颱風後來轉向侵襲臺灣時很快就消散了。以現在媒體常用的角度或許就會說「護國火山」?)不過,破壞颱風的並不只是火山的能量,更多是火山噴出來的火山灰等碎屑。而接觸到颱風的雲雨而落下形成大量泥流,也造成菲律賓當地的嚴重災情(說實在有點衰,颱風火山一起來)。

颱風詠尼亞的路徑,到臺灣已經消散了。圖片來源:wikipedia
火山在詠尼亞颱風經過時噴發,圖中正中間灰色圓形部分為皮納圖博火山噴發的火山灰。圖片來源:wikipedia

所以要毀掉大型的天氣系統,需要的能量和物質尺度,也只有地球自己製造的才有機會。光從預告片便可知電影中的科學,至少已經是「空想」、離現實遠得很~小弟雖是地科人但擅長的不是大氣,猜想大氣系的朋友看這片子,或許就和地質系的人看《地心毀滅》、《加州大地震》是一樣的感覺吧?

設計對白:「我到底看了什麼?」
圖為塞繆爾.約翰遜(Samuel Johnson)

_____以下開始是颱風等級的爆雷囉,前方高能注意_____

關於《氣象戰》中的大氣科學

我必須說,電影中「真實的」大氣科學,少的有點令我充滿問號。片頭雖然說為了對付極端氣候而發明了這項武器,取名叫「荷蘭男孩」(Dutch Boy),不過就只有說明它的科學原理是控制大氣的「熱量、溫度、壓力」的狀態,然後畫面就帶到衛星發射一堆看起來想熱能量東西炸掉一個颱風(如上面的gif),然後就沒了!後面關於怎麼用雷射加溫、怎麼製造暴風雪一個字都沒提,所以我想只能用「黑科技」來解釋這件事。而比起大氣術語,我發現用在太空站裡的術語或名詞比大氣的東西還多;不過想想也合理,片中最常出現的 LOGO 是  NASA 不是 NOAA(美國海洋與大氣總署),有種「想要搞定天氣,就是要靠發射衛星解決」的概念?

這種東西怎麼看都像雷射武器啊。圖片來源:youtube

另一個片中提到的「理論」,應該是英文片名 GEOSTORM(地球風暴),意思就是當地球上被製造出來的風暴到一定的程度,就會毀了整顆地球!這當然還是空想科學。就如本文一開始提到「天氣」和「氣候」的差異一樣,過去整個地球層級的變化,應該是「極端氣候」而非「極端天氣」,簡單來說就是整顆地球得很冷或變得很熱,而非同一時間地球上各地同時暴風雪加颱風加熱浪加一堆龍捲風全部一起來。當然,或許這套理論是假設在荷蘭男孩的「黑科技」可行的情況下而設計的,都能造出一個環繞全世界的天氣衛星網,電影中的世界還有什麼不可能的呢?

所以,真的不要太在意它的災難場面真實性,包括充滿黑人問號的香港氣爆、好幾個龍捲風交錯縱橫的神鬼傳奇、大到和海嘯一般的暴潮還能摧毀杜拜的高樓也是有點微妙(其實夠堅固的房子並不會被海嘯一沖就馬上倒),還有砂鍋大的冰雹、暴風女經過的閃電連發我看到都笑了,而瞬間急凍已經是《明天過後》的老梗就…就不多談了。但總體來說,比起過去災難片來說,這部算是收斂到有點被人詬病了

source:IMDb
神鬼傳奇(X) 龍捲風同樂會(O)。圖片來源:youtube

除了大氣科學外的科學與科幻畫面

或許電影考量了天氣的能量尺度之大,所以認知到要實現「荷蘭男孩」,必須要建造一大堆的衛星和太空站;從完整的劇情和畫面推敲,荷蘭男孩可能布滿了整個天空,這也合理,因為唯有這樣才能有效率地操縱天氣。所以理所當然地,用太空梭可重複多次酬載的特性來打造和維修太空站再合理不過(像 SpaceX 也有發展可回收火箭,只是電影掛上 NASA 就是要用 NASA 的科技吧?)。

但對我而言仍難以想像,現在已經沒有太空梭服役的時代,竟然有太空站可以容納好幾台太空梭,地表的發射載台可以一字排開輪流發射,這種如動畫鋼彈一般的宇宙空港,想必太空科幻迷應該很開心!但話說回來,要蓋這些東西花多少錢啊?更不用說發生像是讓主角坐在空盪盪的太空梭這樣奢侈的行為了!這也難怪一開始公聽會的參議員不是很想移交荷蘭男孩。

而或許是現今科幻作品都考量到「重力」對人體健康的影響,像是《火星男孩》直接就考量了重力對骨骼的影響,而《絕地救援》和《星際過客》都有考量長期在太空的人類需要重力,而設計出由旋轉產生重力的太空船(但其實重力要夠也要轉很快),本片中的太空站也是將此設定作為基本配備。只是……旋轉軸部分不會因此有重力啊!所以在停靠接收太空船和衛星設備的位置,大家應該漂來漂去,不應該若無其事地走路啊!至於比較細節的像是人被吸出太空站外的劇情,有瞬間被冰凍脫水的情況,以及一些太空爆炸特效,反而「看起來有比較真實一點」,所以重力部分我想就當作考究不足或是成本考量吧!

中間的軸根本不會轉,哪來的重力啊!圖片來源:youtube

至於最後的小吐嘈,就給荷蘭男孩的太空站和衛星高度吧!

先給大家兩個參考資訊:

  1. 現在的國際太空站ISS軌道距地大約350公里,繞地球一圈91分鐘。
  2. 地球同步衛星(如同步氣象衛星)距地35786公里,繞地球一圈24小時(意思就是和地球自轉是同步的)。

接著來看劇情提到的「香港上空」和「阿富汗上空」的衛星故障,可以猜想這套系統使用的是「地球同步衛星」,唯有這樣才能精準的定義「某某上空」的衛星是哪顆,不然會衛星將會一直跑來跑去,但是電影中的衛星看來高度比較接近 ISS 的低軌道(地球太近了),這樣一來如果要確保衛星和地球自轉同步,勢必要秏費很多額外動力,簡言之就是劇情和衛星高度的設定矛盾。

這靜止衛星的高度不科學啊!(謎之音:為什麼發射前要張開像太陽能板的東西?)圖片來源:youtube

好吧,這只是職業病,我其實是想跟大家說明一下同步衛星的視角,應該是跟氣象局上的全球衛星雲圖差不多的感覺!順道一提這張衛星雲圖中從臺灣附近的颱風向北延伸的雲帶,可是很大尺度的天氣系統,這個雲雨帶和颱風共伴的效應也在台灣帶來大量豪雨造成土石流等災情,由於劇情中並未提到,不知道荷蘭男孩能不能對付這種天氣系統?

同步衛星的視角,應該是跟氣象局上的全球衛星雲圖差不多的感覺。圖片來源:中央氣象局

劇情走線中的邏輯脈絡

雖然看過預告片知道這是災難片而非劇情片,但我還是比較期待是拿氣象武器互相傷害的情節。尤其是「結合十七國科學家之力,並由美國和中國出錢蓋好荷蘭男孩」這件事,對我來說跟前述的科幻一樣不切實際啊(雖然片尾有說世界大同、齊心協力試圖合理化這點)!但畢竟歷史上很多跨時代的科技,都是來自於戰爭和武器開發,而像這種雙面刃般的科技,怎麼想都是會先出現武器,或者是因為它有可能成為大規模毀滅性武器,而像核武一般禁止試驗,這部電影的世界觀其實頗和平的啊。不過劇情中也暗示,這種東西給特定國家擁有絕對不是好事!所以最後的走向還是移交回聯合國來管理,然而如果像片中可以藉由後門和病毒程式搞破壞,那還是很危險啊!

電影中說有十七國,算一算國旗是十八,猜想是美國扣除自己了吧!圖片來源:youtube

個人看電視電影時,很喜歡看劇情中有沒有邏輯不通的地方,扣除前述職業病使然所挑出的科學bug,還是可以看出編劇許多有趣的鋪梗,譬如前段吉姆史特格斯跟傑瑞德巴特勒的女兒說「我們小時候要好到可以有專屬的暗語」,是為了後面視訊會議鋪的梗,還有巧妙的把自動車(自駕計程車)融入關鍵劇情的設計,而中後段起我就一直很在意,在主角邊跟前跟後的德籍首席科學家沒有特別的表現,好奇她的關鍵戲何時會出現(果然沒有失望XD)。諸如此類的細節小巧思,對於我這種在意邏輯大於特效的觀眾,算是提供了頗有趣味的娛樂。

戲分算蠻少的「德籍首席科學家」。圖片來源:youtube

如果我們不能改變「天氣」,但能改變「氣候」嗎?

其實,我們已經改變了!

僅管還是有人不相信(譬如川普總統),但照IPCC的報告來說,全球暖化 95% 的可能性是人為的,也說明我們該為此事負責。為此,除了宣導節能減碳之外,科學家還是有作了很多嘗試努力想讓法解決問題,而與此部片最為接近的應該是「地球工程」(geoengineering)領域的研究,最值得一提的例子,就是「鐵假說」(註1)的相關做法,即使有些爭議(註2),但還是一直有科學家在研究並嘗試盡可能在不起爭議的情況下做實驗(註3)。而有些更瘋狂的想法,譬如製造一個「濾鏡」衛星放在在L1點(註4),適時減少太陽入射的能量而讓地球降溫,我想製造成本應該比荷蘭男孩低吧(但還是很難做到)!

太陽濾鏡的概念示意。圖片來源:wikipedia

這時回過頭來想想,起碼「節能減碳」這件事,至少執行面上已經比這部電影和前面幾個地球工程的瘋狂想法容易多了,像是隨手關掉不必要的電源這麼簡單,能不落實一下嗎?

  • 註1:提出"鐵假說"的科學家認為,某些海洋浮游生物(如藻類)特別喜歡「鐵」的元素,故對富含此類生物卻缺鐵的地方施以鐵肥,可能會增加其光合作用效率而「捕捉」二氧化碳(可參考此Nature快訊)。
  • 註2:臺大地質系助理教授任昊佳的研究"No iron fertilization in the equatorial Pacific Ocean during the last ice age",從沉積物的研究發現,由於某些特定藻類的生長會限制其它藻類的生存空間,也會把其它藻類需要的營養鹽「用光」而抑制其生長。故施以鐵肥雖然助長某些藻類生長,但卻影響其它的藻類,效果可能不如預期。
  • 註3:即使仍有爭議,目前仍有研究針對鐵假說進行驗證的實驗,且進一步研究其對食物鏈與生態系的影響。
  • 註4:太陽「濾鏡」是指用大型鏡片改變陽光入射地球的能量。而太陽和地球中間的其中一個拉格朗日點L1,則是正好在日、地中間,且在此位置的衛星會跟著地球公轉一起跑的地方,濾鏡放在這便能跟著地球一起繞日。
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阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。

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熱穹所壟罩的世界!——熱浪對全球造成的衝擊
科學月刊_96
・2022/11/26 ・4035字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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  • 駱世豪/中研院環境變遷研究中心博士後研究學者。

Take Home Message

  • 歐美熱浪的主因是噴流增強了熱穹的下沉,造成熱空氣北移和累積。臺灣的熱浪則是受到副熱帶高壓的影響。
  • 熱浪發生頻率變頻繁且強度變強,與溫室氣體排放造成的全球暖化效應增加有很大的關係。
  • 熱浪事件對生態、糧食、經濟和健康等面向都造成威脅,全球與臺灣熱浪的持續天數和強度都有增加的趨勢。

古代傳說中,后羿射下九個太陽讓地上的氣候適宜、萬物得以生長,古代的預言已經告訴我們,炎熱的氣候條件不利於萬物的生長。而在現今全球暖化的情況下,另外九個太陽會復活嗎?以上雖是玩笑話,但今(2022)年歐洲國家就受到熱浪(heatwave)嚴重影響,葡萄牙與西班牙最高溫度達到45℃以上;英國更出現54℃以上的極端高溫,發布有史以來第一個紅色高溫預警,並進入緊急狀態。

據統計,歐洲各國在6月因熱浪死亡的人數高達2468人。中國的溫度也突破近62年的歷史同期最高夏季平均氣溫,有23個省分出現40℃以上高溫,許多地方都出現因熱浪致死的案例。臺灣也在7月中出現接近40℃的溫度,並在多地出現35℃左右、維持數天的極端高溫。近年來熱浪的強度和發生頻率不斷提高,造成人員經濟的損傷也愈來愈多,而究竟什麼是熱浪?它形成的背後機制為何?

熱浪是什麼?

「熱浪」是夏季主要造成災害的極端事件之一,根據世界氣象組織(World Meteorological Organization, WMO)的定義:「熱浪現象是指一個地區超過該地區的歷年最高溫度平均值5℃以上,並且持續5天以上。」一個地區能維持極端高溫並持續一段時間,背後一定有些天氣系統所導致。

如近年歐洲、北美熱浪頻傳,主要因素就是噴流(jet stream)與熱穹(heat dome)所造成;東亞主要受太平洋副熱帶高壓(subtropical high)影響;印度和亞馬遜等熱帶區域則主要是受到降雨的影響。各區域因為氣候背景與緯度位置不同,造成熱浪的成因也有所不同,接下來我們會依序介紹世界各地氣候與緯度間的相互關係。

高空之龍所環抱的氣團

當北半球夏季中高緯地區噴流向北蜿蜒形成一個像Ω(omega)的形狀時,就有可能形成熱浪(圖一),或因為它的特殊形狀而被稱為阻塞高壓(omega blocking)。噴流是一股由西往東的氣流,通常位於對流層頂,它的水平長度達上萬公里、寬數百公里,中心風速有時可達每小時200~300公里。

而噴流就像一個在地上亂甩的水管,蜿蜒的波動有時往北有時往南,當噴流在北美或歐洲地區蜿蜒向北時,會形成一個Ω的形狀,也會造成反氣旋(順時針)式風切,進而讓大氣產生下沉運動。在此區域內不易形成對流,造成穩定且乾燥的環境,也就是所謂的熱穹,或是阻塞高壓。噴流和熱穹是相輔相成的關係,噴流增強熱穹的下沉機制,將南邊的暖空氣往北傳送,並將熱空氣累積,所以才形成熱浪。

圖一:熱浪形成原理與機制
(資料來源:AFPgraphics)

而在東亞的夏季,氣溫主要受太平洋副熱帶高壓(subtropical high,以下簡稱副高)影響。副高中心約位於太平洋(東經160度、北緯30度左右),在它的增強過程中會向西伸擴張至中國東南沿岸,而當副高處於增強的狀態時,副高系統會再向西延伸且壟罩整個臺灣。

如上述所說,高壓壟罩的狀況下屬於對流穩定的晴朗天氣,配合上夏季的西南季風,將暖濕空氣往北傳送並堆積在副高所壟罩的區域上,最後在此區域形成熱浪現象。相較於北美、歐洲區域的乾熱浪,臺灣的熱浪屬於濕熱浪(wet heatwave)。除了極端高溫外,還有著高濕度的影響,悶熱的環境對人體有更大的傷害和影響。

另外,印度和亞馬遜熱帶區域雖屬於終年偏高溫的地區,但仍有熱浪現象產生,主要原因是降雨。熱帶地區主要氣候分為乾季與溼季,溼季通常為該地區的夏天,下雨能有助於該地區降溫,所以當降雨系統未出現、延遲或偏移,就很有可能會造成嚴重的熱浪。

熱浪造成的嚴重影響

熱浪事件對生態、糧食、經濟、健康等面向都造成諸多影響,以下將分為四類說明:

生態浩劫

根據聯合國(United Nations, UN)底下的政府間氣候變遷專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第六次評估報告預測,如果到了2100年全球的溫度升高達到2℃,陸地上大約18%的物種將面臨滅絕的高風險;如果升溫至4.5℃,在我們有紀錄的所有動植物物種中約有一半將受到威脅。臺灣也面臨相同的狀況,當熱浪發生的頻率愈來愈高,持續時間和強度也都增加的狀況下,將發生物種多樣性減少、物種的分布改變、增加外來物種入侵機會等情況,對整體生態系平衡或農業生產造成衝擊。

糧食危機

IPCC於2019年報告中指出,全球主要農產品(如玉米、小麥、大豆)產量都會受到全球暖化影響減產1.8~4.5%。若情況持續惡化,到21世紀中則可能導致產量下降5~30%。

經濟損害

美國報導指出熱浪會造成極端高溫,進而對人體產生危害,所以對於生產力(gross domestic product, GDP)也有影響。在高於平均水平的夏季氣溫下,每升高1℃,美國各州的GDP就會下降0.25%。國際信評機構標普全球(S&P Global)的報告預測,氣候變遷恐導致2050年前全球每年經濟產出損失4%,臺灣位處的東亞區域則會有1%左右的損失(圖二)。

圖二:全球GDP損失分布預測
預估全球於2050年在中度暖化情境(RCP4.5)下,GDP因水災、自然災害以及熱浪所造成的損失分布。
(資料來源:S&P Global Ratings, Trucost, 2022)

人體危害

對於人體而言,熱浪最嚴重的傷害為熱衰竭(heat exhaustion)。根據臺灣氣候變遷推估資訊與調適知識平臺計畫(TCCIP)的報告指出,2003年的歐洲熱浪估計已造成七萬多人死亡;2010年俄羅斯熱浪則導致超過5萬6000人死亡。科學家警告:「如果各國家和企業不採取激烈行動來削減溫室氣體排放,2050年時的英國與高溫相關的死亡人數預計將增加兩倍,而且世界將經歷更頻繁、更強烈、更危險的熱浪危機。」

越來越熱的台灣——極端高溫天氣的頻率增加

熱浪發生頻率變頻繁且強度變強,主要與溫室氣體排放造成全球暖化效應增加有很大的關係。更進一步使用溫度發生機率圖解釋(圖三),若峰值愈接近右邊,代表高溫事件發生的機率愈高;反之,若峰值愈接近左邊,低溫事件發生的機率愈高。當全球暖化效應增強時,就如同圖三所顯示的新氣候,整體機率分布相較於舊氣候來說會往右偏移,往更高溫度的地方移動,造成熱浪事件的發生機率更高。

而實際上全球的變化也是如此,根據科技部、中央研究院環境變遷中心以及國家防災中心的報告,比較全球早期(1951~1980年)和近期(1981~2010年)的日最高溫資料(圖四左),在機率分布圖上可以看到往右偏移的情形,表示極端高溫事件的頻率與溫度都有增加的趨勢。

臺灣的夏季日最高溫度也有相同的趨勢變化,以臺北的資料為例,比對早期(1960~1990年)和近期(2006~2017年)的夏季日最高溫度,能發現近期的頻率分布向右偏移,夏季日最高溫度的發生機率增加,平均值也增加近1℃(圖四右)。全球與臺灣的平均氣溫或極端溫度發生頻率皆有增加的趨勢。

圖三:全球溫度發生機率變化分布圖
若峰值愈接近右邊,代表高溫事件發生的機率愈高;愈接近左邊,低溫事件發生的機率愈高。當全球暖化效應增強時(新氣候),整體機率分布會往右偏移,造成熱浪事件機率增加。而實際上全球的變化也是如此。(資料來源:Matt 科學Taylor, BBC Weather)
圖四:日最高溫與日最低溫觀測頻率分布圖
(資料來源:《臺灣氣候變遷科學報告2017-物理現象與機制報告》)

在未來(21世紀中後期)趨勢的變化中,研究學者利用模式推估,指出以現在的熱浪門檻為標準,未來若是能將全球暖化程度控制在低暖化情境(RCP2.6),則臺灣地區的熱浪不管是在頻率、持續時間或強度上,和現今的差異不大。相反的,在高暖化情境(RCP8.5)情境下,21世紀末臺灣整個夏季都可能處於熱浪狀態。未來若暖化情況持續增長,熱浪的發生將成為常態,而且持續天數和強度也有增加的趨勢。

TCCIP計畫依據IPCC所設定的溫室氣體排放情境,進行臺灣地區的溫度模擬:在高暖化情境(RCP8.5)推估下,世紀末可能增溫超過4℃,而北部地區增溫較南部嚴重,高溫有可能影響農作物生長與收成。臺灣在未來將面臨更嚴重的熱浪衝擊,對於能源使用、公共衛生健康等都可能帶來前所未有的考驗,而這急迫性的問題,就像電影《普羅米修斯》(Prometheus)裡女主角說的:

「如果不阻止它,我們就會無家可歸!」(If we don’t stop it, there won’t be any home to go back to!)

溫室氣體排放情境假設:「RCP」

IPCC的報告中長使用到的濃度路徑「RCP」為representative concentration pathways的英文縮寫,代表不同程度暖化路徑的人為溫室氣體排放量的「情境假設」,其中假設四種不同暖化情境,由輕微到最嚴重分別為RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5,分別代表的意義如下:

  • RCP2.6:增溫最小且緩慢的情境,輻射強迫力先在21世紀中期達到最大值3 Wm-2,大約和二氧化碳濃度490 ppm相似,然後再緩慢下降到21世紀末。
  • RCP4.5:輻射強迫力會在21世紀末達到一個穩定狀態的情境,約為4.5Wm-2,和二氧化碳濃度650 ppm相似,代表世界各國會想盡辦法做到溫室氣體減量的目標。
  • RCP6.0:和RCP4.5相似,但輻射強迫力為6 Wm-2,約為二氧化碳濃度850 ppm,代表世界各國並沒有盡全力積極做到溫室氣體減量的目標。
  • RCP8.5:輻射強迫力持續的增加到大於8.5 Wm-2,即二氧化碳濃度會大於1370 ppm,代表世界各國並無任何減量的動作。
圖五:輻射強迫力隨時間的變化圖
(資料來源:TCCIP; Representative Concentration Pathway, GRID-Arendal/Studio Atlantis, 2021)
  • 〈本文選自《科學月刊》2022 年 11 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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從昆蟲的習性可以預測天氣?敢有影(kám ū-iánn)?——《取得身邊的天氣密碼》
晨星出版
・2022/11/13 ・1501字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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溫度對昆蟲至關重要,因此昆蟲會對溫度產生反應。

有一個普遍的通則:炎炎夏日中,你會先看到大昆蟲,接著見到小昆蟲,最後又再一次碰到大昆蟲。昆蟲愈大,愈能忍受低溫、對高溫愈難耐;因此大昆蟲喜歡在一天的清晨或傍晚的涼爽期間出現,中午的活動力較低;小昆蟲較不耐低溫,會在環境變暖時才現蹤。

夏日裡能常看到昆蟲。圖/Pexels

昆蟲與氣溫密不可分

蘇格蘭高地的糠蚊(Ceratopogonidae)總是令人難受,但可以利用牠們對溫度的敏感度對付牠們。糠蚊蓬勃生長的溫度帶相當狹窄,介於不冷也不熱的溫度之間,因此只要你往上爬/向下走,溫度會上升/下降至牠們的舒適圈之外,就能擺脫牠們。

蟋蟀代表了溫暖的氣溫是眾所皆知的事,此外,蟋蟀的聲音頻率與溫度有直接關係。雖然因不同物種而異,但蟋蟀溫度計主要的規則是,在攝氏十三度的環境裡,蟋蟀每秒鐘叫一聲,且此頻率會隨著溫度上升而增加。

在夏天,天氣溫煦、潮溼且微風徐徐,飛蟻會成群結隊地移動。牠們結伴飛過天空,數量多到人們相信「飛蟻日」的存在,飛蟻日說的正是飛蟻同時在全國各地現蹤的日子。不過,正如我們所知,陸地上的微氣候變化甚大,因此知道飛蟻日是個迷思也不該為之震驚,只是某幾個區域的條件正巧在那幾日適合飛蟻出巡。倘若你遇見一大群飛蟻,牠們捎來的訊息是,現在的氣溫大約攝氏十三度,風速低於每秒六公尺。

螞蟻藏著天氣機密?

據某些傳說所言,螞蟻直線移動代表壞天氣即將到來,但我未觀察過也沒有科學理論能佐證這點。

更有趣的是,澳洲原住民有一個習俗,說螞蟻在蟻窩周遭蓋高牆表示大雨將至,西方也有相同的俗諺。之前的章節提過太平洋諸島的居民發現小火蟻(red ant)會在風雨來襲前堵住巢穴,天氣晴朗時則大敞家門,這在西方諺語裡也提過。我還沒觀察到這個現象,但出現在廣泛的文化圈,甚至是兩個信仰社會尚未接觸的時間點就已發展出這種說法,說它沒有參考價值還真不為人所信。

許多科學研究能支持螞蟻對溼度敏銳的觀點:研究人員曾觀察到編織蟻(weaver ant)在熱帶風暴來臨前織網。

編織蟻(Oecophylla),英文稱之為Weaver Ant和Green Ant。圖/維基百科

其他物種裡,螞蟻、白蟻丘的排列和太陽脫不了關係。澳洲北部,羅盤白蟻(Amitermesmeridionalis)建造了指向北邊的蟻丘而為人所知;蟻丘細細的部分指著中午的日頭,寬闊的部分則指向清晨與向晚的太陽,這有助於調整蟻窩的溫度。

世界上有超過一萬三千種獲得命名的螞蟻物種,牠們都擁有各自的習性,我們要多關注近身物種的行為。

我時常運用一些螞蟻的方式,它們比起天氣更接近自然導航,不過兩者間有許多重疊的部分。在英國,排水性佳的草地經常可見黃土蟻(Yellow meadow ant)的身影,我家附近的白堊山丘就有很多。黃土蟻呈暗黃色,牠們的蟻窩比螞蟻本身有用多了;黃土蟻會將蟻窩向上堆到 0.5 公尺高,較為平坦的那一面通常面向東南邊,可以充當太陽能板,在涼爽的早晨收集太陽的熱量。

——本文摘自《解讀身邊的天氣密碼》,2022 年 10 月,晨星出版,未經同意請勿轉載。

晨星出版
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極端氣候的問題就在眼前,我們可能面臨什麼樣的未來?——《圖解全球碳年鑑》
商業周刊
・2022/10/04 ・5452字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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沒有比現在更急迫需要預測未來。上千名氣候科學家和經濟學家共同建立並測試嚴謹的電腦模型,來估計地球在一、兩個世代後的樣貌。

政府間氣候變化專門委員會(IPCC),由世界各地的志工科學家組成,他們評估目前關於氣候變遷的科學知識——過去、現在和未來的風險與可能性——從而找出共識。

他們發表一系列報告,為 2050 年及其後的世界,做出 5 個可能的結果,這些情況是根據複雜的運算,測量溫室氣體排放、土地使用和空氣汙染對氣候的影響。

做出 5 個可能的結果,這些情況是根據複雜的運算,測量溫室氣體排放、土地使用和空氣汙染對氣候的影響。圖/Pixabay
圖/商業週刊

經濟成長、人口以及溫室氣體排放的未來軌跡,預期將使地球的平均溫度上升。情況的名稱是根據共享社經路徑(Shared Socioeconomic Pathways, SSP), 依照 1 到 5 編號,每個編號有個比過去更負面的結果。

5 個未來會面對的暖化問題

5 種情況的暖化程度,在以下幾個方面存在顯著差異:

  • 氣候的激烈程度
  • 海平面上升
  • 熱浪
  • 降雪和降冰的減少
  • 未來的行動和政策

這些情況說明問題如何隨時間加劇,以及改變目前的做法對未來可能的巨大影響。

IPCC 過去的估計已經證實太過樂觀,因此最近 IPCC 的報告預測,全球地表溫度將提早 10 年升溫超過 1.5° C,儘管如此,自從出版那份報告以來所收集的資料,顯示近期的暖化程度要比過去所做的大膽估計更加嚴重。

二氧化碳排放量。圖/商業週刊
情況升高攝氏 /華氏說明
1. 極低排放量(SSP1-1.9)1.4° C /2.5° F2050 年前後,全球二氧化碳排放減到淨零,符合巴黎公約(Paris Agreement)中,維持全球暖化(最多)高於工業前溫度1.5° C,而後穩定在1.4° C 直到2100 年。永續作法被即刻採行,改變經濟成長和投資,人們感受的氣候變遷效應,相較其他情況顯著較輕微,速度也較慢。
2. 低排放量(SSP 1-2.6)1.8° C /3.2° F全球二氧化碳排放大幅降低,但不足以在2050 年以前達到淨零排放。2100年結束時,升溫穩定保持在大約1.8° C。
3. 中排放量(SSP2-4.5)2.7° C /4.9° F邁向實踐永續的進展緩慢,與歷史趨勢相近。二氧化碳排放量維持在目前水準,本世紀結束前達不到淨零。2100 年前溫度上升2.7° C。
4. 高排放量(SSP3-7.0)3.6° C /6.5° F排放量和溫度穩定上升,大約是目前的兩倍,各國趨向彼此競爭,要求更多糧食供給的保障,且提高對糧食供給的警覺。2100 年以前平均溫度已經上升3.6° C。
5. 極高排放量(SSP 5-8.5)4.4° C /7.9° F2050 年以前二氧化碳的排放將加倍,能源消耗增加以及過度使用化石燃料加速經濟成長,但是……2100 年以前全球平均溫度將升高4.4° C。
表/商業週刊
IPCC 假設的情況。圖/商業週刊

了解 IPCC 勾勒出未來的 5 種情況

想像集體行動的後果,是前進的必要的一步,政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的 5 種情況,清楚勾勒未來的樣貌。

他們的報告顯示,人類具備科學的理解、技術的能量和金融手段,將碳排放量限制在 1.5° C,但也清楚說明勇敢行動和政治意志極為重要。

溫度上升 0.5° C,差別就很大

情況 1——正負 1.5° C

這是唯一符合《巴黎公約》,維持全球溫度比工業化前溫度高 1.5° C 目標的情況。

在這情況中,極端氣候比較常見,但世界避免了氣候變遷的最糟衝擊。依然會有健康風險以及氣候改變的風險,但嚴重度會比其他情況好很多。不過,將升溫限制在 1.5° C,將需要能源、土地、基礎建設、交通運輸、工業系統等,作出前所未見的轉變。

將升溫限制在 1.5° C,將需要能源、土地、基礎建設、交通運輸、工業系統等,做出前所未見的轉變。

情況 2——正負 2° C

在低碳排放的情況,世界在 2030 年後不久就會違反 1.5° C 的公約,但還是設法達到巴黎公約中,2100 年以前將溫度上升維持在比工業化前水準高 2°C 以內。

全球二氧化碳和非二氧化碳溫室氣體的排放,如同在「情況 1」中被大幅削減,但不如「情況 1」快速,2050 年之後才達到淨零排放。如同「情況 1」,也需要透過造林、碳捕捉等方法,移除大氣的二氧化碳。

溫度上升 0.5 度或許看似差別不大,但是 IPCC 的報告清楚指出,每增加 0.5 度,對人類和自然系統的負面影響將顯著提高。

舉例來說,極度高溫的天氣事件,如熱浪、火燒、洪水和乾旱,將會愈來愈激烈且頻繁,有時會同時發生,加上海平面上升和海水酸鹼度提高,不僅使人類等物種失去居住和棲息的地方,也會因為作物產出下降和漁獲量減少,而導致糧食不足。IPCC 估計,這個情況會比「情況 1」多出高達數億人受到氣候相關風險的負面影響。

關注的區域情況1情況2差異
全球暖化全球意味地表溫度相對工業化前的水準上升1.5° C2° C0.5° C 以上
嚴重的熱浪每5 年全球人口至少一次暴露在嚴重熱浪中14%37%糟2.6 倍以上
海平面上升2100 年以前,全球人口每年都有海平面上升的風險6,900 萬7,900 萬多1,000 萬
海冰平面北極海夏季無冰的頻繁度每100 年至少一次每10 年至少一次糟10 倍
失去生物多樣性脊椎動物失去至少一半地理範圍的脊椎動物4%8%糟2 倍
生物多樣性昆蟲):失去至少一半地理範圍的昆蟲6%18%糟3 倍
生態系統轉變受生態系統轉變影響的全球陸地區域7%13%糟1.9 倍
失去珊瑚礁與目前相比,形成礁的珊瑚減少70-90%99%糟1.2 倍
農作物產出下降暴露在作物產出下降的全球人口數3,500 萬3.62 億糟10.3 倍
表/商業週刊

情況 3——政治和經濟的力量沒辦法短期內做出決定

這是假設政治和經濟的力量,使得難以在短期內採取明快的大動作。

由於累積的二氧化碳排放量與全球地表溫度上升之間有接近線性的關係,因此升溫 1.5° C 的上限有可能在 2030 年代初就被超越,距離本年鑑出版不到 10 年。

在這情況中,溫室氣體排放到 2050 年都沒有降低,預期本世紀末的升溫將大約 2.7° C。上一次氣溫高於工業化前的水準 2.5° C,估計是在 3 百多萬年前。

暖化會呈現地區性差異,平均而言陸地的暖化將比海洋嚴重,北半球緯度愈高的暖化會比南半球嚴重,北極對暖化的敏感度高於南極,自從工業化年代以來,北極的暖化速度比世界其他地方快了 2 倍。

降雨量會增加。在所有全球暖化超過 1.5° C 的情況中,預期降雨量將會增加,特別是陸地。全球地表平均溫度每上升 1°C,中數降雨量將增加 1% 至 3%(全球和年皆然)。

儘管整體的降雨量增加,但會因緯度而有地區性差異。高緯度和潮濕的熱帶地區,降雨量會增加,但是乾旱地區,包括部分的亞熱帶如地中海、南非、部分的澳洲和南美洲,降雨量會減少。

高緯度和潮濕的熱帶地區,

降雨量會增加,

但是乾旱地區,降雨量會減少。

凡是升溫超過 1.5° C 的情形,到本世紀結束前,9 月將更有可能沒有北極海冰,當暖化到達 2° C 時,這個可能性幾乎是確定發生。圖/Pixabay

北極海冰會融化。凡是升溫超過 1.5° C 的情形,到本世紀結束前,9 月將更有可能沒有北極海冰,當暖化到達 2° C 時,這個可能性幾乎是確定發生。全球地表溫度上升,將使冰河和大冰原的面積更大幅度縮小,導致全球海平面中數(global mean sea levels,GMSL)上升,在前面 3 種情況中,預期在整個 21 世紀將加速,海洋在這些情況下也會變得更酸,這是因為排放量增加使海洋吸收更多碳的緣故。有些系統將會永遠地被改變,持續的全球暖化將可能永久造成:

  • 海平面上升
  • 大冰原喪失
  • 永凍土的碳排出

情況 4——只顧國家利益,沒有同心協力

這個情況是,隨著全球氣候變遷惡化,國際的協調將受挫。各國沒有同心協力來解決問題,反而只顧國家利益,而以關於能源與糧食保障為主。

由於高度仰賴化石燃料來解決燃眉之急,導致溫室氣體排放穩定成長。到 2100 年前,二氧化碳排出幾近加倍,每年超過 800 億公噸,空氣汙染控制不力,加上非二氧化碳的排出量持續增加,導致地球暖化惡化。

溫度遽升。由於各國達不到氣候誓約,21 世紀的溫度可能上升 2° C,不到 10 年可能跨越 1.5° C 的門檻。

降雨和乾旱的區域擴大。在全球暖化超過 2° C 的情況(情況 4 和情況 5),全球平均降雨量將比 1995-2014 年間增加 2.6%。

降雨和乾旱的區域擴大。在全球暖化超過 2° C 的情況(情況 4 和情況 5),全球平均降雨量將比 1995-2014 年間增加 2.6%。圖/Pixabay

海洋改變。到本世紀末,全球海面溫度上升 2.2° C,上升的海洋溫度可能影響大西洋經向翻轉環流(Atlantic Meridional Overturning Circulation,AMOC),這是最大的洋流系統,如果 AMOC 停止將造成廣泛影響,例如季風轉變和歐洲與北美州的降雨減少,AMOC 可能永久停止。海洋溫度上升導致 GMSL 上升,主要是因為熱擴散,凡是升溫跨越 2° C標記的情況,就會提高南極大冰原崩解的可能,也造成 GMSL 在 2100 年前後上升至少 1 公尺,有些預測認為會超過 2 公尺。

如果 AMOC 停止將造成廣泛影響,例如季風轉變和歐洲與北美州的降雨減少,AMOC 可能永久停止。

情況 5——二氧化碳的年排放加倍

面對氣候緊急事件惡化下,化石燃料的開發和能源使用勢必更積極,導致溫室氣體排放大幅增加。2050 年以前,二氧化碳的年排放加倍,在本世紀前超過 1,200 億公噸。

再生能源技術的進步加上人們的接受度上升,使這情況不太可能發生。但是碳循環回饋可能影響大氣濃度,從而製造地球反應的循環而導致這種情況,此外基於全球地表溫度升溫在 10 年內預期將跨越 1.5° C,而短期的暖化現象比估計的還要嚴重,因此即使可能性較低也不容忽視。

在這情況中,溫度上升 1.5° C 被認為在近期內很可能發生,大約是 2027 年前後。幾十年內升溫可能來到 2° C,本世紀末之前無法想像的升溫 4.4° C 可能發生。人類從未曾生活在如此氣候狀況下。

這個情況與其他不同的,在於假設強度的空汙控制,以及預測中長期除了甲烷以外「臭氧前兆」的下降,預測甲烷將上升到 2070 年。

跟其他情況相同的是,較大程度的暖化,預期會擴大區域性暖化趨勢的差異。例如相較 1995 至 2014 年的溫度範圍,部分亞馬遜或其他熱帶陸地將升溫 8° C,其他熱帶陸地區域可能升溫 6° C。

降雨量急遽上升,在暖化程度較大的情況下,預期高低降雨量的差異將擴大,冰原將消失,海平面和溫度將上升,世界失去格陵蘭和南極最大冰原,將導致海平面上升與冰河消失。由於冰原的成長緩慢但融化快速,失去任何面積可能無法逆轉。

海洋吸收愈來愈多熱,變得愈來愈暖,於是水往外擴。海平面上升近 1 公尺可能影響居住在海岸區、島嶼以及容易遭到洪水肆虐的近 10 億人生計。

海平面上升近 1 公尺可能影響居住在海岸區、島嶼以及容易遭到洪水肆虐的近 10 億人生計。圖/Pixabay

海平面上升近 1 公尺

可能影響居住在海岸區、島嶼

以及容易遭到洪水肆虐的近 10 億人生計。

我們沒有丟掉任何東西,

只是把我們的問題變成別人的問題。

⸺賽門.西奈克(Simon Sinek),暢銷作家

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安裝一個簡單的應用程式,

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——本文摘自《圖解全球碳年鑑:一本揭露所有關於碳的真相,並即時改變之書》,2022 年 9 月,商業周刊,未經同意請勿轉載。