2017年6月30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。

1956年時,又有一位化學家基林(Charles Dave Keeling)加入史克利普海洋研究所。之前他在加州理工學院任博根據考古氣候學,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 Eduard 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(Suess Effect)」。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 Institute of 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。

1956年時,又有一位化學家基林(Charles Dave Keeling)加入史克利普海洋研究所。之前他在加州理工學院任博士後研究員,工作內容主要到各地測量二氧化碳。這項研究在儀器精度的要求很高,而且必須要於當地測量,才會得到真正的二氧化碳大氣背景值。最後的選擇是在夏威夷莫納羅亞天文台,這是一個偏遠的地方,距城市或交通干擾比較小。基林很快發現二氧化碳有周期變化,每年春天4、5月二氧化碳濃度最大,到10月最小(圖二)。他說:「我們第一次看到自然界將二氧化碳自大氣中取走讓植物生長,然後在冬天來臨時還給大氣。」他在1960年發表的文章顯示,1957~1960年二氧化碳三年間的變化,這是我們對大氣二氧化碳增加最早的數據。在此之後,基林對二氧化碳的測量持續進行。這一條不斷成長的曲線現在稱為基林曲線(Keeling curve),可以說是地球科學上的最重要數據。
圖二:二氧化碳變化與增加率。此二氧化碳的增加曲線稱為基林曲線。

根據化學反應與物質不滅定律,大氣中每製造一個二氧化碳分子就相當於減少一個氧分子。如果大氣中每年有5 ppm二氧化碳製造出來,是否就有相等的氧氣減少?答案是肯定的。這項工作在20年前已由基林的後人拉爾夫·基林(Ralph Keeling)在史克利普展開。拉爾夫·基林是筆者在研究所的同學,他當時受到父親的啟發開始這項研究。所使用的儀器是精密的麥克生干涉儀(Michaelson Interferometer)。邁克生(Albert Michelson)與摩雷(Edward Morley)使用這儀器於1887年進行了著名的實驗,證實以太的不存在,啟發愛因斯坦發展狹義相對論。拉爾夫·基林經多年努力已經成功建立相當於基林曲線的氧氣曲線如圖三所示。由於氧氣與二氧化碳有不同的物理與化學性質,它們增減的幅度不一定相同。但是氧氣減少的趨勢與年度變化可以清楚的看出。

圖三:1991~2005年間大氣中的氧氣的變化。根據此數據推算,再過2萬5千年大氣中氧氣會減少2.5%。


海洋與植物的循環
海洋與植物每年大概自大氣中移走約200億噸(25%)的碳,但是相同數量的碳(約195億噸)又被海洋與植物還給大氣,因為這些石化燃料埋在地底已幾百萬年,存在石化燃料中的碳–14已蛻變光了,造成大氣中碳–14的比例減少。二氧化碳在大氣中的增加幅度3~5 ppm比過去幾千萬年都多。

地球上的碳來自幾個地方,最大的來源是地質碳(Geological carbon),如圖四。1870年,存量在約7.5×107 Pg(千兆克),其中有400 Pg進入大氣變為二氧化碳。自1870年至今,大氣二氧化碳含量已經增加了230 Pg。 途中顯示海洋中有38000 Pg、土壤中有2500 Pg,但是農業及土地開發將二氧化碳釋回大氣,土地自大氣吸收相等量的二氧化碳。

圖四:地球上的碳循環。

海洋中碳循環有三個要點需要澄清:(1)海水溫度與二氧化碳溶解度及海水pH值的關係;(2)海水的循環;(3)海洋生物對海溫pH值及海水養分的反應。

海溫的升高將減少二氧化碳溶解度,海裡的二氧化碳增加氫離子使海水變酸。兩者會降低海洋吸收二氧化碳的能力。這些問題很複雜都沒有簡單的答案,只有待將來科學家的努力了。由二氧化碳的研究史,看到長遠的眼光與努力在科學研究中的重要,勉勵研究人員不斷的堅持,最終會有重要結果。


延伸閱讀
1. H. Graven, The Carbon Cycle in a changing climate, Physics Today, Vol. 69, 2016.
2. H. E. Suess, Radiocarbon Concentration in Modern Wood, Science, Vol. 122: 415-417, 1955.
3. T. F. Stocker et al. eds., Climate Change 2013: The Physical Science Basis-Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge U. Press, 2013. 

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