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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流温室气体来源分析.精品文档.壹、溫室氣體來源分析一、自工業革命後，大氣中人為排放的溫室氣體濃度不斷地持續增力，全平均地表溫度亦自1890年至今上升0.3-0.6C，並導致全球氣候變化，造成地表溫度變化的原因可歸納出有三點： 1.氣候內部系統的自然變化。2.人為排放溫室氣體的濃度增加，使得氣候因輻射作用力的變化，而產生變化，根據IPCC之報告指出，未來可能列管之溫室氣體主要有四種：CO2、CH4、N2O以及蒙特協定已列管生命週期超過萬年之氟氯碳化合物（簡稱CFC）。3.由於太陽入射角變化或火山爆發生生之懸浮微粒之影響，所造成的輻射作用力的自然變
2、化。二、溫室氣體來源分析1.二氧化碳目前一般預測大氣CO2濃度增加為兩倍時，全球溫度將上升1.5到4.5之間(IPCC，1995)。根據IPCC發表的報告，全球氣候受溫室效應的影響，由現在至2100年止，全球平均海水面溫度可能將增加2。大氣中的N2O的主要來源有二： 1.天然來源包括：海洋和土壤的自然釋放； 2.人為排放則包括：農田耕作，生質燃燒，汽車排放和工業生產等。由表可發現來自耕地的釋放量在1990年至1997年間幾乎呈直線上升趨勢，顯示台灣地區在這段期間裡雖然農耕面積沒有增加，但因缺乏人力，乃大量不當的使用化學肥料所致。台灣地區二氧化碳排放量未來趨勢：總量與每人平均1990199520
3、0020052010總 量(百萬公噸)113166206237256與1990年比較(%)100147182210227每人平均排放量(公噸/人-年)5.57.79.210.210.6平均年成長率6.2%2.2%二、氧化亞氮N2O畜牧飼養是N2O釋放量的來源之一，僅次於土壤耕作所佔比例，佔18.5%強，且有持續上升的趨勢，乃飼畜量成長所致，但與農業部門一樣，相較於人為排放之N2O量，仍可謂相當輕微。溫室氣體N2O釋放量在年度間之變化單位：Gg年度畜養動物廢棄物各處理系統之釋放量（農地）土壤釋放量稻草燃燒之釋放量合計19901.84100%8.17100%0.06100%10.70100%199
4、12.04110.98.50104.00.0583.310.5999.019922.02109.88.66106.00.0466.710.72100.219932.04110.98.89108.80.0466.710.97102.519942.13115.89.00110.20.0350.011.16104.319952.18118.59.28113.60.0350.011.49107.419962.22120.79.41115.20.0350.011.65108.919971.85100.58.93109.30.0350.010.80100.9平均2.04110.98.86108.40.04
5、66.711.01102.9台灣地區1990年N2O排放統計單位：千公噸排 放 源CH4CO2當量佔比(%)說 明作為燃料使用之傳統生質能0.0267薪材及蔗渣燃燒排放之N2O農業廢棄物燃燒0.278693作物收成後，田中殘餘物質燒處理後排放之N2O合 計0.2992100三、甲烷CH4CH4的主要來源是排泄物所致，因此在飼養數量不考慮的情況下，有效分離固形排泄物製作堆肥，並將殘餘廢液集中處理，使其得以作為小型發電站或燒料無應站。至於反芻類動物胃部發酵排氣，則有賴政策上的考量飼養數量來做決策。人民生活水準提高之後，對畜產品的需求必然增加，可是由於禽畜的排泄物所帶來的污染，尤其是對CH4與N2O
6、釋放量的增加，帶來了溫室效應的壓力。根據美國科學院二氧化碳評估委員會表示，當二氧化碳濃度倍增時，全球平均氣溫上升31.5。台灣地區1990年CH4排放統計單位：千公噸排 放 源CH4CO2當量佔比說 明垃圾掩埋48011,76051都市固體廢棄物掩埋，氧發酵排放CH4都市廢水處理102451都市廢水經氧處理，排放CH4工業廢水處理348334工業廢水經氧處理，排放CH4稻 作541,3236牲畜腸胃醱酵排放18仟公噸CH4，排泄物排放36仟公噸CH4農業廢棄物焚燒2726,66429水稻田中有機物氧分解產生CH4，並於成長期籍稻作釋入大氣作為燃料使用之112701作物收成後，田中殘餘物質以焚燒
7、處理後排放CH4傳統生質能249薪材及蔗渣燃燒排放之CH4油氣系統348334油氣開採、處理及輸送時逸入大氣的CH4採 煤379074煤礦開採時，原儲存在裂隙中的CH4逸入大氣合計93423,884100三、溫室效應對氣候變遷的衝擊1.氣候受暖受潮 -糧食向極區移動。沙漠、草原增加， 森林減少。威脅邊緣農業。海平面上升，洪水增多，可耕地面積減少。2.二氧化碳濃度上升-植物變得更大。某些農產品產量增加。雜草變得更大。加速沙漠化。肥料需量增加。二氧化碳為作物行光合作用所必需的氣體，原則上在330到660ppmv濃度下，CO2濃度愈高產量也愈高，在研究模擬結果中也有此現象存在，但產量增加的趨勢則因作
8、物別及期作別而異。對CO2濃度在330、440、550及660 ppmv下模擬之作物產量，其結果在各地區CO2濃度增加下，水稻、大豆及花生之產量也會增加，而高梁及玉米二品種在330ppmv時最高，440到660時降低，但在此範圍內，CO2濃度增大時，產量也會增加。除大豆及花生兩種作物外，其他三種作物的產量，以基準氣象之330ppmv CO2濃度下產量較高，而如提高CO2則不一定會增加。以上資料來源：楊任徵、方良吉（1996） 台灣地區能源部門溫室氣體統計基準年、歷史及趨勢分析 能資所報告第06-3-85-186號 谷復渝、楊任徵、方良吉（1995） 台灣地區人為溫室氣體統計工業製造、農業、土地
9、利用、廢棄物 能資所報告第06-3-84-0071號貳、溫室氣體及懸浮微粒一、 前言生命的發生、延續，自然界的繽紛色彩，氣溫變化，雲、雨、暴風雨.等等，都受到太陽輻射直接或間接的影響。太陽輻射製造生機，提供人類賴以為生的能源，提供大氣運動所需的能量，參與塑造地球的氣候。如果氣候變化只受太陽輻射影響，它的運作將是極其容易掌握，氣候預測更不是問題。然而，大氣(善變的流體)的存在，使氣候變化變得極其複雜（見第四章），難以捉摸。太陽往四面八方放射出能量，單位面積強度與距離的平方成反比。地球距離太陽約6370公里，因此只有一部份太陽輻射能量為地球所攔截，它相當於1370 Wm-2。如果將這些能量平均散布
10、在地球表面，而且假設反照率為0.3(亦即有30%的太陽輻射被反射回太空，地球只吸收了其中的70% )，則為約342Wm-2。 假設地球沒有大氣，在輻射平衡狀態下( 亦即，地球吸收的太陽輻射量等於本身所放射出的輻射量 )，地球表面的平均溫度約為255K( 亦即，-18 )。此一溫度比目前地表的全球平均氣溫15低了許多，相當於中緯度地區高度5公里處的氣溫。大氣的存在使地表氣溫上升了約33， 溫室效應是造成此一溫度差距的原因之一。溫室效應造成的全球暖化現象是全球環境變遷中最重要的議題之一。在討論人造污染是否導致全球暖化之前，我們必須瞭解太陽輻射的特性，以及大氣成分對其影響。二、輻射的特性輻射是經由電
11、磁波傳送的一種能量。正如重力或磁鐵在真空中能使單擺擺動，電磁波能量同樣不需透過任何介質，可在真空中傳遞。X射線、紫外線、可見光、微波、無線電波等都是電磁波的一種。對氣候影響最大的部份為紫外線至紅外線之間的波段，也是太陽輻射最強的波段（圖3-1）。任何物體皆會放射出輻射。一個物質的輻射性質如果遵守基本的輻射定律（如浦朗克定律(Plancks law)、外因位移律(Wiens displacement law)、克希何夫定律(Kirchoff s law)等，稱之為黑體(blackbody)，是一理想狀況下的物質。黑體吸收所有的入射輻射，既不反射也不讓輻射穿透。黑體輻射的特性之一是能量與溫度的四次
12、方成正比（此為浦朗克定律）。傳至地球的太陽輻射多來自太陽光球（亦即是肉眼看到的部份），其溫度約為5800K；地球的輻射平衡溫度為255K。如果將太陽與地球當成黑體，太陽輻射強度約為地球輻射強度的30萬倍。具黑體輻射特性的物質，如果溫度較高，放射出的能量集中在波長較短的波段；相反的，溫度較低，能量集中在波長較長的波段。此為外因位移律，亦即具最大能量的電磁波波長與溫度成反比。如將太陽當成黑體，其最大的輻射集中在可見光部份(波長 0.40.7m)。地球的輻射平衡溫度遠低於太陽的溫度，因此能量集中在波長較長的紅外線波段(波長約在10m附近)。由圖3-2，我們可清楚可看到太陽與地球輻射能量集中的波段，彼
13、此之間相距甚大，重疊的部份很少，而且都是在能量很小的波段。我們因此可以很容易分辨太陽及地球的輻射。太陽輻射由於波長較短，通稱為短波輻射；地球輻射，相對而言，波長較長，稱為長波輻射。三、溫室氣體與溫室效應黑體均勻地吸收及放射每一波段的輻射。一般氣體並非黑體，會選擇性的吸收某些波段的輻射。地球大氣中的許多氣體幾乎不吸收可見光，但專門吸收長波輻射。圖3-3是多種氣體在各波段的吸收率。比如，水汽( H2O )在小於0.8 m波段的吸收率幾乎為零，但是在較長波部份( 比如，5 m )的吸收率幾乎為1，亦即完全吸收。二氧化碳( CO2 )在波長大於15 m以上的輻射有絕佳的吸收率。氧(O2 )，臭氧(O3
14、)，氧化亞氮( N2O )，甲烷( CH4 )等也都有類似的特性。除了吸收長波輻射，氧及臭氧更吸收了大部份的紫外線，讓地球生物倖免於紫外線的毒害(見第五章)。這些擅長吸收長波輻射但不喜吸收短波輻射的氣體，允許約50%的太陽輻射穿越大氣，為地表吸收，卻幾乎攔截所有的地表及大氣輻射出的能量，減少能量的損失，並且再將之放射出來，使得地表及對流層溫度升高。如果將在大氣層頂的太陽輻射強度(342 Wm-2)當成100單位，地表吸收了89單位由大氣往地表放射的長波輻射，遠大於它所吸收的短波輻射量(約50單位)。在夜晚，大氣繼續放射長波輻射，使地表不致於因缺乏太陽輻射而變得太冷。這些氣體的影響類似農業用溫室
15、的暖化作用，因此稱為溫室氣體，它們的影響則稱為溫室效應。大氣的存在不但暖化地表，而且降低了日夜溫差。如果考慮大氣的輻射特性，但不考慮大氣可以流動的特質，大氣溫度的垂直分布應如圖3-4中的虛線，實際的溫度分布則為實線。比較二者，我們發現若只考慮輻射平衡，地面溫度比實際溫度高出許多，而對流層頂(約10公里處)則太低，因此溫度垂直遞減率遠大於實際大氣的垂直遞減率。此一狀態下的大氣勢必相當不穩定，容易產生劇烈的對流，使熱空氣上升，冷空氣下降，淨效應為將熱量往上傳。地表附近氣溫因此下降，高層氣溫則上升，使氣溫的垂直溫度趨向圖3-4中的實線。這與在火爐上燒開水的過程十分類似: 壼中翻滾的水，將爐火所提供的
16、熱量均勻的散布，直到所有的水達到沸點。溫室效應不只發生在地球，金星及火星的主要大氣成份為二氧化碳。金星大氣的溫室效應高達523，火星大氣太單薄，溫室效應只有10，地球大氣則在二者之間為33 (表3.1 )。嚴格的講，地球大氣的溫室效應應為82，因為如果不考慮大氣的垂直運動，地表溫度將由-15上升至67 ( 圖3-4中的虛線 )。我們量測到的地表氣溫( 15 )事實上是經大氣運動調整過的溫度。溫室效應自古就有。地球誕生於46億年前，當時太陽的強度約只有目前的70%。太陽強度1%的變化，相當於地表氣溫12的變化。因此，如果地球氣候只受太陽輻射的影響，在輻射平衡之下，遠古地球大氣應比目前低幾十度。當
17、時的地球也不會是個藍色、充滿水體的星球，而是個灰白的冰球。但是各種古氣候資料皆未顯示地球曾經處於如此冷的氣候。這就是所謂的弱太陽矛盾論( weak sun paradox )。科學家發現地球剛形成時，火山活動頻繁，噴出許多二氧化碳，成為大氣的主要成份。二氧化碳的溫室效應，使大氣溫度升高了不少。 因此，雖然太陽輻射較弱，但地球氣候卻不致於太冷。此一情況與金星及火星的情況類似。目前大氣的主要成份為氮( N2 )及氧( O2 )與早期大氣成份相去甚遠。這是因為原始藻類生物出現，行光合作用，將二氧化碳中的氧釋出，逐漸改造大氣的成份。如今，大部份的碳儲存於地殼及海洋，大氣中卻充滿了氧。金星與火星因為沒有
18、受生物的影響,早期大氣成份因此保留下來。科學家同時發現古氣候中多次暖期的出現皆與二氧化碳含量(來自火山爆發)增加有關。由以上討論，我們知道溫室效應是一種自然的現象，而且自盤古開天即有。只要有大氣，就可能有溫室效應。二氧化碳含量的變動能影響氣候，但是造就目前大氣溫度分布的主要因素卻是水汽。大氣中的水汽量很少，只佔了不到0.5%的大氣總質量，但是水卻是除了陽光之外，影響生物及氣候最大的物質。科學家模擬大氣溫度的垂直分布，發現只要在模式中放入實際觀測到的水汽含量,模擬的大氣垂直溫度分布就已經與實際狀況相去不遠(圖3-5)。如果再加入二氧化碳，氣溫再提高10K，但不改變溫度分布；平流層(10公里以上)
19、溫度隨高度增加的現象，則須另外加入臭氧才能模擬出來。這個模擬，因為沒有考慮雲的效應，對流層溫度比觀測值高出不少。這個研究指出，影響最大的溫室氣體是水汽，它貢獻了80%的溫室效應，不僅決定了大氣溫度的垂直分布，也創造了溫暖的地球氣候。相對而言，二氧化碳只是使氣候變得更暖和。四、變化中的溫室氣體含量二氧化碳雖然早已不是地球大氣的主要成份，但是它的含量仍是不斷的變化，而且與氣候變遷可能有極大的關係。科學家從化石中碳同位素的含量，推測地球古代大氣中二氧化碳的含量。圖3-6是過去5億多年的二氧化碳含量的變化，圖中R=1相當於現今大氣二氧化碳含量。在寒武紀初期( 5億多年前 )，二氧化碳含量是現今含量的1
20、5至20倍，之後持續下降，直到3億年前，達到與現今含量相當的程度。1億2億萬年前含量則為目前的35倍，巧的是，這段時期( 侏儸紀 )氣候溫暖，恐龍是地球上最優勢的生物。圖3-6中的數值為推估值，前蘇聯科學家在南極Vostok取得的冰蕊則含有實際的古代大氣樣本，記錄了過去五十萬年的溫室氣體含量變化。圖3-7是由該冰蕊測得的過去22萬年之間，二氧化碳、甲烷含量以及溫度估計值的變化。我們發現三者的長期變化相當一致，較短期變化則有一些出入。譬如，13至14萬年前，溫度比現代氣候高出1-2，二氧化碳及甲烷含量也是最高。溫室氣體含量高，溫室效應強，氣溫自然升高。但是，也有研究指出，在溫度較高的環境下，土壤
21、中生質(biomass)的腐敗速率較快，會有較多的二氧化碳從地表釋出進入大氣；而且，如果沼澤地面積增加，地表釋出的甲烷量也會增加。顯然，單從圖3-7無法判斷氣溫與溫室氣體含量之間的因果關係，但是兩者變化的一致性則是無庸置疑。由上述的歷史資料，我們知道二氧化碳含量的自然變化的幅度相當的大(可能與地殼變動，火山爆發頻率有關)。自從歐洲工業革命以來，人類的工業活動大量使用化石燃料(fossil fuel，如煤、石油)，製造了大量的二氧化碳，並將之排放至大氣之中。在工業革命之前，大氣中二氧化碳含量一直維持在約280ppmv(亦即，一百萬單位體積氣體中含有280單位體積的二氧化碳，圖3-8)。工業革命之
22、後，二氧化碳含量迅速增加，1950年代之後，增加速率更快，直到1995年的358ppmv。從18世紀後葉至1994年，二氧化碳含量增加了30%。這些增加量主要是來自燃燒化石燃料、水泥製造及土地利用。煤及石油中的碳在燃燒過程中被氧化成二氧化碳；石灰岩被製成水泥的過程中也釋出二氧化碳；土地的開發利用不但減少了植物吸收二氧化碳的量，也加速殘枝敗葉的腐壞而產生二氧化碳。我們現在所使用的煤大多是石炭紀( 三億多年前 )的樹木因某種原因被掩埋在地層之中，逐漸形成的化石。三億多年前植物吸收太陽輻射所遺留下來的能量，近代人類卻在一、二百年之間就將之消耗殆盡。除了二氧化碳，甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物( CFC
23、)等溫室氣體皆因人口的增加、經濟活動日趨活絡，而迅速增加圖3-9)。比如，從工業革命之前到1994年，甲烷含量由700ppbv(part per billion by volume，十億分之一)增加到1721ppbv；氧化亞氮由275ppbv增加到311ppbv。CFC為人造化學物質在1950年代才大量出現，而後迅速增加。最近由於蒙特婁公約禁用氟氯碳化物，其含量在1990年代已不再增加。五、溫室氣體的影響與二氧化碳相比，甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物的溫室效應更高。比如，一個甲烷分子的溫室效應是一個二氧化碳分子的21倍，氧化亞氮為206倍，氟氯碳化物則為數千倍到一萬多倍。不過由於二氧化碳含量遠大於
24、其他氣體含量，因此二氧化碳的溫室效應仍是最大的。圖3-10為1980到1990之間各種人造溫室氣體造成的大氣中輻射增加的比例。二氧化碳的效應佔了55%，甲烷15%，氧化亞氮6%，氟氯碳化物(CFC；破壞平流層臭氧的元兇；見第五章)則共佔了24%。溫室氣體的另一個特性是它們在大氣中停留的時間(亦即，生命期)相當的長。如表3.2所列，二氧化碳的生命期為的生命期為50 200年，甲烷1217年，氧化亞氮為120年，CFC-12為102年。這些氣體一旦進入大氣，幾乎無法回收，只有靠自然的過程讓它們逐漸消失。由於它們在大氣中的長生命期，溫室氣體的影響是長久的而且是全球性的。從地球任何一角落排放至大氣的二
25、氧化碳分子，在它長達100年的生命期中，有機會遨遊世界各地，影響各地的氣候。即使，人類立刻停止所有的人造溫室氣體的排放，從工業革命之後，累積下來的溫室氣體仍將繼續發揮它們的溫室效應，影響地球的氣候。六、懸浮微粒人類的經濟活動不止產生溫室氣體，還製造了大量的懸浮微粒。它們產生冷卻作用，對大氣輻射的淨效應與溫室氣體相反。懸浮微粒是飄浮在空氣中的微小顆粒( 直徑在0.00110m之間 )的總稱，有自然及人造的。自然懸浮微粒有火山灰、塵灰( soil dust；大部份產自北非及亞洲的沙漠地區 )、海鹽懸浮微粒( sea salt aerosol )等。人造懸浮微粒有工業灰塵( industrial d
26、ust；大多為燃燒不完全產生的雜質 )，煤煙( soot )，硫酸鹽( sulfate )及硝酸鹽( nitrate )懸浮微粒等。大顆粒的懸浮微粒受重力牽引很快就掉落地表，留在大氣中的時間很短，對氣候的影響不大。顆粒太小的懸浮微粒，雖然數量最多，但是所佔的質量及表面積太小，對氣候的影響也不大。因此，影響氣候最大的懸浮微粒的直徑大約在 0.11m之間。懸浮微粒吸收輻射，也散射太陽輻射。在懸浮微粒存在的高度，氣溫可能升高，其他區域則變冷。比如，近地表的煤煙吸收了短波輻射，使對流層變暖，但是地表吸收的太陽輻射量卻減少，氣溫因此下降。又如，平流層中的火山灰吸收大氣長波輻射，使平流層溫度上升，但是它的
27、強散射效應，增加反照率，減少進入對流層的太陽輻射量，反使地表附近氣溫下降。一般而言，大部份懸浮微粒( 除了煤煙 )加諸於對流層的輻射效應為冷卻作用。懸浮微粒的另一作用是充當雲凝結核( cloud condensation nuclei )。水汽是看不到的，我們看到的雲是水滴或冰晶形成。 小水滴形成雲要有凝結核，它的大小約0.10.2m，與我們所考慮的懸浮微粒大小相當。一旦生成，小水滴可以在數分鐘內形成2000m的雨滴。以體積而言，成長了1012倍。即使是沒有任何雜質，水汽如果達到飽和也會凝結。但是雜質(如 鹽、懸浮微粒等 )的存在，使得水汽未達到飽和就開始凝結( 正如鹽容易受潮結塊 )。譬如，
28、一個半徑 0.4m的小水滴，如果溶有10-15克的鹽，則水滴表面的飽和水汽量相當於相對濕度99.6%。亦即，此一小水滴可以在水汽未飽和的環境下，吸取週遭的水汽而不斷成長變大。一旦空氣中的水汽凝結成凝聚在一起的小水滴，就形成可見的雲。許多懸浮微粒就具有雲凝結核的特性，它們可以增加小雲滴( cloud droplet )的數量，而且進一步增加雲的反照率。考慮等量的水汽量，如果雲滴數量多，則每一個雲滴分配到的水汽較少，雲滴的尺寸也因此偏小；相反的，如果雲滴數量少，則雲滴的尺寸較大。一般而言，雲滴較小，雲的反照率較大。另外，小尺寸的雲滴不容易形成降水，因為它們太輕了，可能根本就不會掉下來，也可能在下降
29、途中很快就蒸發掉了。大氣懸浮微粒含量增加，可能造成下列的影響: 雲內的雲滴數目增加，尺寸偏小不易形成降水，雲的生命期因此變長。地球的平均反照率為0.3，其中雲的貢獻為0.2。如果大氣中的雲量及雲的反照率增加，而且生命期變長，地球的反照率可能變大。換言之，大氣及地表吸收了較少的太陽輻射。由以上的討論，我們知道過多的懸浮微粒充當凝結核對地球大氣的間接影響是輻射冷卻，可能使得對流層及地表氣溫降低。然而，不可諱言的是，科學界對懸浮微粒的間接影響的了解，仍相當有限。不同於溫室氣體在大氣中的長生命期，對流層內的懸浮微粒的生命期大約只有一週。它們一旦進入對流層，有的受重力影響掉落地面，有的溶解於雨水之中，形
30、成酸雨。溫室氣體的長生命期，使之能隨大氣環流的傳送均勻地散布世界各地。懸浮微粒則因短生命期，能被傳送的距離不長，大多散布在污染源附近的區域。因此，它的分布是區域性的，而非全球性的。此一特性可以清楚地從人造硫酸鹽懸浮微粒含量的分布圖(圖3-11)看出: 含量最高的地區都在北半球，如美國東部、歐洲及中國，南半球含量則遠小於北半球含量。七、輻射作用量人類的經濟活動製造了溫室氣體及懸浮微粒，前者產生暖化作用，後者則產生冷卻作用。很顯然的，人造的溫室效應可能因為懸浮微粒的冷卻作用效應，而被低估了。溫室氣體與懸浮微粒的特性相當不同：( a ) 溫室氣體產生溫室效應，懸浮微粒產生冷卻效應。( b ) 溫室氣
31、體具有長生命期，懸浮微粒生命期很短。( c ) 溫室氣體的分布是均勻、全球性的，懸浮微粒的分布卻是不均勻、區域性的。因為這三個不同的特質，溫室氣體及懸浮微粒的影響也截然不同。它們的直接影響是改變地球輻射平衡狀態。科學家計算輻射作用量(radiative forcing)來評估它們的直接影響。長期而言，在不受異常干擾(如，空氣污染，火山爆發)的情況下，地球大氣應處於輻射平衡狀態，亦即淨輻射量為零(放射的輻射量等於吸收的輻射量)。一旦不平衡，地球大氣的溫度勢必升高( 如果，淨輻射量為正 )或降低( 如果，淨輻射量為負 )，直到 調整至另一個輻射平衡的溫度。所謂輻射作用量，是指大氣特性(如，二氧化碳
32、含量、雲量等)有所變化時，相對應的淨輻射的改變量。對於全球(或氣候)變遷而言，我們最關切的是對流層/地表此一系統所承受的輻射作用量。圖3-12是從工業革命前至目前，由於溫室氣體( CO2，CH4，N2O，CFC-11 ，CFC-12 ，圖3-12b )以及人造硫酸鹽懸浮微粒(圖3-12a)含量變化所造成的輻射作用量。圖3-12c則是兩者合併之後的淨輻射作用量。溫室氣體的輻射作用量分布相當均勻，而且大都在2.5Wm-2與1Wm-2之間。它的分布受到溫度、濕度及雲量分布的影響。比如，低緯地區的值大於高緯地區，熱帶地區大洋東半部的值比西半部大，沙漠地區( 如，撒哈拉沙漠 )有相對大值，而熱帶對流旺盛
33、區域( 如，西太平洋、南美、非洲 )則值偏小。懸浮微粒的輻射作用量則分布相當不均勻，呈現高度的區域性。最大值發生於美國東部、歐洲、東亞、南美及南非西岸，都是人造污染較嚴重的區域。其他地區則未受到明顯的影響。目前的估計顯示，雖然懸浮微粒的冷卻作用不可忽視，仍然小於溫室氣體的溫室效應，因此兩者的淨輻射作用量在世界各地仍是正值。淨輻射作用量最小的區域，也是懸浮微粒冷卻效應最明顯區域。IPCC科學家估計了從1850年到1990之間，大氣成份改變造成的輻射作用量。圖3-13中的全球及年平均輻射作用量是他們認為的最佳估計值。溫室氣體為2.45Wm-2 ，誤差範圍為 15%。其中二氧化碳為 1.56 Wm-
34、2，甲烷0.47 Wm-2 ，氧化亞氮014 Wm-2 ，CFC-11 0.06 Wm-2 ，CFC-12 0.14 Wm-2 ，其他氣體 0.08 Wm-2。懸浮微粒的直接影響為-0.25-0.9 Wm-2，間接影響為 0-1.5 Wm-2，兩者的疊加效應為 -0.3-3 Wm-2。但是因為科學界對懸浮微粒及其影響的了解仍舊十分有限，上述估計值的誤差範圍很大。IPCC科學家指出，懸浮微粒的輻射作用量的估計值，未來仍可能有大幅度的修正。近年來，由於人造氟氯碳化物破壞臭氧，使得平流層臭氧含量降低，減少短波輻射的吸收量，平流層的溫度因而下降。較冷的平流層提供給對流層的長波輻射量也因此降低，造成了負
35、輻射作用量。另一方面，較多的短波輻射穿透平流層，為對流層大氣吸收，其輻射作用量為正值。科學家目前的估計是負輻射作用量大於正輻射作用量，淨作用量為 -0.1-0.2 Wm-2 ，但是估計值的誤差範圍頗大。同時，因為空氣污染，對流層內臭氧含量逐年增加，它的溫室效應則造成了約0.20.6 Wm-2 的正輻射作用量。在同一段時期，太陽輻射強度也有些微增加，相當於0.3 Wm-2 的正輻射作用量。科學家竭盡所能地探討大氣成份變化對氣候變遷的可能影響。首要的任務為了解自工業革命以來的淨輻射作用量的變化。但是，由於基本資料的欠缺，了解不足等種種因素，科學家僅能對溫室氣體的輻射影響作出較有信心的估計，對於其他
36、大氣成份變化的估計，可信度仍舊不高。八、對氣候的影響溫室氣體的影響長遠而且是全球性的，懸浮微粒的影響則是短暫而且是區域性的。人造溫室氣體產生的溫室效應在許多地區因為懸浮微粒的冷卻效應，可能被低估了。在此種情況下，出現了一種吊詭的可能性。假設人類立即停止燃燒化石燃料，懸浮微粒含量將立即下降至自然含量，它的冷卻效應也將停止作用；而以往遺留下來的人造溫室氣體仍舊繼續發揮其溫室效應，暖化地球。在此種情況下，我們無法排除地球暖化反而加劇的可能性。科學家不僅不確定懸浮微粒輻射作用量的大小，更不確定它對氣候的淨效應。即使，溫室氣體的溫室效應恰好與懸浮微粒的冷卻效應平衡，淨輻射作用量為零。它們對氣候是否就毫無
37、影響答案是否定的。因為氣候的運作並不取決於全球淨輻射量的大小。任一地區，因為能量不平衡產生的擾動都可能影響全球氣候。譬如，青康藏高原在夏季是北半球的一個大熱源，它的影響遍及世界各地。同樣的，任何一個區域內的懸浮微粒冷卻效應所引發的大氣擾動，也可能影響到其他地區的氣候。科學家懷疑近百年來全球平均溫度的上升與溫室氣體含量增加有關。理論上，這當然是可能發生的。但是，若從嚴謹的科學角度看，我們可以輕易發現許多令人迷惑之處。譬如，本章中提到的懸浮微粒的冷卻作用，它到底有多強淨效應為何又如，如果比較18世紀以來的溫室氣體含量與全球平均溫度的變化曲線，我們發現兩者雖然大趨勢類似，卻有許多不一致的細節。比如，
38、工業革命以後，大氣二氧化碳含量就快速增加，但是為何溫度在19世紀末才明顯上升？小冰期這一自然的氣候變遷有何影響又如，1950年代以來，溫室氣體含量增加速率更快，但為何1950-1970年代的溫度偏低？另外氣候是由數不清的物理過程交互作用而形成的。目前，科學界對許多問題仍不甚了解。根據衛星觀測資料，雲的輻射作用量為-17Wm-2。亦即，如果沒有雲，氣候可能更暖。雲量的些許變化所造成的輻射作用量就已經與溫室氣體的溫室效應相當( 過去100年為2.45 Wm-2)。近10年來，經由衛星觀測，科學界對雲/輻射關係的了解與日俱增，但仍有限。低雲傾向於冷卻對流層，但高雲則具增溫作用。如果二氧化碳加倍，大氣
39、中的水汽含量可能增加，那麼雲的分布會有何種變化呢不同雲類的增減，對氣候可能有完全不同的影響。而雲的影響只是諸多我們不甚了解的物理過程之一。九、結語在本章中，我們介紹了溫室氣體與懸浮微粒的基本特性以及它們對地球輻射平衡狀態的影響，也探討了大氣成份變化的可能影響。本章所舉的例子突顯了人類對氣候的了解有限，科學家並不十分了解人造污染會使地球氣候變得更暖或更冷，尤其是區域氣候。但是，我們可以確定的是，任何形式的大規模污染都可能改變氣候。在我們對氣候變遷過程仍處於懵懂未知的情況，任何人為的影響都是相當不智的。也因為如此，氣候變遷甚至全球變遷的議題，更值得我們關心。十、參考資料：1.Ahrens, C. D., 1991: Meteorology Today. West Publishing Company, St. Paul, 576pp.2.Global Change:An introduction魏國彥、許晃雄 編著