0

0
0

文字

分享

0
0
0

全球暖化的物理:金星證實,都是二氧化碳惹的禍

賴昭正_96
・2019/03/22 ・5708字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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。

文章難易度
賴昭正_96
27 篇文章 ・ 24 位粉絲
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。

0

8
0

文字

分享

0
8
0

地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
4 篇文章 ・ 7 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策