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全球暖化並非虛構，它的後果具有潛伏性的災難。不過若是展開實際的行動便可減緩、終至停止這個進程，同時也可讓我們擁有比較乾淨、健康的大氣層。
1976年一個夏日午後，我頓時明白「人為造成全球暖化」這個想法為何會產生爭議。我與內人和兒子在正午時分來到美國長島的瓊斯海灘，為了躲開燙人的沙子，我們待在一近水處。夕陽西下，一股涼爽的風從海上吹起白浪。兒子與我沿著泡沫連成的海岸線奔跑，看著翻騰的浪花，不禁因寒意而起了雞皮疙瘩。
同年夏天，我與拉席斯（Andy Lacis）及美國航太總署（NASA）哥達德太空中心的同事估算溫室氣體對氣候的影響。那時，眾所皆知，人為的溫室氣體正在大氣層累積，尤其是二氧化碳及氟氯碳化合物（CFC）。這些氣體是一種氣候營力（climate forcing），它們是加諸地球能量收支的一種擾動，並且會像毯子一樣吸收紅外輻射（熱輻射），這些輻射本該從地球表面及大氣層逸失到太空中。
我們的研究團隊計算，這些人為氣體以每平方公尺近兩瓦特的功率加熱地表。一顆裝飾聖誕樹用的小燈泡通常以熱的形式消耗掉約一瓦特的功率。所以，溫室氣體的暖化效應就像人類在地球表面每平方公尺都放了兩個這樣的小燈泡，日夜不熄。
這個結果引起的爭論，在於大自然的龐大力量與小燈泡之間的對比。當然，這些燈泡的微小熱能並不能招風引浪，也不能撫平我們的雞皮疙瘩，甚至在海面上，這些幾乎感覺不到的熱也應該很快就會散逸到深海裡，所以須經過許多年甚至幾個世紀，才可能造成地表暖化。
上述看似無誤卻有爭議的論調，現在大多已經透過地球氣候歷史的研究而有了答案。研究顯示，微小的力量若維持夠久，可以造成巨大的氣候改變。與歷史證據相符的還有，地球在最近幾十年已經開始暖化，其速率與氣候模型的預測相符，而這些氣候模型將人為溫室氣體在大氣中的累積也納入計算。暖化造成了一些顯著的衝擊，例如全球冰河後退、北極海冰變薄，還有春天來臨的時間比起我成長的1950年代要提早了一週左右。
但有許多問題仍未得到解答。接下來的數十年，氣候會改變多少？實際的後果會是什麼？我們該採取什麼行動？這些問題會引發激烈的論戰，因為它們與經濟資本息息相關。
要對全球暖化進行客觀分析，需要對下面三項議題有精確的認識：氣候系統對氣候營力的敏感度、人類介入的氣候營力，還有氣候發生反應所需的時間。這些議題都可透過全球氣候模型來研究，在電腦上進行數值的模擬。不過，至少到目前為止，我們對於氣候敏感度最精確的知識，來自地球歷史的實證數據。
歷史的教訓
過去數百萬年來，地球氣候在冰期與溫暖的間冰期之間反覆擺盪。南極冰原裡保存了長達40萬年的氣溫記錄。南極冰原，除了在海岸邊緣部份之外，即使在最溫暖的間冰期也沒有完全融化過。這個記錄（參見右頁〈40萬年來的氣候變遷〉）指出，目前的間冰期（全新世）有1萬2000年的歷史，已經相當久了。
大自然以千年為尺度的氣候擺盪週期，與地球軌道的緩慢變化有關。地球軌道的運行受其他行星的重力所引導，主要是木星與土星（因為它們質量很大），以及金星（因為它距地球很近）。這個擾動對於太陽能入射地球的年平均值沒有什麼影響，但會改變入射的太陽能或日照的地理及季節分佈，影響程度約20%。長時間的日照改變，會影響冰原的形成與融解。
植物、土壤和海洋對於二氧化碳和甲烷的吸收與釋放，也受到日照與氣候變遷影響。對於地球暖化時海陸釋放二氧化碳和甲烷的機制，氣候學家仍在建立量化的認識，不過，古氣候資料已經是個現成的資訊金礦。冰期氣候的擺盪程度，已經讓我們對氣候敏感度的經驗性估計有所認識。
經年累月的降雪在堆積南極、格陵蘭冰原和許多山岳冰河時，封存其中的氣泡可以讓我們確知冰期的大氣組成。另外，冰期時的冰原、植被與海岸線的地理分佈也已經繪測完成。根據這些資料，我們知道從冰期到今天，氣候營力的改變約為每平方公尺6.5瓦特。這樣的氣候營力使得全球溫度改變5℃，這意味每一瓦特作用在每平方公尺的氣候敏感度為0.75±0.25℃。氣候模型也得到相似的結論。不過實證資料較為清晰且可信，因為它包含真實世界所有的運作過程，而有些過程我們還沒有能力納入模型裡運算。古氣候資料更讓我們認識到，地球軌道的變化促使氣候改變，而過程是透過改變大氣與地表性質，再進一步影響地球的能量平衡。但目前，這些大氣與地表性質受人類影響的程度，比地球軌道變化的程度還大。
今日的氣候營力作用
近幾個世紀以來，氣候營力最大的改變來自人為的溫室氣體。大氣中的溫室氣體吸收熱輻射、阻止其散逸到太空中，結果使「毯子」變得更厚，更多的熱回到地表，而非散到太空中。於是，地球輻射到太空中的能量比從太陽吸收的要少，這種暫時性的地球能量失衡，導致地球逐步增溫。
由於海洋的熱容量很高，地球要到達新的平衡，約需經過一個世紀的時間，地球從太陽吸收的能量與輻射到太空的能量才會再度相等。當然，新的平衡溫度會比較高。但是目前，在到達新的平衡之前，可能還會有更多氣候營力加上來。
人為的溫室氣體中，最重要的一項是二氧化碳，它主要來自化石燃料（煤、石油與天然氣）的燃燒。而其他人為溫室氣體加起來的效應也頗為可觀，這些氣體，尤其是對流層臭氧與其前驅物，包括甲烷，都是煙霧的主要成份，有害人體健康與農作產量。
氣溶膠（空氣中的微小粒子）是另一種主要的人為氣候營力，它們的影響比較複雜。某些「白色」氣溶膠，如化石燃料中的硫所產生的硫酸鹽，反射度很高，可減少進入地球的太陽熱能；然而，化石燃料、生物燃料與戶外生質燃燒不完全所產生的黑碳（煤灰），則會吸收陽光，並因此使大氣層加溫。氣溶膠所支配的氣候營力至少有50%的不確定性，一部份是因為氣溶膠的總量不易測量，另一部份是因為它們的性質複雜。氣溶膠也會藉由改變雲的性質而造成間接的氣候營力；其導致的較亮、維持較久的雲，會減少地球吸收的陽光量，所以這時氣溶膠可間接產生相反的降溫效應。
其他人為的氣候營力還包括把森林變為農地。即使地面覆雪，森林還是深色的，所以森林的消失會減弱太陽的加熱作用。
自然的氣候營力如火山噴發與太陽亮度的變動，在1000年的時間尺度上恐怕沒有什麼變化。不過證據顯示，過去150年間，太陽亮度小幅提升，造成的氣候營力每平方公尺不到0.1瓦特。
從1850年來，氣候營力的淨值每平方公尺增加了1.6±1.0瓦特。儘管不確定性高，但有證據顯示此估計值大致上是正確的。證據之一是，過去數十年間，根據這些氣候營力設計的氣候模型所得結果，與全球溫度的觀察結果十分接近。更重要的是，觀察過去50年間全球海洋吸收的熱，與氣候營力的淨估計值也是一致的。
長期的增溫
自從1800年代晚期，大量使用溫度測量工具以來，全球表面的平均溫度已經上升約0.75℃，絕大部份的增溫在1950年代之後才發生，增加的溫度約為0.5℃。要研究造成增溫的原因，最好從過去50年間著手，因為從那時起，大部份的氣候營力都已經受到觀察，尤其自1970年代以來，也開始運用衛星測量太陽、平流層氣溶膠與臭氧。再者，人為增加的溫室氣體，70%在1950年之後才發生。
在這些觀察中，最重要的測量數值是地球能量的不平衡量（見第67頁〈地球能量的不平衡〉）。這項不平衡量長時間累積的結果是導致海水增溫。我們的結論是，目前地球因某種因素，每平方公尺產生0.5~1瓦特的失衡。也就是說，地球吸收的太陽輻射量，比散失到太空中的熱能要大得多。即使大氣組成不再繼續變化，地表溫度還會再升高0.4~0.7℃。
大部份的能量不平衡是以熱能的形式進入海洋。美國國家海洋暨大氣總署的李維特斯（Sydney Levitus）分析過去50年來海洋溫度的變化，發現全球海洋的熱含量每平方公尺上升了10瓦特。他也發現，近年來海洋熱儲存的速度，與我們估計每平方公尺0.5~1瓦特的不平衡量相符。要讓海平面上升一公尺所需的融冰熱能，全球平均要12瓦特，只要每平方公尺有一瓦特的不平衡量、累積12年，便可達成。
模擬的溫度變化與海洋熱儲存，都與實際觀察數據相符，已經可確定的是：全球氣候變遷受到自然與人為氣候營力的驅動。目前的海洋熱儲存速率是一個關鍵的全球度量，它不僅決定即將發生的暖化程度，也相當於維持地球氣候穩定所需減少的氣候營力。
【本文轉載自《科學人雜誌》2004年4月號】
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