【物理好好玩S2EP04】從閃電到氣候變遷—2021年諾貝爾物理獎介紹
春假的天氣總是給人平靜的感覺，怡然自在卻又百無聊賴。當真是太陽底下已經沒有新鮮事了。但別忘了大自然也有超乎尋常、令人畏懼的一面。除了地震，我會更想到閃電，那一種震懾，令人覺得進入了完全不同的世界。樹枝狀的銳利光路，充滿怒氣，從上向下把天空直接撕裂。刺眼強光映在密佈的烏雲上，龐大的天空瞬間亮了起來。閃電真的讓人感到，有一股天上的力量，正顯現它的榮光、或憤怒。無怪乎，所有文明都有關於閃電的神話，更別忘了，最潮的漫威裡面，最有力的人物就是雷神索爾了。
但到了十七世紀，啟蒙運動的思想家卻勇敢而果斷的主張，太陽底下真的沒有新鮮事。只要你能好好利用人的理性去分析，這些看似驚人、超越自然的現象，背後其實是非常日常的道理。這有時被稱為「除魅」、有時被稱為「去神話」，總之就是人可以獨立作主、不再需要看不見、說不清的力量。我們現在一般都把閃電的除魅歸功於富蘭克林，這位美國開國元老，其實是一位全方面的思想家。他在年輕時，曾有一段時間密集的致力於電學的實驗。從日常的摩擦生電現象，我們已經知道電有兩種：同性相斥，異性相吸。富蘭克林進一步發現，兩個物體摩擦後，會帶不同的電，此時如果彼此碰觸，有時會發出火花，然後電性就消失了。於是他提出主張，這兩種物體所帶不同的電，其實是正電與負電。意思是摩擦時，電從其中一個物體流到了另外一個，總和並不變、還是零。而接觸導致電性正負抵消，就是電又流了回去，而流動激烈時可以發出火花。現在我們已經知道負責傳輸的、是帶負電的電子。當電子被拉走了，原子剩餘的部分就會帶正電，我們稱為離子。
閃電是正電荷與負電荷，抵消後所發出的火花
這時，很多研究者都注意到，電性抵消時發出的火花，與閃電的現象有點神似。富蘭克林自己就提出了十大理由，例如兩者形狀都很怪異、都可以殺死動物等等。但、推想是一回事，如何在實驗上確定，這可沒有那麼容易。於是富蘭克林提出了大膽的風箏實驗，這裡我們得先加上警語，這是一個很危險的實驗，小朋友千萬別在家自己嘗試。1752年六月，在費城一個多雲的天氣，富蘭克林在兒子的協助之下，將風箏施放到雲層底下。風箏上另外別了一條潮濕、可以導電的麻線，下垂到地面，並繫上一把金屬的鑰匙。當烏雲飄過，富蘭克林注意到比較絕緣的風箏線上，細絲開始豎起，這時電應該已透過濕的麻線，大量從烏雲上被引導下來了。他把手靠近麻線上的鑰匙，兩者之間果然產生了顯示電流通過的火花。一切都如預期，唯一的奇蹟，應該是富蘭克林竟然沒有被電死，可能當時還沒真的開始打雷吧，同樣的實驗在歐洲可是造成好幾起死亡事件。他接著從鑰匙將天上來的電，引入一個絕緣儲存瓶裡，經過實驗，性質果然完全等同於摩擦所產生的電。於是，在這歷史性的一刻，實驗證實了，一般日常的靜電與來自天上閃電的電，完全相同。如同牛頓力學，確定了地面的蘋果，與天上的星辰遵守同樣的物理定律，富蘭克林的實驗再一次肯定了，物理原則是普遍適用的。
因此，閃電是正電荷與負電荷，抵消後所發出的火花。但閃電要發生，正負電荷還是得先被分開。很奇妙的，地球表面是持續帶著負電，而大氣層上空是帶著正電的。這樣的情況能持續，其實不太合理。如果是這樣，那麼地球的大氣層，等於是一直接在一個電池的正負極之間，兩極之間如同一般的電池，從高空一直到地面，是有電壓的。測量的結果：在一個晴空萬里的平原上，每一公尺的大氣電壓就有100伏特。我常開玩笑，在我的鼻子與腳之間接一個燈泡，應該會亮才對。可惜人體本身就是導體，地表的負電會流入身體，遍布於表面，就破壞了原來存在的電壓。那麼，大氣層上下之間有電壓，一般就會有電流。空氣本身雖然是絕緣體，但還是有一定的導電度，經過一段時間之後，地表的負電荷就會慢慢向上流，悄悄無聲無息的抵消掉大氣層的正電荷，電池就耗盡了。這個大氣電流的確被量到了，每平方公尺是兆分之一安培，但地表面積很大，大氣電流的總值可以達到2000安培，這是家用電線最大容量10安培的200倍。地表的負電荷，根據計算只要十分鐘就耗盡了。那為什麼地表的負電可以一直維持呢？換句話說，大氣層連接的這個電池是如何重新充電的呢？答案就是雷雨雲與閃電。
整條不規則的樹狀導流，瞬間一起亮了起來
雷雨雲多半是在海上生成，然後飄到各處。海洋上濕潤的空氣，被高溫水面加熱，熱空氣急速向上運動，就形成了所謂雷雨雲。科學家觀察到，在雷雨雲的下半部會聚集很多的負電荷，它的成因還沒有完全確定，以下是一個較被接受的推測。話說濕氣中的水蒸氣上升到一定高度，就開始凝結成冰的結晶。冰晶很輕，繼續往上飄，水氣會開始凝結在上面，形成較大、又較重的冰霰，它們通常會往下落。於是，在雷雨雲的中央，往下落的霰會遇到往上飄的冰晶，發生大量撞擊。這個過程如同摩擦生電一樣，在這時的濕度溫度條件下，霰會得到負電荷，繼續往下落，撞擊後持續上飄的冰晶則帶正電。這個現象大規模的發生，因此雲團下方會累積大量負電荷，而正電荷則飄到雲團上方。
於是雷雨下方有極多負電荷聚集，在雲層與地表之間，產生數千萬伏特的電壓。如此高的電壓，使附近的空氣開始解體，分子內的電子與殘餘的離子分離，出現可以導電的空氣柱，長度大約數十公尺左右。負電荷通過空氣柱聚集到前端，停頓一下後，又會向下再射出一截，這一步一步前進的導電空氣柱，就稱為「步進導流」。導流呈不規則延展，有時還會分叉，形成如樹枝狀的樣式。導流的最前端，充滿了雲上流下來的負電荷，當它觸及突出的金屬、或導電的地面時，雲團底部與地面間就出現了一條通路。於是，從接觸點開始，如同好不容易攻破城門的前鋒部隊，負電荷會大量湧入地面，接著後方包括雲團上的負電荷，就繼續跟進，這等同於極大的電流由接觸點往回流，就稱為回閃擊。一般常識都想當然爾，以為閃電是向下打，但實際上導電是由下方接觸點開始，向上發生的，嚴格說閃電是向上打的。只是這個先後時間差極小，我們視覺上看到的，就是整條不規則的樹狀導流，瞬間一起亮了起來。每一次閃電，流過的電流高達一萬安培左右。大量電流流過，如同一般電線會發熱，通道內的溫度可以達到上萬度。這樣的高溫，宛若燈絲，就會發出強光，這就是閃電。通道旁的空氣，在高溫下瞬間膨脹，向外推擠，就發出巨大音波聲響，這就是雷。
氣候變遷與天文學比較接近，是一個觀測性的科學
閃電所造成的效應，就是為地面補充了大量的負電荷。根據估計，每天地球上會有40000個雷雨發生，每個雷雨每分鐘可以發生數次的閃電。所以前面提到地表的負電，因大氣電流而漸漸流失，但透過閃電就可以一再的充電。閃電現象原來是一個超大型的電充，大氣層就是一個電氣裝置，聲音、亮光只是附帶穿插的娛樂而已。
了解了這個細膩的機制之後，閃電這個現象，現在變得如此透明，毫無神秘性與新鮮感。大自然在人類的面前，慢慢揭露了所有原先潛藏的秘密。不需要一個超越的力量，大自然就能自己運作了，果然非常自然。於是我們漸漸由熟悉，到習以為常，進而覺得人類可以支配並控制自然：既然我們如此了解它，要如何利用、開發它的資源，人類應該都有辦法應付才對。這種天真一直維持到最近，突然之間，大自然越來越不可測，致災性的溫度、雨水，越來越頻繁，去年，從德國、中國大陸的罕見豪雨，到美國南部的驚人低溫，每一件都超越專家的理解與掌握。突然之間，大自然開始又變得有點陌生、有點可怕。我們可能還不完全了解它。
或許這轉變也沒有這麼突然，科學家已經早就預測到了這樣的結果。化石燃料燃燒產出二氧化碳，造成溫室效應加劇，使得地球溫度顯著上升，因而影響大自然氣候的平衡，瞬時變化當然跟著加劇。氣候變遷對地球天氣的影響，日益明顯，環境科學漸漸成為顯學，但也同時與許多群眾運動牽扯在一起。為了宣傳，科學的結果常被誇張扭曲。而有時候，引用科學資料的人，並不注意科學預測，本質上就有不確定性。於是，宣揚不精準的類科學，反而使得許多聲音可以振振有詞的否認，氣候變遷真的是一個問題。畢竟，氣候變遷與天文學比較接近，是一個觀測性的科學，意思是我們只能面對地球上已經發生的結果去作觀測。不像一般科學是實驗的科學，科學家可以控制一個一個的變因，再進行實驗了解變因與結果的關係。這一件事在氣候變遷研究上是做不到的，我們不能把人類先去除，過了五十年，再試一試地球的溫度是否增加。因此到底是什麼原因，造成今日的結果，如何在氣候變遷科學上，作出嚴謹又經得起檢驗的陳述，對科學家來說是很大的挑戰。
真鍋淑郎的模型成了後來氣候變遷研究的原型
但氣候變遷真的是科學，如果嚴謹的對待，它是有堅實的科學原理支持的。去年諾貝爾物理學獎得主有三位，其中兩位的學術頭銜或教職都是在氣候學系。起初物理學家當然覺得有些錯愕，但回頭想想，也是美事一樁。在二十世紀初，科學家已經知道了，太陽光照射到地面，地面吸收了熱能之後，自己會放出紅外線，將熱能又放射回到太空。一進一出、兩者抵消，地表就平衡在一個固定的溫度。但經過計算，這個溫度只有零下五十度，顯然與事實不符。科學家很快發現，這是因為大氣層中的溫室氣體，特別是二氧化碳與水蒸氣，會吸收地表發出的紅外線，然後再向著上下、又放射出來。向下放射的那些紅外線，就會照在地表上而對地表加熱。簡單說，地球是蓋著一層溫室氣體形成的棉被，這就是所謂的溫室效應。在這一層棉被加持保溫下，地表溫度維持平均在攝氏20度左右。所以直覺的推測：改變溫室氣體的量，應該會影響地表溫度。但影響有多大，就很難確定計算了。
氣候是一個複雜系統，涉及許多物理過程，可能影響結果的因素非常多，各個因素彼此聯動、充滿反饋效應。要了解它，得有先入為主的猜想，挑出不重要的因素加以簡化，形成一個模型，計算之後與觀測比對，才能驗證我們對氣候的理解。日裔美國人真鍋淑郎，就是這方面的先驅者。在1960年代，真鍋率先發展了地球氣候的物理模型，同時將氣體垂直流動，以及不同高度的溫度，放進上述熱平衡條件中一起考慮。真鍋的模型有點像日本的工藝，很優雅、又極簡。模型的計算結果，果然預測增加大氣中二氧化碳的含量，會進而增加水蒸氣的含量，加乘的效應，造成可觀的地表溫度上升。這個模型成了後來氣候變遷研究的一個原型。
人類的影響是造成已觀察到的地表增溫，最主要的原因
氣候變遷的複雜性還有一個難題，在這許多互相影響的因素中，要將因與果連接非常麻煩。不要忘記，在大氣二氧化碳含量緩慢增加的同時，不時會有火山爆發，森林火災、乾旱或暴雨等各式各樣的短期天氣變化。德國的氣候學家哈塞曼注意到這些影響氣候的要素，有的變化很慢，例如海洋的溫度，有的變化很快，像局部的天氣、風速、空氣溫度等等。哈塞曼開創了一個方法，將這些快速混雜的變化用噪音來處理。對毫無規則的噪音，科學家事實上已經有一定的了解，可以引入隨機的數學來模擬。把這樣的隨機要素引進到氣候模型後，科學家就能計算長程氣候變遷的資料數據，例如地表溫度、海洋溫度，以及數據的變異數。如此就可以建立長程的氣候，與短期的天氣之間的關係。這整套氣候模型，發展得非常精細又有力，好像一台高級德國跑車。哈塞曼計算，將人為因素加入以隨機來處理的自然因素之後，模擬所得的地表溫度，比起只有自然因素的地表溫度，在2000年高出整整0.5度，而這個比較高的值正就是實際觀測的結果。因此科學家可以很有信心，而且清楚地說：人類的影響是造成已觀察到的地表增溫，最主要的原因。簡單說，真的是人類的錯。
當氣候變遷造成的問題越來越迫切，我們越需要扎實的以科學嚴謹的態度來面對自然，畢竟這是我們當年與自然開始互相了解時，使用的態度。我們得回到富蘭克林的精神：冷靜、客觀、面對事實、讓理性發揮功能。哈塞曼是這樣說的：「主要的難題，是如何讓大眾知道，這個問題是可以面對的。我們有足夠的科學與技術，只要努力投資、開發這些科技，對生活有適當的改變，我們是可以解決氣候變遷問題的。」
或許，這就是要了解自然，然後與自然相處吧。
下一次我們將介紹：是什麼樣未解的問題，讓粒子物理學家睡不著覺，需要安眠藥。
