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那些年,科學家一起研究的全球暖化——《讓人生從此改變的科學思考》

PanSci_96
・2019/01/21 ・4346字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

全球暖化陰謀論?人們稱它「氣候門」

科學從懷疑開始。

所以我們首先試著對常識提出質疑吧!地球正在暖化是現在普遍的說法,但這是真的嗎?全球暖化真的正在發生嗎?

實際上,科學家之中,也有人對全球暖化提出質疑。

南極和格陵蘭冰芯中,氫或氧的同位素比例紀錄了地球 140000 年來的冷暖期變化。圖 / wikipedia

綜觀地球的歷史,冰河覆蓋整個地球的寒冷時代,與溫暖的時代一直交替出現。考慮到這樣的循環,認為地球今後不可能持續暖化,總有一天必定會進入寒冷的時期。這就是暖化懷疑論。

但專家已經對懷疑論提出反駁,認為地球在不久的將來進入冰河期的機率極低,很難認為暖化懷疑論是個具有說服力的論點。但現在依然有許多人對全球暖化抱持質疑的態度,起因是二○○九年的「氣候門事件」——這起事件讓人聯想到迫使美國尼克森總統辭職的「水門事件」,因此稱為「氣候門」。 當時英國溫室效應研究者之間的電子郵件往來遭到駭客入侵,公開在網路上。郵件內容包含「捏造」證明溫室效應的數據、對批評溫室效應的研究者所寫的論文施壓等等,這些內容也被當成醜聞報導出來。

「我就說吧!」這起事件助長了懷疑論者的氣焰,據說歐美質疑全球暖化者的比例也一口氣提高。媒體還報導,美國「近半數的國民都開始對全球暖化抱持著懷疑的看法」。

都是政治惹的禍:研究掛勾利害關係?

這起事件在溫室效應專家之間也成為嚴重的問題,於是展開了各式各樣的調查,最後發現:

暖化正在發生的結論並沒有改變,爭議姑且算是塵埃落定。

但是懷疑論者對全球暖化研究的質疑依然根深柢固。理由之一,就是連一般人也很容易就能推測出,全球暖化的研究背後,有許許多多的利害關係。

舉例來說,有人以懷疑的眼光看待主張「暖化正在發生」的研究者,認為他們之所以這麼說,目的是為了爭取研究預算。或者是只要以「暖化正在發生」為由,嚴格限制二氧化碳的排放量,就能減少煤炭與石油等化石燃料的使用,推動核能發電。因此也有人懷疑,這是否代表擁核派與研究者彼此勾結呢?

隨著暖化的推進,政治上與經濟上也都會採取各種措施,這表示不論科學上的實證性如何,溫室效應的研究原本就容易遭到懷疑,也容易成為政治鬥爭的工具。

但否定暖化的人不也一樣嗎?

哈!全球暖化,我不吃這套。圖 / Michael Vadon@staticflickr

舉例來說,以美國總統川普為首,共和黨議員大多主張「全球暖化並未發生」。美國有個針對政治人物發言進行驗證的網站「政治真相( PolitiFact.com)」,根據該網站二○一四年的資料顯示,二七八名共和黨議員中,只有八名承認人為引發的全球暖化,這些議員多半從石油產業與煤炭產業收受高額的政治獻金。因此不禁令人懷疑,他們或許就是因為這樣,才無法說出「暖化正在發生」。

由傅立葉奠基的溫室效應概念

懷疑雖然重要,但基於政治上的疑慮而懷疑全球暖化的態度並不科學。

接下來就讓我們翻開科學的歷史,來看看科學家對全球暖化進行了那些研究。 現代的我們已經知道全球暖化是由「溫室效應」引起的,但科學家到底是如何發現溫室效應的呢?

法國物理學家傅立葉在一八二七年的論文中,提出了日後發展成「溫室效應」的最初概念。

 

法國物理學家傅立葉的兩個假說,為日後「溫室效應」奠定了基礎。圖 / wikimedia

他首先提出了這樣的疑問:地球在接受太陽光能量的同時,也會以紅外線的形式朝著宇宙釋放能量。如果兩者的能量相等,地球的溫度理論上應該更低,但現實的氣溫卻比理論值高。這是為什麼呢?

為了解答這個疑問,傅立葉建立了兩個假說。

第一個假說是,地球也接收了來自宇宙的其他能量。

宇宙中還有其他和太陽一樣,能靠自己燃燒而發光發熱的恆星。地球是否也接收了這些恆星發出的能量?

第二個假說是,地球的大氣是否儲存了這些原本應該往外釋放的能量。

而這個假說就是發展成溫室效應的想法。

兩個假說中,第一個假說已因為理論上的瑕疵而遭到否定,使得第二個假說變得有力。但傅立葉並未發展到實證階段,後來由愛爾蘭的物理學家廷得耳透過實驗證實他的理論。

溫室氣體:會吸熱的不只是二氧化碳

廷得耳認為,地球的大氣中說不定存在著能吸收紅外線的物質,因此他進行了以下實驗:

首先,廷得耳準備了幾只長筒,在各筒裝入構成大氣的氣體,並以紅外線照射其中一端,另一端則裝置能感測紅外線量的偵測器。如此一來,應該就能知道哪種氣體會吸收紅外線了吧?

結果,氧氣與氮氣完全不會吸收紅外線,但水蒸氣、二氧化碳,以及氮氧化物都會吸收紅外線,並儲存熱量。透過這個實驗,廷得耳找出了能吸收地球朝宇宙放射的紅外線的氣體。

經過現代科學的計算,如果地球朝宇宙放射的能量完全不受阻擋,地球的平均氣溫將在負十八度到十九度左右。但實際上,地球整體的平均氣溫約有十四度到十五度。兩者之間的溫度差異,明顯來自水蒸氣、二氧化碳、氮氧化物吸收紅外線所儲存的熱量。帶來溫室效應的氣體就此發現。

大家提到全球暖化的原因時,往往只會把注意力擺在二氧化碳,然而從廷得耳的實驗中我們知道,水蒸氣與氮氧化物同樣能吸收紅外線。所以,未來海水若因全球暖化持續蒸發,暖化的速度也將會加快。

冰封的甲烷氣泡。圖 / wikimedia

此外,西伯利亞的永凍土中冰封著大量甲烷,若永凍土融化,冰凍的甲烷將以氣體形式釋放出來。甲烷的帶來的溫室效應遠高於二氧化碳,科學家預測,這也會加速全球暖化。

《卜多力的一生》:文學家宮澤賢治筆下樂觀的暖化現象

廷得耳透過實驗發現溫室氣體,是一八六一年的事情。三十五年後的一八九六年,瑞典學者阿瑞尼斯證明了大氣中的二氧化碳濃度增加,將使氣溫產生變化。雖然廷得耳已經發現二氧化碳能儲存熱量,但真正證明二氧化碳含量增加,將會加速暖化的,其實是阿瑞尼斯。

二氧化碳變多?我覺得可以。 阿瑞尼斯照片。圖 / wikimedia

不過阿瑞尼斯對於溫室效應的看法卻很樂觀。他認為二氧化碳增加得越多,人類就越能擁有溫和舒適的氣候;穀物的產量會因此提高,人類也將從糧食不足中獲得解放,並使得全球的人口急速成長。

在這裡,我們要請一位大家意想不到的人物登場──日本文學家宮澤賢治。

宮澤賢治在一九三二年寫了一部小說《卜多力的一生》。小說採用傳記體,描述卜多力這名虛構人物的一生。 宮澤賢治生長的時代,東北總是受寒害所苦;主角卜多力居住的地方,也因為日漸寒冷而完全採收不到農作物。想要解決這個問題的卜多力注意到二氧化碳,並與博士之間有了如下的對話:

「老師,如果大氣層裡的二氧化碳增加,地球就會變溫暖嗎?」
「應該會吧。甚至有人說,地球形成至今的氣溫,大致上取決於空氣中的二氧化碳量呢。」
「如果現在卡爾波納度火山島爆發,會噴出足以改變氣候的二氧化碳嗎?」
「這個我也計算過了,如果火山現在爆發,氣體應該就會立刻與大循環上層的風混合,包覆整個地球。如此一來,就能防止下層的空氣與地表的熱發散,我想地球整體的平均氣溫大約可以上升五度左右。」

本書的觀點與阿瑞尼斯一樣,將暖化視為能夠拯救寒害的現象。雖然沒有確切證據,但宮澤賢治曾就讀於盛岡高等農林學校(現在的岩手大學農學院),因此或許讀過阿瑞尼斯論文的英譯本。

如果多些二氧化碳,是不是就能溫暖點了呢。圖 / satoshi sawada

只不過,在宮澤賢治生長的時代,尚未把暖化當成危機。

來看看碳十四吧!以放射性定年法佐證二氧化碳變化

阿瑞尼斯雖然證明了二氧化碳增加會使氣溫升高,卻沒有證明與過去相比,二氧化碳實際上增加了多少。

至於這一點,要等到第二次世界大戰結束後的一九五五年,才透過美國物理學家漢斯.蘇斯的研究確認。當時他使用的方法,就是「放射性碳定年法」。

蘇斯首先調查周邊的樹木中,含有多少放射性物質碳十四。放射性物質有半衰期,含量將隨著時間減少,因此越老的樹木,碳十四的濃度應該越少才合理。但調查結果卻相反。老樹的碳十四濃度,竟然比年輕的樹還要多。

這到底是怎麼回事呢?他根據調查結果,建立了驚人的假說:

老樹總有一天會埋入地底成為煤炭,但碳十四仍會持續衰減。因此,燃燒煤炭所排放出來的二氧化碳中,碳十四的含量極少,甚至沒有,並不影響定年結果。

蘇斯認為,年輕的樹木在進行光合作用時,或許就吸收了燃燒煤炭所產生(沒有碳十四)的二氧化碳,使得年輕樹木中的碳十四濃度降低。

年輕樹木吸收燃燒煤炭所產生的二氧化碳,碳十四含量因而比老樹木低。圖 / Pixabay

當時是一九五五年,正是大量使用化石燃料的時候,地球上的二氧化碳也因燃燒煤炭而逐漸增加。年輕的樹木吸收了這些二氧化碳,使得碳十四的濃度被稀釋;換句話說,蘇斯得到的結論就是,地球因人類持續燃燒煤炭,充滿大量的二氧化碳

匯集各方證據,二氧化碳真的在上升

蘇斯證明了他的假說之後,科學家也開始使用各式各樣的方法觀測二氧化碳。譬如從南極的冰層,也能觀測到二氧化碳濃度的變化。

藉由南極冰層中的冰封空氣,我們就可得知大氣組成。圖 / pixabay

南極從很久以前就開始結冰積雪。這些雪越堆越高,使得下方的雪積壓成冰。由於空氣被冰封起來,所以只要調查堆積的冰層,就能得知各個年代的大氣成分。

透過這樣的分析發現,二氧化碳從工業革命後開始急速增加。南極雖然距離英國很遠,但由於大氣循環的緣故,就算是南極,二氧化碳含量也同樣越來越高。

此外,科學家也從一九五八年開始,持續在夏威夷茂納羅亞火山的山頂附近觀測二氧化碳的變化。結果發現,從開始觀測後,二氧化碳的量就不斷增加。

工業革命後,大氣中二氧化碳的含量急遽增加。圖 / pixabay

這堂課開頭曾試著提出「全球暖化是真的嗎」的質疑。但既然有這麼多的科學根據,我們應該承認,至少在目前,「地球正因為二氧化碳增加而暖化」的假說是事實吧?

 

 

本文摘自《讓人生從此改變的科學思考》,2018 年 9 月,究竟出版。

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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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