7.2 外在因素 [a][b][c][d]

(a) 日-地關係

太陽輻射是驅動大氣環流的主要能量來源。太陽與地球之間的距離,太陽輻射入射角等不斷的改變,地球所吸收到的太陽輻射也隨之而變。主要的影響因素有三種( 圖7-1圖7-1 ):地球公轉軌道的偏心率變化(eccentricity),黃赤交角變化(obliquity)及歲差( 或攝動,precession )。地球以接近圓形的橢圓軌道繞太陽公轉。目前的偏心率為 0.018,在過去五百萬年之中,偏心率變化的範圍為 0.000483-0.060791,週期約為100,000年。偏心率大小影響太陽輻射入射地球的年累積量:偏心率越大(小),年輻射量越小(大)。但是,變化相當小。比如,上述偏心率的變化,造成的變化為0.014% 到 -0.12%。

黃赤交角為地球自轉軸與黃道面法線之間夾角,介於22℃與24.5℃之間(目前為23.5℃),變動週期為 40,000年。黃赤交角的變動,不會影響地球攔截太陽輻射的總量。如果角度較大,則一年中太陽直射可達的緯度較高,形成夏季太陽輻射量較大,冬季較小。季節變化也因此變大,四季更明顯。相反的,如果角度較小,則季節變化較小,四季較不明顯。

地球自轉軸一直在移動,其路徑宛若一圓錐體,繞完一圈約22,000年。目前,地球經過近日點時為一月,經過遠日點時為七月。一月時,雖然日地距離比較短,但是太陽直射南半球,因此是北半球的冬季。約11,000年之後,地球經過近日點時為七月,經過遠日點時為一月。那時的七月,太陽直射北半球。因此,11,000年後,北半球夏季接收到的太陽輻射量會比目前多,冬季時則較少。

米蘭科維奇(Milankovitch)指出日-地關係的變化是造成冰期與間冰期交替出現的主因。冰期形成的主要原因是夏季(不是冬季)的太陽輻射量變弱,不足以溶化上一冬季留下的冰雪。使得冰雪覆蓋區域逐年往低緯度區擴展。較廣的冰雪覆蓋區反射較多的太陽輻射,地表吸收的太陽輻射變少,冰雪溶化量因此更形減少。此一『冰-反照率機制』產生的正回饋,使得冰雪覆蓋區逐年擴大。圖7-2圖7-2描述有利於形成冰期與間冰期的日-地關係。適合冰期發展的日-地關係,為較小的黃赤交角及位於遠日點的夏季。如此一來,高緯度地區夏季所接收的太陽輻射量最小。相反的,如果是較大的黃赤交角及位於近日點的夏季,高緯度地區夏季所接收的太陽輻射量最大,因此適合間冰期的發展。米蘭科維奇的理論已為許多古氣候資料印證。

日-地關係的影響不只是冰期及間冰期。在12,000到5,000年前之間,黃赤交角比目前大一度,而且地球經過近日點時北半球為夏季,因此北半球在夏季接收到的太陽輻射較多。當時的季節變化較明顯,季風也可能因此較強。在非洲及亞洲,現代許多乾涸的湖泊,在當時都充滿了水。

米蘭科維奇學說雖然可以解釋許多冰期、間冰期的發生,卻也有許多現象無法解釋。譬如,上述天文的變化自從太陽系存在以來一直在運行,但是目前並無證顯示在27億年以前,曾有大範圍冰河存在過。畢竟,影響氣候的因子多且複雜,各個子系統之間的交互作用產生的影響,有時可能比日-地關係的影響還大。

(b) 太陽黑子

氣候學家不斷的在尋找具週期性或準週期性的氣候變化。畢竟,如果氣候變化具有週期性,人類就可輕而易舉的預報未來的氣候。如果,與太陽活動相關的週期性變化對地球氣候有所影響,我們只須監測太陽的活動即可預測氣候。科學家很自然的就聯想到太陽黑子。圖7-3圖7-3是過去三百年太陽黑子數目的變化,具有明顯的週期性,如11年,22年,80-100年。圖7-4圖7-4為太陽黑子數在19世紀之前隨時間的變化。從13世紀紀開始,太陽黑子數逐漸下降,其中有三個低值期,亦即 Wolf minimum(1282-1342),Sporer minimum (1450-1534),以及Maunder minimum(1645-1715)。上述三個低值期恰好發生於小冰河期,而且太陽黑子數少代表太陽比較不活躍,釋放出的能量減少。有些科學家因此認為地球氣候的冷暖與太陽黑子活躍與否有關。

中國學者竺藕舫利用二十四史的歷史記載,探討中國古代氣候變化與太陽黑子數的關係。表7.1分別是中國歷代觀察到的出現太陽黑子的年數與旱災、奇冷年數的比較。日中黑子記載的年數與旱災年數,晉朝時分別為17及41,南宋時為16 及58,竺氏因此認為晉與南宋兩朝多旱災而且氣候偏冷,與太陽黑子發生頻率高有關。然而,審慎的研判表7.1之後,我們發現太陽黑子數與歷代旱災、奇冷年發生頻率並無一致的關係。比如,表7-1隋唐並未觀察到太陽黑子的發生,旱災年數仍比晉朝多。同樣的,南宋時奇冷年數為24,但是宋末代至元初,日中黑子年數只有6,奇冷年數(25)卻與南宋不相上下。

從學理上,科學家也仍舊無法理解太陽黑子如何影響氣候。太陽黑子活躍時,太陽輻射增強的部分都屬於極短的波段,如紫外線、X及α射線,因此所增加的能量不多。這些輻射一進入大氣時,立即為高層大氣( 大約一百公里高 )的氣體吸收,實際到達地面的輻射量不大,因此對地表氣候影響甚小。即使,高層大氣結構有了變化,目前也無任何理論可以解釋高層大氣溫度的變化會影響到地表附近的氣候。

太陽輻射如果減少百分之一,地表平均溫度減少1∼2℃。最近的衛星觀測資料顯示在過去十幾年之中,從太陽黑子數最少的一年(1985)到最多的年份(1980,1990),太陽輻射約增加1.5wm-2 (相當於總輻射量的0.1%)。依據此一估計,上述的微量輻射變化對地球溫度變化的影響應該小於0.1℃。我們並不知道 Maunder minimum時期太陽輻射量比目前少了多少。它減少的量是否大到足以影響氣候,仍是待解之謎。整體而言,目前並無充份證據證實太陽黑子數與氣候變化的直接關係。

(c) 板塊漂移,地形變化

圖7-5二億年以前,地球表面只有一個超級大陸。二億年前左右,由於海底擴張,各陸塊開始漂移分離,最後形成目前的分布狀況(圖7-5)。比如,印度原本與非洲相連,分離之後持續往北移動,約四千萬年前開始與亞洲接觸,至今已經向北推移大約 2000 公里。據估計目前仍持續以每年 5公分的速率向北推,而喜瑪拉雅山也持續升高之中。海陸分布及地形高低對氣候有很大的影響。比如,季風主要導因於海陸分布產生的加熱不均勻。科學家利用大氣環流模式模擬季風的成因,發現青藏高原的形成,加強了上昇氣流與降水,也因此加強了季風,而且區域之間的氣候差異也變大。譬如,美國西部高地及青藏高原形成之後,美國西部、東北非、西亞及青藏高原西側及北側變得比較乾燥; 高緯度地區則變得比較冷(圖7-6圖7-6)

板塊漂移不斷的改變海陸分布狀態。以目前的氣候而言,大部份陸地集中在北半球,尤其在北緯30度到60度之間,因此北半球中緯度冬季氣溫比南半球偏冷的氣溫低,而且年溫差大了許多。圖7-7如果將目前海陸分布作一番重新調整,比如,將陸地集中在赤道地區,則北半球中緯地區的年溫差勢必降低,而且溫度可能升高。海陸分布也影響海洋環流,間接影響氣候。比如,有些科學家認為,原來相連的南美洲與南極洲大約在三千萬年前分開,兩者之間於是形成了繞南極的洋流,原本來自熱帶的洋流被截斷,無法繼續將由熱帶地區帶來的熱能傳送至南極大陸附近海域(圖7-7)。由於缺乏海洋調節氣候的功能,南極大陸氣溫因此下降,冰河逐漸形成。有些科學家認為,繞南極洋流的出現尚不足以讓北半球進入冷期,而是亞洲南部高地(青藏高原)的隆起,才使得北半球在約五百萬年前,開始有大量冰河的出現(圖7-6)。

(d) 火山爆發

火山噴出的二氧化硫如果進入平流層,逐漸轉化成含硫的懸浮微粒。一般而言,火山爆發,幾個月之後,懸浮微粒雲 (aerosol cloud)的影響達到最高點。懸浮微粒反射太陽輻射,但也同時吸收地球的長波輻射。由於它吸收紅外線的效率較高,因此含懸浮微粒的平流層(一般而言,20km-25km)溫度會昇高。

懸浮微粒對對流層氣候的影響就比較複雜。小顆粒( 半徑<1μm ) 反射太陽輻射的能力較強,因此產生冷卻作用; 大顆粒( 半徑>2μm ),則吸收地球長波輻射的能力較強,因此具有增溫作用。但是大顆粒受地心引力影響,幾個月之後,幾乎全部掉落至地表。因此,火山爆發之後數個月後,只剩下較小的懸浮微粒留在平流層。這些懸浮微粒可能停留在平流層達數年之久,不斷的將太陽輻射散射回太空,淨效應為冷卻作用,使地表溫度下降。

科學家估計1991年6月菲律賓的皮納吐波火山爆發使全球溫度下降了約0.5℃ 達兩年之久。原本節節上升的溫度在1991年之後止昇回跌,直到1994年才恢復上升的趨勢。科學家估計1991年皮納吐波火山爆發,造成了4Wm-2的輻射冷卻,使北半球溫度下降0.5℃。在短期之內,造成的影響,遠比工業革命以來溫室氣體增加,造成的溫室效應(2.5 Wm-2)還要劇烈。

根據歷史記載,火山爆發之後,某些地區的氣候曾發生明顯的變化。譬如,冰島Laki火山於1783年爆發之後,美國及歐洲連續兩年的夏季氣溫都偏低。歷史上最有名的個案則是發生於1815年的印尼Tambora火山爆發。二年之內,太陽、月亮、星星的光度都明顯降低。隔年(1816)在美國及歐洲被稱為「沒有夏天」的一年( The year without a summer )。該年春季及夏季皆發生結霜現象,六月時在美國新英格蘭還下了一場6呎深的雪。

亞洲地區也出現異常氣候。譬如,台灣的新竹及苗栗在1815年12月曾結霜達一英吋厚,彰化在1816年12月有結冰現象。海南島的1815/1816年冬天又冷又乾,半數的樹因此死亡;1816及1817年中國的農業收成亦因惡劣氣候而顯著減少。我們無法判斷這些現象是否與1815年火山爆發有直接關係。但是,無庸置疑的是,該火山爆發之後,世界上許多地區確實發生異常的氣候。這些例子顯示,火山爆發可能短暫的影響氣候。但是1810-1820整整十年溫度皆偏低的現象,就顯然不是火山爆發的影響了。因為溫度下降在先,火山爆發在後。同樣的,Agung火山於1963年爆發(圖7-8圖7-8),全球平均氣溫在之後的兩年明顯的下降;但是,早在50年代末,較長期的全球降溫趨勢就已經開始。

圖7-8是百年來較大的火山爆發與北半球平均溫度的關係,顯示火山爆發可能影響氣候,但並不是每一次火山爆發都會如此。火山爆發對氣候影響的程度決定於留在平流層的懸浮微粒含量。一般而言,停留在平流層中的懸浮微粒會因重力牽引逐漸沈降至對流層而後消失。它停留在大氣的時間頂多2-3年。因此,單一火山爆發對氣候的影響只是短短幾年。

圖2-5

雖然單一火山爆發的影響極為短暫,如果年年有大型火山爆發,噴出含硫量極高的火山灰,對較長時期的氣候變化是否有影響呢﹖科學家分析格陵蘭冰蕊的酸鹼度發現它不但記錄了歷史上已知的火山爆發,而且還可能記錄了許多不曾為人知的火山爆發事件。近年來的衛星觀測也發現了許多發生在偏遠地區而不為人知的火山爆發事件。圖2-5最右側的曲線為上述冰蕊酸度( acidity )的變化,與北半球溫度的變化呈現高度的一致性,亦即酸度高(低)則溫度低(高)。科學家認為酸度的變化主要是受到含硫火山灰在極區的沈降量的影響,亦即酸度越高表示火山爆發頻率越高。此一銓釋指出連續的火山爆發仍可能影響較為長期的氣候變化。


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