地球科學

撥開暖化疑「雲」

全球暖化已是不爭的事實,但究竟地球會變得多熱,科學家長久以來莫衷一是。藉由衛星觀測和電腦模擬了解雲的變化,問題正逐漸撥雲見日。

撰文/馬維爾(Kate Marvel)
翻譯/張雨青

地球科學

撥開暖化疑「雲」

全球暖化已是不爭的事實,但究竟地球會變得多熱,科學家長久以來莫衷一是。藉由衛星觀測和電腦模擬了解雲的變化,問題正逐漸撥雲見日。

撰文/馬維爾(Kate Marvel)
翻譯/張雨青


我討厭雲,不是因為它們有時帶雨,而是因為難以捉摸。雲的形狀、大小變化萬千,高空卷雲好似一撮撮毛絲,積雲有如團團棉花,層積雲又低又灰、遮蔽天空,天色因而變得黯淡。各種雲差異如此之大,讓人們難以預測當地球的大氣改變時,世界各地的雲將如何反應。


氣候科學家如我,從無數資料中得知地球將在本世紀開始暖化,但究竟會熱到什麼程度,我們正力求定論。也許高1℃、2℃?還是3℃或4℃?答案跟雲大有關係。氣候變遷正影響著大氣中的雲系分佈,而雲系分佈實際上可能加劇或減緩全球暖化。如能弄清狀況,對於提供世人今後的行動準則將有莫大助益。


眾多專業團隊以大量氣候數據檢驗而發展出20多種複雜的氣候模式,所有模式都顯示地球將因溫室氣體濃度持續增加而暖化,但說到雲,科學家多年來始終各執一詞。現在情況有所改變,雲層效應的模擬結果開始趨同,衛星數據與其他觀測資料透露出雲量的變化將如何改變地球。新的觀點會帶給我們希望,還是加深我們的恐懼?


回饋效應有大有小


想像一下工業革命前夕的地球,六大洲的人們紛紛剷平林地用來放牧與造鎮,而大氣中二氧化碳(CO2)濃度穩定維持在280ppm左右已有數千年。接著,內燃機問世。快轉到1900年代後期,CO2濃度暴增,衝擊效應在整個地球擴散開來。對流層持續暖化,這裡有我們賴以呼吸維生的空氣。到了2017年,CO2濃度已超過400ppm,陸地加溫,淺海也是。大氣中的空氣與水氣循環開始改變,按現有趨勢發展下去,本世紀中葉的大氣CO2濃度將來到工業革命前的兩倍,暖化情形隨之加重。預估在幾百年後,地球將達到更高溫度。


地球對CO2倍增的反應,稱為「平衡氣候敏感度」(equillibrium climate sensitivity, ECS)。每個氣候模式都告訴我們ECS大於0,暖化是意料中的事,但這些模式預測的暖化程度從2℃左右到4.5℃,這可是「顯著」等級與「災難」等級的差別。


這些模式之所以有所出入,大多源於對雲的未來動向莫衷一是。掌握雲的變化,就能縮小各模式間的差異,做出的預測也將嚴謹得多。但要分毫不差斷定雲的影響卻很難,原因有二:一,暖化對不同型態的雲有不同影響;二,雲的變化對暖化影響不一。


這種雙向交互作用稱為回饋,某些氣候回饋作用已廣為人知。例如海冰又亮又白,因而把大部份陽光反射回太空;當海冰融化,露出的水面色調較深,反射陽光量減少,空氣於是加溫,使更多反光率高的海冰融化,露出更多深色海水,反光量又進而減少,回饋作用如滾雪球,加速全球暖化。我們對這種漸強或「正」的回饋瞭若指掌,關於其如何影響氣候變遷,在多數模式中相當一致。


雲的回饋作用較為複雜。氣候科學家就像自然史博物館裡的檔案管理人,為雲建立一套粗略的分類,按特徵區別歸類,其中的兩個基本屬性是:從地表起算的高度,以及不透明度。低雲或如晴空中的膨鬆雲塊相對透明,或如海岸邊的氤氳霧氣密不透光;高雲同樣有形似棉絮幾乎完全透光的雲,也有大雷雨時狀如高大鐵砧的烏雲。


這種分類法十分有用,因為它凸顯了雲暖化或冷卻地球的主要方式。有的雲會加重溫室效應:攔截從地表輻射的熱,並把一部份往外太空輻射出去。若少了這類雲,地球會更冷。位處大氣高冷區段的雲攔截地表輻射的特性尤為明顯。


另一類雲則有相反效果:它們一開始便阻擋陽光直射地表,使地球保持涼爽。這種效應為低空厚雲所特有,對當今氣候的影響更勝雲層溫室效應。事實上,目前的雲造成的淨冷卻效應相當顯著,比CO2倍增造成的暖化效應還大五倍左右。


這意味著雲量哪怕只有一點小變化,都能帶來巨大影響。讓陽光穿透但留住地表輻射熱的透光高雲多一些,地球便會熱起來;把陽光阻擋在外的不透光低雲多一些,地球便冷卻下來。雲的動態也有關係,反光的雲從日照充足的熱帶及副熱帶區挪移至寒冷的極區,冷卻效應會減弱。高度同樣重要,當高雲上升至大氣的更高冷區段,溫室效應會增強。地球暖化也可能改變冷雲中的冰晶與水珠比例,使得雲包含更多水並增厚,因而更有效阻擋入射陽光。


這些效應都不是單獨發生,增添了模式預測的難度。有的顯現強烈的正回饋,暖化明顯加劇;有的則顯現微弱的負回饋,暖化稍有減緩。顯現最強正回饋的那些模式,預測ECS的結果趨近2~4.5℃範圍的上限值。


氣候模式對雲的模擬不甚理想,這也不意外,因為雲兼具大小要素。雲是由細微的水珠與冰晶所組成,而地球平日隨時都有超過70%的表面被雲遮蓋。設計氣候模式時,我們必須抉擇,是要縮小視野、仔細模擬水珠在小區域內的擾動如何使雲生成與消散,還是要模擬大尺度氣流升降活動對全球水氣分佈的影響。兩者無法兼顧,因為要時時刻刻仔細追蹤整個大氣中每一粒水珠的活動,超出了現有電腦的運算能力。


我們試著融合大小尺度,其中當然涉及若干取捨。有個全球氣候模式嘗試找出描述所有水珠活動的簡化參數。我們根據大氣物理學發展這些參數,繼而與涵蓋地球小區域的較小尺度模式比較,藉此檢驗並改善參數。


我們依舊沒有完美的方法能夠大小通吃,但能否加以改善呢?


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