【專欄】大氣中二氧化碳的新了解

我們在過去30年中看到了一些相當驚人的變化：降水模式的變化，以及植物生長地點和方式，在海洋和陸地冰層中，整個生態系統，如熱帶雨林。這些變化引起我們極大的注意。因為二氧化碳一旦被添加到大氣中，它會徘徊很長一段時間：約300到1000年。因此，當人類不斷排放二氧化碳而改變大氣層時，這些變化將延續很久並影響到許多人類生命。二氧化碳是地球上主要的溫室氣體之一，它是地球上生命的重要氣體，也是維持我們大氣層的保護毯的組成部分。然而，急劇的增加或減少可能會影響脆弱的大氣平衡，大氣中二氧化碳濃度的增加可能對全球氣候產生不利影響。

由於大氣層太薄，77億人類的活動實際上可以對整個系統做出重大改變，地球大氣層的構成肯定已經改變。NASA專家說，「過去300年來，大氣中二氧化碳濃度增加的一半發生在1980年，四分之一發生在2000年。自工業時代開始以來，甲烷濃度增加了2.5倍，幾乎所有甲烷濃度都自1980年以來就開始增加了。」現在變化越來越快，而且越來越顯著。

地球大氣中二氧化碳的濃度目前接近百萬分之412（ppm），並且正在上升。這是自工業時代開始以來，濃度增加48%，自2000年接近370ppm以來，增加了11%。專家指出，科學家知道二氧化碳的增加，主要是由人類活動引起的，因為燃燒化石燃料產生的碳與重、輕碳原子的比例不同，因此它留下了一個獨特的「指紋」，儀器可以測量。大氣中重碳-13同位素含量的相對下降，指向化石燃料來源。燃燒化石燃料也會消耗氧氣，降低大氣中的氧與氮的比例。

OCO-2衛星於2014年7月發射，通過解析度、精度和覆蓋範圍收集全球大氣二氧化碳測量資料，瞭解這一重要的溫室氣體，氣候變化的主要人類產生的驅動因素，如何通過區域尺度的地球系統，以及它如何隨時間而變化。從它在太空中的有利位置來看，OCO-2每天對大氣中的二氧化碳進行大約10萬次測量。OCO-2已經為向大氣排放二氧化碳的過程以及吸收二氧化碳的過程提供了新的見解。

美國夏威夷國家大氣和大氣的Mauna Loa天文台觀測到的60年來大氣中二氧化碳濃度穩步上升的圖表（以ppm計）。溫室氣體的測量始於1959年。圖／擷自NOAA，作者提供

地球系統通過碳迴圈以及我們稱之為源和下沉對二氧化碳保持制衡。來源是二氧化碳釋放到大氣中的任何過程，如植物和動物腐爛、森林砍伐、我們呼氣時或燃燒煤或天然氣等化石燃料的過程。下沉是去除大氣中部分二氧化碳的蓄水池，例如植被和樹木吸收二氧化碳進行光合作用。海洋也從大氣中清除一些二氧化碳。

吸收大約一半的人類產生的二氧化碳的下沉的性質和位置目前尚不為人所知，而且存在重要，但尚未得到答覆的問題。例如，如果這些下沉的效率在未來下降，大氣中二氧化碳的積累率是否會增加？如果是，值多少錢？能否利用其中一些自然下沉，來進一步降低二氧化碳的積累率？通過更好地瞭解形成這些自然下沉的性質、位置和過程，我們可以更好地預測大氣中二氧化碳的積累速度及其對氣候的影響。

過去，我們就把地球的熱帶雨林說成是我們星球的「肺」，大多數科學家認為它們是地球系統中二氧化碳的主要吸收和儲存場所，而地球的北部北方森林是次要作用。但這不是NASA的資料所證實的。事實上，地球上的熱帶地區是大氣中二氧化碳的淨來源，至少從2009年開始。

OCO-2和日本宇宙航空研究開發機構溫室氣體觀測系統（GOSAT）通過觀察植物葉綠素產生的太陽誘導螢光（SIF）來跟蹤熱帶植物的生長情況。SIF是植物將太陽光和大氣中的二氧化碳轉化為化學能的速度的指標。他們發現植物呼吸超過了它們吸收二氧化碳的能力，這種情況正在整個熱帶地區發生，而且幾乎一直都在發生。經過五年多的資料，科學家看到熱帶地區在每個季節總是二氧化碳的來源。事實上，他們唯一一次在熱帶地區的非洲，看到二氧化碳大量吸收是在6月、7月和8月。所以，這是故事的一半。

他們看到，南美洲的高南緯度，所謂的南美洲的錐體，也是碳的強吸收劑。他們不知道是否總是這樣，他們以前的理解是不完整的還是錯誤的，或者氣候變化是否增加了生長季節的強度。因此，他們建立了一個新的基線，它似乎有點模式轉變。OCO-2、OCO-3和其他新衛星為他們提供了新的工具，讓他們瞭解人類活動如何、何地和多少二氧化碳排放到大氣中，以及這些排放是如何與地球的自然迴圈相互作用的。他們對這些過程有更清楚的瞭解。

農業活動的影響似乎也在改變。在美國中西部的夏季，科學家們看到與農業活動相關的二氧化碳大量吸收。東亞和南亞也觀察到同樣的情況。中國各地對二氧化碳的強烈吸收正在消除沿海的化石燃料排放，而中國中部地區現在在生長季節充當二氧化碳的淨吸收器。得益於大型、精密的電腦模型與風和其他測量的開發，他們能夠首次量化這些變化。

事實上，大氣中二氧化碳的增加，無論是人為的還是自然的，都造成了導致地球溫度升高的總能量失衡的三分之二。OCO-3將以高的空間解析度測量和繪製二氧化碳的地圖，結合其前身OCO-2的4.5年寶貴資料集，將描繪人類和植物對碳迴圈以及氣候影響的最詳細畫面。OCO-3將展示一種新的「快照」模式，能夠首次繪製空間中CO2的局部差異圖。OCO-3 配備了一個創新的定位機制，可以測量幾乎任何 50 英里乘 50 英里區域的二氧化碳排放量。具體來說，這些測量將説明我們瞭解陸地和海洋，是否將繼續吸收每年，通過人類消費排放的大約一半的二氧化碳，或者這種比率將來是否會下降。這將使科學家能夠研究光、水和溫度等因素如何影響植物在一天、一周、一個月和幾年內的活動。這些見解將更好地管理水、森林和糧食供應。

早期的衛星是採樣系統，專注於增進對地球自然碳迴圈的瞭解，而OCO-2、OCO-3、GOSAT和GOSAT-2等開創性衛星正在將溫室氣體測量資料添加到數十年來收集的溫度、水蒸氣、雲層、空氣品質和其他大氣特性的資料中。