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FUSDRG(Fokuang University Sustainable Development Research Group)
佛光大學南華管理學院永續發展研究組
負責人：陶在樸教授
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本期主題 全球突然變冷--另類溫室效應
溫室效應的真面目恰似白居易的「花非花、霧非霧」，她「來如春夢不多時，去似朝雲無覓處」。正當科學家爭論全球氣溫如何升高的餘興未盡時，美國華盛頓大學的卡爾文教授(W. H. Calvin)送來另一條插曲，他說全球暖化的趨勢很可能導致幾十年內突然變冷，溫和的歐洲變成冰天雪地的西伯利亞。這樣翻天為地的顛倒預測聽起來荒唐，實則充滿科學根據。
最近十五年來關於氣候跳變的發現越來越多，相關的文件大多在美國「科學」(Science)和「自然」(Nature)雜誌上可以查到。科學家們究竟採用怎樣的手段偵探地球氣候變遷的秘密呢？甚麼是氣候歷史的「指絞」呢？
南極與格陵蘭由冰層堆積，其厚度可達數百公尺，最厚處達3000公尺，這些冰層乃經年累月由積雪擠壓而成，而積雪由空氣中的水分凝結而成，故而冰柱乃為大氣「化石」樣本。科學家的任務便是把鑽探出的冰芯「化石」進行成份分析，主要包括：
若將冰芯的水分和標準狀態相比較，便可測量其中O18的比率是否偏高／偏低。圖一是格陵蘭中部密利森(Millicent)冰床冰芯的同位素分析結果，由圖可見O18比率隨季節變化的規律，夏季這個比率升高，冬季下降，這種變動一年一次循環，讀出比率的絕對值便可在系列的循環中看出歷年氣溫的變化，例如1222-1223年是非常溫暖的年頭。
世界上許多優秀的科學家集合在極地長期從事冰芯的採樣和分析，科學家們已經從冰芯和花粉資料分析中掌握了地球氣候變遷的大致歷史。在長達46億年的地球史中，大約到了新生代末期，即距今大約250萬年前，所謂的冰河(Glacial Age)與間冰河期�x (Interglacial Age)開始輪番出現，據說人類的誕生也正好是冰間與暖期交替的時代。
圖2告知地球進入新生代後距今的6500萬年間的氣溫變化圖，由圖可見地球在「更新世」後的100萬年間氣溫波動最劇烈，而在此前的6400萬年間比較平穩，順便要說圖中的氣溫刻度以北半球中緯度的年平均溫度表示，若將它除2(即一半)大約就是每個時期全球平均氣溫。
目前人類正處在冰期後的暖期，那麼在此之前的冰期氣候如何呢？圖3顯示13萬年前最近一輪冰期(威斯康辛冰期)的氣候變化。
設冰期最寒冷階段的氣候指數為100，而相應於間冰期或暖期的最暖和階段訂為200，如何換算成全球的平均溫度甚有爭論，有的學者估計其間的差距只有5℃左右，有的學者估計在9-18℃間，也許聽起來這不算甚麼大的溫度差別，但要知道地球的溫度分布很不平均，溫度變化敏感的地區是中緯度和高緯度地帶，因此冰期與暖期的5℃平均差異實際上對溫度變化敏感的緯度地區而言已是顯著的差別。
由圖可見13萬年前地球由暖期進入最近一輪冰期，氣溫開始下降，這種下降過程是大起大落的，經過了許多小的突變循環。
地球的氣溫變化何以有冰期與間冰期的大循環現象？以及循環周期為何並不固定？這兩個問題實際上並未解決，不過一般認為南斯拉夫數學家米蘭可維奇1930年提出的地球「軌道偏心說」甚有道理。地球溫度的根本來源是太陽輻射，因此地球與太陽的距離變化而引起的日照量變化必然是構成冰期與間冰期循環的根本原因，尤其是北半球高緯度地區的日照量隨軌道因素而周期性變動，大家知道，地球以傾斜的姿勢繞太陽公轉，因此北半球與南半球各有四季變化，目前已知地軸的傾斜約以四萬年的周期變動，變動幅度在22.1∼24.5度 間，現在的傾斜度是23.5度。如果傾角變大南、北半球夏季日照量會大增，而冬季劇減。此外，尚有影響地球氣候的其他軌道因素，例如地球軌道橢圓的偏心率大約以10萬左右的周期在變化。不過米氏的學說並不十分準確，最近已有修正的意見，因為CO2濃度變化對冰期循環也有影響。
CO2濃度變化的資料可由海底堆積物的氧18同位素變化而推算。圖4的b便是根據氧同位素而推算出的30萬年來地球氣溫和CO2變化，a表示由米氏理論推算出的地球冰床的變動情況，c則是考慮了CO2和軌道變化兩項因素共同作用後所推算的氣溫變化，由圖可見c的波形比a更符合b的變化。
最近十多年來許多科學家把研究的興趣集中在氣候變化大循環中的不穩定性問題，並有驚人之發現。距離今天最冷的一波大約發生在12700年前，正好是上一個暖期的中間階段，科學家們在丹麥的湖底發現了一種名叫Younger Drays的花粉化石，這是一種本該生長在西伯利亞凍土地帶的多瓣木屬植物卻生長在看起來不應該生長的丹麥，那時正好是暖期回升階段，覆蓋歐洲和加拿大的冰床有一半已經融化。這種溫暖氣候中突然變冷的現象不僅在格陵蘭觀察到，甚至在熱帶也探查到，更甚者這種現象不僅發生在寒冷的冰期，在溫和的暖期也有。卡爾文把這種溫度跳動的狀態描述為低、高兩種，其間的落差是9-18℃。
怎樣解釋氣溫跳動，實際上並沒有成功的理論，地球軌道偏離說固然可以解釋大循環，但不能描述大循環內的不規則小周期跳變。卡爾文教授主張用大氣與洋流共振的理論來解釋，尤其注意大西洋暖流形成與循環的作用。
歐洲主要城市的緯度比其他地區高，例如美國北部的大城芝加哥，其緯度只與歐洲南部的大城羅馬相當，亞洲北方大城北京的緯度為北緯40°左右，而歐洲中部的大城倫敦或巴黎緯度卻在其上(北緯49°)，柏林的緯度是北緯52°，哥本哈根和莫斯科是北緯60°，奇妙的是歐洲的氣溫比其他同緯度的地方高出十幾度，天機何在？在於北大西洋暖流給歐洲帶來許多熱量「補貼」。北大西洋暖流其實根源於墨西哥灣流，墨西哥灣不僅匯集南北赤道的暖流，而且信風還帶去許多暖水，因而墨西哥灣成了巨大的熱水庫，由於水位較高，灣流 沿北美大陸架北上，灣流寬120公里，水層厚700-800公尺，表層水溫25-26℃，流量每秒8200萬立米，在北緯40°起灣流改稱北大西洋暖流，此暖流從北緯40°、西經30°處分兩支，北支在強勁的西南風吹颳下向東北流，經不列顛群島西北穿過法羅群島和挪威海峽進入北冰洋的挪威和北極海域(圖5)
正是北大西洋暖流攜帶的巨大熱量才使歐洲冬季的溫度比同緯度的其他地方高出9-18℃。然而問題並非到此結束，為什麼最近幾十年來北大西洋暖流的強度起起伏伏？為什麼暖流不能繼續向北縱深？要解釋這種所謂「北大西洋振動」的現象需要另一種叫做「北歐海洋熱泵」的理論(Nordic Seas Heat Pump)。
當著墨西哥灣流沿美國東海岸的哈特勒斯角北上時，一股來自加拿大的強冷東風直吹海面，海水表面強烈蒸發含鹽量大增，於是表面洋流比重加大而垂直向下，是這股鹽度高的向下紮的表面洋流，以足夠的壓力引起深部暖流不僅垂直對流，而且被推向北方，這種特殊的北大西洋暖流也稱為北大西洋鹽流，它像一個輸送熱的「幫浦」使北大西洋增加30％的原有因日照而獲得的熱量。在北大西洋一共有兩條大鹽流，一條在直布羅陀海峽下800公尺，沿西班牙和摩洛哥的軸線上，這條奔騰的熱龍規模如同亞馬遜瀑布。另一條咆哮在格陵蘭 和冰島的軸線上，其規模相當於30條亞馬遜河。早在1797年美國的物理學家湯卜生(B. Thompson)就已經注意到北大西洋鹽潛流及其循環的重要性。1961年海洋地質學家斯托默(H. Stommel)開始擔心如果北歐海洋沖來過多的不含鹽淨水，鹽流就會中斷，到了1987年哥倫比亞大學的地質化學家布洛克(W. Broeker)更發出警告，他說鹽循環如果受溫室效應影響，悲慘的氣候意外就會發生，北大西洋鹽流如果消失，歐洲將急速變冷，由於鹽循環與太平洋相通，於是不僅歐洲變冷，全球也會在一、二十年由現在的暖期跳變到冰期。
太平洋並沒有北大西洋那樣的鹽潛流現象，但是這並非等於北大西洋鹽流與太平洋無互動關係，北大西洋的含鹽度高於太平洋，因為太平洋擁有兩倍於北大西洋的水量。可以想得到，如果在長期的鹽流循環中北大西洋與太平洋毫無干係，北太平洋的含鹽度應該比今天更濃。也可以想得出大西洋和太平洋在歷史上曾經有短路(shortcut)，只是大約在300萬年前大陸漂磧把南、北美洲相連而阻隔了這條最短的熱流。這種海洋循環路徑被迫迂回的變化，300多萬年來一直在伴隨氣候變化而進行，它不僅導致冰的累積而且使氣候不穩定。
布洛克1987年警告和擔心的鹽循環破壞已有許多預兆，請看圖6，圖中粗箭頭的線條表示北大西洋暖流，細的虛線表示暖流的回頭流。圖上標示了兩個鹽流沉潛的〝井〞，一個在拉布拉多海，一個在格陵蘭海，在這兩個地方大量海水垂直下降，沉潛的表面水碰到海底後便形成一股頭向南的潛回流。1970年拉布拉多「沉井」的鹽沉降開始衰退，1980年格陵蘭「沉井」的鹽沉降已衰退80％，1990年衰退得更厲害。
沉鹽潛流的衰退表明「熱幫浦」的動力不足，暖流所能攜帶的熱下降，暖流也無力向北進一步發展。
另一方面由於人造氣候所形成的溫室效應使氣溫升高，格陵蘭積冰大量融化，這些被融化的不含鹽淨水被一個個隔絕的冰壩阻隔，而形成一座座大水庫，在冰塊的相互撞擊下「水庫」瞬間崩潰，高速沖出的淨水使海水的含鹽量下降，這可能是破壞北大西洋〝熱幫浦〞的最大敵人。
此外，由於赤道暖流已帶走相當的熱量，赤道附近已降溫，出現了大氣與洋流共振的「聖嬰」現象(El Nino)，同時由於赤道降溫致使赤道空氣的蒸發減退。我們千萬不要忘記所謂的溫室氣體是指，地球表面大氣層內能夠防止地球輻射熱逃逸的那些氣體，它像一個玻璃罩子把地球套住使它不因熱量的向外輻射而降溫，具有這種功能的溫室氣體，除形成人造氣候的CO2、甲烷、臭氧化外，還有一個與人造氣候並無直接關係的成份，它就是水蒸氣。
如果地球大氣層內的水蒸氣減少，由地球逸出的輻射熱將增加，結果是整個地球迅速降溫。布洛克問題，你想要地球溫度魔術般的下降5-9℃嗎？他又答道，這實在太容易了，只要你把大氣中的水蒸氣減少30％就成。可見大氣對地球的迅速冷卻影響何其之大。
地球的氣候不斷重覆著冰期與暖期的循環，酷寒的冰期大約持續十萬年，接著是延續約一萬年的暖期。目前人類正處在暖期，這波暖期已有一萬五千年的歷史，它與先前的暖期最大不同點是忽冷忽熱的跳動。近年科學家除了模擬長期的氣候循環外，更在模型中加入了非線性跳變的因素，根據電腦模擬的結果，我們並無理由拒絕全球氣溫突然變冷的警告。
地球上第一個冰河時代始於250萬年之前，據說那時正好是類人猿大腦發育和進化為人大腦的年代，現代人的大腦固然發達，可是要判斷如此複雜的不確定性仍嫌不足。人類的歷史與地球歷史相比，實在是小巫見大巫。在這種人類先天不足的條件下，人類豈可「大智若愚」，只能老老實實的去不斷實踐：愚者千慮必有一得。
撰稿人：陶在樸