你認為地科應該怎麼被學？ | 負責人問
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分享一下現在很夯的議題，但切入的點比較特別：
「溫室氣體」及「全球暖化」為什麼會被重視？
撰寫日期：2019/2/23
撰稿人：MiniGuan
直到今天都還有很多爭論，有人說就是人類工業革命後排放二氧化碳，讓地球越來越暖；也有人說那是自然現象，地球本來就有冷暖交替的狀況，人造成的溫室氣體那麼微不足道怎麼可能影響得了。正反方意見都有，那當初這個概念是怎麼被發展出來的呢？
這時有本非常推薦的書，若你很感興趣可以去買來讀，值得蒐藏：
全球暖化文明史 | Gale E. Christianson (2006年初版，2017二版)
作者把全球暖化概念的發展和背後的歷史脈絡講得很清楚，將工業、生物、地質、大氣及當時的氣候現象關聯在一起，環環相扣。這樣一看才發現一個社會議題可以發展起來，與當時人們的思想、科學發展程度有很大的關係。
這本書讀起來要一直動腦，歷史線及故事脈絡要寫下來才記得住，人事物多了點，但交代得很清楚，看完才發現，那些朗朗上口的事件及赫赫有名的人物，竟然彼此相關到了這麼神奇的地不，很棒的書。
網路上也找得到類似的文章，我在此將一些大的事件更加完整的整理起來，但最詳細的資料還是需要從書中自行檢索喔！
1827年 | 法國物理學家傅立葉的論文提出日後發展成溫室效應的最初概念
1861年 | 愛爾蘭物理學家約翰‧廷得爾用實驗數據驗證
1884年 | 美國天文學家蘭利提出高山空氣稀薄，因此溫度較低
1896年 | 瑞典學者阿瑞尼斯計算證明大氣中二氧化碳濃度增加，將使氣溫產生變化
1938年 | 英國工程師兼氣象學家卡倫德提出人造二氧化碳對地球溫度的影響
1958年 | 美國物理學家雷維爾及休斯使用14C定年法比較過去與現在CO2上升多少
1958年 | 美國化學家基林測量二氧化碳濃度（1958-1997年），繪製「基林曲線」
1980年 | 法國地質學家狄爾麥研究南極冰心，發現過去二氧化碳含量較今低約一半
1988年 | 美國氣候學家詹姆士‧韓森使用氣候預測模型，提出全球暖化不是自然造成
1988年 | 政府間氣候變化專門委員會IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)成立
1989年 | 蒙特婁議定書（限制破壞臭氧層物質使用）
1990年代 | 全球暖化議題開始被重視
1997年 | 京都議定書
2009年 | 哥本哈根協定
溫室氣體的概念，要追數到工業革命（18-19世紀中）後過沒多久，法國數學家傅立葉開始（沒想到溫室氣體跟那個在數學中很猛的傅立葉有關吧，他的主要貢獻有「熱傳導擴散方程式」及「傅立葉級數」），也與有名的瑞典化學家阿瑞尼斯（化學反應速率方程式、電離理論）有關喔！。
傅立葉（Jean-Baptiste Joseph Fourier，1768-1830）
1820年 | 開始思考「地球如何保溫的？」
1824年 | 提出「鐘罩假說」
- 背景：傅立葉在拿破崙學者團中經歷過埃及的高溫與俄羅斯的寒冬，對地球保持溫度的機制感到興趣；亦可能因為傅立葉身體狀況不佳，體溫調節能力失調，晚年要在自製的木箱中保溫，才能活命並繼續研究，因此對保溫機制感到好奇，開始思考地球如何保溫的
- 鐘罩假說：計算得出如果只考慮太陽輻射的加熱效應，那地球應該比實際的溫度冷，因為地球在接受太陽光能量的同時，也會以紅外線的形式朝著宇宙釋放能量。
- 兩種假說：(1) 地球也接收其他宇宙能量 (2) 地球大氣儲存原本應該往外釋放的能量。第二種假說也就是現在溫室效應的雛形，認為大氣層如同無形的拱頂，如玻璃製的拱形容器，是一個由雲層和無形氣體組成的巨大鐘罩，而水氣及其他氣體吸收並保存熱量。
然而，傅立葉的研究並未發展到實證階段，純屬理論計算，此理論要到1861年廷得爾方才透過實驗證實，且當時氣溫無顯著上升，因此此篇論文未受到重視。
廷得耳（John Tyndall）實驗證明溫室氣體及溫室效應
1861年 | 第一個以實驗正確測量氣體氮、氧、水蒸氣、二氧化碳、臭氧、甲烷等的相對紅外吸收能力的人
蘭利（Samuel Pierpont Langley）
1884年 | 為一名天文學家，提出山較高、空氣稀薄，因此溫度較低，使後人有一些啟發
阿瑞尼斯（Svante August Arrhenius）
1891年 | 發表關於空氣的碳酸（二氧化碳）對地表溫度的影響
1896年 | 計算得出碳酸（二氧化碳）對地球氣溫的影響
- 背景：
- 工業革命使阿瑞尼斯家鄉汙染嚴重
- 因此常與朋友兼同事的地質學家霍格邦討論，霍格邦主要研究地球循環，尤其是二氧化碳與大冰河時期的關係
- 前人對溫室氣體的啟發：傅立葉的起始、廷得爾的實驗、蘭利的空氣與溫度關係
- 輻射定律發展完備（包含Stefan-Boltzmann law及Wien‘s displacement law）
- 阿瑞尼斯剛離婚，有一段孤單悲慘的時間，需要用計算複雜數學式子來度過
- 花了兩年的時間，最終於1896年計算得出如果大氣中的二氧化碳濃度倍增，將導致地表溫度上升約攝氏4度，首個實際計算出二氧化碳對地球溫度的影響。
然而，阿瑞尼斯認為全球暖化可防止地球進入冰河時期，並使中、高緯度地區更適合農作物生長，未必全然不好。雖然當時工業化程度已非常高，二氧化碳排放量逐年上升，然而在1883年時夏威夷火山Bakata爆發，造成氣溫下降數年，因此此論文未受重視 ，直到1990年代氣溫逐年上升，才又被提及。
卡倫德（Guy Callendar）
1938年 | 發表「人造二氧化碳與其對溫度的影響地球」
- 背景：福特汽車使汽車普及化及石油大發現，使得空氣汙染嚴重
- 貢獻：卡倫德蒐集世界各地147個天氣觀測站的氣溫量測結果，發現19世紀末開始，地球溫度和二氧化碳濃度皆有上升，過去500年間，暖化了大約0.3度，認為二氧化碳濃度增加就是造成氣候變暖的原因。
卡倫德也是樂觀看待此事，暖化將促進農業發展、植物生長、避開可能面對的冰河時期。
但人造二氧化碳是否真的影響地球溫度？此概念引起許多爭論。有人認為500年間工業革命，溫度才上升0.3度，上升的幅度甚至比18世紀還沒工業革命期間的溫度上升少，認為1920 年米蘭科維奇所提出的地球大規模運動造成的週期變化影響更大，人造二氧化碳所造成的影響根本微不足道；且全球暖化在之後的 1940-1970 年代中期呈現停滯狀態。
但人造二氧化碳是否真的影響地球溫度？此概念引起許多爭論。有人認為500年間工業革命，溫度才上升0.3度，上升的幅度甚至比18世紀還沒工業革命期間的溫度上升少，認為1920 年米蘭科維奇所提出的地球大規模運動造成的週期變化影響更大，人造二氧化碳所造成的影響根本微不足道；且全球暖化在之後的 1940-1970 年代中期呈現停滯狀態。
羅傑‧雷維爾（Roger Revelle）與漢斯‧休斯（Hans Suess）
1958年 | 第一屆國際地球物理年，使用C14定年發表二氧化碳對地球的影響
- 背景：雷維爾是美國二戰期間（1939-1945年）被派去研究海洋科學的地質及海洋學家，對於大氣與海洋之間二氧化碳的交換程度非常感興趣。於1958年時主辦了第一屆國際地球物理年，聚集各方人士積極討論其間作用。於此時發表二氧化碳對地球的影響，交流的內容對後來的基林有重大的啟發。
- 方法：放射性物質有半衰期，含量將隨著時間減少，因此越老的樹木，C14的濃度應該越少才合理。但調查結果卻相反，老樹的C14濃度，竟然比年輕的樹還要多。
- → 推測是因為工業化時代將煤炭（老樹）燃燒形成二氧化碳，將C14少的二氧化碳釋放到大氣中，因此現今大氣中的C14的含量極少，年輕的樹木在進行光合作用時，吸收了C14少的二氧化碳，使得C14濃度降低。因此推測是人類持續燃燒煤炭，使地球充滿大量的二氧化碳。
「人類正在進行一項過去不曾發生，未來也不可能複製的大規模地球物理實驗。我們在幾百年內，將儲存於沉積岩超過數十億年時間的濃縮有機碳送回大氣層與海洋中。這項實驗若能有效紀錄，將可使我們對了解氣象與氣候形成過程，有廣泛而深遠的認識。因此，試圖了解二氧化碳分散於大氣、海洋、生物圈及岩石圈的機制，是首要任務」
這些看法，激勵了基林。
基林（Charles Keeling）
1958-1997年 | 基林曲線（追蹤二氧化碳濃度）
- 前言：一開始基林只是設計精準的儀器來測量各地區的二氧化碳，包含追蹤都市二氧化碳，比較其與鄉村、高山、平地等地的差異。然而在雷格爾主持的國際地球物理年會中和各方人士交流後，基林因為能精密測量二氧化碳濃度，因此開始負責在美國國家海洋及大氣總署（NOAA）的企劃下，設觀測站於夏威夷冒納羅亞（Mauna Loa）火山，持續測量大氣中的二氧化碳濃度。
- 貢獻：隨著時間的發展，從1958到1997年之間，驚訝的發現二氧化碳濃度都在穩定上升，形成重要的「基林曲線」（Keeling Curve，如下圖一）
圖一、基林曲線
狄爾麥（Delmas）
1980年 | 分析南極冰芯推測過去二氧化碳含量
- 貢獻：南極厚冰層中夾帶的氣泡，可以透過分析此氣泡，推測冰層形成年代的大氣組成。狄爾麥研究冰岩心確定了冰期時冰岩心所捕獲當時的空氣成分與今日的不同，其二氧化碳含量較今約低一半（圖二）。
圖二、二氧化碳過去800,000年之含量
此後氣候變化與大氣成分的問題，就一直為人們所注意著。
詹姆士‧韓森（James Hansen）
1988年 | 做出第一個氣候預測模型
- 「99％確定全球暖化趨勢並非自然變異，而是二氧化碳跟其他人造氣體在大氣中積累的緣故」
政府間氣候變化專門委員會（IPCC）
1988 年 | 成立
- 負責監控並評估氣候變化的情況
- 直到 2007 年 IPCC 才收集到足夠的證據，最終確定自然變異極不可能造成我們所見的氣候變遷（只有不到 5％ 的可能性）。換句話說，在對上個世紀的氣候進行數千次模擬之後，科學家發現今日的氣候是自然出現的機率，每 100 次中只會出現五次。IPCC 在 2007 年的第四次評估報告中聲明，「人類自 1750 年以來的活動，極可能（可能性超過 95％）對氣候造成明顯的淨暖化效應。」
各國陸續簽定條約，為全球暖化作出規範
1997年 | 京都議定書
2009年 | 哥本哈根協議
2016年 | 巴黎協定
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結語
確實什麼理論會被採納，跟當時的社會背景有非常大的關係。一開始因為剛過了一段小冰期（Little Ice Age，1550-1770年）（圖三），大家對暖化抱持樂觀看法，雖然不確定人造影響有多大，但基本上都覺得有溫室氣體很棒，包含傅立葉、阿瑞尼斯等人。
圖三、古溫度重建（不同顏色代表來自不同文章的溫度重建，紅色為年代最新的文章，深藍色為最老的，而1880年後黑色的線為實際觀測值）
而後工業革命，大家一心重視工業發展，而且全球溫度持平，所以燒多少二氧化碳都沒有人理，雖然有許多學者提出對溫室效應的看法，但普遍還是覺得人造二氧化碳的影響比起大規模的地球運動或廣大海洋大氣平衡來說，實在微不足道，就算有也是滿樂觀的，如：卡倫德。
直到1990年代後，溫度持續飆升，開始出現極端氣候、最熱夏天等災情，加上基林曲線與更多古氣候研究出現，人們發現飆升速率是有史以來最快，覺得不妙，全球暖化的議題才開始廣為人知，且幾乎成為主流思想，認為是人造二氧化碳造成溫室效應及全球暖化的主因。但還是有許多爭論，或許過幾年後溫度不飆升，此議題又會被忽略；或是只是因為近年來測溫準確，把微小震盪看得太清楚而覺得變化可怕；也可能有別的大運動可以指出地球本來就在越來越暖，難怪會被說是陰謀論，過去還有可能更熱哩（圖四）。
圖四、過去12,000年間推測的溫度變化
不過個人認為人類確實在劇烈影響著地球。用地球化學的方法可以重建古代大氣組成及溫度，有研究指出過去也有大氣二氧化碳含量濃度上升（可能因火山爆發），但溫度卻延遲上升的例子。推測是因為海洋有一定程度的緩衝能力，可以將大氣的二氧化碳透過生物轉成碳酸鈣，再儲存於地質中。但若二氧化碳的量多到超過海洋能夠負荷的量，那溫度也是會隨後居上的直線飆升。
其他參考文章
雖然過去可能有過比現在更熱的時期，但從沒有飆升這麼快過，過去可能有不小心充滿二氧化碳的時期，但從沒有物種減少得這麼快過，人為影響已經帶來第六次生物大滅絕。墾濫伐、有毒廢水廢氣、溫室氣體排放...造成不可挽回的局面，海水酸化、全球暖化、海平面上升、冰山融化、極端氣候，這都是現在面對的，那未來呢？
完。
完。
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