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走入人群的研究者--劉紹臣

得到最佳論文獎的研究,竟然被諾貝爾獎得主取笑? 坐飛機穿越颱風,卻與死神擦身而過! 外表溫文儒雅的劉紹臣,有著相當不平凡的研究經歷。

撰文/李名揚
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走入人群的研究者--劉紹臣

得到最佳論文獎的研究,竟然被諾貝爾獎得主取笑? 坐飛機穿越颱風,卻與死神擦身而過! 外表溫文儒雅的劉紹臣,有著相當不平凡的研究經歷。

撰文/李名揚
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現在全世界最熱門的話題就是「節能減碳」,中央研究院的「環境與能源研究小組」在今年初對政府提出因應全球暖化的能源政策建言,包括逐步課徵能源稅、限制高耗能工業的設立、支持核電等,這份建言背後最重要的推手,就是中研院環境變遷研究中心主任劉紹臣。


約訪劉紹臣是在一個陽光燦爛的週六早上,他已習慣週末先到中研院院區散散步,再到研究室工作。不過他進研究室的第一件事卻是打開電腦聽線上音樂,「人生總不能一天到晚寫論文,生活要豐富一點。」劉紹臣說。對他而言,工作和生活已經融為一體。


近幾年,劉紹臣到處演講氣候變遷的影響與節能減碳的重要性,光是過去半年就至少演講了10場,還上電視宣導,「這是做國民的責任,我不去講,別人去講,講錯了,也是我的錯,因為人家明明要我去講的。」他認為科學家不應關在象牙塔內,自顧自地做研究,若研究的是與社會有關的問題,就應該盡量貢獻一己之力。


就是這種強烈的使命感,讓他在1999年放棄美國喬治亞理工學院的高薪工作,返台籌設中研院環境變遷研究中心;去年更因參與聯合國跨政府氣候變遷研究小組(IPCC)的研究工作,在IPCC和美國前副總統高爾同獲諾貝爾和平獎後,他也成為「5000分之一」的諾貝爾和平獎得主(參與IPCC工作者約有2500人)。


研究「越做越低」

劉紹臣1944年出生於中國河北省的小農村,當時正是抗日戰爭後期,河北省表面上由日本佔領,實際上鄉下地方全是共產黨的勢力範圍。劉紹臣的父親在家鄉原是小地主,抗戰勝利後深怕被共產黨鬥爭,於是舉家遷到台灣。

在台中豐原長大的劉紹臣從小功課就好,受到楊振寧和李政道獲得諾貝爾物理獎的激勵,台中一中畢業後保送進成功大學物理系,1967年到美國匹茲堡大學攻讀物理博士。當時前蘇聯和美國正展開太空競賽,前蘇聯已經發射人造衛星,太空科技領先美國一步;美國為求迎頭趕上,把大量資源投入太空和大氣物理的研究,劉紹臣也順勢進入這個領域。


說起研究,講話慢條斯理的劉紹臣語氣突然變得興奮,他熱切地介紹他的博士論文:地表的水蒸發到高空後,會受紫外線照射分解為氫和氧,氫氣非常輕,會一直上升,最後脫離地球引力範圍,逃逸到太空中,造成地表水份的損失;不過地表水份損失並不嚴重,「經過45億年,海平面大約降低了10公尺,和海洋平均深度4公里相比,只是很小的一部份。」


劉紹臣拿到博士學位後兩年,臭氧層遭受破壞的問題開始受到重視。一開始是美國航太總署(NASA)想要研究火箭引擎排放的氯化物會不會對大氣造成影響,1974年密西根大學副研究員西塞朗(Ralph Cicerone,現為美國國家科學院院長)首先提出「氯化物會破壞臭氧分子結構」的研究報告,加州大學爾灣分校教授羅蘭(Sherwood Rowland)和博士後研究員莫里納(Mario Molina)隨後提出「氟氯碳化物(CFC)會在平流層累積,對臭氧層造成嚴重破壞」的理論,這項研究成果使他們和荷蘭科學家克魯琛(Paul Crutzen)共同獲得1995年諾貝爾化學獎。


當時劉紹臣和西塞朗同在密西根大學太空物理實驗室任職,專研對流層臭氧的光化學生成機制,他戲稱自己的研究「越做越低」,從太空、平流層做到對流層。


1977年,劉紹臣進入美國海洋暨大氣總署(NOAA)高空大氣實驗室工作,一待就是19年。這期間他最得意的作品是1987年發表的臭氧研究,他發現臭氧生成與臭氧前驅物的關係是非線性的,並推導出這種關係對全球對流層臭氧分佈與密度的影響。


劉紹臣說明,對流層的臭氧,主要是由兩種光化前驅物(氮氧化物和碳氫化物)混合在一起,受到紫外光照射所產生;汽車、火力發電廠都會排放這兩種物質,所以人口密集區的臭氧濃度較高;「非線性」的意思則是,大氣中最先產生的少量臭氧前驅物,會生成最多臭氧,當前驅物數量增加時,臭氧的生成量雖然也會增加,但沒有一開始增加得那麼快。這表示臭氧的生成非常難控制,因為即使把前驅物的產量減到很低,還是會生成相當多的臭氧。


這種非線性關係使得大氣中的臭氧分佈範圍變大,劉紹臣說,大氣高度1.5公里以下為「邊界層」,人為排放的臭氧前驅物通常都在這個高度以下,但夏天對流旺盛,會使一小部份臭氧前驅物上升超過高度1.5公里的「逆溫層」,進入「自由對流層」,由於臭氧生成的非線性關係,只要一點點臭氧前驅物,就能生成很多臭氧,因此自由對流層中也有臭氧分佈。


舊科學會被新證據推翻

2002年以來,劉紹臣被ISI引文索引資料庫選為全世界論文被引用次數最多的學者之一,可見他的研究對大氣科學領域的影響非常深遠。他看待科學的態度是「科學不應成為信仰,要看新證據」,他的研究主要是根據現有觀測資料建立大氣模式,再藉此推導後續發展及影響,但因大氣中的變數太多,每建立一套模式,總會牽扯出更多問題;而且只要有新的觀測成果出來,就會出現另一套解釋,模式就必須修正,所以他的研究可說是在挫折中前進。

這在大氣科學領域是很正常的事。劉紹臣曾和NOAA的同事克萊(Dieter Kley)在1981年共同發表對流層臭氧在有人類以前的主要來源,他們認為是地面一氧化二氮(N2O)升到平流層,氧化成氮氧化物降回對流層,碰到樹木、地面、海底放出的甲烷所生成,這項研究獲得NOAA當年的傑出論文獎。但過了幾年,他們又自行修正,認為氮氧化物的更大來源應是對流層高層雷雲放電所造成。


1997年克魯琛到喬治亞理工學院演講,順便探望老朋友劉紹臣,看到牆上掛著NOAA最佳論文獎的獎狀,哈哈大笑說:「我本來就不信平流層下來的氮氧化物會那麼多,這也能得獎?」過了兩年,在克萊的60歲慶生研討會上,劉紹臣緊跟著克魯琛之後演講,他趁機「答辯」說,克魯琛當年獲得諾貝爾獎的研究,其實後來發現錯誤更大,因為臭氧洞的成因及生成地點都錯了,只有CFC會破壞臭氧層是對的,相較之下,他和壽星克萊犯的錯誤小太多了,結果引來哄堂大笑,包括克魯琛自己。…


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2008年第78期8月號】