全球暖化現象--科學﹑政治與環境

王寶貫

氣候變化

春去秋來﹐寒來暑往﹐這是人人熟悉的一年『四季』的變化。孔子曾說﹕『天何言哉﹗四時行焉﹐萬物生焉。』言下之意﹐大自然有一套運行法則﹐來顯出季節現象﹐雖則他老人家並沒有指出『為什麼』會有四季變化。從科學上﹐我們現在了解﹐四季的變化主要是因為地球自轉軸和『黃道面』（地球公轉太陽的平面）有個23.5度的交角﹐以致一年到頭太陽光照射地球表面的角度一直在變動的緣故。

然而四季的運轉規則雖然早已為人所熟悉﹐每個季的『季節性強度』卻又是另外一回事。同樣一個季節﹐每年的冷暖乾濕可能會大大不同。今年的夏天有可能比去年夏天炎熱得多﹐而明年的冬天也許會比今年冬天更為酷寒。有的年份春季是春光明媚﹐鳥語花香﹐惹得詩人們文思不斷﹐有的年份卻又是『春雨連綿』﹐搞得老木屋的舊門板上會長出許多菌菇來。有的年份是洪澇成災﹐有的年份卻又是赤地千里﹐反正只要老天偏離『正常狀況』﹐那就是風不調﹑雨不順﹐遭殃的當然是芸芸眾生﹐看著顛沛流離的災民﹐實在不知天意何在﹐令人感到要『無語問蒼天』。

這種跨年度以上的天氣變化已經屬於『氣候變化』的範疇﹐不像四季變化那麼簡單明瞭。氣候變化有可能是年際(interannual)變化﹐有可能是十年尺度﹑百年尺度﹑千年尺度的氣候變化﹐甚至還有百萬年以上尺度的地質時代的氣候變遷。本文所要討論的題目『全球暖化』﹐便是位於十年尺度與百年尺度之間的氣候變化。

冷暖人間

寒暑乾濕是氣候的主要因素。在20世紀的1960-1970年代﹐氣候變化就已經是新聞媒體上偶爾會出現的比較聳動的消息﹐不過那時候的主調卻是﹕『新冰河期即將降臨﹗』意謂著地球氣候會漸漸變冷﹐而曾經覆蓋地球中高緯度大片面積的冰河將會重新出現。1975年4月28日出刊的美國《新聞週刊》(Newsweek)就有這麼一篇<變冷中的世界>(The Cooling World)﹐文中指出﹕自1940年代中期起﹐原來過去幾十年逐步上昇的氣溫開始往下降﹐到了70年代初已經降了約攝氏0.3度。這個趨勢如果繼續下去﹐氣候轉寒﹐將導致水旱頻仍﹐農業歉收﹐自然會造成全球人類社會的大災禍。文末指出﹕『氣候學家們對政治領袖們是否願意提出任何正面的行動來彌補氣候變遷或甚至降低其效應之事感到悲觀』。

然而這個氣候變冷的預測卻沒能維持多久﹐在後續的觀察中﹐氣候不但沒有變冷﹐倒反而像是越來越熱﹐而其變熱的趨勢來勢洶洶﹐到目前為止尚無減弱跡象。這就是本文要討論的『全球暖化』現象。

圖一是達成全球暖化現象結論所根據的數據做出來的曲線。它顯示從1860年以來全球氣溫的變化情況。在解讀這條曲線的意義之前﹐我們首先必須了解原始數據的來源﹑它們所代表的涵義﹑以及如何從這些數據中得出圖中的曲線。

首先﹐這些氣溫數據是經過大量的平均之後得出來得溫度計實測資料﹐因此它只代表全球性的趨勢。您若拿隨便一個測站得曲線來和它比較﹐彼此可能相差甚遠﹐甚至會得出相反的結論。

其次﹐用來製作這張圖的氣溫資料絕大多數是陸地資料﹐因為海洋面上的溫度資料只有最近二﹑三十年才由人造衛星的觀測去推測出來。衛星資料是一種遙測資料﹐由此反推出來的海面溫度值當然也就含有某種程度的誤差。而在此之前﹐只有零星的一些船舶及海上定點觀測資料可供運用。然而海洋覆蓋了地球表面約70%的面積﹐因此這些資料是否真能代表廣闊海洋的情況不無疑問。因此嚴格來說﹐這溫度曲線是含有誤差的。不過目前大多數人認為﹐沒有多少理由認為海洋的變化趨勢會和陸地相反。然而也有一些研究者認為﹐海洋的溫度變化並不見得會和陸地同步。

在了解以上兩點之後﹐我們便能比較正確地闡釋這圖中的曲線意義了。曲線指出﹐如果以1960至1990年這30年間的平均氣溫為基準的話﹐那麼在1860到1940年的一段期間顯然是個冷期﹐大致比上述平均低個0.3C左右。然而從1900年左右開始﹐氣溫似乎有個明顯的上昇趨勢﹐一直延續到1940年。

弔詭的是﹐1940-1970年間﹐氣溫卻變成是下降的趨勢。這一段曲線就是惹來上世紀70年代的氣候專家們做出『世界在變冷中』結論的原因。

然而在那之後﹐氣溫卻開始急劇上昇。過去二十幾年來﹐氣溫上昇的幅度幾乎類似1900到1940那一段期間。根據美國國家海洋大氣總署(NOAA)的統計﹐去年(2006)和1998年是美國本部48州(不計夏威夷及阿拉斯加)有史以來的最高氣溫記錄的兩年。

因此﹐如果我們從19世紀末算起一直到目前為止﹐全球的總氣候趨勢的確是在朝暖化的方向進行。除了直接的氣溫記錄之外﹐還有其他許多替代數據也顯現同樣的趨勢﹐例如麥迪遜威斯康辛大學校園旁邊的門多塔湖(Lake Mendota)保有150年左右的冬季湖面封凍起訖日期的記錄。從中也可以看出﹐過去150來總的趨勢是封凍開始日期越來越晚﹐而總封凍期間也變得較短﹐基本上也可看成是氣候暖化的佐證。

現在問題是﹕為什麼氣候會變暖﹖這就是爭議之所在。

暖化機制

想要找出氣候暖化的原因﹐首先就必須對大氣及海洋的物理化學結構有十分詳盡的了解。然而大氣和海洋偏偏都是十分複雜的系統﹐兩者有很強烈的『非線性』。所謂非線性﹐簡單來說﹐就是當您對這個系統施加某一程度的擾動力時﹐它的反應不會和您的擾動力成比例。有時您給它一點小擾動﹐它卻產生很大的反應﹔而有時您給它一個強力擾動﹐它卻反而沒有多少反應﹐或者甚至和您預期的反應方向相反﹗

而氣候系統最主要的運作機件就是大氣和海洋﹐而且還不是這兩大機件各自單獨運作的總和﹐而是它們彼此相互作用-大氣與海洋耦合(coupling)-的結果。兩大非線性系統耦合出來的系統可以預期必然是個極其複雜的非線性系統。而非線性系統的主要特點就是--很難預測它對外力的反應。

氣候系統的機件不止是大氣和海洋﹐生物圈也是其中一個作用不小的機件﹐也同樣是強烈非線性的系統﹐地表上的森林植被和海面上的藍綠藻類都會受氣候狀況的影響而作出種種反應﹐而這些反應同時也會影響了未來氣候的趨勢。而『人類社會』更是生物圈中令『人』無法預測的非線性系統﹗

人類社會對氣候的影響也正是目前『全球暖化』這個議題的焦點所在。

氣候暖化原因的理論

關於氣候暖化原因的理論有許多種。本文只提出以下比較多人討論（或爭議）的三種﹕

(1)自然變率說－這個學說指出﹐氣候系統既然是這麼一個強烈的非線性系統﹐它本身就包含極大的自然變率(Natural Variability)。這是說﹐即使在沒有外力因素影響的情況下﹐氣候系統本身就會一下子暖﹐一下子冷﹐也會忽乾忽濕﹐而全球暖化也許只不過是這種自然變率的表現而已。麻省理工學院的大氣科學家羅倫茲(Edward Lorentz)教授曾經提出『混沌』(chaos)理論﹐指出像大氣層這麼非線性的系統﹐其內部變化只能作短期預測﹐而長時期的預測則會非常困難﹐因為這個混沌系統會從一個準穩定狀態突然跳到另一種準穩定狀態。它何時跳﹖會跳到哪個狀態﹖這都是不能準確預測的。前幾年過世的耶魯大學大氣科學家薩茲曼(Barry Saltzman)教授曾以數值模擬指出﹐在無外力作用下﹐大氣氣候系統之震蕩頻率會突然改變﹐從近乎穩定的緩慢氣候變化範疇突然變為急劇氣候動蕩範疇﹐也是這種混沌系統的表徵。

反對這個說法的人認為﹐氣候的確有自然變率﹐但那變率總該有個一定的幅度﹐而根據一些研究﹐現在全球暖化的變率已經超過從過去氣候資料統計求出的自然變率﹐是故應當有外來因素的影響使得氣候發生如此重大的改變。

(2)太陽活動說－太陽輻射是地球運轉『氣候機器』的能量來源﹐可想而知﹐如果太陽自己發生變化﹐也頗有可能透過這個能量供應機制而影響了地球上的氣候。目前最熱衷於宣揚這個學說的是幾位瑞典的科學家。他們利用『相關分析』的統計方法指出了﹐地表氣溫的震動似乎和太陽活動週期的長度有很好的『正相關』關係。眾所週知﹐太陽活動有個平均為11年的週期﹐在太陽活動的高峰期﹐太陽表面黑子數變多﹐而在極小期則黑子數稀少。但實際上這個週期有時長有時短﹐而這幾位瑞典科學家指出﹐太陽活動週期長時﹐地球氣候也相對溫暖﹐反之亦然。

除了有其他學者指出﹐他們的數據及計算似有錯誤之外﹐這個學說的主要問題在於﹐太陽輻射目前處於一個相當穩定的狀態﹐雖然隨著太陽活動而略有變動﹐但它的輻射改變量比起氣候運轉能量差了好幾個量級﹐尚無法指出一個可以令人信服的物理機制可以透過如此小的能量改變卻能達成重大的氣候變化量。僅僅相關係數高並不代表相關的兩者間真的有什麼因果關係。是故目前大部份學者對此學說持存疑態度。

(3)溫室氣體說－眾所週知﹐這是目前最當紅的學說﹐ 也是本文要探討的主題。太陽輻射的確是天氣氣候運轉的能量總來源﹐但是它必須首先要能讓大氣吸收才行。然而太陽輻射絕大部份是可見光﹐偏偏大氣對可見光而言卻是個透明體(要不然我們哪能透過大氣﹐看到星星﹑月亮﹑太陽﹐所以大氣是不會吸收可見光的。然而地表(不管是陸地或海洋)卻是不透明的﹐因此它們會把可見光全數吸收﹐而轉化成波長較長的紅外線輻射再放射出來。假如大氣對紅外線也如可見光一般透明﹐則這些紅外線將毫無阻攔地散回太空中。但事實上大氣中的氣體或多或少會吸收紅外線﹐而使得紅外線輻射的外逸沒有那麼順當﹐而是有一部分會被攔截下來﹐結果使得大氣因能量增多而增暖。大氣中的水蒸氣﹑二氧化碳(CO2)﹑甲烷(CH4)﹑氧化氮(氮氧化合物)(NOX)﹐乃至氯氟化物(CFC)﹐都是吸收紅外線輻射的高手﹐統稱為『溫室氣體』(greenhouse gases)﹐它們吸收紅外線的功能叫做『溫室效應』(greenhouse effect)。要是大氣中沒有這些氣體的話﹐地表平均溫度會比目前狀況冷了攝氏十幾度。

這些溫室氣體中﹐功能最強大的首推水蒸氣。大氣學家們相信﹐超過90%的地表溫室增溫作用是因為水蒸氣(和雲)的關係。假如大氣中的水蒸氣含量發生重大變化的話﹐可想而知﹐地表溫度也會有重大變化﹐不過目前尚未有證據指出水蒸氣含量有什麼長期的重大變化。但另一方面﹐卻也沒有證據說它沒有多少變化﹐全球水蒸氣含量很難估計﹐因為水在大氣中有複雜相態變化。

而二氧化碳的溫室效應功能則位於水蒸氣之後。與水蒸氣不同的是﹐過去五十幾年大氣中二氧化碳的含量卻已經確切知道是在增加中，因此如果溫室氣體增加的確是全球暖化的主因的話﹐最大嫌疑犯便是二氧化碳。

二氧化碳和地球的碳循環

大氣中的二氧化碳從何而來﹖現今的大氣是一種『次生大氣』﹐它起初是由古代地殼中的一些氣體因地層活動（例如火山爆發）而釋放出來的﹐其中就含有大量的二氧化碳。但是絕大多數太古時代的的二氧化碳都溶解在雨水中﹐流到海洋中成為溶解態或是碳酸礦物質了﹐遺留在大氣中的只是少數殘餘。在生命發生之後﹐大量的二氧化碳也被生命系統（包括動植物）利用到它們的身體內﹐因為地球上的有機體是以碳為基礎的(地球大氣之演化﹐請參閱拙著《天與地》﹐1996 年﹐牛頓出版社) 。

生命消逝之後﹐『生命體』卻不會消逝。古代的動植物死後埋藏在地層深處轉化成為石油及煤礦﹐其中自然含有大量的碳元素。這些古代生命的『遺骸』本來已經入土為安了﹐誰知為了因應自工業革命以來人類社會對能源越來越不能滿足的需要﹐這些遺骸又被挖掘了出來當作燃料－化石燃料。燃燒這些化石燃料無可避免地會產生了大量的二氧化碳﹐等於是把本已久埋地下的碳又送回空氣中讓它們去重見天日了。

目前的主流觀點認為﹐這些因人類工業活動需要燃燒化石燃料而被送回大氣中的二氧化碳，就是近來造成全球暖化的元凶。

氣候模式

許多人以為﹐只要在大氣中增加二氧化碳﹐地表溫度就會『理所當然』地增高。但事情並沒有這麼簡單。我們上面講過﹐氣候系統有很強的非線性﹐增加溫室氣體並不必然保證會導致增溫。

舉個例子來說﹐某地如果因為溫室氣體增多而短期內增溫﹐勢必引起該地的氣流上昇﹐而迫使其鄰近地區的氣流下降﹐這就造成了對流運動﹐接下來便是產生了對流雲。雲的作用卻是會阻擋太陽輻射抵達地表﹐這一來又使得此地因少收了太陽輻射而變冷﹐因而抵消了原來因溫室效應的增溫。換言之﹐雲的生成便是溫室效應的一種負反饋作用(negative feedback)。氣候系統中有許多此類複雜的正、負反饋作用﹐要研究清楚非常困難。

暖化本身就有許多『正反饋』作用。氣候一變暖（不管是由於什麼原因）﹐海洋裡貯存的二氧化碳會開始釋放一些到大氣裡。而北極區的永凍層也會因上層解凍而釋放出甲烷來。結果是溫室氣體總量增加﹐氣候會變得更暖。

而整個地球就是這麼一個大氣﹐又有各式各樣的生物(包括人類自己)生活在其中﹐沒法把它放在一個有嚴密環境控制的實驗室內﹐給它一點擾動(例如給它四倍的二氧化碳)﹐看看它會有什麼反應。它又是如此龐大複雜的物理化學和生物系統﹐直到現在也沒有辦法能有足夠的觀測來一一孤立出產生氣候變化的因子來。退而求其次﹐氣候學家們只好利用『氣候模式』來研究像『假如大氣中的二氧化碳增加兩倍﹐地球表面溫度會不會增高﹖』這樣的問題。

目前流行的氣候模式基本上就是一個「大氣環流模式」(General Circulation Model，簡稱GCM)，它包含了大氣動力﹑物理﹑化學過程所需遵循的規律﹐這些規律多半以微分方程或代數參數式寫成﹐有的模式還加上一些生物圈的過程規律。利用這樣一個模式﹐設定一些地球環境初始狀況(例如今天的天氣狀況)﹐然後放進高速電腦中去求再來幾步的數值解﹐可以得到再來一段時間的地球環境狀況(例如明天的天氣情況預報)。

所謂的IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change, 政府間氣候變化專門委員會)評估報告﹐就是利用這樣的一群氣候模式﹐先解出一套看起來和目前環境狀況大致差不多的數值﹐當作是目前狀態。然後把初始場的二氧化碳濃度增高﹐看看新得出的結果是否指出﹐地表溫度會增高﹖IPCC的模式計算指出﹐增加溫室氣體濃度後﹐計算出的地表溫度比未增加濃度的情況要高。IPCC的研究結論是﹐人為的溫室氣體可能(機率>66%)造成了過去50年來的增溫。

全球暖化的後果

IPCC第四次評估報告提出﹐在不同的經濟發展設想狀況下﹐在21世紀之內增溫可能在1.8到4.0 C 之間。這種暖化對全球地區的影響不是平均分佈的﹐一般而言﹐北半球高緯度會遭受比低緯地區更大的衝擊﹐陸地遭受的衝擊也超過海洋。如果熱帶增溫一度的話﹐高緯度地區可能會增加三、四度以上。

平均溫度增加﹐大氣中的水蒸氣總量極可能也因之而增加。如果大氣仍然可以保持水文平衡的話﹐那就代表平均降雨量也會增加。在1900-2005期間﹐南北美洲之東部﹑北歐﹑中亞及北亞都已觀測到降雨量的增大。這種增大的降雨量對水土保持本來就較脆弱的地區(像台灣)會產生很大的衝擊。但雨量分佈本來就很不均勻﹐像沙哈拉沙漠之南部﹑地中海區﹑非洲南部及南亞則觀測到有減少的情況。所以全球增暖反而可能會導致某些地區的乾旱化。

暖化很可能會導致冰雪溶解﹐高山冰川因暖化的氣候會紛紛退縮。目前大量的冰是儲積於南北兩極區﹐而南極尤其大量。暖化有可能導致兩極冰冠溶解﹐引起海面昇高。如果北極圈內的格陵蘭冰全部溶解﹐則會引起海面上昇7米左右﹔假如南極的冰全部溶解﹐全球海面將昇高66米。如果真的發生﹐全球絕大多數的大都市(大部份是在海邊﹐例如紐約﹑東京﹑橫濱﹑上海﹑廣州﹑洛杉磯﹑倫敦﹑阿姆斯特丹等等﹐而台灣的大都市全部都是)將變成海底世界﹐這當然是極端狀況﹐發生的可能性很小。IPCC的評估報告預測﹐在2100年海面可能上昇18-59厘米左右。不要小看這數字﹐因為一點物理環境的小改變可能引發不小的生態變化。

全球生物圈的生態和氣候狀況是息息相關的。氣候發生變化﹐地理及生態環境也勢必隨著改變。有些氣候模式也預測了許多如果二氧化碳加倍﹐將會有什麼樣的環境後果。例如﹐增多的雨水肯定影響植物的生長平衡﹐而植物平衡改變﹐一定影響動物界平衡﹐例如昆蟲的數量及分佈﹐經過食物鏈的作用進而影響其他物種。不過生物界對環境的反應十分複雜﹐我們對此目前了解尚少﹐所以此類預測有很大的不確定性。不過有報導指出﹐去年的暖冬已經導致北極區域的熊類不去冬眠而還在野外游蕩了。

京都議定書

根據IPCC的評估﹐人為的溫室氣體(主要是CO2)是增溫的最可能原因﹐因而在1997年各國政府代表在日本京都開會﹐試圖擬定一個全球性的協議來管制溫室氣體排放量﹐希望在可見的將來可以使得溫室氣體漸減﹐降低暖化的威脅。總共有目前CO2排放總量名列前茅的國家依次是﹕美﹑中﹑俄﹑日﹑印﹑德﹑英﹑加拿大﹑義大利﹑墨西哥。這當然是與國家總人口及工業化程度相關的。這協議在1998年開放簽署(並非簽定)﹐與1999年定案。截至2006年12月為止﹐共有169個國家或政權批准了這協議。協議把已工業化及發展中國家(像中國﹑印度)分開。已工業化國家在2008-2012年間平均應把溫室氣體排放量設法比1990年的量減少5%(對歐盟國家而言﹐他們要減15%)。而發展中國家則不必受此限制﹐理由是它們在以前的工業化時期不是主要的排放國﹐算是無辜。協議還設有排放量可以『買賣』的辦法﹐排放少於協議的國家可以把『碳信用點數』(Carbon Credits) 賣給排放過多的國家。

主要國家中最突出的未批准國是美國及澳大利亞﹐理由是將對本國經濟發生嚴重衝擊。中國及印度雖是簽約國﹐卻因是發展中國家而不受限制﹐美國政府認為這樣的協議根本就是錯誤﹐而且這些發展中國家正在急速工業化中﹐它們的排放量很快就會超過已工業化國家﹐使得協議的目的變得無意義。倒是美國代表在一次八大工業國的會議中聲稱﹐美國要在2012年達到減少18%排放量﹐而且照目前趨勢看來會達成目標。

環境的議題會越來越複雜化。對國內而言﹐決策者會徘徊於經濟發展與環境品質的兩難情況中。但對國外而言﹐還要加上國際政治﹐誰應有什麼樣的權利和義務﹐誰來監督執行﹐如果達不到目標時應有什麼措施﹐那就不是科學可以理得清的了。

如何減少溫室氣體的排放

由於IPCC的研究指出﹐目前大氣中增加的溫室氣體最大可能是來自工業活動﹐因此要減少這些氣體的濃度也唯有從工業活動著手。工業活動中﹐頭號排放者是能源之產生者--發電廠。火力發電是目前世界上最普遍的發電方式﹐燃料大都是煤或是石油﹐兩者的燃燒都產生大量的二氧化碳。所以減低排放量的第一方法是減少電力需求﹐自然就會減少CO2之排放。這除了國民個人養成隨手省電的習慣之外﹐最重要的﹐還是發展省電的科技。事實上只要小心設計﹐許多原來耗電量大的用品會變得省電。例如傳統的電熱絲燈泡大部份的電力都轉化成無用的熱量浪費掉了﹐若改成日光燈管或是近年來發展頗速的二極發光體(LED)就會省下不少電力。現在許多電子產品也都在朝省電的設計方向前進。

其次當然是利用其他不會產生溫室氣體的發電方式。核能發電基本上產生很少的溫室氣體﹐所以對全球暖化而言倒是選項之一。不過核能發電已知有核廢料的處理問題﹐因此料想爭議一定不小﹐除非廢料處理能得到妥善解決。水力發電在某些地方可行﹐但當地地理水文條件必須具備。風力發電近年來發展不小﹐像瑞典政府計劃要在不久將來將風力發電發展為國家50%的供電方式便是這種設想。其他可考慮的還有太陽能﹑地熱﹑潮汐等等﹐這些各有各的優點及缺點﹐但是有遠見的政府應當都要正視考量。

但是目前最缺乏的﹐卻是對『氣候變化過程到底是怎麼發生的﹖』這問題的了解。IPCC雖然作出一大堆結論和預測﹐它也不諱言這些都是從氣候模式模擬中得出來的結果﹐包含了很大的不確定性。這些結果是不是就一定代表真正的氣候變化﹖恐怕大部份的大氣科學家們都不會說﹕『是﹗』因為目前的氣候模式距離理想還遠得很﹐內中有許多可『調』的參數﹐也許可以把模擬結果調得很像觀測數據﹐卻完全只是運氣好而不見得真有那種物理過程。

但模式不理想卻不代表我們就可以對模擬結果視而不見﹐不加理睬﹐因為溫室氣體增溫的可能性是有其物理基礎的論點﹐假如真發生的話﹐的確會有嚴重環境生態衝擊﹐只有謹慎戒備才是正確的心態。