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烽煙不斷看暖化:你所要知的知識

2015/2/10 — 15:33

Mauna Loa Observatory at night. 冒納羅亞觀察站夜景。潔淨空氣樣本由鐵塔上的喉管抽取,鐳射光束由空氣粒子探測器發出。Credit: Jonathan Kingston

Mauna Loa Observatory at night. 冒納羅亞觀察站夜景。潔淨空氣樣本由鐵塔上的喉管抽取,鐳射光束由空氣粒子探測器發出。Credit: Jonathan Kingston

冬天講全球暖化,難有人感興趣。

此刻北國冰封,某名城不久前曾因「歷史性」雪暴宣佈禁止車輛上街。遠望夏威夷 Mauna Loa 火山烽煙不斷,Keeling 父子獨守太平洋一隅,自 1958 年一直在量度暖化氣體含量,為全球暖化把脈。心想,關注了這議題兩年多,是時候整理資料,記下所知所聞。氣候科學非我專長,但人可以理解,必須理解的全球暖化知識,其實不難,人皆可知。

暖化已停 16 年?

新年過後,各國氣象組織已相繼宣佈,2014 年全球平均氣溫為自有紀䤸以來的最高1,破了 1998 年的前紀錄。回看這十六年,全球豈非沒有暖化?

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的確很多疑懷論者近年一直這樣說。即使去年溫高破紀錄,不少地方——例如美國中西部——卻反常地寒冷,政客和名嘴不愁沒有機會藉著大風雪指出「全球其實在冷化」。去年初南極州一群氣候學家在考察期間被冰雪所困;消息傳來,美國大亨 Donald Trump 喜形於色,一面幸災樂禍,一面揶揄全球暖化是廢話:

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不過,他們都不是氣候學家。

全球暖化不等於年年升溫

毋庸置疑,氣候系統正在暖化。自上世紀五十年代以來,全球見證的轉變是數十年以至數千年所未見的。大氣和海洋已經變暖,冰和雪已減少,海平面已升高2

聯合國氣候委員會去年底發表的《氣候轉變綜合評估報告第五版 (IPCC AR5)》開宗明義指出,全球暖化從沒暫緩3

很少人會在理性上懷疑科學家的共識。可是天氣變幻無常,平均氣溫又多年沒創新高,「暖化」對氣候學行外的大眾來說,無疑是太「離地」了。除了相信科學家之外,我們還要懂一些氣候科學常識,才能理解與人類未來悠關的氣候變遷。最少,作為自然現象,全球暖化是可以理解,必須理解,不必被政治經濟或意識形態扭曲。

暖化的直接證據當然是平均氣溫。從上面一段 NASA 短片可見,135 年以來各地每年平均氣溫變化有起有落,反復上升,升幅已累積至 0.9°C。不過,氣候系統極端複雜,受多種週期性自然因素——例如瓦爾尼諾——影響,所以全球暖化下的平均氣溫不一定每年上升(下圖),而各地區的變遷進程亦不一樣,例如南北兩極的升溫幅度特別大。

圖一:地球陸地及海洋表面每年平均溫度圖。Berkeley Earth 收集得最大型的數據庫,其全新模式統計所得的平均溫度與其它氣象組織的統計吻合,但細節稍有不同。它採納了更全面的海洋及南北兩極數據,反影了過去十多年該地更顯著的暖化現象,因此 BE 的暖化紀錄沒有出現其它版本所見的,自 1998 厄爾尼諾年以來的「暖化暫停」。

圖一:地球陸地及海洋表面每年平均溫度圖。Berkeley Earth 收集得最大型的數據庫,其全新模式統計所得的平均溫度與其它氣象組織的統計吻合,但細節稍有不同。它採納了更全面的海洋及南北兩極數據,反影了過去十多年該地更顯著的暖化現象,因此 BE 的暖化紀錄沒有出現其它版本所見的,自 1998 厄爾尼諾年以來的「暖化暫停」。

若果不等於年年升溫,全球暖化其實是甚麼?

全球暖化=太陽能入超

氣溫是地球上最複雜的系統——氣候——的表象。在同一個地方如香港,一年四季最高 34°C 與最低的數度之差足有 30°C,各地的差異更會多一兩倍。可是,全球平均總升溫「只不過」是 0.9°C,已成為威脅人類存亡的危機,因為這不足一度的背後是正在不斷累積的巨大熱能,將會擾亂人類文明一直依頼的穩定氣候。

圖二:地球平均能量進出分配。來源:Figure 2.11, IPCC AR5 WG 1, p 181.

圖二:地球平均能量進出分配。來源:Figure 2.11, IPCC AR5 WG 1, p 181.

地球表面的能量——一切生命的所需及氣候系統所縕藏——全部來自太陽(地核的熱量微不足道)。抵達地球的太陽光(上圖左上),約 1/3 被白色的雲層和冰雪反射回外太空(中上),其餘由地球以自身的熱力輻射到外太空(右上)。一進兩出之差,就是留在氣候系統的每平方米 0.6 瓦的「太陽能入超」,energy imbalance(左下角的緣色箭嘴)。

著名環保科學家及行動者 James Hansen 形容,這是相等於「每秒四個廣島原子彈」的能量。

筆者認為,太誇張的比喻很難有共嗚,太陽能入超應該和地球人的能源需求比較。據國際能源署統計,2012 年全球秏用能源總量為 8,980 Mtoe,約為 5 x 1020 焦耳;而太陽能入超每平方米 0.6 瓦能量入超約等於每年 1022 焦耳,等於全球耗能的 20 倍!

再換一個角度,以現時香港的電費水平折算,太陽能入超等於全球每人每年七十萬的電能量5(注意:這些入超等值只用以得出比例感,不等於可轉換成為可用的能量)。

全球暖化=太陽能入超=20 x 全球能源需求 =地球人每年 HK$ 700,000 電能量

誠實的科學人必須指出,「每秒四個廣島原子彈」很嚇人,但是相對於每平方米 340 瓦的進口太陽能,能量入超的 0.6 瓦只佔 0.2%,地球生態系統有能力通過升溫將額外熱能輻射到外太空,將少量及短暫的能量入超「歸零」。全球暖化的危機所在,是太陽能入超自工業前期以來不斷累積,若不盡快扭轉趨勢,經過億萬年演化才達致平衡的生態系統將沒有足夠的時間及容量吸納,除了升溫失控之外,更可能引致不可收拾的系統崩壞,帶來氣候史上多次出現過的急劇巨變。

全球暖化潛藏深海

如果能在大氣層上的外太空測量太陽能入超,得出有如全球經濟表現的數據,全球暖化早就沒有爭議。精明的讀者早已看出,測量只佔太陽能入口量 0.2% 的入超,必須以超過 0.1% 的精度來量度地球和太陽在大氣層之上進行的「熱能貿易」,對需要覆蓋全球的測量儀器來說,似乎要求太高。對,1984 年後才開始的人造衛星測量,精度只在 2% 上下;即使二月份隨 DSCOVR 遠程太空觀察站升空的 NISTAR 先進輻射測量儀將會大幅改善精度,仍不足以直接測量太陽能入超的數值。

圖三:地球各氣候系統自七十年代以來累積能量入超 (1 ZJ = 1021J)。來源:Box 3.1, Figure 1, IPCC AR5 WG 1, p 264。

圖三:地球各氣候系統自七十年代以來累積能量入超 (1 ZJ = 1021J)。來源:Box 3.1, Figure 1, IPCC AR5 WG 1, p 264。

實際運作上,太陽能入超數值由地面上進行的各個分類測量合併而成。上圖來自 IPCC AR5,顯示地球表面累積的熱能按年遞增,當中擁有巨大熱容量及吸熱顏色的海洋佔了 94%;大氣和陸地(最底兩層)吸納的熱能比例很少。「幾乎肯定,1971–2010 年間,地球吸取了大量能量,估計入超為 274 (196—351) x 1021 焦耳」6,這數字除以 30 年及地球面積,就是前述的每平方米 0.6 瓦。

海洋熱能正在不斷累積,最近還有加速的趨勢,顯示能量入超正在不斷累積。即使氣溫暫緩急升,只代表熱能潛藏到深海。當洋流以十年計的週期過後,將會釋放熱能到淺海及空氣,推動氣溫長期上升。

圖四:An Argo float. Credit: Alicia Navidad/CSIRO.

圖四:An Argo float. Credit: Alicia Navidad/CSIRO.

海洋測量肩負監察全球暖化的重任,但相對氣溫測量的長遠歷史,尚在起始階段:18 世紀 Captain Cook 第二次航海探索時,人類才開始測量海洋溫度,至二次大戰時為演譯搜索潛艇的聲納數據而成為軍事重點工作。2000 年開始,國際組織成立 Argo 海洋觀察系統,由三千個不斷升降的測量儀將不同深度的海洋溫度和鹹度等資料通過人造衛星全面地公開發放6

儘管 Argo 等海洋測量系統的歷史仍短及覆蓋範圍疏落,亦有異見氣候學家質疑其精度,海洋正在暖化毋庸置疑,及只有一個來源:太陽能入超。

溫室氣體如何造成溫室效應

圖五:地球能量進出分配,和圖二相同。來源:Figure 1.1, IPCC AR5 WG 1, p 126.

圖五:地球能量進出分配,和圖二相同。來源:Figure 1.1, IPCC AR5 WG 1, p 126.

南方人嚮往北國冰封、白色聖誕,近年更抱怨冬天不再來。不過,若然冬天來了不走,就浪漫得不太方便。即使生在香港,人總是需要一個溫暖的家。全頼溫室效應,「大地之母」為地球提供保溫罩,否則地面平均溫度將會驟降 33°C,全球冰封在零下 15°C,大部份生命都不能繁衍。

對陽光來說,大氣大致上是透明的,但當中有些成份如二氣化碳、水蒸氣及臭氧等,能吸收地球輻射回太空的紅外線熱能,並輻射送返地球(圖五右下)。這些氣體稱為溫室氣體,通常以二氧化碳為代表。溫室氣體以上述方式將太陽能保留在地面的氣候系統,造成能量入超,就是溫室效應

溫室效應令氣候系統吸收熱能及升溫後,地球向外太空輸出的熱能隨即增加。若大氣中的溫室氣體份量不變,當升溫到一定水平之後,地球能量輸出的增加剛好抵消了溫室效應所吸納的,氣候系統就達致平衡,能量入超歸零,氣溫就能保持在穩定的範圍之内。人類文明長時期享受溫暖而穩定的氣候,平均氣溫約在 18°C,就是溫室氣體含量長期穩定所達致的平衡。

溫室氣體含量若有改變,氣候系統就要找出新的平衡點,平均氣溫就相應地改變。

圖六:地面氣溫十年平均值,與大氣二氧化碳含量及火山爆發所釋放的硫化物的線性綜合數字作比較。來源:Summary of Findings, Berkeley Earth.

圖六:地面氣溫十年平均值,與大氣二氧化碳含量及火山爆發所釋放的硫化物的線性綜合數字作比較。來源:Summary of Findings, Berkeley Earth.

全球氣溫百多年來不斷上升,就是因為大氣中的溫室氣體含量不斷上升。當中二氧化碳含量及影響最大。古氣候學家從深鑽冰層的樣本測量得出二氧化碳含量的歷史紀錄,發現一直和氣溫同步上升,證明全球暖化是溫室氣體——特別是二氧化碳——所造成的溫室效應(上圖六)。這個研究結果令曾經質疑全球暖化的 Richard Muller 教授高調地在紐約時報評論文章 The Conversion of a Climate-Change Skeptic 中宣佈改變態度。

可以說,除了直接量度海洋累積的熱能之外,二氧化碳含量是最不含糊的全球暖化指標。

Keeling Curve 烽煙不斷

新年伊始,太平洋中央遠離工業文明的冒納羅亞火山傳回第一個暖化警號:Keeling Curve 元旦日就破了「四百心理關口(下圖七)」。今年全年平均數將會首次越過 400 ppm(百萬分之一,容積計),進迫 450 ppm 「暖化懸崖」前的最後防線。

圖七:Keeling Curve 元日已超越 400 ppm 水平。來源:Scripps Institution of Oceanography

圖七:Keeling Curve 元日已超越 400 ppm 水平。來源:Scripps Institution of Oceanography

前年 Keeling Curve 首次越過 400 ppm 時,筆者和小肥波曾作報導:

5 月 9 日 (2013),夏威夷 Mauna Loa 空氣監測站首次錄得突破 400ppm 的二氧化碳 (CO2) 濃度全日平均值。地球大氣 CO2 上一次有此高濃度時,是三百萬多年前的中新世 (middle Pliocene),當時全球氣溫比現在高出 2–3°C,海平面高出 25 m。最新的北極沉積土鑽探研究更顯示當時的北極氣溫比現今高出 8°C,並且沒有全年不融的冰冠,及有樹林7

筆者對 Keeling Curve (下圖八)情有獨鍾,留意它的走勢之餘,還被 Keeling 父子守護 Mauna Loa 二氧化碳觀察站的勵志故事深深吸引,寫過他們的故事。更重要的是,老 Keeling 在夏威夷火山上建立的觀察站遠離工業文明,乘信風來到太平洋中央的二氣化碳能忠實地反影全球碳排放及預告暖化前景。

來到這裡,希望我已說服你,Keeling Curve 不會騙人,空氣中的二氣化碳正在以每年 2.5 ppm 的比率增長,將會為氣候系統貯藏相等於全人類所需的廿倍能量,推動全球暖化及帶來氣候巨變。如果還有人對你說,全球暖化是騙局,他一定是外星人;如果仍有人在爭論暖化是否人為,請問碳從何來,為何如此巧合地和工業文明同時「起飛」?

最後,再次請 Berkeley Earth 二氣化碳與升溫同步圖表過來,和 Keeling Curve 的歷史紀錄來個大合照,讓大家留個更深刻的印象。:

圖八:Keeling Curve 1958 年起全部紀錄。來源:Scripps Institution of Oceanography

圖八:Keeling Curve 1958 年起全部紀錄。來源:Scripps Institution of Oceanography

圖六:地面氣溫十年平均值,與大氣二氧化碳含量及火山爆發所釋放的硫化物的線性綜合數字作比較。來源:Summary of Findings, Berkeley Earth.

圖六:地面氣溫十年平均值,與大氣二氧化碳含量及火山爆發所釋放的硫化物的線性綜合數字作比較。來源:Summary of Findings, Berkeley Earth.

  1. 2014 有紀錄以來最熱
  2. Headline statements from the Summary for Policymakers. Synthesis Report, Climate Change 2014.
  3. 科學家的共識:「97% 氣候科學論文一致認為全球正在暖化,而人類活動是主因」。其中一個調查:Quantifying the consensus on anthropogenic global warming in the scientific literature. doi:10.1088/1748-9326/8/2/024024
  4. John Cook, 4 Hiroshima bombs worth of heat per second, March 2014.
  5. 地球接收溫室能量 =0.6 Wm-2
    地球面積 510,072,000 km² = 5.1 x 1014
    全球人口=7.3 x 109 (21.1.2015)
    人均接收溫室能量功率 =0.6 x 5.1 x 1014 /7.3 x 109 W =42,000 W
    每月人均接收溫室能量 =42 x 24 x 30 kWH= 30,240 kWh
    每度電 (kWH) HK$1.75 加能源附加費 Hk$0.27
    每月每月接收溫室能量對應電費=30,240 x $2.02 = $61,000
  6. 詳看:A review of global ocean temperature observations: Implications for ocean heat content estimates and climate change. Reviews of Geophysics Volume 51, Issue 3, pages 450–483, September 2013 DOI: 10.1002/rog.20022
  7. 其它古氣候研究,都顯示溫暖氣候和二氧化碳濃度如影隨形。例如在五千萬年前的始新世初期,哺乳類動物開始在漂移中各大洲上出現之時,地球上的生命最後一次見證 CO2 濃度超過 1,000 ppm 的大氣,IPPC AR5 有「中等信心」當時氣溫曾飆升 9°–14°C。詳看:“High-Carbon Dioxide Worlds and Temperature” IPCC AR5 WK1, p 398–399

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