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臭氧
ozone
氧的同素異形體﹐分子式為O
。為天藍色刺激性氣體﹐液態呈暗藍色﹐固態呈藍黑色。1840年﹐德國化學家C.F.舍恩拜因在電解稀硫酸時發現一種特殊臭味的氣體﹐其分子量是原子氧的三倍﹐即O﹐並稱它為臭氧。
存在 臭氧以不同含量存在於大氣中﹕在農村的上空﹐靠近地球表面的濃度是0.02～0.03ppm﹔在城市﹐除了有煙霧的地方外﹐別處都較少。在離地面垂直高度 15～25公里處有臭氧層﹐臭氧濃度高達0.2ppm。臭氧是由大氣中氧的光化學作用產生的﹐但臭氧也能被某些化學物質﹐如氮的氧化物和氯的催化而分解﹐ 所以宇宙的變化和人類的活動﹐都有可能使臭氧減少。臭氧層能吸收太陽輻射中的大部分紫外線﹐從而保護了人類和其他生物﹐免受紫外線的傷害。
臭氧能刺激黏膜﹐對人和動物有害﹐在臭氧含量長期超過0.1ppm的空氣中生活是不安全的。
化學性質 臭氧是比氧更強的氧化劑。一般情況下﹐它的氧化作用可以在較低的溫度下進行。它能將硫氧化成三氧化硫﹐將銀氧化成氧化銀﹐將碘離子氧化為碘﹐後一反應進行得很完全﹐可用來定量測定臭氧。
製法 使氧氣或空氣通過臭氧發生器即可產生臭氧(見圖 無聲放電臭氧發生器
)。其他產生臭氧的方法有﹕電解低溫濃硫酸﹔用鉑絲在液氧中加熱﹔以紫外線作用於氧氣。
應用 臭氧可用作強漂白劑﹐其作用比過氧化氫﹑氯﹑二氧化硫都快﹐也可用於水的消毒﹐用後變成氧氣﹐不像用氯消毒後有殘留的氣味。臭氧還用於有機合成(如壬二酸和製藥工業中的某些中間體)。
臭氧(O3)
ozone
氧的三原子同素異形體(分子含有3個原子，而普通氧分子含兩個原子)。能使雷雨過後或電氣設備周圍的空氣帶有特殊的臭味。電機周圍的臭氧氣味早在1785年就有過報導。1872年確定了臭氧的化學組成。臭氧是有刺激性氣味的淡藍色氣體，甚至在低濃度下也易爆炸，而且有毒。地球大氣同溫層中天然存在的很少量臭氧，能吸收太陽紫外線輻射。否則，這種輻射會嚴重傷害地面上的有機體。通過在氧氣流或乾燥空氣流中放電，可製得臭氧。所得臭氧和原有氣體的混合物已能適合大部分的工業應用，當然，也可用各種辦法從中進一步製備較純臭氧。例如，液化時氧-臭氧混合物分離為上下兩層，下層中臭氧含量可達75％。由於濃縮臭氧極不穩定、反應性極強，因而它的製備過程是困難而危險的。臭氧的密度為氧的1.5倍。在-112℃(-170℉)時凝成深藍色液體。在-251.4℃(-420℉)時凍結。當溫度超過100℃(212℉)或在室溫下但有催化劑存在時，臭氧很快分解。臭氧雖在許多方面與氧相似，但其反應性比氧強得多，因此是一種極強的氧化劑，特別是在將烯烴轉化為醛、酮或羧酸的過程中尤其有用。臭氧能使許多物質脫色，在工業上用作有機化合物的漂白劑；在飲水消毒和除去水中令人討厭的氣味和味道時，臭氧又可用作一種強的殺菌劑。
地表上的臭氧，可以填補大氣中的臭氧洞嗎？
美國德州聖安東尼奧市的考克斯問：
地表上的臭氧，可以填補大氣中的臭氧洞嗎？
美國航太總署噴射推進實驗室的薩拉維區（Ross J. Salawitch）回答：
大氣中，臭氧（O3）濃度的高低是相對的，在大氣最底部的對流層，臭氧濃度太高會造成危險，而在對流層上方的平流層，臭氧濃度太低也會造成危險，此外，地表的臭氧也不足以補充我們所稱的臭氧洞。而且，臭氧濃度主要由局部的化學反應來調節，對流層與平流層之間的溫度差就像是一個屏障，會阻止臭氧跨越到另一層、產生大規模的混合。
平流層臭氧能夠阻隔陽光中的有害紫外線輻射，不過，對流層的臭氧濃度升高，可能導致人類的健康問題、造成農作與森林損失。
大氣中的自然過程會不斷製造、消耗臭氧，在平流層，陽光的紫外線將氧分子（O2）分解成兩個氧原子，分解後的氧原子會和氧分子再結合，形成臭氧。
有些工業污染物可以抵達平流層，例如氟氯碳化物（CFC），因為它們在對流層不會發生化學反應。在平流層中，氟氯碳化物被分解成小分子，像是氧化氯（ClO），氧化氯會消耗臭氧，把臭氧變回氧分子。
平流層的臭氧濃度通常是400杜柏生單位（Dobson Unit，簡稱DU，這是臭氧濃度的標準單位）。每年春天，南極極度寒冷的氣候足以導致化學反應，產生高濃度的ClO，摧毀臭氧。在南極臭氧洞，臭氧濃度可以低到85DU。
對流層的臭氧濃度通常在25DU左右，但隨著各地的情況不同，臭氧濃度還是會有大幅的變化。對流層中，陽光的紫外線濃度非常低，因此天然的臭氧製造效率很低，而化石燃燒、生質燃燒等人類活動，會使一氧化碳、碳氫化物、氮氧化物的濃度升高，這些氣體都會參與製造對流層臭氧的一連串反應。
蒙特婁公約已經禁止製造氟氯碳化物，未來50～100年內，平流層臭氧應該可以恢復原狀。人類正在努力研究排放量管制策略，把對流層臭氧控制在不致危害健康的濃度，這些嘗試因為全球工業化而面臨更多挑戰，而且影響對流層臭氧的污染物不只來自當地的排放源，位於上風處的其他國家、甚至其他大陸的排放源也會影響遠處的臭氧濃度。
人為排放的二氧化碳、甲烷等溫室氣體，就像一條厚厚的毯子包覆著地球。如果溫室氣體含量持續上升，能量不平衡而日漸暖化的地球，就像一顆令人憂心的定時炸彈……
全球暖化並非虛構，它的後果具有潛伏性的災難。不過若是展開實際的行動便可減緩、終至停止這個進程，同時也可讓我們擁有比較乾淨、健康的大氣層。
1976年一個夏日午後，我頓時明白「人為造成全球暖化」這個想法為何會產生爭議。我與內人和兒子在正午時分來到美國長島的瓊斯海灘，為了躲開燙人的沙子，我們待在一近水處。夕陽西下，一股涼爽的風從海上吹起白浪。兒子與我沿著泡沫連成的海岸線奔跑，看著翻騰的浪花，不禁因寒意而起了雞皮疙瘩。
同年夏天，我與拉席斯（Andy Lacis）及美國航太總署（NASA）哥達德太空中心的同事估算溫室氣體對氣候的影響。那時，眾所皆知，人為的溫室氣體正在大氣層累積，尤其是二氧化碳及氟氯碳化合物（CFC）。這些氣體是一種氣候營力（climate forcing），它們是加諸地球能量收支的一種擾動，並且會像毯子一樣吸收紅外輻射（熱輻射），這些輻射本該從地球表面及大氣層逸失到太空中。
我們的研究團隊計算，這些人為氣體以每平方公尺近兩瓦特的功率加熱地表。一顆裝飾聖誕樹用的小燈泡通常以熱的形式消耗掉約一瓦特的功率。所以，溫室氣體的暖化效應就像人類在地球表面每平方公尺都放了兩個這樣的小燈泡，日夜不熄。
這個結果引起的爭論，在於大自然的龐大力量與小燈泡之間的對比。當然，這些燈泡的微小熱能並不能招風引浪，也不能撫平我們的雞皮疙瘩，甚至在海面上，這些幾乎感覺不到的熱也應該很快就會散逸到深海裡，所以須經過許多年甚至幾個世紀，才可能造成地表暖化。
上述看似無誤卻有爭議的論調，現在大多已經透過地球氣候歷史的研究而有了答案。研究顯示，微小的力量若維持夠久，可以造成巨大的氣候改變。與歷史證據相符的還有，地球在最近幾十年已經開始暖化，其速率與氣候模型的預測相符，而這些氣候模型將人為溫室氣體在大氣中的累積也納入計算。暖化造成了一些顯著的衝擊，例如全球冰河後退、北極海冰變薄，還有春天來臨的時間比起我成長的1950年代要提早了一週左右。
但有許多問題仍未得到解答。接下來的數十年，氣候會改變多少？實際的後果會是什麼？我們該採取什麼行動？這些問題會引發激烈的論戰，因為它們與經濟資本息息相關。
要對全球暖化進行客觀分析，需要對下面三項議題有精確的認識：氣候系統對氣候營力的敏感度、人類介入的氣候營力，還有氣候發生反應所需的時間。這些議題都可透過全球氣候模型來研究，在電腦上進行數值的模擬。不過，至少到目前為止，我們對於氣候敏感度最精確的知識，來自地球歷史的實證數據。
歷史的教訓
過去數百萬年來，地球氣候在冰期與溫暖的間冰期之間反覆擺盪。南極冰原裡保存了長達40萬年的氣溫記錄。南極冰原，除了在海岸邊緣部份之外，即使在最溫暖的間冰期也沒有完全融化過。這個記錄指出，目前的間冰期（全新世）有1萬2000年的歷史，已經相當久了。
大自然以千年為尺度的氣候擺盪週期，與地球軌道的緩慢變化有關。地球軌道的運行受其他行星的重力所引導，主要是木星與土星（因為它們質量很大），以及金星（因為它距地球很近）。這個擾動對於太陽能入射地球的年平均值沒有什麼影響，但會改變入射的太陽能或日照的地理及季節分佈，影響程度約20%。長時間的日照改變，會影響冰原的形成與融解。
植物、土壤和海洋對於二氧化碳和甲烷的吸收與釋放，也受到日照與氣候變遷影響。對於地球暖化時海陸釋放二氧化碳和甲烷的機制，氣候學家仍在建立量化的認識，不過，古氣候資料已經是個現成的資訊金礦。冰期氣候的擺盪程度，已經讓我們對氣候敏感度的經驗性估計有所認識。
經年累月的降雪在堆積南極、格陵蘭冰原和許多山岳冰河時，封存其中的氣泡可以讓我們確知冰期的大氣組成。另外，冰期時的冰原、植被與海岸線的地理分佈也已經繪測完成。根據這些資料，我們知道從冰期到今天，氣候營力的改變約為每平方公尺6.5瓦特。這樣的氣候營力使得全球溫度改變5℃，這意味每一瓦特作用在每平方公尺的氣候敏感度為0.75±0.25℃。氣候模型也得到相似的結論。不過實證資料較為清晰且可信，因為它包含真實世界所有的運作過程，而有些過程我們還沒有能力納入模型裡運算。
古氣候資料更讓我們認識到，地球軌道的變化促使氣候改變，而過程是透過改變大氣與地表性質，再進一步影響地球的能量平衡。但目前，這些大氣與地表性質受人類影響的程度，比地球軌道變化的程度還大。
今日的氣候營力作用
近幾個世紀以來，氣候營力最大的改變來自人為的溫室氣體。大氣中的溫室氣體吸收熱輻射、阻止其散逸到太空中，結果使「毯子」變得更厚，更多的熱回到地表，而非散到太空中。於是，地球輻射到太空中的能量比從太陽吸收的要少，這種暫時性的地球能量失衡，導致地球逐步增溫。
由於海洋的熱容量很高，地球要到達新的平衡，約需經過一個世紀的時間，地球從太陽吸收的能量與輻射到太空的能量才會再度相等。當然，新的平衡溫度會比較高。但是目前，在到達新的平衡之前，可能還會有更多氣候營力加上來。
人為的溫室氣體中，最重要的一項是二氧化碳，它主要來自化石燃料（煤、石油與天然氣）的燃燒。而其他人為溫室氣體加起來的效應也頗為可觀，這些氣體，尤其是對流層臭氧與其前驅物，包括甲烷，都是煙霧的主要成份，有害人體健康與農作產量。
氣溶膠（空氣中的微小粒子）是另一種主要的人為氣候營力，它們的影響比較複雜。某些「白色」氣溶膠，如化石燃料中的硫所產生的硫酸鹽，反射度很高，可減少進入地球的太陽熱能；然而，化石燃料、生物燃料與戶外生質燃燒不完全所產生的黑碳（煤灰），則會吸收陽光，並因此使大氣層加溫。氣溶膠所支配的氣候營力至少有50%的不確定性，一部份是因為氣溶膠的總量不易測量，另一部份是因為它們的性質複雜。
氣溶膠也會藉由改變雲的性質而造成間接的氣候營力；其導致的較亮、維持較久的雲，會減少地球吸收的陽光量，所以這時氣溶膠可間接產生相反的降溫效應。
其他人為的氣候營力還包括把森林變為農地。即使地面覆雪，森林還是深色的，所以森林的消失會減弱太陽的加熱作用。
自然的氣候營力如火山噴發與太陽亮度的變動，在1000年的時間尺度上恐怕沒有什麼變化。不過證據顯示，過去150年間，太陽亮度小幅提升，造成的氣候營力每平方公尺不到0.1瓦特。
從1850年來，氣候營力的淨值每平方公尺增加了1.6±1.0瓦特。儘管不確定性高，但有證據顯示此估計值大致上是正確的。證據之一是，過去數十年間，根據這些氣候營力設計的氣候模型所得結果，與全球溫度的觀察結果十分接近。更重要的是，觀察過去50年間全球海洋吸收的熱，與氣候營力的淨估計值也是一致的。
長期的增溫
自從1800年代晚期，大量使用溫度測量工具以來，全球表面的平均溫度已經上升約0.75℃，絕大部份的增溫在1950年代之後才發生，增加的溫度約為0.5℃。要研究造成增溫的原因，最好從過去50年間著手，因為從那時起，大部份的氣候營力都已經受到觀察，尤其自1970年代以來，也開始運用衛星測量太陽、平流層氣溶膠與臭氧。再者，人為增加的溫室氣體，70%在1950年之後才發生。
在這些觀察中，最重要的測量數值是地球能量的不平衡量（見第67頁〈地球能量的不平衡〉）。這項不平衡量長時間累積的結果是導致海水增溫。我們的結論是，目前地球因某種因素，每平方公尺產生0.5~1瓦特的失衡。也就是說，地球吸收的太陽輻射量，比散失到太空中的熱能要大得多。即使大氣組成不再繼續變化，地表溫度還會再升高0.4~0.7℃。
大部份的能量不平衡是以熱能的形式進入海洋。美國國家海洋暨大氣總署的李維特斯（Sydney Levitus）分析過去50年來海洋溫度的變化，發現全球海洋的熱含量每平方公尺上升了10瓦特。他也發現，近年來海洋熱儲存的速度，與我們估計每平方公尺0.5~1瓦特的不平衡量相符。要讓海平面上升一公尺所需的融冰熱能，全球平均要12瓦特，只要每平方公尺有一瓦特的不平衡量、累積12年，便可達成。
模擬的溫度變化與海洋熱儲存，都與實際觀察數據相符，已經可確定的是：全球氣候變遷受到自然與人為氣候營力的驅動。目前的海洋熱儲存速率是一個關鍵的全球度量，它不僅決定即將發生的暖化程度，也相當於維持地球氣候穩定所需減少的氣候營力。
危險的人為干擾
1989年，聯合國氣候變化綱要公約在里約熱內盧決定其目標，要穩定大氣組成，以「阻止危險的人為干擾威脅氣候系統」，並且要在不危害全球經濟的方式下達成目標。因此，要界定多大程度的暖化才構成「危險的人為干擾」，就成為十分關鍵而又困難的問題。
聯合國成立了「政府間氣候變遷研究小組」（IPCC），其責任包括全球暖化的分析。IPCC定義了「氣候營力假想情況」，用以模擬21世紀的氣候，並估計溫度與降水的改變對農業、自然生態系、野生動植物與其他事物的衝擊。IPCC估計，如果全球暖化達到好幾℃時，未來100年，海平面會上升數十公分。他們的估計主要是根據海水的熱膨脹來估算海平面的改變，而非根據冰原體積的改變。
這些溫和的氣候效應，即使加上溫室氣體急遽增加，也給人「危險的人為干擾還很遙遠」的印象。然而，我後面將會探討，我們比一般認知的還接近危險，因此應該要著重在減緩改變，而非只是適應改變。
我認為，全球暖化的主要議題，是海平面的上升，以及冰原會崩裂得多快的問題。世界上有一大部份的人口居住於海平面數公尺之內的地方，這些地區還建有價值不菲的基礎建設。為了保護全球海岸地區，我們需將造成「危險的人為干擾」的暖化程度控制在一定範圍內。
地球歷史與當前人為的地球能量不平衡，共同描繪出一幅海平面上升、令人不安的遠景。南極溫度記錄的資料顯示，過去50年來的暖化已經把地球溫度帶到目前間冰期（全新世）的高峰；而暖化還會繼續把我們帶往上一個間冰期（艾姆間冰期，距今約10萬年）最高溫度的路途上。艾姆間冰期的氣溫比全新世間冰期還高，推算當時的海平面高度，比現在高出5~6公尺。今後的氣候營力每平方公尺只要增加一瓦特，就會使全球氣溫達到艾姆間冰期的最高水準。
但主要的問題是：冰原反應全球暖化的速度有多快？IPCC預估，未來100年冰原僅有少量的變化；然而，IPCC的估算只包括降雪、蒸發與融化的漸進效應。在真實世界，冰原的崩裂受到高度的非線性進程與回饋的驅動。從上個冰期以來，冰川消退的高峰值為每年持續融化1萬4000立方公里，約相當於海平面每20年上升一公尺，而且維持了幾個世紀。這段融化最快的時期正是暖化最快的時期，也與測量的結果相符。
在已經很暖的地球加上現在不尋常的全球暖化速率，我們可以預期，在格陵蘭與南極的邊緣，夏季融冰與降雨的地區會大幅擴張。海平面的上升會把海上原本支撐岸冰的冰棚舉起，將它們從支撐點斷開。冰棚一旦斷裂，會讓岸冰加速往海洋移動。雖然冰河的形成很慢，但是一旦冰原開始瓦解，冰河的死期就不遠了。
人類引發的地球能量失衡，提供了足以冰融的能量。此外，冰原被黑碳氣溶膠染黑而增加陽光吸收量，以及融化的冰原由於顏色變深而造成溫度上升的正回饋，都增大了地球能量的不平衡。
上述種種並不表示我們得預期未來幾年內就會看到海平面上升。造成冰原快速破裂的先決條件可能需要長時間醞釀，也許長達許多世紀。（NASA不久前發射的「冰、雲層、陸地高程衛星」，可能可以偵測到冰原加速破裂的早期徵兆。）不過我懷疑，如果能量失衡的程度持續增加，海平面可能很快就會開始顯著上升。很明顯的，全球暖化若高於某種限度，後代子孫將必然面對大幅度的海平面變化。一旦冰原開始大範圍破裂，就很難停止。築堤也許能保護某些地區，如曼哈坦或荷蘭，但世界上大部份的海岸地區將會被淹沒。
我認為，「危險人為干擾」的全球暖化認定標準，最好根據全球溫度及地球輻射的不平衡來設定，底限是不要讓冰川消退量達到失控的程度。根據古氣候資料，我建議全球暖化的增加上限不可多於1℃。這表示增加的氣候營力每平方公尺不能大於一瓦特。
氣候營力假想情況
IPCC根據人口成長、經濟發展與能源的相關「情節」，為21世紀制定許多氣候營力假想情況。它估計未來50年所增加的氣候營力，來自二氧化碳的有每平方公尺1~3瓦特，來自其他氣體與氣溶膠的有2~4瓦特。但根據我們的標準，即使是IPCC最樂觀的氣候營力增加情況，也會使氣候系統遭受「危險的人為干擾」。
IPCC的假想情況也許過度悲觀，但首先，他們將排放量的改變忽略不計，因為有些排放量已經顧慮到全球暖化而在減少中。其次，他們假定實際上的空氣污染會持續惡化，到2050年，臭氧、甲烷與黑碳都會比2000年更多。第三，他們忽視了科技的進步，可能可以在未來50年內減少排放量。
另一個制定假想情況的方法，是檢驗目前氣候營力作用成長的趨勢，研究它們為何有此趨勢，並試著了解合理的行動是否能改變其作用的成長率。
1980年代早期是溫室氣體的成長顛峰，造成的氣候營力每10年每平方公尺成長0.5瓦特。但到了1990年代，便降到每10年每平方公尺0.3瓦特；主要原因是氟氯碳化合物釋放量的降低，由於它們對平流層臭氧的影響，相關產品被分階段禁用。
由於氟氯碳化合物已經減少，二氧化碳和甲烷就成為兩種最主要的溫室氣體。二次世界大戰後，二氧化碳的成長率急遽上升，在1970年代中期到1990年代中期變得平緩，近年來又稍微上升，到現在的成長率約每年2ppm（每公升含2毫克）。而甲烷的成長率在過去20年大幅降低了至少2/3。
這些變化與全球的化石燃料使用有關。從二次大戰結束到1975年，化石燃料排放的氣體每年增加超過4%，但接下來每年只增加約1%；原因在於1970年代石油禁運與油價上漲，以及隨後對能源效率的強調。甲烷排放量的成長也受其他因素影響，包括稻米耕作方式的改變，以及在垃圾掩埋場和採礦作業時捕集甲烷。
如果目前的溫室氣體成長率持續下去，未來50年增加的氣候營力大約會是每平方公尺1.5瓦特。除此之外，還需加上其他氣候營力造成的改變，如大氣層中的臭氧與氣溶膠。這些氣候營力並沒有全球性的適當監測，已知在某些國家增加、某些國家減少，淨效應應該不大，可能為每平方公尺增加0.5瓦特。因此，如果排放量的成長率沒有減緩，未來50年內人為氣候營力可能以每年每平方公尺兩瓦特的幅度增加。
這些氣候營力成長率的「當前趨勢」落在IPCC每平方公尺2~4瓦特的底限。IPCC每平方公尺4瓦特的假想情況，需要二氧化碳排放量每年呈4%指數成長50年，加上大幅成長的空氣污染，但這些情況並不合理。
儘管如此，以「當前趨勢」所制定的假想情況依然比我建議的每年每平方公尺一瓦特之「危險的人為干擾」程度還要高。這就引發另一個問題：有沒有可行的做法，能把氣候營力降得更低？
ozone
氧的同素異形體﹐分子式為O
。為天藍色刺激性氣體﹐液態呈暗藍色﹐固態呈藍黑色。1840年﹐德國化學家C.F.舍恩拜因在電解稀硫酸時發現一種特殊臭味的氣體﹐其分子量是原子氧的三倍﹐即O﹐並稱它為臭氧。
存在 臭氧以不同含量存在於大氣中﹕在農村的上空﹐靠近地球表面的濃度是0.02～0.03ppm﹔在城市﹐除了有煙霧的地方外﹐別處都較少。在離地面垂直高度 15～25公里處有臭氧層﹐臭氧濃度高達0.2ppm。臭氧是由大氣中氧的光化學作用產生的﹐但臭氧也能被某些化學物質﹐如氮的氧化物和氯的催化而分解﹐ 所以宇宙的變化和人類的活動﹐都有可能使臭氧減少。臭氧層能吸收太陽輻射中的大部分紫外線﹐從而保護了人類和其他生物﹐免受紫外線的傷害。
臭氧能刺激黏膜﹐對人和動物有害﹐在臭氧含量長期超過0.1ppm的空氣中生活是不安全的。
化學性質 臭氧是比氧更強的氧化劑。一般情況下﹐它的氧化作用可以在較低的溫度下進行。它能將硫氧化成三氧化硫﹐將銀氧化成氧化銀﹐將碘離子氧化為碘﹐後一反應進行得很完全﹐可用來定量測定臭氧。
製法 使氧氣或空氣通過臭氧發生器即可產生臭氧(見圖 無聲放電臭氧發生器
)。其他產生臭氧的方法有﹕電解低溫濃硫酸﹔用鉑絲在液氧中加熱﹔以紫外線作用於氧氣。
應用 臭氧可用作強漂白劑﹐其作用比過氧化氫﹑氯﹑二氧化硫都快﹐也可用於水的消毒﹐用後變成氧氣﹐不像用氯消毒後有殘留的氣味。臭氧還用於有機合成(如壬二酸和製藥工業中的某些中間體)。
臭氧(O3)
ozone
氧的三原子同素異形體(分子含有3個原子，而普通氧分子含兩個原子)。能使雷雨過後或電氣設備周圍的空氣帶有特殊的臭味。電機周圍的臭氧氣味早在1785年就有過報導。1872年確定了臭氧的化學組成。臭氧是有刺激性氣味的淡藍色氣體，甚至在低濃度下也易爆炸，而且有毒。地球大氣同溫層中天然存在的很少量臭氧，能吸收太陽紫外線輻射。否則，這種輻射會嚴重傷害地面上的有機體。通過在氧氣流或乾燥空氣流中放電，可製得臭氧。所得臭氧和原有氣體的混合物已能適合大部分的工業應用，當然，也可用各種辦法從中進一步製備較純臭氧。例如，液化時氧-臭氧混合物分離為上下兩層，下層中臭氧含量可達75％。由於濃縮臭氧極不穩定、反應性極強，因而它的製備過程是困難而危險的。臭氧的密度為氧的1.5倍。在-112℃(-170℉)時凝成深藍色液體。在-251.4℃(-420℉)時凍結。當溫度超過100℃(212℉)或在室溫下但有催化劑存在時，臭氧很快分解。臭氧雖在許多方面與氧相似，但其反應性比氧強得多，因此是一種極強的氧化劑，特別是在將烯烴轉化為醛、酮或羧酸的過程中尤其有用。臭氧能使許多物質脫色，在工業上用作有機化合物的漂白劑；在飲水消毒和除去水中令人討厭的氣味和味道時，臭氧又可用作一種強的殺菌劑。
地表上的臭氧，可以填補大氣中的臭氧洞嗎？
美國德州聖安東尼奧市的考克斯問：
地表上的臭氧，可以填補大氣中的臭氧洞嗎？
美國航太總署噴射推進實驗室的薩拉維區（Ross J. Salawitch）回答：
大氣中，臭氧（O3）濃度的高低是相對的，在大氣最底部的對流層，臭氧濃度太高會造成危險，而在對流層上方的平流層，臭氧濃度太低也會造成危險，此外，地表的臭氧也不足以補充我們所稱的臭氧洞。而且，臭氧濃度主要由局部的化學反應來調節，對流層與平流層之間的溫度差就像是一個屏障，會阻止臭氧跨越到另一層、產生大規模的混合。
平流層臭氧能夠阻隔陽光中的有害紫外線輻射，不過，對流層的臭氧濃度升高，可能導致人類的健康問題、造成農作與森林損失。
大氣中的自然過程會不斷製造、消耗臭氧，在平流層，陽光的紫外線將氧分子（O2）分解成兩個氧原子，分解後的氧原子會和氧分子再結合，形成臭氧。
有些工業污染物可以抵達平流層，例如氟氯碳化物（CFC），因為它們在對流層不會發生化學反應。在平流層中，氟氯碳化物被分解成小分子，像是氧化氯（ClO），氧化氯會消耗臭氧，把臭氧變回氧分子。
平流層的臭氧濃度通常是400杜柏生單位（Dobson Unit，簡稱DU，這是臭氧濃度的標準單位）。每年春天，南極極度寒冷的氣候足以導致化學反應，產生高濃度的ClO，摧毀臭氧。在南極臭氧洞，臭氧濃度可以低到85DU。
對流層的臭氧濃度通常在25DU左右，但隨著各地的情況不同，臭氧濃度還是會有大幅的變化。對流層中，陽光的紫外線濃度非常低，因此天然的臭氧製造效率很低，而化石燃燒、生質燃燒等人類活動，會使一氧化碳、碳氫化物、氮氧化物的濃度升高，這些氣體都會參與製造對流層臭氧的一連串反應。
蒙特婁公約已經禁止製造氟氯碳化物，未來50～100年內，平流層臭氧應該可以恢復原狀。人類正在努力研究排放量管制策略，把對流層臭氧控制在不致危害健康的濃度，這些嘗試因為全球工業化而面臨更多挑戰，而且影響對流層臭氧的污染物不只來自當地的排放源，位於上風處的其他國家、甚至其他大陸的排放源也會影響遠處的臭氧濃度。
人為排放的二氧化碳、甲烷等溫室氣體，就像一條厚厚的毯子包覆著地球。如果溫室氣體含量持續上升，能量不平衡而日漸暖化的地球，就像一顆令人憂心的定時炸彈……
全球暖化並非虛構，它的後果具有潛伏性的災難。不過若是展開實際的行動便可減緩、終至停止這個進程，同時也可讓我們擁有比較乾淨、健康的大氣層。
1976年一個夏日午後，我頓時明白「人為造成全球暖化」這個想法為何會產生爭議。我與內人和兒子在正午時分來到美國長島的瓊斯海灘，為了躲開燙人的沙子，我們待在一近水處。夕陽西下，一股涼爽的風從海上吹起白浪。兒子與我沿著泡沫連成的海岸線奔跑，看著翻騰的浪花，不禁因寒意而起了雞皮疙瘩。
同年夏天，我與拉席斯（Andy Lacis）及美國航太總署（NASA）哥達德太空中心的同事估算溫室氣體對氣候的影響。那時，眾所皆知，人為的溫室氣體正在大氣層累積，尤其是二氧化碳及氟氯碳化合物（CFC）。這些氣體是一種氣候營力（climate forcing），它們是加諸地球能量收支的一種擾動，並且會像毯子一樣吸收紅外輻射（熱輻射），這些輻射本該從地球表面及大氣層逸失到太空中。
我們的研究團隊計算，這些人為氣體以每平方公尺近兩瓦特的功率加熱地表。一顆裝飾聖誕樹用的小燈泡通常以熱的形式消耗掉約一瓦特的功率。所以，溫室氣體的暖化效應就像人類在地球表面每平方公尺都放了兩個這樣的小燈泡，日夜不熄。
這個結果引起的爭論，在於大自然的龐大力量與小燈泡之間的對比。當然，這些燈泡的微小熱能並不能招風引浪，也不能撫平我們的雞皮疙瘩，甚至在海面上，這些幾乎感覺不到的熱也應該很快就會散逸到深海裡，所以須經過許多年甚至幾個世紀，才可能造成地表暖化。
上述看似無誤卻有爭議的論調，現在大多已經透過地球氣候歷史的研究而有了答案。研究顯示，微小的力量若維持夠久，可以造成巨大的氣候改變。與歷史證據相符的還有，地球在最近幾十年已經開始暖化，其速率與氣候模型的預測相符，而這些氣候模型將人為溫室氣體在大氣中的累積也納入計算。暖化造成了一些顯著的衝擊，例如全球冰河後退、北極海冰變薄，還有春天來臨的時間比起我成長的1950年代要提早了一週左右。
但有許多問題仍未得到解答。接下來的數十年，氣候會改變多少？實際的後果會是什麼？我們該採取什麼行動？這些問題會引發激烈的論戰，因為它們與經濟資本息息相關。
要對全球暖化進行客觀分析，需要對下面三項議題有精確的認識：氣候系統對氣候營力的敏感度、人類介入的氣候營力，還有氣候發生反應所需的時間。這些議題都可透過全球氣候模型來研究，在電腦上進行數值的模擬。不過，至少到目前為止，我們對於氣候敏感度最精確的知識，來自地球歷史的實證數據。
歷史的教訓
過去數百萬年來，地球氣候在冰期與溫暖的間冰期之間反覆擺盪。南極冰原裡保存了長達40萬年的氣溫記錄。南極冰原，除了在海岸邊緣部份之外，即使在最溫暖的間冰期也沒有完全融化過。這個記錄指出，目前的間冰期（全新世）有1萬2000年的歷史，已經相當久了。
大自然以千年為尺度的氣候擺盪週期，與地球軌道的緩慢變化有關。地球軌道的運行受其他行星的重力所引導，主要是木星與土星（因為它們質量很大），以及金星（因為它距地球很近）。這個擾動對於太陽能入射地球的年平均值沒有什麼影響，但會改變入射的太陽能或日照的地理及季節分佈，影響程度約20%。長時間的日照改變，會影響冰原的形成與融解。
植物、土壤和海洋對於二氧化碳和甲烷的吸收與釋放，也受到日照與氣候變遷影響。對於地球暖化時海陸釋放二氧化碳和甲烷的機制，氣候學家仍在建立量化的認識，不過，古氣候資料已經是個現成的資訊金礦。冰期氣候的擺盪程度，已經讓我們對氣候敏感度的經驗性估計有所認識。
經年累月的降雪在堆積南極、格陵蘭冰原和許多山岳冰河時，封存其中的氣泡可以讓我們確知冰期的大氣組成。另外，冰期時的冰原、植被與海岸線的地理分佈也已經繪測完成。根據這些資料，我們知道從冰期到今天，氣候營力的改變約為每平方公尺6.5瓦特。這樣的氣候營力使得全球溫度改變5℃，這意味每一瓦特作用在每平方公尺的氣候敏感度為0.75±0.25℃。氣候模型也得到相似的結論。不過實證資料較為清晰且可信，因為它包含真實世界所有的運作過程，而有些過程我們還沒有能力納入模型裡運算。
古氣候資料更讓我們認識到，地球軌道的變化促使氣候改變，而過程是透過改變大氣與地表性質，再進一步影響地球的能量平衡。但目前，這些大氣與地表性質受人類影響的程度，比地球軌道變化的程度還大。
今日的氣候營力作用
近幾個世紀以來，氣候營力最大的改變來自人為的溫室氣體。大氣中的溫室氣體吸收熱輻射、阻止其散逸到太空中，結果使「毯子」變得更厚，更多的熱回到地表，而非散到太空中。於是，地球輻射到太空中的能量比從太陽吸收的要少，這種暫時性的地球能量失衡，導致地球逐步增溫。
由於海洋的熱容量很高，地球要到達新的平衡，約需經過一個世紀的時間，地球從太陽吸收的能量與輻射到太空的能量才會再度相等。當然，新的平衡溫度會比較高。但是目前，在到達新的平衡之前，可能還會有更多氣候營力加上來。
人為的溫室氣體中，最重要的一項是二氧化碳，它主要來自化石燃料（煤、石油與天然氣）的燃燒。而其他人為溫室氣體加起來的效應也頗為可觀，這些氣體，尤其是對流層臭氧與其前驅物，包括甲烷，都是煙霧的主要成份，有害人體健康與農作產量。
氣溶膠（空氣中的微小粒子）是另一種主要的人為氣候營力，它們的影響比較複雜。某些「白色」氣溶膠，如化石燃料中的硫所產生的硫酸鹽，反射度很高，可減少進入地球的太陽熱能；然而，化石燃料、生物燃料與戶外生質燃燒不完全所產生的黑碳（煤灰），則會吸收陽光，並因此使大氣層加溫。氣溶膠所支配的氣候營力至少有50%的不確定性，一部份是因為氣溶膠的總量不易測量，另一部份是因為它們的性質複雜。
氣溶膠也會藉由改變雲的性質而造成間接的氣候營力；其導致的較亮、維持較久的雲，會減少地球吸收的陽光量，所以這時氣溶膠可間接產生相反的降溫效應。
其他人為的氣候營力還包括把森林變為農地。即使地面覆雪，森林還是深色的，所以森林的消失會減弱太陽的加熱作用。
自然的氣候營力如火山噴發與太陽亮度的變動，在1000年的時間尺度上恐怕沒有什麼變化。不過證據顯示，過去150年間，太陽亮度小幅提升，造成的氣候營力每平方公尺不到0.1瓦特。
從1850年來，氣候營力的淨值每平方公尺增加了1.6±1.0瓦特。儘管不確定性高，但有證據顯示此估計值大致上是正確的。證據之一是，過去數十年間，根據這些氣候營力設計的氣候模型所得結果，與全球溫度的觀察結果十分接近。更重要的是，觀察過去50年間全球海洋吸收的熱，與氣候營力的淨估計值也是一致的。
長期的增溫
自從1800年代晚期，大量使用溫度測量工具以來，全球表面的平均溫度已經上升約0.75℃，絕大部份的增溫在1950年代之後才發生，增加的溫度約為0.5℃。要研究造成增溫的原因，最好從過去50年間著手，因為從那時起，大部份的氣候營力都已經受到觀察，尤其自1970年代以來，也開始運用衛星測量太陽、平流層氣溶膠與臭氧。再者，人為增加的溫室氣體，70%在1950年之後才發生。
在這些觀察中，最重要的測量數值是地球能量的不平衡量（見第67頁〈地球能量的不平衡〉）。這項不平衡量長時間累積的結果是導致海水增溫。我們的結論是，目前地球因某種因素，每平方公尺產生0.5~1瓦特的失衡。也就是說，地球吸收的太陽輻射量，比散失到太空中的熱能要大得多。即使大氣組成不再繼續變化，地表溫度還會再升高0.4~0.7℃。
大部份的能量不平衡是以熱能的形式進入海洋。美國國家海洋暨大氣總署的李維特斯（Sydney Levitus）分析過去50年來海洋溫度的變化，發現全球海洋的熱含量每平方公尺上升了10瓦特。他也發現，近年來海洋熱儲存的速度，與我們估計每平方公尺0.5~1瓦特的不平衡量相符。要讓海平面上升一公尺所需的融冰熱能，全球平均要12瓦特，只要每平方公尺有一瓦特的不平衡量、累積12年，便可達成。
模擬的溫度變化與海洋熱儲存，都與實際觀察數據相符，已經可確定的是：全球氣候變遷受到自然與人為氣候營力的驅動。目前的海洋熱儲存速率是一個關鍵的全球度量，它不僅決定即將發生的暖化程度，也相當於維持地球氣候穩定所需減少的氣候營力。
危險的人為干擾
1989年，聯合國氣候變化綱要公約在里約熱內盧決定其目標，要穩定大氣組成，以「阻止危險的人為干擾威脅氣候系統」，並且要在不危害全球經濟的方式下達成目標。因此，要界定多大程度的暖化才構成「危險的人為干擾」，就成為十分關鍵而又困難的問題。
聯合國成立了「政府間氣候變遷研究小組」（IPCC），其責任包括全球暖化的分析。IPCC定義了「氣候營力假想情況」，用以模擬21世紀的氣候，並估計溫度與降水的改變對農業、自然生態系、野生動植物與其他事物的衝擊。IPCC估計，如果全球暖化達到好幾℃時，未來100年，海平面會上升數十公分。他們的估計主要是根據海水的熱膨脹來估算海平面的改變，而非根據冰原體積的改變。
這些溫和的氣候效應，即使加上溫室氣體急遽增加，也給人「危險的人為干擾還很遙遠」的印象。然而，我後面將會探討，我們比一般認知的還接近危險，因此應該要著重在減緩改變，而非只是適應改變。
我認為，全球暖化的主要議題，是海平面的上升，以及冰原會崩裂得多快的問題。世界上有一大部份的人口居住於海平面數公尺之內的地方，這些地區還建有價值不菲的基礎建設。為了保護全球海岸地區，我們需將造成「危險的人為干擾」的暖化程度控制在一定範圍內。
地球歷史與當前人為的地球能量不平衡，共同描繪出一幅海平面上升、令人不安的遠景。南極溫度記錄的資料顯示，過去50年來的暖化已經把地球溫度帶到目前間冰期（全新世）的高峰；而暖化還會繼續把我們帶往上一個間冰期（艾姆間冰期，距今約10萬年）最高溫度的路途上。艾姆間冰期的氣溫比全新世間冰期還高，推算當時的海平面高度，比現在高出5~6公尺。今後的氣候營力每平方公尺只要增加一瓦特，就會使全球氣溫達到艾姆間冰期的最高水準。
但主要的問題是：冰原反應全球暖化的速度有多快？IPCC預估，未來100年冰原僅有少量的變化；然而，IPCC的估算只包括降雪、蒸發與融化的漸進效應。在真實世界，冰原的崩裂受到高度的非線性進程與回饋的驅動。從上個冰期以來，冰川消退的高峰值為每年持續融化1萬4000立方公里，約相當於海平面每20年上升一公尺，而且維持了幾個世紀。這段融化最快的時期正是暖化最快的時期，也與測量的結果相符。
在已經很暖的地球加上現在不尋常的全球暖化速率，我們可以預期，在格陵蘭與南極的邊緣，夏季融冰與降雨的地區會大幅擴張。海平面的上升會把海上原本支撐岸冰的冰棚舉起，將它們從支撐點斷開。冰棚一旦斷裂，會讓岸冰加速往海洋移動。雖然冰河的形成很慢，但是一旦冰原開始瓦解，冰河的死期就不遠了。
人類引發的地球能量失衡，提供了足以冰融的能量。此外，冰原被黑碳氣溶膠染黑而增加陽光吸收量，以及融化的冰原由於顏色變深而造成溫度上升的正回饋，都增大了地球能量的不平衡。
上述種種並不表示我們得預期未來幾年內就會看到海平面上升。造成冰原快速破裂的先決條件可能需要長時間醞釀，也許長達許多世紀。（NASA不久前發射的「冰、雲層、陸地高程衛星」，可能可以偵測到冰原加速破裂的早期徵兆。）不過我懷疑，如果能量失衡的程度持續增加，海平面可能很快就會開始顯著上升。很明顯的，全球暖化若高於某種限度，後代子孫將必然面對大幅度的海平面變化。一旦冰原開始大範圍破裂，就很難停止。築堤也許能保護某些地區，如曼哈坦或荷蘭，但世界上大部份的海岸地區將會被淹沒。
我認為，「危險人為干擾」的全球暖化認定標準，最好根據全球溫度及地球輻射的不平衡來設定，底限是不要讓冰川消退量達到失控的程度。根據古氣候資料，我建議全球暖化的增加上限不可多於1℃。這表示增加的氣候營力每平方公尺不能大於一瓦特。
氣候營力假想情況
IPCC根據人口成長、經濟發展與能源的相關「情節」，為21世紀制定許多氣候營力假想情況。它估計未來50年所增加的氣候營力，來自二氧化碳的有每平方公尺1~3瓦特，來自其他氣體與氣溶膠的有2~4瓦特。但根據我們的標準，即使是IPCC最樂觀的氣候營力增加情況，也會使氣候系統遭受「危險的人為干擾」。
IPCC的假想情況也許過度悲觀，但首先，他們將排放量的改變忽略不計，因為有些排放量已經顧慮到全球暖化而在減少中。其次，他們假定實際上的空氣污染會持續惡化，到2050年，臭氧、甲烷與黑碳都會比2000年更多。第三，他們忽視了科技的進步，可能可以在未來50年內減少排放量。
另一個制定假想情況的方法，是檢驗目前氣候營力作用成長的趨勢，研究它們為何有此趨勢，並試著了解合理的行動是否能改變其作用的成長率。
1980年代早期是溫室氣體的成長顛峰，造成的氣候營力每10年每平方公尺成長0.5瓦特。但到了1990年代，便降到每10年每平方公尺0.3瓦特；主要原因是氟氯碳化合物釋放量的降低，由於它們對平流層臭氧的影響，相關產品被分階段禁用。
由於氟氯碳化合物已經減少，二氧化碳和甲烷就成為兩種最主要的溫室氣體。二次世界大戰後，二氧化碳的成長率急遽上升，在1970年代中期到1990年代中期變得平緩，近年來又稍微上升，到現在的成長率約每年2ppm（每公升含2毫克）。而甲烷的成長率在過去20年大幅降低了至少2/3。
這些變化與全球的化石燃料使用有關。從二次大戰結束到1975年，化石燃料排放的氣體每年增加超過4%，但接下來每年只增加約1%；原因在於1970年代石油禁運與油價上漲，以及隨後對能源效率的強調。甲烷排放量的成長也受其他因素影響，包括稻米耕作方式的改變，以及在垃圾掩埋場和採礦作業時捕集甲烷。
如果目前的溫室氣體成長率持續下去，未來50年增加的氣候營力大約會是每平方公尺1.5瓦特。除此之外，還需加上其他氣候營力造成的改變，如大氣層中的臭氧與氣溶膠。這些氣候營力並沒有全球性的適當監測，已知在某些國家增加、某些國家減少，淨效應應該不大，可能為每平方公尺增加0.5瓦特。因此，如果排放量的成長率沒有減緩，未來50年內人為氣候營力可能以每年每平方公尺兩瓦特的幅度增加。
這些氣候營力成長率的「當前趨勢」落在IPCC每平方公尺2~4瓦特的底限。IPCC每平方公尺4瓦特的假想情況，需要二氧化碳排放量每年呈4%指數成長50年，加上大幅成長的空氣污染，但這些情況並不合理。
儘管如此，以「當前趨勢」所制定的假想情況依然比我建議的每年每平方公尺一瓦特之「危險的人為干擾」程度還要高。這就引發另一個問題：有沒有可行的做法，能把氣候營力降得更低？
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