走入人群的研究者--劉紹臣

撰文╱李名揚
 

　　現在全世界最熱門的話題就是「節能減碳」，中央研究院的「環境與能源研究小組」在今年初對政府提出因應全球暖化的能源政策建言，包括逐步課徵能源稅、限制高耗能工業的設立、支持核電等，這份建言背後最重要的推手，就是中研院環境變遷研究中心主任劉紹臣。

　　約訪劉紹臣是在一個陽光燦爛的週六早上，他已習慣週末先到中研院院區散散步，再到研究室工作。不過他進研究室的第一件事卻是打開電腦聽線上音樂，「人生總不能一天到晚寫論文，生活要豐富一點。」劉紹臣說。對他而言，工作和生活已經融為一體。

　　近幾年，劉紹臣到處演講氣候變遷的影響與節能減碳的重要性，光是過去半年就至少演講了10場，還上電視宣導，「這是做國民的責任，我不去講，別人去講，講錯了，也是我的錯，因為人家明明要我去講的。」他認為科學家不應關在象牙塔內，自顧自地做研究，若研究的是與社會有關的問題，就應該盡量貢獻一己之力。

　　就是這種強烈的使命感，讓他在1999年放棄美國喬治亞理工學院的高薪工作，返台籌設中研院環境變遷研究中心；去年更因參與聯合國跨政府氣候變遷研究小組（IPCC）的研究工作，在IPCC和美國前副總統高爾同獲諾貝爾和平獎後，他也成為「5000分之一」的諾貝爾和平獎得主（參與IPCC工作者約有2500人）。

研究「越做越低」 
　　劉紹臣1944年出生於中國河北省的小農村，當時正是抗日戰爭後期，河北省表面上由日本佔領，實際上鄉下地方全是共產黨的勢力範圍。劉紹臣的父親在家鄉原是小地主，抗戰勝利後深怕被共產黨鬥爭，於是舉家遷到台灣。

　　在台中豐原長大的劉紹臣從小功課就好，受到楊振寧和李政道獲得諾貝爾物理獎的激勵，台中一中畢業後保送進成功大學物理系，1967年到美國匹茲堡大學攻讀物理博士。當時前蘇聯和美國正展開太空競賽，前蘇聯已經發射人造衛星，太空科技領先美國一步；美國為求迎頭趕上，把大量資源投入太空和大氣物理的研究，劉紹臣也順勢進入這個領域。

　　說起研究，講話慢條斯理的劉紹臣語氣突然變得興奮，他熱切地介紹他的博士論文：地表的水蒸發到高空後，會受紫外線照射分解為氫和氧，氫氣非常輕，會一直上升，最後脫離地球引力範圍，逃逸到太空中，造成地表水份的損失；不過地表水份損失並不嚴重，「經過45億年，海平面大約降低了10公尺，和海洋平均深度4公里相比，只是很小的一部份。」

　　劉紹臣拿到博士學位後兩年，臭氧層遭受破壞的問題開始受到重視。一開始是美國航太總署（NASA）想要研究火箭引擎排放的氯化物會不會對大氣造成影響，1974年密西根大學副研究員西塞朗（Ralph Cicerone，現為美國國家科學院院長）首先提出「氯化物會破壞臭氧分子結構」的研究報告，加州大學爾灣分校教授羅蘭（Sherwood Rowland）和博士後研究員莫里納（Mario Molina）隨後提出「氟氯碳化物（CFC）會在平流層累積，對臭氧層造成嚴重破壞」的理論，這項研究成果使他們和荷蘭科學家克魯琛（Paul Crutzen）共同獲得1995年諾貝爾化學獎。

　　當時劉紹臣和西塞朗同在密西根大學太空物理實驗室任職，專研對流層臭氧的光化學生成機制，他戲稱自己的研究「越做越低」，從太空、平流層做到對流層。

　　1977年，劉紹臣進入美國海洋暨大氣總署（NOAA）高空大氣實驗室工作，一待就是19年。這期間他最得意的作品是1987年發表的臭氧研究，他發現臭氧生成與臭氧前驅物的關係是非線性的，並推導出這種關係對全球對流層臭氧分佈與密度的影響。

　　劉紹臣說明，對流層的臭氧，主要是由兩種光化前驅物（氮氧化物和碳氫化物）混合在一起，受到紫外光照射所產生；汽車、火力發電廠都會排放這兩種物質，所以人口密集區的臭氧濃度較高；「非線性」的意思則是，大氣中最先產生的少量臭氧前驅物，會生成最多臭氧，當前驅物數量增加時，臭氧的生成量雖然也會增加，但沒有一開始增加得那麼快。這表示臭氧的生成非常難控制，因為即使把前驅物的產量減到很低，還是會生成相當多的臭氧。

　　這種非線性關係使得大氣中的臭氧分佈範圍變大，劉紹臣說，大氣高度1.5公里以下為「邊界層」，人為排放的臭氧前驅物通常都在這個高度以下，但夏天對流旺盛，會使一小部份臭氧前驅物上升超過高度1.5公里的「逆溫層」，進入「自由對流層」，由於臭氧生成的非線性關係，只要一點點臭氧前驅物，就能生成很多臭氧，因此自由對流層中也有臭氧分佈。

舊科學會被新證據推翻 
　　2002年以來，劉紹臣被ISI引文索引資料庫選為全世界論文被引用次數最多的學者之一，可見他的研究對大氣科學領域的影響非常深遠。他看待科學的態度是「科學不應成為信仰，要看新證據」，他的研究主要是根據現有觀測資料建立大氣模式，再藉此推導後續發展及影響，但因大氣中的變數太多，每建立一套模式，總會牽扯出更多問題；而且只要有新的觀測成果出來，就會出現另一套解釋，模式就必須修正，所以他的研究可說是在挫折中前進。

　　這在大氣科學領域是很正常的事。劉紹臣曾和NOAA的同事克萊（Dieter Kley）在1981年共同發表對流層臭氧在有人類以前的主要來源，他們認為是地面一氧化二氮（N2O）升到平流層，氧化成氮氧化物降回對流層，碰到樹木、地面、海底放出的甲烷所生成，這項研究獲得NOAA當年的傑出論文獎。但過了幾年，他們又自行修正，認為氮氧化物的更大來源應是對流層高層雷雲放電所造成。

　　1997年克魯琛到喬治亞理工學院演講，順便探望老朋友劉紹臣，看到牆上掛著NOAA最佳論文獎的獎狀，哈哈大笑說：「我本來就不信平流層下來的氮氧化物會那麼多，這也能得獎？」過了兩年，在克萊的60歲慶生研討會上，劉紹臣緊跟著克魯琛之後演講，他趁機「答辯」說，克魯琛當年獲得諾貝爾獎的研究，其實後來發現錯誤更大，因為臭氧洞的成因及生成地點都錯了，只有CFC會破壞臭氧層是對的，相較之下，他和壽星克萊犯的錯誤小太多了，結果引來哄堂大笑，包括克魯琛自己。…

【本文轉載自《科學人雜誌》2008年8月號】