氣候將變暖還是變冷？

【摘要】我們通常會直覺地認為，氣候變暖對人類生存大有裨益，其實不然，因為除了氣溫還有雨量，這兩種變化會使全球的氣候不均勻……

1980年秋季，全世界頂尖的氣候專家們，集中在美國科羅拉多州波特（Boulder）的國家大氣研究中心（NCAR），共同研商最遠程的氣象預測。因為有許多專家已經感覺到：目前人類正面臨一段前所未有的時期，由於大量燃燒化石燃料（煤、油和天然氣），已經將地球漸漸加熱。

全球性增暖產生的後果非常複雜，以下是幾種可能的推斷：

一、過去昆蟲已經損害全世界農作物大約35％，如果全球溫度升高，這種損害率勢必還要增加，作物的蟲害問題將更加嚴重。

二、空氣中二氧化碳增加，勢必增進光合作用，因而植物對水的需要量可能減少，有幾種作物的產量可能會提高。

三、自然界錯綜的生態系可能會被破壞，最明顯的譬如：野生動物隨氣候改變而遷徙或盛衰，限於特殊棲息地或種植環境的生物可能會絕滅，有些國家公園和保護區的界限，由於雨量和植物的改變而失去了意義。

四、洋流和海水溫度的改變，因為干擾了湧升流，可能對漁業有重大的打擊。

五、南極洲冰層的西部很可能會融解掉，由此使整個地球的沿海地區都會被海水淹沒。

然而從種種自然因素來加以分析，現時氣候正傾向於二十世紀中期反常溫暖後退，重新回到「小冰期」的情況。想要知道這種氣候情況，我們不妨想像莎士比亞、牛頓時代，英國心臟地帶的泰晤士河冬天經常結冰，聖誕節到處積雪。地球上人類蒙受的影響，可能比氣候轉暖更加嚴重。大規模農業地帶因無法適應氣候而減產，漁業蕭條，造成全球性飢饉。

控制氣候變遷的自然因素

人為因素還算簡單，自然因素何以指向轉冷卻是許多專家學者研究所得的結果。

地球上的氣候並非永遠不變，即使在有紀錄的歷史中，也曾有過重大的變化，雖然這些變化和幾百萬年的地質史相比，真是微不足道。科學家們正在研究氣候怎樣改變，有的歸諉於大陸漂移的地理變遷，但時間較短（幾百年到幾千年）的變化，卻和這些重大改變無關。太陽黑子的周期、火山爆發、地球磁場或對軌道面傾斜角的改變都有可能，綜合這些因素才影響氣候平衡，從而預測將會轉冷呢還是轉暖？確是引人入勝的故事。

一、大陸漂移

人類在過去五百萬年（甚至更久）內成為最智慧的動物，因而主宰這個地球，地球的面貌可謂歷盡滄桑，不斷在改變。這種地理上的變遷使氣候型也有重大變化：冰期和冰期之間是較暖的間冰期。此刻我們是在間冰期內，這些時期和過去幾百萬年內人類進化密切相關。

地球之所謂「正常」，是兩極都有冰冠。然而整個地球生存史（四十五億年）內，有時候只有一個冰冠，而且維持不久。理由很簡單：地球表面大部分被水覆蓋，暖水很容易流往兩極，使冰雪融解。偶爾也可能出現一塊大陸，擋住了暖水的去路。這種大陸漂移到其中一極，歷時幾百萬年，由於阻止了來自熱帶的暖水，冰冠得以成長，南極洲就是這種情形。

另外有一些大陸漂移到一個特殊的位置，圍繞一個極，隔絕暖水，留下一片陸封的海，讓它結冰，北極就是這種情形。冰島和格林蘭擋住了溫暖的灣流，不讓它進入北極海。所以現在地球上有兩個冰冠，但是這種情形過去從來沒有發生過。地球兩端都有冰冠是一種難得的巧合，然而這種巧合卻決定了我們現在這種天氣和氣候型。

過去幾百萬年內，地球和太陽間的輻射收支，大致能保持平衡，很少變化。要不是所有變因都傾向於使地球變暖，如今仍在冰河期，冰層和冰河勢必延伸到芝加哥、倫敦和巴黎。此刻我們在間冰期內，已經有一萬年，人類文化正好靠它來發揚光大。

最近幾百萬年來，氣候變遷的型式是：有一段很長的冰期，維持大約十萬年，中間由幾個較短的間冰期隔開，每個約一萬年。只要地理情況保持不變，這種型式還會繼續下去。今後五千萬年內，由於北大西洋逐漸變寬（北美洲和歐洲的分離率大約為每年2公分），暖水將會流入北極海，因而破壞目前的氣候型。但另一因素使我們相信目前的氣候型還會持續，因為間冰期已經經歷了一萬年，即將終止，下一冰期可能距今只不過一千年。

二、天文因素的韻律

產生氣候變遷的韻律是什麼？在1970年代，根據一些零星的事件，推知此種型式和地球繞日軌道的變動有關。地球繞日運行的橢圓形軌道，它的偏心率也有輕微變動，由此改變了不同緯度在不同季節所收到的熱量。這種冰期原因的假說是由捷克天文學家米蘭哥維支（Milankovitch）提出，事實上，很早就有這種想法，首創大陸漂移說的威格納（Wegener）就是其中之一。

此項學說的原理很簡單。地球在太空中的運動有三種周期性變化，結合一起才形成地表所受太陽輻射型的整個變化，周年內來自太陽的總熱量大致保持不變（除非太陽本身輸出能量有改變，此點下面再討論）。如果周年內的熱量分配有改變，就會帶來炎夏、寒冬或涼夏、暖冬。由此推想，冰期的形成，可能因為北半球夏秋兩季較涼，以致去年所降的雪在今年降雪前未能融掉，如此逐年累積而成。

地球繞日軌道的變化周期是九萬到十萬年，從近似圓形拉長到更近乎橢圓形，然後又回復過來。當軌道近似圓形時，周年內熱量獲得相當均勻；但在軌道成橢圓形時，近日點勢必比遠日點為暖。再加上其他因子，既可使冬季較冷，亦可使夏季較熱。

所謂其他因子是指：地軸對地日連接線來講的傾斜度。指向太陽的一極得到較多熱量，遠離太陽的一極得到熱量較少，就此形成四季。地軸傾斜度的起伏周期大約為四萬年。當地軸傾斜度較大時，冬夏較懸殊；相反的情況則冬夏溫度差較小。

此外，月球和太陽對地球較膨脹地區的引力也會產生一種搖擺作用，周期為二萬六千年。

三、火山爆發

火山爆發將大量灰塵噴入大氣層內，阻擋了來自太陽的熱量，地表溫度因而降低。二十世紀大部時間，地球上的火山都相當安寧，但在1960∼1980年代早期，許多火山又活動起來，包括印尼巴里島的阿根山（Mt. Agung）和美國華盛頓州的聖海倫山（Mt. St. Helens）。火山活動的周期究竟是否會使整個地球未來幾十年變冷呢？

四、太陽本身的活動

許多天文學家毫不掩飾地表示驚訝，因為事實證明了1980年代的前五年，太陽本身也在變，從1976年到1979年，太陽輸出的熱量增加了0.4％。此刻太陽黑子正在增加。氣候學家發現十七世紀是一酷寒時期，英國泰晤士河有好幾個冬天都結冰，當時正好太陽表面的黑子群完全消失。由此推想：太陽沒有黑子可能要冷約百分之一。這種說法起初被天文學家譏笑。如今火箭和人造衛星已經測出太陽輸出熱量的變化正好符合氣候學家的想法，至此天文學家才不得不接受該項學說。此項波動的新發現，又怎樣用來預測我們有生之年的氣候變化呢？

從過去歷史找到證據

以上所說的各種自然因素，影響氣候各有各的周期或後果。綜合在一起發生什麼效應，唯有在歷史中尋求答案。當然，其中以米蘭哥維支模式是否就是過去發生冰期的主要原因最為重要。想要接受該項模式，除非計算所得的變化型完全能合乎地球上真正的氣候變動；也就是說：我們必須掌握至少過去十五萬年（最近一次循環）內地球溫度波動的可靠紀錄。

1976年終於得到突破性的發展，一艘研究船從南冰洋海底挖掘出海洋生物的遺體加以分析。這些微細的海洋生物死亡後即沉落海底，經過幾千萬年，堆積成白色易碎岩石，即稱「白堊」。白堊基本上是碳酸鈣，含氧豐富。古氣候學家根據其中的氧原子作為溫度計來測定地球過去的溫度。

依據是：空氣中的氧有兩種；氧16和氧18。氧18要比氧16稍稍重一些，因而含氧18的水分子比含氧16的水分子不易蒸發。有些空氣中的水分子加入水循環中，在極區以雪的形式降落，最後被封鎖在冰冠內。在一次冰期中，天氣寒冷，較重的氧18水分子留在海內並不蒸發，而氧16水分子卻能封鎖在冰冠內。測定從海底挖掘出沉積物中兩種氧同位素的比例，氣候學家即能推測古時候的溫度。知道溫度變化的年代，就可準確推斷化石遺體的年代。

1976年，紐約拉蒙脫陶爾斗地質調查所（Lamont-Doherty Geological Observatory）完成了一項過去五十萬年內溫度變化的分析，可以測知冰期和間冰期相繼的最長周期。他們發現：正如米蘭哥維支模式的預測，周期為十萬年，中間還有四萬二千年和二萬四千年的較短周期。這些結果表明：以現時地球的地理環境來說，地球軌道幾何形態的任何改變，都是產生冰期的基本原因。

根據這種分析，我們此刻在間冰期間自可理解。此期始於軌道較近似圓形，配合搖擺的偏移，六月分最近太陽，所以北半球夏季較正常為暖，有助於將過去十萬年來累積的冰層加速融解。同時，地軸傾度最大，使得太陽在夏天的位置較高，對增暖效應也有幫助。夏季最暖發生在大約六千年前。此後，所有變因顛倒過來，地軸的傾斜度變小，夏季較涼而冬季變暖，軌道的變化也比較不利，最接近太陽的月分在改變中，足見間冰期即將告終。

回顧第一次冰期大約在距今三十至廿七萬年；第二次冰期在距今二十至十九萬年；第三次冰期在距今十三至十萬年；第四次冰期在距今六萬五千年至一萬五千年。

距今一萬年以內，地質史上稱為「近世」，分析北美洲和歐洲冰河沉積中遺留下來的花粉，才知道第四次冰期的冰河退卻後，溫度回升，原先被冰河覆蓋地區，先變冷（因融雪吸熱）到大約距今五千年為止。此後溫度逐漸回升，這段時期稱為「氣候最適期」。

近五千年來的氣候

自然界的各種紀錄，離現在越近，當然越詳細也越完整，過去幾百年內則有溫度和雨量的直接測定。

「氣候最適期」的巔峰大約在距今七千至五千年前。在鐵器時代有一較冷氣候期，大約在距今二千九百年至二千三百年間到達最寒冷。鐵器時代以前，也就是最初的兩千年，溫度一般都比現在高。我國仰韶文化到安陽殷墟，大部時間的年平均溫度高出現在約攝氏2度，一月溫度比現在高3∼5度。

中世紀早期又有一暖期，西歐的巔峰約在公元一千至一千二百年。我國則出現較早，大約在公元七百年前後，也就是在唐代。此後，歐洲又較冷，有「小冰期」之稱。在我國，以北宋至南宋轉冷最顯著，緊接著有一系列波動，一直到清朝，溫度都比現在低。西歐的溫度低谷在十七世紀。想要找出這些冷暖期中每一個的真正原因非常困難，很可能有一個或以上其他因子參與其間，例如火山爆發、太陽輸出能量改變或地球磁場的改變等。

在冰河後的最暖期，海平面大約比現在要高3公尺，歐洲夏季溫度平均比現在高約2∼3度。鐵器時代的冷期內，比現在要冷些。專家們還推知從愛爾蘭到德國的歐洲，雨量比現在多得多。第二次氣候最適期歷史上有可靠的紀錄，北極堆冰融解，新航線開闢有利於挪威人的遠行，他們移民到冰島和格林蘭，還遠抵北美洲。西歐和中歐，葡萄園比現在向北伸展緯度大約3∼5度，比現在所謂正常溫度高出約1度。此在我國隋唐時代，國都長安沒有雪也沒有冰，皇宮內遍植梅花，長安還有柑橘。

然而到了小冰期（通常指1450∼1850年）內卻有了明顯的氣候變遷，北極堆冰顯見擴張。不久，挪威人已無法遠航到北美洲，在格林蘭的移民也凍餓而死。十二世紀初期，我國氣候也加劇轉寒，金人自東北侵入華北，以北京為國都，宋朝國都南遷杭州，當時面積2,250平方公里的太湖不但全部結冰，而且還可以通車，太湖洞庭山有名的柑橘全都凍死，杭州冬季雪日增多，蘇州附近的南運河冬天也結冰。十二世紀剛結束，杭州冬季氣溫開始回暖，有幾年沒有下雪。然而好景不常，十四世紀剛開始，氣候又轉寒，有幾年太湖結冰厚達數尺。

過去一千五百年內溫度型的變化，根據格林蘭冰冠中鑽探得冰核取樣加以分析最為明顯。第二次氣候最適期和小冰期都能夠顯示出來，另外還有較短期的波動，甚至幾十年的溫度變化也看得出來。此項分析表明過去一千五百年來主要有兩種韻律：一種的周期大約180年；另外一種的周期大約80年。這兩種周期重疊起來，產生一種複雜型，能預測未來那幾十年較暖，那幾十年較冷。

話雖如此，根據我國氣候學家竺可楨的研究，格林蘭冰核中分析得的溫度和我國測候所得的溫度相比較，雖然大體上波動是一致的，只不過在時間上稍有參差，例如十二世紀初期格林蘭尚有高溫，而我國南宋的嚴寒期已開始。但相差不過三、四十年，格林蘭溫度就迅速降至平均以下。如果和歐洲相比，歐洲在十二、三世紀氣候非常溫暖，與中國及格林蘭都不一樣，竺氏得出結論謂：任何最冷時期，似乎都是從東亞太平洋海岸開始，向西傳播到歐洲和非洲的大西洋海岸，同時也有從北向南的趨勢。

冷暖拉鋸戰的探索

上面所說的近世溫度波動，涉及到三種主要的自然因素：第一種是太陽本身輸出能量的改變；第二種是地球大氣透過太陽輻射的情況改變；第三種直到最近才知道，那就是地球磁場的改變（這一方面最難使人理解，下面再加說明）。

除了上述三種因素外，還有兩種是由人類活動而引起的衝突變因，尤其是在二十世紀。一種是化石燃料的大量消耗，使得大氣中二氧化碳所占的量急速增加。另外一種是一般民眾因為開墾農地而濫伐森林，放火燒山，使得原先貯存的碳也紛紛加入大氣中。中國大陸情況最嚴重。

一、太陽輸出能量的變化

過去幾世紀內太陽確實有變動，但這些變動究竟是否會影響它的溫度卻不得而知。有一種周期大約為十一年，太陽從幾乎沒有瑕疵變為滿布黑斑，而後再逐漸消除，即所謂太陽黑子周期，中國和希臘的古代天文學家早已知道。十七世紀初葉，伽利略發明了望遠鏡後，重新引起近代天文學家的興趣。

天文學家現在已經知道太陽黑子只不過是太陽活動多種變化中的一種。太陽有較多黑子時比較活動，發散出粒子流穿越太空，也就是含有宇宙線的「太陽風」，強烈而有陣性。太陽黑子較少時為寧靜期，太陽風也比較平靜。此外，太陽還有周期較長的變化型。十七世紀的後一半，是小冰期中最冷的五十年，和有太陽黑子紀錄以來太陽最寧靜期正好一致。這可能是巧合，但進一步觀測提供了更確切的證據：從1800∼1820年，當氣候回冷時，太陽又趨平靜。二十世紀中葉，全球特別溫暖，太陽也相當活動。

天文學家和氣象學家採用各種技術，包括根據我國古代記載、測定太陽風中宇宙線粒子所產生大氣中放射性碳14等，已將彼此間的相互關係回溯到過去二千年，所得結果仍然顯示：太陽不活動時則地球較冷。

二、大氣對太陽能的透射度

最近證據顯示：太陽活動度的改變也會影響大氣的透射率。1960年代，蘇俄施放一系列氣球，攜帶儀器至離地30公里，監視太陽的輸出，證知太陽的熱度確與太陽黑子有關。話雖如此，1960年代早期顯示核爆試驗對此種測定具有影響，核爆火球產生的氮氧化合物進入平流層內，足以改變大氣的透射度，即使是30公里以上空氣非常稀薄也不例外。該小組1979年所得的結論是：由於氮氧化合物的緣故，穿透較低大氣層的太陽熱量減少2.5％，被平流層所吸收。全般效應為平流層增暖，地面則冷卻，現在似乎可以解釋何以1962∼1963年的冬季北半球許多地方出現本世紀最寒冷的一個冬天。

當然，火山爆發也會影響大氣的透射度，像1883年的克拉卡托火山和1980年的聖海倫火山都因為塵埃噴入平流層，遮住太陽熱量而使地球變冷。一次巨大火山爆發後的典型氣候是夏季雨量較多。美國有兩位專家曾綜合太陽熱量指數的變動和火山塵指數推斷1600年以來的溫度變化，結果和實際觀測很符合，主要型態是十七世紀末葉和十九世紀初葉較冷，二十世紀中葉則較暖。由此可見太陽黑子和火山灰燼確能解釋過去的氣候變化。這種效應以高緯度最顯著。

三、地磁效應

地磁效應是三種因素中最難理解的一種，然而它對長期預報卻很有幫助。此項研究由美國的沃林博士（Dr. Wollin）等進行，他們發現磁性變化增強最長米蘭哥維支周期的效應，韻律約十萬年，即地球軌道從橢圓形到近似圓形，地球的磁場無論強度或方向都在這段時間內改變。磁北極現時距地理北極只有幾公里，但它的位置及強度每年都在變。

研究岩石已經知道在一為時數千年的周期中，磁場完全消失，而後又逐漸建立方向相反的磁場。因此在幾百萬年內，北磁極和南磁極相互易位。岩石中保留的紀錄證知：地磁轉變期（無磁場時），地球較冷，許多植物和動物趨於絕滅。這是一種較進步的學說，可用來解釋何以六千五百萬年前恐龍會突然絕滅。最近研究顯示恐龍蛋的雌雄比例由溫度控制，可為另一佐證。

磁場效應可能有很多種，其中一種是幫助地球阻擋某些宇宙射線。此種護罩一旦撤除，大氣中有較多宇宙線，製造更多氮氧化合物，擋住較多太陽熱。可見磁場弱，地球較冷。地球磁場目前正在減弱中，或許正走向下一次地磁轉換，這又是一種預期氣候將轉冷的依據。

地球磁場的成因及轉變雖然到現在還是一個謎，但地核熔解物質，因為有電流才產生磁場則無疑問。當地內液體流緩和時，磁場一定強而穩定。流體一旦受干擾，磁場勢必減弱而反常，地球也會變冷。

地球軌道形狀改變的循環，是因為太陽和諸行星共同引力的後果，韻律很規則。然而液態地核受到這些引力卻會改變流動的方式，從而變更磁場強度。沃林發現長期性磁場效應和米蘭哥維支長周期效應完全配合，因而加強它對溫度的效應。最近他們還找出磁場影響太平洋表面海水的環流，從而左右溫度變化，這種波動在磁場波動後正好兩年。因為海水也是導電體。

姑不論這些短期波動，每種可以認出影響氣候的自然因子，都顯示未來一世紀內地球當步入小冰期，最多幾千年內完全進入一冰期。

人類活動的反制作用

話雖如此，二十世紀最後廿五年內發生的一些因素也不得不加以考慮。人類不斷在改變地面環境，當然也會影響氣候。此種影響主要有兩種學說：一種認為工廠煙囪排出的污染物，以及耕地土壤被風吹起的顆粒，增加了微塵的數量，擋住了一些來自太陽的熱量，因而使地球變冷。另外一種學說卻認為由於化石燃料的大量燃燒，加上森林被破壞，增加了大氣中的二氧化碳，使得樹木不能吸收多餘的二氧化碳。此種功能彷彿地球周圍裹了一層毛毯，具有保暖作用。反對者認為這兩種功能可能會彼此抵消。但今日之主流見解為：人類確在使地球增暖，也許經由微塵效應（吸收來自地面的長波輻射），加上大氣中二氧化碳的增加。當然，主流見解也未必是對的。

瞻望未來五十年，許多人認為二氧化碳的溫室效應（能透過短波輻射而不能透過長波輻射）（請參閱科學月刊59－2月號，張智北所著「溫室效應和大氣圈效應」一文）是人類所面臨環境問題的關鍵所在，甚至比核能電廠所散發的輻射還嚴重。目前估計二氧化碳增加一倍，整個大氣的溫度大約增加攝氏2度，近兩極處可能增加3度，倘對燃燒化石燃料不及時制止，未來五十年後大概可達如此水準。

一種很天真的想法是：世界增暖適於我們居住。事實卻並非如此，除了溫度變化外，還有雨量變化。這兩種變化全球都不會均勻，有些地區變熱很多，有的反而變冷，有的變濕，有的變乾，這些變化在世界人口激增而食糧匱乏的時機，對農業實為一重大的打擊。

那麼這種人為因素使全球氣候變暖是否能正好被自然因素傾向於氣候轉冷平衡？這個問題涉及的變因很多，全球性能源政策當然是其中之一。無論如何，在我們有生之年，人類活動所產生的搗蛋鬼二氧化碳，可能會打出一張最重要的「氣候牌」。

戚啟勳前任職於中央氣象局，現退休。

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