回顧2021因為極端氣候，各地災情頻傳，夏季熱浪屢創歷史性的新高，乾燥導致野火燎原。種種不穩定的跡象，讓國際科學小組將主要的成因指向人類。本期電子報將介紹科學家們探尋到氣候危機的根源，並藉由這些人類活動的足跡，進一步發現人類活動對氣候變遷帶來的影響。

2021年夏季熱浪衝擊美國西部多座城市，不但氣溫刷新歷史新高，更造成數百人死亡。同月，在緯度相對較高的加拿大，也因攝氏50度的高溫引發野火，波及並燒毀周圍的村莊。研究顯示自1850年工業革命至1900年，地表的平均溫度至少上升攝氏1.1度，正是因為人們在這個時期大量的燃燒化石燃料（如煤和天然氣）以及砍伐森林時產生的吸熱氣體釋放至大氣所造成的影響。

或許，全球升溫1 度聽起來可能不多，但足以從根本改變能量在地球上的流動方式。例如，格陵蘭島和前幾期電子報介紹有末日冰川之稱的南極洲思韋茨冰川 ，暖流影響使冰川底層的冰棚產生裂痕。大範圍的乾旱使農田和灌溉河流枯竭，加上海平面上升，使得低窪島國和沿海城市洪水氾濫衝擊衝擊稻作 。野火肆虐讓降雨變得越來越強烈，也連帶地改變各地區或國際間天氣模式的模擬及研究。

1850年某天，美國科學家和女權活動家Eunice Newton Foote將兩個玻璃罐放在陽光下，一個裝著普通空氣，另一個只有二氧化碳。隨著太陽光線增減，Foote觀察到僅裝有二氧化碳的罐子，比普通罐子加熱得更快，但冷卻得更慢。她在1856年發表的論文提出，二氧化碳在大氣層中會帶給地球高溫。

1859年愛爾蘭物理學家John Tyndall當時並不知道Foote的發現，但他使用更精密的儀器去量測。他運用一組管道和設備來研究熱量的傳遞，在充滿氣體的管線發射紅外輻射，並測量由此產生的溫度變化。實驗結果顯示，二氧化碳以及水蒸氣會比單獨的空氣吸收更多的熱量；這些氣體會吸收大氣中的熱量，就像溫室的外牆玻璃板會吸收熱量，進而調節氣候。兩人的理論對二氧化碳會吸熱的特性，不謀而合。既然大氣中的二氧化碳會影響環境，那麼二氧化碳是什麼時候開始足以撼動整個氣候環境呢？

工業革命於英國發展期間，除了工廠燃燒成千上萬噸的煤，以化石燃料為運作能量的蒸汽機徹底改變交通運輸和其他行業。從那一刻起，包括石油和天然氣在內的化石燃料被用來推動全球經濟，人類因此開始對大氣產生重大影響。然而，1903年諾貝爾化學獎得主－瑞典化學家Svante Arrhenius在1800年代後期研究CO₂變化時並不擔心工業革命。相反地，他對冰河時代感到好奇，其中也包含火山噴發的減少是否會導致未來的冰河時代。

在Svante Arrhenius耗時數個月的艱苦計算下，分析不同緯度地區大氣中的水分和熱量傳輸。他於1896年的論文指出，CO₂含量減半確實會加速帶來冰河時期；若CO₂增加一倍將使全球氣溫升高約 5 至 6 攝氏度。隨後，英國工程師兼業餘氣象學家Guy Stewart Callendar隨著時間的推移對天氣記錄進行統計，確定了全球147座氣象站的平均氣溫正在上升。在1938 年皇家氣象學會期刊上，他將這種溫度升高與燃燒化石燃料的關係聯繫起來，預估自19世紀末以來，大約 有1500 億公噸的CO₂排放到大氣中。

另一項推動二氧化碳研究的是，1957-1958年間為期18個月的國際地球物理年(International Geophysical Year，IGY)的項目，這項任務由美國地球化學家Charles David Keeling執行，目的是為了準確且一致地測量世界各地不同地點的CO₂。他在夏威夷莫納羅亞火山(volcano of Mauna Loa)放置超精確的CO₂監測器，由於這項計畫更誕生了科學界中頗具標誌性的數據集之一：基林曲線(The Keeling curve)。

1958年Keeling開始測量時，CO₂佔全球大氣的百萬分之315(315ppm)，但短短幾年內，數字明顯逐年增加。因為植物在春季和夏季生長時會吸收CO₂，並且在秋季和冬季分解時釋放出來，因此CO₂濃度每年呈鋸齒狀上升和下降（藍線），但疊加在全球的CO₂模式上則可以發現是逐年上升（藍底）。Mauna Loa天文台觀測資料顯示，基林曲線每年都在上升，而且CO₂在每年9月份通常是整年度的最低值，但2016年的含量卻超過400ppm；2021年則持續上升至413ppm。這讓研究人員更想了解過去是怎麼樣的氣候模式，以及工業革命前各類氣體在大氣中的含量比例。

備註：工業革命前，CO₂在幾個世紀以來一直維持在280ppm左右。

為了瞭解更多歷史的氣候細節，科學家們於冰層(ice sheet)中鑽孔而得的冰芯/蕊(ice core) ，成為過去氣候變化最有力的見證。在南北極，每年的降雪都會落在既有的冰層上，再藉由本身的重量壓縮成一層新的冰，每一冰層形成時都代表著當下的氣候條件。另外，存在冰層中的結晶樣式或同位素的化學元素，可使科學家計算其形成的溫度；而冰層內的氣泡則顯示當時的二氧化碳和其他溫室氣體的含量。

另外，衛星也從1960年代加入全球變暖及冰層變化觀測的行列，為這個領域帶來了新的全球視角。從天空的角度來看，衛星量測到全球海平面的上升，預估是每年上升 3.4 mm，但會隨著海水變暖及冰層融化而加速上升。此外漂浮在北冰洋上的大型浮冰，也正迅速地消失。近幾十年來，北極海冰覆蓋率會在每年得夏季降至總年度的最低值。在1979年時，海冰的覆蓋最小範圍為690萬平方公里，到2021年已經下降到472萬平方公里了。如此劇烈的氣候變化證據顯示，即便全球氣候變化趨緩，氣候變遷已是不可逆的結果。

更多關於二氧化碳的歷史與研究將在未來幾期的電子報為您繼續呈現。

1.　Witze A. (2021). How did we get here? The roots and impacts of the climate crisis. Science News. Retrieved from https://www.sciencenews.org/article/climate-change-crisis-history-research-carbon-human-impact