人類與環境的相互聯繫（一）北極的回饋圈(Feedback loops in the Arctic)

人類與環境的相互聯繫（一）北極的回饋圈(Feedback loops in the Arctic)
花蓮縣立宜昌國中理化科林建義教師/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 在都市裡，天氣熱的時候大家都拼命開冷氣，結果造成屋外空氣更熱，這是不是回饋圈的作用呢？請你想一想，如何降低都市高熱的困擾呢？

2. 仿照上題的模式，你可以另舉一個生活中的實例說明嗎？

圖1：熱帶雨林乃世界上最大的生態系統，存活了地球上最多的陸上物種。(圖片來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/File:River_gambia_Niokolokoba_National_Park.gif)

人類活動與環境的密切關係

人類活動(如農業、林業、漁業)可以滿足人類的生活需要，特別是可以在短期內滿足人類的民生需求，因此對人類福祉有積極而不可或缺的影響。但是，如果這樣的活動沒有按照永續發展的模式進行管理，也可能給環境造成不利影響。這些部門在利用生態系統服務和自然資源方面是重要的，它們影響了生態系統（圖1），反過來又受到生態系統變化的影響。

例如，農業部門和很多環境變化之間存在密切關係，包括氣候變化、生物多樣性減少、土地退化以及水質惡化等。同時，農業也在很大程度上依賴於生態系統，如可預測的氣候條件、生物資源、水源、土壤成分、害蟲治理以及土地和水源的基本生產能力等。要想滿足人類對糧食的需求，就必須確保生態系統能提供這些服務。

人類活動因為生物物理的互相聯繫，可以對環境造成多重影響。土地、水和大氣通過多種方式相互聯繫，特別是通過碳、氮以及水的循環進行聯繫，這些循環對於地球上生命的生存是必要的。環境回饋又進一步影響生態系統的邊界、構成以及功能，最終可能導致原本平衡穩定的生態系統的崩潰。回饋圈的一個典型例子就是影響北極融冰的相互作用過程。

北極的回饋圈(Feedback loops in the Arctic)

回饋表示用系統的輸出來修改系統輸入的過程，修改的結果可以是正面影響，也可以是負面影響。在氣候系統中，「回饋圈」表示一個相互作用的模式：系統中一個變數的變化與系統中其他變數的相互作用，結果將增強最初的過程 (正回饋)，或者抑制最初的過程(負反饋)。即使最初這個變化是很微小的，透過回饋圈的作用，也可能對整個系統產生巨大的影響，這就是有名的「蝴蝶效應」（註1）。

現在我們逐漸認識到北極系統中存在與區域氣候快速變化有關的主要回饋。很明顯，北極系統處於強烈的動態變化中（圖2），各種變數會在不同時間形成回饋，這樣就增強了這些回饋和相互聯繫的複雜程度。目前科學家已知有關北極融冰的回饋圈主要有三類：

• 溫度—反射率回饋(Temperature-albedo feedback)

溫度上升可以促進雪和海洋冰層的融化，這樣不但會降低地表（冰層）反射率，而且又增強陽光吸收率，從而導致溫度進一步的上升，並改變植被的覆蓋率。上述的回饋圈也可以按照相反的方向運轉。例如，如果地表溫度下降，冰雪在夏天 的融化量將減少，從而提高地表反射率，此時更多的陽光會被反射，而不是被吸收，可以讓溫度繼續下降。因為最初的溫度變化是增強的，所以，目前北極這種溫度—反射率回饋是一種正回饋。

• 溫度—雲層—輻射回饋 (Temperature-cloud cover-radiation feedbacks)

溫度、雲層覆蓋率、雲層類型、雲層反射率及太陽輻射之間的回饋，對區域溫度有很大的影響。相關資料顯示：北極的雲層對北極地區有升溫作用(夏天除外) ，因為雲層的“毛毯效應”(blanket effect) 要大於雲層表面的反射效應導致的短波輻射下降量。這種情況與世界上其他區域的情況不同。因為最初的溫度變化被抑制了，因此溫度—雲層—輻射回饋是一種負反饋。

雲層的毛毯效應又可以阻止地球大氣層長波輻射的損失。在這個過程中，地表溫度上升，水氣量增加，導致雲層厚度增加，它進一步導致溫度上升，因此這是一種正回饋。

• 永凍土融化與甲烷排放量之間的回饋 (Melting of permafrost and methane emissions)

北極地區的永凍土，特別是苔原沼澤地區的永凍土，包含上個冰川時代 (大約10 000~11 000年以前) 形成的甲烷。氣候變化會導致永凍土融化，從而緩慢釋放出甲烷，而甲烷的溫室效應比二氧化碳高出20倍。這是一種正回饋，可以極大地加速氣候變化過程。

圖2：從藻類到北極熊，氣候變化影響著各類北極生物 (圖片來源：《全球環境展望4》p.280)

北極地區正發生的變化，包括區域氣候變化對陸地覆蓋率、永凍土、生物多樣性、海洋冰層的形成與厚度、以及冰雪融化水向冰層滲透的影響，這種影響加速了在海洋邊際冰層的瓦解速度。回饋可以導致進一步變化，這樣就對北極地區乃至整個世界的人類福祉造成了不利影響。

檢查多重環境挑戰之間的相互聯繫，類似於將相互聯繫鎖定在更廣泛的全球系統，或者子系統中的系統方法。生物物理聯繫構成了環境挑戰本身的一個重要特點。要確定和評價人類和環境之間的相互聯繫，我們應該認識到大多數社會和生物物理系統，都具有典型的動態系統屬性，如非線性變化、門檻值、轉換、慣性、時間延遲以及回饋圈等。在確定管理選擇過程中，有必要檢查其中的「因果關聯」，因為上述的系統屬性經常隨著時間和空間而累積。

了解人類活動與環境之間的多重影響，對環境議題的分析才能透徹，避免只是表象的處理。同時，也更能清楚環境議題的嚴重性與複雜性，需要全球各部門一起改善才能收到實效。

[註]：

「蝴蝶效應」來源於美國氣象學家勞侖次60年代初的發現。在《混沌學傳奇》與《碎形論——奇異性探索》等書中皆有這樣的描述：「1961年冬季的一天，勞侖次（E‧Lorenz）在皇家麥克比型電腦上進行關於天氣預報的計算。為了考察一個很長的序列，他走了一條捷徑，沒有令電腦從頭運行，而是從中途開始。他把上次的輸出直接打入作為計算的初值，但由於一時不慎，他無意間省略了小數點後六位的零頭，然後他穿過大廳下樓，去喝咖啡。一小時後，他回來時發生了出乎意料的事，他發現天氣變化同上一次的模式迅速偏離，在短時間內，相似性完全消失了。進一步的計算表明，輸入的細微差異可能很快成為輸出的巨大差別。這種現象被稱為對初始條件的敏感依賴性。在氣象預報中，稱為『蝴蝶效應』。……」「勞侖次最初使用的是海鷗效應。」「勞侖次1979年12月29日在華盛頓的美國科學促進會的演講：『可預言性：一隻蝴蝶在巴西扇動翅膀會在德克薩斯引起龍捲風嗎?』」

人類研究的物件還涉及到其他複雜系統（包括「自然體系」與「社會體系」），其內部也是諸多因素交相制約錯綜複雜，其「相應的蝴蝶效應」也是在所必然的。「今天的蝴蝶效應」或者「廣義的蝴蝶效應」已不限於當初勞侖次的蝴蝶效應僅對天氣預報而言，而是一切複雜系統對初值極為敏感性的代名詞或同義語，其含義是：對於一切複雜系統，在一定的「閾值條件」下，其長時期大範圍的未來行為，對初始條件數值的微小變動或偏差極為敏感，即初值稍有變動或偏差，將導致未來前景的巨大差異，這往往是難以預測的或者說帶有一定的隨機性。

參考資料：
1. 英文維基百科：Climate change feedback （http://en.wikipedia.org/wiki/Climate_change_feedback）
2. 中文維基百科：蝴蝶效應（http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%9D%B4%E8%9D%B6%E6%95%88%E6%87%89）
3. United Nations Environment Programme 2007: Global Environment Outlook – environment for development (GEO-4). （中文版：聯合國環境規劃署2007：《全球環境展望4 ——旨在發展的環境》），第八章。（http://www.unep.org/geo/GEO4/report/GEO-4_Report_Full_CH.pdf）
4. ACIA 2004, Stern and others 2006, UNEP 2007a