全球暖化科學原理、模型與限制

作者:顏東白 / 台大生工系學士生

特約編輯:詹詒絜 / 歐盟Erasmus Mundus計畫環境科學、政策與管理碩士生、台灣青年氣候聯盟理事

 

本篇文章主要針對全球暖化的相關科學理論做說明。首先,會針對地球系統能量收支等基本原理粗略講解地表溫度如何達到平衡,接著說明溫室氣體的排放對這個平衡會產生什麼影響,並進一步解說目前針對氣候變遷使用的預測模型,最後則會點出這些模型的限制。

 

一、全球暖化的科學原理:溫室效應

 

1.能量平衡和黑體輻射模型

為什麼討論地球系統的能量時,科學家會一直強調能量收支平衡的觀念呢?

理論上,如果地球系統沒有自我調節到平衡狀態的機制,地表溫度將會毫無限制地下降或者飆升。億萬年來地球表面溫度都維持在一定範圍內,所以我們假設它必定有某些機制讓能量收支在平衡狀態。

當我們說地球系統的能量收支處在平衡狀態時,並不代表地球在任何瞬間的能量收支都相同,只能說長期平均下來的收支是相同的,並且在任何時候,如果收支的差額超過一定範圍,系統會有對應的調節機制補回這個差額。

另一方面,為什麼討論地球的能量收支時,我們可以用黑體輻射模型來進行?原因在於在近乎真空的宇宙裡,能量的交換只能透過輻射進行。事實上,任何光打到地球幾乎皆不太可能透射過去,只有剩下一點點未被反射出去的能量會被地球吸收,而吸收和放出能量皆只能透過輻射來進行。基於此,用黑體輻射的模型解釋是很合理的。[1]

在理解到地球和太陽之間的能量傳遞可以用黑體輻射模型來解釋後,我們就來說明這個模型如何搭配地球系統能量收支平衡,推導出地表溫度。首先,太陽表面在每個單位時間內所發射出來的輻射能量是固定的,所以地球表面所接收到的能量也是固定的。扣除地球表面反射出去的部分,剩下的輻射能量全部會被地表吸收。在地球表面必須達到能量收支平衡的情況下,勢必地表也要反過來發出輻射熱能,來抵銷吸收的部分。而黑體輻射的能量大小和表面溫度呈現正相關,並且大氣吸收地表輻射將造成增溫效果,從這兩者理論則可推測出地表的均溫應該為288K(15℃)。

 

由於大氣吸收地表輻射之後自己也需要能量平衡,所以會放出輻射,這樣地表接收到的輻射總量就會比沒有大氣時還多,因此放出更多輻射至大氣中。這裡因大氣吸收輻射所造成的增溫,就是所謂的溫室效應。而能造成大氣吸收率增加,進而加強溫室效應的氣體,就是溫室氣體。至於地表因大氣輻射率改變而多接收到的輻射量ΔF,是討論全球暖化時很重要的參數,筆者將做說明。

 

2.大氣物質對地表能量收支的可能影響

大氣中的物質對於地表接收的輻射量會有不同效果,但並非所有物質都會造成溫室效應。以下有幾種可能性:

如果光打到該物質時會完全透射,則此物質對於地表能量收支就沒有影響
若光打到物質時會散射的話,等於是將一部分的太陽光反射回太空,故對地表來說有降溫效果。
如果光打到物質會被吸收的話,我們就得從它吸收的波段判斷對於地表能量平衡的影響。只吸收紅外線波段的粒子將會增加地表接收的能量; 只吸收可見光波段的粒子,對地表接收的能量就有減少的效果。

另外,如果是太陽跟地球輻射都會吸收的物質,此物質會造成的效應將取決於它所處的高度及溫度。在近地表處,粒子溫度和地表相當,吸收多少地表輻射就放出多少,進而會降低地表接收到的能量。但如果粒子處在比較高空的位置時,和地表有顯著溫度差異,它放出的能量便會小於從地表吸收的能量,進而困住地表的熱能,造成地表增溫。凡此種種,只要是最後加總能讓地表增溫的氣體,就是所謂的溫室氣體。常見的溫室氣體是能夠吸收紅外線的氣體。

 

 

二、全球暖化的模型

 

1.溫室氣體的增溫效果

筆者在此先提出一個針對溫室氣體增溫效果的專有名詞:氣候敏感度,意指當全球二氧化碳濃度增加到工業革命前的兩倍時(約550ppm),全球地表均溫將會上升多少度。這樣的計算和上述提及的ΔF有關。當ΔF出現極小的變化時,和地表溫度變化量ΔT呈現線性關係,兩者的關係較易判別。然而,要如何知道二氧化碳濃度跟ΔF的關係呢?關於這個問題,政府間氣候變化專門委員會(IPCC)提出了不少模型,其中最簡單的一個如下:
∆F≈3.332∆T=5.35ln⁡([CO_2 ]/([CO_2 ]_0 ))[2]

用這個式子我們可以估算550ppm時地表的幅射增加量。ΔF=5.35*ln(2)=3.708,ΔT則約為1.11度。然而,這樣的結果恐怕是低估的(一般預測是3度),因為此模型預測時不能只考慮二氧化碳自己的增溫作用,還必須考慮到地球系統的其他回饋機制,例如:當地表均溫增加時,甲烷散佈到大氣的速率變快,造成溫度變化的正回饋

 

2.氣候變遷的巨觀模型:IPCC的預測報告

在預估接下來一百年之內全球地表均溫會上升多少時,研究者首先會如上一段所述,建立溫室氣體排放量和輻射增加量ΔF的模型,接著預估溫室氣體排放量。其中,我們同時必須納入人類未來的經濟模式和發展走向的預測。

在IPCC 2007年的報告中,預測模型將人類接下來一百年的發展分為四種:經濟導向+全球化(A1)、經濟導向+區域化(A2)、環境導向+全球化(B1)、環境導向+區域化(B2)。這四種模型分別代表不同的經濟預測模型,進而預測碳排放量增加的趨勢,再推出相對應ΔF的變化趨勢。

到了IPCC 2013/2014年的報告中,模型反過來用ΔF作為碳排放量的預測依據。這個模型的好處是ΔF和ΔT的關係比較好求出,當參考了經濟模式和發展走向後,溫度變化量在這個模型中的不確定性會因而降低不少。然而,不管是哪一種模型,都只是預測,這些預測的換算基礎是建立在一個不準確的科學預測上。

 

3.氣候變遷的微觀模型:GWP的計算

另一個重要的觀念是GWP(Global Warming Potential),此模型的計算是將所有溫室氣體換算成二氧化碳當量再線性疊加起來。GWP的概念是如此:假設我排放了一公斤的某種溫室氣體,在接下來的一段時間之內它會對地表造成ΔE1的輻射量增加。如果我排放一公斤的二氧化碳,在同樣時間之內對地表造成ΔE2的輻射量增加,則ΔE1/ΔE2的比值就是該氣體在這段時間之內的GWP。

 

 

三、模型的限制

 

上述這些模型最重要的原理在於建立溫室氣體濃度跟ΔF的關係。然而實際上這樣的關係往往非常複雜。首先,就溫室氣體的增溫模型來看,其限制在於溫室氣體除了有可能造成直接的ΔF變化外,往往也會有其他對於環境的間接副作用,通常科學家會把這些副作用稱為系統的回應 (response),而這些回應有些時候其實是會加劇增溫。正如同上述的例子,1.1度的溫度變化量是被低估的(一般預測是3度),原因在於科學家不能只考慮二氧化碳本身的增溫作用,還必須考慮到地球系統的其他回饋機制,像是其他溫室氣體逸散到大氣的速率,進而對溫度變化形成正回饋。

第二個巨觀模型的限制則在於不準確的經濟預測上。此模型主要建構在「預測」,正如同隨著複雜的時間序列發展,我們得到的結果都是一種機率分布,而不是一個確定的數值。此模型的限制也是一樣的道理,經濟模式和發展走向跟隨時間的變化在科學界並非有共同定論,不同科學家在運用這套模型時所預料的經濟模式和發展將有可能造成相同模型所產生出來的結果便有可能淪為南轅北轍,各說各話

最後,GWP的問題則在於它的實質意義。個別將每個溫室氣體轉換成二氧化碳後再疊加起來,如此作法在現實大氣理論中是沒有意義。就如同在製造一個產品時,用GWP去換算二氧化碳當量和碳足跡,我們其實是在做一個假設,假設大氣裡各溫室氣體濃度固定。然而大氣環境會隨著時間而改變,各個溫室氣體在大氣中的濃度並非固定,因此這個以GWP為主的計算只適用在針對比較短期、小規模的排放做評估時有效。

每個預測全球暖化的模型所產生出來的結果確實都是透過層層精密的計算,但是實際上一個完美的模型卻是不存在的,所有預測模型都有本身的侷限,因此對使用模型者來說,我們在運用這些模型時都必須知道它的限制與缺點;對於讀者來說,對模型所產生出來的數據和結果保持質疑態度是我們該做的,唯有在不斷地質疑和反覆檢視下,關於全球暖化的科學模型才能進步,並更臻於完善。

 

注解:

[1]黑體就是會把打在自己身上的輻射全部吸收的物體,基本上只有在理論中存在;不過因為一般的行星或恆星對於大部分波段的輻射吸收率都接近百分之百,所以可以假設成黑體來解釋它們表面的溫度。

[2]這個關係是IPCC2001年的報告中提出來幾個版本裡面最簡單的一種,底下所附的網址有其他版本的模型:
http://www.grida.no/publications/other/ipcc_tar/?src=/climate/ipcc_tar/wg1/222.htm

[3]關於本文提及的科學模型的詳細推導和延伸閱讀,可參見:
https://docs.google.com/document/d/19GVWchXPiF4BI9ueZmP_x0ZHRd_gIXdOz_xCbMhPgWM/edit?usp=sharing

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

You may also like...

發表迴響

你的電子郵件位址並不會被公開。 必要欄位標記為 *