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一代人的碳足跡:Keeling 曲線何去何從

2014/4/13 — 8:00

Mauna Loa 監測站自 58 年開始紀錄的二氧化碳含量,正越過史無前例的 400 ppm。Scripps Institution of Oceanography

Mauna Loa 監測站自 58 年開始紀錄的二氧化碳含量,正越過史無前例的 400 ppm。Scripps Institution of Oceanography

(作者按:自上月中以來,全球碳排放指標之一在歷史高峰 400 ppm 之上徘徊。閱讀有關消息時,發現一段動人故事,讓我看清楚全球暖化元兇的真面貌。巨變迷霧面前,二氧化碳含量數字是毫無爭議的指標。最頑固的懷疑論者在 Keeling 父子守護半世紀的真相面前亦必動容。)

我出世那年,Ralph Keeling 的父親開始在夏威夷 Mauna Loa 火山監察大氣中的二氧化碳含量(下簡稱大氣 CO2)。老父離世後由兒子接力,兩代人一起守護文首這條象徵全球暖化的 Keeling 曲線——最長期連續的單一監察站大氣 CO2 紀錄。

如果有碳足跡這回事,Keeling Curve 就是我們這代人一生走過的路。

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1953 年,老 Keeling 完成博士論文,獲邀到加州理工 (Cal Tech) 新成立的地質化學系工作,在百無聊頼的日子中,嘗試在一個地質學命題發揮化學專長,需要自行製造精密儀器量度大氣 CO2 。從 Pasadena 校園和大平洋海岸 Big Sur 國家公園的田野考察,27 歲的 Keeling 發現大氣 CO2 每日隨植物作息,在一個穩定數值上下浮動,對此深感興趣,決定投身大氣成份的研究; 當時使用的壓力計及碳同位素測量技術,奠定其後半世紀的工作。

Keeling 從初步測量發現,北半球大氣 CO2 處於穩定的 310 ppm (百萬分之 310,容積計),和 50 年代前大範圍的疏落數值有明顯的分岐,開始受到外間注意。1956 年,Keeling 提出大膽的建議,在剛成立的夏威夷 Mauna Loa 氣象監察站及南極州 Little America 基地安裝未肯定可行的紅外線氣體連續分析儀,測量全球大氣 CO2。計劃得到氣象局1支持,趕及在冷戰以來首次國際地質物理年間啟動。準備期間,Keeling 獲院長 Roger Revelle 賞識,轉職到南加州 Scripps 海洋學研究所,負責「大氣二氧化碳計劃」。自此 Keeling 父子以 Scripps 為基地,開展 Mauna Loa 及各地的 CO2 工作,一直至今2(留意 Keeling 曲線上的院徽)。

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由 310 到 400 ppm:一代人的碳足跡

1958 年 3 月,Mauna Lao 的測量儀器啟用。在遠離文明污染的太平洋火山頂,老 Keeling 發現地球生物四季生長作息猶如呼吸,從大氣中吸收和釋放 CO2,每年週而復始。兩個月後,Keeling 曲線達到第一個年度高峰3,含量是 315.1 ± 0.3 ppm,己比工業革命前高出 30 多 ppm(下圖左紅點)。

Charles Keeling 二氧化碳大氣含量研究報告 (1960) 插圖,顯示 1958 年 5 月的年高峰值為 315 ppm。http://scrippsco2.ucsd.edu/publications/keeling_tellus_1960.pdf

Charles Keeling 二氧化碳大氣含量研究報告 (1960) 插圖,顯示 1958 年 5 月的年高峰值為 315 ppm。http://scrippsco2.ucsd.edu/publications/keeling_tellus_1960.pdf

60 年代末,科學家開始注意到 Keeling 曲線不斷上升,毫無疑問是人類燃燒化石能源的碳排放所致。年青的戈爾副總統 (Al Gore) 在哈佛大學遇到環保啟蒙老師 Roger Revelle 之時,已在早期的 Keeling 曲線中看到「不願面對的真相」。

1988 年,曲線越過 350 ppm 警戒線,聯合國及國際氣象局成立 IPCC(跨政府氣候改變委員會),至今已五度發佈「氣候變遷評估報告」。1997 年各國簽定京都議定書,試圖採取行動扭轉 CO2 及其它溫室氣體的升勢,唯獨美國退出。議定書 2005 年 2 月 6 日生效,同年夏至前夕 Charles David Keeling 心臟病發撒手塵寰,其時曲線已升到 380 ppm。博士遺言:

「若趨勢不變,卅年後人類將會處於比今天更大的直接危險。」——Charles D. Keeling 1969 年美國哲學學會演說《化石能源產生的二氧化碳是否正在改變人類環境?》:

去年 5 月 9 日,碳含量在年度高峰當日穿逾 400 ppm(下圖)。繼承老父工作的 Ralph Keeling 教授以短片宣告 Keeling 曲線正越過歷史里程,但沒有提到,這日子比數年前的預測早到了一年。

2013.5.9 二氧化碳大氣含量首次越過 400 ppm,全年平均則為 395 ppm。Source: Scripps Institution of Oceanography at UC San Diego.

2013.5.9 二氧化碳大氣含量首次越過 400 ppm,全年平均則為 395 ppm。Source: Scripps Institution of Oceanography at UC San Diego.

由 310 到 400 ppm,就是我們這一代人的碳足跡(下圖集密部份),貢獻了工業革命以來累積總額的大半。

工業前期以來二氧化碳含量,1958 後為 Keeling 曲線。Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego.

工業前期以來二氧化碳含量,1958 後為 Keeling 曲線。Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego.

現時 Keeling 曲線正以每年 2 ppm 的速度上升。今年三月中開始,曲線再逾 400 pm,並將會維持數月;三年之內全年平均值亦將逾此界線。如果升幅不扭轉,世紀未前 CO2 含量將會加倍。

400 ppm 的古氣候遺訓

過去 800,000 年內,大氣 CO2 一直維持在 200 至 280 ppm 之間,人類文明得以在穩定的氣候環境繁衍,從未遇過今天的 400 ppm 濃度。

去年 Keeling 曲線初逾 400 ppm 時,《主場新聞》曾報導:根據古氣侯學者的研究,「地球大氣 CO2 上 一次有此高濃度 (400 ppm),是三百萬多年前的上新世中期 (middle Pliocene),當時全球氣溫比現在高出 2-3°C,海面高出 25 米。最新的沉積土鑽探研究更顯示,在當時的北極,氣溫比現今高出 8°C ,沒有全年不融的冰冠,及長有樹林。4

古代氣候研究有巨大不確定性,但大量研究一同指向 CO2 和氣候變遷的密切關連5。 上新世的 400 ppm 水平是全球氣候系統以萬年計的漫長時期達致的平衡,但我們正以一兩代人之內倍增的速度越過 400 ppm。所以,不能不擔心,工業革命以來累積 的 0.8°C 升溫和 0.2 米海平面升幅 ,與及近年頻繁出現的反常天氣,只是氣候巨變的開始。

Keeling 曲線,何去何從?

前年我們在這裡讀過大型研究《柏克萊地球表面溫度項目》,知道自工業革命以來,氣溫和和大氣 CO2 濃度同步上升(下圖),是人為化石燃料排放 CO2 造成全球暖化的明證。

要扭轉全球暖化,避免不可估量的氣候巨變,唯有全人類聯手減少碳排放,將 Keeling 曲線拉下來。

後記:IPCC AR5 第三份氣候變化評估報告將於今晚正式公佈。傳媒取得的初稿指出,本世紀頭十年全球碳排放繼續加速;要避免全球暖化帶來的氣候災難,潔淨能源要在 2050 年前三倍增成為主要能源。

伸延閱讀

Keeling 父子及 Keeling 曲線的典故來自老 Keeling 的中篇回憶錄 Rewards and Penalties of Monitoring the Earth (1998)。這是全球暖化歷史的重要一章,穿插其中的研究生涯趣聞䡍事,特別是一生與國家機構的角力,盡顯老 Keeling 真性情,是難得的科學小品。

  1. 1970 年成為 National Weather Service 的 U.S. Weather Burea(見 Evolution of the National Weather Service)。
  2. NOAA 由 1974 起在同地以另一套儀器獨立測量。老 Keeling 生涯中,為了保持獨立而拒絕被國家機構收編,一直和官僚機構對抗。詳見 Charles Keeling, Rewards and Penalties of Monitoring the Earth, 1998。
  3. Charles D. Keeling, The Concentration and Isotopic Abundances of Carbon Dioxide in the Atmosphere. 1960
  4. 2.8 Million Years of Arctic Climate Change from Lake El’gygytgyn, NE Russia, Science, 20 July 2012.
  5. What Does 400 ppm Look Like?

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