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「格陵蘭島冰川融化，將導致海平面上升」

「北美乾旱，農產品價格將高漲」

這些出現在報章媒體的新聞標題，表現出區域性或全球性的氣候變化對人類日常生活的影響。地球氣候變化，不只牽動人類的一切活動，地球上的所有生態系統與生物也都與之息息相關。究竟地球的氣候變化，受到哪些因素的影響呢？想要了解天氣變化，首先要認識地球的氣候系統。

許多人以為氣候只是發生在大氣層內的現象，然而大氣層並非單獨存在的一個系統，它與地球上其他系統之間存在許多交互作用，像是海洋、冰川、海冰、土壤、岩石、與各種生物及生態系統等，綜合這些彼此之間有許多複雜交互作用的系統，才構成地球氣候系統(Climate System)。總的來說，地球氣候系統包含五大圈：大氣圈(Atmosphere)、水圈(Hydrosphere)、冰凍圈(Cryosphere)、岩石圈(Lithosphere)與生物圈(Biosphere)。地球氣候系統受到許多因素影響，其中以太陽的輻射能影響最為重要，是地球各個系統的主要動力來源。而工業革命之後，人類活動也已經成為影響氣候系統的重要因素之一。

地球氣候系統五大圈示意圖

大氣圈

大氣圈指的是包覆在地球周圍的氣體層，大氣圈受到其他四個圈的影響，並和人類活動有密切的關係。大氣圈的狀態與變化，直接影響人類的生存條件和各種活動，氣候系統中其他四個圈的變化，結果也都會反映在大氣圈。牽一髮而動全身，氣候系統內的每個子系統彼此之間相互影響、息息相關。

地球形成初期的大氣成分以水氣(Water vapor, H2O)、二氧化碳(Carbon Dioxide, CO2)、氮氣(Nitrogen, N2)、甲烷(Methane, CH4)和氨(Ammonia, NH3)為主，等到有機體出現之後，因為進行光合作用而逐漸改變地球大氣的組成。除去水氣不計的話，如今地球的大氣組成主要為78.084%的氮氣、20.946%的氧氣(Oxygen, O2)、與0.934%的氬氣(Argon, Ar)，剩餘的則是包含各種溫室氣體在內的微量氣體(trace gases)，如二氧化碳、氧化亞氮(Nitrous Oxide, N2O)與臭氧(Ozone, O3)等。

水氣約佔大氣重量的0.25%，但水氣的比例會隨著各區域的大氣溫度而有很大的不同。水氣本身屬於溫室氣體，可以吸收或放射紅外線，而且水氣能透過相轉變以氣態、液態或固態等不同的形式存在於大氣圈中，在相轉換的同時能吸收或放出能量，讓水氣成為決定地球氣候變化重要的一項因素。

一般來說，大氣的壓力與密度隨著高度變化而改變，因此大氣圈在垂直方向隨高度增加分成對流層(Troposphere)、平流層(Stratosphere)、中氣層(Mesosphere)、增溫層(Thermosphere)與外氣層(Exosphere)。其中對流層的對流最旺盛，也是天氣現象主要發生的地方。在平流層的大氣溫度會隨高度增加而升高，因為平流層內的臭氧層(ozone layer)具有吸收太陽輻射紫外線的功能，所以平流層又叫同溫層，而臭氧層可以保護地球上的生物免於太空致命輻射的傷害。

除了氣體之外，許多天然產出的物質也會以固體或氣懸膠(Aerosol)的型態存在大氣中，例如礦物微粒、花粉或孢子、火山灰(Volcanic ash)等。人類活動所製造的許多化學物質，如氯化物、氟化物或硫化物也會以氣體或是氣懸膠型態進入大氣圈，這些物質都會透過能量交換的方式，影響大氣圈與其他系統之間的交互作用，進而改變地球的氣候。

水圈

水圈包含地球上所有液態水，不論在地表或地下、鹹水或淡水。這些水透過水循環相互聯繫在一起。水循環是陸地或海洋的水透過蒸散或蒸發作用變成水氣進入大氣層，海洋上方的水氣被大氣環流輸送到陸地上方，形成雲、雨、雪之後降落地面。降水的一部份以地表逕流(江、河)的方式留在陸地上或流入海洋，流入海洋後會影響海洋的鹽分組成與環流。另一部份則滲透入地下，形成地下逕流和地下水。地下逕流可回流到海洋，而地下水則可以補充被汲取的地下水層。水循環周而復始，為地球上各個系統提供水源。

水圈所含的水有97.5%以鹹水的形式存在，其餘淡水僅佔2.5%。鹹水覆蓋地球表面約72%的面積，在地表形成幾個主要的大洋(Ocean)與海(Sea)。溫鹽環流 (Thermohaline circulation)是受到海水溫度與鹽分變化驅動的洋流循環系統，海水在熱帶地區與極區之間循環流動，運輸能量與許多地球資源，也影響大氣中二氧化碳的濃度，對維持地球的能量平衡極為重要。

水循環示意圖

冰凍圈

冰凍圈指的是地球表面固態水存在的部分，包含海冰、河或湖冰、雪蓋層、冰川、冰帽、冰原與永凍層。雪與冰能夠反射太陽光，避免地表吸收過多的太陽輻射能量，因此對地球的能量平衡有重要影響。雪與冰的覆蓋面積變化會影響大氣溫度、海平面高度、洋流等；相對地，全球氣溫若持續升高，冰凍圈的面積將會持續減小，也因此冰凍圈成為氣候變遷最有力的指標。

岩石圈

岩石圈指的是固體地球的表層部分(包含陸地與海洋)，由所有地殼表層岩石，與上地函低溫彈性部分組成。地殼由許多板塊組成，板塊則漂浮在地函上，當板塊相碰撞時產生的一系列物理變化過程，例如火山爆發、造山運動等，可以改變大氣的化學成分，進而影響地球的氣候。

生物圈

生物圈包含陸地與海洋中所有的生態系統和生物。生物圈會影響地表的太陽輻射反照率(Albedo)，熱帶雨林比起海洋或沙漠，只反射極少的太陽輻射能量，因而在氣候系統的能量平衡上佔有重要功能。

生物圈對溫室氣體的濃度，例如二氧化碳或甲烷也有重要的影響。海洋表面的浮游生物吸收溶解海水中的二氧化碳進行光合作用，並在死後將這些二氧化碳帶入深海儲存，使得大氣中的二氧化碳濃度得以受到控制，將自然界的溫室效應維持在合理的範圍內。但是畜牧業的家畜，如牛、羊等會釋放大量甲烷，人類焚燒石化燃料也產生可觀的二氧化碳，反而加強了溫室效應。

此外，生物圈透過釋放揮發性有機化合物(volatile organic compounds, VOC)，影響大氣中氣懸膠的形成，例如海洋生物製造的化學物質，進入大氣後會氧化成非海鹽硫酸鹽(non-sea-salt sulphate)，成為主要的雲凝結核而影響降雨。由此可知，生物圈透過改變大氣中的微量氣體濃度，來影響地球氣候。

地球氣候系統內的交互作用

地球氣候之所以複雜難測，是因為組成地球系統的五大圈並非獨立存在，五大圈彼此之間有各種交互作用，包括物理性、化學性、生物性的交互作用，甚至在季節上與規模上都有很大的不同。地球氣候系統的各個子系統之間是互相開放而有關連的，以達成質量守恆、能量守恆的定律。

以水循環為例，海水吸收太陽輻射之後，因為蒸發作用變成水氣進入大氣（水圈→大氣圈），水氣遇冷凝結成雲、隨後降雨形成地表逕流與地下水（大氣圈→水圈），最後流入海洋影響海水鹽度變化，驅動深海洋流。除了水氣之外，海水跟大氣之間也交換二氧化碳，赤道附近的湧升流會釋放二氧化碳進入大氣（水圈→大氣圈），而海水表面的藻類或浮游生物則會進行光合作用，使大量的二氧化碳溶解於海水中（大氣圈→水圈→生物圈）。

再以二氧化碳為例，綠色植物吸收大氣中的二氧化碳進行光合作用（大氣圈→生物圈），也進行呼吸作用釋放氧氣。死亡的生物體最後被埋入土壤中，長年累月形成含碳的石化燃料（生物圈→岩石圈），最後由人類開採石化燃料、使用後釋放二氧化碳回到大氣（岩石圈→生物圈→大氣圈）。

比起各個子系統自然存在的交互作用，工業革命之後的人類活動對地球氣候影響程度益發顯著，人類大量使用石化燃料製造過多的溫室氣體、使用氟氯碳化物造成臭氧層被破壞，不當的人為活動已經成為影響地球氣候最重要的外來因素，因此認識並區分人類活動或自然外來因素的影響，是了解氣候變化的關鍵。

地球氣候系統相互作用示意圖