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2017-07-01環境保護研究—碳循環研究歷史
571 期
Author 作者
倪簡白／中央大學物理系教授，一直從事大氣化學與應用光學研究。曾參與科學衛星之光學遙測方面之工作。
根據考古氣候學，人類出現以前的百萬年間，二氧化碳的自然變化範圍是：190~280 ppm（part per million, 百萬分之一）。變化的主要因素為氣候波動變化，包含因冰河溶解而釋放其中的空氣，這段期間地球海洋與土壤吸收許多大氣中的二氧化碳，扮演緩衝的角色。但是近百年來人為影響已破壞此種平衡，而造成環境的巨大變化。
根據夏威夷莫納羅亞天文台（Mauna Loa Observatory）資料，2017 年3月大氣中的二氧化碳已達409 ppm。過去的一年，二氧化碳增加的幅度是5 ppm，這數量已遠超過過去的每年2 ppm。人類石化燃料是二氧化碳濃度增加的主要來源，還有一項值得注意的是水泥工業。地球在未來30年溫度可能升高1~5˚C。精準預測將來的溫度對經濟、政治、環境非常重要，但是現今世界的幾個主要模式針對2050年溫度預測誤差相當大，範圍是0.2~5.4˚C。
2015年來自世界170國的代表在巴黎開會，各國同意要減少溫室氣體排放，目標是使地球溫度上升不超過2˚C，例如當時美國承諾在2025年以前要減少溫室氣體排放，使之比2005 年的排放少26~28%（在美國總統川普於 2017年6月1日正式宣佈退出巴黎氣候協定後，引起美國商界譁然，其中特斯拉 CEO伊隆·馬斯克（Elon Musk）更是因此事件立刻退出總統顧問團。）。而印度要在2030年前減少33~35%。臺灣每個人年平均二氧化碳排放量為10噸，佔世界各國第19位。
二氧化碳的先驅研究
關於大氣二氧化碳的研究，至少已有一個世紀的歷史。 1896 年，著名的瑞典科學家阿瑞尼斯（Arrehenius）預測由於二氧化碳的紅外線吸收，大氣中二氧化碳的倍增會使地球升溫5˚C。他是根據簡單的理論而估計，但是結果與近代科學家使用的複雜電腦預測差不多。實驗觀測大氣中二氧化碳的增加從1950年代開始，那時美國芝 加哥大學化學系的放射化學實驗室，利用碳–14 同位素 （C14）來測定礦物、地質、化石的年代。主要的人物有利比（Willard Libby）、 漢斯·休斯（Hans Suess）、 哈蒙 （Harmon Craig）等人。
碳–14為不穩定的碳同位素，會蛻變回氮原子，半衰期約5700年。大氣中的碳–14濃度達到平衡狀態，樹木吸收空氣而使體內也含有一定的碳–14。當生物死亡停止呼吸，碳–14就不再增加，而以5700年的半衰期逐漸減少， 因此檢測它體內碳–14可以用來鑑定年代。利比因利用放射性鑑定的貢獻獲得1960年諾貝爾化學獎。
漢斯·休斯的研究領域是核物理與化學，在原子核殼層模型（Shell Model）有卓越的貢獻。他是來自奧地利的科學世家，其父親弗朗茨·休斯（Franz Eduard Suess）是當時歐洲最有名的地質學家。漢斯·休斯在二次大戰後移民美國到芝加哥大學工作，他自美國國家公園獲得一批古樹，以古樹比較近年和200年前樹木年輪中的碳–14 成分，他發現近代樹輪中碳–14的成分與200年前的古樹相比有稀釋的趨勢（約少了1~2%）。這歸因於大氣中二氧化碳成分的增加，由於大氣中的碳–14濃度固定，而燃燒產生的二氧化碳裡沒有碳–14，所以可以斷定碳–14的稀釋是由於空氣中的二氧化碳增加而造成。
這是首次對二氧化碳在大氣中增加的發現，現在稱為「休斯效應（Suess Effect）」。1956年後漢斯·休斯移至加州聖地牙哥的史克利普海洋研究所（Scrippts Institute of Oceanography）工作，那裡的主持人瑞維爾（Roger Revelle）是海洋學專家，其主要研究為大氣二氧化碳與海洋循環相互影響。在瑞維爾的努力下，史克利普研究所從漁業研究轉型成為一個近代科學研究所。50年代美國有一系列的核試驗，包括在比基尼島試驗氫彈。許多人（包括瑞維爾）想知道放射性元素進入海洋後之情形，所以此研究所獲得許多軍方的計畫。漢斯·休斯來後，海洋中的碳–14成為一個研究重點。他們認為溶於海裡的二氧化碳會在幾年內又排放到大氣，問題是無法確定排放時間。……【更多內容請閱讀科學月刊第571期】