張泉湧觀點：全球暖化之危機—人類活動不僅改變地球大氣結構甚至宇宙環境

2021年3位同獲諾貝爾物理學獎者之一，美籍日裔氣象學博士真鍋淑郎，他研發氣候模式，以模擬大氣中二氧化碳濃度增加，如何導致地表升溫，現年已逾90歲的真鍋淑郎，自1960年代起即開始研究地球大氣溫室效應議題，於1969年率先發表「大氣、海洋結合模型」，被美國媒體稱為「溫室效應之父」。

1990年代一般大眾才開始注意到全球暖化的議題，隨著全球暖化的觀測證據越來越多，科學家們不禁驚嘆30年前真鍋的物理直覺，並建構能掌握影響大氣溫度的重要模型，進而能準確預測二氧化碳對氣溫和地表溫度的影響。除準確預測地表升溫幅度外，也能正確的模擬出二氧化碳增加會造成對流層頂上升及平流層冷卻現象，由將近50年來的觀測資料證實，這是人為造成氣候變遷的重要證據之一。

1980年代真鍋的第一個全球海洋與大氣環流的耦合模式誕生，預測在二氧化碳的影響下，陸地將增暖得比其鄰近的海洋快，使北半球因陸地最多的中高緯度暖化速度將高於全球；同樣處於中高緯度，極地上升流使得陸地較少的南大洋升溫緩慢。這些在1980年代即已做出的預測，和2021年8月聯合國政府間氣候變化專門委員會所發布的氣候變遷第6次評估報告相吻合；該氣候模式也預測水循環增強，根據熱力學定理，在相對濕度不變情況下，溫度每增加1℃，大氣中的水氣含量大約增加7%，水循環增強乃促使原就潮濕的熱帶雨林增加降雨量、副熱帶海洋蒸發則更為旺盛，促使全球乾濕季之降雨變化也加劇。目前二氧化碳比工業革命前已增加約50%，全球均溫已上升超過1℃，支持前述理論的觀測證據越來越多；目前氣候學家們在真鍋的模式基礎下，繼續鑽研多種影響之因子，且跨尺度之間的交互作用；隨著理論、觀測和模式3者的日趨完善，以及近年來大數據第4大工具的加入，氣候學家們正持續研究雲這個複雜的因子對暖化幅度的影響，並定量評估颱風、暴雨及乾旱等極端天氣事件在未來的變化。

全球暖化導致對流層頂上升、增強雷暴與飛航亂流程度

大氣科學稱靠近地球表面的大氣層為對流層，常見的風、霜、雨、雪、冰雹、霧霾等，所有天氣現象都發生在此層，人類和所有生物也都生活在這裡，因此和我們關係最為密切。對流層大約占大氣層總質量的75%和90%以上水汽之質量，因密度最大所以厚度最薄，從地表申展向上8～18公里高度各地不等，低緯熱帶區對流旺盛，因此對流層較厚，赤道附近約18公里，厚度向兩極地區遞減，極地地區約只8公里厚，受溫度的影響，每年夏季要比冬季更厚一些。對流層頂是對流層和平流層之間一個明顯的過渡層，對流層頂高度和溫度變化間之關係已成為全球氣候變化的重要指標。 （相關報導： 張泉湧觀點：全球暖化造成海洋熱含量與極端氣候災難創新高 ｜ 更多文章 ）

加拿大多倫多大學Jane Liu團隊，2021年11月5日於《科學進展》撰文指稱，研究分析氣壓、溫度和濕度等大氣資料，並使用GPS衛星數據，追蹤1980～2020年期間對流層頂的變化，發現北半球2001～2020年期間，對流層頂高度每10年上升約53.3公尺，比1980～2000年的增高速度略快。這種增高速度業已排除自然氣候變化的任何其它影響，如火山爆發，因此，增高是由氣候變化所獨立造成的。由於目前大氣中溫室氣體濃度正急劇增加，對流層變暖並向上擴展，導致對流層頂被推向更高處，因此對流層頂高度的向上擴展，成為氣候變化的敏感指標，可能影響大氣環流改變，並加劇極端氣候發生。

2021年9月14日 史丹福大學的研究 發表於《科學》表示，颶風「艾達」的餘波引發龍捲風和強風，橫掃美國東北部，摧毀建築物，奪走107條生命造成752億美元損失。研究確定大風暴的一個關鍵特徵，有望使預測這種極端天氣事件變得更容易。對流層頂高度增高會使得大氣環流能量更劇烈，由於對流層水汽約占地球大氣層水汽總量的90%，所以出現暴雨、暴雪、冰雹等極端天氣的情況變多，而寒潮、熱浪和颱風也更容易出現，高低壓形成的風力也更強，氣候異常發生的機率隨之升高。

平流層變薄影響衛星和GPS導航系統，飛航遭遇亂流增加

大氣結構中對流層之上層為平流層，位於地表上空20～60公里間，此層之溫度隨高度增加而增加，且終止所有垂直運動。碳排放不只造成溫室效應，也會使平流層變薄，造成人造衛星與 GPS 定位、無線電通訊潛在的影響。人類生活在對流層裡，二氧化碳在此產生暖化效應並使空氣膨脹，推高了對流層的上邊界。但當二氧化碳進入平流層時，實際上會冷卻空氣，使空氣收縮。2000年代中期以來，科學家已知道對流層正往上擴增，推升對流層頂高度，並壓縮平流層空間，2021年5月12日《衛報》報導，研究首證實，碳排使平流層變薄，可能影響衛星和GPS運作，研究作者之一，西班牙維戈大學學者胡安阿涅爾表示，平流層縮小顯示人為造成的氣候危機，嚴重程度已經擾亂厚度高達60公里的大氣層。2021年11月11日《科學前緣》發表的研究表示，自1980年代以來，平流層的厚度已經減少了400公尺，如果碳排沒有顯著減少，到2080年可能將再減少約1公里。人類在對流層所導致之溫室效應，因熱脹冷縮效果，對流層隨著全球暖化而增厚，但事實上，對平流層而言，為冷卻效果，會使平流層的溫度降低，並因此收縮而變薄。屆時將可能影響到衛星運行、壽命與其他無線通信設施，如GPS導航定位與手機通訊的性能都有可能遭到影響。2021年英國雷丁大學教授保羅威廉姆採用衛星觀測資料與多種氣候模式研究結果指出，平流層收縮可能導致民航機巡航過程中遭遇亂流數增加兩倍。

結論：人類活動不僅改變地球甚至宇宙環境

人類不當生活模式導致溫室氣體大量增加，並使大氣對流層頂高度每10年上升約53.3公尺，影響大氣環流改變，並加劇極端氣候發生。平流層厚度則自1980年代以來已縮小約400公尺，可能影響GPS導航定位與手機通訊的性能，因此人類正在影響高達60公里厚的大氣層，但暖化恐怕還對大氣層造成更多尚未發現的影響。2012年8月30日NASA發射兩艘裝有自動控制輻射帶風暴探測器太空船，用來研究環繞地球的范艾倫輻射帶。2017年NASA的太空探測器偵測帶電粒子活動時，發現某種低頻屏障阻止某些有危害的輻射，2021年NASA證實這屏障一直在積極地將范艾倫輻射帶推離地球，現在輻射流實際上比1960年代離得更遠，能幫助地球抵禦高能太空輻射，證實人類活動不僅改變地球甚至宇宙環境。 （相關報導： 張泉湧觀點：全球暖化造成海洋熱含量與極端氣候災難創新高 ｜ 更多文章 ）

＊作者為歷任飛航總臺主任氣象員、民航局組長及多所大學兼任副教授等職，著有《圖解全球暖化之危機與轉機》《全球氣候變遷─危機與轉機》《圖解大氣科學》及《中尺度氣象學》等書