全球暖化的物理:金星證實,都是二氧化碳惹的禍

我懷疑有些人不喜歡「自然淘汰沒有先見之明」的觀點。事實上,這個過程本身確是不知道將來往哪裡去。 正是「環境」提供了方向;從長遠來看,在很大程度上其影響是不可預測的。

──弗朗西斯・克里克,Francis Crick (1916-2004) ,1962年諾貝爾醫學獎──發現DNA雙螺旋結構

在「人體太複雜了:為何有關人體健康的研究總是充滿爭論?」一文裡(泛科學,2015/11/11),筆者談到了在研究與人體有關的問題上,因爲無法隔離各種可能的「因素」來探討直接的因果關係,因此有關人體健康的研究爭論將永無止境。

地球氣象的複雜性雖然可能比人體簡單些,但也碰到同樣的無法控制之隔離因素的問題,更糟的是世界人口有 70 多億,生物學家與醫學家可以使用統計法來研究,但地球只有一個,因此氣象學家所能使用的研究工具大受限制!故地球是否正在暖化,也像「基因改造物種(GMO)是否對人體有害」一樣,呈現兩極化的爭論。

地球是否正在暖化,目前呈現兩極化的爭論。圖/pixabay

一個極端謂全球暖化是「庸人自擾,根本沒有這種現象。」他們認為地球在過去的 70 萬年中經歷了溫暖和寒冷的時期,以百年尺度來看, 我們或許正處於溫暖時期的中間,但以十萬年尺度來看,我們事實上是正走向另一個冰河時代。理論物理及數學家 Freeman Dyson 謂:「全球變暖是世界面臨的最重要問題的想法完全是胡說八道,並且造成了很大的傷害。」

另外一個極端則認為「氣象變化已經到了極端,我們如果不再採取行動,世界末日就在眼前。」去年 11 月 23 日,包括 300 名頂尖科學家在內的第四次全國(美國)氣候評估(Fourth National Climate Assessment)謂:「美國已經經歷了氣候變化帶來的嚴重和代價高昂的影響。」在 10 月份發布的另一份聯合國報告中,科學家們則謂:「各國需要極端的努力,才能將全球變暖限制在 1.5 攝氏度內——而且我們大約只有 12 年的時間。」

都是二氧化碳惹的禍

儘管爭論不斷,但 90% 以上的科學家均認為全球是正在暖化,雖然其中有些許認為原因不明,或現有的資料尚不足以支持是因「人類活動」造成的,但大多數都同意全球暖化的罪魁禍首是二氧化碳

二氧化碳在空氣中佔不到千分之一,怎麼竟成為全球暖化的罪魁禍首呢?在探討其原因之前,筆者必須在這裡指出,常被用來「證明」全球暖化之「90%以上的科學家均認為……」並不代表什麼!

誠如美國名作家、編劇、電影導演、和製片人(特別是在科幻小說、驚悚片、和醫學小說類型中的作品)Michael Crichton(1942–2008,哈佛醫學院高材生)所言:「科學工作與共識無關。 共識是政治事務; 相反地,科學只需要一名正確的調查員。…歷史上最偉大的科學家之所以偉大,正是因為他們打破了共識。…沒有共識科學這樣的東西。 如果達成共識,那就不是科學。 如果是科學,那就不是共識。」

科學工作與共識無關。圖/pixabay

不幸的是,如前面所提:因為複雜性及只有一個地球,這一名「正確的調查員」是永遠不會出現的。因此自圓其說的各種研究報告將繼續不斷地出現!如筆者在一些文章內所提的:讀者不能盲目地相信,必須用自己的判斷力來看所有的報告和研究!另一個讀者需要注意的是:作者的立場常有意或無意地影響了其結論!(例如今年2月底,美國白宮計劃創建由一群不認同「石化燃料的持續燃燒正在傷害地球」的特選聯邦科學家組成的特設小組,來重新評估政府對氣候科學的分析──不用等報告出爐,我們就應該已經知道結論了!)

筆者的立場在「人體太複雜了:為何有關人體健康的研究總是充滿爭論?」一文裡已表示得非常地清楚:「你說整天將手機放在耳邊對大腦沒有影響?怎麼可能呢!只是這環境改變不夠巨大,因此到底有那些人能夠成為適者而生存下來,那可能是幾百年後才可能知道的!」人類大量地製造出二氧化碳,怎麼可能不影響自然界的平衡呢?只是這影響將不再是「有些人」而已,而是整個人類。然而人類或其他動植物是否能成為適者,那就要看破壞及進化的相對速度了!

人類大量地製造出二氧化碳,怎麼可能不影響自然界的平衡呢?只是這影響究竟為何?圖/pixabay

黑體輻射與地球表面平均溫度

因為太陽是驅動我們氣候系統的基本能源,首先讓我們來看看經過 45 億年的太陽照射,「理想」的地球溫度應該是多少。太陽的直徑約為 140 萬公里,表面溫度為絕對溫度 6000°K, 所發射出來的能量(電磁波)分布如(圖一)所示。

(圖一):太空中之太陽能分布情形。因空氣之關係,太陽能抵達地面之分布大不相同。

從(圖一)可以看到:五官中最重要的器官「眼睛」,所能感應到的電磁波範圍,正是太陽能分布中最強的部份(占 47%),我們因之稱此範圍為可見光,其波長大約在 390∼750 奈米(10-9 公尺)之間!你說這是巧合還是演化的必然結果?事實上不僅人類及大部份動物如此,大部份植物也是利用可見光來進行其生存與繁盛所必須之光合作用的!

早在十九世紀末期,物理學家便致力於分析因溫度而放射的輻射能光譜(即分析某頻率範圍內有多少輻射能)。他們發現輻射能光譜僅與放射物質的溫度有關,卻幾乎與其組成的物質無關1。近代物理中的量子力學,便是為了解釋實驗光譜而興起的。事實上波茲曼(L. Boltzmann)早在1884年,便由熱力學導出溫度為T之物質的輻射總能量為:

ET(單位時間單位面積之總輻射能)=σT4

公式中之 σ 為史蒂芬—波茲曼常數(Stefan-Boltzmann constant),T為絕對溫度

將太陽的表面溫度代入上面公式,可以算出太陽一天所放射出的能量,足供人類一年所須,可是還好只有 21 億分之一的能量抵達地球2。當然,地球本身也會依上面的公式輻射。如果我們要求地球所吸收的能量等於它所輻射的能量,我們可以計算出地球的穩定溫度為 279°K(6°C)。信不信由你,這實際上竟然非常接近 1880 年時的地球表面平均溫度 287°K !3

經過 45 億年,地球溫度達到一個平衡值,似乎是很好的假設。圖/pixabay

經過 45 億年,地球溫度達到一個平衡值,似乎是很好的假設。因此我們不免要問:為什麼不是完全吻合呢?一個可能的解釋是:「因為大氣的關係,地球並不是一個很理想的黑體,大氣不但反射部分的太陽能,也吸收了地球往外太空輻射的部分能量。」但科學家不但未在大氣的各個層面看到更溫暖的氣溫,相反地,他們觀察到高層大氣的冷卻,以及對流層表面和下部的升溫——顯然是因為「溫室效應」在低層大氣中捕獲較多熱量之故。

什麼是「溫室效應」呢?相信許多讀者不但聽過,而且可能都親身體驗過,那就是在門窗緊閉之車子內的溫度可以比外面的溫度高出甚多4;因此在比較冷的地方,在玻璃屋內可以種一些熱帶植物。要了解玻璃屋內為什麼可以保持比較高的溫度,我們在這裡必須先溫習下電磁波(輻射能)與分子(原子)的作用。

溫室效應的物理

電磁波是一種電、磁場的振動,因此要與他作用,物體必須帶電。分子是由帶正電之原子核以及帶負電的電子組成的,因此一定可以與電磁波作用。20世紀量子物理的一大發現,就是分子本身的內在「振動」頻率,必須與電磁波頻率相同才能將它吸收。分子本身的內在「振動」大約可以分成三種:

  1. 電子在軌道中的跳動,其頻率大約都在可見光及紫外線附近;
  2. 分子的振動,其頻率大約都在紅外線附近;
  3. 分子的轉動,其頻率大約都在微波附近。

如果頻率不同,不能引起共振(吸收),那麼電磁波裡的電場就只能帶動分子內之電子,依它的頻率振動,往四面八方放出頻率相同的電磁波,造成散射(scattering)現象(如天空之所以是藍色的原因)。不管是吸收或散射,如果電磁波訊與分子繼續作用,其原來之能量最後都將被轉換改成熱能(分子之無規律運動——詳見延伸閱讀「熱力學與能源利用」)!

前面提過太陽的輻射主要是可見光,而玻璃是透明的,意即除了少數可見光被散射掉外,其他都毫無阻擋地通過,射落在地面及植物上(圖二),最後大都被吸收經由分子之間的作用改變成熱能,提高地面及植物的溫度。

因為它們的溫度比太陽低得多(室溫,大約只有 300°K 而已),故其頻率分佈與(圖一)完全不同,不但整個能量(分佈圖下的面積)少多了,其主要的輻射已不再是可見光,而是集中在紅外線區域。

電磁波的波譜與性質。圖/wikimedia

這些能量在往外輻射時,卻不幸碰到了「溫室氣體」及玻璃。這些氣體雖然不能吸收可見光,但是它們的的振動頻率正是集中在紅外區附近,因此這些輻射將大部分被吸收,使分子的振動變快。透過分子間的碰撞,這些快速的分子振動最後終被轉換成分子的動能──熱能,提高了室內空氣的溫度,造成所謂的「溫室效應」。

溫室氣體:二氧化碳與水蒸氣

地球雖然沒有玻璃罩,但是它卻被一層大氣包圍著。大氣的主要成分是氧氣(21%)、氮氣(78%)、及氬(1%),它們都是由同樣的原子組成的(氬是單一原子),因此振動不可能產生具正、負電端電偶,故不能與電磁波作用吸收紅外線。剩下的 1% 則主要是水及二氧化碳等微量氣體。水分子大都以水蒸氣形式存在,其濃度因地點和時間而異,大約在 0-4%之間變化:在寒冷乾燥的地區,水蒸氣通常佔不到大氣的 1%;而在潮濕的熱帶地區,水蒸氣幾乎佔大氣的4%。

二氧化碳分子(O=C=O)雖然因為對稱的關係不具電偶,但它的四個振動態中有三個(例如O===C=O)會破壞對稱而產生電偶,吸收同一頻率的電磁波。水分子本來就具電偶,因此與二氧化碳一樣,可以吸收從地球表面放出來的黑體輻射,造成溫室效應使地球變暖,合稱為「溫室氣體」(greenhouse gas)。

水分子與二氧化碳一樣,可以吸收從地球表面放出來的黑體輻射,造成溫室效應使地球變暖,合稱為「溫室氣體」圖/pixabay

水在大氣中的份量比二氧化碳多,因此水應是改變地球輻射平衡的最重要的分子。但大氣中水蒸氣的濃度主要取決於海洋的蒸發(和凝結),而海洋是如此巨大,人類對它的直接影響有限,不能過多地改變它,因此只能將地球變暖全部怪罪到二氧化碳,及其他一些更少的氣體如甲烷、氮化氧等。

金星提供的間接證據

我們雖然不能在地球上進行任何實驗,來直接證明現在地球變暖是因為二氧化碳的關係,但被稱為地球姐妹之金星,似乎是提供了很好的一個間接證據。

金星的密度、體積、組成均與地球差不多,顯然是因為溫室效應的關係表面溫度高達 740°K!圖/pixabay

金星的密度、體積、組成均與地球差不多,但與太陽的距離為地球的 72%。如果我們也要求它所吸收的能量等於它所輻射的能量,我們可以很容易地計算出金星的穩定表面溫度應為 538°K;5 金星的實際表面溫度不但相當均勻,且高達 740°K!其原因顯然是因為溫室效應的關係 :金星的大氣幾乎完全是由二氧化碳組成的(僅含有微量的氮和硫酸)。而比它更近太陽的水星,因為沒有大氣調節溫度,溫度變化非常地大(103°K 到 700°K),最高的溫度也只有 700°K 而已。

讀完上面的論點,讀者覺得將「地球暖化歸咎於二氧化碳」有沒有道理?筆者在親朋好友間的一句「名言」是「飯吃過量對身體也是有害」,因此不需要任何物理就已經覺得很有道理了。人類生活水平的全面提高,無可否認地是因為大量使用能源的關係;大量燃燒石化物,無可否認地將產生大量的二氧化碳,破壞了原本之地球上的二氧化碳平衡6。此一平衡的破壞一定會有影響,如果不是暖化地球,那是什麼呢?筆者去年 12 月中旬回到台灣,帶了一些冬天的衣服,卻發現台灣天高氣爽,好像春天早已光臨寶島!

比利時科學家 Christian de Duve 曾言:「我們(人類)成功的代價是自然資源枯竭、導致能源危機、氣候變化、污染、和我們棲息地的破壞。 如果你耗盡了自然資源,那麼你的孩子就沒有什麼了。 如果我們繼續朝著同一個方向前進,人類就會走向一些可怕的考驗——如果不是滅絕的話。」

或許自然淘汰本身確是不知道要將我們往哪裡推,但過去幾次的地球氣候巨變,如:二疊紀(Permian)、三疊紀(Triassic)、或甚至寒武紀(Cambrian)中期,幾乎總是對生命造成高度破壞性,導致大規模物種滅絕。

人定勝天或者作繭自縛?且待下回分解──有嗎?

註解:

  1. 如果該物質為「黑體」,則輻射能光譜便完全與物質無關。黑體是一種理想化的物理體,無論頻率或入射角如何,都能吸收所有入射的電磁輻射。許多普通物體發射的輻射可以近似為黑體輻射。
  2. 利用簡單的幾何面積計算即可:πr2/4πR2( r為地球半徑,R為地球與太陽的距離)。
  3. 事實上筆者第一次看到這個「巧合」時,是有點「震驚」,想一想地球的表面溫度變化從184°K到331°K,並不是在一個平衡狀態,而總輻射能與絕對溫度的4次方成正比(用線性平均溫度算出來的總放射能將比實際的少)。
  4. 美國每年平均大約有 37 位小孩因為父母親忘了他們還留在車後座位而被熱死。
  5. 約等於(地球穩定表面溫度 287°K)× (1/0.72)2
  6. 與此同時,人類又大量地砍採可以幫助消化、平衡二氧化碳的樹木與森林!

延伸閱讀:

  1. 賴昭正:「我愛科學」,華騰文化有限公司2017年12月出版。該書收集筆者自1970年元月至2017年8月在科學月刊及少數其他雜誌所發表之文章編輯而成。本文章所涉及到之「熱力學與能源利用」、黑體輻射、史蒂芬—波茲曼定律、分子的振動、分子與電磁波的作用等均在裡面。
  2. 黑體輻射的研究如何導致量子力學的發展,請參考賴昭正:「量子的故事」,第二版,2005年,凡異出版社。

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關於作者

賴昭正

成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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