2011年1月11日星期二

溫室效應

自從有人類以來,為了求生存以及求更好的生存環境,人類不斷向大自然爭取生存空間,成為影響環境變遷的因素之一。人類居住越久、人口越多的地方,受到的影響也越大。當人口稀少、科技不發達,人類焚燒森林擴張耕地,對大自然的影響是區域性而且緩慢的。隨著人口快速增加、科技不斷突飛猛進,人類的影響不斷加速而且擴大影響範圍,假以時日演化成森林縮小、土壤流失、水污染、空氣污染、降低生物的多樣性、沙漠化,甚至可能導致全球氣候變遷。
工業革命以來,人類大量的製造二氧化碳、氧化亞氮、甲烷、氟氯碳化物等溫室氣体。人類對大自然的影響不再只是侷限於地表,而是擴張至大氣,而且藉由大氣的運動,將影響逐漸佈及全球,大幅提高了全球暖化的可能性。科學家也因此驚覺到氣候不只變幻莫測,更可能因人類的過度發展而發生更劇烈的變化。1980年代以來,全球平均氣溫迅速上升,不尋常的天氣與氣候現象頻頻發生頻率,更使得氣候變遷突然成為世人矚目的議題。

本文從科學的角度,討論溫室氣體增加可能產生的氣候變遷,預測氣候變遷所面臨的科學問題,以及我們應採取的態度。


溫室效應是一自然現象,自盤古開天以來,就存在於地球。如果地球沒有大氣,在輻射平衡狀態下,地球表面的平均溫度約為 -18°C,比目前地表的全球平均氣溫15°C低了許多。大氣的存在使地表氣溫上升了約33° C,溫室效應是造成此一溫度差距的主要原因。地球大氣中的許多氣體幾乎不吸收可見光,但專門吸收地球放射出去的輻射。這些氣體,允許約50%的太陽輻射穿越大氣為地表吸收,但卻攔截幾乎所有的地表及大氣輻射出的能量,減少能量的損失,並且再將之放射出來,使得地表及對流層溫度升高。大氣放射出的輻射不但暖化地表溫度,而且在夜晚繼續放射,使地表不致於因缺乏太陽輻射而變得太冷。這些氣體的影響類似農業用溫室的暖化作用,因此稱為溫室氣體,它們的影響則稱為溫室效應。溫室效應不只發生在地球, 金星及火星的主要大氣成份為二氧化碳。金星大氣的溫室效應高達523°C,火星則因為大氣太單薄,溫室效應只有10°C。
地球大氣的溫室效應,創造了適合生物生存的環境。但是,如果大氣中的溫室氣體含量過高,將攔截過多的地球輻射使得地表氣溫逐漸上升。自從歐洲工業革命以來,人類的工業活動大量使用化石燃料( fossil fuel,如煤、石油 ),製造了大量的二氧化碳,並將之排放至大氣之中。在工業革命之前的一千年,大氣中二氧化碳含量一直維持在約280ppmv( 亦即,一百萬單位體積氣體中含有280單位體積的二氧化碳)。工業革命之後,二氧化碳含量迅速增加,1950年代之後,增加速率更快,到1995年濃度已達358ppmv。

從 18世紀後葉至1990年代,二氧化碳含量增加了30%。這些增加量主要是來自燃燒化石燃料、水泥製造及土地利用。煤及石油中的炭在燃燒過程中被氧化成二氧化碳;石灰岩被製成水泥的過程中也產生二氧化碳;土地的開發利用不但減少了植物吸收二氧化碳的的量,也加速殘枝敗葉的腐壞而產生二氧化碳。我們現在所使用的煤大多是泥炭紀(三億多年前)的樹木因某種原因被掩埋在地層之中,逐漸形成的化石。三億多年前植物吸收太陽輻射所遺留下來的能量,近代人類卻在一、二百年之間就將之消耗殆盡。

除了二氧化碳,甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物( CFC )等皆因人類人口的增加、經濟活動日趨活絡,而迅速增加。比如,從工業革命之前到1994年,甲烷含量由700ppbv (part per billion by volume,十億分之一)增加到1721ppbv; 氧化亞氮由275ppbv增加到311ppbv。氟氯碳化物為人造化學物質在1950年代才大量出現, 而後迅速增加。最近由於蒙特婁公約禁用氟氯碳化物, 其含量在1990年代已不再增加。

如果與二氧化碳相比,甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物的溫室效應更高。比如, 一個甲烷分子的溫室效應是一個二氧化碳分子的21倍,氧化亞氮為206倍,氟氯碳化物則為數千倍到一萬多倍。不過由於二氧化碳含量遠大於其他氣體含量, 因此二氧化碳的溫室效應仍是最大的。從1980年到1990年,各種人造溫室氣體增加,大氣中的輻射量也跟著升高。其中,二氧化碳的效應佔了55%,甲烷15%,氧化亞氮6%,氟氯碳化物則佔了24%。

上述的溫室氣體的另一個特性是它們在大氣中停留的時間 ( 亦即, 生命期)相當的長。二氧化碳的生命期為50~ 200年,甲烷12~17年,氧化亞氮為120年,氟氯碳化物(CFC-12)為102年。這些氣體一旦進入大氣,幾乎無法回收,只有靠自然的過程讓它們逐漸消失。由於它們在大氣中的長生命期,溫室氣體的影響是長久的而且是全球性的。從地球任何一角落排放至大氣的二氧化碳分子,在它長達100年的生命期中,有機會遨遊世界各地,影響各地的氣候。即使,人類立刻停止所有的人造溫室氣體的排放,從工業革命之後,累積下來的溫室氣體仍將繼續發揮它們的溫室效應,影響地球的氣候。

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