地球科學

現代人造雨之父─Irving Langmuir

2013/10/18
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現代人造雨之父 — Irving Langmuir
國立臺灣大學大氣科學系蔡宜君博士

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Irving Langmuir (圖片來源：維基百科)

科學家歐文·朗繆爾（Irving Langmuir，1881－1957）出生於美國紐約，1906年於德國Georg-August-Universität Göttingen完成博士學位，師事1920年諾貝爾化學獎得主瓦爾特·能斯特 （Walther Nernst，1864-1941）。朗繆爾是物理及化學家，專精於物質表面現象，例如蒸發、吸附等，他所發現的單分子吸附層理論亦被命名為Langmuir isotherm；1932年因其在表面化學的貢獻卓越，獲得諾貝爾化學獎。但朗繆爾更廣為人知的事蹟，則是他返回美國後，在通用電器公司實驗室（General Electric research laboratory，GE）任職期間(1909-1950年)，對於人造雨方法上的創新。

所謂人造雨（種雲），就是人為加速降水發生的過程，因此想要讓人造雨有效果，必須對於成雲致雨的物理過程有清楚的瞭解，才知道如何選擇適合的種雲催化劑。現代人造雨方法主要分為冷雲種雲（0oC以下，以冰晶為主）以及暖雲種雲（0oC以上，以水滴為主）兩種類別，可以說都是站在雲物理學的基礎上所做的應用。1946年朗繆爾指導文森‧舍弗（Vincent Schaefer，1906-1993）從事過冷雨滴的實驗，但冰箱的溫度卻一直降不下去，舍弗決定把乾冰 （固態的CO2）加到冰箱，意外發現乾冰可以把溫度降到-40oC，促使冰晶同質核化過程發生，產生大量冰晶。同年稍晚，他們從飛機上對一片位於4公里高度、溫度約-20oC的層雲灑下乾冰，大約5分鐘後，雲內大量冰晶形成並下落，在雲下下落了約1公里才蒸發。舍弗發現乾冰種雲的技術，也啟發了同樣任職於GE的伯納德·馮內古特(Bernard Vonnegut，1914-1997)，在1947年提出碘化銀種雲的技術，而這兩種種雲劑目前在人造雨實驗上仍被廣泛使用。

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未來氣候推估的不確定性

2013/10/18
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未來氣候推估的不確定性 
國立臺灣大學大氣科學研究所博士生王啟芸

氣候變遷是目前各國非常關心的議題，根據政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)在2007年所出版的第四次「氣候變遷評估報告（AR4）」，未來全球經濟與人口快速發展的情境下，地表溫度將上升1.4至6.4度，這個數字是怎樣被計算出來的？可信度又有多少呢？

對於未來氣候變遷的推估，目前多以全球氣候耦合模式的模擬結果當作依據，所謂全球氣候耦合模式，是將影響大氣、海洋、陸地、冰等變化的過程，用基本的物理、動力、熱力和化學定律組成的數學方程式加以解析。目前各國已有許多氣候模式，包括像美國大氣研究中心發展的Community Earth System Model (CESM)，德國Max-Plank研究所的The MPI-M Earth System Model (MPI-ESM)等，可以模擬各組成包括大氣、陸地、海洋、陸冰和海冰隨時間的變化，從而推估未來氣候狀況。每個氣候模式都會有誤差，因此用氣候模式來推估未來氣候之前，必需要先能將過去及現在的氣候狀況合理的模擬出來，通過科學家們的種種測試之後，才能說服科學家們將其應用在未來氣候的模擬。除此之外，氣候模式一個網格大約數十到數百公里不等，但地球上發生的各物理過程（例如一朵積雲的發展）也許只有數公里，在氣候模式裡為了將這些較小尺度的現象表現出來，必須使用各種參數法加以簡化，甚至直接將小尺度現象忽略，這些也都是氣候模式的不確定性。而各家氣候模式架構不同，百家爭鳴的情況下，不可能只看單一模式的結果，所以IPCC報告撰寫以及各國制定環境政策時，通常採用多模式模擬和系集模擬(ensemble simulation)的方式。

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什麼是全球暖化？何謂溫室氣體？

2013/10/18
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什麼是全球暖化？何謂溫室氣體？ (What is Global Warming? What is Greenhouse Gas?)
國立臺灣大學大氣科學研究所博士生王啟芸

近年來，「全球暖化」已是朗朗上口的詞彙，從網路搜尋結果有上百萬條的相關資訊的結果可窺知一二。為大眾常用的維基百科(Wikipedia)對全球暖化的定義為：「19世紀後，地球大氣和海洋平均溫度因人為排放溫室氣體增加而上升，並且預期會持續上升。」為什麼人為溫室氣體會提高大氣溫度？大氣溫度上升是指「整層」地球大氣溫度上升嗎？

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「浮」爾摩「沙」-臺灣空氣中的沙塵

2013/10/18
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「浮」爾摩「沙」-臺灣空氣中的沙塵
國立臺灣大學大氣科學系傅譯鋒

新聞報導中漫天飛舞的黃沙，鋪天蓋地席捲而來的沙塵暴畫面，令人感受到大自然的力量。這樣的場景通常出現在富有沙漠或是廣大旱地的國家，在臺灣要出現那樣戲劇性的畫面是微乎其微，但這就代表臺灣不受沙塵暴的影響嗎？

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圖一 99/12/3及102/9/12從臺灣大學往101方向拍攝，兩圖皆攝於下午1點20分左右，可發現 兩者能見度差異甚大。

圖一是在不同日子，從臺灣大學拍臺北101的照片，兩張照片拍攝時間都在下午1:20左右，但可發現兩者能見度差異甚大，左圖中大臺北地區正受到東亞沙塵的影響，(粒徑的粒子)濃度超過200 ，北海岸迎風面的萬里測站，甚至高達252 ，約平常的10倍左右。

沙塵事件發生有幾項條件。氣象條件方面，需要高風速以及不穩定的大氣邊界層，以利沙塵由地面揚起。而沙源條件方面，主要是植被稀疏或乾燥的地表，因為植被除了可固定土壤，也是粗糙度的主要因子；植被覆蓋密度大可更有效吸收風的動量，不易造成揚沙。由於沙塵粒子有大小之分，大粒子被風揚起後一下子就沉降了，而小粒子可被風帶離地表較高處，並隨著中高層盛行風場擴散到遠方。

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系外行星上存在雲跟雨嗎？

2013/10/16
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除了太陽系以外，天文學家目前正在積極尋找太陽系外的行星，透過光譜分析，或是如克卜勒望遠鏡透過光度變化來發掘系外行星，目前找到的多半是「熱木星」──具有大於木星質量的氣體行星，卻和母恆星位置相當接近，甚至和水星金星相比軌道更內側。而天文學家也成功利用其「凌日」現象，來一窺他們大氣可能的組成，其中有些星球被推測可能存在相態變化，成雲降水(當然不是H2O『水』)。 一、HD 189733b HD 189733b是距離地球約63光年的熱木星，其質量略大於木星，是在2005年利用凌日法所發現，並且以都卜勒光學觀測法驗證其存在。凌日法是觀測恆星光度變化，如果該恆星的盤面剛好在我們觀測的方向，那麼其行星就會產生類似凌日的現象，讓光度在短時間內減小後又恢復，可依此來推算其軌道週期、質量等。都卜勒光學觀測法則是利用恆星也會繞著系統共同質心有相對移動，以階梯光柵高解析地去分析恆星光譜，來釐清其運動週期，推測行星存在及軌道。
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各國人造雨現況

2013/10/16
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各國人造雨現況
國立臺灣大學大氣科學系趙汝穎

降雨的時間與空間分布不均，造成水資源的匱乏，這現象不只發生在臺灣，也是世界各國煩惱的問題，除了興建水壩、水庫外，科學家們不斷地尋求方法，試圖使老天降下更多的雨，以解此燃眉之急。

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圖1：美國ICE地面焰劑燃燒裝置

根據Lelieveld（1996）的估算，雲的降水效率約在11%至19%之間，也就是80%以上的雲水在還沒降到地表就已經消散，人造雨（artificial rainfall），或是技術上來說稱為人工增雨的技術行之有年，就是要想辦法提升雲的降水效率，常見的方式為種雲（cloud seeding），種雲就是在雲中添加適當大小與數量的粒子，促進雲中水滴或冰晶的成長，以增加雲水降至地表的機會，依雲種類型分為冷雲種雲與暖雲種雲，冷雲種雲適合雲頂高度較高而溫度較低的雲種，方法有潑灑乾冰、碘化銀；暖雲種雲則沒有明顯限制但通常以0oC以上的雲為目標，方法有噴灑水滴、吸水性粒子，其有效程度與環境中凝結核狀態有關，以下介紹幾種現代人造雨方式。

要將粒子從地面傳送到高空，最為便利的方法是在地面燃燒焰劑，將種雲粒子如碘化銀（冰核）、氯化鈉（吸水性粒子），加入焰劑中，燃燒後粒子隨空氣上升，傳送至雲中達到增雨效果，但此方法難以掌握粒子擴散方向與高度，成效有限，優點是成本低廉，故世界各國廣泛使用。

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氣候科學家該攜手行動了

2013/03/04
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氣候科學家該攜手行動了
知識通訊評論第120期

（本文是英國倫敦大學學院地球科學系的氣候科學教授雷普利（Chris Rapley）在2012年8月30日《自然》專文）。

反對氣候變遷的聲音，因為訴求簡明，策略有效，在全球聲勢看漲。氣候科學界迷於研究數據，說理繁複，態度本位，也不面對過去以來的行業信譽危機，現在應是攜手合作面對問題的時候了。

最近，我與英國右翼政客討論了氣候變化問題。我們都聲稱站在理性和公正的制高點。但是，我們的想法並沒有交集。他的論點對此問題不屑一顧：認定是並未發生的誇大過程；溫度變化不顯著；人類會能適應。他將減緩氣候變化視為經濟發展的威脅，並認為解除管制的市場，能夠解決任何問題。他的臨別贈言像是被勝利沖昏頭，「在關鍵的政治當權者中，你已經輸了這個議題！」

在美國、加拿大和澳洲，氣候科學成為右翼政治攻擊的焦點，已有一段時間。然而，這在英國是一個新的發展。僅在四年前，英國氣候變化法案獲所有黨派支持通過而成為法律。且在2010年，保守黨首相卡麥倫（David Cameron）說，他希望聯合政府是「有史以來最綠色的政府」。然而，最近同樣的一個政府決定，將降低綠色能源的補貼，在先前的承諾上開了倒車。

2004年，極端天氣在孟加拉造成三千萬人流離失所的大洪水。

根據預測，隨著全球持續暖化，類似2004年在孟加拉造成三千萬人流離失所的洪水的極端天氣，會變得更加頻繁。

在國際層級上，美國國內的黨派僵局，嚴重損害了削減全球溫室氣體排放的進展。美國氣候變化特使史騰（Todd Stern），目前已建議，可能不得不放棄已廣被採納，對全球暖化的攝氏兩度限制。

由此可見，輕視的聲音勝過了科學的訊息。他們成功的一個重要因素是有效的溝通策略，那是氣候科學界還沒能學習或利用的。如果決策是基於證據，而且想要釐清進一步扭曲真相的風險，主動糾正平衡就至關重要。如同政治科學家薩爾維茲（Daniel Sarewitz）、小皮爾克（Roger Pielke Jr）和其他人所指出的，從政策的角度來看，「我們知道夠多了！」

現實檢查

第一步是了解相反證據既已如此廣泛和令人信服，輕視氣候變化的聲音為何還能立足。社會科學家和心理學家對此已經發表了很多論述，但是這並不意謂，它已被氣候科學界閱讀、理解或吸收。身為倫敦的科學博物館、英國南極調查計畫和國際地圈─生物圈計畫前主任，我的經驗是，這些說法並未被了解，尤其是在資深科學家間。

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複雜難理的燎原森林大火

2013/02/26
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複雜難理的燎原森林大火
知識通訊評論第120期

近年來美國西部的森林大火更加頻繁、也更為熾烈、這與氣候變化等因素有關，也與過去勤於撲滅森林大火的人為因素相關。面對未來在氣候環境生態方面的不確定性、如何才是森林最合宜的生態、確實是棘手的難題。

二〇一一年六月二十六日星期日午後不久，強風吹倒了新墨西哥州北部傑梅茲山區的一棵白楊樹，壓在電纜線上。那一年天氣乾得很，當週氣溫又比平常高很多，結果電纜線走火引發大火，陣陣強風將火焰帶到附近濃密的樅樹跟松樹林。

在不到一小時內，待在距離聖塔菲五十五公里遠的家裡的生態學家艾倫（Craig Allen），從一封美國林務局火災控管經理寄來的電子郵件裡，得知這場大火。「我希望各位能把這場大火撲滅，」他回信寫道，「我們可不需要在傑梅茲山區再來一場森林大火。」

然而艾倫已經可以望見西邊竄起一道灰色的濃煙。到了隔天清晨，拉斯孔恰斯地區的這場大火已經燒掉一萬七千五百公頃的森林，相當於每三秒鐘就燒掉一公頃。五天後燒掉的面積增加到四萬兩千公頃，成為新墨西哥州史上最嚴重的森林大火。等到幾週後這場大火控制下來時，已經有超過六萬公頃的森林跟灌木林被燒掉，很多地方被燒得相當徹底，除了燒焦的樹幹跟塵土以外，什麼也沒留下。

對於在新墨西哥州洛斯阿拉摩斯美國地質調查局服務，研究傑梅茲山區森林三十多年的艾倫來說，發生森林大火並非意料之外的事，但是火勢蔓延的速度跟強度卻讓他始料未及。後來艾倫跟其他幾位森林科學家巡視燒燬的地區，都嚇得無言以對。從可以追溯到一六○○年的年輪火燒痕跡研判，被大火燒得精光的森林面積，使得先前幾次森林大火相形失色。艾倫說這次大火可能讓森林永遠都無法復元。

只剩焦土的森林不會留下樹木種子，不但土壤裡的營養物燒光，還會增加走山的可能性。

美國整個西部每年被大火燒掉的森林面積，過去數十年內明顯增加（詳見《烈焰愈熾》），科學家把這股趨勢歸咎於氣候暖化和乾燥，以及近一個世紀來對野火的抑制與其他的人類活動。艾倫指出在森林大火與氣候變遷交相運作之下，會將生態系統帶入新的境地，而且不只是美國西部，全世界各地皆然。就拿傑梅茲地區為例，這會使當地的黃松森林轉變成灌木林。「我們長久以來所認識的森林，正在逐漸消失當中，」艾倫說，「我們現在前途未卜，還不知道事情會變得怎樣。」

一片死寂

在拉斯孔恰斯地區發生大火十三個月後，一個晴朗的季夏日子，艾倫沿著火場南部邊緣，剛好就在班德利爾國家紀念碑外側的一處河谷漫步，這裡有錯綜複雜的峽谷，藏著許多哥倫布發現新大陸之前，建築在懸崖上的住所。除了少數灌木跟野草以外，半山腰上許多原先長有松樹跟樅樹的地方，如今棕禿禿的一片，空無一物。燒焦的鱷魚杜松樹幹，原本是可以活個好幾百年的崢嶸老木，現在卻像扭曲的手一樣斜插在地上。樹蔭只不過是個虛無縹緲的希望，地貌一片寂然，只有幾隻獵鷹在頭上盤旋。艾倫很高興還能在地上看到一些螞蟻。

這裡看起來就像死亡谷一樣乾瘠，但其實不然。這片山區一般來說，每年會降下四十公分的雨量，這在大體上氣候乾旱的美國西南部來說算很多了，理論上已經足以使森林再生，至少過去就是如此。由於森林大火燒得並不平均，通常會留下一些倖存的樹木，提供一些種子給燒掉的地區，讓森林得以再生。

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