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白白長長的療癒飛機雲,竟然會加劇全球暖化?

nerdy
・2020/05/26 ・1501字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 566 ・九年級
  • 文/nerdy 半吊子的科學狂熱者,投稿是種消遣。

根據歐盟的資料,飛機的廢氣排放約占了全球二氧化碳排放總量的 2% 以上2。聽起來很驚人嗎?飛機對於全球暖化的影響可不只如此。其實,每當我們仰望天空,看到的一條條飛機雲,也是加劇全球暖化的因子之一!

飛機雲怎麼來?水滴凍結成冰晶

近年的研究指出,飛機雲的形成與飛機排放廢氣後的冷凝現象有關3

當飛機飛行於距地面 8 公里,攝氏 -40 度的環境下時,飛機所排放出的水蒸氣快速冷卻,並以排放氣體中的煤煙粒子 (soot particles) 及氣膠粒子 (aerosol particles) 作為晶核 (nuclei) 凝結成水滴。不過,由於液態水在這種大氣條件下並不能穩定存在,所以這些水滴接下來很快便會結凍成冰晶,成為我們所看到的飛機雲。

飛機雲的形成過程,可以看到小水滴會很快地成為冰晶。圖/研究圖片

飛機雲與全球暖化,到底有什麼關係?

飛機雲能反射來自外太空的太陽輻射,使大氣層冷卻,卻也會阻礙地表輻射離開地球,造成暖化效應。但由於冷卻效應只會發生在白天,而暖化效應卻隨時都在發生,最終,飛機雲將會導致暖化。

此外,在冰的過飽和條件下,大氣中的水汽壓高於冰的飽和蒸氣壓,飛機雲會隨著時間慢慢擴散開來,最久可在大氣中持續存在長達 18 個小時4,並反射更多的地表輻射,這個過程所導致的暖化效應不亞於飛機的廢氣排放。

倫敦帝國學院 (Imperial College London) 的 Marc Stettler 所帶領的團隊分析日本空域的航班數據後發現:

絕大多數由飛機雲造成的暖化效應來自於 2% 的航班,其中大部分是下午的航班。

他們認為這可能是因為隨著太陽逐漸西沉,飛機雲造成的暖化效應逐漸大於冷卻效應,且暖化效應會一直持續到晚上。

隨著太陽逐漸西沉,飛機雲造成的暖化效應更劇。圖/flickr

飛低一點,就能讓進入大氣的輻射能少一點

研究人員為此想了一些對策。首先,他們引用了過去一些相關研究的指標,來衡量飛機雲對氣候的影響程度 ——「能量驅動力」(energy forcing, EF, in unit of J)。EF 值為正,表示進入大氣層的輻射能較多,EF 值為負,則表示離開地球的輻射能較多。

一般來說,某航班單位飛行距離的 EF 值介於 -4~24×108 J m-1,平均值為 0.25×108 J m-1

而為了減輕飛機雲所造成的暖化效應,研究人員希望能減少飛機雲的產生,盡可能地降低 EF 值。

在其中一個方案中,他們找出佔日本空域總 EF 值 80% 的那些航班,並調整那些航班的軌跡(主要是飛行高度),以改變飛機周圍的大氣條件,使該航班製造的飛機雲減到最少、EF 值降到最低,再計算調整後整體 EF 值下降多少百分比以及燃料消耗量的變化。

結果顯示,只需要改變 1.7% 的飛行高度,便能夠減少 59.3 % 的 EF 值,且燃料消耗量只增加了 0.014%。此外,其他的方法,像是更換飛機引擎種類,也可降低 EF 值達 68.8%,假如將這兩種方法搭配使用,甚至可降低 91.8% 的 EF 值。因此,研究人員認為,如果將這個方法付諸實踐,將能立即減輕航空業所造成的暖化效應。

找不到飛機雲?別難過,世界某處或許正有好事發生。圖/pxfuel

雖然我們不知道研究人員提出的方法會不會正式施行,但如果有一天,我們仰望天空,再也找不到一條條療癒的飛機雲,不用難過,這表示說不定正有好事在這個世界的某處發生。

參考資料

  1. 本文部分編譯自 Jet Altitude Changes Cut Climate-Changing Contrails
  2. Reducing emissions from aviation
  3. Formation and radiative forcing of contrail cirrus B. Kärcher, Nat. Commun. , 9, 1, 1–17 (2018)
  4. Mitigating the Climate Forcing of Aircraft Contrails by Small-Scale Diversions and Technology Adoption R. Teoh et al., Environmental Science & Technology, 54 (5), 2941-2950 (2020)

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nerdy
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半吊子的科學狂熱者,投稿是種消遣。


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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 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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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Mia_96
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師
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