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尋找宇宙塵和全球氣候變遷的關連

臺北天文館_96
・2012/04/13 ・1324字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 590 ・九年級

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雖然大多數人認為宇宙是真空的,不過其實宇宙空間中到處有許多肉眼不可見的東西,例如:塵埃就是其中之一。 如果將太陽到木星之間的宇宙空間中的所有物質壓縮成一團,可以製造出一顆直徑25公里的月亮呢!現在,有個新的「地球大氣宇宙塵(Cosmic Dust in the Terrestrial Atmosphere,CODITA)」研究計畫,由英國里茲大學大氣化學教授John Plane領軍的研究團隊,希望測量落入地球大氣層塵埃量究竟有多少。宇宙塵中的金屬元素可能會在各個方面影響地球的氣候變化,因此如果能正確估計落入地球大氣的宇宙塵量,或許可幫助科學家瞭解粒子是如何在不同地球大氣層間一層層地傳遞過去。

CODITA剛獲得歐洲研究委員會(European Research Council)同意,未來5年內將有250萬歐元的研究經費。這個由Plane領軍的團隊,由11名來自里茲大學的科學家,以及10名來自美國和德國的研究者所組成。

太陽系中的塵埃主要來自小行星彼此間的互撞和彗星接近太陽時被蒸發的物質。當塵粒接近地球,會以非常高的速度進入地球大氣,估計時速可達38,000~248,000公里,速度高低視塵埃繞太陽運動的方向與地球公轉同向或反向而定。塵粒以如此高速衝擊大氣分子的狀況下,會被快速加熱到超過攝氏1600度的高溫狀態,此時它們會融化並蒸發。直徑大於2公釐(mm)的塵粒,在這樣的過程中會形成地面可見的流星;但事實上,絕大部分進入地球大氣的塵粒直徑都小於此限,因此一般人根本不會察覺,只能利用特別的流星雷達偵測裝置才能偵測到。

目前對落入地球大氣的塵埃量估計值,不同研究方法所得結果相差可達百倍。CODITA的目的之一,就是要解決這麼大的差異。衛星觀測結果顯示:每天約有100~300噸宇宙塵進入地球大氣。這個估計值和從極區冰核及深海沈積物中測出如銥和鋨等與宇宙塵有關的罕見元素的累積速度相符。不過,在地球大氣內的測量結果卻僅有每天5噸左右。前述這些測量,包含流星雷達觀測,或是用雷射觀測塵粒在上層大氣蒸發後釋出的鈉和鐵原子,以及動用飛機去測量低層大氣中的流星釋出的鐵原子。

Plane表示:如果進入地球大氣的塵埃量約為每日200噸的話,那麼塵粒向下傳輸到大氣中層的速度將比原本認為的還快;但如果每日真的只有5噸,那麼關於太陽系中塵埃究竟如何演化或是如何傳輸到中層大氣的概念,就得好好想想究竟哪裡有問題了。

塵粒進入大氣後蒸發出來的金屬,牽涉到許多層面的大氣變遷現象。例如,在地球高層大氣中才會出現的夜光雲(noctilucent cloud)的形成可能與宇宙塵有關,因為宇宙塵可提供作為冰晶凝結成雲所需凝結核。夜光雲通常出現在極區夏季期間,是氣候變遷的指標之一。此外,來自塵粒的金屬會影響平流層中的臭氧化學反應。塵埃量也會增加硫酸鹽懸浮粒子的數量,可能抵銷全球暖化的現象。宇宙塵也是海洋中鐵元素的累積來源,可能導致氣候反餽現象,這是因為海洋中的浮游生物會發出與氣候有關的氣體。

CODITA此計畫主要目的,在瞭解宇宙塵蒸發的特性,與大氣中冰晶成核作用有關的流星煙塵的形成過程等等。如能多瞭解一點宇宙塵的化學作用與氣候之間的關連性問題,或許就可以解開這麼多與全球氣候變遷有關的事項,難怪歐洲研究委員會如此重視這個研究計畫。

資料來源:CODITA: measuring the cosmic dust swept up by the Earth[2012.03.29]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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臺灣的空污問題與眾不同,如何使空污預報更精確?先瞭解大氣邊界層和感測物聯網吧!
研之有物│中央研究院_96
・2022/10/16 ・6113字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/陳儀珈
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

你以為的大氣,不是真實的大氣!

大氣邊界層是人類的生活範圍,也是大部分空氣污染物存在的地方。然而,傳統氣象學模擬的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情況,因此真實的空氣污染現象和理論的模擬預測間往往存在顯著的差異,導致污染防制策略缺乏精確的指引。

中央研究院「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光,他是建立空品專題中心的主要推手,研究團隊從大氣結構出發,試圖改善臺灣空氣品質的診斷及預報,這項計畫集結了來自民生公共物聯網國家高速網路與計算中心環境保護署等跨部門的資源,以下讓我們一起看周崇光怎麼說。

中研院環變中心研究員兼空品專題中心執行長周崇光。圖/研之有物

根據國際貨幣基金組織(IMF) 2021 年的報告,臺灣位列全球第 22 大經濟體,這個只有 3.6 萬平方公里的小小島國,一年內卻可以創造出高達 7,855.89 億美元的市場價值。

在美國國家航空暨太空總署(NASA)公布的地球夜景照中,我們彷彿可以看見,高樓一棟棟升起、工廠一座座建成、百貨一間間林立,在又長又窄的西半邊,從北到南形成臺北、臺中和高雄三大都會區。

西部臨海,東部靠山,這個寬度可能不到 100 公里的窄長地區,不僅聚集了臺灣 2,300 萬人的極大多數人口,凝聚出商業與工業的巨大產能,更集結了大量、複雜的「空氣污染物」。中研院「研之有物」專訪周崇光研究員,請他從空氣品質與都市氣象學的角度,細細剖析空污議題在這座海島上的獨特之處。

ASA 在 2016 年 12 月 31 日拍攝的夜景照,可看出臺灣有北、中、南三大亮區。圖/NASA

臺灣雖然小,但空汙問題好複雜!

臺灣國土面積僅有 3.6 萬平方公里,以大氣尺度來看非常的小,然而,我們在空氣污染面臨的挑戰卻異常艱鉅。

臺灣不僅處於許多境外污染源的下風處,接受來自各方的空氣污染物,各大都會區也因為地形的關係吃足了苦頭,整個中西部更是在窄長的地域中,面臨來自山、海的多重影響。

以下圖的臺中都會區為例,臺中位處於中央山脈西側的中央,本身是一個有數個開口的盆地,被多重大氣動力機制所影響,包含季風、海陸風、山谷風以及熱島環流,形成極度複雜的區域環流。

盆地內的空氣污染物原本就不容易擴散,再加上複雜的大氣環流和大氣化學反應,讓臺中的空氣品質狀況非常、非常的複雜,無法使用現有的大氣理論進行簡單的描述,使得大氣科學家極為不易於觀測和研究臺中的空污情形。

「這裡就像是巫婆煉湯一樣。」周崇光這麼說。

臺中位處於中央山脈西側的中央,本身是一個有數個開口的盆地,被多重大氣動力機制所影響,包含季風、海陸風、山谷風以及熱島環流,形成極度複雜的區域環流。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

臺灣在東北風的影響下,不適合傳統的高煙囪理論

周崇光笑著說,到處觀察「煙囪」是他的職業病。

大陸環境的大氣結構相對簡單,自歐洲工業革命開始,傳統大氣科學的理論都告訴人們:越高、風越大,只要把煙囪建得高高的,就可讓風把污染物吹散、吹到很遠的地方。

平坦的大陸環境中,把煙囪建高可以讓煙流擴散及傳輸至很遠的地方。圖/rawpixel

「到了大陸國家,你會發現他們煙囪排出來的煙,經常是非常穩定的水平煙流,可以飄得很遠,這種煙流挾帶著空氣污染物飛到 10 幾公里外都不是問題!」,然而反觀臺灣的煙囪,卻很少出現這樣的水平煙流。

中研院空品專題中心對臺中火力發電廠的煙流觀測顯示,傳統高煙囪設計反而容易讓煙流進入「污染累積區」,在高度 450~800 公尺左右,橘色區域的空氣層風速僅有 0.5~3 公尺/秒。不同折線表示有兩個時段,分別是觀測當天凌晨 1 點到 3 點(紅線),以及晚上 19 點到 21 點(黃橘線)。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

根據中研院空品專題中心對火力發電廠的煙流觀測資料,如果臺灣的煙囪蓋得跟大陸國家一樣高,有時候反而容易造成空氣污染物的累積。

從上圖可知,當臺灣處在微弱東北風的大氣環境之中,西部沿海風速最快的大氣區域(藍底),大約落在 200~400 公尺高之間,此區的風速大約為 5~6 公尺/秒左右,以東北風為主,是空氣污染物的「最佳擴散區」。

若是再往上,到了 450~800 公尺左右,風速驟然下降(橘底),僅有 0.5~3 公尺/秒。這個區域的大氣就像是被下層的東北風與上層的南風「夾擊」一樣,在兩個不同方向的風的對切之下,形成一個風速很低的「污染累積區」。

因此,若臺灣真的按照傳統的大氣理論建造高煙囪時,反而會讓煙囪的高溫煙流進入污染累積區;換個做法,如果煙囪低一點,才可以被強風吹散。

不過周崇光話鋒一轉:低煙囪設計要相當謹慎,也很難推行。高溫煙流排出去會有很明顯的白煙(水蒸氣凝結),一般人都不喜歡看到白煙離居住地太近,因此實務上還會特別做加熱設計,讓煙流先往上浮,再擴散,等於加高了煙囪的高度,這在工程上稱為「有效煙囪高度」。降低煙囪高度除了有視覺污染的問題,污染排放點離民眾越近,當工廠發生緊急異常排放時,異常事件的衝擊風險也會越大。

和傳統理論不一樣?那就做出臺灣自己的資料吧!

這麼經典的高煙囪理論,為什麼不能用在臺灣?

周崇光表示,大氣科學的理論大都源自於美國、歐洲,使得傳統大氣理論都更適用於大陸環境之下,因此難以直接應用於臺灣地狹人稠的海島結構,而中研院空品專題中心的目標之一,就是發展出屬於臺灣的「空污氣象學」。

周崇光提到:「臺灣跟大陸國家的空間條件實在差太多,所以我們必須要更精確知道,臺灣空氣污染物的高度分布到底長什麼樣子,才能更有效的管制並改善空品狀況。」

既然臺灣無法參考大陸型國家的大氣狀況,那麼小一點的、近一點的國家呢?韓國、日本的有沒有參考的價值?

周崇光笑著說,「你知道嗎?臺中盆地也才 10 幾公里,但是外圍的中央山脈高達 3,000 公尺以上!」就算是韓國、日本,它們的地理空間也比臺灣大多了,而且地形也沒有這麼複雜。

臺中盆地的衛星空照圖。圖/Wikipedia

當這麼多的工廠、車輛都擠在這小小的區域,究竟會對臺灣的空氣品質造成多嚴重的後果?某種程度來說,這也許是個細思極恐的問題呀。

因此,為了國內空污氣象學的發展,搞懂臺灣的大氣邊界層(Atmospheric boundary layer)是刻不容緩的工作。

大氣邊界層除了是人類的生活範圍,也是大部分的空氣污染物存在的地方,又被稱為行星邊界層(Planetary boundary layer)。在氣象學中,大氣邊界層指的是「直接受到地表作用影響」的大氣,高度從地表一直到數百至數千公尺不等,是大氣層中最靠近地球表面的部分。

然而,傳統氣象學所模擬出來的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情形,因此,大氣科學家必須釐清大氣邊界層的氣象參數、動力機制,未來才能夠更精準的找到影響都市氣象以及空氣品質的關鍵因子。

但周崇光也感慨的說,「坦白講,目前臺灣還沒有辦法很『系統化』的改善邊界層的模擬條件,但我們仍然不斷的在努力,透過很多很多的調查、研究、模擬參數,漸漸地發展出半經驗、半理論的結構,最終的目標是歸納成一個系統性的成果,作為臺灣空污氣象學最扎實的理論基礎。」

從大規模的調查研究、積極補足知識的缺口、重新建立理論模型,到回頭檢視國家的空污防制策略,大氣科學家必須腳踏實地的、一步一步的,藉由大氣科學研究的力量,才能讓空氣品質管制更上一層樓。面對迫切的空氣污染防制議題、空污氣象學理論的不足,「空氣品質專題中心」也應運而生。

中研院在「大氣物理與化學」的研究群早已相當成熟,有著極為厚實的研究經驗和基礎,然而為了讓研究目標更明確、進一步聚集研究能量並進行跨部門的合作,中研院以提出空污議題的科學解釋與建議對策為目標, 2021 年 1 月在環境變遷研究中心之下成立空氣品質專題中心,成為全國規模最大的空氣品質專業研究機構。

除了宣示中研院對空污議題的重視之外,如此一來,研究預算的匡列、人力的評估,都有更紮實、更有架構的基礎。擺脫以往研究員們「自動自發」的空品研究,在中心的管理之下,空污的學術研究更能夠產生聚焦效果。

更精確的空氣品質預報

如果大家點入行政院環保署的空氣品質監測網,可以發現,目前來自中央監測的空氣品質預報的解析度並不高,由於空品狀況站數僅有 85 站,只能以「北部」、「竹苗」、「宜蘭」、「花東」、「中部」、「雲嘉南」、「高屏」等大範圍空品區進行未來三日的預報,尚無法以「縣市」或更小的區域為單位提供精準的預報。

全國空氣品質指標的測站點位圖,可看出共有 85 個測站。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/空氣品質監測網
未來三日空品區預報,目前僅能呈現大範圍空品區預報。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/空氣品質監測網

因此,為了提供更先進的空氣品質預報,致力掌握國內 PM2.5 及 O3 等空氣污染物濃度變化情形的「高解析度空氣品質診斷與預報模式發展計畫」,是空品專題中心相當關鍵的研究計畫之一,此計畫是行政院前瞻基礎建設中「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」的一個分支,集結了中研院、國家高速網路與計算中心、環保署等跨部門資源。

該計畫預計發展一套 1 km*1 km 高解析度的 72 小時空氣品質預報模式,並描繪空氣污染物的 3D 空間分布,預期能夠對臺灣地區 PM2.5 及 O3 生成與傳輸過程進行更精確的模擬,進而應用於空氣污染事件的預報和成因診斷。

周崇光將這個計畫比喻為一個「神經系統」,由環保署統合高達 10,000 個感測器,就像是神經系統中的神經元,負責感知大氣環境中的變化,並透過民生公共物聯網提供的神經網路,將資訊傳輸至國家高速網路中心的超級電腦,而超級電腦就像是大腦一樣,提供強大的運算力,使得空污模式得以統合氣象條件、污染物排放量、以及感測器提供的環境變化狀況,計算和預報未來幾天空氣品質的可能變化。

雖然感測器來源不一,不同層級的靈敏度也有所落差,但隨著近年技術的進步和突破,微型感測器對 PM2.5 的監測資料已經具有足供參考的準確度,目前各縣市大約都有 100 個以上的微型感測器,環保署已經在全臺灣佈建了約 10,000 個感測器,透過高密度的監測數據進行資料分析,有效掌握全臺各地的空品狀態。

環保署已佈建約 1 萬個微型感測器,可監測各地 PM2.5 狀態。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/air 空氣網

此外,此研究計畫也希望藉由感測器的大量需求,協助推動臺灣感測器的產業,與經濟部、工研院合作推動感測器的國產化。目前工研院的技術已經技轉給國內廠商,國產感測器在環保署監測網的佔有率已達將近 3 成,未來會持續輔導相關廠商。

研究計畫一邊發展預報系統,也一邊透過微型感測器資料即時驗證預報的成效。就像是如果寫考卷時,我們可以一填答就馬上得知正確答案時,就可以隨時檢討自己的計算流程到底哪裡出了問題,不斷修正,找出最正確的解方。

同理,拜微型感測器遍布全臺之賜,大氣科學家逐漸能夠快速驗證空氣品質預報的模擬結果,有朝一日,國內空污的物理化學機制以及關鍵污染源,將不再是讓人頭痛的黑盒子。目前由於 PM2.5 的感測器已相對成熟且數量足夠,因此中研院空品專題中心已成功驗證 3 km*3 km 解析度之 PM2.5 預報資料,最終目標是精確到 1 km*1 km。

影/YouTube
中研院周崇光團隊已成功驗證高解析度 72 小時 PM2.5 預報資料,每小時可模擬 3 km*3 km 空間解析度,最終目標是精確到 1 km*1 km。圖片預報日期為 2021 年 12 月 18 日~2021 年 12 月 20 日。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

如何讓空氣品質變好,又不影響現有的生活?

在中研院環變中心周崇光研究員帶領下的空品專題中心,其中一個核心精神,就是要對社會關鍵議題有貢獻。

專注發表學術論文是科學研究的本質,也是科學進步的動力,不過進行社會議題相關的科學研究通常會更辛苦,往往會花費極大的心力與時間。

做空氣污染防制就像是「精準醫療」的概念一樣,如何讓藥物只攻擊癌細胞而不對身體的其他地方造成太大的副作用?經過科學研究的探索後,如何讓臺灣的空氣品質更好而不衝擊社會文化和經濟?

空污管制並非是一味阻擋臺灣經濟和工業發展,空品專題中心希望可以藉由科學的力量,更精準、更沒有副作用的改善臺灣空氣品質。

除了大氣科學理論和空氣污染排放清單有所不足之外,像是能源政策、交通規劃、國土計畫都需要重頭思考。周崇光說:「一路研究下去,我們開始疑惑,當初為什麼我們都傻傻的,把這麼多的大型污染源擺在海邊,讓海風把污染物往內陸帶?為什麼臺灣的國土利用那麼集中?」這一些命題,都是一環扣一環。

最後周崇光強調,「空氣品質絕對是應用導向的研究,因此,我們除了做科學,也要讓這些研究結果有願景、有視野,讓臺灣變得更好。」

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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地球在 20 年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落
Mia_96
・2021/10/23 ・2760字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照
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風調雨順容易嗎?從台灣的氣候變遷來看——台大大氣科學羅敏輝專訪
科技大觀園_96
・2021/02/13 ・3137字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

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新的一年即將到來,大家莫不希望台灣在 2021 年一切平安、風調雨順。然而, 2021 年的台灣真的能「風調雨順」嗎?回顧 2020 年的台灣天氣狀況,會發現夏天只有少數颱風掠過台灣外海,少了颱風降水的挹注,在 2020 年秋天,部分的農田被迫停灌。日前一波接著一波的寒流侵襲,氣象局罕見的對台灣全島發佈低溫特報。加上逐漸增強的反聖嬰,今年春雨可能會比往年少。看來,2021 年的台灣,並非能如大家所期望的「風調雨順」。

除了地球自己的變化,也該關注人類活動如何影響大自然!

許多人會將近年來逐漸增多的極端天氣歸咎於「氣候變遷」。「在自然的狀況下,氣候本來就會變遷,我們該注意的是,人類的活動如何影響自然氣候變化以及影響的程度。」目前任教於台灣大學大氣科學系的羅敏輝副教授這樣告訴我們。2000 年代初期,人類世的概念(註1)被提出,一直到二十年後的現在,人類的活動對於環境的影響有多劇烈早已不是新聞,極端天氣事件(降水、乾旱等)的大量出現也被認為與人類的活動脫離不了關係。像是亞馬遜雨林的模擬與觀測結果,就表明若雨林樹木被大量砍伐,降水量會顯著減少。

對許多人而言,「砍伐森林會讓該地雨水變少」這樣的推斷似乎並不奇怪。圖/Pixabay

近年,位於東南亞海洋大陸(例如蘇門答臘、婆羅洲等)上的熱帶雨林,因經濟發展需求而被人類大量砍伐,改種棕櫚樹或其他經濟作物,「倘若我們將海洋大陸上的熱帶雨林全部砍掉,降水會怎麼變化?」羅老師為了深入理解人類活動如何影響降水,利用「全球環流模式」與「陸地模式」 (註2)的結合,試圖探討東南亞的熱帶雨林消失之後,降水會有什麼樣的變化。 

比起原始叢林,種植棕櫚樹、草地更容易下雨?

實驗以保留雨林完整的原生樹種為控制組,並將原始叢林替換為棕櫚樹、草地為實驗組,實驗結果卻出乎大家意料之外。由於海洋大陸上的樹都十分高大、茂密,其帶來的蒸發散量十分可觀,少了這些巨木提供的水氣,理論上降水會顯著的減少但是結果正好相反,不論是棕櫚樹還是草地,降水比起原生樹種都要顯著增加。 

若海洋大陸的植被減少,可能將引起一系列影響與變化,最終增加當地的整體降水量。圖/Pixabay

從能量收支的角度來看,地表吸收太陽輻射後,能量經由蒸發散量、可感熱通量以及長波輻射的形式進入到大氣之後,大氣的溫、濕度會被改變,而「可感熱」與「潛熱」的比例會影響一個地區的近地表溫度,在太陽輻射量和反照率改變不大的狀況之下,若「可感熱」增加,近地表溫度就有可能會越高。如果將海洋大陸上的原生樹種砍掉,因植被減少,蒸散作用下降,太陽輻射轉化為「潛熱」的量就會減少,同時「可感熱」增加或是地表向上長波輻射增加,能量才能維持平衡,這使得白天陸地以及近地表大氣的溫度更高,進而導致更強的海陸風環流,同時因為海洋大陸破碎的地形使得海風可以將水氣帶往內陸,因此雖然在陸地上空低層大氣的水氣因為森林砍伐而減少,但中層大氣透過較強的水平輻合作用使得水氣增加,再加上地表溫度升高使得對流更容易發展,最終使得整體的降水量顯著增加。 

使用「氣候模式」模擬的原因與優勢

為什麼要用氣候模式模擬?而不是用實際觀測數據來回答問題呢?首先,觀測資料包含了各種資訊,不只是地表變遷過程,還有全球暖化以及其他氣候變異(註3)而,使用氣候模式,可以設計一系列理想化實驗;再來,可以透過多次的模擬降低模式結果的不確定性,也可以配合過去的觀測結果對模式進行校正;最後,模式可以針對不同的狀況與條件進行調整,畢竟把海洋大陸的樹全部砍掉這件事在現實中做不到。 

把所有樹木都砍掉做研究?在現實生活中,這是不可能也不可以進行的實驗。圖/Wikipedia Commons

或許有人會問,為什麼要設計這麼極端的條件進行模擬,這不是很脫離現實嗎?然而氣候是個多變因、高複雜度的系統,在模式中給的變因,如果不夠強的話,可能不會對系統產生顯著影響,另外極端條件可以幫助我們在整體變化還不明顯時先行掌握一些狀況。這種實驗被稱做敏感度測試(sensitivity test),不論其實驗被如何設計、實驗的目標是什麼,其中心思想就在於檢測哪些變因會劇烈影響我們所在意的事。 

擁有大面積水田的桃園也提高降水量,但並非全台皆如此

除了海洋大陸的熱帶雨林,羅老師同時也探討了桃園地區的水田面積變化如何影響當地氣候。在 1990 年代,桃園地區的水田有四萬多公頃,在加入 WTO 之後,水田的面積減少至一萬多公頃,這樣大面積的水田減少讓羅老師的團隊在桃園地區看到與海洋大陸類似的現象,地表向上的潛熱減少、可感熱增加造成更強的海陸風環流,使得更多的對流產生、整體的降水有增加的趨勢。隨著近年來台灣休耕的農地逐漸增加,降水增多的現象或許也會逐年增加,然而大氣與陸地之間的交互作用十分複雜且難以預測,降水型態因為大規模休耕所引起的變化還需更多的研究來確認。 

身處台灣,我們更應該關注氣候議題並付諸行動!

台灣在氣候變遷之下多舛的命運其實早已被註定,「我們位於全世界最大的陸地與全世界最大的海洋中間,任何一邊有一點變化都會對台灣造成劇烈的影響。」正如羅老師所說的,生活在這座小島上的我們無法逃避未來將接踵而至的各種難題,該如何面對這些難題,老師提出了最簡單,同時也是最困難的方法:「從基本做起,減少個人的碳足跡;政府多加關心氣候變遷議題,並制訂相關政策;企業善盡社會責任,並在經濟發展與環保之間努力取得平衡,整個國家努力往碳中和的方向邁進,這是一個需要全國團結一心共同面對的難題。」 

臺灣島位於世界最大的陸地與海洋之間,身為臺灣人,更應該關注氣候議題。圖/Pixabay

這些說詞看似有些陳腔濫調,但這卻是我們可以為社會與自然貢獻一份心力的最好方法。回到最一開始,我們也許終將無法再看見風調雨順的時刻來臨,但是只要在台灣這條船上的所有人同舟共濟,即使前方狂風暴雨、險阻重重,我們仍能在這世界中閃爍著光芒昂首挺進。 

備註

註1:一尚未被正式列入地質年代表中的地質年代,以「人類開始改造環境,進而對氣候與生態系統造成影響的時間點」為起點,其概念由荷蘭大氣化學家 Paul Crutzen 在 2000 年時提出。

註2:全球環流模式為利用流體力學公式,對全球尺度的大氣環流進行數值模擬;陸地模式則模擬地表在受到外部影響後會產生的反應。透過兩個模式的結合,可以對全球各地的陸地大氣交互作用進行模擬。

註3:我們所在意的氣候平均值的變化相對於日循環、年循環變化要小得多,且觀測的同時會有許多的雜訊干擾(外在因素與儀器誤差),若是觀測的時間不夠長,或是精準度不夠高,都會影響到資料的可信度。

參考資料

  1. 台大大氣系 – 羅敏輝老師『氣候變遷下未來陸地水文循環與水資源的改變』研究,榮登《Nature Communication》期刊
  2. Divergent effects of climate change on future groundwater availability in key mid-latitude aquifers
科技大觀園_96
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尋找宇宙塵和全球氣候變遷的關連
臺北天文館_96
・2012/04/13 ・1324字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 590 ・九年級

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雖然大多數人認為宇宙是真空的,不過其實宇宙空間中到處有許多肉眼不可見的東西,例如:塵埃就是其中之一。 如果將太陽到木星之間的宇宙空間中的所有物質壓縮成一團,可以製造出一顆直徑25公里的月亮呢!現在,有個新的「地球大氣宇宙塵(Cosmic Dust in the Terrestrial Atmosphere,CODITA)」研究計畫,由英國里茲大學大氣化學教授John Plane領軍的研究團隊,希望測量落入地球大氣層塵埃量究竟有多少。宇宙塵中的金屬元素可能會在各個方面影響地球的氣候變化,因此如果能正確估計落入地球大氣的宇宙塵量,或許可幫助科學家瞭解粒子是如何在不同地球大氣層間一層層地傳遞過去。

CODITA剛獲得歐洲研究委員會(European Research Council)同意,未來5年內將有250萬歐元的研究經費。這個由Plane領軍的團隊,由11名來自里茲大學的科學家,以及10名來自美國和德國的研究者所組成。

太陽系中的塵埃主要來自小行星彼此間的互撞和彗星接近太陽時被蒸發的物質。當塵粒接近地球,會以非常高的速度進入地球大氣,估計時速可達38,000~248,000公里,速度高低視塵埃繞太陽運動的方向與地球公轉同向或反向而定。塵粒以如此高速衝擊大氣分子的狀況下,會被快速加熱到超過攝氏1600度的高溫狀態,此時它們會融化並蒸發。直徑大於2公釐(mm)的塵粒,在這樣的過程中會形成地面可見的流星;但事實上,絕大部分進入地球大氣的塵粒直徑都小於此限,因此一般人根本不會察覺,只能利用特別的流星雷達偵測裝置才能偵測到。

目前對落入地球大氣的塵埃量估計值,不同研究方法所得結果相差可達百倍。CODITA的目的之一,就是要解決這麼大的差異。衛星觀測結果顯示:每天約有100~300噸宇宙塵進入地球大氣。這個估計值和從極區冰核及深海沈積物中測出如銥和鋨等與宇宙塵有關的罕見元素的累積速度相符。不過,在地球大氣內的測量結果卻僅有每天5噸左右。前述這些測量,包含流星雷達觀測,或是用雷射觀測塵粒在上層大氣蒸發後釋出的鈉和鐵原子,以及動用飛機去測量低層大氣中的流星釋出的鐵原子。

Plane表示:如果進入地球大氣的塵埃量約為每日200噸的話,那麼塵粒向下傳輸到大氣中層的速度將比原本認為的還快;但如果每日真的只有5噸,那麼關於太陽系中塵埃究竟如何演化或是如何傳輸到中層大氣的概念,就得好好想想究竟哪裡有問題了。

塵粒進入大氣後蒸發出來的金屬,牽涉到許多層面的大氣變遷現象。例如,在地球高層大氣中才會出現的夜光雲(noctilucent cloud)的形成可能與宇宙塵有關,因為宇宙塵可提供作為冰晶凝結成雲所需凝結核。夜光雲通常出現在極區夏季期間,是氣候變遷的指標之一。此外,來自塵粒的金屬會影響平流層中的臭氧化學反應。塵埃量也會增加硫酸鹽懸浮粒子的數量,可能抵銷全球暖化的現象。宇宙塵也是海洋中鐵元素的累積來源,可能導致氣候反餽現象,這是因為海洋中的浮游生物會發出與氣候有關的氣體。

CODITA此計畫主要目的,在瞭解宇宙塵蒸發的特性,與大氣中冰晶成核作用有關的流星煙塵的形成過程等等。如能多瞭解一點宇宙塵的化學作用與氣候之間的關連性問題,或許就可以解開這麼多與全球氣候變遷有關的事項,難怪歐洲研究委員會如此重視這個研究計畫。

資料來源:CODITA: measuring the cosmic dust swept up by the Earth[2012.03.29]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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