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星期四, 2013年 7月 25日

全球變暖 ─ 誰主浮沉?

因為水汽在大氣的濃度遠較二氧化碳高、吸收紅外線輻射的能力比二氧化碳強,有些說法指大氣中最重要的溫室氣體是水汽而不是二氧化碳,企圖消除人們對二氧化碳排放不斷增加的憂慮。然而,科學事實是:在眾多引致地球氣候變暖的因素中,二氧化碳排行第一。要理解為甚麼是二氧化碳而不是水汽在控制地球溫度,我們須要明白這兩種溫室氣體的特性。

水汽是可凝固的氣體,停留在大氣的時間約為一個星期至十日。它在大氣中的濃度會受空氣溫度的影響而改變:較暖 (冷) 的大氣可盛載較多 (少) 水汽。由於大氣對流層[1] 的溫度一般隨高度增加而降低,大部份水汽集中在對流層較低的位置。

另一方面,二氧化碳是一種在大氣中充份混合的溫室氣體,它停留在大氣的時間可長達多個世紀。在不可凝固的溫室氣體中,二氧化碳的濃度最高。與水汽相比,在愈高的大氣中,二氧化碳阻擋熱力離開地球的能力會愈顯重要。試想像地球表面散發出的紅外線輻射會被接近地面一層大氣中的溫室氣體所吸收然後再往多個方向散發開去。其中往上走的輻射會被更高層的大氣中的溫室氣體所吸收然後再散發開去 (圖一)。隨著高度增加,空氣愈趨稀薄、寒冷和乾燥。換言之,愈是往上空走,愈少水汽存在及發揮其溫室效應,但與大氣充份混合及不會凝固的二氧化碳卻仍繼續在工作。此外,水汽和二氧化碳所吸收的紅外線波長是不同的,一些紅外線輻射可能會穿過水汽,但卻會被二氧化碳攔截。所以,二氧化碳才是最後的「守門員」,阻止熱力逃逸到太空。

那水汽在全球暖化中究竟扮演著一個甚麽角色呢?由於水汽亦是一種溫室氣體,它存在於大氣中的確會提升地球溫度。但是,現今的氣候科學告訴我們:它所扮演的只是一個配角。當大氣因其他的溫室氣體存在而暖化後,大氣便可盛載更多水汽,隨著水汽增加,大氣中的溫室效應亦隨之而增強。據估計,水汽差不多可以把大氣中二氧化碳所造成的溫室效應放大一倍。但我們必須注意,事情也可以往相反的方向發展:較冷的大氣容納水汽的能力會降低,過多的水汽便會凝固,溫室效應亦會隨之減少。

大氣中像二氧化碳這類不可凝固的溫室氣體才是全球變暖持續的關鍵,這可以由一個在數年前美國太空總署一班科學家利用先進的氣候模型進行的模擬實驗來顯示[2]。當他們從氣候模型中拿走所有不可凝固的溫室氣體,模擬結果顯示地球表面溫度會在十年內急速下降至攝氏零下15 度,而水汽亦會大幅減少約百份之九十 (圖二)。這個實驗清楚顯示二氧化碳才是地球溫度的主控鈕。



李細明、唐恒偉


參考資料:

[1] zh.wikipedia.org/wiki/對流層

[2] Atmospheric CO2: Principal Control Knob Governing Earth's Temperature. Andrew A. Lacis, et al. Science 330, 356 (2010); DOI:10.1126/science.1190653.


圖一

圖一      溫室效應。



圖二

圖二      從氣候模型中移除所有不可凝固的溫室氣體後,模擬全球表面溫度(黑色線,
尺度在左軸)及水汽(淺藍色線,尺度在右軸)隨時間的變化 (源自
Atmospheric CO2: Principal Control Knob Governing Earth's Temperature. Andrew
A. Lacis, et al. Science 330, 356 (2010); DOI: 10.1126/science.1190653. 蒙允轉載
自 The American Association for the Advancement of Science。註:未經授權,
不得轉載圖片,詳情請參閱英文版本)。




最近修訂日期: <2013年9月27日>