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何謂‘溫室效應’

‘溫室效應’是指地球大氣層上的一種物理特性。假若沒有大氣層,地球表面的平均溫度不會是現在 合宜的15℃,而是十分低的-18℃。這溫度上的差別是由於一類名為溫室氣體所引致,這些氣體吸收紅外線輻射而影響到地球整 體的能量平衡。在現況中,地面和大氣層在整體上吸收太陽輻射後能平衡於釋放紅外線輻射到太空外(圖一)。但受到溫室氣體的 影響,大氣層吸收紅外線輻射的份量多過它釋放出到太空外,這使地球表面溫度上升,此過程可稱為‘天然的溫室效應’。但由 於人類活動釋放出大量的溫室氣體,結果讓更多紅外線輻射被折返到地面上,加強了‘溫室效應’的作用。

簡略說明大氣層長期輻射平衡情況圖像

圖一簡略地說明地球大氣層的長期輻射平衡情況。太陽總輻射量(240瓦每平 方米)和紅外線的釋放量應要均等。其中約三分之一(103瓦每平方米)的太陽輻射會被反射而餘下的會被地球表面所吸收。此外,大氣 層的溫室氣體和雲團吸收及再次釋放出紅外線輻射,使到地面更暖,高出約33℃。

(來源: Intergovernmental Panel on Climate Change, 1994: Radiative Forcing of Climate Change and An Evaluation of the IPCC IS92 Emission Scenarios, Cambridge University Press, U.K.)

 

溫室氣體種類

溫室氣體佔大氣層不足1%。其總濃度需視乎各‘源’和‘匯’的平衡結果。‘源’是指某些化學或物理過程使到溫室氣體濃 度增加,相反‘匯’是令其減少。人類的活動可直接影響各種溫室氣體的‘源’和‘匯’而因此改變了其濃度。

大氣層中主要的溫室氣體可有二氧化碳(CO2),甲烷(CH4),一氧化二氮(N2O),氯氟碳 化合物(CFCs)及臭氧(O3)。大氣層中的水氣(H2O)雖然是‘天然溫室效應’的主要原因,但普遍認為它 的成份並不直接受人類活動所影響。表一顯示了一些溫室氣體的特性。

 

‘全球變暖潛能’(Global Warming Potential)

各種溫室氣體對地球的能量平衡有不同程度的影響。為了幫助決策者能量度各種溫室氣體對地球變暖的影響,‘跨政府氣候轉變 委員會’ (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)在1990年的報告中引入‘全球變暖潛能’的概念。‘全球變暖潛能’ 是反映溫室氣體的相對強度,其定義是指某一單位質量的溫室氣體在一定時間內相對於CO2的累積輻射力*。表二列出 ‘跨政府氣候轉變委員會’報告內一些溫室氣體的‘全球變暖潛能’。對氣候轉變的影響來說,‘全球變暖潛能’的指數已考慮到 各溫室氣體在大氣層中的存留時間與及其吸收輻射的能力。在計算‘全球變暖潛能’的時候,是需要明瞭各溫室氣體在大氣層中的 演變情況(通常不太了解)和它們在大氣層的餘量所產生的輻射力(比較清楚知道)。因此,‘全球變暖潛能’含有一些不確定因素, 以CO2作為相對比較,一般約在±35%。

*輻射力的定義是由 於太陽或紅外線輻射份量的轉變而引致對流層頂部的平均輻射改變。輻射力影響了地球吸收和釋放輻射的平衡。正值的輻射力會使地球 表面變暖,負值的輻射力使地球表面變涼。

 

溫室氣體濃度的轉變

i) 二氧化碳(CO2)

夏威夷的冒納羅亞觀象台在1958年已開始對大氣層CO2濃度作仔細量度。表二顯示CO2在大氣層中 的每年平均濃度由1958年約315ppmv(百萬份之一體積)升至1997年約363ppmv。冒納羅亞觀象台的數據亦反映了每年在北半球因為植 物呼吸作用而產生的週期變化:CO2濃度在秋冬季時增加而在春夏季時減少。與北半球比較,這種隨著植物生長及凋萎 的CO2濃度週年變化在南半球的出現時間是剛剛相反,而且變化幅度較小,這種現象在赤度附近地區則完全看不到。

大氣層的二氧化碳每月平均混合比圖表

圖二. 大氣層CO2的每月平均混合比。 ()表示1974年5月 以前的數據,取自Scripps Institution of Oceanography。 ()表示1974年5月以後的數據,取自U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration。( )表示每月平均值的長期趨勢。

 

ii) 甲烷(CH4)

CH4在大氣層中的增長速度已在近十年減少下來,尤其在1991至1992年間有明顯的下降,但在1993年後期亦有 些增長。1980至1990的平均增長速度是每年13ppbv(十億份之一體積)。

大氣層中的甲烷平均混合比圖表

圖三. 在夏威夷冒納羅亞觀象台收集的空氣樣本顯示大氣層中CH4的平均混合比。藍點表示量度數據,紅線 和綠線分別表示CH4混合比短期和長期的變化。

 

iii) 一氧化二氮(N2O)

從過往40年間,N2O的平均升幅是每年0.25%(見圖四)。現時在對 流層的N2O濃度在312到314ppbv左右。

大氣層中的一氧化二氮平均混合比圖表
 

圖四. 大氣層中N2O的每月平均混合比。

 

iv) 氯氟碳化合物(CFCs)

在各種氯氟碳化合物中,以CFC-11及CFC-12較為重要,因為其濃度比較高與及它們對平流層內的O3有很大影響。 在多種人造的氯氟碳化合物中,以CFC-11及CFC-12的濃度最高,分別約為0.27及0.55ppbv(量度於冒納羅亞觀象台,1997,見圖五 和六)。從它們的‘全球變暖潛能’數值,顯示這兩種氣體吸收紅外線輻射的能力相當高,估計在八十年代期間除了CO2以 外,CFC-11及CFC-12在所有溫室氣體中對輻射力的影響已佔了三份之一。

大氣層中的CFC11平均混合比圖表

圖五. 大氣層中CFC-11的每月平均混合比。

 

大氣層中的CFC12平均混合比圖表 

圖六. 大氣層中CFC-12的每月平均混合比。

*圖二至六取自夏威夷冒納羅亞觀象台

 

 

‘溫室效應’增強後的影響

i) 氣候轉變:‘全球變暖’

溫室氣體濃度的增加會減少紅外線輻射放射到太空外,地球的氣候因此需要轉變來使吸取和釋放輻射的份量達至新的平衡。 這轉變可包括‘全球性’的地球表面及大氣低層變暖,因為這樣可以將過剩的輻射排放出外。雖然如此,地球表面溫度的少許 上升可能會引發其他的變動,例如:大氣層雲量及環流的轉變。當中某些轉變可使地面變暖加劇(正反饋),某些則可令變暖過 程減慢(負反饋)。

利用複雜的氣候模式,‘政府間氣候變化專門委員會’在第三份評估報告估計全球的地面平均氣溫會在2100年上升1.4至5.8度。這預計已考慮到大氣 層中懸浮粒子傾於對地球氣候降溫的效應與及海洋吸收熱能的作用 (海洋有較大的熱容量)。但是,還有很多未確定的因素會影響 這個推算結果,例如:未來溫室氣體排放量的預計、對氣候轉變的各種反饋過程和海洋吸熱的幅度等等。

ii) 海平面升高

假若‘全球變暖’正在發生,有兩種過程會導致海平面升高。第一種是海水受熱膨脹令水平面上升。第二種是冰川和格陵蘭及南 極洲上的冰塊溶解使海洋水份增加。預期由1900年至2100年地球的平均海平面上升幅度介乎0.09米至0.88米之間。。

 

 


對人類生活的潛在影響

i) 經濟的影響

全球有超過一半人口居住在沿海100公里的範圍以內,其中大部份住在海港 附近的城市區域。所以,海平面的顯著上升對沿岸低窪地區及海島會造成嚴重的經濟損害,例如:加速沿岸沙灘被海水的沖蝕、 地下淡水被上升的海水推向更遠的內陸地方。

ii) 農業的影響

實驗證明在CO2高濃度的環境下,植物會生長得更快速和高大。但是,‘全球變暖’的結果可會影響大氣環流,繼 而改變全球的雨量分佈與及各大洲表面土壤的含水量。由於未能清楚了解‘全球變暖’對各地區性氣候的影響,以致對植物生態所 產生的轉變亦未能確定。

iii) 海洋生態的影響

沿岸沼澤地區消失肯定會令魚類,尤其是貝殼類的數量減少。河口水質變鹹可會減少淡水魚的品種數目,相反該地區海洋魚類的 品種也可能相對增多。至於整體海洋生態所受的影響仍未能清楚知道。

iv) 水循環的影響

全球降雨量可能會增加。但是,地區性降雨量的改變則仍未知道。某些地區可有更多雨量,但有些地區的雨量可能會減少。此外 ,溫度的提高會增加水份的蒸發,這對地面上水源的運用帶來壓力。


 

表一:幾種主要溫室氣體的特性

溫室氣體

對氣候的影響

二氧化碳

(CO2)

1) 燃料

2) 改變土地的使用 (砍伐森林)

1) 被海洋吸收

2) 植物的光合作用

吸收紅外線輻射,影響大氣平流層中O3的濃度

甲烷

(CH4)

1) 生物體的燃燒

2) 腸道發酵作用

3) 水稻

1) 和OH起化學作用

2) 被土壤內的微生物吸取

吸收紅外線輻射,影響對流層中O3及OH的濃度,影響平流層中O3和H2O的濃度, 產生CO2

一氧化二氮

(N2O)

1) 生物體的燃燒

2) 燃料

3) 化肥

1) 被土壤吸取

2) 在大氣平流層中被光線 分解與及和O起化學作用

吸收紅外線輻射,影響大氣平流層中O3的濃度

臭氧

(O3)

光線令O2產生光化作用

與NOx,ClOx及HOx等化合物的催化反應。

吸收紫外光及紅外線輻射

一氧化碳

(CO)

1) 植物排放

2) 人工排放(交通 運輸和工業)

1) 被土壤吸取

2) 和OH起化學作用

影響平流層中O3和OH的循環,產生CO2

氯氟碳化合物

(CFCs)

工業生產

在對流層中不易被分解,但在平流層中會被光線分解和跟O產生化學作用

吸收紅外線輻射,影響平流層中O3的濃度

二氧化硫

(SO2)

1) 火山活動

2) 煤及生物體的燃燒

1) 乾和濕沉降

2) 與OH產生化學作用

形成懸浮粒子而散射太陽輻射

 


 

表二: 各種溫室氣體的‘全球變暖潛能’

溫室氣體

留存期 (年)

全球變暖潛能

20年

100年

500年

二氧化碳 (CO2)

未能確定

1

1

1

甲烷 (CH4)

12.0

62

23

7

一氧化二氮 (N2O)

114

275

296

156

氯氟碳化合物 (CFCs)

--

--

--

--

i)

CFCl3 (CFC-11)

45

6300

4600

1600

ii)

CF2Cl2 (CFC-12)

100

10200

10600

5200

iii)

CClF3 (CFC-13)

640

10000

14000

16300

iv)

C2F3Cl3 (CFC-113)

85

6100

6000

2700

v)

C2F4Cl2 (CFC-114)

300

7500

9800

8700

vi)

C2F5Cl (CFC-115)

1700

4900

7200

9900

*排放1Kg該種溫室氣體相對於1Kg CO2 所產生的溫室效應(資料來自政府間氣候變化專門委員會第三份評估報告,2001)

最近修訂日期: <2014年4月16日>