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【科學講堂】量度過去空氣 尋找未來路向

2019-11-07

不少人認為,全球暖化及氣候改變,可能是人類在這個世紀中面對的最大難題。為了能更快更完善地解決這個問題,科學家們必須更全面更深入地了解地球的氣候系統。是的,地球的整個氣候系統複雜無比,我們還未能完全了解呢。未能全面了解這個複雜的系統,也是全球人類無法同心協力解決氣候問題的部分原因:許多質疑甚至不接受全球暖化的人,都辯稱既然科學家們之間也未能對氣候的了解和預測達成共識,其他人亦無法對全球暖化投以信任的一票。那麼今天就以海水溫度為例,讓我們分享一下科學家們在這方面的努力。

推算海水溫度 靠生物不準確

地球的氣候系統千絲萬縷,海洋也是很重要的一環:海水的溫度反映了地球兩極冰塊溶化的速度,也影響了海水吸納二氧化碳的容量、颱風形成的機率,因此是幫助科學家們了解地球氣候的重要資料。

尤其是大約兩萬年前,地球正值一個冰河時期的尾聲,不過在不太清楚的原因之下,地球在其後的一萬一千多年經歷了一段氣候溫暖的時期。要理解這個「擺脫」冰河時期的原因,科學家們極需知道當時地球的氣候狀況,以求深入了解相關的科學原理、優化各種各樣的氣候模型。數千數萬年前的海水溫度,就是對科學家們極有用途的數據之一。

不過要知道數千數萬年前的海水溫度,談何容易?那個時候的人類還在十分原始的狀態,可能連什麼是溫度也不懂,自然不會留下什麼記錄;看來我們得依賴當時遺留下來的一些東西,好讓我們從中推斷出當時的海水溫度。

一直以來,科學家們使用的很多方法,都跟當時的生物有關:什麼樣的生物遺骸聚在一起、貝殼中鎂與鈣的比例、一些海洋生物有機化合物的化學結構排列,這些都受海洋的溫度影響,因此可以用來推斷古時的海水溫度。不過這些方法要求我們對生物如何受海水溫度影響有深入的理解,實際上來說並不容易。因此推斷出來的溫度,誤差可能高達攝氏1度。1度說來好像不多,不過冰河時期完結前後,海水溫度的改變大約也只是3度而已;由此看來,1度的誤差可謂一點兒也不少。

懶惰貴族氣體 推測更為準確

為此,美國加州大學(聖地牙哥分校)的氣象物理學家Bernhard Bereiter和他的研究夥伴,開發了一個並不依賴生物的方法去找出數千數萬年前的海水溫度:經常被用於霓虹燈中的貴族氣體(noble gas)不容易跟其他物質發生化學反應,與各種生物也很少有「瓜葛」;因此這些貴族氣體,特別是當中較重的氪(krypton)和氙(xenon),能有多少溶解於海水當中,主要受溫度控制,而很少受其他的化學跟生物反應影響。而且這種溶解過程發生相對較快,海水溫度改變以後大約100年後,氪和氙的溶解量就會有相應的反應了,因此可以容許科學家更容易推斷出準確的海水溫度。

當海水變暖,較少的氪和氙就會溶於海水之中;相對來說,大氣層中的氪和氙就會變多。只要我們找到過去的空氣,再量度當中氪和氙的含量,就可以知道當時海水的溫度啦。

只是我們怎樣找到過去的空氣呢?南極冰層之中藏了不少「古時」的氣泡,當中就是過去的空氣啦!利用這個方法,Bereiter和他的研究夥伴可以判定海水溫度在350年之間的改變,推斷出的溫度的準確度,更高達四分之一度。Bereiter這些重要的研究成果,將對我們再進一步理解氣候模型起虓巨鉽垠n的作用。■張文彥 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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