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2017-07-01環境保護研究—碳循環研究歷史 571 期

Author 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 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。……【更多內容請閱讀科學月刊第571期】