國立臺灣大學化學系

Vicki H. Grassian* and Elizabeth A. Stone*

Department of Chemistry, University of Iowa, Iowa City, Iowa 52242, United States

(本文譯自 J. Chem. Educ. 2015, 92, 595−597. 蔡蘊明譯於 2024/09/26)

 

地球大氣中進行著各種化學反應，這包括由眾所周知的氣相 OH 分子所引發的對流層中的自由基化學，到工業上非刻意製造出的化合物的化學和其產物進入大氣層。例如，氟氯碳化物 (CFC) 會以催化的方式破壞環境中平流層的臭氧，導致產生臭氧層破洞。 Mario J. Molina 和F. Sherwood Rowland (1995年諾貝爾化學獎得主)於1972 年首次討論了這種化學的基礎成因¹。就 CFC 而言，自 1987 年國際簽訂的《有關消耗臭氧層物質的蒙特婁議定書》條約禁止使用 CFC 以來²，臭氧層破洞正在閉合，但由於氟氯碳化物在大氣中的壽命很長，這是一個緩慢的修復過程。這個例子提供了人類活動如何對地球大氣產生負面影響的一些實況，但在了解所涉及的化學細節後，可以提供科學依據，用於扭轉未來走向。

了解氣候所涉及的詳細化學和分子參與的過程，也為制定明智的決擇和政策提供重要的科學知識基礎。根據美國環保署 (EPA) 的說法：³

氣候變遷是指有關氣候在一段較長時間內，持續發生的任何重大變化。換句話說，氣候變遷包括在幾十年或更長時間內發生的溫度、降雨或氣流以及其它作用的重大變化。

儘管地球氣候在數千年中自然的發生變化，但現今的變化卻因人類活動而加速，人類的未來取決於我們減緩和適應氣候變遷的能力。化學領域在分子層次上研究世界，這可以對影響地球氣候的現象，以及人類活動如何改變大氣，提供理解的基礎。

例如，儘管其他氣體和過程也可能扮演了一些角色，但眾所周知，溫室氣體的增加主要是來自化石燃料的燃燒。正如任何學習化學的學生都知道的，當碳氫化合物完全氧化時，產生的產物是二氧化碳和水。從熱力學角度來看，這是一個非常有利的、能量降低的下坡過程。因此，燃燒化學會導致大氣中二氧化碳含量增加。作為一種溫室氣體，二氧化碳會在大氣中捕捉紅外線輻射。較高的二氧化碳濃度導致全球海洋和氣溫升高，導致極地冰層減少、風暴強度增加以及水文循環變化⁴。這就是為什麼人們對減少二氧化碳排放，和締結一項管制溫室氣體排放的國際條約如此感興趣⁵。

除了溫室氣體之外，人類活動還有可能透過氣溶膠的影響而導致地球反射率的變化，進而影響雲層。大氣的氣溶膠定義為在空氣中的固體或液體懸浮顆粒，這些顆粒具有天然和人為來源，化學成分範圍廣泛，包括金屬、鹽、含氧有機化合物及其混合物，其尺寸範圍從數十奈米到數十微米不等。大氣中的氣溶膠衝擊了許多事情，這包括從人類健康、氣候到微量氣體濃度等各個層面。就氣候影響而言，大氣氣溶膠顆粒，在散射和吸收太陽輻射以及使雲生成的凝結核方面均扮演了一些角色（見圖1）。然而，由於這些顆粒的尺寸和化學成分範圍很大，量化這些影響是很困難的。

那麼，增加我們的基礎化學知識如何有助於了解氣候和氣候變遷？首先，化學過程會產生溫室氣體，要麼是眾所周知的溫室氣體，例如由於燃燒而形成的二氧化碳，又或是另一種重要的溫室氣體一氧化二氮（N₂O），目前尚不太了解其形成的機制。其次，對於氣相中前驅體顆粒聚集成核的過程，需要更多的理解。第三，雖然粒子在雲形成中的作用是眾所周知的，但該過程的細節以及哪些粒子是很重要的，仍有待確定。第四，顆粒表面的化學反應，可以透過提供反應活性位置來影響大氣的化學平衡，亦會影響顆粒的性質。第五，顆粒表面的化學性質，將決定它們如何與水蒸氣和雲的生成相互作用。這些例子表明，為何增加對這些過程及其回饋的掌握，能對決定以及改變地球氣候的因素之瞭解，提供必要的科學基礎。

圖1.  從 Suomi NPP 衛星拍攝的地球視圖（圖片由 NASA 的 Norman Kuring 拍攝），顯示了改變地球反射率並影響氣候的雲層。雲是由大氣氣溶膠顆粒凝聚成核構成的，這些顆粒具有廣泛的化學成分和尺寸。「氣溶膠對氣候和環境影響中心」的化學家和其他科學家正在努力，從基本化學角度，更進一步地了解氣溶膠顆粒及其對氣候的影響。(譯者註：雲是大氣中水發生相變的地方。水蒸氣進入雲並轉化為水的液相和/或固相，而成核是引發這些凝聚相的過程。雲微觀物理學關注的是構成雲的液體和固體顆粒，瞭解雲粒子最初是如何形成的、它們是如何生長的以及它們如何相互作用，是確定大氣氣溶膠如何影響雲的光學特性和壽命（對地球氣候至關重要）、水蒸氣如何最終轉化為降水以及閃電如何形成的關鍵。)

透過化學教導學生和社區有關大氣科學的原理和氣候變遷，可讓他們在瞭解地球大氣和氣候之時，體會化學能提供更深的認識^6,7。一些互動演示對於了解氣候以及重要的化學和物理概念非常有益，這包括：反照效應和表面反射率；粒子的光散射；雲的形成；溫室氣體；溫室效應；和海洋酸化。這些主題自然與大學化學課程中常見的概念相關，包括分子結構、化學和物理性質、光散射和紅外線光譜。海洋酸化和酸雨是複雜平衡的典型例子，證明了人類與地球大氣、海洋和生物圈之間的相互連結。化學和氣候變遷學習材料的精選範例，包括美國化學會氣候科學工具包⁸；EPA 的全球氣候變遷學生指南⁹；「國王科學視覺化中心」的全球氣候變遷模組¹⁰；一個有關全球暖化潛勢的實驗¹¹；一個溫室效應的演示¹²；以及其他家庭、課堂和科學博覽會的實作活動（請參閱 ttp://pubs.acs.org）。要取得更多相關的信息，請訪問「氣溶膠對氣候和環境影響中心」(CAICE)的網站。

正如化學家可以透過藥物開發以改善健康狀況，以及開發對環境影響較小的新材料和能源來為社會造福一樣，化學家可以（並且需要）對地球大氣和氣候知之甚少的部分，研究其中潛在的化學和分子過程，提供深入的見解而發揮重要角色。現在，我們每個人都比以往任何時候都更應該找到方法來做出積極貢獻，在我們的個人和職業生涯中幫助社會和人類。

 

參考資料

1. Molina, M. J.; Rowland, F. S. Stratospheric Sink for Chlorofluoromethanes: Chlorine Atom-Catalysed Destruction of Ozone. Nature 1974, 249, 810−812 DOI: 10.1038/249810a0.
2. United Nations Environment Programme. The Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer. http://ozone.unep.org/new_site/en/montreal_protocol.php (accessed Mar 2015).
3. U.S. Environmental Protection Agency. Climate Change: Basic Information. http://www.epa.gov/climatechange/basics/ (accessed Mar 2015).
4. NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), Earth System Research Laboratory Global Monitoring Division, Education and Outreach. http://www.esrl.noaa.gov/gmd/outreach/faq_cat-1.html (accessed Mar 2015).
5. United Nations Web site for the Framework Convention on Climate Change. http://unfccc.int/2860.php (accessed Mar 2015).
6. Mahaffy, P. G. Telling Time: Chemistry Education in the Anthropocene Epoch. J. Chem. Educ. 2014, 91 (4), 463−465.
7. Chemists Celebrate Earth Day 2015: Climate Science—It’s More Than a Weather Report. http://www.acs.org/content/acs/en/education/outreach/cced/themes.html (accessed Mar 2015).
8. American Chemical Society. ACS Climate Science Toolkit. http://www.acs.org/content/acs/en/climatescience.html (accessed Mar 2015).
9. U.S. Environmental Protection Agency. A Student’s Guide to Global Climate Change. http://www.epa.gov/climatestudents/index.html (accessed Mar 2015).
10. (a) Mahaffy, P. G.; Martin, B. E.; Kirchhoff, M.; McKenzie, L.; Holme, T.; Versprille, A.; Towns, M. Infusing Sustainability Science Literacy through Chemistry Education: Climate Science as a Rich Context for Learning Chemistry. ACS Sustainable Chem. Eng. 2014, 2 (11), 2488−2494. (b) The King’s Centre for Visualization in Science. Explaining Climate Change. http://explainingclimatechange.ca/ (accessed Mar 2015).
11. Elrod, M. J. Greenhouse Warming Potentials from the Infrared Spectroscopy of Atmospheric Gases. J. Chem. Educ. 1999, 76 (12), 1702−1705.
12. Adelhelm, M.; Hohn, E. G.; Franz, D. A. A Simple Demonstration of the Greenhouse-Effect. J. Chem. Educ. 1993, 70 (1), 73−74.
13. The Center for Aerosol Impacts on Climate and the Environment. http://caice.ucsd.edu/ (accessed Mar 2015).