2017年6月26日

環境保護研究—碳循環研究歷史

作者/倪簡白,中央大學物理系教授,一直從事大氣化學與應用光學研究。曾參與科學衛星之光學遙測方面之工作。

根據考古氣候學,人類出現以前的百萬年間,二氧化碳的自然變化範圍是:190~280 ppm(part per million, 百萬分之一)。變化的主要因素為氣候波動變化,包含因冰河溶解而釋放其中的空氣,這段期間地球海洋與土壤吸收許多大氣中的二氧化碳,扮演緩衝的角色。但是近百年來人為影響已破壞此種平衡,而造成環境的巨大變化。
根據夏威夷莫納羅亞天文台(Mauna Loa Observatory)資料,2017 年3 月大氣中的二氧化碳已達409 ppm。過去的一年,二氧化碳增加的幅度是5 ppm,這數量已遠超過過去的每年2 ppm。人類石化燃料是二氧化碳濃度增加的主要來源,還有一項值得注意的是水泥工業。地球在未來30 年溫度可能升高1~5°C。精準預測將來的溫度對經濟、政治、環境非常重要,但是現今世界的幾個主要模式針對2050 年溫度預測誤差相當大,範圍是0.2~5.4°C。

2015 年來自世界170 國的代表在巴黎開會,各國同意要減少溫室氣體排放,目標是使地球溫度上升不超過2°C,例如當時美國承諾在2025 年以前要減少溫室氣體排放,使之比 2005 年的排放少 26~28%( 在美國總統川普於 2017 年 6 月 1 日正式宣佈退出巴黎氣候協定後, 引起 美國商界譁然, 其中特斯拉 CEO 伊隆 · 馬斯克(Elon Musk)更是因此事件立刻退出總統顧問團。)。而印度 要在 2030 年前減少 33~35%。臺灣每個人年平均二氧化 碳排放量為 10 噸,佔世界各國第 19 位。

二氧化碳的先驅研究
關於大氣二氧化碳的研究,至少已有一個世紀的歷史。1896 年,著名的瑞典科學家阿瑞尼斯(Arrehenius)預測由於二氧化碳的紅外線吸收,大氣中二氧化碳的倍增會使地球升溫5°C。他是根據簡單的理論而估計,但是結果與近代科學家使用的複雜電腦預測差不多。實驗觀測大氣中二氧化碳的增加從1950 年代開始,那時美國芝加哥大學化學系的放射化學實驗室,利用碳–14 同位素(C14)來測定礦物、地質、化石的年代。主要的人物有利比(Willard Libby)、漢斯‧ 休斯(Hans Suess)、哈蒙(Harmon Craig)等人。

碳–14 為不穩定的碳同位素,會蛻變回氮原子,半衰期約5700 年。大氣中的碳–14 濃度達到平衡狀態,樹木吸收空氣而使體內也含有一定的碳–14。當生物死亡停止呼吸,碳–14 就不再增加,而以5700 年的半衰期逐漸減少,因此檢測它體內碳–14 可以用來鑑定年代。利比因利用放射性鑑定的貢獻獲得1960 年諾貝爾化學獎。

漢斯·休斯的研究領域是核物理與化學,在原子核殼層模型(Shell Model)有卓越的貢獻。他是來自奧地利的科學世家,其父親弗朗茨‧休斯(Franz duard Suess)是當時歐洲最有名的地質學家。漢斯·休斯在二次大戰後移民美國到芝加哥大學工作,他自美國國家公園獲得一批古樹,以古樹比較近年和200 年前樹木年輪中的碳–14 成分,他發現近代樹輪中碳–14 的成分與200 年前的古樹相比有稀釋的趨勢(約少了1~2%)。這歸因於大氣中二氧化碳成分的增加,由於大氣中的碳–14 濃度固定,而燃燒產生的二氧化碳裡沒有碳–14,所以可以斷定碳–14的稀釋是由於空氣中的二氧化碳增加而造成。

這是首次對二氧化碳在大氣中增加的發現,現在稱為「休斯效應(4Suess E ect)」。1956 年後漢斯‧休斯移至加州聖地牙哥的史克利普海洋研究所(Scrippts Instituteof Oceanography)工作,那裡的主持人瑞維爾(Roger Revelle)是海洋學專家,其主要研究為大氣二氧化碳與海洋循環相互影響。在瑞維爾的努力下,史克利普研究所從漁業研究轉型成為一個近代科學研究所。50 年代美國有一系列的核試驗,包括在比基尼島試驗氫彈。許多人(包括瑞維爾)想知道放射性元素進入海洋後之情形,所以此研究所獲得許多軍方的計畫。漢斯·休斯來後,海洋中的碳–14 成為一個研究重點。他們認為溶於海裡的二氧化碳會在幾年內又排放到大氣,問題是無法確定排放時間。

大氣二氧化碳溶於在海水中後會受兩種作用:混和與化學,後者包括變成碳酸鹽類(H2CO3、 HCO3−、 CO32−)等,這些化學機制在1930 年代科學家就已經非常清楚。1957 年,漢斯 休斯與瑞維爾兩人發表了一篇文章,談到人類因使用石化燃料將使大氣中二氧化碳不斷的增加到40%(那時是310 ppm),這數字現在看太低了一點。因為當時沒有人注意到人口及工業化的快速增長。1960年代地球的人口是30 億,而2017 年是75 億,石油消耗量的增加是三倍。......【更多內容請閱讀科學月刊第571期】

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