什麼會影響氣候?

當我們談論某個地區的氣候時,會考慮緯度、高度、地形、地表特徵、盛行風、洋流、海陸分布等因素的影響,此外,半永久性高低壓、氣團、各種風暴和大氣環流等等也是重要的因素。然而一個地區的氣候變化現象,只是整個巨大地球氣候系統中的一小部分。全球氣候變化與影響地球氣候系統能量平衝的各種因素有關。

影響全球氣候的因素

地球的氣候系統是由太陽的輻射所趨動,大約有一半來自太陽的能量是由可見光光譜提供。地球的溫度已經有很多個世紀相對恆定,來自太陽的能量必需和地球向外發射的輻射近乎平衡。大氣、土地、海洋、生物圈和冰雪圈的改變(包括自然和人為的),可擾動地球的輻射平衡而影響氣候。由於內在動力作用的影響,以及影響氣候的外部因素的變化,氣候系統隨著時間而逐漸演變。外部因素包括諸如火山爆發、太陽變化等自然現象以及人為引起的大氣成分的變化。

1.太陽變化的影響

太陽是地球氣候系統的能量來源,地球接受到太陽輻射能的多寡,影響著全球平均溫度的高低。太陽黑子循環是最廣為人知的太陽輻射能變化,太陽黑子數量多表示太陽較熱,輻射能較高,黑子數量低則表示輻射能較低。太陽黑子數目約有11年的週期性變化,在十七世紀太陽黑子數偏低,被稱為蒙德極小期。這段時期正巧是地球上的小冰河期,加強了一些科學家認為太陽輻射能減少是造成小冰河期的主因(圖1)。

圖1: 太陽黑子數量的變化。

<圖片來源:https://solarscience.msfc.nasa.gov/SunspotCycle.shtml>


2.日-地關係的作用(米蘭科維奇循環):

地球圍繞太陽軌道的周期變化,是另一個影響太陽輻射多寡的原因。因地球公轉橢圓形軌道的離心率、地球自轉傾斜角度和地球歲差三種天文上的週期性變化,造成太陽送達地球輻射能量的改變,分別形成十萬年、四萬一千年及二萬六千年的地表溫度週期性變化,這三種天文尺度的變化總稱為米蘭科維奇循環 。

<圖2:米蘭科維奇循環的地球軌道變化示意圖。“T”表示地軸傾斜度的變化,“E”表示離心力的變化(由於橢圓軌道短軸的變化引起),“P”代表歲差,即以軌道上某一特定軌道位置上,地軸傾斜方向的變化。出處:Rahmstorf和Schellnhuber(2006)。

< 圖片來源:政府間氣候變遷委員會第1工作組第4次評估報告常見問題6.1, 圖1 >


3.溫室氣體和其他大氣成份的變化

大氣成份的變化也是影響全球氣候的一個重要因素,改變這些氣體和微粒在大氣中的含量或特性能夠導致氣候系統的增溫或冷卻。大氣溫室氣體和氣懸膠影響氣候的途徑是改變入射的太陽輻射量和向外的紅外線(熱)輻射量,它們都是地球能量平衡的一部份。大氣中的溫室氣體對地球有保溫的作用,溫室氣體含量愈高,溫室效應愈強,造成地球升溫的作用也愈大。

氣懸膠微粒透過反射和吸收大氣中的太陽輻射和紅外輻射來直接影響地球的輻射平衡,有些氣懸膠增加大氣的反照率,然而其他的(例如黑碳粒子)是強力吸收體同時也改變太陽輻射。氣懸膠也間接影響雲反照率,因為很多氣懸膠是雲的凝結核或冰核。這表示改變氣懸膠型態和分布可導致微小但重要的雲反照率和生命期變化。關於氣懸膠的作用,大多數研究一致認為,人為排放的氣懸膠作用的總和是使地球降溫。

雲在氣候中扮演關鍵角色,因為它們不止增加反照率來使地球冷卻,也由於它們吸收紅外線輻射而具保溫的作用。一朵雲的淨輻射作用是增暖或冷卻取決於它的物理特性(出現的高度、垂直深度、水氣路徑和有效雲粒徑)和雲凝結核群體的本質。

4.火山活動

大型火山噴發向大氣層高層(平流層)噴射二氧化硫氣體,經與水反應,形成硫酸液滴組成的雲,而影響氣候。這些雲將太陽光反射回太空,阻止其能量到達地球表面,使地表降溫,同時也使低層大氣降溫。這些高層大氣的硫酸雲也在局地從太陽、地球和低層大氣吸收能量,使高層大氣升溫。在地表降溫方面,例如1991年菲律賓的皮納圖博火山噴發,向平流層射入約2000萬噸二氧化硫,將地球降溫約0.5℃並長達一年。


圖3: 大型熱帶或亞熱帶火山如何影響高層大氣(平流層)和低層大氣(對流層)溫度的示意圖。

< 圖片來源:政府間氣候變遷委員會第1工作組第5次評估報告常見問題第2.1題圖1 >


5.地表特徵

地表的特徵,包含上面的土壤或植物種類都會使太陽輻射有不同的反射及吸收的狀況,影響地球的能量平衡。地表特徵的變化,也會改變蒸發量等而影響水的收支平衡,並影響熱能(潛熱和可感熱)的傳遞與平衡。例如人類砍伐或焚毀森林以種植農作物,地表的植物型態改變之後,地表向外反射的太陽輻射量會改變,從地表發出的紅外線輻射量不同,地表的蒸發量也發生變化,此外,原本儲存在林木中的碳變成二氧化碳釋放到大氣中,這些作用都會影響地球氣候系統的能量平衡。

由於氣候系統是一個複雜的、各部分相互作用的系統,氣候系統在遭受外力之後產生的變化也是很複雜的。有時候這些外力造成氣候變化之後,產生了後續效應使氣候變化加速,也有時候產生的後續效應是使氣候變化減緩。例如,溫室氣體濃度的增加使地球氣候變暖,雪和冰就會開始融化。雪和冰融化後,原來藏在雪和冰下面的深色的地面和水面露了出來,這些深色的表面吸收更多的太陽熱量,就會造成進一步增溫,進而又造成更多的雪、冰融化,週而復始,使氣候暖化愈演愈烈。因此,地表狀態對氣候的影響過程相當複雜也是研究氣候變遷很重要的一項工作。