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標 題: 氣候史以古鑑今
發信站: 批踢踢實業 (03/17/07 09:50:09 Sat)

[前言]

一直想寫一些文章介紹全球暖化相關的氣候學背景知識,前幾天那篇關於BBC
電視節目的文章有一段被我拿來擴充了一下,加上更詳細的解釋、數據與參考
資料,雖然有點長(囉唆?)但希望能提供大家最清楚的說明與延伸閱讀的方
向,也很想知道大家看完之後的感覺,包括用語是否太艱澀,或希望針對哪個
主題另闢專文等,謝謝大家的指教。 m(_ _)m

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<< 氣候史以古鑑今--為什麼大多數氣候學家判定是人類造成當今的暖化趨勢? >>


地球的氣候早在人類出現以前就不停地改變,從海底沉積物的同位
素資料分析過去百萬年以來的氣候,會發現地球以數萬年為週期反
覆經歷寒冷的冰河期與溫暖的間冰期,溫度在此間上下變動的幅度
估計可達十多度,這是由於氣候的長期變化主要受太陽入射能量控
制,而太陽入射能量由太陽本身的活躍程度以及地球軌道與自轉軸
狀態決定,因此有四萬年到十萬年等不同的週期(稱Milankovitch
cycles,米蘭柯維奇循環,可參考Wiki-Milankovitch)。分析冰芯
所保存氣泡之後發現,在最近四十萬年來的四個冰河週期中,大氣
中的二氧化碳與甲烷等溫室氣體也隨著溫度一起大幅升降,目前氣
候學上認為氣候系統中有各種反饋機制共同作用,包括生物圈、海
洋環流等過程,讓氣溫一旦受太陽入射量影響而升高或降低,就會
讓二氧化碳與甲烷被自然排放或吸收,使得增溫或降溫的趨勢因溫
室效應而更形加強,不過這些變化都是以萬年作為時間單位(可參
考IPCC, 2001,第二章與第三章)。把時間放得更近一點,到距今
一萬年至十萬年前之間,冰芯資料顯示高緯度區域的氣候經常在寒
冷和溫暖的極端之間變動,例如格陵蘭的氣溫曾經出現二十多次,
週期約1470年的規律性波動,每次波動都是在數個世紀之內大幅升
溫十度,接著維持數個世紀的溫暖氣候,然後慢慢冷卻(稱為
Dansgaard-Oeschger或DO事件),一般認為這些劇烈的區域性變化
跟海洋溫鹽環流的改變有關(可參考Real climate blog或EPICA,
2006)。

有人質疑最近這一個世紀以來雖增溫攝氏0.7-0.8度,放在地球數百
萬年來的漫長氣候史之中,並不特別「異常」,況且目前對古氣候
為何會有劇烈的週期性變動,尚未有完全清楚的掌握(主要癥結在
觸發海洋環流大規模改變的因素不明),要怎麼能確定目前的暖化
是人類造成的,並預測未來的氣候呢?的確,地球氣候系統有複雜
的週期變化是觀測到的事實,目前科學界對氣候系統的運作也還沒
有百分之百的了解,但對於當前的暖化,我們可以確定三個關鍵:

(一)現在的溫度與二氧化碳濃度並不「正常」:
現在的全球地表平均溫度確知是近一千年來最溫暖的,而且
很可能也是近萬年來最暖的。類似DO事件的劇烈溫度變化只
侷限在某些區域,整個地球溫度同時迅速在一兩個世紀內升
高2度以上(21世紀很有可能發生),在現有古氣候紀錄中
從未有過。而今日的二氧化碳濃度是近四十萬年來最高的,
增加的速率也是近兩萬年來最快(可參考IPCC, 2001,第三
章)。

(二)人類正在進行會影響氣候的活動:
人類從工業化以後大量排放溫室氣體,同位素分析也證實大
氣中二氧化碳增加的來源是燃燒化石燃料而非自然排放(可
參考IPCC, 2001,第三章與Ciais et al. 1995),而根據
最基本的物理定律,溫室氣體增加會造成暖化。

(三)沒有其他自然因素可以明確解釋現在的暖化趨勢:
除了溫室氣體之外,可能造成長時間(數十年)大規模(全
球)暖化的因子就是太陽入射能量增加,雖然從太陽黑子觀
測資顯示近七十年太陽持續處於活躍期,但是從1950年以來
太陽活動並沒有持續顯著增強或減弱的趨勢(可參考IPCC,
2001, 第六章與Foukal et al., 2006)。

因此,現今的暖化,至少在數千年以來的氣候變動中,是很極端的
現象,而且這個趨勢,根據聯合國IPCC上個月發表的報告(IPCC,
2007),科學家有90%以上的信心確定是由人類活動造成的。

這個90%的信心,來自於電腦氣候模式的計算,氣候學家利用已知會
影響氣候的重要物理過程建構起這些電腦氣候模式,在模擬過去一百
五十年氣候的計算中,所有的模式都顯示,如果只是考慮自然的因素
而不加入人為排放的溫室氣體,模擬所得的氣候會比實際的氣候來得
寒冷,但是一旦加入人為排放的的溫室氣體與氣懸膠(懸浮微粒),
模擬所得的氣候就跟實際觀測數據非常接近--1920-1975年溫度只略
為升高0.2度,這是因為工業化初期大量燃煤,同時排放二氧化碳與
大量硫酸粒子,溫室效應增加造成的暖化作用被懸浮微粒反射陽光的
冷卻作用抵銷的一部份;在1975年之後石油成為主要能量來源,各國
又致力改善空氣品質,提昇發電廠使用的科技,使得人為排放硫酸粒
子在大氣中濃度逐漸降低,溫室氣體的暖化效應便益發明顯,升溫速
度因此加快(平均每十年升0.2度,至今已增加0.6度,可參考IPCC,
2007與Hansen et al., 2006)。這段期間的太陽入射能量變化不僅
影響力太小(作用約只有溫室氣體的八分之一,可參考IPCC, 2001,
第六章),趨勢也與溫度資料變化不符。比較氣候模式模擬的氣候與
實際觀測的資料,統計上可以分析出目前升溫趨勢有至少90%的機率
是人類造成,只有10%的機會是自然變動。

就算地球氣候系統自然變動出現了未預測到的反應(可能性極低),
像是立刻進入冰河期抵銷了暖化,「人類活動造成暖化」仍是事實,
而且可以預見若置之不理,將會對人類社會與自然環境產生巨大災害
(一般認為在百年內升溫超過兩度,將對生態造成嚴重衝擊,可參考
Schneider and Lane, 2006),用「地球氣候反正隨時都變來變去,
一切都很正常」當理由拒絕做任何改變,不論從科學或是風險管理的
角度來看,都太牽強。別忘了,由於海洋提供整個地球系統巨大的熱
容量,我們之前製造的溫室氣體暖化效應大約還有數十年才會充分反
應在溫度改變上,即使我們把大氣中的二氧化碳固定在今日的濃度(
380 ppmv),氣溫還會在未來數十年繼續升高至少0.2度;如果我們
容許二氧化碳穩定在450 ppmv(全球排放量在2050年之前由今日的每
年7 GtC減到每年4 Gt 以下),未來至少會升溫1度。因此要維持從
工業化以來增溫在兩度以內,450 ppmv是所能容許的最高二氧化碳濃
度(參考IPCC, 2007),但是若人類排放二氧化碳的速率照舊,在
2100年就會超過700 ppmv,要讓情況不再惡化,當下是進行排放減量
的最關鍵時刻。



參考資料:

Ciais et al. (1995), A Large Northern Hemisphere Terrestrial CO2 Sink
Indicated by the 13C/12C Ratio of atmospheric CO2, Science, 269,
1098-1102.

EPICA community members (2006), One-to-one coupling of glacial
climate variability in Greenland and Antarctica. Nature, 444,
195-198.

Foukal et al. (2006), Variations in solar luminosity and their effect
on the Earth's climate, Nature, 443, 161-166.

Hansen et al. (2006), Global Temperature Change. Proc Natl Acad Sci,
103, 39, 14288-14293.

IPCC (2001), Climate Change 2001: The Scientific Basis. eds.
Houghton et al., Cambridge Univ Press, Cambridge, UK.
(線上閱讀全文:http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/index.htm )

IPCC (2007), Climate Change 2007: The Physical Science Basis -
Summary for Policymaker, http://www.ipcc.ch/SPM2feb07.pdf

Real Climate blog (2006), Revealed: Secrets of Abrupt Climate Shifts,
http://www.realclimate.org/index.php/archives/2006/11/
revealed-secrets-of-abrupt-climate-shifts/

Schneider, S, and J Lane (2006), An Overview of 'Dangerous' Climate
Change, in Avoiding Dangerous Climate Change, pp7-24, Cambridge
Univ Press, Cambridge, UK.
(全文下載:http://www.defra.gov.uk/environment/climatechange/
research/dangerous-cc/index.htm )

Wikipedia-Milankovitch cycles,
http://en.wikipedia.org/wiki/Milankovitch_cycles


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