二氧化硫：上年貨大街前先漂白一下

• 作者／邱麒豪（國立中央大學大氣物理研究所博士候選人）、劉千義（中央研究院環境變遷研究中心副研究員）

咦！地球彼端的火山爆發和我們有什麼關係？

距離臺灣八千多公里的東加王國發生了前所未有的火山爆發，當太平洋周遭國家開始擔心海底火山噴發引起海嘯的同時，卻有更多不為人知的事情正悄然發生。到底火山噴發的同時除了引發海嘯還造成什麼樣影響呢？讓我們一同來瞭解！

看不見也摸不著的氣象波動——大氣重力波

大氣的重力波現象並不罕見，通常是垂直方向上的氣塊受到擾動，在浮力（作為恢復力）與重力的雙重影響下而在水平面上形成振盪式的波動。

常見的氣流流經山峰並在背風處產生圓盤狀的雲系（莢狀高積雲），以及晴朗穩定天氣下出現的波狀高積雲即為大氣重力波在自然這張畫布下最好的圖繪。而火山爆發，同樣有機會引起大氣重力波。

西元 2022 年 1 月 15 日，臺灣時間下午 12 時 20 分（事發當地時間下午 5 時 20 分）左右，位於西南太平洋島國——東加王國首都努瓜婁發（Nuku’alofa）北方65公里的洪加湯加－洪加哈派（Hunga Tonga-Hunga Ha’apai）海底火山大規模爆發，伴隨而來的地震與引起的海嘯引發世界的關注。

這場可能是 21 世紀以來最大規模的火山噴發，其一連串的後續效應不僅被地震儀及海象儀器記錄下來，當天下午 8 時左右，臺灣的氣象站也陸續觀測到海底火山噴發造成的氣壓變化，根據觀測資料顯示，這次的海底火山噴發事件在臺灣造成的氣壓變化量約 1 至 2 百帕（hPa），這大約是日常標準大氣壓力的千分之一至千分之二的變動（圖一）。

若將地面氣壓資料的解析度提高到每分鐘，並將中央氣象局109個局屬測站由東南向西北排列，繪製成臺灣高密度測站氣壓擾動的二維時間序列圖（圖二），火山噴發由東南向西北傳遞的能量作用於大氣中最先於臺灣東南方的蘭嶼測站測量到，時間上和最晚被觀測到的馬祖測站相差約 25 分鐘。其次，火山噴發造成的大氣波動除了氣壓變化最為劇烈的主波外，尚有前導波與數次的餘波產生。

綜觀全球的大眼睛——從氣象衛星看見大氣重力波

從上圖可以觀察到，這些波動的週期約為 10 到 15 分鐘，不容易從 10 分鐘的觀測資料中發現。目前在西太平洋與東太平洋地區監測的地球同步衛星向日葵八號（Himawari-8）與 GOES-17，可分別提供 2.5 分鐘與 1 分鐘高解析度的衛星觀測，對於高頻的大氣波動將有比過往更好的解析能力。

不只是地面氣象觀測站，位於地球上空 3 萬 6 千公里的地球同步衛星同樣也捕捉到火山噴發的證據。日本氣象衛星 Himawari-8 觀測到火山噴發後產生的陣陣漣漪（圖三），以火山噴發口為中心產生的漣漪即為大氣的重力波現象。

東加王國所在的區域不僅位於向日葵八號的觀測網內，也涵蓋在美國的地球同步衛星 GOES-17 監測之中。下圖（圖四）為 GOES-17 氣象衛星紅外線水氣頻道每 10 分鐘的亮度溫度差，藉由對流層中層的水氣頻道雲圖可以明顯看到火山爆發產生的內重力波由火山口為圓心向外傳遞。

火山噴發引起快速上升的氣流與火山灰造成的重力波現象在學理上是可行的，但在觀測上實屬少見，特別是海底火山能將大量的火山灰與氣體穿過海洋快速釋放至大氣中，並造成如此壯觀的大氣波動並不是件容易的事。

這場大氣波動產生的雲系高度深，範圍廣，觀測到的雲頂紅外線亮度溫度達 -105.18ºC 可能打破了自 20 世紀末有雲頂溫度的監測以降，最低溫的紀錄（圖五）。

除了上述的兩顆地球同步衛星，搭載於美國國家航空暨太空總署（NASA）之 Aqua 衛星上的大氣紅外探空儀（Atmospheric Infrared Sounder，AIRS）也同時發現了此一現象（圖六）。德國尤利希超級運算中心的大氣科學家——霍夫曼博士（Dr. Lars Hoffmann）說：「AIRS 自 2002 年 5 月開始觀測以來，從未在過往的火山噴發個案中發現過類似的情況」，這也意味著這次的海底火山噴發事件是前所未有的劇烈。

英國牛津大學物理系大氣、海洋與行星物理組的氣候科學家 Scott Osprey 博士也表示：「這次噴發可能會干擾熱帶地區風向週期性的逆轉，長遠看來或許會造成歐洲地區天氣型態的改變，必須非常小心地關注它造成的變化」，可見整個地球系統都可能因為這次的火山爆發造成巨大的影響。

雲圖之外——衛星於汙染物探勘之應用

衛星不僅僅能夠監測雲層的移動與大氣中的水氣分佈，近年來較為廣泛的應用是使用衛星針對大氣中的汙染因子做大範圍的遙測。舉凡工業污染排放之氣溶膠、交通源排放之二氧化氮，以及生質燃燒產生之煙塵與黑碳微粒，均可藉由衛星的觀測進而推估汙染程度，並搭配氣象模式的模擬進行短期的預警。

下圖（圖七）為 NASA 的 Suomi-NPP 衛星觀測到的氣膠垂直剖面分佈與雲頂高度，可以清楚看到伴隨火山噴發的氣膠粒子衝破對流層進入平流層，高度可達 30 公里。這些氣膠粒子在平流層中不易沉降至地表，長期下來可能會對氣候造成重大影響。舉例而言，氣膠依照光學特性的不同可粗略分為散射能力較強與吸收能力較強的兩大群體，散射能力較強的氣膠進到平流層中將造成更多的太陽短波輻射被反射回外太空，進而降低地球平均溫度（氣膠直接效應）；反之吸收能力好的氣膠則是會讓地球溫度上升。

而對流層中的氣膠對氣候的影響更為複雜，會進一步改變雲的微物理狀態，在特定條件下吸濕性高的氣膠容易成為雲的凝結核，若大氣中的水氣含量不變，這些新形成的雲凝結核有可能與大氣中既有的雲滴競爭原先的水氣，進而致使雲滴數目增加且雲滴平均的粒徑降低，進而散射截面積增加，反射更多太陽光而達到降溫的效果。但也因為雲滴粒徑變小後，變得不利於雲滴粒子間的碰撞合併過程而形成為雨滴，使得地表降水減少與雲的生命週期增加，此謂氣膠間接效應。

不管是氣膠的直接效應或是間接效應都非常複雜，會受到氣膠種類、氣膠數量、氣膠粒徑分佈、大氣條件等影響，也正因為充滿了各種不確定性，氣膠的氣候效應預測非常困難，目前還需要更多的觀測，特別是用大範圍的衛星觀測加以驗證與評估。

火山噴發除了氣膠粒子的污染以外，對環境造成的另一個衝擊是大量的氣體被釋放到大氣中。常見的火山氣體有：水氣（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、二氧化硫（SO₂）、硫化氫（H₂S）與氮氧化物（NO_x）等。

以二氧化硫為例，評估大氣中微量氣體多寡的單位為杜布森（Dubson， DU），指的是一大氣壓的空氣柱中，該氣體分子累積起來的厚度（垂直積分）多寡。若將氣柱中的二氧化硫全部累積在一起相當於 10 微米厚，稱為 1 DU 的二氧化硫。SO₂ 氣候平均值約略低為 0.5 DU，歐洲氣象衛星開發組織（EUMETSAT）的 MetOP-B 與 MetOP-C 觀測到的峰值高達 50 DU 以上，高於氣候平均值 100 倍。（圖八）

氣象與環境衛星遙測之展望

近年隨著科技的發展與遙測技術的精進，氣象衛星能提供的不僅僅是精美的天氣雲圖，還有許多從雲圖看不出來的科學議題可加以探討。這些科學議題不單只存在於象牙塔內，更多且更重要的是生活上的應用。社會大眾關心的是：下午的聚會會不會下雨？明天空氣汙染有多糟？或是下禮拜一晚上會多冷？

衛星掩星觀測技術的發展（如：福衛三號、福衛七號、Sentinel-6 等）補足了廣大洋面探空資料的缺失以及人力施放的不足，蒐集偏折角資訊與折射率變化推估出的大氣垂直溫溼度剖面，藉由數值預報模式的資料同化系統改善天氣預報的誤差。

汙染物濃度的監測也可以藉由衛星的觀測進行評估，不論是民眾在乎的近地表懸浮微粒濃度抑或是工業燃燒造成的空氣汙染，皆可藉由衛星的探測第一手掌握（如文章提到的 MetOP-B、MetOP-C 以及 Sentinel-5P）。

降雨來自天空中的雲，若能對雨的前驅物—雲有更深的瞭解，降雨的推估也能做得更準確。以我們所處的東亞地區而言，像是以 Himawari-8 觀測而開發的雲微物理科學資料，或是國際上整合多重衛星觀測的日本 GSMaP 、美國 NASA IMERG 等衛星推估的地面降水資料就是很好的例子。

當然，科學的發展並不是單純為民生服務，但在發展科學的同時能兼顧民眾的福祉相信也是社會大眾所樂見的。

延伸閱讀

1. Liu, C.-Y., C.-H. Chiu, P.-H. Lin, and M. Min (2020), Comparison of Cloud‐Top Property Retrievals from Advanced Himawari Imager, MODIS, CloudSat/CPR, CALIPSO/CALIOP, and radiosonde, J. Geophys. Res., Vol 125.
2. Lin, C.-A., Y.-C. Chen, C.-Y. Liu, W.-T. Chen, J. H. Seinfeld, C.-K. Chou (2019), Satellite-Derived Correlation of SO2, NO2, and Aerosol Optical Depth with Meteorological Conditions over East Asia from 2005 to 2015. Remote Sens., Vol 11, 1738.
3. “Explosive eruption of the Hunga Tonga volcano” in CIMSS Satellite Blog.
4. “Tonga volcano eruption created puzzling ripples in Earth’s atmosphere” in nature’s news article.
5. 中央氣象局預報中心副主任黃椿喜博士臉書
6. 「報天氣-中央氣象局」臉書粉絲專頁

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局委託，泛科學企劃執行

撰文／林宇軒│自由寫手

大家應該還記得寒食節吃潤餅的小故事吧？春秋時代晉文公為了感念在過去流亡的時候幫助自己的介之推，打算冊封他於綿山，可是介之推不願意做官、避不下山，晉文公一怒之下下令放火燒山，卻意外燒死了恩人介之推。懊悔不已的晉文公設立了「寒食節」，規定此節期間都不可生火煮食，民間因此衍生出以餅皮包著食材吃的食物。

編按：根據《每日一冷》的介紹，其實「晉文公燒山」的故事並無史籍紀載證明，很可能是野史附會，卻成為後人傳頌的民俗故事。

到了現代，寒食節已與清明節合併，「吃潤餅過清明」可說是一種民俗風尚，每年到了這個時候，很多人家裡都會準備上一些來享用。

然而如此美味可口的潤餅也曾發生過食安事件，2015 年宜蘭縣政府衛生局就曾查出有不肖業者為了要讓潤餅皮維持白色、擁有 Q 彈口感，並且防腐保鮮，竟在潤餅皮中加入非法的食品添加物「吊白塊」。究竟，吊白塊是什麼東西，竟然可以達到這麼多驚人的功效？這麼「好用」的物質，又為什麼要被禁止添加進食品中呢？

吊白塊的正確使用方法：破壞結構使顏色消失

吊白塊其實是「甲醛次硫酸氫鈉」的俗名，時常在紡織品的染色步驟中擔任「還原劑」的角色。因為布料印染大多用的是偶氮類染料，因此使用次硫酸氫鈉這種強還原劑，能把染料分子偶氮雙鍵打斷，結構被破壞而使得顏色消失，這樣的步驟稱為「拔染」或「雕印」，因此被稱為「雕白粉」或「吊白塊」。

吊白塊的外型為半透明白色的結晶或小塊，易溶於水，合法的主要用途是工業用的漂白劑。它是甲醛結合亞硫酸氫鈉後再還原製成，因此分子本身比較不穩定，遇到酸性環境或加熱超過 60°C 就會分解，變成甲醛和次硫酸氫鈉，而次硫酸氫鈉還會再進一步分解出二氧化硫。

吊白塊在高溫下也有很強的還原性，因此可以漂白食品（但是不合法喔！）；除此之外，分解之後產生的二氧化硫氣體，同樣也具有還原力，也能達到漂白潤餅皮的效果 ── 這件事大家應該不陌生，例如某些製造商為了維持免洗竹筷的顏色，也會添加二氧化硫以漂白產品[1]。

另外，吊白塊的還原性也會破壞食品中的蛋白質結構，讓蛋白質分子互相連接變成凝膠狀，使食品產生 Q 彈、有嚼勁的口感。

這麼好用，為什麼要禁止呢？

前面有提到，不肖廠商之所以把吊白塊加入潤餅皮，還因為看上了它「防腐」的功能。那麼明明是漂白劑的吊白塊，為什麼能夠防止食物腐敗呢？這是因為吊白塊會分解出甲醛，甲醛容易氧化成甲酸，其還原性能夠協助食物保存，讓潤餅皮保成品存放更久。而這邊也補充甲醛更深一層的應用：濃度 30-40% 的甲醛水溶液就是俗稱的「福馬林」，可是標本或屍體防腐的好幫手呢！

吊白塊既可以改良外觀與口感又能防腐，聽起來很讚啊！為什麼要禁止人們加入食品中呢？問題仍然出在甲醛身上！

人若接觸過多的甲醛，呼吸道或結膜等黏膜區域容易被刺激而過敏，甚至可能引起腸胃不適、噁心或嘔吐；加上甲醛已經被國際癌症研究中心 IARC 列為「對人類有明確致癌性」的第一類致癌物，因此縱然吊白塊對改善產品有不少好處，仍然不適合被人類吃下肚。

如何避開吊白塊潤餅皮？觀察外觀、低溫保存

因為其對健康的危害風險，吊白塊在許多國家都不被允許添加到食品中，今年（2017），化學局更將吊白塊列入需要從源頭控管流向的化學品，希望能降低其流入食品的風險。

如果你還是很擔心所吃的潤餅皮可能含有被吊白塊成分，根據我們剛聊到的幾個添加吊白塊會產生的特色：「漂白」、「Q 彈與嚼勁」、「防腐」，你可以在挑選潤餅皮的時候注意以下幾點：

1. 避免挑選顏色過白，甚至白得有點不自然。
2. 避免挑選過脆或太軟 Q、韌性過高。
3. 聞聞看有無異味。
4. 業者宣稱常溫下可保存多時的不要購買。

最後，購買後也應儘量趁新鮮食用，否則要放冰箱冰存，可別避開了吊白塊，結果吃到腐敗的食物鬧肚子痛啦！

註解：

[1] 根據衛福部公告的「免洗筷衛生標準」，免洗筷中二氧化硫殘留量應為 500ppm 以下，過氧化氫及聯苯則為不得檢出。

參考資料：

1. (新聞) 潤餅皮違法添加吊白塊　新北驚爆製作商已使用20年 – 東森新聞雲
2. (新聞) 不肖業者”吊白塊” 潤餅皮Q彈又防腐 – 公視新聞
3. 認識吊白塊 – 健康主題網, 彰化縣衛生局
4. 吊白塊是什麼?其成分、用途及危害為何? – 食品生活網-台灣食品科學技術學會
5. 甲醛次硫酸氫鈉 Wikipedia
6. 甲醛次硫酸氫鈉Sodium Formaldehydesulfoxylate – 國家衛生研究院
7. 國家環境毒物研究中心-甲醛