大氣中的微量氣體：地球氣候系統中的關鍵角色――2018年克拉福德地球科學獎
談到科學界的最高榮譽，大家第一個想到的必定是諾貝爾獎；相對來說，同樣是由瑞典皇家科學院頒發的克拉福德獎(Crafoord Prize)就顯得陌生許多，但它在全球科學界也是享有盛名。
談到科學界的最高榮譽，大家第一個想到的必定是諾貝爾獎；相對來說，同樣是由瑞典皇家科學院頒發的克拉福德獎(Crafoord Prize)就顯得陌生許多，但它在全球科學界也是享有盛名。
克拉福德獎是1980年由人工腎臟發明者，瑞典人霍格‧克拉福德(Holger Crafoord)和其妻子安娜―格蕾塔‧克拉福德(Anna-Greta Crafoord)所設立，其目的是鼓勵未列入諾貝爾獎但同等重要的基礎科學領域，包括了：數學/天文學、地球科學、生物科學(特別著重於生態學)。瑞典皇家科學院依照上述順序每年輪流頒發克拉福德獎及600萬克朗的獎金給其中一個領域的學者[1]。此外，由於克拉福德晚年飽受類風濕性關節炎所苦，因此當多發性關節炎這方面有所突破時也會授獎給該領域的學者。
克拉福德獎獎牌與頒發的領域，圖修改自Crafoord Prize
2018年克拉福德地球科學獎的得主為日裔美籍的真鍋淑郎(1931-)和美國的蘇珊·所羅門(Susan Solomon, 1956-)，得獎理由為「在瞭解大氣中的微量氣體於地球氣候系統當中發揮的功能時所作出的基礎貢獻」(”for fundamental
contributions to understanding the role of atmospheric trace gases in Earth’s
climate system.”)。
[1]：自2012年起，數學和天文學變成在同年頒布的兩個獨立獎項，而非擇一頒布。
以下譯自官方公布給大眾的新聞稿，來源為：
電腦模型和南極上空的雲朵――解開氣候謎題的關鍵
科學家研究大氣動力學和地球氣候已經有很長一段時間。在這當中困惑研究人員許久的謎題包括人類製造的溫室氣體排放至大氣之後，會對全世界的氣溫與氣候造成什麼樣的影響；以及從1970年代晚期開始，為什麼每到冬季南極上方的臭氧層就會出現破洞。真鍋淑郎(Syukuro
Manabe)和蘇珊·所羅門(Susan Solomon)開創了這些研究領域的發展(圖一)。2018年的克拉福德地球科學獎頒予這兩位學者，以表彰他們在研究大氣中的微量氣體於地球氣候系統發揮的功能時所奠下的基礎。
地球的大氣是籠罩地球的薄薄一層氣體，藉著地球的重力而維持在地球上空。受到太陽的加熱以及地球自轉的影響，大氣總是處於流動的狀態。大氣最底層的運動從生活在地面的我們看來即為不停變化的天氣，但是大氣動力學和大氣的化學成份以及氣候的變化趨勢之間究竟有何關聯？
關於大氣動力學和地球氣候的研究已經有超過一個世紀的歷史，但是到1950年代末期這方面的研究成果都還僅限於敘述層面，也就是它們基本上都是建立於測量並觀察太陽輻射、氣溫、降水和植被分布這些因子跟氣候之間的關聯，當時還不可能實際計算大氣環流以及未來的氣候走向。此時開始有科學家體認到如果要把地球和大氣視為一個完整的系統，勢必需要新的方法才能解決隨之產生的複雜問題。
從1800年代開始，研究人員就一直困惑於大氣中增加的二氧化碳對地球的溫度有多少影響。1958年夏威夷建立了新的觀測站，當其測量結果顯示大氣中的二氧化碳正不斷增加時，氣溫和二氧化碳的潛在關聯也隨之成為了熱門議題(圖二)。而二氧化碳增加的可能解釋之一即為人類把二氧化碳和其他溫室氣體排放至大氣當中。
為了研究而開發出的強力工具
1958年，日本的大氣物理學家真鍋淑郎前往美國進行研究。當時他剛從東京大學得到博士學位，而美國國家海洋暨大氣總署在普林斯頓大學的地球物理流體動力學實驗室，正好提供了相當吸引人的研究環境。實驗室主持人約瑟夫·斯馬格林斯基(Joseph Smagorinsky)創建了絕佳環境，讓研究團隊能以當時技術最新且能力最強的電腦來進行大尺度的數值模擬。真鍋淑郎和其同事於1960年代在此進行了一系列的突破性研究。起初他的研究目標是需要哪些物理公式，才能建構出一個可以實際模擬地球大氣的環流模型。
最初幾個進展的其中之一是由真鍋和羅伯特·斯特里克勒(Robert Strickler)於1964年完成。他研究大氣的溫度如此分布的原因：為什麼會有對流層和平流層？為什麼溫度在不同緯度和在一年當中的不同時候會有所差異？利用環流模型他成功證明大氣裡的水蒸氣和微量氣體(像是二氧化碳和臭氧，全部加總佔乾燥大氣組成成分的0.1%以下)含量決定了大氣的溫度並造成了垂直溫度分層。他們也證明若要更加透徹地瞭解大氣，對流即為關鍵所在，也就是大氣如何隨著溫度變化而流動。因此如果要得到更貼近現實狀況的模型，就必須考慮到對流。
接著，1967年真鍋和理查·韋瑟爾德(Richard Wetherald)更進一步地拓展了物理公式的運用。舉例來說，他證明了相對濕度是影響氣溫的重要因子，這讓他可以實際計算大氣的溫度如何受到二氧化碳含量變化的影響。利用此模型，他計算出大氣中的二氧化碳含量變成二倍時，溫度就會升高大約2℃。
第一個能實際模擬氣候的模型終於問世
真鍋淑郎和科克·布萊恩(Kirk Bryan)在1969年有了另外一道突破，他們將發生在大氣和地表的作用，與海洋的流動和熱平衡連結在一起。此時終於有一個模型可以描述氣候系統當中的兩大主體――大氣與海洋――之間的回饋作用。第一個完整的氣候模型於焉誕生。
全球氣候模型先把大氣、陸地和海洋分割成三維網格，然後再運算過去、現在或未來一段特定時間中的氣候狀況。利用基本的物理定律，模型可以計算網格當中每個區塊的大氣、水文和海洋參數如何演變(圖三)。設計用來執行第一個全球氣候模型的電腦記憶體容量只有0.5Mb，但在當時已經是最為尖端的技術。儘管電腦科技在那之後有著不可思議的發展，今日的氣候模型所用的原理依然與當時相同。現在我們擁有更為先進且解析度更高的數值模型可以預測地球未來的氣候走勢，比方說人為製造的二氧化碳和其他溫室氣體與未來氣候的關聯，但是這些模型的基礎仍然建立於真鍋淑郎和其同事所描述的物理關係之上。
真鍋淑郎特別擅長規劃必須解決的問題，接著把問題在數學上的表達方式適度簡化來處理，最後利用可以取得的運算資源制定出模擬策略以解答問題。在發展以物理原理為基礎的數值氣候模型這一方面，真鍋淑郎長久以來在世界上都處於領導地位。
針對南極的平流層雲而提出的全新理論
在南極上方發現臭氧層破洞則是大氣科學中的另一起重大事件(圖四)。1980年代中期，英國和美國的研究人員證實從1970年代末期開始，南極上方的臭氧層就逐年變得越來越稀薄。但此現象的成因為何？研究人員之前已經證明CFC(氟氯碳化物)可以分解臭氧，但當時測量出來的臭氧層破壞程度比預期中還要劇烈許多。此外，這也無法解釋為什麼破洞只出現在南極上空，而且只有在一年當中的特定時間才能看見。為了找出解釋有大量資源投注到相關研究當中，而大氣化學家蘇珊·所羅門便是這些研究中的關鍵人物。
蘇珊·所羅門在伊利諾理工學院取得化學學士學位，在1981年她從加州大學柏克萊分校得到博士學位。之後，她就開始在美國國家海洋暨大氣總署位於科羅拉多州波德市的高層大氣物理實驗室進行研究。蘇珊·所羅門在物理和化學作用這方面的深厚知識，以及結合理論研究和野外實驗的能力，在她解決南極上空的臭氧層破洞謎題時，無疑對她的研究起到了相當重要的作用。
蘇珊·所羅門和她的同事在1986年架構出一套新的理論。他們先是注意到南極上空的平流層雲裡面，因為極端低溫而形成的冰晶，其形成於每年冬季氣溫達到-80℃以下的時候。他們推測這些雲裡面的冰晶可以激發某些不同於以往推論中的化學反應發生。此外，在他們的假設中重要的不只是發生在氣相的化學反應，他們提出非均相反應――也就是牽涉到不同相(固相、液相、氣相等)的化學反應――也同等重要。據此他們能以新的方式計算出從地面排放的CFC分子最後到達南極上空的平流層，並把其中的氯釋放出來時究竟發生了什麼作用使臭氧層分解。因為這些氯通常是以硝酸氯或氯化氫這種穩定形式存在，並不會分解臭氧層。根據這項新理論，蘇珊·所羅門證明出：A)在冬季一部份的穩定含氯化合物跟南極平流層雲結合的方式。B)平流層雲裡面的冰晶表面發生化學反應，把氯活化使得氯氣釋放出來的過程。C)到了春季，陽光造成的光化學反應如何開始將氯氣分解成游離的氯自由基。D)游離的氯自由基出現使得平流層雲中的臭氧大量分解。一個游離的氯自由基在離開平流層之前可以分解10萬個臭氧分子。E)氯會持續活化，直到春季的溫度逐漸升高至-80℃以上，平流層的雲蒸發之後才停止下來(圖五)。
蘇珊·所羅門在1986年和1987年率領了兩支隊伍前往南極實地考察，在此研究人員利用飛機和氣球對平流層的物理化學因子進行眾多測量以驗證他們的理論。他們的發現包括量到平流層臭氧濃度較低的八月至十月，也是硝酸氯濃度較低的時期。當臭氧濃度於十月再次回升時，他們注意到硝酸氯的濃度也有升高的現象。臭氧和硝酸氯的濃度之間呈現相關性，應證了蘇珊·所羅門的計算結果――也代表人為排放的氟氯碳化物確實和南極臭氧層變薄之間有所關連。
蘇珊·所羅門提出的化學反應在今天是所有模擬平流層化學反應的模型需要用到的基本原理之一。此理論還有許多重要應用，其中之一是由蘇珊·所羅門和大衛‧霍夫曼(David Hofmann)於1989年提出。他們運用這套理論解釋大型火山爆發釋放至平流層的含硫化合物，會對臭氧層造成何種影響。
臭氧層也會影響氣候
在前往南極實地考察之後，蘇珊·所羅門繼續她在平流層裡的臭氧層這方面獨步全球的研究。她不只找出了臭氧層變薄的原因，也發現臭氧層的高度變化在地球氣候系統當中具有十分重要的影響。在她和她的同事於2000年代發表的數篇文章中，他們證實了南極上空的臭氧層厚度變化會影響南半球的大氣環流。而大氣環流的變化又會進一步影響地面溫度，像是南極、南大洋、紐西蘭、巴塔哥尼亞和澳洲南部等地的夏季氣溫便會因此而改變。
大氣化學家蘇珊·所羅門超過30年來，在臭氧層和氣候變遷的研究中總是處在最前端。她對此領域的知識累積做出了獨一無二的貢獻。
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