【專欄】造成氣候變化的自然機制

民報新聞

記錄氣候多變性和過去氣候變化的證據,比確定其基本機制要容易得多。氣候受到多種因素的影響,其運行時間範圍從小時到數億年不等。氣候變化的許多原因都是地球系統外部造成的。另一些是地球系統的一部分,但在大氣層外。還有一些涉及大氣層與地球系統其他組成部分之間的相互作用,統稱為地球系統內的回饋。回饋是最近發現和具有挑戰性的因果因素研究之一。然而,人們日益認識到這些因素,在氣候變化中起著根本作用。本文將介紹最重要的機制。

太陽變化

太陽的光輝(luminosity),或亮度(brightness),自它形成以來一直在穩步增加。這種現象對地球的氣候很重要,因為太陽提供的能量驅動大氣環流,並構成地球熱平衡的投入。前寒武紀時期太陽光度低,是微弱的年輕太陽悖論的基礎。由於太陽風暴和其他擾動,太陽的輻射能量在非常小的時間規模上是可變的,但太陽活動的變化,特別是太陽黑子的頻率,也記錄在十到千年的時間規模上,並且可能發生在較長的時間規模,「蒙德極小期(Maunder minimum)即最小黑子」是西元1645年至1715年間太陽黑子活動大幅減少的時期,專家認為,它是小冰河時代(Little Ice Age)促成因素。

火山活動

火山活動可以在不同時間規模上,以多種方式影響氣候。個別火山爆發,會向平流層釋放大量二氧化硫和其他氣溶膠,從而降低大氣透明度,從而降低到達地球表面和對流層的太陽輻射量。最近的一個例子,是1991年菲律賓皮納圖博(Mount Pinatubo)火山爆發,對大氣環流和熱平衡產生了可衡量的影響。1815年,松巴瓦(Sumbawa)島上的坦博拉(Mount Tambora)火山爆發產生了更戲劇性的後果,因為次年的春季和夏季即1816年,被稱為「沒有夏天的年份(the year without a summer)」在世界大部分地區異常寒冷。新英格蘭和歐洲在1816年夏天經歷了降雪和霜凍。

火山和相關現象,如海洋裂解和俯衝,將二氧化碳釋放到海洋和大氣中。排放量低,即使是像皮納圖博火山這樣的大規模火山爆發,也只釋放出化石燃料燃燒一年釋放的二氧化碳的一小部分。然而,在地質時間規模上,這種溫室氣體的釋放可以產生重要的影響。數百萬年來火山和海洋裂痕,釋放的二氧化碳變化可以改變大氣的化學性質。二氧化碳濃度的這種變化,可能是在顯生元(Phanerozoic Eon,百萬年前)期間發生的氣候變化的大部分原因。

地殼活動

地殼的構造運動對氣候產生了深遠的影響,時間規模為數百萬至數千萬年。這些運動改變了大陸品質的形狀、大小、位置和海拔以及海洋的深度。地形和深度變化,反過來又對大氣和海洋的環流產生了強烈的影響。例如,新生代期間,青藏高原的隆起影響了大氣環流模式,形成了南亞季風,並影響了亞洲其他地區和鄰近地區的氣候。

構造活動也影響大氣化學,特別是二氧化碳濃度。二氧化碳從裂谷區和俯衝區的火山和噴口排放。裂谷區傳播速度的變化和板塊邊緣附近的火山活動程度,影響了地球歷史上大氣中的二氧化碳濃度。即使是岩石的化學風化,也是二氧化碳的重要沉降。碳沉降(carbon sink)是通過將二氧化碳化學轉化為有機或無機碳化合物,而從大氣中去除二氧化碳的任何過程。由二氧化碳和水形成的碳酸是矽酸鹽和其他礦物質溶解的一種反應物。風化速率與基岩的品質、高程和暴露度有關。構造提升可以增加所有這些因素,從而增加風化和二氧化碳的吸收。例如,在新生代晚期的全球冷卻期,青藏高原上升的化學風化,在消耗二氧化碳大氣方面可能起著重要作用。

地球軌道變化和米蘭科維奇(Milankovich)

地球的軌道幾何結構受到太陽系其他行星的引力影響,以可預測的方式產生影響。地球軌道的三個主要特徵受到影響,每個特徵都以迴圈或定期迴圈的方式出現。首先,地球繞太陽的軌道形狀從近圓形到橢圓形(偏心)不等,週期為10萬年和41.3萬年。其次,地球軸相對於太陽的傾斜度(主要負責地球的季節性氣候)與地球圍繞太陽的自轉平面相差22.1°至24.5°。這種變化發生在41,000年的週期中。一般來說,傾斜越大,西半球在夏天接收的太陽輻射越大,冬天接收的太陽輻射越少。對地球軌道幾何的第三次迴圈變化產生於兩個組合現象:(1)地球的自轉軸擺動,改變軸相對於太陽的方向,(2)地球軌道橢圓的方向旋轉緩慢。這兩個過程創造了一個26,000年的週期,稱為春分的退位,其中地球在春分和冬至的位置發生變化。今日,地球離太陽(近鄰)最近是12月的冬至,而9000年前的最近地點發生在六月的冬至(今之夏至)附近。

這些軌道變化導致太陽輻射的緯度和季節性分佈發生變化,進而導致許多氣候變化。軌道變化在冰川間和季風模式的步調(節奏)中起著重要作用。它們的影響在大部分在新生代的氣候變化中已經確定。例如,在賓夕法尼亞亞時期(Pennsylvanian Subperiod,3.181億至2.99億年前),環狀(環狀)是海洋、沖積地和煤層之間的相互作用,似乎代表了米蘭科維奇驅動(Milankovitch-driven)的平均海平面變化。米蘭科維奇計算了過去數百萬年地球的離心率、轉軸傾角和軌道的進動的變化,發現了這些參數與地球上氣候模式,尤其是冰川期的關係。提出氣候變化理論。

地球軸的衰退。米蘭科維奇(Milankovich)理論。圖/擷自大英百科全書公司,作者提供

溫室氣體

溫室氣體是氣體分子,具有吸收地球表面發射的紅外輻射(淨熱能)並將其重新輻射回地球表面的特性,從而造成被稱為溫室效應的現象。二氧化碳、甲烷和水蒸氣是最重要的溫室氣體,儘管它們只占所有大氣氣體的一小部分,但它們對地球系統的能量平衡有著深遠的影響。在地球歷史上,溫室氣體的濃度差別很大,這些變化在廣泛的時間規模導致氣候變化。一般來說,溫室氣體的濃度在溫暖期特別高,在冷期較低。許多過程影響溫室氣體濃度。有些,如構造活動,在數百萬年的時間規模下運作,而另一些,如植被、土壤、濕地、海洋源和沉降,則以數百至數千年的時間規模運作。人類活動,特別是工業革命以來的化石燃料燃燒,導致大氣中各種溫室氣體,特別是二氧化碳、甲烷、臭氧和氯氟烴(CFC)的濃度穩步上升。

總之冰蓋、海冰、陸地植被、海洋溫度、風化速率、海洋環流和溫室氣體濃度都直接或間接地受到大氣的影響。然而,它們也都回饋到大氣中,從而以重要的方式影響大氣。例如,陸地表面植被的不同形式和密度,影響地球表面的反照率或反射率,從而影響局部到區域規模的總體輻射平衡。同時,水分子從土壤向大氣的轉移由植被調節,直接(從蒸騰到植物氣孔)和間接(從底氣和溫度對土壤直接蒸發的影響)。植被對潛在熱通量的調節,可以影響全球局部氣候。因此,部分受氣候控制的植被變化,反過來也會影響氣候系統。植被也影響溫室氣體的濃度。活植物是大氣中二氧化碳的重要沉降,而當它們被野火燒毀或分解時,它們作為二氧化碳的來源。地球系統各組成部分之間的這些回饋和其他回饋,對於瞭解過去的氣候變化和預測未來的氣候變化都至關重要。 專欄屬作者個人意見,文責歸屬作者,本報提供意見交流平台,不代表本報立場。