北極-全球暖化放大器/中央研究院環境變遷研究中心 許晃雄研究員

 作者:中央研究院環境變遷研究中心 許晃雄研究員

氣候引爆點

氣候系統引爆點(tipping points of climate system)是近幾年最夯的氣候變遷議題。所謂引爆點,就是指一個小小的變化,可以導致整個系統巨變。就宛如站在懸崖邊,往前一步就自由落體般掉落,回不到原來的立足點,退一步則安全無虞。氣候系統引爆點,指的就是某一氣候現象(以全球暖化為例)超過某個門檻後,就會啟動無法控制、自我放大的正回饋(如果是不好的影響,就是惡性循環;好的話,是良性循環),增暖現象持續加強,回不到原來相對穩定的氣候狀態,進入一個完全陌生的暖化甚至炙熱的世界。

北極放大

1980年代以來,北極溫度上升趨勢高居全球第一,全球平均氣溫大約上升0.4C,北極平均溫度則上升了約1.1C,將近3倍之多。相同的現象也發生於1920-1940年的暖化期間。北極氣溫的變化幅度顯然比其他地區高出許多,也就是說敏感度高。未來氣候變遷推估也發現北極將是暖化最劇烈的地區。這個現象就是北極氣候衝擊評估報告(Arctic Climate Impact Assessment)所宣稱的“極區放大(polar amplification)”現象。南極是個大冰原,冰棚厚達數公里,周圍海冰受季節變化的影響,不像北極海海冰與北半球陸地冰原的季節變化那麼大。相對於北極,南極的氣候較為穩定,變化較小。因此,“極區放大”就是“北極放大”(arctic amplification)。這個放大現象,與冰雪的存在有極大關係。系統性的冰雪變化,極易產生氣候的正回饋作用,米蘭科維奇的冰期/間冰期理論,就是一個最佳的例子。北極冰雪可以分成兩大類:地表的冰雪覆蓋(包括海冰與陸地冰雪),與地表下的永凍土(permafrost)。以下分別討論。

暖化紀錄器與放大器

一般討論暖化趨勢都著眼於地表氣溫(也就是經常看到的全球平均溫度變化曲線)。其實,如果排放過多溫室氣體造成全球暖化確實發生,相對於空氣與土壤,海水比熱高儲熱能力佳,海面高度與海水熱容量應該是保存暖化訊息最為完全的氣候變數之一。過去一百多年來,地表氣溫與海表面溫度雖然呈現長期上升的趨勢,但也以數十年的時間尺度上下振盪,發生短期的暖化遲滯與冷卻現象。最近十年的暖化遲滯現象就被引用來反駁暖化趨勢的存在。科學家發現雖然最近十年地表溫度沒有持續上升,數百公尺深的海水其實仍持續變暖,顯然暖化趨勢持續發生。過去百年的海面高度也是呈現持續上升的趨勢,上下振盪幅度甚小,暖化遲滯與冷卻現象不明顯。如果說海洋是人為全球暖化的最佳紀錄器,北極就是全球暖化的放大器。因為,如前所說,由於冰雪的存在,北極溫度敏感度極高,如果有人為暖化現象,衝擊最大的地區之一應該就是北極。

極區氣候回饋機制:海冰

“冰-反照率回饋”是最常被提到的放大效應。反照率,簡單的說,就是反射率。冰雪的反照率可高達百分80-90,大部分的太陽光都被反射。一個區域內,冰雪越多,反射的太陽光越多,地表吸收的能量越少,因此越冷、越容易形成更多的冰雪。反之,如果冰雪少,“冰-反照率回饋”會讓地表溫度上升更多、冰雪更少。短期內,這個放大效應在海洋可能比陸地更明顯。北極海的海冰如果減少,露出低反照率(低於20%)的海面,大部分的太陽輻射被海水吸收,海水的比熱大於陸地,而且體積龐大,相較於土壤儲熱能力好很多,夏天儲存的能量,可以在秋冬釋出,使得海冰較不易形成,可以加強冰-反照率回饋與暖化趨勢。

從1979年有衛星觀測以來至今,每年九月(一年中海冰面積最少的時期)的北極海海冰覆蓋面積經從800多萬減少到340多萬平方公里。海冰體積減少2/3,比例比面積減少還大,因為海冰不僅覆蓋面積變少小也變薄。歐亞大陸上的冰雪覆蓋面積則從約600萬平方公里減少到93萬平方公里。冰雪快速減少與溫度快速上升,反映了“冰-反照率回饋”放大效應。

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圖說 海冰體積的減少趨勢 http://www.skepticalscience.com/2013-arctic-sea-ice-prediction.html 

IPCC AR4的未來氣候變遷推估,發現到了2100年海冰覆蓋面平均而言將減少至約200萬平方公里,是1980年代初期的1/4。但是,模式推估結果差異很大,從完全消失到減少至約500萬平方公里不等。不少研究人員認為這項推估低估了海冰減少的速率。觀測資料顯示,過去30年海冰覆蓋面積減少速度極快,2012年的海冰面積已經減少至341萬平方公里,比模式推估的結果少了不只300萬平方公里。模式顯然欠缺模擬海冰快速減少的機制,如何精準推估海冰未來減少的趨勢,仍舊是一項亟需突破的嚴厲科研挑戰。

極區氣候回饋機制:永凍土

陸地雖然儲存熱量效果比海水差很多,永凍土融化造成的放大效應,長期而言(百年尺度),可能更加嚴重。永凍土是土壤溫度低於零度,含水結成冰的區域,存在於北極圈附近的區域與高山,有些甚至存在於海面與水面下。永凍土覆蓋範圍約佔北半球陸地面積的24%。現今大部分的永凍土形成於上個冰河期期間,已經存在數千到數萬年,部分較新的永凍土形成於中世紀之後的小冰期,也有數百年歷史。水面下的永凍土形成於上一次冰期,後來氣候變暖,海面上升才被海水淹沒。永凍土形成期間,被凍結的植物與動物遺骸,被覆蓋在土壤中,由於溫度低,微生物的分解停止,永凍土成為龐大的有機物儲存庫。

永凍土的最上層為活耀層(active layer),受到上方空氣影響,夏季土壤中的冰融化,冬季凍結,有明顯的季節變化。活耀層厚度從數十公分到數公尺不等。基本上,較冷較穩定的永凍土,活耀層較淺,較暖較不穩定的永凍土,活耀層較深。當氣溫逐漸上升,土壤漸漸加溫,活耀層變深,永凍土逐漸融化,微生物的分解活絡起來,在無氧狀態下,有機物變成甲烷,在有氧環境,則形成二氧化碳。雪量變多也可能加深活耀層,這是因為雪中含有大量空氣,隔絕雪上的寒冷空氣,具有隔熱效果,對雪下的土壤有升溫作用。全球溫度上升,空氣含水氣量增加,較多的水氣被傳送至極區,雪量反而增加,永凍土的活耀層變深,加速永凍土的融化速率。監測資料顯示,20世紀初到現在,北緯45度以北的永凍土面積從約1300萬減少至約1000萬平方公里。

微生物在融化的永凍土中製造的甲烷與二氧化碳(都是溫室氣體),透過土壤隙縫排入大氣層,增加大氣的溫室氣體濃度,加劇溫室效應,加強暖化,更多永凍土融化,形成正回饋過程,稱為永凍土碳回饋(permafrost carbon feedback)。冰雪覆蓋面積減少、冰原與冰川退縮,也可能透過不同的方式,將原本儲存於地表下的甲烷與甲烷水合物,釋放至大氣中,增加大氣溫室氣體濃度。甲烷的溫室效應潛勢是二氧化碳的25倍,是衝擊更大的溫室氣體,雖然量比不上二氧化碳,對整體溫室效應的貢獻不容忽視。

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圖說 永凍土內甲烷排放至大氣的途徑 http://www.skepticalscience.com/crycapone.html 

根據IPCC AR4的未來氣候推估,到21世紀末,北極氣溫上升幅度約為全球平均值的2倍,降水量增加約30%,這些因素都會使永凍土範圍逐漸北退。如果全球平均氣溫上升3ºC,北極上升6ºC,永凍土面積推估將減少30-85%。值得注意的是,這些推估都沒考慮到永凍土碳回饋機制,因此很可能低估了永凍土減少的程度。永凍土的總含碳量約1672Gt,大約是目前大氣層含碳量的兩倍。這些碳以二氧化碳與甲烷型態排放至大氣層,會顯著增強未來的暖化程度。因此,到底會有多少碳從永凍土排放至大氣中,是一個極其重要且必須了解的問題。但是預估值的不確定性很高,26-104GtC不等,換算成二氧化碳當量(CO2 equivalent)為43-135 Gt。

推估結果顯示永凍土融化釋放出溫室氣體,對現今的人類而言是一個不可逆的過程。這個過程可能在未來幾十年內啟動,且維持數個世紀之久。這是因為永凍土碳回饋是個“自走”過程,具有自我放大效應,一旦啟動,除非氣候急速變冷,再度冰封永凍土,否則很難逆轉。近幾年,大氣二氧化碳含量以每年3ppm的速率增加,甚至有加速趨勢。2013年5月大氣二氧化碳含量的月平均值已達399.89ppm,相對於工業革命前的280ppm,增加約43%。以目前的趨勢看來,靠控制溫室氣體排放,避開可能由永凍土-碳回饋點燃的引爆點,似乎很難。有些研究認為,太陽黑子數在未來數十年可能大量減少,太陽輻射變弱,地球降溫,重現數百年前發生過的小冰期。然而,另一些研究經過詳細計算後,發現類似的太陽輻射變弱現象,僅能造成0.2-0.3ºC降溫,遠小於溫室氣體增加所造成的未來暖化幅度。

其他回饋機制

當極區暖化發生,受影響的不只是天氣與氣候,生態環境、地表狀況、人類維生系統都受到影響。這些環境變遷甚至可能形成另類回饋機制,進一步強化北極放大現象。永凍土區南為寒帶森林,北為苔原。前者是高大的樹木,後者是矮小植物。當暖化發生,較低緯度的林帶北移,苔原區長出較為高大的植物。有些地區的落葉松(冬季會掉葉子)被雲衫、冷杉(冬天不會掉葉子的長青樹種)取代。較高大有葉子的樹種,因為樹葉較多,不只吸收太陽光的能力較高,還會吸收地表放出的長波輻射(紅外線),減緩地表失溫的速度。這兩種作用都會讓地表溫度上升,無形中加強暖化作用。也有些研究發現,苔原植物為寒帶森林取代後,土壤中的氧化過程加快,加速分解將土壤中的有機碳,以二氧化碳形式排放至大氣中,增加溫室氣體濃度。

永凍土融化後,土壤的水流失,地層下陷,不只導致建築物與樹木傾斜、公路下陷,也將下陷區鄰近的結凍土壤直接暴露在空氣中,永凍層因之融化得更快,內含的有機碳加速被氧化排放至大氣中。海冰減少,海面上升,強風吹洋面更容易造成波浪衝擊與侵蝕海岸,海岸因此崩塌,露出更多的永凍層,也會加速永凍土的融化與碳排放。

結語

這些新的研究,發現了許多意想不到的回饋機制。除了前述的自然界的回饋機制,北極暖化也提供了更便利快速的航運,開啟了開採蘊藏量豐富的石油、天然氣、甲烷水合物的可能性。北極已經不是過去無法接近與利用的地區,暖化提供的無限的可能性,人為的污染與對生態的衝擊、化石燃料的開採等等,都可能加速放大北極的暖化速度。全球暖化在北極被放大,似乎即將開啟一個會加速暖化的潘朵拉盒子。儘速了解北極放大現象與影響機制,人類如何自律以延遲潘朵拉盒子的開啟,無疑是人類目前面臨最大的挑戰之一。

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