全球環境變遷

姜善鑫 教授

1.1背景

1988年六月,全球各國科學家聚集於加拿大的多倫多市,召開「改變中的大氣:對全球安全的意義」國際會議(International Conference on the Changing Atmosphere: Implications for Global Security)。會議的結論之一如下:

「人類正在從事一項毫無計劃、無法控制、而且又廣被全球的實驗,其嚴重後果僅次於全球核子戰爭。由於人類活動的污染,低效率而且又浪費地使用石化燃料,和許多地區的快速人口成長,這些均使得地球的大氣成分產生了史無前例的改變。這些改變對國際間的安全造成巨大的威脅,而且事實上已經在許多地區造成了重大災害。

全球增溫和海水面上升已經愈來愈明顯,這是大氣中二氧化碳和其他溫室效應氣體含量增加後造成的後果,全球增溫和海面上升的影響將異常深遠。其他重大的影響尚包括目前正在進行的臭氧稀釋,其結果將增加紫外輻射的傷害。目前最佳的預測都指出,當前和未來的經濟與社會將可能有極嚴重的動盪,這將使國際間緊張情勢升高,而且還會增加國與國之間的衝突和危機。現在正是亟需採取行動的時刻了。」

1989年七月十四日至十六日,西方七個主要工業國家在法國巴黎召開高峰會議,會後發表聯合公報,其中一項結論為:

「全世界已日益察覺到、必須設法維護全球生態環境平衡。…目前世界重大環境問題包括空氣、湖泊、河流和海洋的污染,其中空氣污染更可能造成未來全球氣候的遽變。」

根據以上所述,可知地球的大氣組成成分正在改變,造成的全球氣候變化也日益顯著。例如今年侵襲台灣的颱風次數比往年多,八月台北市的最高氣溫也打破了歷年八月最高氣溫記錄,英格蘭和不列顛這兩年的夏季乾旱特別嚴重,前年美國也發生了1940年代不景氣以來的最嚴重乾旱等,都是地球在變遷中的證據。

l.2地球變遷的意義與影響

地球自四十餘億年前形成以來,一直就在變化中,從無一時一刻停止過。上述的氣候變遷衹是整個地球瓖境變遷的一部份。除氣候變遷外,地球變遷還包括生態系統改變、水文循環和洋流系統改變、陸塊和海洋的面積及位置改變等。地球變遷的時間和空問尺度有大有小,大者可達到數十萬年以上的冰河週期及廣被全球的地殼運動;小者有僅局限一地的瞬間洪水和山崩災害等。

地球變遷對生物造成的影響異常深遠,因為整個生物界的變化、地質年代中恐龍爬蟲的滅絕、和人類文明的興衰等均與地球環境的變遷有直接關係。

最近一百餘年來,也就是工業革命以後,全球平均氣溫已上升了0.6~0.7℃。目前科學家都已經承認,近百年來的全球增溫是地球溫室效應增強造成的結果。

溫室效應增強,地球平均溫度升高,因而海洋平均溫度也會上升。海水受熱膨脹,故海水體積會增大。此外,地球溫度上升,將使兩極地區的冰融解。海水在這種雙重作用下,海水面於是上升。

海水面上升將會淹沒沿海低窪地區,使河口三角洲和海岸平原下沈。三角洲是大河的沖積平原,土壤肥沃,常常都是人口密集的農業精華地區。沿海低地及三角洲沈沒海中,將使原來居住其地的居民流離失所,變成難民,因而可能導致社會、經濟及政治的動盪不安。此外,海水淹沒沿海低地和三角洲後,鹽水也會入侵內陸,使土壤和地下水鹽化,因而破壞耕地和地下水資源,並破壞魚塭和鹽田。

地球持續增溫對生態系統的平衡也有奠大影響。例如今天在熱帶地區的許多寄生蟲,將因溫室效應增溫而會擴散到南北溫帶,屆時將在溫帶地區造成麻煩問題。對適應環境較差的動植物而言,因為其幼小一代無法繼續生存,將會造成種族滅絕的命運。有些生物的性別和孵化期間的溫度有關,因此在溫室效應加強的情況下,這些生物的性別比率也將改變。

上述溫室效應的加強是近代氣候變遷中時間尺度較小,但空間尺度卻廣被全球的一種地球變遷現象。單是溫室效應加強,就已對全球造成不可忽視的影響。此外地球還面對著許多其他的變遷現象,受到的影響更勝於溫室效應的加強,所以加強「地球變遷研究」計劃,確實是今天科學界的當務之急。

l.3數十萬年以上時間尺度的地球變遷

地球變遷的尺度有大有小,大者跨越的時間尺度超過數十萬年,空間尺度也廣被全球。其中以地殼的變動、大陸的漂移、及大冰川氣候的消長等最為重要。

地球的地殼一直在變動中,這些變遷可以從野外的岩石中得到部份線索。岩石通常都具有一定的強度,衹有當它受到的外力超過它的強度時,它才會發生位置、形狀、體積甚至組成礦物的變化,這些變化都是地殼的變動。

在野外,常可看見高山有溫洋生物化石,這就表示原來沈積於海中的岩石,經過了地殼的變動後,目前已經隆起變成高山。同樣,在海底下也可發現許多陸生植物化石,這又表示原來生長於地表上的植物,經過地殼變動後,已沈降於海中地下。所以地殼變動會使地殼發生上升、下降、或水平移動等運動,所謂「滄海桑田」、「高岸為谷,深谷為陵」等現象,都是地殼變動的結果。

現在地球上有七大洲和三大洋,但是這些陸地和海洋的天文位置、形狀和相對關係都是一直在變遷中。二億多年前,也就是古生代末期的石炭紀和二疊紀時,地球的原始陸塊衹有一個,為盤古大陸(圖1)。後來盤古大陸逐漸分裂,到了中生代的三疊紀時,也就是一億八千萬年前,終於變成北半球的歐美亞大陸和南半球的剛瓦納大陸,其間為古地中海(圖2)。到了中生代侏羅紀末期,大約是在一億三干五百萬年前,大西洋地殼分裂,北美洲與歐洲分離,南美洲與非洲分裂,印度也自非洲分離(圖3)。到了中生代白堊紀末期,也就是六千五百萬年前,南大西洋擴大變成今天的形狀,馬達加斯加島與非洲分離,澳洲仍與南極洲連在一起,格陵蘭已開始與歐亞大陸分裂(圖4)。到了新生代第三紀初期,大約距今六千萬年前,澳洲與南極洲分開,非洲擠壓歐洲造成了阿爾卑斯山,印度接近亞洲造成了喜馬拉雅山。

地球自誕生後,氣候也一直在變遷中。地質年代中地球的氣候是溫暖和寒冷交替著出現。在數十萬年以上的極長週期氣候中,有大冰川氣候週期和冰川時代氣候週期。

在震旦紀以前,也就是大約在六億年以前,我們並不清楚地球上的氣候。從六億年前古生代震旦紀起一直到一萬年前新生代的第四紀止,地球上的氣候共經歷了三次大冰川氣候。第一次是震旦紀大冰川期,距今約六億年;第二次是古生代後期的石炭─二疊紀大冰川期,距今約2~3億年;第三次是新生代第四紀大冰川期,距今約200萬年。這三大冰川期氣候的時間週期尺度大約是千萬年至億年左右。

在第四紀大冰川期氣候中,目前我們巳經確知其間氣候仍是寒冷與溫暖交替出現。這段時間世界各地的冰川進退次數並不一致,不過大多數的學者都同意有四次冰川時代。四個冰川時代的名稱與發生的年代如下:

冰川時代名稱 歐洲名 北美洲名 中國名 距今年代(萬年)
第四冰川時代 武 木 威斯康辛 大 理 12∼ 1
第三間冰期
第三冰川時代 里 斯 伊 利 諾 盧 山 24∼ 37
第二間冰期
第二冰川時代 民 德 堪 薩 斯 大 姑 68∼ 80
第一間冰期
第一冰川時代 群 智 內布拉斯加 鄱 陽 90∼120

從表中,我們可知四個冰川時代的時間尺度均超過10萬年以上。目前我們人類是正處在第四間冰期中抑或是仍在第四冰川時代中?目前我們還不是十分清楚。

1.4十數年以上時間尺度的地球變遷

第四紀武木冰川時代以後,也就是距今約一萬年前開始,氣候開始變暖。在這一萬年間,氣候仍是寒冷與溫暖交替出現,但是溫度的變化幅度不很大。這段期間的氣候特徵大致如下:

名 稱
歐 洲 氣 候
距今年數
我國大陸對應氣候
第四寒冷期
小冰期
450∼100
清朝寒冷期
第三溫暖期
第二次氣候最適期
1100∼ 700
唐朝溫暖期
第三寒冷期
新冰河期
3000∼1800
周朝寒冷期
第二溫暖期
氣候最適期
4000
仰韶文化溫暖期
第二寒冷期
6500∼4000
第一溫暖期
氣候最適期
7000
第一寒冷期
8000∼9000

上表中四個寒冷期的主要寒期距今年數分別是:8300年、5400年、2830年及270年,四者之間的時間尺度大約都相隔2600年。

二十世紀以來,由於氣象觀測儀器的進步和普及,因此世界各地乃有精確的記錄可供分析。根據各地的觀測記錄,發現本世紀在40年代以前,世界氣候是增暖的,最暖時期的年平均氣溫比常年平均氣溫高0.5∼1.0℃;但是到40年代以後,氣候開始變冷,尤其在北半球高緯度地區氣候變冷最為顯著,氣溫下降了約0.3℃。到了1970年代以後,全球氣溫又開始明顯回升(圖5)。不過基本而言,近百年來全球的氣溫是明顯的在上升,全球平均溫度上升的幅度為0.6∼0.7℃。目前氣候學家都同意,二十世紀以來的氣溫上升是大氣溫室效應增強造成的結果。

氣候的形成和變遷與太陽有極密切關係,因為太陽是大氣、陸地和海洋加熱的主要能源。目前科學家已發現太陽活動有週期性,在太陽活動的週期中,以11年的太陽黑子週期、22年的海爾黑子週期、及80∼90年的世紀週期最為重要。這些活動週期與地球變遷有甚麼關係,還有待進一步調查。

月球是距離地球最近的天體,它的引力對地球的影響也不可忽視,例如海洋中潮汐的升降,就是最佳的證據。目前有些科學家認為月亮的18.6年太陰週期與美國西部乾旱等異常氣候有關,可能是月球引力對地球大氣運動造成的影響。

在南美洲太平洋東部的熱帶海域,還有一種艾尼紐現象和全球的氣候變遷有關,艾尼紐是祕魯外海的一股暖海流名稱。通常祕魯外海是非常強盛的祕魯寒流,加上當地的副熱帶高壓下沈,因此造成祕魯和智利北部為全球最乾燥的沙漠地區之一。但是每年聖誕節前後,就有一股暖海流自北方赤道地區南下,壓抑著祕魯寒流的上湧,使得當地漁產和經濟遭受災害。通常這股暖海流持續的時間並不長,坦是平均每隔5∼7年,這股暖海流就會有一次持續的時間相當長,達到半年甚至有十八個月的記錄。強的艾尼紐現象會造成全球氣候異常,例如1982年底至1984年就是本世紀中艾尼紐出現最強的一次,這次艾尼紐在南美洲、美國、太平洋中島嶼、澳洲、及印尼等地都造成非常大的氣候災難。

此外,火山爆發和造山運動也都與氣候變遷有密切關係。火山爆發和造山運動頻繁時期,會有許多火山灰塵進入對流層上部和平流層中,當這些火山灰塵形成全球性的塵幕後,就會有效阻擋太陽輻射進入地球,因而影響全球氣候。例如,石炭─二疊紀時期的大冰川氣候時期,當時有海西寧造山運動;第四紀大冰川氣候時期,當時有喜馬拉雅山造山運動。

根據觀測,1963年3月印尼巴厘島的阿岡火山(8.5°S,115.5°E)爆發,造成1964年太陽直接輻射量減少了4∼6%,天空散射輻射增加了14%。又例如,1750∼1850年間,全球火山噴發相當頻繁,這可能是造成當時歐洲「小冰期」氣候的主要原因。

1.5人類活動與地球變遷

最近一百餘年,也就是十八世紀中葉工業革命以後,因為工業的進步帶動了經濟的繁榮,改善了人類的生活水準,於是也加速了人口的成長。由於人口成長得太快,地球資源有限,人類為了追求經濟的發展,不得不過度開發地球天然資源。於是乃大規模砍伐森林,以取得耕地;大量開採煤,石油和天然氣等化石燃料,以取得能源。這些人類活動因而使大氣中的二氧化碳含量增加。二氣化碳含量增加,大氣的溫室效應加強,溫室於是上升。

工業革命前,全球大氣中的二氧化碳含量大約為260ppm;1940年代,大氣中的二氧化碳含量在320ppm以下。1958年美國在夏威夷冒納羅亞(Mauna Loa)火山設立二氧化碳監測站,開始正式有長期連續的記錄。圖6即為1958∼1988年的二氣化碳含量記錄。由圖可知,目前全球大氣中的二氧化碳含量已達到350ppm,比工業革命前增加了90ppm,增加的幅度已超過30%。而且目前二氧化碳含量增加的速率比以前更快,每年已超過1ppm。按照目前的二氧化碳含量增加速率,科學家預測2030年時,地球溫室效應將更為加強,屆時全球溫度將比目前高出1.5∼4.5℃。這個增暖的溫度輻度已超過上一個冰河時代以來的地球溫度變化幅度。

地球溫度上升,尤其是目前這種快速的增溫,將使許多生物無法適應,可能會遭到非常悲慘的命運。目前生物學者還不完全了解控制生物種系分布的真正原因,不過大家都相信氣候、食物的供應及生存競爭是相當重要的,而且這些因子彼此也密切相關。其中若氣候一旦發生變化,就會影響整個生態糸統,進而對生物個體也造成莫大影響。最直接的影響會在生理方面顯現出來。不同的有機物對地球溫度的改變會產生不同的反應,通常微生物對新環境適應得比較快,其他生物則比較緩慢。在這種情況下,微生物將會繁殖膨脹得非常快速,最後造成生態系統的不平衡。氣候改變會間接影響到生物族群的互動關係。例如掠食和競爭的關係。某些生物在今天這種氣候下,可能生存得很好;若是環境一旦改變,對新環境適應較好的侵入者就會加入,於是原有生物可能會面臨被逐出局的命運。

地球增溫還將造成全球海平面的上升,科學家預測將有三種可能情形。第一種是最佳情形,也是海水面上升最小的情形,這需要現在立即開始嚴格管制目前的溫室效應氣體排放,在2050年時海面將上升13公分,2100年時海水面將上升28公分。第二種是很糟的情形,也是海水面上升很大的情形,這是不管制目前溫室效應氣體的排放,而且隨它任意惡化下去,在2050年時海水面將上升79公分,2100年時海水面將上升217公分。第三種是現實世界出現的最壞情形,這時不但不管制溫室效應氣體的排放,而且還加入人們過度抽取地下水造成的地盤下陷,因而海平面上升情形就因地而異,完全無法預測了。

海水上升將淹沒沿海低窪地區,破壞農地、港灣及交通設施。據科學家估計若2050年海水僅上升13公分,這也是海水上升速率最小的情況,孟加拉共和國將有1%的國土沈入海水中;若海水面上升144公分,那麼孟加拉共和國將有16%的國土消失在海水中。據專家估計,2050年時,孟加拉地區的海水面可能會上升209公分,這樣的海面上升量將使孟加拉18%的土地沈沒。沿海低地沈沒海中,將使原來居住其他地的居民流離失所,變成難民,因而可能導致杜會、經濟及政治的動盪不安。

地球的增溫效應並非全球一致。在兩極地區,溫度上升的幅度可能是全球平均值的2∼3倍;在熱帶地區,溫度增高的幅度可能僅是全球平均值的50%至100%。由於兩極地區增溫高,低緯地區增溫緩,所以高低緯度之間的溫度梯度因而減弱,於是全球的大氣環流系統將會發生改變。由於高低緯度之間的溫度梯度改變,目前全球的洋流系統也可能跟著改變。雖然全球大部份地方,都因增溫效應而變暖,但是目前暖流經過的地方,卻可能因為暖流改變方向而變得寒冷。全球溫度上升,也將導致水平衡的改變。專家估計,如果溫度上升1.5∼4.5℃,全球水循環將加強5%∼10%。全球降水可能會增加,但是降水的時間和地理分布都會改變,因此有些地方可能變得比較濕潤,有些地方可能變得比較乾燥。此外,蒸散作用亦因溫度升高而加強,使地表逕流和地下水的補注等也相對減少。

1.6目前台彎地區的地球變遷

台灣位於歐亞大陸板塊和菲律賓海板塊的交會處(圖7),菲律賓海板塊正以每年6∼7公分的速率向西北的歐亞大陸板塊方向推進,剛好在台灣東部受阻,於是菲律賓海板塊被迫潛入歐亞大陸板塊之下。在這兩板塊相會的邊緣,因為衝撞擠壓,因而形成一條斷層地震帶。台灣地層因此受到劇烈的褶皺、斷層、火山、和地震等作用,所以地質構造相當複雜。

台灣東部的台東縱谷長約150公里,寬2∼7公里,呈北北東走向。縱谷東側是海岸山脈,為呂宋火山島弧產物,屬菲律賓海板塊;縱谷西側是中央山脈,屬歐亞大陸板塊。海岸山脈和中央山脈即是菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊相碰撞造成的。台灣(特別是台灣東部)目前正是全球造山運動最活躍的地區之一,因此其地殼的變遷亦最顯著。台東縱谷玉里一帶,經過7年(1983∼1989)的調查,已經發現台東縱谷面積正逐年縮小,平均每年台東海岸山脈向中央山脈靠近2.2∼2.6公分,而且海岸山脈對於中央山脈有順時鐘方向旋轉的現象。除水平方向的變遷外,海岸山脈西側對於台東縱谷還有垂直上升現象(圖8),上升速率每年超過2公分。

台灣近百年來的氣候也有明顯變化。台灣氣象觀測始於1896年,到目前為止,台北、台中、台南和恆舂均有90年以上的連續觀測紀綠。根據氣象紀錄,台北氣溫已上升了0.75℃,台中上升了0.63℃,台南上升了0.89℃,恆春上升了0.67℃,甚至連無人居住的彭佳嶼(紀錄年代為1910∼1990)在過去80年間也上升了0.78℃。就全台灣平均而言,氣溫是在上升(圖9),在過去90年中,已上升了0.74℃。

台灣東部雖然上升得非常快速,但是西部沿海情況卻不一樣,所有的潮汐資料均顯示海水水面在上升。北部基隆每年上升速率為8公厘,中部台西高達27.8公厘,南部恆春為0.2公厘。台西是台灣著名魚蝦養殖區,該地抽取地下水問題非常嚴重,目前的地下水位已在地下20公尺深處(圖10),因此台西海水水位的快速上升,是由於溫度上升和超抽地下水雙重作用的影響造成的,不過後者原因比前者更為重要。

根據過去八十年的觀測資料,發現北港溪沿岸地區平均內栘了3.989公里,這也就是說平均每年內移49.9公尺(圖11)。北港溪口地區養殖業發達,地下水超抽量非常大,目前其地下水水位已急降至地下20公尺以下,是台灣中部海岸地區地下水位最低的地方。北港溪口的海岸內移,部份原因是受到海水水位上升的影響,不過主要仍是受到地盤下陷的影響。

綜台以上所述,可知台灣地區的地球變遷現象是全球最顯著的地區之一,因此台灣應該是研究地球變遷最理想的自然實驗室。政府若重規「地球變遷研究」,將有助於認清台灣本土因自然環境改變帶來的潛在危機。例如因超抽地下水導致的地盤下陷,和因氣溫上升造成的海水面上升,及這兩者共同造成的海岸後退問題。若政府缺乏有效對策,那麼海岸後退對台灣農業、水資源、土地利用及環境等威脅將無法估計。因為台灣的稻米主要均種植在沿海低地平原;海水水位上升也將破壞魚蝦養殖業及鹽田;海岸地帶的水資源也面臨危機,灌溉量增加,居民的供水量雖不致立即遭受威脅,但是價格將因水質問題而日益昂貴。政府重視地球變遷研究,除了可明顯的尋求有效的對策,解決潛在環境危機外,而且還可以培育我國的地球科學人材,提升地球科學研究水準,並朝向明日的地球科學大國進軍。