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一天 24 小時不夠用?再等等,地球自轉越來越慢……

研之有物│中央研究院_96
・2019/06/16 ・5119字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

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

  • 採訪編輯|黃曉君、美術編輯|林洵安

地球自轉學問大

中學生就知道地球會自轉,自轉形成晝夜,自轉軸傾斜造成季節。但你知道嗎?地球自轉其實是忽快忽慢的,沒有一天是 24 小時,長期來說還有越轉越慢的趨勢。地球自轉軸也不是雷打不動,它會繞圈圈、各種搖擺,導致歲差和北極點不斷漂移等古怪現象。中研院地球科學研究所特聘研究員趙丰,帶你穿越上下億萬年的古今地球,聊聊中學地科老師沒告訴你的事。

趙丰,曾任美國國家暨太空總署 (NASA) 太空測地學實驗室主任,2006 年離開 NASA,回到臺灣任教,曾任中央大學地球科學學院院長、中研院地球科學研究所所長,目前為中研院地球科學研究所特聘研究員。
攝影│林洵安

太陽系分家產

說起地球自轉,首先得弄清楚:地球為什麼會轉,第二個問題是:為啥轉了 46 億年還不會停?

「地球會轉,是因為它在太陽系形成之初,分到一部分的『家產』:角動量。」趙丰幽默的比喻:「地球為什麼到現在還轉不停?因為分到的家產 (角動量) 還沒有用完啊。」

角動量是什麼?簡單說,它是物體轉動時的一種物理量。物體的質量越大、轉動半徑越大、轉速越快,角動量就越大。更重要的是,在沒有外力的情況下,角動量永遠守恆,不會變多、也不會變少,只能互相交換。

怎麼交換?靠摩擦!比方說,兩個旋轉的陀螺擦撞、分開,結果一個變慢,另一個就變快,就是前者的角動量藉由摩擦轉移到後者。而地球分到的角動量,則是跟太陽系其他天體「摩擦」來的。

時間回到 46 億年前,一場劇烈的超新星爆炸,太陽系誕生了。新生的太陽系宛如爐子上的一鍋熱粥,大小天體亂轉亂竄,就像一顆顆高速旋轉的大小陀螺,不斷發生碰撞,交換彼此的角動量。

太陽系形成的初始條件,決定了整個太陽系的角動量總和。所有天體藉由互相撞擊,交換彼此的角動量,各自分得一部份「家產」。
圖片來源│NASA

最後,太陽、地球、其他行星、小行星等所有天體,各自分到一部份的角動量 (家產),恆星和行星開始穩定的公轉和自轉,太陽系才逐漸成形。

然後勒?「從此,地球就過著穩定旋轉的日子……」並沒有!首先,地球自轉忽快忽慢,沒有一天是 24 小時。

地球自轉忽快忽慢

在原子鐘發明以先,地球自己就是時鐘。人們把地球自轉一周後,回到面對太陽同一角度所經歷的時間,訂為「一天」,後來又把一天等分為 24 份,每一等分稱為 1 小時。

近代改用原子鐘定義時間,重新測量地球自轉。結果發現:

二、三十年下來,地球自轉沒有一天是 24 小時。每天都跟 24 小時或多、或少差了千分之一、二秒。

為什麼?地球沒有受到外力,角動量不是應該守恆嗎?

「因為地球不是一塊死板板、硬梆梆的剛體,」趙丰說:「大氣環流海洋洋流地函對流,地球時時刻刻都在變化。」

地球自轉有角動量,大氣環流、海洋洋流、地函對流也有角動量。所謂角動量守恆,是指地球上所有物體角動量的總和不變,但可以互相交換。

比方說,地球自轉是由西向東轉,當大氣向東流速變快,會對地面的推擠摩擦,從地球本身「借走」一點角動量,導致地球自轉變慢;相反的,如果大氣向東的流速變慢,也會藉著摩擦,「還給」地球一些角動量,使地球自轉變快。

地球不是一整塊死板板的剛體,大氣環流、海洋洋流、地函對流、巨大地震、冰河融化……地球無時不刻不變化,影響自轉速度和地軸方向。尤其是當大氣、海洋、地函對流方向等等發生改變,因為角動量守恆,地球自轉就會忽快忽慢。
資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安

「今天大氣拿走一點,明天海洋還來一點,加加減減的,地球自轉就忽快忽慢了,」趙丰繼續比喻:「就像銀行的存款,今天吃個大餐,明天領個薪水,每天生活的收入支出,都會讓戶頭金額微微變動。」

但麻煩來了!如果地球好一陣子都轉得比較慢,一天慢個一千分之一秒,兩三年下來,就可能慢上 1 秒了。我們該不該把原子鐘也塞進 1 秒,以免跟地球自轉越差越遠,這就是過去發生了二十幾次的閏秒事件。

最近一次閏秒發生在 2017 年的 1 月 1 號,那年元旦假期幸運的多了……1 秒鐘。

地球越轉越慢、月球越來越遠

好幾年才加減 1 秒,根本無感?沒關係!如果把時間拉長,從幾百萬、幾千萬、幾億年的尺度來看,地球真的越轉愈慢,每 100 年穩定慢上千分之一秒。

可別小看千分之一秒?想想,如果是累積了 100 萬年、100 個 100 萬年 (1 億年)……差距就非常可觀,而地球已經 46 億歲了。

從化石證據知道, 4 億年前,地球一天只有 22 小時,再往前推,新生地球可能幾小時就轉一圈!反過來說,

當未來地球越轉越慢,一天真的有 25 小時可用。只不過還要再等上……2 億年。

誰讓地球剎車了?罪魁禍首是:月球!月球吸引地球的海水,引發潮汐現象,海水來來回回摩擦地表,就像貼在地球表面的「剎車皮」,讓地球慢慢「減速」。

至於地球消失的角動量,則被月球神不知鬼不覺的接收,用來增加月球公轉的速度……

月球在地球引發潮汐,讓地球自轉越來越慢,地球消失的角動量則轉移到月球,增加月球公轉的速度。「為什麼不是增加月球自轉的速度?」因為地球對月球的潮汐力更強,造成月面如海水起伏摩擦,早就讓月球自轉「停擺」了,現在只能用同一面面對地球。
資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安

「可是……不是說角動量一定要守恆嗎?但地球的角動量越來越少了……」

地球和月球互相吸引,又不受外力影響,可以看成一個系統。地球消失的角動量轉移到月球,整個系統的角動量還是守恆的!

月球的公轉角動量增加,又造成一個有趣的現象:

月球公轉速度變快,地球引力越來越拉不住它,於是月球越跑越遠、公轉軌道越來越大,每年平均遠離地球 3.8 公分。

由此反推,過去月球應該離地球非常近,當時月亮大又圓,而且每次漲潮都是恐怖大海嘯。

而未來,地球將越轉越慢,直到停止自轉,最後永遠只用同一面對著月球。屆時,地球只有一半地區可中秋賞月,但那時月亮只不過是天邊一顆不起眼的小白點。

地軸從來不安分

最後,地球自轉不只愈來愈慢,自轉軸還會各種搖擺,就像你甩出陀螺或是丟出飛盤,它們的旋轉軸也會繞圈圈或是些微晃動。

最有名的就是歲差現象:地軸週期性的繞圈圈,造成春分、秋分,冬至、夏至相對於星體的角度年年改變。幕後的主要黑手是:太陽和月球的引力,使地球自轉軸以 25800 年為週期,繞出一個圓錐。影響所及,人類的曆法必須考慮它、對它修正,才能跟著上地軸的「舞步」。地球就像陀螺一樣,自轉軸會週期性的繞圈圈,造成

地球就像陀螺一樣,自轉軸會週期性的繞圈圈,造成春分、秋分,冬至、夏至相對於星體的角度年年改變,比方說:地軸北方所對的「極星」隨著時間改變,未來將從北極星轉向織女星。
資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安

但即使沒有外力,地球自轉軸也會自己擺動,造成許多古怪的現象,像是北極點不斷漂移,稱為極移。

早在 1900 年,人類就訂出地理北極點的位置,統一全世界的地圖和座標。但事實是,地球真正的北極點每天都像個陀螺似的,一邊打轉、一邊朝美國東部的方向漂移,目前已移動十多公尺。

原因與冰河期後的反彈現象有關。在冰河期,地表被厚重的冰層壓住,等到冰河期一過,冰原融化了,壓力解除了,大地就像彈簧床緩緩回彈,使地表某些地區「長胖」了。

地球的「形狀」改變了,質量重新分配,自轉軸也會跟著微調,真正的北極點(自轉軸穿出北方地面之處) 也就換位置了。這還是角動量守恆的結果!你可以把同一塊黏土捏成各種形狀,試著轉轉看,就會發現轉動軸真的會改變。

地球的北極點從來都不安份,從 1900 年開始,北極點已經朝向美國東部方向漂移十多公尺 (圖中綠色箭頭,但為了方便辨識,將實際尺度大大的誇張)。
圖片來源 │NASA

看到這裡,地球的大轉、小轉是不是把你的腦袋轉暈了呢?總的來說,地球自轉宛如氣勢恢弘的交響樂曲,主旋律是漸慢板,但其中還隱藏著更多奇妙的副旋律,崮中奧妙有賴科學家細細品聆了。

地球自轉的學問好有趣,但跟生活好像沒有關係?

關係可大了!如果沒有研究地球自轉,GPS 就無法精確定位,現代人的日子就沒法過了。

現代開車、找路都需要的 GPS (全球定位系統))衛星導航。原理是:地面接受器同時接收某四顆衛星傳來的訊號,訊號中有每顆衛星的座標和訊號發射時間,接受器再由收到訊號的時間差,反推每顆衛星距離它多遠,最後綜合考慮四顆衛星的座標和距離,推算出地面接受器當下的位置,完成定位任務。

問題來了!地球本身會自轉,接受器自己就動來動去,怎麼精確評估與衛星的距離?所以接受器必須時時接收當下地球自轉的資訊,修正計算,以免導航誤差。

值得一提的是,GPS的成功使用與地球自轉研究非常密切。譬如當地球上的科學家為了追蹤和指揮太空飛行物,或是發射到其他行星的太空船,地面指揮站必須能精準計算距離和位置,而第一步就得先扣除地球自轉造成的誤差。另外,地球自轉的研究也能幫助評估全球暖化的人為影響。

地球自轉是怎麼測量的呢?過去科學家是用現成的星星當作參考座標系,但不夠精確。現今使用的精密儀器,包括人造衛星的雷射測距、無線電天文的長基線干涉術,以及全球定位系統 GPS。例如:以遍布全球上空的衛星當作座標 (如上圖),測量地面測站與天上某四顆衛星的距離,計算每個時刻地面測站的當下位置,然後比較不同時刻的位置變化,藉此推知地球自轉的速度。
圖片重製 │林洵安

全球暖化跟地球自轉有什麼關係?

當前有種迷思:地球本來就有週期性的氣候變遷,例如:冰河期和間冰期的來來去去,目前的暖化現象只是自然週期的一部份,人為的影響不是主因,一切都是某些科學家大驚小怪。

所以科學家必須了解冰河期的自然週期,作為全球暖化的背景資料,才能正確評估人類的影響程度。

而冰河期最重要的成因,來自其他行星引力,首先改變地球公轉軌道,讓它變得更橢或更圓,此週期約為 10 萬年。當軌道越橢,日照量越少,冬夏差異越大,冰河期越容易發生。

其次,行星引力造成地軸傾角週期性的擺盪,也會影響冬夏差異的強弱,這個週期約為 4 萬年。

最後,地球公轉軌道也會晃動,加上地球自轉軸本來就會轉圈圈,聯手改變地球最接近或遠離太陽的日子,週期約為 2 萬年。當北半球冬季遇上遠日點,就容易形成冰河期。

資料來源 │趙丰 圖片重製 │林洵安

以上這些「萬年起跳」的週期,就是地球氣候變遷的自然週期。由此可知,人為破壞雖然局部的,但是 3~5 年就相當有感,效果又快又猛烈,真的是全球暖化的主要凶手。

地球自轉還有什麼有趣的研究方向嗎?

所有地球自轉會發生的現象,在其他行星上都會發生。前面說過地球對月球的潮汐力,讓月球只能用同一面面對地球,這個現象就廣泛的發生在各大行星與它們的衛星。國外行星研究正夯,這是很有發展的方向。

地球自轉還能探索地球內部。當前科技無法像電影般潛入地心,地球內部現象必須依靠地表能夠量測的數據反推,包括地震波、重力場、地球自轉變化、磁場的變化量。

最近兩三年,我從地球自轉的快慢變化,發現一個 6 年上下的小週期震盪,推測地球的內心會像鐘擺一樣來回搖擺。

我的推論是:地球的內核和外核不是完美的圓形,中間又隔著液體層,所以內核在液體內可能會晃動 ,造成鐘擺般的簡諧運動 。當地球內核晃動,外面地殼因為角動量守恆就會跟著改變轉速,造成地球自轉週期性的改變。

總之,只要發揮想像力,可以做的主題非常多,非常有趣的!

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為一天 24 小時不夠用?再等等,地球自轉越來越慢……,泛科學為宣傳推廣執行單位

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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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太陽系裡最大的峽谷、最高的火山,都在火星上!——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/23 ・769字 ・閱讀時間約 1 分鐘

布滿鐵鏽的紅色沙漠:火星

在地球上用望遠鏡觀察火星,火星上的地形很難看清楚,只能看到最明顯的三種顏色色塊:紅、黑和白色。

比起水星和金星,火星算是比較宜人的行星,人類已經發射許多太空船前往探索,未來甚至可能移民到火星上生活,火星很可能成為人類下一個家園。圖/麥浩斯出版

火星表面充滿紅色塵埃,這些紅色塵埃由氧化鐵組成,也就是鐵鏽,火星表面絕大部分被氧化鐵覆蓋,所以表面看起來是紅色。

火星表面還有黑色的玄武岩,這些黑色玄武岩不會一直在那裡,有時黑色玄武岩會被紅色塵土覆蓋,當紅色塵土被吹散,黑色玄武岩又裸露出來。火星在南北兩極有白色的極冠,極冠是由水冰和乾冰組成,南北兩極的極冠會隨著季節變換而改變大小。

在火星上,除了兩極的白色極冠,還可以看見一些由冰晶組成的藍白色水冰雲。

壯觀的峽谷和火山

雖然火星的直徑只有地球的一半,不過火星上的峽谷和火山卻非常壯觀。

水手峽谷(Valles Marineris)長度約四千公里,這相當於美國的寬度,最深可達 7 公里,是太陽系裡最大的峽谷之一。火星表面有一座太陽系裡最高的火山:奧林帕斯山(Olympus Mons),奧林帕斯山是座盾狀火山,如果從附近的平原算起,它的高度約 26 公里。

圖/麥浩斯出版

比起荒涼死寂的水星和高壓炙熱的金星,火星似乎有趣多了!

──本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版

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五則 TED 演講,讓你看懂「淨零」怎麼做
鄭國威 Portnoy_96
・2022/03/17 ・5819字 ・閱讀時間約 12 分鐘

如烏克蘭氣象學家維特拉娜·克拉科夫斯卡 (vitlana Krakovska) 在 IPCC 的線上會議中所說,如果歐洲乃至於全世界沒有那麼對石油跟天然氣上癮這場戰爭或許不會出現。同樣的,如果要終結這場乃至於下一場因石油而起的戰爭,需要做的就是盡快結束我們對石油與天然氣的癮頭。

也因為如此,我這兩週看了所有去年 TED Coundown 大會的影片,就是想要知道圓形紅毯上有哪些新的「值得傳播的好點子」,能幫助人類更快達到淨零,不再依賴化石能源。以下挑出五則我個人最喜歡的演講,推薦給各位。

對付氣候危機的最速手段:針對大魔頭甲烷的獨立戰略

Ilissa Ocko:The fastest way to slow climate change now|TED Countdown/YouTube

伊麗莎·奧科(Ilissa Ocho)是一位氣候科學家,目前在環境保衛基金(Environmental Defense Fund)擔任研究員,她的任務是為氣候變遷溝通與政策提供有科學根據的指引。她利用各種模型去了解人類的行為怎麼加劇氣候變遷,反過來也研究哪些降低溫室氣體排放的行動真的有效。她善於用簡單語言、動人影像,來向非專家傳達科學。在這則 TED Countdown 的演講中,她精準地在 10 分鐘內,改變了我的想法。

結論先說:溫室氣體兩大魔頭二氧化碳跟甲烷,各有威能與弱點,不能一概而論,得分開對付。

二氧化碳就份量來說,是溫室氣體的主角,佔了 99%,剩下的 1% 則是甲烷,但若在未來十年這個時間段裡頭來看,這 1% 的甲烷讓地球升溫得更快。雖然二氧化碳會待在大氣層更久,也一定要對付,但就溫度上升來說,沒有甲烷造成的那麼快。

奧科認為,減碳當然重要,但暖化已經造成了嚴重後果(熱浪、野火、洪水、饑荒……),那麼我們就該採用最快最有效的方式來抑制溫度上升的速度。講簡單點:要有針對甲烷的獨立戰略

甲烷有三個源頭,第一個就是生產能源,例如開採石油、煤炭跟天然氣的時候,甲烷就這麼外洩了。奧科表示雖然相較於石油跟煤炭,天然氣燃燒後排碳較少,但生產過程中造成的洩漏抵消了這好處。解決辦法超直白:把管線的螺絲上緊。問題是,哪裡的螺絲鬆了呢?過去難以監測,不知道哪裡洩漏,但現在可以透過物聯網、無人機、以及衛星來監測全球甲烷排放量。只要可以找到漏洞,就可以解決。

第二個源頭是廢棄物管理。大型垃圾掩埋場的生物腐爛、垃圾污水都會產生很多甲烷,但甲烷明明就是上等燃料,何不用管線吸走拿去用呢?另外,將廚餘分開拿去堆肥,也可以減少甲烷,許多國家包括台灣也都有沼氣發電廠。

第三個則是農業,在三大來源中佔比最大,不好對付,包括家畜(如牛)消化後打嗝跟放屁,不過她很興奮地指出,科學家發現,用特製的飼料添加劑,在牛的腸道內生成的甲烷可以降低 30%。牲畜的糞便尿液也會產生甲烷,用來來發電或供暖剛好。此外,全球半數人口仰賴的糧食作物水稻也是甲烷重要來源,但若改種植能在淺水生長的品種,調整供水方式,就可以降低大量甲烷生成。

結論再講一次:減碳很好,但要把二氧化碳跟甲烷分開,針對甲烷設定獨立的目標跟行動。要是執行得好,將能快速奏效,阻止最嚴重的災變後果,而且這些方案也能創造工作機會喔~

世界準備好解決氣候變遷了嗎?

Solomon Goldstein-Rose:How much clean electricity do we really need?|TED Countdown/YouTube

索羅門·高斯坦(Solomon Goldstein)11 歲的時候就成為一名氣候行動者,學習工程跟公共政策,22 歲就參選美國麻州議員並當選。2018 年他放棄競選,全力投入氣候議題,也寫了一本被認為最實際的氣候變遷解法書。他在演講裡提出一個關鍵數據:要在 2050 年達到淨零排放,世界需要生產當下清潔能源總產出 12 倍那麼多的能源,而不是很多人認為的 2.5 倍。

為什麼呢?根據他的計算,目前全球已經有 10 拍瓦時(petawatts hours)的電力來自於清潔能源,包括風光等再生能源跟核能。要是現在立即能增加 2.5 倍的清潔能源產出,就可以置換其他能源,但是……

第一,隨著全球電力化,例如各類電動車輛、以電力供暖等等,雖然用電的效率會更高,進而降低整體能源耗用,但吃電的設備變多,還是會需要更多電。如果要把現在還沒電動化的設備中的 60% 電動化,起碼需要 40 拍瓦時。

第二,世界上還有 7 億多人沒有電可以用、另外幾十億的人的用電很不穩,而改善這些人的生活,將降低貧窮、改善教育、經濟,跟降低過度生育,這就需要更多電力。那麼照 2050 年的發展預測,所需電力得從 40 拍瓦時再增加至 60 拍瓦時。

第三,有很多部分沒辦法電動化,例如長途海運、空運,部分工廠的製程等等。就算有碳捕捉、生物燃料等替代做法,也需要政府認真執行法規。而待過政治圈的他,明白政策很難做到百分百的現實,因此他估計得從 60 拍瓦時增加到 90 拍瓦時來當預備。

第四,除了「淨零」,也就是不繼續增加溫室氣體,我們還得「負碳」,就是把已經在大氣中的溫室氣體抓回來。因此他認為還得再加!從 90 拍瓦時增加到 120 拍瓦時。

更重要的是,要從現在的 10 拍瓦時增加到 120 拍瓦時,成長的曲線不能是一條直線連到 2050 年,而是該越快達到越好。他的野心非常大,目標不只是改變目前的電力系統,而是建造一個新的能源系統,不是要解決氣候變遷,而是打造更好的世界。老實說,高斯坦的論述對許多人來說可能太重也太巨大,但應該會擊中一些人的甜蜜點,特別是那些就喜歡解決大問題,賺大錢的人。(就是說你啊馬斯克)

透明公開的數據才能有效應對氣候變遷

Gavin McCormick:Tracking the whole world’s carbon emissions—with satellites&AI|TED Countdown/YouTube

溫室氣體到底是哪來的?哪些人類行為、在哪裡、為了什麼目的,製造出這些溫室氣體?要解決氣候變遷,得先知道這些問題對吧?但科學家知道的……其實很少?這種說法可能讓你覺得 WHAT THE F……?

Gavin McCormick 是 Climate TRACE 聯盟的共同創辦者,也是 WattTime 這家非營利新創組織的執行長,兩個單位的任務一致,就是要用衛星數據結合 AI 判讀,來偵測跟追蹤排放污染源的工廠。他之所以放大絕說「我們知道的很少」,是因為在大多數國家的大多數時候,排放的數據是請污染者自己回報的,怎麼回報呢?就手寫在白紙上這樣。這品質堪慮啊!

沒有好的數據,就沒有辦法真正解決問題。有圖有真相,眼見為憑,所以他與一群科學家、工程師、行動者合作,利用人工智慧視覺判斷工廠的衛星影像,這樣就不用去問排放者「你們排了多少啊?」。就像電腦學會判斷貓跟狗一樣,要讓演算法更準確,就得餵給機械足夠多、足夠好的資料來訓練,一部分是清楚正確的工廠排放數據,另一部分是這些工廠在不同時段的衛星圖像。除了煙囪,還可以透過衛星圖中工廠外海水的波紋,判斷工廠吸入多少海水來冷卻,聽起來十足黑科技。在我看來,這任務非常挑戰,但解法的確合理。

等等,如果這樣也行,那何不監看全地球的污染鏈、包括農業、陸上交通、海運…..?沒錯,Climate Trace 獲得高爾支持,應用已有的數千顆衛星源源不絕的高品質資料,結合大數據跟人工智慧技術,就做了這件事。McCormick 說,其實 Twitter 或 FB 等早就將這樣的技術用在判斷哪些網路迷因會紅,他們只是將技術用來判斷哪些污染源會讓地球過熱。

他認為這種激進的透明(radical transparency)對國際合作應對氣候變遷,達成減碳協議至關重要。畢竟談判最大的問題就是大家底牌不揭開,你說我排碳多,我說你減碳不夠,沒有共同的基礎。所以 Climate TRACE 接下來會把全地球、全排放源的排放量數據,都透明公開地提供出來,這聽起來很刺激,儘管公信力應該也會遭受一定挑戰,但我樂見其成。

關注氣候問題應從「我們的」角度出發

John Marshall:3 strategies for effectively talking about climate change|TED Countdown/YouTube

​​為什麼即使最了解狀況的科學家早就對氣候危機達成高度共識,認為改變迫在眉睫,不能拖延,大多數人卻還一知半解,行動遲緩,刻意忽略,甚至有少部分人群起反對?

John Marshall 是一位溝通專家,他成立的 Potential Energy 勢能,由媒體與行銷界中關心氣候變遷的人士所組成。說實在的,既然民意與政策受到媒體與行銷訊息影響,這領域的從業專家可能比科學家或政治人物更有機會改變局勢。他們要解決的問題就是發揮自身專業,讓大家聽懂、有感、肯行動。在 Potential Energy 的網站上,還串連了超過 200 家媒體與行銷公司,要一同改變氣候變遷不討喜、乏人問津的困境。

他在影片中指出,現在氣候變遷的討論參雜太多不具體、難以想像、不夠切身的名詞。例如淨零、碳稅、1.5 度 C、 500 億噸二氧化碳、排放、甲烷、人類世、去碳(decarbonization)……(我前面就寫了好多這些詞),那麼既然人們聽不懂,自然沒感覺,也不會在乎。

The Bottom Line on Climate Change:What You Need to Know in 30 Seconds/YouTube

相較於此,「臭氧層破了洞」的比喻卻很有效,也因此在當年讓蒙特婁議定書的執行更有利。Marshall 建議:別用暖化這個聽起來感覺溫溫柔柔蠻舒服的詞,用「過熱」吧!與其說氣候,不如說「極端天氣」更有感。與其說潔淨能源,不如說「便宜能源」,畢竟風力跟太陽光電在許多地方都已經比化石能源低廉。最後他還建議,與其用一直念著攝氏 1.5 度,不如改用華氏。這建議聽起來就很作弊了,針對美國人可能有效……吧。

除了用詞,如何呈現氣候議題跟溝通對象的相關性也很重要。例如若溝通對象是美國佛羅里達人,與其對他們喊「阻止全球暖化」,不如喊「不要淹水」(”local flooding is more important than global warming”)。另外,他也建議科學家可從個人角度來進行情感訴求,特別是那些研究氣候的女性科學家的故事。一般人跟科學家之間總有點隔閡,但當看到這些研究並關心氣候的科學家,娓娓道來自己只是希望孩子有個更好的未來的時候,特別能夠打動人心。他們甚至還有一個用「佛羅里達男子 Florida man」的梗做的影片,知道這個梗的觀眾肯定覺得很好笑。

Later Is Too Late To Act On Climate Change/YouTube

或許科學家受的訓練就是把觀察到的抽象化、壓縮成一般人聽不懂的術語,才覺得溝通起來有效率,但這卻不利於觸動人心。Marshall 提醒每個想要讓更多人關注氣候問題的人,從「我們的」生活、「我們的」現在、「我們的」價值、「我們的」孩子切入,避免打高空。這樣,人們才會覺得我懂了、這跟我有關、這跟我在乎的人有關、我願意行動。

當能源遇上政治時……

Al Gore:How to make radical climate action the new normal|TED Countdown/YouTube

高爾是誰應該不用我多介紹,他在這場演講中再次展現強大的演說能力,極富情緒張力,雖然有點政治造勢場合的感覺(畢竟是他本行)。在他的框架中,我們從工業革命、數位革命、進入「永續革命」。永續革命是要用數位革命給我們的速度,幫我們從工業革命的後果中逃出。

這場演講,分為三個部分,前三分之一,他用數據跟近幾年各地的極端天氣事件再次強調問題已經很嚴重,後果也是,我們不是在等待一個即將發生的巨大危機,而是已經在災難裡,而且這些災難的規模在過往根本難以想像。

中間三分之一,則是用數據與趨勢顯示「解法是什麼」。綠能的成本快速下降,例如在 2024 年,也就是距今兩年後,不管在地球的哪個地方,風力跟太陽能都會比傳統能源更便宜(這我存疑,要看一下怎麼算的)。儲能的市場正在指數級成長,鋰電池越來越便宜,2023-2024 年之間,主流的電動車售價將跟高效率的油車一樣便宜。然而石油與天然氣產業,儘管口口聲聲說增加了三倍的投資金額於再生能源跟碳捕捉,實際上只是從總投資中僅佔 1% 增加到 4.1%,96% 還是投資在化石能源上,塑膠等一次性用品是獲益的主要來源。

接下來三分之一,高爾開始進入重點,就是以「修正式全頻譜的資本主義」,取代現行問題叢生的資本主義。最重要的應該是這張圖:

圖/YouTube

他樂觀地指出,只要我們能達到淨零,氣候危機將可以被扭轉。氣溫將在 3-5 年內停止上升,而在 25-30 年內,半數人類製造的二氧化碳將離開大氣層(但前面的高斯坦有說到,得積極主動把碳抓回來,不能等那麼久)。最後他回顧歷史上各種人類進步的重要歷史節點來激勵觀眾,包括廢奴、婦女參政權、民權運動、反種族隔離運動、同性戀平權運動等。許多事情都曾經看起來不可能,直到被達成。「有人認為我們缺乏政治決心,但別忘了政治決心是可再生資源。」,真是很有力且扣合主題的結尾。

如果你有時間,當然很建議你把 2.5 小時的整個活動看完,唱歌吟詩說笑話的的部分我覺得也不錯啦。如果你跟我一樣,最近看了太多戰爭的消息,心情實在低落到不行,想知道自己還能多做些什麼來改變過度依賴化石能源的世界格局,透過這場 TED Coundown,除了深入瞭解淨零排碳的挑戰跟解法,應該也能替你的心靈充電。

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鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 611 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。

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熱極生悲——全球暖化對熱帶珊瑚礁魚類的影響
Vicky Lin_96
・2022/03/09 ・3620字 ・閱讀時間約 7 分鐘

拜科技所賜,在氣溫越來越高的地球上,人類可以選擇躲進舒服的冷氣房內、吃著冰棒、喝著冰飲料來消暑。然而,海底的珊瑚礁魚們可就沒這麼幸運了,沒有冷氣可吹的牠們得做出一連串的改變來因應全球暖化,否則可能會因為無法適應節節升高的溫度而變得虛弱甚至是死亡。

是誰住在珊瑚礁裡?珊瑚礁魚!

珊瑚礁魚,顧名思義,是生活在珊瑚礁的魚類,牠們的食衣住行育樂都跟珊瑚礁脫不了關係。珊瑚礁對牠們而言就是一座大城市,組成珊瑚礁的一叢一叢的珊瑚就像城市裡一棟一棟的建築,提供了各式各樣不同的功能。

舉例來說,某些雀鯛、蝴蝶魚、蝦虎對珊瑚的依賴性非常大。雀鯛色彩鮮豔多變、經常成群結隊的悠遊在珊瑚上方,黃白黑相間的黑新刻齒雀鯛(Neoglyphidodon melas )便是其一,牠們在小時候以樹枝狀的石珊瑚為住宅,隨時都會待在附近,若有掠食者或其他危險接近時,牠們便會躲進這些珊瑚住宅裡(圖一)。

(圖一)有軟珊瑚的區域時常可以發現黑新刻齒雀鯛(Neoglyphidodon melas)的幼魚蹤影。圖片取自徐才烜

長大之後,除了體色變黑外,牠們不再像小時候只以浮游生物為主食,也會開始吃軟珊瑚或硨磲貝(Tridacna gigas)的糞便,在經過這些肥美的軟珊瑚和硨磲貝自助吧時總會忍不住地去咬一口。另一群時常穿梭在珊瑚叢中的蝴蝶魚也很喜歡這些珊瑚自助吧,像是川紋蝴蝶魚(Chaetodon trifascialis)、弓月蝴蝶魚(C. lunulatus)、和一點蝴蝶魚(C. unimaculatus)皆是以珊瑚蟲為主要的食物來源,在海中時常可以看見牠們啄食珊瑚的身影(圖二)。

(圖二) 川紋蝴蝶魚(Chaetodon trifascialis,左)、弓月蝴蝶魚(C. lunulatus,中)和一點蝴蝶魚(C. unimaculatus,右)成群在珊瑚礁間覓食。左圖取自徐才烜

相較於時常悠游在水層中的蝴蝶魚,大部分的蝦虎魚為底棲性,常常可以在各式各樣的珊瑚或岩塊上發現牠們,有些魚種對自己住的家非常挑剔,像是橘色頭黑色身體的棘頭副葉鰕虎魚(Paragobiodon echinocephalus),牠們只有約三公分大小,終其一生只會住在萼柱形珊瑚(Stylophora pistilliata)中,具有強烈的專一性。

相對於這些直接把珊瑚當家的魚種,有些種類則是間接地利用珊瑚所建構出來的複雜棲地。舉例來說,隆頭魚大多以蝦、蟹、貝類等底棲無脊椎生物為食,而這些底棲無脊椎生物在生長的過程中常常會利用珊瑚叢中的大小凹洞來躲避敵人,進而增加自己的族群量。

另一方面,游牧草食性魚類常常成群結隊的游過一片又一片的珊瑚礁,覓食生長在其中的藻類,有時候數量之龐大,蔚為壯觀,這類型的魚類對珊瑚的依賴性相較之下小很多,臭肚魚科或刺尾鯛科即是最佳代表(圖三)。

(圖三)刺尾鯛科的魚類時常成群在珊瑚礁裡覓食。

面臨全球暖化與珊瑚白化

一般而言,這些活在熱帶的珊瑚礁魚由於長期處在溫暖且穩定的環境,所以在面對溫度擾動大的環境時受到的影響也會比其他非熱帶的物種更大。近幾十年來,科學家已經觀察到許多珊瑚礁魚受到全球暖化的影響而造成生理、族群數量、以及族群分布上的改變。

大家一定都有站在高溫烈日下,身體不自覺地流汗,想喝水,想找陰涼處休息的經驗,如果再待得久一點,皮膚會漸漸地被曬黑甚至曬傷,這些都是人類面對高溫時會出現的生理變化。長期處在高溫的環境下的珊瑚礁魚也會有相對應的生理變化,來自澳洲的研究員多奈森(Donelson)等人在實驗室執行水缸的操作實驗後,發現多刺棘光鰓鯛(Acanthochromis polyacanthus)如果生長在攝氏 30 和 31.5 度的高溫環境下(這也是未來五十至一百年間其棲地預計暖化的溫度),其生殖量能會下降許多,不只母魚所產的卵會變小,公魚所產生的精子數量也會下降。

然而,這只是在實驗室針對一個魚種所做的實驗結果,但真正生長在珊瑚礁裡的魚類情況又是如何呢?

奧茲多奈特(Audzijonyte)等人在比對近三百多種珊瑚礁魚在澳洲三十年數量變化的資料後,發現某些長期處在高溫海水中的小體型珊瑚礁魚的體長有縮小的趨勢 ,而這個改變可能會連帶地牽動到當地的食物網結構。

無論是生殖量能下降或是體型變小,都有可能間接地影響到其族群量的變動。這些生理現象的改變或許能解釋為什麼王(Wang)等人在比對了全球魚類的資料後,發現珊瑚礁魚的族群成長率在暖化的狀況下普遍有變慢的趨勢。 這些魚類生理上的改變看似細微,卻極有可能會在海中造成一連串的蝴蝶效應,所以不容忽視。這些個體特徵的微小改變,極有可能會連帶影響到魚類族群及結構的狀況,進而對整個海洋生態系造成衝擊。

熱帶地區由於海溫逐漸升高,珊瑚大規模白化的事件越來越頻繁(圖四),珊瑚白化指的是珊瑚在溫度過高的狀況下會失去在其體內的共生藻,進而露出白色的碳酸鈣骨骼,這些白化的珊瑚會變得更衰弱,而往往隨之而來的就是死亡。

可以想見,珊瑚大規模白化對珊瑚礁魚而言簡直是一場大災難,尤其對那些對珊瑚賴以維生的珊瑚礁魚種而言,不只平常住的家沒了,每天都會去光顧的餐廳更是一家一家的倒閉,白化後僅存的慘白珊瑚骨骼彷彿在暗示著那些珊瑚礁魚接下來的悲慘命運。

(圖四) 2020年台灣發生大規模的珊瑚白化事件,圖為新北市鼻頭角公園內珊瑚白化的狀況,有些珊瑚已經死亡並且開始被藻類覆蓋。圖片取自徐才烜。

生活在同一片海洋,命運卻大不同

根據澳洲科學家胚查(Pratchett)所帶領的團隊發表的回顧報告顯示,某些雀鯛或蝴蝶魚在經歷珊瑚大白化後的一到三年內,族群數量都會大幅度地下降,有些魚種甚至在當地再也找不到了。若再將時間軸拉的更長,在珊瑚大白化發生後的十年內,珊瑚死亡後所留下來的碳酸鈣骨骼會漸漸地崩解,珊瑚礁的棲地複雜度也隨之下降,棲地環境的品質也逐漸劣化。此時,那些間接利用珊瑚礁棲地的魚類數量便會逐漸變少。

相較之下,另一群游牧草食性魚類的命運則是截然不同,甚至可以說是如虎添翼。珊瑚的死亡使得牠們原本生長的空間空了下來,而藻類則會趁機佔領這些空地並大量生長,這些藻類便成了那些草食性魚類的另一個新開幕的自助吧餐廳,所以用中樂透來形容這些草食性的魚類一點也不為過!

在全球暖化的影響下,這些草食性魚類不只受惠於熱帶珊瑚礁的棲地劣化,牠們的族群分布也漸漸地往溫帶擴張,為什麼會這樣呢?

來自澳洲的研究員芙潔斯(Vergés)等人觀察了數十年澳洲西岸熱帶和溫帶交界地區的魚類群聚變化,發現在全球暖化的影響下,這裡的海溫也不意外地逐年上升,這使得當地熱帶魚種占所有魚種的比例逐年升高。不僅如此,牠們的數量也是節節攀升。而其中數量增加最多的魚種之一便是游牧性的草食性魚類 ── 褐籃子魚(Siganus fuscescens)(圖五)。

(圖五)澳洲溫帶與熱帶交界海域數量快速增加的熱帶性魚種─褐籃子魚(Siganus fuscescens),在台灣海域也很常見,俗稱臭肚魚。

海洋熱帶化的省思

除了溫度升高使得新的棲地變得比以前更適合褐籃子魚生長之外,交界區沿岸豐富的海藻森林也提供牠們源源不絕的食物,有了舒服的新家和美食,有誰不想繼續待著呢?

上述這個現象被稱為「熱帶化」,表示一地的生物群聚組成因為全球暖化的關係使得熱帶性物種的種類或數量變得比以往更多。熱帶化不只在澳洲出現,近年來也在日本、地中海、加勒比海等地頻繁地被觀察到,這表示全世界的熱帶珊瑚礁魚類,甚至是溫帶沿岸的魚類,無一倖免的都受到了全球暖化的影響。

全球氣候變遷引起的海水暖化已經影響了許多珊瑚礁魚類,有的魚種因此命運乖舛,但也有的魚種因此飛黃騰達,這些魚的不同命運交織在一起進而改變了海洋生態系統。

這些已經發生的改變能不能恢復仍是個未知數,但可以確定的是,這些改變已經漸漸地衝擊到珊瑚礁生態系的功能(包含漁業、觀光等),並進一步地影響到沿岸居民的生活。面對這個全球尺度的變化,人類沒有樂觀的本錢,除了要竭盡所能地降低暖化速度外,海洋保育相關的政策也應考量全球暖化可能帶來的衝擊,使全球暖化對珊瑚礁生態系或人類的衝擊降到最低。

參考資料

  1. Chan SW (2007) Ontogenetic changes in feeding ecology and habitat of the damselfish Neoglyphidodon melas at Lizard Island, Great Barrier Reef. Independent Study Project (ISP) Collection 146. 
  2. Donelson JM, Munday PL, McCormick MI, Pankhurst NW, Pankhurst PM (2010) Effects of elevated water temperature and food availability on the reproductive performance of a coral reef fish. Mar Ecol Prog Ser 401:233-243. https://doi.org/10.3354/meps08366
  3. Froese R, Pauly D (2020) FishBase (accessed on 25 April 2020), World Wide Web electronic publication 
  4. Garra S, Hall A, Kingsford MJ (2020) The effects of predation on the condition of soft corals. Coral Reefs 39:1329-1343. 
  5. Pratchett MS, Munday PL, Wilson SK, Graham NAJ, Cinneri JE, Bellwood DR, Jones GP, Polunin NVC, McClanahan TR (2008) Effects of climate-induced coral bleaching on coral reef fishes – Ecological and economic consequences. Oceanogr Mar Biol Annu Rev 46:251-296. 
  6. Wang HY, Shen SF, Chen YS, Kiang YK, Heino M (2020) Life histories determine divergent population trends for fishes under climate warming. Nature Communication 11:4088. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17937-4
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Vicky Lin_96
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熱愛海洋,尤其是海洋生物。 關心海洋汙染、保育等相關議題。 國立台灣大學海洋研究所博士候選人。 潛水、抱石、 🍻。