作者:龎鈞翰

審定:鄭弼升、嚴天浩

科學家的時空背景

從18世紀中葉的工業革命開始,英國的工業生產與科學技術,在維多利亞女王(Queen Victoria)執政的19世紀中葉達到了頂峰,英國在鐵路建造、熱動力、各種氣體和光學器材的生產、應用和研究方面走到了世界的尖端。也是在這段時期,英國位於英格蘭中部的倫敦地區,以及其周邊的工業重鎮,水蒸汽、二氧化碳以及富有惡臭的二氧化硫等工業廢氣,在該地區的空氣中也提升到了一個史無前例的含量 。

1800年,恆星學之父赫歇爾(William Herschel),在做天文學研究之餘另外發現了,熱的傳遞除了以往所認為的對流和傳導兩種方式以外,也能夠像光線一樣隔空傳遞,他因此將這種輻射稱作"晦澀的熱",不過後世的人比較慣於稱"晦澀的熱"為"熱輻射"(Radiant heat)。這個發現讓人類知道了,除了對流和傳導以外的第三種熱傳遞方式。

圖 太陽等自然光中,蘊含有一種肉眼看不見、卻能將物體加熱的輻射,赫歇爾將它稱作"晦澀的熱",而現今的科學家們家它稱作”熱輻射"(Radiant heat)或”紅外線(Infrared ray/ IR-ray)。

圖片來源:www.floor-heating.co.uk/infrared-explained/

1827年法國物理學者傅立葉(Jean-Baptiste Joseph Fourier),與1838年法國的熱學兼冰川學研究學者普雷特(Claude Servais Mathias Pouillet),這兩位傑出的法國學者針對太陽的熱對地球的影響,展開了一系列的研究,他們的論文提到,若地球表面的熱量來源完全來自於太陽的熱輻射,那麼地球表面的赤道地區,早上的氣溫會超過攝氏110度,而晚上則會降溫到約攝氏 -100 度,但實際上赤道區日間的年均溫是30度,而晚間的年均溫也只會降到約攝氏23 度,可見理論計算和實際測量出來的數值差非常多。這個研究結果讓19世紀中葉後的科學家們開始懷疑,地球表面是否存在有某種,可以降低熱輻射散失並保存熱輻射的機制?

科學家的經歷

圖 廷得耳肖像照。

圖片來源:www.rigb.org/our-history/history-of-research/john-tyndall-timeline

1820年,廷得耳出生於愛爾蘭東南部的喀羅郡利林布里治鎮(Leighlinbridge, County Carlow, Ireland)中,一個經濟狀況不太優渥的警察家庭中。因為家境的因素,他在完成基礎教育後的1839年,進入了愛爾蘭地形調查局擔任工業製圖師。

1842~1847年, 廷得耳因為優秀的工作表現,調任至英格蘭南開普頓(Southampton, England)的英國地形測量局(Ordnance Survey, OS),並致力於英國國內的鐵路建造計畫,甚至當上了負責的工程師。也因為廷得耳有著豐富的實務經驗,在1847年他接受昆伍德學院(Queenwood College)的聘請,擔任該校的數學與製圖學教師。在這段期間,廷得耳受在同校任職化學科教職的好友弗蘭克蘭德(Edward Frankland)影響,開始對化學和物理開始產生興趣,並在弗蘭克蘭德的"慫恿"下,到德國馬堡大學(Philipps-Universität Marburg)師從著名化學家本生(Robert Wilhelm Bunsen)來攻讀博士,專門研究物質的磁性,並在1850年獲得博士學位。也是在這一系列的實務、教學和研究訓練中,廷得耳培養出能設計出精良實驗儀器的技能,和良好的學術研究能力。

從馬堡大學畢業後,1850~1851年優秀地廷得耳,受到柏林大學(Friedrich-Wilhelms-Universität;現已分裂成Humboldt-Universität zu Berlin和Freie Universität Berlin兩間學校)的馬格努斯(Heinrich Gustav Magnus)教授的邀請,在他的實驗室中擔任博士後研究員,繼續研究磁性現象,偶而也會協助馬格努斯做電和熱效應的研究,也是在這段時期,廷得耳"意外地"培養了對熱學研究儀器的巧思。

1851~1856年,在德國經過一番"修練"而名聲大噪的廷得耳, 回到英國持續他的磁性研究,發表了多篇著名的論文,並在1852年時,獲得法拉第的推崇,獲選為皇家科學研究所(Royal Institution of Great Britain)的自然哲學(Natural philosophy)教授。

1856年後,名聲遠播的廷得耳,受邀研究阿爾卑斯山的冰川力學現象。在這時廷得耳開始注意到,高山雖然受到了較強烈的光照,但高山區的氣溫卻比平地的氣溫低,這顛覆了傳統上認為受到陽光照射量愈多,環境就會愈熱的觀念;因此,這讓年輕時研究過不同的物質之磁性與熱性質研究的"化學家"廷得耳,認為或許可以從化學研究常用的微觀角度,來研究環境和物質熱變化。也是在這一個時期,廷得耳讀到了在法國做類似研究的普雷特(Claude Servais Mathias Pouillet)所寫的,與太陽的熱有關之研究論文",普雷特在他的論文中提到-依照太陽在早晚分別對地球表面的熱輻射供應能力來算,上午的年均溫應為攝氏116.5度,晚間的年均溫約為攝氏 - 100度。"

科學家發現的問題

廷得耳查看赤道地區的平均早晚溫差時,發現該地區的上午的年均溫約為30度,晚間的年均溫約為攝氏23度。但是,這個現象並不符合普雷特在他的論文中,依照太陽在早晚分別對地球表面的熱輻射供應能力來算所計算出來的地球早晚溫差。

因為根據普雷特在他論文中的說法,如果地球表面上的熱完全源於,太陽在早晨供給的熱輻射,那麼以太陽早晚所供應的熱輻射功率差異來看,赤道區早晨的氣溫應該會高達約116.5度,而因為晚上沒有太陽熱輻射的供應,再加上地表的熱以熱輻射的形式散失掉,晚間赤道區的氣溫會降至約攝氏 -142度,整體而言,估計會出現約攝氏200度以上的溫差!但是,廷得耳現在卻發現赤道區早晨的日均溫只有攝氏30度,晚上也只會降至約氏23度,整體而言,早晚溫差僅有約攝氏7度。

科學家的聯想與假設

廷得耳正思考著他發現的這個難以釐清的問題時,他突然聯想到了,熱輻射會因為物體的影響而使得它傳遞熱的效果大幅地降低,這就好比在正中午的炎熱時分,人們只要躲到樹蔭底下,就可以避開大部分太陽熱輻射所傳遞的熾熱感,所以,或許在地球表面上存在有某種、能夠阻檔太陽熱輻射所散發出的熱,使得地球表面的溫度不會出現這麼驚人的增加幅度,同時也能夠降低熱的傳遞能力,使得地球表面的熱輻射更不容易溢散到外太空,進而避免地球表面的溫度大幅地驟降。

想到這裡,廷得耳翻閱了許多關於討論"物質降低熱輻射傳遞"的研究資料,因而讀到了義大利物理學家梅洛尼(Macedonio Melloni)分別在1835年和1850年,曾於英國皇家學會(The Royal Society of London for Improving Natural Knowledge)上發表,以及後人幫他出版的<論熱輻射線穿對絕熱物體的及時穿透性>(<On the immediate transmission of calorific rays through diathermal bodies>),和<論熱輻射對物體和液體的穿透度>(<Transmission of Radiant Heat through different solid and liquid bodies>)等論文。他進而從梅洛尼的研究中聯想到,梅洛尼曾研究發現,很多肉眼看似透明的固態與液態物質,都能降低光線中部分熱輻射的傳遞,而使得光線中的熱輻射,沒有辦法完全傳遞到隔著這些物體的偵測器端。

因為,當蘊含著熱輻射的光源在另一端、朝偵測器的位置傳遞熱時,在光源和偵測器的中間,用這些”透明的“的物質隔開以後,偵測器測出來的溫度幾乎沒有上升。所以梅洛尼推測,有很多物質都有降低熱輻射傳遞的能力,而且,這些物質不一定要是"不透明的"!這讓廷得耳聯想到,大氣中的空氣也都是「透明的」,或許空氣具有降低太陽的熱傳到地表的能力,使地表不會劇烈升溫。

廷得耳在此時又想到了,在當時的貴族莊園中,常來搭建酒窖的隔熱材料,除了能降低熱的傳入而避免室內溫度驟升,也能降低室內的熱散失太多而造成溫度過低,因此,很常在生活中被用於保持環境的溫度,搭建像酒窖這些需要避免有過大溫差的空間。所以,或許能降低熱輻射傳遞的物質,除了能夠降低熱的傳入而不會有溫度驟升,也能夠降低熱的傳出而避免溫度的快速降低,進而讓環境維持在一定的溫度範圍,不至於因為熱源存在與否,而產生劇烈地溫度變化。

圖 建造酒窖用的隔熱材料,防止熱傳遞的方式示意圖。一般來說,酒窖會選用熱傳遞能力較差的磚材、木材、泥巴,或者由這三者夾起來的層狀結構來搭建,以抑制酒窖內外的熱傳遞。另外在建造酒窖時,阻絕熱輻射的傳遞,對於維持酒窖內的溫度穩定是尤其重要的。

圖片來源:www.absolutebuildingsupplies.com.au/solairforce-insulation.html

圖 梅洛尼用以實驗來評估,受測透明固體與液體降低熱輻射傳遞效能的儀器。

圖片來源:<The emergence of Melloni’s Optical Bench, by Emanuela Colombi, etc>; 線上閱覽網址 - www.iris.unito.it/retrieve/handle/2318/1631669/314305/Melloni.pdf(中文註解為筆者所加上)

想到了這裡,廷得耳便提筆寫下了,他認為可以解釋這個"溫差謎團"的假設 - 因為在地球表面上的空氣存在有某些成份,能藉由有效地降低熱輻射傳遞,這使得地球表面在陽光直射的早晨,太陽的熱輻射會部份地被空氣所影響而降低熱傳遞,而讓地球表面的溫度不會有太驚人的增加幅度;另外,到了太陽的熱輻射不再傳遞到地球表面的夜晚時分,地球表面的熱輻射傳遞也同樣會被空氣所影響而降低熱傳遞,進而避免地球表面的熱不會大量且快速地散失掉,而引發氣溫的驟降。因此,在地球表面上的我們才能夠發現到,赤道區的年平均溫能維持在早上為攝氏30 度,而晚上也只會降至攝氏23 度的現象。

圖 廷得耳假設地球表面上的空氣層(淡藍色區域),會擋掉過多的太陽熱輻射,也會防止太陽照射入地球表面的熱輻射再逸散到太空中。

圖片來源:www.britannica.com/science/greenhouse-effect

科學家的驗證方法與結論

廷得耳深知,倘若他要證明他的假設屬實,他必須要能夠證明,地球表面上的有些種類的氣體,能夠有效地吸收掉太陽的熱輻射。因此,廷得耳便挑選了空氣中,含量最多的氮氣、氧氣、二氧化碳,以及工業盛行的大城市,含量極高的由水氣及二氧化碳的混合氣來做測試。

為完成這個需要精密的熱能量變化測量,避免氣體樣品逸散的實驗,廷得耳憑著他豐富的實驗儀器製作經驗,著手設計了一個能簡單偵測熱輻射大小差異的儀器 - 這種儀器的運作原理,如下:

受測的氣體會被裝在一個,兩端為透明材料組成的長管內,並在其中一端放上提供熱輻射的火燈。這樣便能確保,在熱輻射的傳遞未受到其他物質的影響下,能傳到長管的另一端。

由於當管狀的金屬材料兩端出現溫度差異時,這個材料上就會出現隨溫差愈大、數值也愈大的電流。所以,一旦傳到長管另一端的熱輻射比有火燈的那一側少,長管的兩端就會出現溫度差異,進而產生電流;如此一來,便能藉由電流的有無,得知受測氣體是否可以阻檔熱輻射的傳遞?

此外,如果受測氣體能降低越多的熱輻射傳遞,偵測器測到的電流數值也就會愈大,所以,這個偵測裝置也能用很簡單的方式,呈現出受測氣體在降低熱輻射傳遞的能力上,有多大的能耐?

圖 廷得耳用以實驗來評估,受測溫室氣體屏蔽熱輻射傳遞效能的儀器。

圖片來源:www.planetaryvision.blogspot.com/2014/04/why-tyndalls-experiment-does-not-prove.html(筆者有做些微的文字標註)

廷得耳用這個儀器,對取之於自然界未經純化地空氣、乾燥空氣、純氮氣、純氧氣、二氧化碳,以及二氧化碳與水蒸氣的混合氣體做測試,並且他還利用了在固定溫度與體積的條件下,裝樣品的容器內氣壓一樣,氣體分子數目就一樣的關係,將這6種氣體取皆為5 英吋汞柱高壓力的量做來做測試。進而發現:

乾燥空氣、純氮氣、純氧氣不具有降低熱輻射傳遞的能力。

自然界未經純化地空氣,具有微弱的降低熱輻射傳遞能力,它使檢流器出現1 度偏轉的電流訊號。

二氧化碳具有良好的降低熱輻射傳遞能力,它使檢流器出現12度偏轉的電流訊號。

二氧化碳與水蒸氣的混合氣體,具有良好的熱輻射吸收能力,它使檢流器出現18度偏轉的電流訊號。

廷得耳藉由上述的研究得到了一個結論:環境中存在的空氣、二氧化碳和水蒸氣,具有降低熱輻射傳遞的能力,其中二氧化碳和水蒸氣的降低熱輻射傳遞能力更是顯著;但是,純氮氣、純氧氣和幾乎只由前兩者所組成的乾燥空氣,並不具有這樣的能力。

這個研究結果也確實解開了,地球表面為何"晨不炎熱如煉獄、晚不寒冷如冥府"的謎團 - 其解答在於,地球表面的空氣中,確實含有能降低熱輻射傳遞的二氧化碳、水蒸氣與微量氣態物質!因此,地球表面才不會在太陽照射下氣溫超過攝氏百度,沒有太陽時也不會低至攝氏零下百度。

圖 二氧化碳和水蒸氣會降低太陽的熱輻射傳遞,並防止太陽照射入地球表面的熱輻射再逸散到太空中;但氧氣和氮氣卻沒有這方面的能力。

圖片來源:www.boilermakers.org/resources/news/climate_change/discovery_of_global_warming

科學家造成的影響

廷得耳在確認了空氣、二氧化碳和水蒸氣具有降低輻射光中熱輻射傳遞的能力以後,他隨後又對當時工業活動容易產生的碳氫化物、臭氧及氮氧化物等有濃厚氣味的氣體,進行降低光中熱輻射傳遞能力的測試,結果發現這些氣體也會屏蔽掉光中的熱輻射,光是氣壓為5 英吋(12.7cm)汞柱高的這三種氣體,就能夠使檢流器偏轉超過40度,這顯示了它們的降低熱輻射傳遞的能力,更勝自然界中本有的空氣、二氧化碳與水蒸氣。並且,也研究出這些氣體能降低熱輻射傳遞的原因,是因為這些氣體能有效地吸收掉熱輻射。

1861年開始廷得耳發表了一系列名為<深論氣體與蒸氣的熱吸收與熱輻射,以及對輻射、吸收和傳導的物理關係>(<On the Absorption and Radiation of Heat by Gases and Vapours, and on the Physical Connexion of Radiation, Absorption, and Conduction>)的文章,解釋了他何以年復一年、日復一日地發想並設計出,一套精密的儀器與實驗方式,來測試確認碳氫化物、臭氧、碳酸氣、二氧化碳及氮氧化物等氣體,具有強烈地降低光中熱輻射傳遞的能力。

而在1862年,廷得耳的另一篇文章<深論氣態物質的熱吸收與熱輻射>(<On the Absorption and Radiation of Heat by Gaseous Matter>)中,廷得耳證實了氣體降低熱輻射傳遞的原因,乃是因為氣體會吸收掉部分的熱輻射;也是在這篇論文的研究中,廷得耳在與他關係良好的電學領域研究前輩法拉第地協助下,進一步地將氣體降低熱輻射傳遞的實驗中,所測到的微電流數值,換算成能量單位,發現:

水氣吸收熱輻射的能力,為空氣的60倍。

工業活動產生的"臭氣"(odour,一般是由碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物與有機物混合產生的),其吸收熱輻射的能力為空氣的30~372倍。

因此,廷得耳認為長期發展工業的倫敦等城市,很有可能在未來因為溫度大量提升,而變成一座"熱島"(heat island);他隨後便將這個想法寫在1864年給小赫歇爾(Sir John Herschel)的信中,但小赫歇爾讀完後只是笑笑,認為「單單是工業排放的氣體就能夠改變整個大氣平均溫度」的這個推測實在是誇張了些"。

圖 廷得耳認為在工業都市內濃度逐漸增高的溫室氣體(藍色箭頭),會累積在城市內的環境中,使得熱輻射(黃色點)無法有效散出,而讓整個城市變成一座"熱島"(Heat Island)。

圖片來源:www.nap.edu/read/13328/chapter/5

不過在1896年瑞典化學家阿瑞尼士(Svante August Arrhenius),卻用極為專業的觀測與計算,驗證了整個地球將有可能,因為廷得耳所實驗確認會吸收熱輻射的氣體之存在,而有驚人的增溫現象出現 - 其原因在於,地球上的碳氧化物濃度正在以史無前例的高速增加著。阿瑞尼士的這項研究結果,可以說是史上第一次"有憑有據地"指出,全世界在工業的發展下將會快速暖化。

圖 自1870年開始,環境中的二氧化碳濃度年年增加的曲線圖。

圖片來源:<HISTORICAL PERSPECTIVES ON CLIMATE CHANGE> pp. 117

圖 自1858年開始,蘇格蘭愛丁堡市的年均溫年年增加的曲線圖。

圖片來源:<HISTORICAL PERSPECTIVES ON CLIMATE CHANGE> pp. 116

 1901年瑞士化學家埃克霍爾姆(‪Tommi Ekholm)首度以"溫室氣體"(greenhouse gases),稱呼這些會吸收熱輻射的氣體,這個名稱是用以形容這些氣體會吸收熱輻射並不輕易讓熱散失,使環境像溫室一樣能保持溫暖。另外,他也將阿瑞尼士所指出的"因為這些溫室氣體在地球上的含量增加,而使地球氣溫升高的現象",稱作"溫室效應"。

圖 在溫室氣體存在的影響下,由太陽熱輻射提供、進入地球大氣層內的熱能,不會是50%保存在地球上,卻又有50%逸散到太空的。會有很大一部分的太陽熱輻射,保存在地球內。

圖片來源:www.phys.org/news/2014-04-field-food-quality-carbon-dioxide.html

直至今日,因為強烈地溫室效應間接導致了氣候的變遷、海平面上升與生物的滅絕,甚至在太平洋上的小國 - 吐瓦魯(Tuvalu)已經面臨了國土被海水淹沒的危機,進而造成當地人不得不向紐西蘭等周邊國家求助,希望可以前往周邊國家避難、重建家園。因此,溫室效應已經是個日趨嚴重、不可忽視的問題,各國政府也逐漸投入大量的資源,來研究"如何減少溫室氣體?",並在1997年簽訂<<京都議定書>>(<<Kyoto Protocol>>),以限制各國排放量最多的溫室氣體 - 二氧化碳的排放量,來解決全球暖化的問題。

圖 即將被溫室效應造成的上漲海水淹沒的國家 - 吐瓦魯位置圖。(吐瓦魯位於小圖中的澳洲旁邊紅點位置;大圖為組成吐瓦魯國土的列島圖)

圖片來源:www.phys.org/news/2014-04-field-food-quality-carbon-dioxide.html