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星期四, 2013年 7月 25日

全球变暖 ─ 谁主浮沉?

因为水汽在大气的浓度远较二氧化碳高、吸收红外线辐射的能力比二氧化碳强,有些说法指大气中最重要的温室气体是水汽而不是二氧化碳,企图消除人们对二氧化碳排放不断增加的忧虑。然而,科学事实是:在众多引致地球气候变暖的因素中,二氧化碳排行第一。要理解为什么是二氧化碳而不是水汽在控制地球温度,我们须要明白这两种温室气体的特性。

水汽是可凝固的气体,停留在大气的时间约为一个星期至十日。它在大气中的浓度会受空气温度的影响而改变:较暖 (冷) 的大气可盛载较多 (少) 水汽。由于大气对流层[1] 的温度一般随高度增加而降低,大部份水汽集中在对流层较低的位置。

另一方面,二氧化碳是一种在大气中充份混合的温室气体,它停留在大气的时间可长达多个世纪。在不可凝固的温室气体中,二氧化碳的浓度最高。与水汽相比,在愈高的大气中,二氧化碳阻挡热力离开地球的能力会愈显重要。试想像地球表面散发出的红外线辐射会被接近地面一层大气中的温室气体所吸收然后再往多个方向散发开去。其中往上走的辐射会被更高层的大气中的温室气体所吸收然后再散发开去 (图一)。随着高度增加,空气愈趋稀薄、寒冷和乾燥。换言之,愈是往上空走,愈少水汽存在及发挥其温室效应,但与大气充份混合及不会凝固的二氧化碳却仍继续在工作。此外,水汽和二氧化碳所吸收的红外线波长是不同的,一些红外线辐射可能会穿过水汽,但却会被二氧化碳拦截。所以,二氧化碳才是最后的「守门员」,阻止热力逃逸到太空。

那水汽在全球暖化中究竟扮演着一个甚麽角色呢?由于水汽亦是一种温室气体,它存在于大气中的确会提升地球温度。但是,现今的气候科学告诉我们:它所扮演的只是一个配角。当大气因其他的温室气体存在而暖化后,大气便可盛载更多水汽,随着水汽增加,大气中的温室效应亦随之而增强。据估计,水汽差不多可以把大气中二氧化碳所造成的温室效应放大一倍。但我们必须注意,事情也可以往相反的方向发展:较冷的大气容纳水汽的能力会降低,过多的水汽便会凝固,温室效应亦会随之减少。

大气中像二氧化碳这类不可凝固的温室气体才是全球变暖持续的关键,这可以由一个在数年前美国太空总署一班科学家利用先进的气候模型进行的模拟实验来显示[2]。当他们从气候模型中拿走所有不可凝固的温室气体,模拟结果显示地球表面温度会在十年内急速下降至摄氏零下15 度,而水汽亦会大幅减少约百份之九十 (图二)。这个实验清楚显示二氧化碳才是地球温度的主控钮。



李细明、唐恒伟


参考资料:

[1] zh.wikipedia.org/wiki/对流层

[2] Atmospheric CO2: Principal Control Knob Governing Earth's Temperature. Andrew A. Lacis, et al. Science 330, 356 (2010); DOI:10.1126/science.1190653.


图一

图一      温室效应。



图二

图二      从气候模型中移除所有不可凝固的温室气体后,模拟全球表面温度(黑色线,
尺度在左轴)及水汽(浅蓝色线,尺度在右轴)随时间的变化 (源自
Atmospheric CO2: Principal Control Knob Governing Earth's Temperature. Andrew
A. Lacis, et al. Science 330, 356 (2010); DOI: 10.1126/science.1190653. 蒙允转载
自 The American Association for the Advancement of Science。注:未经授权,
不得转载图片,详情请参阅英文版本)。




最近修订日期: <2013年9月27日>