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【2021諾貝爾物理學獎】如何觀測地球暖化?有「氣候模型」及「複雜物理系統」就搞定!

PanSci_96
・2021/10/05 ・2286字 ・閱讀時間約 4 分鐘

2021 年諾貝爾物理獎於5日下午揭曉!本次獎項由美籍日裔學者真鍋淑郎(Syukuro Manabe)、德國學者哈斯曼(Klaus Hasselmann)及義大利學者帕里西(Giorgio Parisi)等 3 位學者共同獲獎。

真鍋淑郎與哈斯曼,因為地球暖化的研究建立了可預測的物理模型,幫助人類「了解地球氣候」及「地球氣候如何被人類影響」而獲獎;帕里西則是成功用物理系統,描述從原子到行星尺度下的各種無序的(disorder)「相互作用」和「波動」(fluctuations)而獲獎。

人類活動讓二氧化碳劇增,就是地球暖化元兇!

氣候,是一個對人類至關重要的複雜系統,而真鍋淑郎的研究為當前氣候模型的發展奠定了基礎。在 1960 年代, 真鍋淑郎領導了地球氣候物理模型的開發,他也是第一個探討輻射平衡和氣團垂直運運輸之間交互作用的科學家,在那個電腦運算能力比現在慢上幾十萬倍的年代,他建立的模型證實了全球溫度的升高,與大氣中二氧化碳的含量有關。

真鍋淑郎建立的模型證實了全球溫度的升高,與大氣中二氧化碳的含量有關。圖/The Nobel Prize

大約十年後,哈斯曼創建了一個將天氣和氣候聯繫在一起的模型,證實了雖氣候多變且混亂,但氣候模型仍然可靠。自然現象和人類活動都會在氣候中留下痕跡,他開發的模型可以辨識這些活動的特定信號和指紋圖譜,因此可以進一步地觀測人類對於氣候系統的影響。

哈斯曼創建的模型證實了人類活動加劇了溫室效應;自 19 世紀中葉以來,大氣中的二氧化碳含量增加了 40%。在這數十萬年來,地球的大氣層從未包含如此多的二氧化碳,溫度測量也顯示,在過去的 150 年中,全球溫度升高了 1°C。這證明了大氣溫度的升高,是由於人類活動產生的二氧化碳所導致的。

這兩位得獎者的研究,讓我們清楚的知道,地球溫度的確在上升,原因是因為大氣中的溫室氣體含量增加,而造成這個現象的原因,並不是因為自然因素,很明顯的,人類就是始作俑者。

哈斯曼創建的模型證實了人類活動加劇了溫室效應。圖/The Nobel Prize

複雜系統背後隱藏的規律

1980 年左右,帕里西在無序的複雜材料中,發現了隱藏的規律。 這個發現不只是能成功解釋複雜材料,更是對複雜系統理論中最重要的貢獻之一。帕里西提出的規律,讓理解或描述各式不同的複雜材料和現象成為可能,不僅在物理學中,也在其他如數學、生物學、神經科學和機器學習等領域中被運用。

A 編按:已努力修復,如果有錯或需要補充隨時在線。(20211007)

從物理來談複雜系統,就必須先從統計力學說起。

微觀下的粒子運動具有隨機性,導致無法精確算出每個粒子確切的運動,為了解決這個問題,統計力學不再看「一個粒子」,而是「一整群粒子」的運動,用統計的方式算出每個粒子的平均效果,這樣算出來的結果也能解釋巨觀現象。最接近生活的例子就是「溫度」,在微觀尺度下,溫度被描述為系統內粒子的平均動能,而在巨觀現象上,溫度這個指標也能解釋固液氣三態變化的原因。

但還有一些狀況是過去統計力學較難解釋的,以下圖為例,下圖的藍色球體是一種微小的氣體粒子,當你不斷對這群氣體粒子降溫或加壓,會讓氣體變成液體,最後結晶成固體。

降溫或加壓後形成的固體結晶,一般情況下會有固定的晶體結構,但如果溫度或壓力快速改變,就會擠壓出不規則的晶體結構,且就算用同樣的方式改變溫度或壓力,也不會出現相同的結構(下圖 a 與 b 所示)。

同樣的氣體分子被相同的方法快速壓縮後,會出現不同的結構。圖/The Nobel Prize

說這是隨機造成的也沒錯,但這結晶問題的背後,難道真的沒有規律可言嗎?

帕里西最初是研究稱為「自旋玻璃(Spin glass)」的材料,自旋玻璃並不是玻璃,是在非磁性金屬中摻入少量磁性金屬的合金,例如在銅裡面摻入少量的鐵,這時,摻入的少量鐵原子會隨機進入銅的結構中,而這些鐵原子的排列方式,卻令物理學家頭疼。

我們可以把一顆鐵原子當作一塊小磁鐵,而一般常見的磁鐵,是裡頭的鐵原子都往同一個方向排列(自旋方向相同)。但自旋玻璃中的鐵原子,有些會跟旁邊的鐵原子指向同一個方向,有些則相反,這時若有第三顆鐵原子在系統中,第三顆鐵原子就會面臨兩難的局面,不知道要往哪個方向才對,形成所謂「受挫(frustration,如下圖所示)」的狀態。

「受挫」狀態示意圖。圖/The Nobel Prize

針對自旋玻璃的「受挫」狀態,帕里西的書中提到:「就像你想同時跟兩人交朋友,但這兩人卻互相討厭對方。」

1970 年代,許多物理學家都研究過自旋玻璃問題,他們想用統計力學中的「副本方法(Replica method)」來解釋,但最初計算的結果是失敗的,直到 1979 年,帕里西巧妙地運用副本方法解決了自旋玻璃問題,並花了多年時間證明這套方法在數學上的正確性。之後,這套巧妙的副本方法被用於許多無序系統,成為複雜系統的基石。

諾貝爾物理學委員會主席Thors Hans Hansson表示,今年獲獎的研究發現表明,我們對地球氣候變遷的理解建立在堅實的科學基礎上。3位獲獎者基於嚴謹的觀測分析,為我們更深入地了解「複雜物理系統」(complex physical systems)的特性和演化做出了貢獻。

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推開地獄之門?冰島開挖全球首座「火山岩漿井」,開啟地球科學新篇章!

安比西林_96
・2021/10/20 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

水井、石油井和天然氣井大家都知道,但你有聽過「岩漿井」嗎?最近,冰島著手開挖全球第一座「火山岩漿井」。這似乎是一個瘋狂的主意,滾燙的岩漿可高達攝氏上千度,還可能伴隨著可怕的火山災害。不過這個前所未有的大膽計劃,不僅具備新興可再生能源的巨大潛能,更有望開啓地球科學的新篇章!

冰與火之地——冰島,100% 依靠可再生能源的國家

落在北極圈邊緣的冰島(Iceland),擁有壯闊冰川與絢麗極光,同時也是地球上火山活動最頻繁的地區之一,可謂名副其實的「冰與火的國度」。這座大約 1500 萬年前才因火山活動形成的年輕島嶼,因位在大西洋中洋脊[註1]之上,受到歐亞大陸板塊與北美洲板塊往各自方向的拉扯,而有著 32 個活躍的火山系統,且平均每 4 年就會發生噴發。

圖/wikimedia

除了令人屏息的天然極地美景,冰島更是全球綠能國家中的模範生。得天獨厚的地理條件,讓冰島超過 99% 的電力都是依靠可再生能源,其中 73% 的電力源自水力發電,另 26.8% 則來自地熱能。在可再生能源,尤其是地熱能的開發應用技術上領先世界的冰島,在地發電厰不單是觀光旅游的賣點之一,更吸引了不少國外的投資入駐,以降低企業的碳足跡。

延伸閲讀:利用地球的熱情發電吧:深層地熱發電

通往「地獄」之門,也是推開科學新研究的大門

地熱能開發技術純熟的冰島,在 2009 年的一次鑽探中,卻遇到了意想不到的變故:原本想開挖深達 4500 公尺下的熱水,沒想到卻在 2100 公尺處挖到了一個岩漿庫[註2]!這此的開挖位於冰島北部的 Krafla 火山口附近,一個較小火山口 Víti (冰島語中正是「地獄」之意)邊上。

大量的蒸汽與玻璃從鑽孔中噴湧而出,在鑽探套管報廢之前,還觀測到破紀錄的 900°C 高溫。原先的計劃被迫喊停,但科學家卻從中看到進行地科研究的大好機會。

2009 年時,原先要鑽探地熱井的冰島團隊,卻意外挖到了一口岩漿井。圖/science.org

這起事故,促成了克拉夫拉岩漿試驗臺( Krafla Magma Testbed,簡稱 KMT)研究計劃的誕生。時隔多年籌備,這個備受矚目與期待的計劃,在國際大陸科學鑽探計劃(International Continental Scientific Drilling Program)與多個科研機構的支持資助下,終於於今年展開。這一次,科學家們帶著更堅實的鑽探工具,與明確的鑽研目標,要來敲開通往「地獄」的大門。

「我們曾去過火星,也到過金星,但我們從未觀測過地表下的岩漿。」意大利國家地理物理與火山學的研究主任 Paolo Papale 如是説道。

過去火山學家一直缺乏直接觀測地底岩漿的機會,只能仰賴地震儀、GPS 感測系統和雷達衛星,來推測岩漿的運動。儘管他們可以調查噴發到地表的熔岩,但這些已固化的樣本,早已失去大部分原本所含有的氣體。這些氣體是驅動火山噴發,影響岩漿原始溫度、壓力與成分的關鍵。

自 2009 年與這口岩漿井打交道以來,科學家確認它的脾氣相當溫和,並無噴發的太大風險,加上位處偏僻無人居住之地,因此非常適合進行研究。未來若從 KMT 取得新鮮熱辣的岩漿樣本,將可用來驗證過去科學家對於岩漿的認知是否屬實。

地底下的岩漿,揭開大陸形成的秘密

地球大部分海床,都是由玄武質熔岩[註3]構成,冰島也不例外 。然而組成大陸地殼的花崗岩,卻是由另一種更粘稠、富有二氧化矽的流紋質岩漿而來,而 KMT 岩漿井底下的就是流紋質岩漿。

為什麽構成海床與大陸地殼的熔岩種類有所差異?科學家相信,探究以玄武岩為主要構成的冰島上的流紋質岩漿樣本,將揭秘這個地質科學中很基本,卻未解決的問題。

要長期監測岩漿井的溫度、氣壓、化學成分等參數,實實在在地挑戰人類科技的極限,因為靠近岩漿處的溫度可是超過攝氏一千度。鑽探團隊正測試各種能耐高溫及膨脹的器械,而科學家也在研發各種可抵抗高溫高壓的新型偵測器。

這些研究成果不僅能用於地球科學,有朝一日更可能造福太空探索,如被運用在登陸太陽系中環境最惡劣的金星上。

水手 10 號拍攝的金星,由可見光與紫外光影像疊合而成,可見其表面被一層厚厚的硫酸雲遮蓋。圖/維基百科

一口岩漿井,將成為世界重要的火山學中心

KMT 引領科技的創新,也為冰島的地熱能產業帶來突破的機會。越靠近熾熱的岩漿,利用地熱能發電的效率便會增倍,這麽一來便可減少為了滿足能源需求而開挖的地熱井數量,降低對周圍環境造成的衝擊。光是在 2009 年意外挖掘的這一口岩漿井,就具備可以供應一整個小鎮電力的潛能。

開挖岩漿井時,需要注入大量的水來冷卻與潤滑鑽頭,這個對火山系統進行擾動的過程,也提供科學家一個瞭解火山運動的絕佳觀測機會。進行鑽探後,地震波速度發生的改變,也可透露岩漿流動的範圍。透過探究這些細微的火山運動變化,科學家能更好預測火山的噴發,讓我們能建立更整全的火山預警系統。

「十年後,這裏將可能成為火山學的中心。」冰島地熱研究中心科學主管 Ottó Elíasson 這麽認為。觀察地底下流動的岩漿,就像在瞭解地球的脈動,可以告訴人類更多關於這顆星球的故事,更能帶領我們走向更多科學新的可能性。

註釋

  1. 大西洋中洋脊(Mid – Atlantic Ridge,又稱中大西洋帶),是橫跨大西洋及北冰洋、大部分地區位於海底的山脈。
  2. 岩漿庫(Magma chamber,又稱岩漿房),是地球表面下一至十公里處由熔岩和火山灰氣體形成聚集之處。由於其內的岩漿密度比周圍的母岩來得低,因此會產生使岩漿往上移動的浮力。如果出現可讓岩漿通往地表的管道,便會造成火山噴發。
  3. 玄武岩(basalt),由基性岩漿噴發凝結而成,主要成分是矽鋁酸鈉或矽鋁酸鈣,是一種細粒緻密的黑色火成岩。玄武岩質熔漿被認為源自地球的上部地函。

延伸閱讀

參考資料

  1. Forget oil or water. In Iceland, well diggers seek to tap a volcano’s magma
  2. VisitIceland – Geography of Iceland
  3. VisitIceland – Renewable energy
  4. Magma chamber
  5. Krafla Magma Testbed
  6. Rhyolite
  7. Basalt

安比西林_96
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本職為生態環境領域的可撥煙酒生。 不定時掉落科普文章。 大家一起嗑科科(❍ᴥ❍ʋ)
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