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快速縮小的北極冰帽

2012年北極冰帽範圍出現用儀器觀測記錄以來的最小值,未來幾年的夏天,冰帽範圍要恢復到以前的水準更加困難,影響層面深遠,是不容忽視的警訊。
 
 
 
近幾年來「快速縮小的北極冰帽」是全球關注的氣候現象。2012年的北極冰帽範圍最小值出現在9月16日,面積約341萬平方公里,比前一次出現在2007年9月18日的最低紀錄小了18%。

人類用美國航空暨太空總署的衛星上的科學儀器監測極區冰帽範圍僅有三十多年的歷史,2012年的北極冰帽範圍是監測紀錄的最低值。冰帽在4至9月,半年間融化面積高達 1,183萬平方公里,約為中國和印度面積的總和。如此廣大範圍的融冰是否正常?為何2012年的北極冰帽面積特別小?北極冰帽面積還會繼續縮小嗎?讓我們從冰帽的形成開始談起。

冰帽的形成

地球極區冰帽形成與地球的自轉軸和由公轉軌道所決定的黃道面不完全垂直,地球氣候系統的溫室效應,還有地球反照率3個關鍵因素有直接的關係。

傾斜的地球自轉軸 由於地球自轉軸和繞太陽公轉的軌道面有23.5度的傾斜,一年之中有半年北極朝向太陽的方向,而另外半年北極背向太陽。當北極朝向太陽時,陽光24小時都能照到地面,稱為極晝,這個時候南極因24小時都沒有陽光,稱為極夜。當北極背向太陽時,則是北極的極夜和南極的極晝。

地球自轉軸的傾斜不僅影響極區的日夜長度季節變化,也影響了地球上任何一點的日夜長度。假設地球自轉軸完全垂直於公轉軌道面,陽光全年直射赤道而斜射赤道以外的區域,日夜長度在地球上任何一點都不會改變,就沒有現在的季節變化了。

最靠近赤道能觀察到極晝和極夜的緯度圈,在北半球稱為北極圈(北緯66度5分),南半球是南極圈(南緯66度34分),極圈內的區域稱為極區。北極區主要是稱為北冰洋的海洋,周圍是美洲和歐亞大陸,還有許多島嶼散布在內,以格陵蘭的面積最大。

南極區主要是稱為南極洲的陸地,南極洲是印度洋、大西洋、太平洋的南方邊界。在印度洋邊界的南極洲海岸線和南極圈的緯度非常接近,而南大西洋和南太平洋的南方海岸則比南極圈的緯度更靠近南極。南大西洋伸入南極區域的最大海灣是微德爾海灣(Weddell Sea),南太平洋伸入南極區域的最大海灣則是在紐西蘭南方的羅斯海灣(Ross Sea)。南極洲沿岸西風強勁,常有風暴,天氣非常險惡。

由於南北極圈的地理條件完全不同,極區的冰帽特徵和變化也大不相同。冰帽縮小的趨勢只限於北極,雖然南極的冰帽在一些區域也有退縮的現象,但是整體面積並沒有縮小,反而有擴大的趨勢。

溫室效應強度與地球反照率 地表熱能的源頭來自太陽。陽光直射到地球大氣層頂的能量約為每平方公尺(m2)1,370 瓦特(W),全球平均每平方公尺接受的太陽能量是 342 瓦特,約有三分之一的能量(107 W∕m2)被如雲、冰、懸浮微粒等飄浮在空中的物質和地面上的物質反射出去,並沒有被地表吸收。另外約三分之二的能量(235 W∕m2)可被地球表面吸收,但地表吸收太陽能之後也會向外輻射能量。

太陽能把地面溫暖到什麼程度?主要由地球的「溫室效應強度」和「地球反照率」決定。

大氣中的水氣、二氧化碳、氧化亞氮、甲烷、臭氧等「溫室氣體」能夠吸收從地表輻射出去的能量,然後再向四面八方散熱,使靠近地表的大氣層維持溫暖。如果沒有溫室氣體的保溫效果,而僅靠地表吸收太陽能後向外輻射,地球表面平均溫度會從現在的攝氏14度下降到攝氏零下19度,溫室效應對於地表溫度的重要由此可見。空氣中的溫室氣體愈多,溫室效應就愈強,地球表面的溫度也愈高。

地表及大氣的總反射能和太陽總入射能量的比例稱為「地球反照率」。我們可以把包著地球的大氣想像成一層遮蓋著地表的鏤空花毯,從太陽來的能量一部分被毛毯吸收,一部分穿透這層毯子被地表吸收,也有一部分被毯子和地表反射回太空。部分由地表吸收的熱會散出再被毯子吸收,也有部分被毯子吸收的能量向地表和太空輻射。

地球表面和花毯的質料在不同地方各不相同,有些質料容易反射,有些質料卻容易吸收。雲、雪、冰都屬於高反照率物體,新雪的反照率高達75~95%,這也是為什麼在雪地活動若不配戴防曬裝備是相當危險的,很容易曬傷。地表反照率愈高,能接收的太陽能就愈低,新雪覆蓋的地面由於接收的太陽能量很少,溫度很低,適於冰的形成。

極區冰帽 極區空氣因為溫度低,水分含量很少,相當乾燥。同樣是因為溫度低的緣故,一旦降雪,雪或水分可在地表面維持甚久,經過時間的累積,地表覆冰得以增厚並且範圍擴大。若經過數十年、百年,甚至千年、萬年和更長期的累積,冰山或冰河於是形成。

研究者把陸地上面積超過5萬平方公里的積冰稱為冰原(ice sheet)或冰蓋,在海上形成的冰則稱為海冰。雖然冰河學有時把冰帽(ice cap)定義為冰河間不足5萬平方公里的冰區,一般通俗用法並沒有這麼嚴謹,慣以「冰帽」代表極區冰原和海冰的總稱。

冰帽的範圍

1970年代有了衛星觀測資料之後,人類才得以估算極區冰帽的大小。科學家通常用範圍(extent)和面積(area)兩種指標來量化冰帽的大小。「範圍」指標是根據衛星觀測計算極區內表面被冰覆蓋的總面積,「面積」則是計算極區內海冰的總面積。由於利用衛星資料判斷海冰還是有一些誤差,一般多數用「範圍」衡量極區冰帽的大小。

海冰是指海洋鹹水凍結形成的鹹水冰,有固定和漂流兩種類型。固定冰主要分布在大陸沿岸或島嶼附近,容易和海岸甚至海底凍結在一起,雖會隨潮汐升降但不會隨風或海流漂移。漂流冰則是分布在開放的洋面上,會受到風或海流的影響漂移,和其他的浮冰碰撞擠壓之後,可結合成更大範圍的冰原,也可在合適的條件下繼續成長擴大。海水中因含有鹽分,冰點比淡水低,鹽度愈高冰點愈低,平均而言,海水的冰點大約是攝氏零下1.9度。

並不是所有海面上的冰都是海冰,許多在極區海面上的積冰是來自天上的雨雪或地上積冰,甚至海冰融化之後再凍結的淡水或鹽度低於海冰標準的冰,因此科學家算出的冰帽面積往往小於冰帽範圍。讀者在引用數據時需要注意,避免資料的混用。

冰帽範圍的季節變化

冬半年極區缺乏陽光照射,冰雪不易融化,入秋之後冰帽範圍快速擴大,在每年的2、3月達到最大值。春分之後陽光照到北極圈內,冰雪開始融化,冰帽範圍縮小,照射時間愈長縮小速度愈快,經過夏季以後到了初秋,冰帽範圍最小。秋分之後陽光迅速減少,冰帽範圍再度開始迅速擴大。

地面接受的太陽輻射量決定了冰帽範圍的季節變化,冰帽範圍的季節性縮小速度比增加的速度快。1979~2000年衛星觀測資料估算結果顯示,北極冰帽範圍從初春到初秋的平均縮小面積大約有480萬平方公里,約為印度面積的1.5倍。2012年的北極冰帽縮小面積高達1,183萬平方公里,是平均值的2.5倍,確實異於平常。

2012年的警訊

高溫是造成2012年夏季北極冰帽快速融化的主要原因。2012年夏季(6~8月)北半球陸表平均氣溫是1880年以來的最高值,6到9月北半球高緯度區域出現連續4個月的高溫,6月和7月北半球陸地的單月平均氣溫都是近133年中排名第1。

高溫造成北極覆冰大範圍融化,多年冰的融化比率高於一年冰。多年冰和一年冰是根據衛星資料判斷的海冰厚度和鹹度而區分的海冰類型,冰齡不足1歲的是「一年冰」,超過1歲的「多年冰」。多年冰通過了至少一個夏季的考驗,屬於結構比較厚實的冰塊。多年冰的大範圍融化表示未來幾年的夏天,北極冰帽要恢復到以前的水準更加困難,影響層面相當深遠,是不容忽視的警訊。

聯合國政府間氣候變化小組的2007年氣候變遷報告指出,大概在本世紀末,北極可能出現夏季完全無冰的情況。不料2007年以後的變化已經超過預期,一些科學家推測,北極夏季無冰的狀態會提早在2050年之前發生。

冰與反照率反饋是海洋成冰過程中最重要的機制。海水和海冰反射陽光的能力大不相同,在海表面沒有冰的情況下,海水可吸收94%的太陽入射能量;當海表面有冰時,由於冰的反射力強,海水僅能吸收到50%的太陽入射能量。如果海冰上有雪覆蓋,雪對陽光的反射能力更勝於冰,以致僅有約10%的太陽入射能量可被海水吸收,因此海冰和極區降雪量對於海表面可儲存的熱能有非常大的影響。

另一方面,海洋漂浮冰的減少還會加速海洋的熱平流,進而導致位於陸地和島嶼邊緣的多年冰的融化。北極冰帽融化的情況比南極嚴重,海洋的熱平流作用是一個重要因素。

海冰範圍縮小的影響

全球暖化加劇 北極是百年來全球溫度升高幅度最大的地方,暖化的速度約為全球平均的2倍,暖化造成的北極多年冰大量融化會繼續加速氣候的暖化速度。深藏在北極多年冰下的土壤永凍層封存了大量的碳,約是人類自工業革命以來釋放到大氣中總量的5倍。海岸邊永凍冰的融化無異打開了永凍層存碳進入大氣的機會之門,空氣中二氧化碳含量增加,隨之增強的溫室效應使氣候暖化的程度甚於以往。

除了二氧化碳以外,永凍層裡封存的大量甲烷更令科學家憂心。甲烷雖然不像二氧化碳停留在大氣中的時間那麼長,但是增溫效果是二氧化碳的25倍。而這些可能的增溫效應目前都還沒有納入氣候模式的氣候變化模擬,因此快速縮小的北極冰帽意味著,目前的模式推估結果很有可能低估了本世紀的暖化程度。

海平面高度升高 漂浮在洋面上的海冰變化並不影響海水的總體積,因此它們的消長不會造成全球海平面高度的改變。但是海冰覆蓋範圍的減小會增加海洋的吸熱能力,使得海水體積隨溫度升高而膨脹,全球平均海平面高度也會隨著總體積的膨脹而升高。

陸地上積冰的融化則會直接改變海水體積和全球平均海平面高度。若北極格陵蘭島上的冰完全融化,全球平均海平面高度可能會上升7公尺,估計需要的時間大概是數百至千年之久。近些年在南極洲西半部地勢較低,甚至低於海平面的地方已出現冰架崩塌的現象,如果這些地方的冰完全融化,可能造成全球平均海平面高度上升5公尺,需要的時間約為數百年以上。

南極洲東半部的地勢甚高,有些區域的高度達1,500公尺以上,積冰厚度超過1,500公尺,平均氣溫低於攝氏零下40度,縱使全球平均氣溫比現在升高攝氏6度,也不容易破壞這些地方積冰的穩定度。但是如果這些全球最穩定的冰也完全融化,全球平均海面高度可能上升55公尺,這樣的巨大變化需要的時間在千年以上。

無論如何,北極冰帽的縮小對全球平均海平面高度有一定程度的影響,對於低海拔的島嶼國家隱含的威脅不容忽視。

極端天氣更頻繁 北極冰帽範圍縮小會使暖化加劇,北極圈內的增溫現象更勝於其他地區。北冰洋上的空氣在暖化後的暖季可吸收更多從海洋釋出的水氣和熱量,因而有比較好的條件發生風暴,使得人煙較密集的歐亞和美洲大陸遭遇暴風雪等惡劣天氣的機會升高。極區大氣擾動增多表示高緯度西風帶的西風減弱,天氣系統移動速度減慢,有可能造成偏乾區域的乾旱容易持續,而偏溼區域的極端降雨事件增多,極端天氣更加頻繁。

除了影響極端天氣發生的機會以外,北極覆冰減少對於北冰洋波浪活動也有影響。減少了海冰的「消波」作用,北冰洋尤其是近海區域的波浪活動更加活躍,升高了巨浪對於海岸居住條件和生態的威脅程度。

能源與國際競爭 北極區域蘊藏豐富的天然資源,有龐大的石油、天然氣、礦物、漁場等未開發的寶庫,隨著夏季無冰時期的接近,周圍國家無一不磨拳擦掌,把資源爭奪列為新的戰略目標。

北極海的東北航道和西北航道有可能可以全年通行。東北航道位於西伯利亞沿岸,可經白令海連通太平洋、阿拉斯加、東北亞、西伯利亞和北歐。西北航道位於加拿大沿岸,可經加拿大和阿拉斯加連通大西洋與太平洋。東北航道會使歐洲和東北亞之間的交通更便捷,可節省大量能源,西北航道也會使兩大洋之間的交通更方便。雖然這些航道的開通有利於北極和周邊國家,但對於受惠於目前傳統航線的國家的優勢,無異是未來的新挑戰。對於已飽受挫折的全球暖化控制行動,也是更加艱巨的挑戰。

展望

有衛星觀測資料以來,北極冰帽範圍一直在減小,2000年之後縮小幅度更大。在2012 年,北極冰帽範圍達到最低值。

全球暖化是發生中的事實,北極氣溫的百年升高趨勢約為全球平均值兩倍,而海冰減少又會加劇北極甚至全球暖化的程度,不僅對全球的自然生態有巨大影響,也衝擊到北半球高緯度區域的文明發展和挑起已浮現的如航權、能源、國防、領土等新的國際問題。

科學界對於極區與氣候和人類社會經濟關係的認知都相當有限,但隨著衛星觀測技術的進步,和地球氣候系統模擬能力的增進,推陳出新的科學結果將引導人類進入一個史無前例,嶄新的北極夏季無冰時代。
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