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全球暖化讓龍捲風變多還是變少?

陳妤寧
・2014/06/25 ・1971字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

文 / 陳妤寧

[配圖] 全球暖化讓龍捲風變多還是變少
美國中部由於位處乾冷/暖濕兩股空氣的南北交會處,容易醞釀出有利形成龍捲風的劇烈對流天氣系統。(圖片來源:Wikipedia)

2014 年 4 月 29 日,美國中西部和南部受龍捲風侵襲,已在阿肯色、奧克拉荷馬及愛荷華等三州至少造成 21 人喪生,不少房屋遭嚴重破壞,部份地方失去電力供應。CNN 指出美國中西部和南部將近 400 萬人處於中度至高度龍捲風危險下,其中約 140 萬人住在高危險區。

美國中西部是世界上龍捲風最頻發的地區,被稱為「龍捲風巷」(Tornado Alley)。奧克拉荷馬州的龍捲風特別多,因為南來之墨西哥灣暖濕空氣與北來之洛磯山脈乾冷空氣在此交會,暖空氣急速上升,有利於劇烈對流系統的發生。而近年來全球暖化議題發燒,龍捲風的數量是否會隨著氣候暖化而有所變化呢?

科學家們大致同意氣候變遷會引起更多的「極端氣候」,但對於全球暖化下的龍捲風會如何發展卻還未有定論。此外,近年來的龍捲風數量是否確實增加也是一個大哉問,不同地區對於龍捲風的觀測能力、關注程度和播報熱度都不盡相同,而這些人為因素在在影響了人們對於龍捲風數量的感受。民調顯示美國人認為氣候暖化是造成益加猛烈的龍捲風的元兇,然而氣候學家表示這種想法並不完全正確。

「普遍的觀察結果是全球暖化伴隨了更多更強的暴風雨,但這並不等同於暖化會造成更多龍捲風。」密西西比州立大學地球科學家 Grady Dixon 專攻龍捲風氣候學,他表示龍捲風的形成仰賴特定的交互作用,形成一個龍捲風的要素有很多,暖化問題一方面強化了某些因素、另一方面卻同時弱化了另一些因素。

古怪多變的龍捲風季

近年來的龍捲風季變得越來越古怪而飄忽不定。美國國家氣象中心的 Harold Brooks 說,2011 年是美國傷亡第二慘重的龍捲風季,共計發生了 1700 起龍捲風,造成 553 人喪生。隔年 2012 年四月起,龍捲風數量已經增加到往年的兩倍,但五月開始的龍捲風數量卻銳減到六十年來最低,同年的加拿大薩斯喀徹溫省卻遭遇比平常多三倍的龍捲風。

對大多數美國人來說,龍捲風季好發於春季,並在溽暑中踏入尾聲。但隨著夏季變得越來越長,在探究龍捲風季之前,搞清楚紊亂的四季分野對美國人來說反而是首當其衝的問題。

美國普渡大學的大氣科學教授 Jeff Trapp 說:「各地的龍捲風盛行季節不同,但期間都被拉得更長更久。」Harold Brooks 則提出不同的論點,他認為全球暖化下的龍捲風可能產生「濃縮效應」,亦即每年的龍捲風盛行季節縮短,但期間內會產生數量更多的龍捲風。

「水氣」和「風切」之間的拉鋸戰

Harold Brooks 和其他人正在尋找其他引發龍捲風的要素,他們主要關注於兩大因素:大氣中的對流可用位能(convective available potential energy,CAPE)以及風切效應(wind shear)。「對流可用位能」是由較高海拔與較靠近地表之間空氣的濕度差和氣溫差所決定,「風切效應」則是指較高海拔與較靠近地表之間的風速落差。當水氣越高、風切越大,越容易造就龍捲風的誕生環境。

在暖化情況下,大氣可承受更多的水氣,靠近地表的空氣越趨潮溼和增溫,促成更多龍捲風所需的能量;但風切效應則相反,全球暖化在北方創造了更溫暖的氣流,相對地減少了風切的可能,根據 Grady Dixon 的論點,如此一來將減少龍捲風的數量。

水氣和風切兩大因素之間彼此消長,Jeff Trapp:「我們所不知道的是,這些因素對於龍捲風的強度和頻率的影響力究竟孰輕孰重。」

史丹佛大學的地球科學家 Noah Diffenbaugh 則表示,最近一次電腦模擬的結果顯示水氣的影響力略勝一籌,即使沒有顯著的增加龍捲風數量,也製造了更多的大規模暴風雨。Jeff Trapp:「若未來持續暖化,暴風雨也會隨之變得更加頻繁。」

電腦模擬氣候模型是研究突破關鍵

《美國氣象學會通告》的一份新研究調查了所有種類的極端氣候,以及它們在全球暖化的環境下如何演變。這個研究指出龍捲風是各種極端氣候之中最難預測的,因為龍捲風通常屬於小規模氣候事件,尚無法在目前的大型氣候模型中被精確模擬出來。

「形成龍捲風的變數大量增加,如果我們連現在的龍捲風季都無法洞悉,那麼對於它未來的發展以及數量上的變化,我們亦將無法預測。」Harold Brooks 說。唯有發展出更高階、更精密的模擬氣候模型,科學家們才能進一步的分析龍捲風各種成因中的關鍵要素。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

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陳妤寧
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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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