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1 Courtesy of the U.S. National Aeronautics and Space Administration. A 2001年5月2日北大西洋海面溫度的 星照片 紅 綠 藍分別代表溫暖 中和及寒冷水溫 左邊黑影部分是美國東 岸 雲層所遮蔽部份以白色表示 自左下角往東北方向延伸的暖水帶顯示強大的灣流 Gulf Stream 驅使高溫海水從低緯 Courtesy of the U.S. National Aeronautics and Space Administration. 流向高緯地區 其細節表明與灣流相連的各類渦旋極端複雜 B 全球海洋輸送帶示意圖 白帶表示大洋表層的暖流 藍帶表示底層的冷流 此圖顯示溫鹽環流在北大西洋沉降到底 層 而這環流圈的表層和底層都與印度洋及太平洋相連接 輸送帶在印度洋及太平洋的詳細結構在目前尚未完全確定

2 科 技 文 化 : 專 論 在 大 氣 與 海 洋 之 間 劉 雅 章 陳 方 正 北 冥 有 魚, 其 名 為 鯤, 鯤 之 大, 不 知 其 幾 千 里 也 化 而 為 鳥, 其 名 為 鵬, 鵬 之 背, 不 知 其 幾 千 里 也 怒 而 飛, 其 翼 若 垂 天 之 雲 是 鳥 也, 海 運, 則 將 徙 於 南 冥, 南 冥 者, 天 池 也 鵬 之 徙 於 南 冥 也, 水 擊 三 千 里, 扶 搖 而 上 者 九 萬 里, 去 以 六 月 息 者 也 莊 子. 逍 遙 遊 人 類 所 感 受 於 大 自 然 最 直 接, 最 強 烈, 而 又 最 變 化 多 端 者, 莫 過 於 大 氣 現 象 : 舉 凡 風 雷 雨 電 冰 雪 霜 霰 冷 熱 寒 暑, 都 是 從 覆 蓋 地 球 的 大 氣 運 動 和 變 化 所 生 大 氣 現 象 對 人 類 活 動 的 影 響 是 如 此 重 要 和 深 遠, 整 個 世 界 都 致 力 於 建 立 龐 大 和 周 密 的 大 氣 觀 測 網 絡, 以 為 短 期 氣 象 預 報 和 長 期 氣 候 變 遷 提 供 數 據, 所 以, 在 地 球 環 境 科 學 之 中, 氣 象 學 所 得 資 源 較 多, 發 展 較 快, 那 是 很 自 然 的 當 然, 大 氣 並 不 是 個 封 閉 系 統 : 例 如, 大 家 都 知 道, 它 的 溫 度 和 濕 度 就 深 受 其 下 陸 地 或 者 海 洋 的 影 響 ; 又 例 如, 人 類 大 量 利 用 化 石 燃 料 所 產 生 的 溫 室 效 應 問 題, 多 年 來 也 已 經 為 一 般 人 所 理 解 和 注 意, 甚 至 成 為 大 眾 熟 知 的 國 際 問 題 然 而, 直 到 最 近 才 為 學 者 了 解 的 是 : 大 氣 海 洋 和 溫 室 氣 體 三 者 之 間 的 互 動, 實 在 比 我 們 原 來 認 識 的 要 複 雜 和 微 妙 得 多 在 這 我 們 所 要 報 告 的, 便 是 這 些 新 發 現 的 概 況 在 討 論 這 些 新 發 現 之 前, 我 們 首 先 得 記 住 : 海 洋 是 個 龐 然 大 物, 它 佔 據 的 面 積 和 熱 容 量 超 過 地 表, 密 度 質 量 比 熱 熱 容 量, 變 化 時 間 尺 度 等 等 則 遠 * 在 撰 寫 本 文 的 過 程 中, 作 者 得 到 劉 擎 博 士 普 林 斯 頓 的 諸 位 專 家 學 者 及 二 十 一 世 紀 編 輯 室 同 寅 的 多 方 鼓 勵 和 協 助, 謹 此 致 謝 二 十 一 世 紀 雙 月 刊 2005 年 2 月 號 總 第 八 十 七 期

3 86 科 技 文 化 : 專 論 遠 超 出 大 氣 例 如, 海 洋 覆 蓋 地 球 表 面 積 71%, 平 均 深 度 達 3,800 米, 陸 地 平 均 海 拔 只 有 840 米 ; 海 洋 佔 據 了 地 表 水 總 量 的 97%, 陸 地 系 統 佔 比 例 不 到 1%, 大 氣 僅 佔 %; 海 水 密 度 約 為 海 面 大 氣 密 度 的 800 倍, 海 水 總 質 量 約 為 大 氣 的 280 倍, 其 定 壓 比 熱 是 空 氣 四 倍 以 上 由 於 海 水 熱 容 量 巨 大, 海 洋 所 存 儲 熱 量 的 季 節 變 化 幅 度 達 到 地 表 的 倍, 洋 流 承 擔 了 從 赤 道 到 極 地 之 間 一 半 的 熱 能 傳 輸, 以 平 衡 熱 帶 與 高 緯 度 之 間 不 同 的 輻 射 能 淨 吸 收 深 海 底 部 海 水 替 換 成 新 水 質 需 要 幾 個 世 紀 甚 至 上 千 年 ( 這 稱 為 留 駐 時 間 ), 然 而 在 海 拔 約 十 公 里 以 下 的 大 氣 最 低 層, 相 應 時 間 尺 度 只 有 幾 天 至 一 兩 年 海 洋 生 命 多 樣 性 (biodiversity) 極 高, 它 包 含 多 達 二 十 萬 到 一 千 萬 物 種, 海 洋 生 物 是 陸 地 生 物 門 類 總 量 的 兩 倍 ( 門 [phylum] 是 生 物 分 類 層 次, 其 級 別 僅 在 界 [kingdom] 之 下 ) 全 世 界 年 海 洋 捕 魚 量 達 到 八 千 萬 公 噸, 提 供 了 人 類 所 消 耗 動 物 蛋 白 質 的 16%, 這 百 分 比 在 東 南 亞 居 民 更 達 28% 另 一 方 面, 海 洋 在 受 到 颶 風 火 山 地 震 等 因 素 激 發 而 產 生 的 破 壞 力 量 之 龐 大 與 可 怕, 則 更 由 於 去 年 12 月 26 日 蘇 門 答 臘 海 底 地 震 所 引 發 的 印 度 洋 周 邊 地 區 災 難 性 海 嘯, 而 顯 露 無 遺, 它 在 世 人 心 中 所 造 成 的 創 傷, 所 投 下 的 陰 影, 恐 怕 長 期 也 難 以 消 除 其 次, 海 洋 和 大 氣 之 間 的 互 動 其 實 是 非 常 緊 密 的 這 不 僅 限 於 水 通 過 蒸 發 和 降 雨 而 在 兩 者 之 間 循 環, 或 者 由 於 兩 者 溫 度 差 異 而 產 生 的 熱 能 傳 輸 除 此 之 外, 兩 者 的 互 動 作 用 還 有 動 量 的 耦 合, 即 風 影 響 洋 流 強 度 和 方 向 ; 非 線 性 的 互 動, 例 如 風 生 海 浪, 浪 的 大 小 又 改 變 了 海 洋 和 大 氣 在 接 觸 介 面 上 能 量 與 動 量 的 交 換 強 度 ; 又 或 者 海 洋 吸 收 大 氣 中 過 量 的 二 氧 化 碳, 從 而 影 響 溫 室 效 應, 並 連 帶 影 響 溫 度 等 等 更 需 要 注 意 的 是, 大 氣 和 海 洋 之 間 的 互 動 往 往 形 成 正 反 饋, 也 就 是 說 一 方 的 變 化 或 者 信 號 會 通 過 互 動 而 放 大 加 強, 這 就 會 導 致 複 雜 和 難 以 簡 單 分 析 或 者 預 測 的 混 沌 (chaotic) 現 象 出 現 因 此, 無 論 以 海 洋 或 者 大 氣 為 獨 立 系 統 的 研 究 都 有 極 大 局 限 回 想 本 文 作 者 之 一 ( 劉 雅 章 ) 當 年 攻 讀 大 氣 科 學 的 時 候, 居 然 從 未 有 幸 研 修 任 何 海 洋 學 課 程, 那 實 在 是 很 奇 怪 的 事 情 當 然, 時 代 已 經 改 變 了, 這 兩 門 學 科 的 進 步 以 及 實 際 需 要 已 經 使 得 兩 方 面 的 合 作 越 來 越 密 切, 甚 至, 很 自 然 的, 這 已 經 導 致 兩 個 領 域 出 現 合 併 的 趨 勢, 所 以 許 多 相 關 的 大 學 課 程 已 經 改 名 為 大 氣 與 海 洋 科 學 地 球 科 學 或 者 地 球 系 統 科 學 了 十 年 前, 本 欄 討 論 過 工 業 文 明 所 產 生 各 種 微 量 氣 體 ( 最 主 要 的 是 二 氧 化 碳 和 臭 氧 ) 對 地 球 環 境 的 影 響, 數 年 前 又 詳 細 介 紹 過 海 洋 大 氣 互 動 現 象 中 最 顯 著 的 例 子, 即 熱 帶 太 平 洋 地 區 所 發 生 的 厄 爾 尼 諾 南 方 濤 動 (El Niño-Southern Oscillation, 簡 稱 ENSO)1 本 文 所 要 報 導 的, 便 是 近 年 來 大 氣 海 洋 系 統 研 究 的 三 個 新 發 現, 它 們 充 分 顯 示 了 這 個 龐 大 系 統 中 不 同 部 分 的 耦 合 之 緊 密, 以 及 任 何 一 個 基 本 變 化 所 會 引 起 的 影 響 之 複 雜 與 深 遠 在 人 類 活 動 已 經 成 為 地 球 環 境 變 化 基 本 因 素 之 一 的 今 天, 這 些 發 現 的 重 要 性 是 值 得 我 們 認 真 注 意 和 思 考 的

4 在 大 氣 與 海 洋 之 間 87 一 二 氧 化 碳 失 蹤 之 謎 如 所 周 知, 工 業 革 命 對 環 境 最 根 本 和 長 遠 的 影 響 就 是 大 大 增 加 了 大 氣 中 的 所 謂 溫 室 氣 體, 那 主 要 就 是 由 於 化 石 燃 料 (fossil fuel) 的 應 用 水 泥 製 造 等 活 動 而 釋 放 的 二 氧 化 碳 (CO 2) 它 在 大 氣 中 所 佔 的 比 例 雖 然 極 微, 卻 能 夠 像 溫 室 的 玻 璃 或 者 透 明 塑 料 那 樣, 阻 止 地 表 輻 射 向 外 逃 逸, 從 而 導 致 全 球 變 暖, 所 以 它 對 氣 候 有 關 鍵 性 影 響 我 們 推 測, 它 可 能 導 致 了 地 球 在 近 兩 個 世 紀 一 半 以 上 的 升 溫 因 此, 毫 不 奇 怪, 大 氣 二 氧 化 碳 含 量 變 化 的 研 究 和 測 度 成 為 了 最 受 關 注 的 問 題 古 氣 象 學 家 在 南 極 東 方 站 (Vostok) 鑽 取 了 深 達 二 千 米 的 冰 柱, 他 們 根 據 研 究 這 冰 柱 薄 切 片 中 的 小 氣 泡 發 現, 在 工 業 時 代 前 夕 即 十 九 世 紀 之 初, 大 氣 中 二 氧 化 碳 的 濃 度 大 約 只 有 280 ppm(parts per million, 即 百 萬 分 率,280 ppm = 0.028%); 從 1958 年 開 始, 夏 威 夷 莫 那 勞 亞 (Mauna Loa) 火 山 峰 附 近 的 氣 象 台 則 對 大 氣 中 這 一 微 量 氣 體 直 接 作 定 期 檢 測, 發 現 到 了 1994 年, 其 濃 度 比 之 1800 年 已 經 增 加 28.2%, 即 達 到 359 ppm, 這 相 當 於 大 氣 所 含 碳 總 量 實 際 增 加 了 165 Pg C(1 Pg = 克, 也 就 是 十 億 公 噸,1 Pg C 指 十 億 公 噸 的 碳, 這 是 間 接 衡 量 二 氧 化 碳 總 量 的 單 位 ) 但 奇 怪 的 是 : 在 年 間, 人 為 的 二 氧 化 碳 總 排 放 量 卻 有 244 Pg C 之 多 換 而 言 之, 人 類 活 動 所 產 生 的, 亦 即 所 謂 人 致 (anthropogenic) 二 氧 化 碳, 大 約 只 有 三 分 之 二 停 留 在 大 氣 中 那 麼, 其 餘 的 三 分 之 一 跑 到 哪 去 了 呢? 這 麼 大 量 氣 體 的 儲 存 庫 只 可 能 有 兩 處 陸 地 和 海 洋 陸 地 表 面 太 複 雜 了, 它 對 碳 的 吸 收 是 難 以 精 確 探 測 的, 但 海 洋 則 比 較 簡 單, 所 以, 從 1990 年 代 開 始, 在 一 個 大 型 和 長 期 國 際 合 作 計 劃 推 動 之 下, 海 洋 科 學 工 作 者 已 經 朝 這 個 方 向 全 面 動 員 起 來 他 們 的 研 究 包 括 九 十 五 次 海 洋 巡 航 所 彙 集 的 近 一 萬 次 勘 探 資 料, 以 及 五 年 多 時 間 的 資 料 核 查 和 分 析 幾 個 月 前, 這 項 雄 心 勃 勃 的 研 究 專 案 概 要 性 報 告 發 表 2, 其 主 要 發 現 的 意 義 也 得 到 了 闡 釋 3: 我 們 終 於 可 以 肯 定, 人 致 二 氧 化 碳 的 確 有 很 大 部 分 是 被 浩 瀚 的 海 洋 吸 收 掉 了! 當 然, 海 洋 並 不 是 個 固 定 的 容 器, 它 本 身 的 多 種 生 物 和 化 學 過 程 都 可 能 影 響 海 水 的 二 氧 化 碳 容 量, 所 以 我 們 得 先 用 種 種 精 密 方 法 把 這 些 影 響 排 除, 然 後 推 斷 海 水 中 直 接 從 大 氣 中 的 二 氧 化 碳 增 量 所 構 成 的 部 分 到 底 有 多 少 由 此 而 得 的 結 論 是 : 在 將 近 兩 個 世 紀 間, 在 全 球 海 洋 中 的 人 致 二 氧 化 碳 增 量 為 118 Pg C 奇 怪 的 是, 這 大 約 是 上 文 所 提 到 的 人 致 二 氧 化 碳 排 放 總 量 244 Pg C 的 一 半, 而 並 非 我 們 預 期 的 三 分 之 一 顯 然, 這 兩 者 的 差 額 只 能 用 陸 地 系 統 中 儲 存 的 二 氧 化 碳 來 解 釋 倘 若 將 全 球 氣 候 系 統 ( 大 氣 海 洋 和 陸 地 ) 視 為 整 體, 那 麼 它 必 須 處 於 平 衡 狀 態, 所 以 過 去 二 百 年 間 陸 地 碳 含 量 變 化 應 為 244( 總 排 放 量 )-165( 大 氣 含 量 )-118( 海 洋 含 量 )= -39 Pg C, 也 就 是 說, 陸 地 不 但 沒 有 儲 藏 二 氧 化 碳, 反 而 是 減 少 了 39 Pg C 這 只 能 來 源 於 在 工 業 過 程 以 外, 主 要 是 土 地 使 用 的 變 遷, 例 如 大 規 模 森 林 砍 伐 和 燃 燒 根 據 粗 略 估 計, 這 一 人 為 來 源 在 工 業 時 代 導 致 了 Pg C 的 額 外 排 放 在 扣 除 輸 入 大 氣 和 海 洋 系 統 的 39 Pg C 之 後, 我 們 可 估 計 土 地 利 用 產 生 的

5 88 科 技 文 化 : 專 論 大 氣 化 石 燃 料 土 地 利 用 海 洋 陸 地 圖 1 大 氣 海 洋 陸 地 系 統 中 人 為 排 放 二 氧 化 碳 的 來 源 / 儲 存 及 路 徑 示 意 圖 單 位 :Pg C(10 15 克 的 碳 ) 注 意 海 洋 作 為 一 個 儲 存 庫 接 受 存 放 人 致 二 氧 化 碳 估 算 依 據 C. L. Sabine 等 人 的 研 究, 參 考 註 2 二 氧 化 碳 有 Pg C 歸 還 到 陸 地 生 物 圈 這 整 個 的 人 致 二 氧 化 碳 排 放 循 環 可 以 用 圖 1 來 概 括 從 之 可 見, 海 洋 是 人 致 二 氧 化 碳 的 最 龐 大 儲 存 庫 : 倘 若 沒 有 這 個 儲 存 庫, 那 麼 可 以 推 算, 今 日 大 氣 中 二 氧 化 碳 的 濃 度 就 會 爬 升 到 435 ppm, 而 不 是 實 際 的 380 ppm, 而 地 球 升 溫 的 問 題 也 會 比 目 前 嚴 重 得 多 事 實 上, 海 洋 吸 收 二 氧 化 碳 是 個 非 常 緩 慢 的 動 態 過 程 據 估 計, 目 前 海 洋 對 二 氧 化 碳 的 吸 收 能 力 僅 僅 達 到 其 長 期 潛 能 的 三 分 之 一, 而 大 約 有 90% 的 人 致 二 氧 化 碳 將 最 終 可 以 為 海 洋 吸 收, 但 這 可 能 是 幾 千 年 之 後 的 事 情 了 4 那 麼, 為 甚 麼 這 儲 存 庫 的 大 門 不 能 開 得 大 一 點 呢? 關 鍵 在 於, 大 氣 中 的 二 氧 化 碳 必 須 先 通 過 空 氣 和 海 水 的 界 面 而 溶 解 在 海 洋 表 層, 然 後 才 能 夠 從 表 層 滲 透 進 入 其 內 部 和 深 層, 而 這 些 過 程 的 速 率 決 定 於 許 多 不 同 因 素 根 據 前 述 海 洋 勘 測 資 料, 和 由 是 而 繪 製 的 人 致 二 氧 化 碳 在 海 洋 中 的 三 維 分 布 圖 5, 我 們 可 以 看 到 : 海 洋 中 的 人 致 二 氧 化 碳 大 部 分 存 儲 於 表 層 : 事 實 上, 它 大 約 有 一 半 是 在 深 度 不 超 過 四 百 米 的 海 水 中 但 即 使 海 表 層 的 含 量 也 還 有 顯 著 橫 向 變 化, 即 在 熱 帶 海 域 較 低, 在 溫 帶 海 域 較 高 熱 帶 海 域 含 量 低 有 兩 個 原 因 :(1) 很 多 近 赤 道 地 區 都 出 現 海 水 上 湧 (upwelling) 的 現 象 ;(2) 熱 帶 海 洋 表 層 與 內 部 的 密 度 之 間 存 在 急 劇 增 加 的 梯 度 ( 主 要 由 於 高 溫 和 大 量 降 雨 造 成 表 層 密 度 降 低 ), 兩 者 都 阻 礙 二 氧 化 碳 往 下 滲 透, 從 而 限 制 了 二 氧 化 碳 在 那 些 水 域 的 整 體 含 量 另 一 方 面, 在 北 大 西 洋 和 部 分 南 方 海 洋 等 溫 帶 海 域, 卻 可 以 在 海 水 表 層 觀 測 到 高 濃 度 的 二 氧 化 碳, 這 主 要 是 因 為 此 區 表 層 海 水 呈 現 較 高 密 度 和 鹽 分 含 量 ( 其 原 因 見 下 文 第 三 節 ), 由 是 其 自 身 浮 力 降 低, 其 在 垂 直 方 的 混 合 增

6 在 大 氣 與 海 洋 之 間 89 加, 這 就 為 二 氧 化 碳 提 供 了 有 效 滲 透 到 更 深 層 海 域 的 途 徑, 並 且 提 高 了 該 區 海 水 的 二 氧 化 碳 整 體 含 量 總 而 言 之, 相 當 大 部 分 大 氣 中 的 人 致 二 氧 化 碳 是 被 海 洋 吸 收 了, 吸 收 速 率 取 決 於 海 洋 本 身 的 結 構 ( 即 溫 度 和 含 鹽 度 的 分 布 ) 以 及 運 動 ( 包 括 垂 直 的 湧 流 和 水 平 的 洋 流 ), 而 吸 收 量 目 前 還 遠 遠 未 曾 達 到 飽 和 這 樣, 假 如 二 氧 化 碳 的 排 放 得 以 立 時 受 到 控 制, 從 數 千 年 的 時 間 尺 度 來 看, 我 們 好 像 大 可 不 必 為 溫 室 問 題 而 過 份 擔 憂 了 然 而 不 然, 除 了 產 生 直 接 的 溫 室 效 應 以 外, 大 氣 中 的 二 氧 化 碳 還 有 其 他 更 間 接 微 妙 的 作 用, 而 且 其 至 終 影 響 可 能 是 意 想 不 到 的 巨 大 二 撒 野 的 孩 子 : 暖 氣 候 中 的 厄 爾 尼 諾 所 謂 厄 爾 尼 諾 (El Niño) 是 指 赤 道 太 平 洋 兩 側 的 二 至 七 年 高 溫 ( 厄 爾 尼 諾 ) 和 低 溫 ( 拉 尼 娜 [La Niña]) 的 交 替 循 環 現 象, 其 間 整 個 熱 帶 太 平 洋 流 域 近 海 面 三 百 米 以 內 的 溫 度 和 洋 流 都 會 呈 現 出 明 顯 的 結 構 性 變 化 厄 爾 尼 諾 現 象 和 拉 尼 娜 現 象 ( 西 班 牙 語, 意 思 分 別 為 小 男 孩 和 小 女 孩 ) 是 由 於 海 洋 與 大 氣 之 間 強 烈 耦 合 所 致 : 伴 隨 厄 爾 尼 諾 海 洋 變 化, 南 太 平 洋 上 空 在 東 西 之 間 會 同 時 形 成 海 面 氣 壓 的 拉 鋸 狀 況, 這 稱 為 南 方 濤 動 (Southern Oscillation) 鑑 於 兩 者 之 間 的 密 切 關 係, 所 以 在 1980 年 代 初 我 們 就 開 始 用 ENSO 來 指 稱 這 一 系 列 現 象, 這 可 以 說 是 海 洋 與 大 氣 科 學 結 合 的 象 徵 ENSO 對 全 球 天 氣 以 及 人 類 生 活 是 影 響 極 大 的 : 例 如, 年 間 的 強 ENSO 造 成 了 130 億 美 元 的 經 濟 損 失, 使 至 少 二 千 人 死 於 洪 水 乾 旱 山 火 雪 暴, 以 及 熱 帶 旋 風 等 各 種 天 災 的 襲 擊 6 所 以, 一 個 非 常 自 然 而 緊 迫 的 問 題 就 是 : 這 到 底 和 大 氣 中 溫 室 氣 體 的 增 加 有 沒 有 關 係? 特 別 值 得 注 意 的 是 : 熱 ENSO 現 象 在 最 近 三 十 年 內 出 現 的 頻 率 比 過 去 一 百 年 中 要 高, 其 中 有 兩 次 ( 年 和 年 ) 是 二 十 世 紀 觀 察 記 錄 中 最 強 烈 的 ; 更 奇 怪 的 是, 類 似 厄 爾 尼 諾 的 狀 況 在 年 間 持 續 出 現 ( 見 圖 2) 統 計 資 料 顯 示 7, 就 歷 史 標 準 而 言, 這 些 現 象 都 是 反 常 的, 大 約 每 二 十 個 世 紀 才 會 出 現 一 次 由 於 最 近 ENSO 的 頻 率 和 類 型 實 屬 罕 見, 人 們 有 理 由 推 測 : 它 不 是 氣 候 系 統 的 自 然 變 化, 而 是 與 某 些 外 在 因 素 ( 比 如 由 溫 室 氣 體 導 致 的 氣 候 變 暖 ) 有 關 的 此 外, 我 們 還 得 注 意 :ENSO 會 導 致 地 區 性 乾 旱 和 頻 繁 的 森 林 大 火 (1997 年 厄 爾 尼 諾 在 印 尼 引 起 的 火 災 是 顯 著 的 例 子 ), 從 而 釋 放 大 量 二 氧 化 碳 到 大 氣 中, 所 以 它 和 溫 室 氣 體 的 排 放 是 具 有 正 反 饋 耦 合 的 然 而, 僅 僅 探 究 統 計 性 關 聯 是 不 夠 的 如 果 認 為 溫 室 氣 體 導 致 的 氣 候 變 化 的 確 是 反 常 ENSO 現 象 的 原 因, 那 麼 就 必 須 通 過 氣 候 系 統 的 數 值 模 式 來 驗 證 這 個 假 設 在 模 式 中, 除 了 要 輸 入 海 岸 山 川 地 形 等 地 理 數 據 以 外, 諸 如 風 雲 雨 洋 流 日 照 輻 射 水 文 紊 流 混 合 大 氣 微 量 成 分 生 態 系 統, 以 至 大 氣 海 洋 陸 地 的 耦 合 等 等 因 素, 都 要 運 用 物 理 基 本 規 律 加 以 模 擬 和 表 達 以 這 些 數 值 模 擬 工 具 進 行 的 大 氣 系 統 實 驗 通 常 要 積 分 成 百 上 千 個 模 式 年 例 如 安 裝 在

7 90 科 技 文 化 : 專 論 年 圖 年 至 今 近 赤 道 太 平 洋 中 部 海 面 溫 度 的 時 間 演 化 資 料 顯 示 的 溫 度 是 與 長 期 氣 候 平 均 值 的 差 異 強 烈 的 正 負 值 分 別 表 示 熱 厄 爾 尼 諾 現 象 和 冷 拉 尼 娜 現 象 的 發 生 注 意,1970 年 代 中 期 以 後 厄 爾 尼 諾 現 象 更 為 頻 繁 出 現, 尤 其 是 在 年 和 年 兩 個 顯 著 時 段 ( 以 箭 頭 特 別 標 出 ), 以 及 年 間 的 持 續 高 溫 時 期 ( 以 水 平 線 特 別 標 出 ) 資 料 來 源 : 美 國 國 家 海 洋 和 大 氣 局 日 本 橫 濱 地 球 模 擬 儀 的 電 腦 直 到 最 近 仍 被 列 為 世 界 上 速 度 最 快 的 電 腦 ( 持 續 速 率 為 每 秒 35 兆 次 浮 點 運 算 ) 就 是 專 門 用 於 天 氣 與 氣 候 數 值 實 驗 的 迄 今 為 止, 一 些 已 完 成 的 實 驗 顯 示 8, 倘 若 在 模 式 計 算 中 注 入 更 多 溫 室 氣 體 到 大 氣 中, 就 的 確 會 導 致 沿 赤 道 太 平 洋 地 區 海 面 溫 度 的 變 化, 而 且 這 變 化 在 東 西 方 向 有 所 不 同, 從 而 造 成 了 海 溫 梯 度, 影 響 該 區 的 風 和 洋 流, 以 及 ENSO 的 形 成 和 演 化 有 些 研 究 顯 示, 隨 溫 室 氣 體 進 一 步 增 加,ENSO 可 能 變 得 更 為 頻 繁 和 強 烈 ; 而 且, 與 ENSO 相 關 的 大 氣 和 海 洋 變 化 的 高 峰 期 可 能 從 當 今 的 北 半 球 冬 季 (12 月 至 2 月 間 ) 往 前 移 到 夏 秋 之 間 然 而, 各 種 不 同 的 模 式 實 驗 所 得 到 的 結 果 卻 是 不 一 樣, 甚 至 是 相 反 的 也 就 是 說, 這 些 模 擬 實 驗 目 前 還 未 曾 進 步 到 成 熟 和 可 靠 的 階 段, 我 們 所 能 夠 推 測 的, 只 是 溫 室 氣 體 和 ENSO 可 能 有 些 關 係 而 已, 但 關 係 到 底 如 何, 在 現 時 還 無 法 確 定 然 而, 雖 然 溫 室 氣 體 問 題 對 於 ENSO 和 赤 道 洋 流 的 影 響 還 不 是 那 麼 清 楚, 它 對 大 西 洋 的 洋 流 以 及 歐 洲 氣 候 的 影 響 就 戲 劇 性 得 多, 甚 至 已 經 在 大 眾 傳 媒 上 引 起 轟 動 效 應 了 這 是 我 們 在 下 一 節 要 討 論 的 問 題 三 冰 原 下 的 秘 密 : 新 仙 女 木 會 否 重 臨? 甲 緩 慢 和 突 發 氣 候 變 遷 厄 爾 尼 諾 是 短 暫 的 準 週 期 性 氣 候 變 化, 它 的 效 果 雖 然 嚴 重, 卻 還 在 人 類 社 會 所 能 夠 應 付 的 範 圍 以 內, 對 人 類 文 化 文 明 的 進 程 說 不 上 有 決 定 性 影 響 但

8 在 大 氣 與 海 洋 之 間 91 是, 古 代 出 現 過 多 趟 的 冰 川 時 期 可 就 不 一 樣 了 : 當 時 數 百 米 厚 的 冰 原 覆 蓋 了 歐 亞 和 北 美 洲 大 陸 的 大 部 分, 氣 候 非 常 寒 冷 即 使 以 今 日 的 科 技 文 明 而 言, 倘 若 遭 遇 這 樣 嚴 峻 的 氣 候, 恐 怕 也 將 應 付 維 艱, 絕 大 多 數 人 目 前 的 生 活 方 式 都 必 須 改 變 那 麼, 到 底 是 甚 麼 造 成 那 麼 可 怕 的 冰 川 時 期? 它 還 會 再 來 嗎? 要 回 答 這 問 題 我 們 先 得 了 解, 地 球 表 面 溫 度 決 定 於 它 的 輻 射 能 耗 失 (radiative energy loss) 與 能 量 來 源 這 兩 者 之 間 的 平 衡, 而 能 量 來 源 只 有 太 陽 ( 比 起 太 陽 能, 地 球 內 部 逐 漸 冷 卻 所 釋 放 的 熱 能 是 微 不 足 道 的 ), 所 以 決 定 大 氣 系 統 狀 況 最 根 本 的, 就 是 太 陽 能 的 輸 入 由 於 像 地 球 軌 道 的 偏 心 率 地 球 自 旋 軸 的 傾 斜 歲 差 等 等 天 文 變 化 具 有 二 萬 到 十 萬 年 之 間 的 週 期, 所 以 太 陽 能 和 氣 候 的 根 本 狀 況 也 會 顯 示 出 相 應 的 週 期 性 變 化 這 解 釋 地 球 古 氣 候 中 冰 期 (glacial) 和 間 冰 期 (interglacial) 交 替 出 現 現 象 的 理 論, 最 先 是 由 南 斯 拉 夫 地 質 學 家 米 蘭 科 維 奇 (Milutin Milankovitch) 在 二 十 世 紀 的 年 代 提 出 的 確, 從 分 析 深 海 沉 澱 層 的 同 位 素 所 得 到 的 古 氣 候 記 錄, 就 顯 明 冰 川 期 出 現 的 間 隔 大 約 為 十 萬 年 至 於 對 氣 候 有 決 定 性 影 響 的 其 他 非 天 文 因 素, 例 如 大 陸 漂 移 和 大 氣 成 分 的 自 然 改 變 等 等, 時 間 尺 度 更 長, 大 約 為 一 億 年 從 此 看 來, 氣 候 系 統 的 任 何 重 大 轉 變 都 應 該 以 非 常 緩 慢 的 節 奏 進 行 然 而, 並 非 所 有 巨 大 氣 候 變 遷 都 來 得 這 樣 緩 慢 : 最 近 某 些 氣 候 變 化 的 時 間 尺 度 比 上 面 提 到 的 短 得 多 : 例 如 所 謂 小 冰 川 期 只 持 續 了 幾 個 世 紀 ( );1930 年 代 美 國 中 部 的 塵 暴 (Dust Bowl) 時 期 只 有 大 約 十 年, 其 特 徵 是 持 續 的 乾 旱 和 普 遍 的 溫 度 上 升 ; 前 面 提 到 始 於 1970 年 代 頻 繁 而 強 烈 的 厄 爾 尼 諾 現 象 體 系 則 有 三 十 年 之 久, 這 些 轉 變 都 發 生 得 相 當 突 然 不 過, 最 驚 人 和 壯 觀 的, 則 是 12,800-11,600 年 前 的 所 謂 新 仙 女 木 (Younger Dryas, 即 YD) 時 期, 當 時 總 體 上 正 在 變 暖 的 趨 勢 被 一 個 突 如 其 來 的 1,200 年 寒 冷 期 打 斷, 格 陵 蘭 的 溫 度 在 這 時 期 之 始 於 十 至 二 十 年 間 驟 降 7, 在 此 期 之 末 則 於 數 十 年 間 陡 升 大 約 10 ( 圖 3B), 這 數 量 級 遠 高 出 於 小 冰 川 期 ( 大 約 1 ) 或 者 塵 暴 時 期 ( 小 於 1 ) 上 述 溫 度 變 化 的 資 料 得 自 位 於 格 陵 蘭 高 原 中 部 海 拔 三 千 米 的 頂 峰 站 (Summit Station) 記 錄, 由 對 冰 核 薄 切 片 進 行 同 位 素 分 析 而 得 出 圖 3A 顯 示 了 推 算 所 得 過 去 五 萬 年 的 溫 度 變 化, 從 中 可 見, 格 陵 蘭 的 溫 度 從 二 萬 年 之 前 寒 冷 時 期 ( 這 就 是 距 今 最 近 的 所 謂 冰 盛 期 [Glacial Maximum]) 的 大 約 -45 逐 漸 升 高 到 現 代 時 期 ( 一 萬 年 前 至 今 ) 的 大 約 -30 而 絕 對 意 想 不 到 的 是 : 在 過 去 五 萬 年 間, 新 仙 女 木 事 件 全 然 不 是 獨 特 的, 而 且, 具 有 同 等 幅 度 和 突 發 性 的 類 似 事 件 曾 經 在 更 久 遠 的 過 去 多 次 發 生, 新 仙 女 木 只 不 過 是 這 些 突 發 性 氣 候 驟 變 最 晚 近 的 一 次 結 合 從 格 陵 蘭 以 外 地 區 的 其 他 古 氣 候 記 錄 證 據 ( 包 括 最 近 在 南 京 附 近 葫 蘆 洞 內 鐘 乳 石 的 分 析 ) 還 可 以 發 現, 在 12,000 年 前 的 寒 冷 期, 世 界 許 多 地 區 的 氣 候 都 曾 經 發 生 重 大 變 遷 所 以, 和 我 們 的 預 期 不 一 樣, 歷 史 上 曾 經 多 次 出 現 巨 大 溫 度 突 變 這 些 劇 烈 的 突 變 顯 然 和 地 球 軌 道 或 者 地 殼 板 塊 運 動 並 沒 有 關 係, 所 以 都 不 可 能 用 米 蘭 科 維 奇 理 論 解 釋 那 麼, 它 們 又 是 如 何 形 成 的 呢?

9 92 科 技 文 化 : 專 論 A 千 年 前 B 千 年 前 圖 3 圖 A 顯 示 了 格 陵 蘭 島 中 部 在 50,000 年 前 迄 今 的 溫 度 變 化 在 放 大 了 的 插 圖 B 中, 延 伸 的 時 間 軸 更 為 詳 細 地 顯 示 了 距 今 16,000 年 到 9,000 年 間 的 溫 度 變 化 注 意 在 距 今 12,800 年 至 11,600 年 間,YD 事 件 所 引 發 的 驟 然 降 溫 現 象 ( 在 上 下 兩 個 坐 標 中 都 用 線 段 YD 表 示 ) 時 間 沿 橫 坐 標 自 右 向 左 推 進 圖 片 來 源 :R. B. Alley 對 冰 核 測 算 的 分 析 ( 見 註 9) 事 實 上, 突 發 性 氣 候 變 遷 對 生 態 與 社 會 可 能 造 成 災 難 性 影 響, 甚 至 對 民 族 乃 至 全 人 類 的 命 運 造 成 打 擊 例 如, 有 象 表 明, 西 元 年 瑪 雅 文 化 ( 在 今 日 墨 西 哥 的 尤 卡 坦 半 島 附 近 ) 的 突 然 中 斷, 以 及 西 元 前 2200 年 美 索 不 達 米 亞 北 部 的 雨 水 灌 溉 農 業 文 明 ( 在 今 日 利 亞 附 近 ) 的 消 亡, 都 是 由 氣 候 發 生 急 劇 乾 旱 所 致 從 這 個 角 度 看 來, 最 近 的 電 影 明 日 之 後 (The Day After Tomorrow) 以 新 仙 女 木 事 件 為 題 材 大 加 渲 染, 也 就 不 足 為 奇 了 無 論 如 何, 這 問 題 的 重 要 性 顯 然 不 容 忽 視, 所 以 已 經 引 起 美 國 國 家 研 究 委 員 會 (National Research Council) 的 重 視 和 討 論, 由 此 而 產 生 的 報 告, 可 以 說 是 了 解 這 些 現 象 的 證 據 和 物 理 機 制 的 最 佳 綜 述 9 氣 候 發 生 突 變 的 最 基 本 機 制 是 : 主 宰 氣 候 的 大 氣 和 海 洋 是 個 非 線 性 系 統, 它 具 有 多 種 不 同 的 動 態 平 衡 狀 態, 其 中 有 穩 定 的, 系 統 狀 態 不 會 受 輕 微 擾 動 影 響 ; 有 不 穩 定 的, 即 使 細 微 擾 動 也 會 改 變 它 但 即 使 是 穩 定 狀 態, 由 於 所 謂 觸 發 機 制 的 作 用, 在 特 殊 擾 動 的 幅 度 超 過 某 些 門 檻 值 之 後, 就 會 出 現 狀 態 轉 移 地 質 記 錄 顯 示, 地 球 在 其 歷 史 上 就 經 歷 過 多 種 獨 特 而 穩 定 的 氣 候 狀 態 : 從 大 約 六 億 年 前 大 部 分 被 冰 封 的 雪 球 狀 態 (Snowball Earth), 到 六 千 五 百 至 五 千 五 百 萬 年 前 南 北 兩 極 冰 蓋 都 消 失 的 暖 室 狀 態 (Hot House) 是 其 中 最 極 端 的 例 子 乙 龐 大 的 熱 能 傳 輸 帶 : 溫 鹽 環 流 現 在, 讓 我 們 回 到 YD 事 件 來 關 鍵 問 題 是 : 和 它 有 直 接 關 係 的, 到 底 是 龐 大 氣 候 系 統 之 中 的 哪 一 個 子 系 統? 有 不 少 象 顯 示, 它 就 是 北 大 西 洋 的 溫 鹽

10 在 大 氣 與 海 洋 之 間 93 環 流 (T hermohaline Circulation, 見 圖 4) 這 基 本 上 是 個 由 南 北 方 向 (meridional) 及 垂 直 方 向 (vertical) 洋 流 構 成 的 循 環 圈 以 東 西 向 平 均 的 觀 點 來 說, 這 就 是 從 美 洲 東 岸 至 非 洲 歐 洲 西 岸 之 間 深 約 數 百 米 的 表 層 海 水 整 體 向 北 流 動, 在 其 北 部 邊 緣 ( 從 拉 布 拉 多 海 格 陵 蘭 以 至 挪 威 附 近 ) 沉 降 到 海 的 底 層, 然 後 沿 海 底 向 南 流 動, 由 是 維 持 圖 4 北 大 西 洋 海 域 溫 鹽 環 流 示 意 圖 淺 色 的 分 支 表 示 近 海 面 的 海 水 向 北 的 傳 送 ( 注 意 黑 色 箭 頭 的 方 向 ) 深 色 的 分 支 表 示 了 這 個 環 流 的 連 續 性 驅 動 近 海 底 的 海 水 向 南 的 傳 送 ( 注 意 白 色 箭 頭 的 方 向 ) 沉 降 運 動 和 決 定 這 環 流 的 基 本 力 量 包 發 生 在 拉 布 拉 多 海 格 陵 蘭 海 和 挪 威 海 附 近, 環 流 的 結 構 顯 括 大 洋 在 不 同 緯 度 所 吸 收 太 示 北 大 西 洋 海 域 東 西 向 平 均 的 狀 態 陽 能 的 差 異 和 水 份 蒸 發 差 異 由 地 球 自 旋 所 產 生 的 科 里 奧 利 力 (Coriolis force) 信 風 的 帶 動 等 等, 但 它 在 北 方 的 沉 降, 則 主 要 是 由 於 該 區 表 層 的 海 水 密 度 特 別 高 所 致 海 水 的 含 鹽 量 和 溫 度 決 定 了 其 密 度, 在 北 大 西 洋 鹽 度 (salinity) 對 密 度 影 響 特 別 大, 即 鹽 度 越 高, 密 度 越 大 在 乾 燥 和 陽 光 充 沛 的 亞 熱 帶 地 區 ( 北 緯 度 ), 海 水 蒸 發 作 用 強 烈, 因 此 溫 度 鹽 度 和 密 度 都 很 高, 這 海 水 在 大 西 洋 表 層 向 北 極 方 向 流 動, 在 此 過 程 中 其 鹽 度 由 於 繼 續 蒸 發 而 進 一 步 提 高, 溫 度 則 逐 步 下 降, 所 以 當 到 達 北 緯 60 度 左 右 時, 其 密 度 顯 著 增 高, 自 身 浮 力 則 減 至 很 低, 從 而 達 到 往 下 沉 降 的 臨 界 點 在 這 個 緯 度 範 圍 內, 正 如 本 文 第 一 節 所 提 到 的 那 樣, 下 沉 運 動 的 蔓 延 與 當 地 水 域 的 人 致 二 氧 化 碳 向 深 層 滲 透 是 一 致 的 然 後, 下 沉 水 流 在 海 底 重 新 啟 程, 沿 環 流 圈 返 回 熱 帶 海 域 的 底 層 這 樣, 溫 鹽 環 流 將 暖 水 沿 海 面 向 北 運 送, 而 將 相 對 較 冷 的 水 沿 海 底 送 回 南 方, 在 北 大 西 洋 海 域 形 成 了 傳 送 熱 能 的 龐 大 輸 送 帶 (Conveyor Belt), 它 導 致 了 西 歐 的 氣 候 相 對 溫 和 這 北 向 的 熱 量 傳 輸 有 相 當 部 分 是 由 個 別 洋 流 系 統 完 成, 例 如, 起 源 於 墨 西 哥 加 勒 比 海 灣 區 域 的 灣 流 (Gulf Stream, 見 彩 頁 圖 A), 在 表 層 向 北 流 動 可 以 伸 延 至 挪 威 海 域 此 外, 溫 鹽 環 流 也 與 其 他 海 域 的 環 流 圈 相 連 接, 共 同 構 成 龐 大 的 傳 輸 帶 系 統, 連 通 全 世 界 各 海 洋 的 不 同 水 域 ( 彩 頁 圖 B) 溫 鹽 環 流 頗 為 類 似 大 氣 中 的 哈 得 萊 環 流 (Hadley Circulation): 後 者 的 主 要 形 態 是, 赤 道 附 近 的 空 氣 由 於 強 烈 陽 光 照 射 和 降 雨 所 釋 放 的 能 量 而 變 熱, 從 而 膨 脹 和 上 升, 到 了 南 緯 或 北 緯 30 度 附 近 的 少 雲 亞 熱 帶 地 區, 則 由 於 輻 射 冷 卻 而 收 縮 和 沉 降 這 些 垂 直 方 向 的 氣 流 由 接 近 地 表 的 水 平 赤 道 向 氣 流 以 及 在 高 空

11 94 科 技 文 化 : 專 論 ( 在 大 約 海 拔 十 二 公 里 高 處 ) 的 極 向 氣 流 相 連 通 另 一 方 面, 哈 得 萊 環 流 是 由 低 中 層 大 氣 推 動, 溫 鹽 環 流 則 主 要 由 海 洋 表 層 推 動, 其 產 生 條 件 要 求 更 高, 亦 更 容 易 遭 受 干 擾 丙 溫 鹽 環 流 狀 態 轉 化 的 觸 發 研 究 溫 鹽 環 流 的 各 種 不 同 模 式 顯 示, 這 個 洋 流 系 統 最 少 有 兩 種 穩 定 狀 態, 其 中 一 種 是 目 前 所 出 現 的, 即 是 環 流 非 常 強 勁 和 向 極 地 方 向 傳 輸 大 量 熱 能, 從 而 帶 來 和 暖 氣 候 的 狀 態 ; 另 一 種 則 是 環 流 非 常 微 弱, 甚 至 接 近 於 停 止 的 狀 態 數 值 模 擬 實 驗 顯 示, 這 強 狀 態 和 弱 狀 態 之 間 是 可 能 出 現 相 互 轉 化 的, 轉 化 可 能 由 內 部 的 紊 亂 過 程 所 觸 發, 也 就 是 在 沒 有 外 在 條 件 改 變 的 情 況 下 出 現 另 外 的 模 擬 實 驗 則 顯 示, 轉 化 亦 可 能 是 由 特 定 的 外 在 因 素 所 觸 發, 而 最 可 能 的 有 效 觸 發 機 制, 看 來 就 是 在 大 西 洋 北 部 突 然 出 現 強 大 的 淡 水 入 注 流 這 入 注 流 會 降 低 北 大 西 洋 表 層 海 水 的 鹽 度 和 密 度, 從 而 增 加 其 浮 力, 減 低 其 沉 降 運 動, 溫 鹽 環 流 因 而 會 迅 速 減 慢, 由 是 導 致 它 從 前 述 的 強 狀 態 轉 化 到 弱 狀 態, 在 其 中 極 向 的 熱 能 輸 送 帶 實 際 上 停 頓 下 來, 西 歐 因 而 出 現 嚴 寒 問 題 是, 這 個 強 弱 狀 態 之 間 的 轉 化 機 制, 是 否 就 的 確 是 YD 寒 冷 期 在 極 短 期 間 突 然 出 現, 後 來 又 突 然 結 束 的 關 鍵 呢? 假 如 真 是 這 樣, 那 麼 觸 發 機 制 是 否 也 就 是 強 大 的 淡 水 入 注? 令 人 驚 異 的 是, 我 們 的 確 有 相 當 清 晰 的 地 質 證 據 來 證 明 這 一 點 ; 而 且, 強 大 淡 水 流 的 來 源 也 同 樣 可 以 追 尋 出 來 首 先, 從 海 洋 沉 澱 物 的 同 位 素 分 析 記 錄 可 以 證 實, 在 與 YD 事 件 大 致 相 同 的 時 期, 即 大 約 在 13,000-11,000 年 前, 溫 鹽 環 流 幾 乎 完 全 停 止 運 行 ; 而 化 石 記 錄 則 顯 示, 同 一 時 期 的 歐 洲 處 在 近 似 冰 川 期 的 狀 況 之 中 實 際 上, 所 謂 新 仙 女 木 中 的 仙 女 木 (Dryas) 是 一 種 草 本 植 物, 通 常 只 生 長 於 嚴 寒 的 北 極 地 區 ; 然 而, 在 YD 時 期 歐 洲 卻 出 現 了 它 的 花 粉, 表 明 當 時 的 氣 候 有 如 極 地 其 次, 我 們 又 發 現,YD 事 件 與 羅 倫 太 德 冰 原 (Laurentide ice sheet) 的 融 化 密 切 相 關 在 上 一 個 冰 川 期, 羅 倫 太 德 冰 原 覆 蓋 了 北 美 洲 的 大 部 分 bk 在 大 約 兩 萬 年 前 寒 冷 時 期 結 束, 地 球 逐 漸 轉 暖 ( 圖 3A), 羅 倫 太 德 冰 原 南 端 因 而 迅 速 融 化, 逐 漸 向 北 退 縮 融 化 水 主 要 沿 密 西 西 比 (Mississippi) 流 域 進 入 墨 西 哥 灣, 其 中 部 分 則 在 目 前 加 拿 大 曼 尼 托 巴 (Manitoba) 南 部 低 窪 處 聚 集 成 阿 格 西 湖 (Lake Agassiz, 這 名 字 是 紀 念 十 九 世 紀 首 創 冰 川 期 概 念 的 著 名 地 質 學 家 阿 格 西 [Louis Agassiz]) 這 個 古 代 湖 泊 主 要 是 由 冰 壩 和 其 他 地 形 圍 成 的 但 是, 隨 融 化 加 劇, 新 的 排 泄 渠 道 突 然 出 現, 使 湖 水 朝 經 過 聖 羅 倫 斯 (St. Lawrence) 河 谷 東 流 進 入 北 大 西 洋 事 實 上, 根 據 各 種 古 氣 候 學 證 據, 羅 倫 太 德 冰 原 融 化 後, 其 排 水 改 道 主 要 發 生 於 12,000 年 前, 也 就 是 和 YD 事 件 的 發 生 同 步, 這 就 為 溫 鹽 環 流 的 自 強 轉 弱 以 及 格 陵 蘭 和 西 歐 的 突 然 降 溫 提 供 了 可 信 的 觸 發 機 制 ; 同 時, 也 有 證 據 表 明, 融 解 水 在 大 約 11,000 年 前 重 新 納 入 密 西 西 比 河 流 域, 由 是 切 斷 了 北 大 西

12 在 大 氣 與 海 洋 之 間 95 洋 的 淡 水 入 注, 溫 鹽 環 流 因 而 得 以 復 蘇, 全 球 氣 候 也 得 以 恢 復 長 程 轉 暖 的 趨 勢, 直 到 今 天 丁 新 仙 女 木 事 件 會 重 臨 嗎? 所 以, 我 們 有 理 由 相 信, 北 大 西 洋 的 淡 水 入 注 是 導 致 氣 候 突 然 變 遷 的 關 鍵 因 素 這 很 重 要, 因 為 除 了 像 阿 格 西 湖 那 樣 的 淡 水 源 以 外, 還 有 其 他 過 程 是 可 能 改 變 北 大 西 洋 海 水 密 度 和 溫 鹽 環 流 強 度 的 大 洋 表 層 的 鹽 度 取 決 於 降 雨 河 流 冰 川 注 入 等 淡 水 輸 入 項 和 蒸 發 輸 出 項 這 兩 者 之 間 的 平 衡 原 則 上, 任 何 對 這 平 衡 有 重 大 衝 擊 的 變 化, 都 可 能 影 響 溫 鹽 環 流 和 北 大 西 洋 乃 至 全 球 氣 候 例 如, 大 氣 可 能 受 到 溫 室 效 應 影 響 而 增 溫, 這 會 加 強 水 氣 循 環, 也 就 是 增 加 了 熱 帶 地 區 的 水 蒸 發, 並 導 致 非 熱 帶 地 區 如 北 大 西 洋 的 降 水 量 升 高 我 們 知 道 ENSO 對 北 大 西 洋 地 區 的 氣 候 ( 包 括 降 雨 量 ) 有 一 定 影 響, 溫 室 效 應 對 於 諸 如 ENSO 之 類 的 近 乎 全 球 性 現 象 發 生 頻 率 和 強 度 的 影 響, 也 可 能 間 接 引 起 降 水 量 增 加 更 重 要 的 是, 溫 室 效 應 極 可 能 加 速 北 大 西 洋 附 近 冰 川 冰 原 和 海 洋 冰 的 融 化 有 證 據 顯 示, 北 冰 洋 的 海 洋 冰 體 積 在 最 近 幾 十 年 內 已 經 大 大 縮 小 了 此 外, 海 水 密 度 不 僅 取 決 於 鹽 度, 也 取 決 於 溫 度 冷 水 比 熱 水 密 度 更 大 : 如 果 溫 室 效 應 導 致 海 面 暖 化, 那 麼 海 水 密 度 也 將 減 低 所 以, 以 上 所 有 這 些 溫 室 效 應 對 北 大 西 洋 海 水 的 直 接 和 間 接 影 響, 都 具 有 增 加 其 表 層 海 水 浮 力, 和 導 致 溫 鹽 環 流 向 弱 狀 態 轉 化 的 作 用 弔 詭 的 是, 上 述 所 有 相 關 論 證 都 指 向 一 個 多 少 令 人 吃 驚 的, 與 直 覺 相 反 的 結 論 : 溫 室 氣 體 所 引 起 的 暖 化 可 能 最 終 導 致 某 些 區 域 ( 如 北 大 西 洋 ) 轉 向 嚴 寒 狀 態 不 過, 當 溫 室 效 應 加 劇 時, 也 並 不 是 所 有 的 氣 候 變 化 都 會 導 致 北 大 西 洋 海 水 的 密 度 降 低 例 如, 海 水 升 溫 可 能 會 增 加 蒸 發, 從 而 提 升 了 海 水 表 層 的 鹽 度 和 密 度 ; 海 冰 在 轉 暖 融 解 時 會 令 冰 層 下 面 的 海 水 暴 露 和 蒸 發, 而 蒸 發 又 會 降 低 海 水 表 層 溫 度 從 而 提 高 其 密 度, 等 等 這 些 過 程 的 效 應 與 前 段 所 述 的 正 好 相 反, 而 氣 候 系 統 最 後 的 淨 額 反 應 (net response) 則 將 取 決 於 這 種 相 互 抵 消 的 機 制 對 北 大 西 洋 海 域 淡 水 平 衡 的 相 對 影 響 將 上 述 因 素 都 計 算 進 去 之 後, 大 部 分 模 式 都 預 測, 在 本 世 紀 溫 鹽 環 流 會 隨 全 球 變 暖 而 減 弱, 但 這 種 變 化 是 否 會 在 超 越 某 個 臨 界 值 之 後 導 致 環 流 完 全 消 失, 則 還 不 清 楚 所 以, 由 於 各 種 自 然 和 人 為 因 素 的 交 互 作 用, 未 來 氣 候 的 確 可 能 在 短 期 內 發 生 劇 烈 突 變 也 就 是 說, 新 仙 女 木 事 件 的 重 臨 並 非 無 稽 之 談 但 從 以 往 的 地 質 證 據 和 我 們 對 氣 候 系 統 的 了 解 看 來, 這 種 波 及 全 球 的 基 本 氣 候 變 化 其 時 間 尺 度 最 少 有 好 幾 年, 更 可 能 的 是 幾 十 年 甚 至 幾 個 世 紀 至 於 電 影 明 日 之 後 的 那 種 聳 人 聽 聞 的 悲 慘 情 節 紐 約 在 幾 分 鐘 或 者 幾 天 內 陷 於 嚴 重 冰 封 狀 態, 則 是 沒 有 科 學 根 據 的

13 96 科 技 文 化 : 專 論 四 結 語 大 自 然 的 浩 瀚 波 濤 和 萬 里 長 風 奇 詭 而 又 壯 觀, 它 能 令 人 驚 訝 振 奮, 生 出 無 限 猜 測 玄 思 和 幻 想, 莊 子 逍 遙 遊 開 篇 便 以 碩 大 無 朋 的 鯤 鵬 來 馳 騁 想 像 力, 其 為 人 千 古 激 賞 殆 非 無 因, 它 觸 及 海 運 和 扶 搖 而 上 九 萬 里 然 後 徙 於 南 冥, 更 不 免 讓 我 們 想 起 洋 流 和 大 氣 的 密 切 關 係, 那 尤 其 是 難 得 的 巧 合 當 然, 我 們 今 日 所 追 求 的, 已 經 非 復 猜 測 想 像 或 者 觀 賞 的 態 度, 而 是 切 實 精 確 的 證 驗 和 了 解 不 過, 令 人 驚 訝 的 是 : 雖 然 科 學 理 論 和 觀 測 實 驗 計 算 方 法 比 之 古 代 乃 至 牛 頓 的 時 代 已 經 進 步 了 不 知 多 少, 雖 然 我 們 已 經 掌 握 了 與 地 球 科 學 有 關 的 所 有 基 本 物 理 定 律, 然 而, 如 本 文 所 經 常 提 到 的 那 樣, 我 們 對 於 大 氣 和 洋 流 現 象 的 實 際 知 識 還 是 很 有 限, 而 且 還 是 不 那 麼 確 定 的 所 以, 在 以 上 論 述 中, 我 們 反 覆 強 調 : 觀 測 數 據 對 相 關 過 程 的 理 解, 以 及 建 立 模 式 這 三 者, 在 氣 候 研 究 中 有 同 樣 重 要 的 作 用 事 實 上, 無 論 運 用 古 氣 候 觀 測 重 構 氣 候 歷 史 例 如 新 仙 女 木 事 件, 或 者 解 釋 目 前 正 在 發 生 的 現 象 例 如 變 異 的 ENSO, 或 者 預 測 未 來 氣 候 的 變 化 例 如 溫 室 氣 體 的 效 應 等 等, 都 仍 然 是 非 常 艱 巨 的 任 務 古 氣 象 學 家 曾 經 將 歷 史 氣 候 研 究 比 喻 為 企 圖 單 憑 一 部 破 舊 留 聲 機 錄 取 一 件 小 玩 具 在 暗 室 發 出 的 沙 啞 聲 音, 從 而 猜 測 這 玩 具 的 各 種 特 性 bl 對 於 溫 室 氣 體 作 用 和 ENSO 的 變 化 我 們 無 疑 有 豐 富 和 詳 細 得 多 的 數 據, 但 是 仍 然 完 全 沒 有 辦 法 從 最 可 靠 的 基 本 物 理 定 律 來 直 接 計 算 或 者 推 斷 所 觀 測 到 的 大 氣 現 象 人 類 目 前 已 經 發 展 出 建 立 在 物 理 學 基 礎 之 上, 但 仍 然 是 高 度 描 述 性 (descriptive) 和 現 象 性 (phenomenological) 的 許 多 地 球 學 學 科, 包 括 大 氣 物 理 學 海 洋 學 氣 象 學 冰 河 學 生 態 學 地 球 化 學 等 等 把 這 些 個 別 領 域 的 專 門 知 識 加 以 溝 通 和 整 合, 並 且 充 分 應 用 不 斷 提 高 的 電 腦 功 能, 以 使 得 描 述 各 種 地 球 現 象 的 模 式 更 為 細 緻 精 確 可 靠, 乃 至 接 近 於 完 整 的 理 論, 是 氣 象 學 家 和 其 他 地 球 物 理 學 家 的 共 同 任 務 和 目 標 那 麼, 到 底 為 甚 麼 極 其 精 確 可 靠 和 完 整 的 基 本 物 理 定 律 卻 無 法 精 確 可 靠 和 完 整 地 解 釋 大 氣 和 其 他 地 球 現 象, 而 還 得 求 助 於 探 索 性 和 現 象 性 的 中 層 理 論 以 及 各 種 模 式 呢? 在 從 前, 這 總 被 認 為 只 不 過 是 由 於 人 類 的 數 學 和 計 算 能 力 還 不 夠 高 所 致, 但 自 從 1960 年 代 混 沌 (chaos) 現 象 發 現 以 來, 我 們 才 開 始 逐 漸 明 白 問 題 並 非 這 樣 簡 單 : 在 精 確 的 基 本 理 論 和 複 雜 系 統 ( 諸 如 生 態 系 統 大 氣 系 統 或 者 地 球 系 統 ) 之 間 可 能 有 巨 大 而 不 一 定 能 夠 逾 越 的 障 礙, 使 得 複 雜 現 象 ( 例 如 ENSO 或 者 地 球 溫 度 的 急 劇 變 化 ) 的 精 確 了 解 和 長 期 預 測 成 為 極 其 困 難, 甚 至 實 際 上 不 可 能 具 體 來 說, 這 是 因 為 複 雜 系 統 是 高 度 非 線 性 而 且 具 有 可 以 說 是 無 限 廣 泛 的 牽 連, 所 以 系 統 中 哪 怕 是 最 細 微 的 事 件 或 者 不 確 定 性, 都 足 以 造 成 無 從 估 量 的 重 要 後 果 ( 巨 大 隕 石 對 生 物 滅 絕 和 氣 候 的 影 響 是 最 好 的 例 子 ) 而 人 類 的 觀 測 能 力 和 計 算 能 力 總 是 有 限 度 的 可 是, 我 們 也 不 需 要 因 此 而 悲 觀, 因 為 從 許 多 數 學 上 的 模 擬 計 算 可 以 知 道, 即 使 在 複 雜 系 統 的 混 沌 區 域 中, 也 仍 然 會 有 大 量 容 許 簡 單 預 測 的 非 混 沌 區

14 在 大 氣 與 海 洋 之 間 97 存 在 ; 況 且, 電 子 計 算 機 的 不 斷 飛 躍 發 展 也 將 容 許 我 們 通 過 大 量 的 數 值 計 算 來 部 分 克 服 在 混 沌 區 域 無 法 解 析 性 地 (analytically) 做 預 測 的 困 難 實 際 上, 這 正 就 是 氣 象 學 和 前 述 那 許 多 地 球 科 學 分 支 之 所 以 能 夠 蓬 勃 發 展 的 理 由 : 觀 測 是 現 象 的 描 述, 對 相 關 過 程 的 理 解 是 基 本 理 論 的 應 用 和 延 伸, 而 構 造 模 式 則 是 以 上 兩 者 的 結 合, 也 是 穿 越 和 克 服 混 沌 所 造 成 障 礙 的 策 略 這 策 略 的 效 用 和 成 功, 是 從 化 學 生 物 學 以 至 地 球 科 學 的 不 斷 進 步 都 可 以 得 到 證 明 的 它 也 充 分 顯 明 : 從 極 少 數 基 本 原 理 來 了 解 大 自 然 的 觀 念, 也 就 是 所 謂 化 約 主 義 (Reductionism) 的 觀 念 雖 然 近 來 經 常 受 到 質 疑 挑 戰, 但 它 基 本 上 還 是 正 確 和 有 效 用 的 只 不 過 基 本 理 論 和 自 然 現 象 之 間 的 關 係, 遠 比 我 們 原 先 所 想 的 複 雜 得 多 而 已 劉 擎 譯 註 釋 1 見 劉 雅 章 : 二 十 一 世 紀 的 環 境 危 機 : 陽 光 與 空 氣, 二 十 一 世 紀 ( 香 港 中 文 大 學. 中 國 文 化 研 究 所 ),1994 年 2 月 號 及 4 月 號 ; 厄 爾 尼 諾 : 太 平 洋 之 子,1998 年 4 月 號 245 Christopher L. Sabin et al., The Oceanic Sink for Anthropogenic CO 2, Science, 305 (16 July 2004): Taro Takahashi, The Fate of Industrial Carbon Dioxide, Science, 305 (16 July 2004): The New York Times, 2 August 1983; 及 美 國 國 家 海 洋 和 大 氣 局 (U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration) 估 計 7 Kevin E. Trenberth and Timothy J. Hoar, The El Niño-Southern Oscillation Event: Longest on Record, Geophysical Research Letters 23, no. 1 (1 January 1996): T. R. Knutson and S. Manabe, J. Climate, 8 (1995): ; G. A. Meehl and W. M. Washington, Nature, 382 (1996): 56-60; T. R. Knuston et al., J. Climate, 10 (1997): ; M. A. Cane et al., Science, 275 (1997): ; T. R. Knutson and S. Manabe, J. Climate, 11 (1998): ; A. Timmermann et al., Nature, 398 (1999): ; M. Collins, J. Climate, 13 (2000): ; M. Collins, Geophysical Research Letters, 27 (2000): bl U.S. National Research Council, Abrupt Climate Change: Inevitable Surprises (Washington, D.C.: National Academy Press, 2002). bk D. L. Hartmann, Global Physical Climatology (San Diego: Academic Press, 1994), 劉 雅 章 美 國 國 家 海 洋 和 大 氣 局 地 球 物 理 流 體 動 力 實 驗 室 高 級 研 究 員 氣 候 觀 察 與 診 斷 研 究 組 組 長, 並 擔 任 普 林 斯 頓 大 學 大 氣 與 海 洋 學 教 授 曾 以 楊 振 寧 訪 問 學 人 身 份 訪 問 香 港 中 文 大 學 陳 方 正 香 港 中 文 大 學 中 國 文 化 研 究 所 名 譽 高 級 研 究 員, 前 所 長