當代海洋:從人文與氣候科學重述海洋的意義

人間氣候的前世今生‧第四講 特稿

■ 「從後見之明的視角來看,在地球上每個角落都已經被衛星探勘過,甚至可以隨意地google到的當下,我們的挑戰不再是發現『還有些什麼』,而是理解地球上眾多複雜系統之間如何交互影響…」 —Wolfgang H. Berger

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全球碳循環示意圖,兩組數據分別為1990~2000年與2000~2008年的平均,單位為10億頓。


撰文
∣ 施博仁

這場演講中,龔教授提出了幾個驚人的數據:海洋、大氣、陸地三個系統中,海洋吸收了93.4%的熱量;二氧化碳方面,人類化石燃料、水泥與土地利用造成約每年91億頓的排放量,海洋約溶解了其中的23億頓。

從全球溫鹽環流(Thermohaline Circulation)的分佈我們可以推論高緯地區更容易溶解,而且隨著環流下沉有利於減少大氣中的二氧化碳。工業發達且歷史悠久的歐美國家位於北大西洋溫鹽環流的沈降處,由海水中二氧化碳存量可以猜測人為排放的可能。

每次全球溫鹽環流循環約1600年,無論如何這些海水「暫存」的二氧化碳終有奉還我們的一天。龔教授說,人類還有一千多年的時間擬定對策。

滄海桑田尋常事

自古以來,人們對於海洋的歌詠,不外描寫其波瀾壯闊、橫無際涯;或是海上生活的冒險情懷、不安全感。但海洋吸納二氧化碳的能力是否會在可見的未來有所改變?「滄海桑田」的情況會不會發生在人類渺小的生命週期之中呢?

 

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從1700s至1990s,人類活動的二氧化碳排放所造成的pH值變化示意圖,大致上使海水變酸。注意本圖的時間尺度,還有它僅包含「人類活動造成的二氧化碳」,事實上由另一張圖可以發現從1700s至1990s,碳酸濃度的總變化卻是減少。

答案是肯定的。近50年來科學家發現北大西洋溫鹽環流的流速下降了30%,可能的影響是南方溫暖的表水往北流動減少,北半球高緯區氣溫因而降低。這樣的效應有可能會帶來類似電影《明天過後》中自由女神像遭到冰封的結果,只不過不會像電影那樣誇張。北方溫度降低,大氣中二氧化碳的溶解量乍看之下增加;另一方面,因流速減少同時又降低二氧化碳在海水中的循環速度。此外,南大洋(Southern Ocean)的二氧化碳吸收量逐年減少,有類似溶液飽和的現象,可能因為全球暖化使當地風場改變,海水不平靜,二氧化碳的溶解速度減緩了。

龔教授提到,《自然》雜誌上有個研究比較了近年來海水升降溫和海洋光合作用增減的全球分佈,發現大多數水溫變高的地方光合作用降低了。可能的原因是升溫減低二氧化碳的溶解量之餘,表水溫度上升、深水的溫度大致不變(別忘了水的不易壓縮性,以及4℃的水密度最大),兩者密度差使得深水的養分較難向上自由擴散,表水養分因而不足。

由上面的資料可以推論,各地海水二氧化碳濃度不盡相同,而且不斷波動。它受溫度、洋流、潮汐、河口、生物作用等影響,非常複雜。如果二氧化碳的濃度過低,孕育豐富海洋生命的珊瑚礁無法形成碳酸鈣;另一方面,二氧化碳的濃度過高,則會使海水酸化,依然不利於珊瑚礁生存。二氧化碳無論邁向那一種極端,對於當前生態都是不利的。科學家也指出人類的活動對於海水溫度的「貢獻」大致上是使海水酸化。

海洋溫度改變的衝擊

海平面自1870年代自今,上升了兩公尺。有科學家推論至2100年還會再上升一公尺。

另一方面,颱風生成的必要條件是海水溫度大於26℃,當海水升溫了,提供了更多的熱源和水蒸氣,颱風變多恐怕是必然的結果。有科學家提出證據,指出風速大於每秒67公尺的超強颱風出現的次數大致上在過去30年之間增加了。不過龔教授指出有反對者認為那是因為早期的儀器禁不起如此強大的颱風。這又是一個科學上難以達成共識的爭論。

許多人可能會問,海水的溫度上升是否與聖嬰與反聖嬰現象有關?目前水溫與聖嬰、反聖嬰現象的關係還不清楚。但目前已知水溫與漁獲量關係十分密切,以臺灣人關注的烏魚為例,冬天水溫驟降烏魚往南洄游,水溫的分佈決定了烏魚的捕獲量。如果我們說暖化有造成洋流改變,那勢必影響烏魚的分佈。

向海洋要更多

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既然海洋豐富的浮游植物已經為我們回收許多的碳,如果能進一步提高這項生物作用,能否把更多的二氧化碳儲存在海中呢?

美國海洋學家John Martin在1980年代提出鐵假說(Iron Hypothesis),認為海洋植物光合作用固定二氧化碳的關鍵在於鐵,海洋普遍鐵的不足限制了原本可以發生的光合作用。Martin實驗室的數據震驚科學界,一公噸的鐵大約可以去除30,000~110,000噸的碳。他為此上過電視辯論,甚至民間報紙還畫成漫畫,他曾半開玩笑地說過:「給我半艘船的鐵,我就能給你下一個冰河期(Ice Age)。」

John Martin在1993年過世,他原本計畫的海洋實驗才正要開始,後繼者到了太平洋測試,結果卻和實驗室的結果大相逕庭:一公噸的鐵只能除去1,000噸的碳,而且人為的大量添加物勢必改變原有的海洋環境,例如促生易擷取鐵的藻類種,或是帶來優養化,無論如何改變生產者的結構在生態上是危險的事情。

其實諸如此類撒鐵的主意,早有對應的自然現象:當沙塵暴發生時,就是天然的海洋肥料。另外一個相似的作用是颱風,颱風帶來低溫的環境,加上劇烈的氣旋作用促進上下海水流動,也有同樣的效果。

丈量大海

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海研二號的構造圖:搭乘海研二號研究沙塵暴對微生物的影響

海洋與氣候的關聯性是近代科學界努力釐清的重點。海洋系統本身,恐怕與大氣系統一樣極端複雜。陽光大約只能透射100~200公尺,除此之外一片漆黑。大氣的量測可以靠探空氣球,海水的量測則必須有定點停靠的船。Wolfgang H. Berger在2009年出版的一本海洋學教科書上說:「身為研究海洋的地質學家,我可以很自在地偏重海洋的歷史,而不是複雜度難倒人的變化機制(process)。因為我們總得先觀察建構出已發生與正發生的事件,才能接著研究變化機制的作用。」

回顧500年前哥倫布等人探索大洋的過程,Berger說道:「從後見之明的視角來看,在地球上每個角落都已經被衛星探勘過,甚至可以隨意地google到的當下,我們的挑戰不再是發現『還有些什麼』,而是理解地球上眾多複雜系統之間如何交互影響;我們的使命將不再是向外擴展,而是瞭解如何互相連結。」[1]

 

作者簡介

喜歡科學,但進了科學工具取向很濃厚的電機系;喜歡文字,但總沒有閒情逸致心安地闊氣地翻翻;喜歡講述已消化的知識,所以用文字寫科學,讓更多人看到文字喜歡科學。


[1] 以上兩段翻譯自Berger, W. H., & Shor, E. N. (2009). Ocean : reflections on a century of exploration. Berkeley: University of California Press.第ix與第1頁。

延伸閱讀:〈魚線的盡頭〉(一部關於人類因過度捕撈對海洋造成衝擊及影響的紀錄片,台灣中文字幕版由公視播出,中研院文字介紹在此

責任編輯:MissZoe
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