「地球系統科學」

「地球系統科學」：

「地球系統」概念的實踐

洪逸文

1

許瑛玿

2* 1_{臺北市立陽明高級中學} 2_{國立臺灣師範大學 地球科學系}

摘

要

聖 嬰 現 象 、臭 氧 洞 與 氣 候 變 遷 的 接 連出 現 ， 不 僅 是 地 球 面 臨 的危 機 ， 同 時 其 相 關 研 究 也 成 為 地球 科 學 界 所 需 面 對 的 挑 戰。 因 為 要 了 解 這 些 複 雜 現象 ， 不 僅 需 要 整 合 跨 領 域 的 地 球 科 學知 識 ， 同 時 還 要 考 量 人 類活 動 所 帶 來 的 影 響 。 本 文藉 由 回 顧 此 三 個 現 象 的 研 究 過 程，進 而呈 現 一 個 新 的 研 究 架構--「 地 球 系 統 科 學」，並 透 過 對 其 內 涵 的 探 討，發 現 「 地 球 系 統科 學 」 是 以 一 個 整 體 性 的哲 學 概 念 來 重 新 評 估 地 球系 統 所 具 的 複 雜 與 非 線 性 本 質 ， 並 應用 「 地 球 系 統 」 的 概 念 ，來 研 究 生 物 與 自 然 環 境 及人 類 系 統 的 運 作 機 制 及 其 間 交 互 作 用。 最 後 藉 由 討 論 氣 候 模 式的 演 變 來 闡 明 地 球 系 統 科學 如 何 應 用 於 實 際 的 科 學 研 究 。 關 鍵 詞 ： 地 球 科 學、 系 統 理 論 、 地球 系 統 、 地 球 系 統 科 學

壹、 前 言

自 1970 年代 中 葉 之 後 ， 許 多 自 然環 境 的 內 在 複雜 變 化 及 外 在 人 類 活 動 所造 成 的 環 境 議 題層 出 不 窮 ， 讓 傳 統 的 地 球科 學 研 究 領 域 面臨 許 多 挑 戰 與 困 境 。 在 自然 環 境 的 內 在 變 動 部 分 ， 可 以 聖 嬰 現 象 為 代 表 ， 對 於 此一 現 象 的 研 究 已 超 越 了 傳統 的 大 氣 與 海 洋領 域 ， 需 整 合 兩 個 研 究 領域 才 能 面 對 此一 挑 戰(Glantz, 1996)。 在 人 類 活 動 所 造 成 的環 境 議 題 方 面 ， 則 可 以 臭氧 洞 為 代 表 ， 透 過 大 氣 科 學 與 化 學 領 域 的 合 作 ， 方 能 對 人 類 排 放 的 氟 氯 碳 化 物 (CFCs) 如 何 影 響平 流 層 臭 氧 的 形 成 與 消 失有 所 了 * 為 本 文 通 訊 作 者

解(Graedel & Crutzen, 1995)。 另 外 ， 現 今 人 類 面 臨 最 大 的 問 題 —氣 候 變 遷 ， 更 可 能 是 自 然 環 境內 在 的 變 動 與 人 類 活 動 所產 生 溫 室 氣 體 交互 作 用 而 成 。 在 不 同 時 間與 空 間 尺 度 下 ，影 響 氣 候 變 化 的 機 制 各 有所 不 同 ， 許 多 機制 的 影 響 大 小 尚 待 釐 清 ，更 有 甚 者 ， 還 有 許 多 機 制 仍 混 沌 不 明 (IPCC, 2001)。這 些 困 境，將 促 使 傳 統 地 球科 學 領 域 尋 找 新的 思 維 來 面 對 未 來 的 挑 戰。 傳 統 上 ， 地 球 科 學 分 為 岩 石 圈 、 氣 圈 、 水 圈 等研 究 領 域 ， 有 時 也 將 太 空科 學 納 進 來 。 各個 研 究 領 域 都 可 分 別 視 為一 個 獨 立 的 系 統。 但 是 現 今 所 面 臨 的 困 境， 往 往 都 需 要 跨領 域 的 整 合 來 進 行 研 究 ，也 就 是 這 些 獨 立的 系 統 需 要 統 整 成 一 個 更大 的

研 究 範 圍 ， 甚 至 包 括 以 往 未 曾 涵 蓋 的 領 域 —生 物 圈 。 除 此 之 外 ， 還 需 要 重 新 評 估 各 層 圈 的 組成 成 分 ， 了 解 彼 此 間 反 饋的 動 態 作 用 ， 利用 新 的 研 究 架 構 來 確 立 其階 層 與 結 構 性 ，而 瞭 解 其 相 互 關 聯 性 。 因應 而 生 的 便 是「 地 球 系 統 科 學 」(Earth System Science) (Earth System Science Committee, 1986)。 本 文 首 先 探 討 傳 統 地 球 科 學 研 究 領 域 面 臨 哪 些困 境 ？ 其 次 ， 介 紹 什 麼 是「 地 球 系 統 科學 」，最 後 藉 由 實 際 的 例 子來 探 討 其 內 涵。希 望 藉 由 本 文 對「 地球 系 統 科 學 」 的 介 紹 ， 讓我 們 能 重 新 認 識 「 地 球 系統 」 運 作 之 法 則， 進 而 能 體 認 人 類 的 所 作所 為 都 將 可 能 影響 地 球 運 作 的 平 衡 ， 以 期能 達 「 永 續 發展 」 的 目 標 。

貳、 傳 統地 球 科學 所 面臨 的 挑戰

從 1957 年 — 國 際 地 球 物 理 年 (International Geophysical Year, IGY)後 ， 許 多 針 對 全球 環 境 變 遷 且 相 互 關 聯 的觀 測 資 料 開 始 大量 累 積 ， 其 時 間 尺 度 涵 蓋了 十 年 到 百 年 不等 ， 其 中 影 響 最 大 的 莫 過於 人 造 衛 星 所 蒐集 到 的 大 量 數 據 。 而 超 級電 腦 的 數 據 處 理能 力 ， 更 讓 以 往 提 出 的 全球 變 遷 模 式 變 得不 再 適 用 ， 因 為 這 些 模 式過 於 簡 化 地 球 運作 的 方 式 與 平 衡 。 在 新 的觀 測 資 料 與 模 式中 ， 我 們 可 以 發 現 地 球 其實 是 處 於 多 重 、複 雜 的 穩 定 狀 態 ， 經 常 被環 境 中 新 加 入 的變 數 或 不 規 則 的 震 盪 所 影響 ， 而 調 整 進入 另 一 平 衡 狀 態 (Steffen & Tyson, 2001)。其 中 生 物 活 動--尤 其 是 人 類活 動 的 影 響，在 上 世 紀 70 年 代 中 葉 後，益 發 顯 得 明 顯 與 重 要。 因 此 ， 傳 統 地 球 科 學 的研 究 領 域 受 到 這些 因 素 的 衝 擊 ， 開 始 面 臨許 多 挑 戰 ， 如 ：對 某 些 自 然 現 象 的 解 釋 已超 過 傳 統 地 球 科 學 單 一 領 域 的 知 識 範 圍 ； 再 如 ： 某 些 自然 界 的 運 作 法 則 已 經 不 再被 視 為 是 線 性 的， 也 就 是 說 ， 其 因 果 關 係已 經 不 再 是 單 純， 而 是 具 有 多 重 的 影 響 性。 尤 其 是 當 考 慮生 物 圈 的 影 響 時 ， 此 一 衝擊 更 是 明 顯 。 在相 關 研 究 中 ， 聖 嬰 現 象 、臭 氧 洞 、 氣 候 變遷 這 三 項 是 最 具 代 表 性 ，茲 分 述 如 下 。

一、聖嬰現象

在 20 世紀 的 前 葉 ， 科 學 家 對 於 聖嬰 現 象 的 興 趣與 研 究 ， 可 以 分 成 兩 個 毫不 相 干 的 領 域 在 進 行 ， 分 別 是 南 方 震 盪 (Southern Oscillation) 與 聖 嬰 事 件 (El Niño)。前 者著 重 在 橫 跨 印 度 洋 與 太平 洋 的 大 氣 氣 壓 變化 ， 及 其 與 印 度 季 風 變 化之 間 的 關 係 ， 可 以 說 是 屬 大 氣 科 學 的 研 究 領 域 ； 後 者 則是 與 南 美 洲 西 岸 的 沿 岸 湧昇 流 相 關 ， 並 旁及 相 關 生 物 環 境 中 鳥 糞 石、 鯷 魚 等 民 生 社會 問 題 ， 所 以 可 算 是 屬 於海 洋 科 學 的 領域 。 1950 年 代 國 際 地 球 物 理 年(IGY)對 海 洋 環 境 的 研究 ， 仍 是 以 民 生 、 社 會 用途 為 主 ， 而 海 洋對 氣 候 變 遷 的 影 響 仍 不 是研 究 的 主 要 重點 。 但 是 在 1957-58 年 的 觀 測 期 間 恰 好 發 生一 次 聖 嬰 事 件 ， 這 一 次 所蒐 集 到 的 資 料 ，促 使 大 氣 與 海 洋 關 聯 性 的研 究 有 了 重 大 的 突 破 。 比 雅 克 尼 斯 (Bjerknes,

1966)發 現 在 1957 至 1958 年 間 的 聖嬰 現 象 期 間 ， 太 平洋 東 部 和 中 部 一 帶 的 赤 道東 風 減 弱 與 暫 時消 失 ， 而 導 致 湧 昇 流 中 斷， 進 而 引 起 從 南美 洲 西 岸 到 換 日 線 間 赤 道太 平 洋 的 海 面 溫度 升 高 。 換 言 之 ， 他 的 發現 初 步 描 述 出 太平 洋 上 海 洋 與 大 氣 交 互 作用 的 物 理 過 程 。這 對 地 球 科 學 的 研 究 是 一大 突 破 ， 因 為 它不 僅 連 接 了 聖 嬰 事 件 與 南方 震 盪(合 稱 ENSO)的 研究，更 為 看 來 各自 獨 立 的 海 洋 與 大氣 系 統 ， 開 創 了 一 條 嶄 新的 研 究 路 線。而 後 在 1960 年 代 國 際 海 洋探 測 年 代 計 劃 (International Decade of Ocean Exploration, IDOE) 與 其 子 計 劃 沿 岸 湧 昇 流 生 態 分析(Coastal Upwelling Ecological Analysis, CUEA) (FAO, 1974)中 ， 更 進 一 步 結 合 大 氣與 海 洋 的 研 究 ， 增 進 了 我們 對 區 域 及 全 球氣 候 如 何 受 到 沿 岸 湧 昇 流生 態 系 統 的 影 響 ， 尤 其 是 赤 道 太 平 洋 地 區 (Glantz, 1996)。 到 了 1970 年 代 ， 開 始 使 用 人 造 衛星 收 集 海 洋 氣象 資 料 ， 全 球 性 的 聖 嬰 變化 輪 廓 才 開 始 浮現 ， 尤 其 是 橫 跨 太 平 洋 的大 尺 度 現 象 ， 很大 一 部 分 是 藉 由 不 同 的 人造 衛 星 雲 圖 合成(Lau & Busalacchi, 1993)。 這 些 觀 測 技 術的 突 破 也 孕 育 了 一 個 全 球尺 度 計 劃 的 研究，那 就 是 在 1980 年 初 成 立 於 聯 合 國 世 界 氣 候 研 究 計 劃 下 的 托 加 計 劃 (Tropical Ocean Global Atmosphere Program, TOGA)，此 計 劃 為 觀 測 和模 擬 赤 道 太 平 洋 海氣 交 互 作 用 及 其 對 全 球 氣候 變 化 之 影 響 。基 於 過 去 的 研 究 ， 科 學 家已 經 了 解 到 異 常 的 海 洋 和 大 氣 環 流 ( 即 聖 嬰 現 象)可 以 發 展 數 月 至 數 年 之 久，他 們 也 認 為 大 部 分 的 變化 可 藉 由 赤 道 海 洋 和 大 氣的 耦 合 系 統 來解 釋(NRC, 1990)，計 劃 中 除 了 利 用 傳 統 的 觀測 儀 器 外 ， 還 加 上 衛 星 蒐集 大 範 圍 的 資 料， 以 期 發 展 長 期 預 報 模 式與 模 擬。圖 一 是 TOGA 研 究 的 一 些 主 要因 子 與 過 程。在 TOGA 計 畫中，海 洋 與 大氣 耦 合 實 驗 (Coupled Ocean & Atmosphere Research Experiment, COARE)更 是 一 個 突 破 以 往 概 念的 實 驗 ， 其 想 法 是 來 自 科學 家 相 信 熱 帶 海洋 表 面 溫 度 的 升 高 將 引 起全 球 大 氣 環 流 的 改 變 ， 因 而 改 變 了 全 球 的 氣 候 ， 也 就 是說 西 太 平 洋 暖 水 團 會 是 驅動 大 氣 變 化 物 理 過 程 的 熱 力 引 擎 (Webster & Lukas, 1992)。 大氣環流 海洋環流 海面風 海面溫度 生物學 非熱帶大氣／海洋異常現象 熱帶 降雨 _A B C D 圖 一 、TOGA 計 畫 的 主 要 因 子 與 過 程 ： A：熱帶 降 雨 和 大 尺 度 環 流 對 海 面溫 度 相 當 敏 感。B：熱 帶 降 雨 會 影 響 非 熱 帶 大 氣 與 海 洋 的 異 常。C：熱 帶 降 雨 會 影 響 海 面 風 場。D：海 面 風 場 會 驅 動 赤 道 表 面 海 流 與 海 洋 內 部 波 動 ， 進 而 影 響 湧 昇 流 。 而 湧 昇 流 又 會 影 響 海 面 溫 度 分 布 。 (NRC, 1990)

環 顧 TOGA 計 畫 的成 就，在 於 結 合了 對 大 氣 及 海洋 動 力 過 程 的 跨 領 域 研 究， 說 明 ENSO 為 大 氣 海 洋 系 統 的 一 種 內 部 循 環 。 也 就 是， 大 氣 環 流 的 變 化 改 變 了海 洋 的 環 流 ， 同時 也 改 變 了 海 洋 表 面 溫 度的 分 布 ， 而 海 洋表 面 溫 度 分 布 的 變 化 ， 又透 過 可 感 熱 和 潛熱 的 上 傳 ， 進 而 改 變 大 氣環 流 (唐存 勇 和 吳 明 進 ， 民 81)。

二、臭氧洞

雖 然 在 1930 年 代 伽普 曼(Chapman, S.) 就 已 經 對 平流 層 臭 氧 循 環 過 程 提 出 清楚 解 釋 。 但 是 隨著 人 類 活 動 製 造 出 許 多 氣體 排 放 至 大 氣 中 ， 如 氮 氧 化 物 (NOX)、 氟 氯 碳 化 物(CFCS)等 ， 這 些 氣 體 都 可 能 對 平 流 層

臭 氧 造 成 新 的 威 脅 ( Graedel & Crutzen, 1995)。 所 以 從 1970 年 代 開 始 ， 化學 界 與 大 氣 科 學 界 合 作 展 開 對 這 些 人 造 的 (anthropogenic) 氣 體 的 研 究 ， 數 年 內 即 獲 得 一 些 可觀 的 成 果(Walker, 1999)。 其 中 ， 庫儒 正(Crutzen, P.)在 1970 年 發 現 ， 原 本在 自 然 狀 況 由 土 壤 與 海 洋的 微 生 物 活 動 產生 的 氮 氧 化 物 ， 會 經 由 大氣 的 對 流 活 動 帶至 平 流 層 ， 參 與 臭 氧 的 循環 過 程 而 影 響 臭 氧 的 形 成 。 但 是 隨 著 人 類 航 空 、 太 空 活動 的 增 加 ， 長 程 噴 射 客 機與 太 空 梭 都 也 可將 氮 氧 化 物 直 接 排 放 進 入平 流 層 ， 而 分 解 臭 氧 (Graedel & Crutzen, 1995)。 而 後 在 1974 年 ， 有 些 科 學家 對 於 火 箭 發 射 殘留 排 放 物 的 研 究 發 現 ， 氯亦 能 摧 毀 平 流 層的 臭 氧 。 因 此 庫 儒 正 、 莫里 納 (Molina, M.)與 羅 嵐(Rowland, S.)在 研 究 氟 氯 碳 化 物 與臭 氧 反 應 過 程 後 共 同 提 出一 個 理 論 ， 他 們推 測 人 造 的 氟 氯 碳 化 物 可能 會 對 臭 氧 層 帶 來 嚴 重 的 衝 擊 (Molina & Rowland, 1974)。 此 類 做 為 冷 媒 及 噴 霧 推 進 劑 的 氟 氯碳 化 物 ， 跟 前 述 氮 氧 化 物來 源 最 大 不 同 在於 純 粹 係 由 人 工 合 成 製 造。 但 是 這 些 化 學物 質 在 大 氣 長 期 觀 測 的 資料 紀 錄 累 積 相 當緩 慢 ， 其 影 響 也 非 立 即 且顯 而 易 見 ， 因 缺少 觀 測 證 據 支 持 ， 所 以 這終 究 只 是 個 理論 推 測 。 然 而 1985 年 法爾 曼(Farman, J.)與 他 的 同 事 在南 極 有 驚 人 的 發 現：自 1970 年代 起 ， 南 極 地區 的 臭 氧 濃 度 已 經 呈 現 急劇 下 降，發 生 時 間 都 是 在 每 年 的 9-10 月，也 就 是 南 極 春 季來 臨 時 ， 此 一 發 現 同 時 也有 人 造 衛 星 的資 料 互 相 佐 證(Roan, 1989)。臭 氧 洞 的 發 現 對全 球 產 生 極 大 的 衝 擊 ， 國際 間 也 迅 速 在 1987 年 簽 訂了 「 蒙 特 婁議 定 書 」 (Montreal Protocol) 來 限 制 氟 氯 碳 化 物 的 製 造 與 使 用。 但 是 在 科 學 界 有 許 多 科學 家 使 用 電 腦 數 值 模 式 來 模 擬 此 一 現 象 ， 卻 \ 一 無 所 成 。 直 到 所 羅 門 (Soloman, S.)與 其 同 仁 ， 將 極區 永 夜 所 形 成 平 流 層 冰 雲的 因 素 放 進 程 式中 ， 發 現 冰 粒 會 使 原 本 對臭 氧 無 害 的 氟 氯碳 化 物 轉 換 成 臭 氧 殺 手 ，才 成 功 模 擬 出 臭 氧 洞 的 形 成 機 制 (Graedel & Crutzen, 1995)。 這 種 經 由實 際 觀 察 、 實 驗 室 研 究 與電 腦 模 式 間 的相 互 配 合 ， 不 僅 在 短 時 間內 解 決 一 個 複 雜的 問 題 ， 同 時 也 像 聖 嬰 現象 的 研 究 一 樣 ，為 以 後 的 科 學 研 究 樹 立 了一 種 模 式 。 但 是 對 地 球 科 學 研 究 最 重 要 的 影

響 ， 就 是 彰顯 了 「 人 類 活 動 」 所 帶 來自 然 環 境 的 改 變不 再 只 是 區 域 性 的 議 題 ，而 會 是 全 球 性的 。

三、全球暖化與氣候變遷

從 1970 年代 以 來 ， 隨 著 對 聖 嬰 現象 的 研 究 ， 人 們 開 始 懷 疑 溫 室 氣 體 (greenhouse gases)不 斷 地 釋 放 可 能會 造 成 氣 候 的 改 變， 尤 其 是 對 氣 溫 的 影 響 會最 為 顯 著(Glantz, 1996)。 另 一 方 面 ， 根據 地 質 紀 錄 顯 示 全球 氣 溫 本 身 就 具 有 自 然 變化 的 週 期 （ 魏 國彥 與 許 晃 雄 ， 民 86）， 究竟 氣 溫 變 化 的 影響 因 素 為 何 ？ 是 自 然 界 的內 在 變 化 抑 或是 外 在 的 人 為 影 響 呢 ？ 根 據 聯 合 國 的 氣 候 變 遷 智 庫 —「 政 府 間 氣 候 變遷 小 組 」(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)的 第 三 次評 估 報 告，圖 二(IPCC, 2001)是 過 去 1000 年 與 140 年 來 的 全 球平 均 溫 度 變 化 的 情 形 ， 我們 可 以 發 現 相 較於 過 去 一 千 年 的 紀 錄 ， 二十 世 紀 的 增 溫 現象 是 相 當 不 尋 常 ， 不 太 可能 是 太 陽 輻 射 強度 、 火 山 爆 發 或 大 氣 內 部變 化 等 自 然 因素 所 造 成 。 另 外 ， 在 過 去 140 年 的 變 化 中，可 發 現 1970 年 代 中 葉 後發 生 了 急 遽 增 溫 的現 象 ， 且 高 於 平 均 值 。 這是 否 代 表 著 人 為 因 素 的 影 響 呢 ？ 奇 林 (Keeling, C. D.)從 1958 年 起 在 夏 威 夷 Mauna Loa 火 山 所 測 量 的 大 氣 中 二 氧 化 碳 含 量 變 化 情 形 ， 顯 示 這些 年 來 二 氧 化 碳 的 含 量 逐年 升 高 ， 而 且 此一 趨 勢 仍 在 持 續 維 持 。 這代 表 人 類 使 用 化 石 燃 料 ， 釋 放 出 大 量 二 氧 化 碳 ， 已 經改 變 了 大 氣 中 二 氧 化 碳 的濃 度 。 圖 二 、 地 表 氣 溫 變 化 ： （ a） 過 去 140 年 全 球 平 均 溫 度 的 變 化。平 滑 曲 線 代 表 長 期 變 化 趨 勢 。 （ b） 過 去 1000 年 全 球 平 均 氣 溫 變 化 。 平 滑 曲 線 為 50 年 平 均 值 。 二 十 世 紀 中 葉 以 後 是 溫 度 計 量 測 的 溫 度；之 前 的 溫 度 是 由 樹 輪、珊 瑚、冰 蕊、歷 史 紀 錄 推 估 出 來 ， 因 此 灰 色 區 間 為 95﹪ 可 信 賴 區 間 。（ 來 源 ： IPCC， 2001； 許 晃 雄 譯 ， 民 90） 如 果 用 程 式 模 擬 自 然 及 人 為 因 素 對 這 150 年 間的 氣 溫 變 動 的 影 響 ， 並與 實 際 氣 溫 紀 錄 比對 ， 我 們 可 發 現 二 十 世 紀後 半 期 的 氣 溫 異 常 明 顯 受 到 人 為 因 素 的 影 響 (IPCC, 2001)。 但 是 此 一發 現 存 在 了 兩 個 爭 議 ， 首先 是 氣 候 模 擬程 式 的 可 靠 性 ， 其 次 是 人為 因 素 對 全 球 增溫 的 影 響 究 竟 有 多 大 ， 更精 確

地 說 ， 如 何評 估 人 為 因 素 對 氣 候 系 統運 作 機 制 的 影響(許 晃 雄 ，民 90)。 現 今 仍 有 許 多 科 學 家 認為 二 氧 化 碳 濃 度 的 變 動 與全 球 氣 溫 的 變 化屬 於 自 然 的 規 律 ， 也 就 是說 地 球 本 身 的 自 然 環 境 就 有 其 運 作 的 內 在 法 則 ， 這 些 溫室 氣 體 濃 度 的 變 化 並 非 外在 的 人 為 因 素 所 導 致 (Lindzen, 1990 ； White, 1990)。但 是對 這 些 運 作 機 制 的 了 解程 度 將 決 定 氣 候 模式 的 可 靠 性 ， 所 以 本 質 上， 這 兩 個 爭 議是 互 相 糾 葛 的 。 更 進 一 步了 解 這 兩 項 爭 議 ， 我 們 必須 對 影 響 氣 候 系 統 的 輻 射 作 用 項 (radiative forcing)，即 影 響 輻 射 加 熱、冷 卻 作用 因 素 作 探 討。圖 三(IPCC, 2001)是 說 明 目前 所 了 解 的 作 用項 過 去 250 年 間 的 變 化 情形 ， 及 對 其 的 科 學了 解 程 度 。 圖 中 可 發 現 ，我 們 僅 對 溫 室 氣體 與 臭 氧 有 普 通 程 度 的 瞭解 。 而 對 懸 浮 微粒 、 高 空 卷 雲 、 太 陽 輻 射與 地 表 反 照 率 的科 學 瞭 解 程 度 都 是 甚 低 的。 這 些 甚 低 的 理解 程 度 ， 主 要 是 因 為 其 反應 過 程 錯 綜 複 雜， 彼 此 牽 連 ， 無 法 藉 由 過往 的 科 學 研 究 與知 識 預 測 得 到 。 舉 例 來 說， 人 類 燃 燒 化 石燃 料 ， 除 了 產 生 溫 室 氣 體導 致 氣 溫 升 高 外 ， 還 可 能 產 生 大 量 的 懸 浮 微 粒 ， 懸 浮 微粒 可 以 反 射 太 陽 輻 射 ， 冷卻 地 表 ， 這 屬 於直 接 效 應 。 但 是 懸 浮 微 粒也 可 能 影 響 雲 量、 雲 的 生 命 期 與 特 性 ， 進而 間 接 影 響 大 氣 的 輻 射 加 熱 作 用 ( 許 晃 雄 ， 民 90)。換 言 之，人 類 燃 燒 化 石 燃 料 對氣 溫 變 化 有 正 、 負兩 方 面 的 影 響 ， 而 被 影 響的 氣 候 系 統 運 作機 制 是 非 線 性 、 不 可 預 期的 。 當 然 ， 這 些運 作 機 制 的 曖 昧 不 明 與 影響 的 不 確 定 性 ，對 氣 候 模 式 預 測 的 可 靠 性造 成 很 大 的 影響 。 回 顧 這 些研 究 歷 程 ， 聖 嬰 現 象 讓 科學 家 發 現 雖 已了 解 大 氣 、 海 洋 個 別 系 統的 運 作 模 式 ， 但是 聖 嬰 現 象 內 在 複 雜 的 變化 ， 已 超 過 單 一氣 象 或 海 洋 領 域 所 能 解 釋的 ， 必 須 重 新 尋找 出 新 的 運 作 法 則 才 能 應付 。 進 而 整 合 大氣 與 海 洋 跨 領 域 的 研 究 ，了 解 ENSO 是 海 洋 與 大 氣 系 統 的 一 種 共 同 表 現 。 更 重 要的 是 ， 「 海 氣 系 統 」 的 研究 思 維 不 僅 代 表 海 洋 與 大 氣 間 具 有 緊 密 的 關 聯 ， 應 將 其 視 為 一 個 新 的 系 統 來 進 行 研 究 ， 更 指 出傳 統 地 球 科 學 領 域 在 面 臨此 類 新 課 題 時 ，應 如 何 結 合 不 同 領 域 的 研究 方 法 ， 而 為 以後 學 科 研 究 整 合 開 創 新 的可 能 性 。 其次，臭氧洞的相關研究，讓我們知道 電腦數值模式的建立可增進對地球環境中複 雜問題的了解，及預測未來可能發生的情況 與影響，雖然模式中的各種因素與運作原則 未必完善、正確(Graedel & Crutzen, 1995)。就 如剛開始無法模擬臭氧洞的形成，直到加入 極區冰雲的因素後才順利模擬成功。這不僅 是完成模擬一個自然變化，更具意義的是在 模擬測試過程中，不僅可評估哪些因素對自 然環境變化的效果，甚至還可以發現新的運 作機制。其次，也是最重要的，人類的活動 會導致自然環境的改變，不一定只是局部的 如都市化、污染或酸雨，更可能是全球性的 影響(Walker, 1999)。因此在地球科學研究領 域 中 ， 人 類 活 動 應 該 不 再 視 為 外 在 影 響 因 素，而應將其納為研究範圍的一部分。

圖 三 、 在 1750-2000 年 間 ， 造 成 輻 射 作 用 項 (radiative forcing)的 變 化 量 。 直 方 圖 代 表 估 計 值 ， 垂 直 線 則 代 表 可 能 的 範 圍 。 圖 下 方 的 文 字 是 對 該 項 的 科 學 了 解 程 度 。（ 來 源 ： IPCC，2001； 許 晃 雄 譯 ， 民 90） 最 後 ， 透 過 實 際 科 學 觀 察 與 電 腦 模 擬 ， 我 們 發現 氣 候 系 統 的 運 作 法 則 的因 果 關 係 已 經 不再 是 單 純 的 線 性 關 係 ， 而是 具 有 多 重 的 考量 ， 尤 其 將 人 類 活 動 的 影響 納 入 氣 候 系 統 時 ， 更 是 如 此 。 IPCC(1996)也 指 出 氣 候 系統 的 未 來 是 無 法 預 測 的 ，因 為 它 有 著 大 幅且 快 速 的 變 動 ， 這 一 點 是氣 候 系 統 的 科 學本 質 造 成 的 。 由 此 可 見 ，未 來 氣 候 的 改 變可 能 會 相 當 驚 人 ， 尤 其 是非 線 性 的 氣 候 本質 所 造 成 的 改 變 。 當 非 線性 系 統 受 到 外 力快 速 作 用 時 ， 特 別 容 易 產生 驚 人 的 結 果 ，而 人 類 活 動 的 影 響 便 是 所指 快 速 作 用 的 外力 之 一 。 我 們 可 以 確 定 人類 的 活 動 造 成 了臭 氧 的 危 機 ， 但 在 全 球 暖化 與 氣 候 變 遷 的議 題 中 ， 卻 發 現 人 為 與 自然 的 因 素 互 相 糾葛 ， 對 許 多 氣 候 運 作 與 回饋 機 制 仍 未 瞭 解， 如 要 瞭 解 這 些 機 制 ， 則需 要 跨 領 域 、 跨世 代 與 跨 國 界 的 合 作 ， 因此 氣 候 變 遷 研 究 可 以 視 為 是 一 門 新 的 科 學 ( 許 晃 雄 ， 民 90)。 更 重 要 的 是 ， 此 一 新 科 學 的 研 究 需 要新 的 思 維 與 新 的 方 法 ， 也就 是 說 我 們 需 要將 人 類 活 動 與 自 然 變 動 放在 同 等 重 要 的 研究 地 位 ， 而 非 單 純 僅 考 慮自 然 界 的 運 作 ，我 們 因 此 需 要 引 入 一 個 更大 的 科 學 理 論 架 構 來 重 新 建 構 地 球 科 學 (Schellnhuber, 1999)。

參、 何 謂「 地 球系 統 科學 」 ？

地 球 科 學 家 在 重 新 詮 釋 傳 統 地 球 科 學 不 同 研 究領 域 的 關 係 與 其 研 究 模 式後 ， 發 現 我 們 需要 以 一 種 整 體 而 非 化 約 的觀 點 來 看 待 地 球上 的 自 然 與 生 物 系 統 ， 進而 提 出 一 份 稱 為 「 布 列 松 頓 報 告 」 (Bretherton Report)，報告 中 認 為 我 們 應 該 將 地球 視 為 一 整 體 的 系統 ， 包 括 人 類 與 自 然 環 境等 子 系 統 ， 並 運用 系 統 思 維 來 看 待 地 球 系統 內 的 交 互 作用，因 此 將 這門 新 的 科 學稱 為「 地 球 系 統 科 學 」 (Earth Systems Science Committee, 1986)。正 因 地 球 系 統 科學 是 一 門 研 究 地 球系 統 與 其 子 系 統 間 運 作 及交 互 作 用 的 科 學， 所 以 它 可 以 是 一 種 研 究的 方 法 ， 同 時 也是 一 種 學 科 的 內 容 。 前 者是 因 為 可 以 利 用其 系 統 思 維 對 地 球 系 統 與其 子 系 統 進 行 跨領 域 的 研 究 ， 後 者 則 是 因為 其 學 科 知 識 是統 整 各 個 子 系 統 的 學 科 知識 而 來(Melton, 1998)。下 面 將 討 論 地 球系 統 科 學 的 定 義 ，並 探 索 地 球 系 統 科 學 是 否可 能 成 為 科 學研 究 的 一 種 新 典 範 呢 ？

一、地球系統科學的定義

地 球 系 統 科 學 將 地 球 視 為 一 個 互 相 關 聯 、 共 同作 用 的 實 體 系 統 ， 其 中 包含 岩 石 圈 、 氣 圈、 水 圈 及 生 物 圈 ， 這 些 層圈 彼 此 會 有 物 理的 、 化 學 的 、 生 物 的 動 態交 互 作 用 ， 其 時間 尺 度 可 從 極 短 的 毫 秒 至數 億 年 ， 空 間 尺度 也 可 從 極 小 的 原 子 到 整個 行 星 尺 度 ， 這些 層 圈 有 時 甚 至 會 受 到 地球 系 統 以 外 因 素的 影 響 。 地 球 系 統 科 學 是建 構 於 傳 統 地 球科 學 研 究 領 域 之 上 ， 運 用系 統 思 維 將 其 研究 架 構 延 伸 至 人 類 活 動 所造 成 的 影 響 ，該 如 何 為 地 球 系 統 下 定 義呢 ？ Schellnhuber(1999) 提 出 地 球 系 統 可 作 為 系 統 科學 中 最 高 的 階 層 ， 同 時 也是 最 抽 象 的 代 表 ， 而 生 物 與 自 然 系 統 (biophysical system) 與 人 類 系 統 (human system)為 次一 階 層 的 子 系 統 時，地球 系 統 (E)可 以表 示 為 ： E = (N, H) N 代 表 所 有 的 生 物 與 自 然 系 統 ； H 則 是 代 表 人 類系 統 。 然 而 人 類系 統 不 僅 由 人 類 的 存 在 、行 為 等 實 體 物質 活 動 所 構 成 ， 還 有 超 乎實 體 的 非 物 質 組 成 元 素 (metaphysical component)， 例 如 人 類 活 動 、 交 往 所 訂 定 的 契 約 、 協定 等 ， 這 些 元 素 在 人 類 系統 中 也 具 有 獨立 的 地 位。所 以 人 類 系 統(H)亦可 表 示 為 ： H = (A, S) A 代 表 所 有的 實 體 物 質 ； S 則代 表 超 乎 實 體 的 非 物 質 組 成 元素 。 從 上 述 的 定 義 可 得 知 ，「 地 球 系 統 科 學」已 經 不 只 是 傳 統 的「 地 球 科 學」。並 不 僅 僅 因 為 多了 「 系 統 」 二 字 ， 是 因 為運 用 「 地 球 系 統」 思 維 作 為 研 究 架 構 後 ，已 經 根 本 上 改變 了 此 一 超 級 領 域 E—地 球系 統 的 研 究 焦 點。 換 言 之 ， 地 球 系 統 科 學主 要 是 以 地 球 整體 的 觀 點 ， 透 過 各 類 化 學元 素 與 能 量 的 循環 來 研 究 生 物 與 自 然 系 統跟 人 類 系 統 的 運 作 (function) 與 交 互 作 用 (interaction)，前 者可 以 是 土 壤、岩 石、水

文 、 大 氣 、海 洋 、 冰 圈 與 生 態 系 等 自然 環 境 ， 而 後 者可 以 是 污 染 、 經 濟 成 長 、社 會 改 變 等 相關 的 人 類 活 動(Pitman, 2005)。 在 系 統 理論 中 ， 系 統 的 組 成 結 構 有其 階 層 性 ， 在系 統 的 每 一 階 層 自 有 其 運作 的 法 則 ， 而 且低 階 的 運 作 法 則 無 法 適 用於 高 階 ， 但 是 高階 的 運 作 法 則 卻 可 支 配 全部 低 階 層 的 運作(Bertalanfy, 1969)。正 如 同 前 述 的 燃 燒 化 石燃 料 對 氣 溫 變 化 的 影 響 ，以 較 高 階 —即 整 體 地 球 觀 點 而 言 ， 便 可 能 同 時 存 在 正 、 負兩 種 效 應 。 如 果 將 人 類 系統 跟 生 物 與 自 然系 統 視 為 兩 個 獨 立 的 系 統， 那 麼 我 們 觀 察到 的 都 將 只 是 停 留 在 較 低階 層 的 運 作 法 則， 也 就 是 較 局 部 的 部 份 ，但 是 系 統 的 低 階 層 運 作 法 是 無 法 適 用 於 高 階 層 ， 換 言 之， 我 們 無 法 預 測 、 評 估 在地 球 系 統 中 此 一較 高 的 層 級 將 會 有 何 反 應與 影 響 ， 因 為 系統 的 高 階 層 自 有 另 一 套 運作 法 則 。 在 過 去的 科 學 研 究 活 動 中 ， 往 往是 將 人 類 的 活 動「 規 定 」 屬 於 生 物 與 自 然系 統 (IPCC, 2001)，也 就 是 說，人 類 系 統本 質 上 是 外 在(external)元 素 。 但 是 現 今 許多 社 會 科 學 研 究 已開 始 將 人 類 系 統 視 為 是 整體 地 球 系 統 的 一部 份 ， 尤 其 是 考 慮 人 類 的經 濟 活 動 對 自 然環 境 產 生 的 影 響 時 ， 人 類系 統 實 際 是 地 球 系 統 的 內 在 組 成 元 素 (Steffen et al., 2002)。

二、典範的轉移的可能性

雖 然 本 文 的 主 題 不 在 於 使 用 科 學 史 與 科 學 哲 學的 方 法 ， 詳 細 討 論 地 球 系統 科 學 所 帶 來 的影 響 ， 尤 其 在 科 學 理 論 的演 化 上 是 否 可 稱 為 「 科 學 革 命 」 --的 確 也 有 許 多 科 學 家 這 麼 稱 呼 它 (Kineman, 1997; Schneider, 1997; Schellnhuber, 1999)。不 過 無 庸 置 疑的，「 地球 系 統 」觀 點 的 確改 變 了 我 們 看 世 界 、 研 究 世 界 的 方 法 ， 例 如 說 1950 年 代 對 於 海洋 與 大 氣 的 認 識，往 往 認 為 是 兩 個 獨立 不 同 的 領 域 ， 但 在 聖 嬰現 象 被 充 分 研 究後 ， 科 學 家 不 再 只 是 把 海洋 當 作 大 氣 系 統 的 一 個 邊 界 (抑 或 反 之 )而 已 ， 反 而 是 用 「海 氣 系 統 」 來 稱 呼 ， 這 不僅 是 名 稱 的 改 變 ， 更 是 研 究 方 法 與 內 涵 的 改 變 。 在 臭 氧層 破 洞 危 機 之 後 ， 人 們 也開 始 相 信 大 自 然是 很 容 易 被 改 變 ， 也 就 是說 地 球 雖 然 有 自我 的 運 作 機 制 ， 但 是 人 類的 活 動 卻 很 容 易破 壞 這 機 制 ， 而 將 未 來 帶到 另 一 岔 路 ， 所以 人 類 活 動 的 影 響 也 逐 漸被 重 視 。 這 種 世界 觀 的 改 變 已 可 算 具 備 研究 典 範 轉 移 的 一項 特 徵 ， 也 是 科 學 革 命 的一 項 特 質(Kuhn, 1970)。 如 果 接 受「 科 學 的 本 質 就 是 一 種 解決 問 題 的 活 動 」， 並 接 受 此 為 科 學 發 展 的 模 式 ， 那 麼 利用 此 模 式 來 判 斷 科 學 進 步與 否 就 在 於 理論 的 可 行 性(workable)。原 則 上 ， 我 們 可 以 藉此 決 定 理 論 的 優 劣 ， 假 如新 理 論 比 起 上 一代 理 論 解 決 更 多 的 問 題 ，那 麼 我 們 便 可 稱 該 理 論 的 可 行 性 較 高 (Lauden, 1977)。就 此 觀 點，地 球 系 統 科 學 的研 究 理 論 架 構 已 具備 此 一 優 勢 ， 因 為 它 將 生物 與 自 然 系 統 及人 類 系 統 都 放 在 同 一 階 層的 子 系 統 ， 並 利用 「 地 球 系 統 」 的 整 體 性觀 點 來 討 論 其 運作 與 交 互 作 用 。 但 是 在 實際 科 學 研 究 方 面， 是 否 存 在 實 例 來 佐 證 呢？ 本

文 接 下 來將 以 氣 候 模 式 的 演 進 來 做說 明 。

肆、氣 候模 式 的演 進

--地球系統概念

的實 際 應用

現 今 科 學 研 究 面 臨 最 大 的 議 題 便 是 「 氣 候 變遷 」，而 其 中 的 關 鍵 便 是 全球 氣 溫 的 變 化 ， 溫度 上 升 究 竟 是 來 自 地 球 本身 的 自 然 規 律 變化 ， 還 是 因 為 人 為 的 溫 室氣 體 增 加 導 致 的 結 果 ， 現 今 仍 存 在 爭 議 (IPCC, 2001)。然 而 要 釐清 此 爭 議，最 有 力 的 探 索 工 具 莫 過於「 電 腦 程 式 模 擬」，它 同 時 也 是 唯 一 能 對 未來 的 氣 候 變 遷 提 供 量 化 數據 的 工 具 。 因 考 量 氣 候 變 遷 的 研 究 具 有 高 度 的 不 確 定 性 ，所 以 在 數 值 模 擬 時 ， 常 常利 用 時 間 軸 的 兩 個 方 向 來 修 正 、 改 善 模 擬 程 式，也 就 是說，利 用 過 去 氣 候 變 遷的 資 料， 增 加 對 其 運作 機 制 的 理 解 ， 進 而 修 正各 項 參 數 與 影 響之 效 果 。 所 以 從 模 式 的 演進 過 程 ， 我 們 不僅 可 以 看 出 地 球 系 統 的 思維 所 扮 演 的 角 色， 也 可 從 而 驗 證 地 球 系 統科 學 概 念 的 體 現 。 現 行 的 模 擬 氣 候 變 遷 模 式 中，氣 候 系 統 是 以 大 氣、海 洋、陸 地 地 表 、 冰 圈 與 生 物圈 等 子 系 統 為 主 要 組 成 因素 ， 其 中 包 含 各子 系 統 內 運 作 與 子 系 統 間的 交 互 作 用 。 這些 子 系 統 是 隨 著 我 們 對 氣候 系 統 認 識 的 進 展 ， 而 後 逐 一 加 入 模 式 的 運 作 ， 也 就 是說 ， 組 成 氣 候 系 統 的 元 素逐 漸 增 加 ， 而 模式 的 複 雜 性 ， 隨 著 地 球 系統 概 念 的 演 變而 逐 漸 增 加 。 圖 四(IPCC, 2001)顯 示過 去 25 年 來 氣 候 模 式 的演 進，我 們 可以 發 現 在 1970 年 代 的 氣 候 模式 僅 考 慮 大 氣 系 統。到 了 80 年 代 加 進 了 陸 地地 表 的 狀 態 ， 也 就 是 考 慮地 表 反 照 率 的 影響 。 但 是 同 時 間 ， 海 洋 與海 冰 的 氣 候 模 式也 正 獨 立 發 展 中 ， 此 一 時間 正 逢 聖 嬰 現 象 的 研 究 --TOGA-COARE 緊 密 進 行 階 段 ，由 於 聖 嬰 現 象 的 研 究 提 供了 新 的 思 維，海 洋 與 海 冰 系統 也 在 90 年 代 初 期 加 進 了 整 體氣 候 模 式 運 作 。 這 一 改 變不 僅 代 表 氣 候 系統 內 元 素 的 增 加 ， 另 外 原來 各 自 獨 立 系 統 的 邊 界 ， 即 大 氣 和 海 洋 的 邊 界 ， 也 因 物質 與 能 量 的 密 切 交 換 與 相互 影 響 ， 逐 漸 模糊 ， 因 而 出 現 「 海 氣 系 統」 的 名 稱 。 在 此一 名 稱 下 ， 氣 候 系 統 的 階層 性 就 逐 漸 浮現 了 。 碳 循 環 模式 也 發 生 同 樣 的 情 形，在 90 年 代 初 期 ，因 為 夏 威 夷 的 二 氧 化 碳 濃度 觀 測 資 料 引 發對 碳 循 環 機 制 的 探 討 ， 但是 卻 分 別 在 陸 地與 海 洋 系 統 個 別 進 行 ， 兩個 模 式 後 來 在 90 年 代 晚 期相 互 結 合，並 納 入 現 今 的 模 式 運作 。 在 現 今 的 氣 候 模 式 中可 再 次 印 證 系 統的 運 作 法 則 ， 即 高 階 層 並非 遵 循 低 階 層 的運 作 法 則 。 舉 例 來 說 ， 燃燒 化 石 燃 料 會 導致 溫 室 氣 體 增 加 ， 大 氣 氣溫 因 而 升 高 ， 進而 使 蒸 發 的 水 氣 增 加 ， 但是 水 氣 同 時 也 是一 種 溫 室 氣 體 ， 會 增 強 大氣 的 暖 化 效 應 ，對 氣 溫 而 言 ， 這 是 一 種 「正 回 饋 」(positive feedback)作 用 。 但 是水 氣 增 加 ， 可 能 會和 同 樣 因 燃 燒 而 生 的 懸 浮微 粒 結 合 ， 形 成更 多 的 層 雲 ， 反 射 更 多 的太 陽 輻 射 ， 即 是 一 種 「 負 回 饋 」 (negative feedback)作用 ， 所 以 氣 溫 不 見 得 如 預期 般 上 升 。 這 兩種 作 用 在 氣 候 模 式 中 是 分屬 兩

個 不 同 的 組成 因 素 ， 即 碳 循 環 與 非 硫酸 鹽 懸 浮 微 粒 ，此 說 明 著 較 高 階 的 氣 候 系統 運 作 規 則 ， 並不 是 單 純 地 由 較 低 階 的 碳循 環 或 懸 浮 微 粒的 運 作 而 來 ， 這 也 顯 現 出地 球 系 統 科 學複 雜 與 非 線 性 運 作 的 特 性。 在 圖 四 的氣 候 模 式 中 ， 雖 然 沒 有 明列 出 人 類 活 動的 影 響 ， 但 是 人 類 活 動 的蹤 跡 卻 是 隨 處 可見 ， 例 如 硫 酸 鹽 懸 浮 微 粒、 碳 循 環 、 動 態的 植 被 、 大 氣 化 學 ， 無 一不 是 受 到 人 類 活動 而 產 生 改 變 。 所 以 地 球系 統 將 人 類 活 動與 自 然 環 境 並 列 為 子 系 統， 這 不 僅 是 讓 人類 活 動 影 響 進 入 自 然 科 學的 範 疇 ， 人 類 活動 影 響 也 因 而 與 自 然 環 境的 變 遷 並 列 ， 表面 上 看 來 似 乎 彰 顯 人 類 活動 的 重 要 性 ， 但是 就 另 一 個 角 度 來 看 ， 這場 革 命 傳 達 給 科學 家 乃 至 一 般 社 會 大 眾 一種 概 念 ， 正 如 同 克 卜 勒 的 革 命 (revolution)將 地 球 移 出 宇 宙 的 中 心 ， 達 爾 文 的 演 化 論 (evolution theory )指 出 人 類 與 其 他生 物 的 起 源 並 無 不同 ， 地 球 系 統 思 維 也 代 表天 地 萬 物 並 非為 人 類 而 創 造(Walker, 1999)，人 類 不 僅 不 是自 然 環 境 的 核 心 ， 而 且 也不 能 自 外 於 變動 中 的 自 然 。 碳 循 環 1970 年 代 中 期 1980 年 代 中 期 1990 年 代 早 期 1990 年 代 晚 期 目 前 21 世 紀 初 期 海洋與海冰 大 氣 層 大 氣 層 大 氣 層 大 氣 層 大 氣 層 大 氣 層 地 表 地 表 地 表 地 表 地 表 海洋與海冰 海洋與海冰 海洋與海冰 海 洋 與 海 冰 模 式 塩 硫 酸 懸 浮 微 粒 塩 硫 酸 懸 浮 微 粒 硫 循 環 模 式 塩 硫 酸 懸 浮 微 粒 塩 非 硫 酸 懸 浮 微 粒 塩 非 硫 酸 懸 浮 微 粒 塩 非 硫 酸 懸 浮 微 粒 碳 循 環 碳循環模式 動 態 植 被 動 態 植 被 動 態 植 被 大 氣 化 學 大 氣 化 學 大 氣 化 學 大 氣 化 學 地 表 碳 循 環 模 式 海 洋 碳 循 環 模 式 圖 四 、 過 去 25 年 來 ， 氣 候 模 式 的 演 進 。 (IPCC, 2001)

伍、 結 論

在 地 球 幾次 面 臨 重 大 環 境 危 機 後 ，地 球 科 學 家 不僅 要 面 對 每 一 次 的 挑 戰 ，進 而 開 始 改 變 其思 考 模 式 ， 重 新 思 考 地 球科 學 所 應 涵 蓋 的範 圍 。 在 藉 由 系 統 科 學 概念 的 後 設 分 析 中， 我 們 可 以 發 現 在 聖 嬰 現象 的 研 究 中 ， 嘗試 結 合 傳 統 不 同 研 究 領 域的 概 念 —「 海 氣 系 統 」 出 現 了 ； 在 臭 氧 洞 的 危 機 後 ， 不 僅蒐 集 觀 測 資 料 與 分 析 資 料的 方 式 改 變 了 ，更 重 要 的 是 開 始 重 視 人 類活 動 對 自 然 環 境的 影 響 ； 而 後 在 氣 候 變 遷的 研 究 中 ， 更 提出 「 地 球 系 統 科 學 」 的 概念 ， 嘗 試 結 合 自然 環 境 的 變 動 與 人 類 活 動的 影 響 ， 來 分 析地 球 系 統 所 可 能 的 變 化 。這 是 不 是 一 次 科學 革 命 ， 目 前 尚 未 有 定 論， 但 是 這 種 思 維的 轉 變 ， 已 經 對 地 球 科 學界 帶 來 許 多 影 響與 衝 擊 ， 那 就 是 地 球 系 統科 學 不 僅 包 含 自然 科 學 的 研 究 ， 更 將 因 應人 類 活 動 而 生 的社 會 科 學 ， 如 政 治 、 社 會、 經 濟 和 法 律 等一 起 涵 蓋 進 來 。 因 為 人 類有 形 與 無 形 的 活 動 ， 不 僅 會 影 響 地 球 自 然 環 境 ， 同 時也 對 人 類 本 身 產 生 衝 擊 。 這 些 思 維的 轉 變 ， 對 人 類 的 未 來 更是 有 決 定 性 的影 響 ， 那 就 是 所 謂 的 「 永續 發 展 」 (sustainable development)。 究 其 英 文 原 義 sustainable 指 的是 「 可 承 受的 」， 也 就 是 在 地 球系 統 的 思 維 下 ， 人 類 活 動與 自 然 環 境 都 是主 要 的 構 成 元 素 ， 而 人 類的 活 動 對 自 然 環境 會 產 生 影 響 ， 相 對 地 ，自 然 環 境 也 會 制約 人 類 的 活 動 。 所 以 人 類在 考 慮 對 自 然 所可 能 產 生 的 影 響 下 ， 就 應採 取 「 自 然 環 境可 承 受 」 的 思 維 來 進 行 各項 活 動 ， 這 即 是「 資 源 的 使 用 不 超 過 資 源再 生 的 速 率 ， 廢棄 物 的 排 放 不 超 過 自 然 環境 分 解 或 承 載 的能 力 ， 對 自 然 環 境 的 影 響不 超 過 自 然 調適 的 速 率 」(Daly, 1993)，期而 減 輕 人 類 與 地球 所 承 受 的 變 動 ， 進 而 減緩 全 球 變 遷 的腳 步 。

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投 稿 日 期： 民 國 95 年 05 月 09 日 接 受 日 期： 民 國 95 年 06 月 02 日

From “Earth Sciences” to “Earth System Science”:

A Paradigm Shift to System Theory and Holistic

Approach

Yi-Wen Hung

1

Ying-Shao Hsu

2*

1 _{Taipei Municipal Yang-Ming high school}

2 _{Department of Earth Sciences, National Taiwan Normal University}

Abstract

Intensified El Niño, ozone destruction and climate changes not only pose major threats to the Earth, but also challenge the conventional studies of Earth Sciences. To study and understand these complicated phenomena, scientists would have to take interdisciplinary approaches, as well as human’s influence, into account. Beginning with the review of the history of three crises we ever had, this paper advances in discussing what system theory is and how it provided Earth science with a new conceptual framework. The conceptual framework of Earth System Science holds a new holistic approach toward re-evaluation of the very nature of the complexity and non-linearity of the Earth System, and study of various biophysical and biogeochemical interactions in the system. Finally, the application of Earth System Science to scientific research is illustrated by cases of recent progress in climate modeling and simulation.