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破解「擦擦筆」筆跡隱形祕密

childsci_96
・2014/02/22 ・1712字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 501 ・六年級

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文.圖/黃鴻裕 漫畫/大腳

魔擦筆 w現在流行的魔擦筆,筆頭明明不是橡皮擦,但只要擦一下,墨水顏色就會消失,為什麼呢?讓我們一起來實驗、觀察。

之前有新聞報導詐騙集團利用魔擦筆容易擦拭的特性行騙,實際擦拭過後仔細觀察,會發現字跡並不是真的消失,而是變透明了。那麼,字跡有可能再次浮現嗎?要解答疑問,就要先了解墨水。

變色秘密──三個成分,好寫好擦

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如果把墨水放大觀察,可以見到許多顆微型膠囊,有如一粒粒迷你版的涼圓,均勻地懸浮在透明的溶劑裡。這些膠囊的尺寸大約只有頭髮直徑的1/40,而且相當堅固、不易瓦解,能保護好藏有變色秘密的「餡料」不外露,使得書寫起來滑順流暢,墨色均勻一致。

讓墨水具備這種特色的核心為「餡料」,它是一種會隨著溫度變化而轉換顏色的材料,由三個關鍵成分組成,分別是染料、顯色劑和變色溫度調整劑。筆跡消失的過程大致來說是利用溫度改變這三者的互動情形,將墨水從有色狀態切換到無色狀態,使紙上的字因此消色匿跡,看起來和隱形沒兩樣。不過事情可沒那麼簡單,開發人員投入大量時間與心力,進行許多嘗試,掌握了那三個成分的特點,才有辦法讓墨水「適時」地變色。

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染料、顯色劑與變色溫度調整劑各自有不同的功能。墨水的顏色取決於染料,但是它要與顯色劑相互結合,使自己的分子結構變形成有色形態之後,才會顯現色彩。在加熱後,會與顯色劑分離,變回無色形態。但光是這樣,還不算是「好擦」的墨水。為什麼呢?原因是對溫度的改變不夠靈敏,顏色不會瞬間消失,當溫度下降之後,色彩就會漸漸回復。這個狀況在變色溫度調整劑加入後,開始有了不一樣的變化。起初,對溫度變化遲鈍的情形因此得到大幅地改善,能夠迅速變色。但也讓變色溫度範圍縮窄,所以只要溫度稍微降低一點,墨色立即還原。之後研究人員開發出新的調整劑,把墨水的變色溫度範圍拓寬,能夠用在書寫又便於擦拭的墨水就此誕生。

「好寫,好擦,好乾淨」到底好在哪裡呢?新型調整劑能夠設定墨色在特定溫度(攝氏 60 至 65 度)以上時消失,而且當溫度降回室溫時,依然處於透明無色的狀態。因此只要利用筆蓋上的特殊橡皮擦頭,透過摩擦生熱的原理,讓紙面的溫度瞬間提高,那麼筆跡就會隱形,看起來就像被擦掉一樣。如果想一次清除大面積的筆跡,可以用吹風機試試看喔,魔術效果十足!

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這到底是怎麼辦到的呢?在一般書寫的情況下,微型膠囊裡的染料與顯色劑相互結合,賦予墨水顏色。這時候的調整劑處於固態,不會干擾它們結合,本身也沒有顏色,所以對墨色沒有任何影響。不過,當溫度升高至變色溫度時,調整劑融化,開始活動起來,出手妨礙染料與顯色劑相互結合,讓它們彼此分離。染料的分子結構因為這樣而變成無色形態,使顏色消失。之後即便降回到室溫,調整劑還不會就此凝固,所以墨色依舊呈現透明樣貌。

再現的筆跡──低溫冷凍,回復色彩

融化?凝固?難道一度消失的字跡,還有再次浮現的機會?沒錯!那該怎麼做?答案是低溫冷凍。準備一個夠大的夾鏈袋,把文件放進去封好,再放到冰箱冷凍即可。想用急凍噴霧也行,但是安全第一。只要溫度夠低(零下10至20度),紙面上曾經被擦掉的筆跡,就會重新顯現。

其中的原因是當溫度降到復色溫度時,變色溫度調整劑開始凝固,阻擋染料與顯色劑結合的能力驟降,而染料會在這時候與顯色劑重新相互結合,再次變形成有色形態,墨色因此得以回復。而且回升至室溫之後,顏色也不會消失。因為調整劑還在「冬眠」呢。開發人員就是利用調整劑的這項特性,讓墨水在溫度高於室溫許多時變色,在遠低於室溫時回復色彩。

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不過有兩種情況會讓墨水的顏色無法再次顯現。如果墨水被加熱到很高的溫度或是長時間受到紫外線照射,那些關鍵成分會因此分解,失去原有的特性,也就不再能利用溫度變化使墨水隱形和恢復顏色了。回過頭觀察這類色筆的包裝和使用說明,便能了解為什麼會採用不透光的設計,包得緊緊的,目的是避免筆芯裡的墨水曬到太陽。

知道變色原理之後,除了把墨水用在書寫之外,是不是有其他的「玩法」?只要不心存歹念,一切OK。另外,回憶一下,生活週遭還有哪些會隨著溫度變化而轉換顏色的事物呢?它們被用在什麼地方?又是何時發揮作用?找個時間好好觀察,抽空想想唷!

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【成語科學】青出於藍:用藍草提煉出的藍染染料——靛青
張之傑_96
・2023/10/04 ・1065字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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戰國時大哲學家荀子寫過一篇〈勸學〉,鼓勵大家好好學習。

文章中有這樣一段話:「青,取之於藍而青於藍;冰,水為之而寒於水。」意思是說,靛青是從藍草中提煉出來的,但顏色比藍草還要青;冰是水結凍而成的,但溫度比水還要低。

成語「青出於藍」就是從這段話演變出來的,用來比喻弟子勝過老師,或後輩優於前輩。談到這裡,讓我們造兩個句吧。

他的繪畫得自母親傳授,但已青出於藍。

名師出高徒,這些學生早已青出於藍了。

接下去要談談這個成語的科學意涵了。首先要說明的是:「青」這個字,除了有綠的意思,也有藍的意思;譬如「青天」,指藍天;青瓷,指藍色的瓷器;靛青,指一種藍色的染料,用來「藍染」,將白布染成藍色。

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譬如「青天」,指藍天。圖/pixabay

靛青,一般稱作靛藍。用來提取靛藍的植物主要有 4 種:爵床科的馬藍,豆科的木藍,蓼科植物蓼藍和十字花科的菘藍。台灣一般將藍草稱作大菁,其中最常用的是馬藍。

提取藍靛,首先要將馬藍的新鮮葉子浸泡在水中,讓葉子腐爛,溶解出藍靛。然後撈出腐爛的葉子,加入適量的石灰,攪拌,使藍靛和石灰起化學作用,待沈澱成不溶性的泥狀物,取出過濾,就可以得到藍靛。

泥狀物的靛藍,不溶於水,無法直接染色,必需先將其「還原」成暗綠色染液,這個過程稱為「建藍」。建藍的工序很複雜,限於篇幅,就不多說了。當要染的布自染缸中取出,染料一接觸空氣,就會進行「氧化」作用,再度「還原」成為不溶性的靛藍。

染布的時候,要反覆地在染缸中浸泡,取出擰乾、晾曬,讓染料與空氣中的氧起氧化作用,就會從暗綠色轉變成藍色。染的步驟重複愈多次,色調就會愈深。染好了用水漂洗,洗到水變清為止,然後以醋定色,晾乾後就大功告成了。

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藍染的時候,如果按照事先設計好的方式,把布紮起來,被紮緊的地方染色較淺,這樣就可以染出自己設計的圖案,這是藍染最迷人的地方。

藍染可以染出自己設計的圖案,這是藍染最迷人的地方。圖/pixabay

自從有了化學染料以後,費時、費工的藍染漸漸退出歷史舞台。然而藍染的藝術性以及個性化,使得這一流傳幾千年的工藝仍綿延不絕。如今三峽等地仍有藍染作坊,如三峽歷史文物館旁的藍染展示中心,還可供人 DIY 呢。

張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

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賽道上高溫與摩擦的平衡!賽車最重要的配件「剎車」——《黏黏滑滑》
晨星出版
・2023/01/06 ・3272字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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度影響剎車的抓力

雖然似乎有點違背直覺,但是煞車是高速駕駛不可或缺的一環。不管是在哪個賽車場,駕駛的目標之一就是保持在賽道的最佳路徑(racingline)—繞行賽道的最短路徑。所以駕駛過彎時不會沿著急轉彎處長長的外彎道前進,而是「夾著」彎道的內側,稱為彎頂點(apex,即過彎路線中最接近彎道內側的點)的地方,以將他們必須行駛的距離縮到最短。

這麼做需要非常精準的煞車:要在剛剛好的時間對煞車踏板施予剛剛好的壓力。當他們辦到時,駕駛就會出現在賽道轉彎處的絕佳位置,且依然帶有征服下一段賽程所需的速度。但是這樣的開車方式會耗損煞車;而且有些賽道沒什麼機會可以讓煞車冷卻。

以世界知名的摩納哥街賽道來說。雖然僅長3.34 公里(2 哩多),是F1 賽程中最短的賽道,但是卻必須不斷踩煞車和加速。煞車製造商布雷博(Brembo)指出,2019 年賽季中,駕駛們每一圈使用煞車 18.5 秒,多過總賽程的四分之一。

在需求最高的轉彎處,汽車要在不到 2.5 秒的時間內將時速從 297 公里(185 哩)減至 89 公里(55 哩);這會將大量動能快速轉換成熱能,難怪煞車碟盤會冒出火花。為了要負荷這樣龐大的熱負載,製造商在每個煞車碟盤的邊緣鑽入細小的徑向孔—數量超過 1000 個。

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這樣的小孔可以增加煞車碟盤的表面積,比較容易散熱。但是也具有通氣孔的功能。與安裝在各個輪框上的大型冷卻管相結合時,可以把冷空氣拉入煞車碟盤中心,把熱空氣從邊緣帶走。還有個額外優點,這些F1 煞車碟盤相當輕,重量約各為1 公斤(2.2 磅),相較之下,差不多大小的鑄鐵煞車碟盤則為 15 公斤(33 磅) 。

所以為什麼不全面使用這種煞車碟盤呢?有個原因是價格—每片煞車碟盤可能要價高達 2000 美元(約 1500 英鎊) ,而且要六個月的時間才能製成。它們也不太耐久,通常每次比賽後就得更換。最後,它們受限於一定的工作溫度,只能處於 350 ∼ 1000℃。

低於溫度下限時,它們幾乎不具有停止能力—煞車片與煞車碟盤無法產生足夠的抓力。但是如果煞車的溫度高於上限值太久,則會災難性地失靈。如馬歇爾對我描述的,「彷彿在踩縫紉機。當這種狀況發生時,煞車碟盤耗盡『材料』的速度有多快,簡直難以置信。」

科技有助於車隊和駕駛控制他們的煞車,但是就跟 F1 的大部分狀況一樣,沒那麼簡單。冷卻管的大小與形狀可控制流經煞車碟盤的空氣量,所以你可以想像管子愈粗愈好。

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但是如 F1 傳奇工程師帕特.西蒙茲(PatSymonds)告訴《賽車工程》(Racecar Engineering)雜誌的,冷卻有其後果:「遇到像蒙特羅這樣需要一直踩煞車的賽道,我們被迫使用一些該賽季最粗的管子。從最細的冷卻管換到最粗的冷卻管,會犧牲 1.5%的空氣動力學效率,這代表最高速度時速會減少 1 公里。」

我可以想像這會引發車隊的煞車工程師與他們的空氣動力學家爭辯。就連測量煞車配件的溫度都不容易。馬歇爾告訴我,在奧斯頓馬丁 F1 車隊中,他們會在煞車片的安裝托架中埋入高溫的熱電偶,和一系列直接朝向煞車碟盤的遠紅外線感測器。電視轉播賽事時偶爾會出現的彩色熱影像,主要是為了給我們這些觀眾看—顯示出他們建議的最高溫度。

剎車片的抓力在彎道時高速剎車時至關重要。圖/envatoelements

摩擦介面與溫度控制

煞車片與煞車碟盤之間還有另一個重要的過程是磨耗。所有滑動與摩擦都會對兩個表面造成實質傷害;每次煞車作動,兩者都會有微粒破裂。在煞車系統的使用期間,這會逐漸降低材料的摩擦係數—換句話說,會失去它們的抓力。

但這不只是因為彼此的表面被「磨光」,或是失去黏性。磨耗也會形成摩擦膜(tribofilm)這種東西—煞車片與煞車碟盤相接觸時壓碎的一層非常薄的細粒狀材料。「談到磨耗與摩擦力,摩擦膜非常有影響力,」英國里茲大學(University of Leeds)的沙赫里爾.柯沙利(Shahriar Kosarieh)說。

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「我們把這層膜視為『第三體』,因為儘管它是由互相滑動的那兩種材料製成,其化學與機械性質還是與那兩種材料不同。」關注各式各樣市售鑄鐵煞車片的德國研究人員發現,無論煞車片是什麼材質,形成的摩擦膜總是會受到氧化鐵(Fe3O4)控制,其他成分的影響力則相當微弱。

「摩擦膜會控制散熱,且能減少摩擦力—它會主導性能,」柯沙利繼續說道。「煞車製造商很清楚這一點,調配自己的煞車片配方時會考量這一點。煞車片與煞車碟盤要互相搭配,才能產生最佳性能。只要你更動了任一個材料,就會改變界面產生的結果。」

柯沙利最近的研究關注鑄鐵煞車碟盤輕量替代物的摩擦表現,這些輕量煞車碟盤主要都是鋁製。不只有他這麼做—整個汽車產業都對減輕重量很執著,主要是因為汽車的重量愈輕,消耗的燃料就愈少,環境影響也愈少。目前是以鋁為主流。

「那是一種低密度金屬,約比灰鑄鐵(grey cast iron)還低 2.5 倍,所以減輕重量的可能性很高,」他跟我在電話中閒聊。「鋁的導熱性也很高,在表面形成的氧化物也具有一些防蝕效果。」把鋁合金與碳化矽等硬質陶瓷材料結合也能提升其強度。

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「但是鋁的問題在於當溫度高於400℃時會開始熔化。就煞車而言,這代表摩擦力突然銳減,也是你能想像最糟的狀況。所以更加促使工程師更努力找出方法,既能讓表面有比較好的熱穩定性,使用壽命又能更持久。」

工程師致力於找出剎車在溫度與磨損上的平衡。圖/envatoelements

對柯沙利而言,最有意思的其中一種方法是電漿電解氧化(plasmaelectrolytic oxidation, PEO),這是用一個電場在鋁的表面形成一層複雜又高度耐磨的薄層。當他測試各種不同以電漿電解氧化處理過的鋁盤性能時,發現有些可以撐過約 550℃。不過,許多案例的摩擦係數太低—低於實際煞車系統所需的最低閾值。

柯沙利並不洩氣。「煞車是整個系統一起作動。如果你拿到一個新的煞車碟盤,那你也需要把對位碟盤調整到最佳狀態。製造商設計出專供電漿電解氧化塗層煞車碟盤使用的新煞車片配方。」我只找到幾篇已發表的研究,結合了電漿電解氧化煞車碟盤與這些新的摩擦片,但是結果看起來大有希望。輕量的鋁製煞車在未來的道路車輛上可能有機會亮相。

F1 在 1970 年代晚期為它們的煞車碟盤和煞車片找到了不同的解決方法,從那時候起就沿用至今:一種稱為碳-碳(carbon-carbon)的材料,在石墨基質裡包埋高度有序的碳纖維。其散熱效果非常好,所以也用在太空梭上。雖然它聽起來可能跟F1 賽車底盤用的碳纖維很類似,但其實是非常不一樣的猛獸。

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製造碳-碳很緩慢且複雜,此材料是由原子薄層堆疊成層。它在摩擦力方面勝出,提供的抓力比傳統煞車配件高 2 倍(在其理想工作溫度範圍內)。但是那並非魔法。在競速的壓力之下,這種材料終究會磨耗殆盡,部分是由於摩擦,但也有化學方面的因素。溫度上升時,碳-碳會與空氣中的氧氣產生反應,而氧氣會提高其劣化程度。你有時候會看到F1 駕駛大力踩煞車時冒出黑塵,這就是原因。

藉由感測器數據調整剎車系統

這個過程代表車隊需要監測的煞車項目不只是溫度。馬歇爾跟我說,他們會使用壓力感測器留意流經管子的氣流。他們也有針對磨耗的電子感測器,可以測量胎側的活動。

「我們使用這些儀器測量煞車片還能接觸煞車碟盤多久。由此可以推論總磨耗程度—也就是煞車片與煞車碟盤的磨耗總和。」為了推算總磨耗比例與煞車片的關係,以及對煞車碟盤的磨耗程度,車隊會把感測器數據對照以往試駕和賽事所蒐集的煞車數據。

「我們可以從所有資料中追溯比賽時的磨耗速率。如果太快,我們可以調整煞車平衡,以免磨耗最高的車輛壽終正寢,或可以請駕駛找一些乾淨的空氣冷卻煞車。」不管怎麼做,目標都是確保駕駛在需要的時間和地點擁有阻擋能力。任一賽季都會面臨數以千計的彎道,這些系統,當然還有駕駛,都表現卓越。

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——本文摘自《黏黏滑滑》,2022 年 11 月,晨星出版,未經同意請勿轉載

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破解「擦擦筆」筆跡隱形祕密
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文.圖/黃鴻裕 漫畫/大腳

魔擦筆 w現在流行的魔擦筆,筆頭明明不是橡皮擦,但只要擦一下,墨水顏色就會消失,為什麼呢?讓我們一起來實驗、觀察。

之前有新聞報導詐騙集團利用魔擦筆容易擦拭的特性行騙,實際擦拭過後仔細觀察,會發現字跡並不是真的消失,而是變透明了。那麼,字跡有可能再次浮現嗎?要解答疑問,就要先了解墨水。

變色秘密──三個成分,好寫好擦

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如果把墨水放大觀察,可以見到許多顆微型膠囊,有如一粒粒迷你版的涼圓,均勻地懸浮在透明的溶劑裡。這些膠囊的尺寸大約只有頭髮直徑的1/40,而且相當堅固、不易瓦解,能保護好藏有變色秘密的「餡料」不外露,使得書寫起來滑順流暢,墨色均勻一致。

讓墨水具備這種特色的核心為「餡料」,它是一種會隨著溫度變化而轉換顏色的材料,由三個關鍵成分組成,分別是染料、顯色劑和變色溫度調整劑。筆跡消失的過程大致來說是利用溫度改變這三者的互動情形,將墨水從有色狀態切換到無色狀態,使紙上的字因此消色匿跡,看起來和隱形沒兩樣。不過事情可沒那麼簡單,開發人員投入大量時間與心力,進行許多嘗試,掌握了那三個成分的特點,才有辦法讓墨水「適時」地變色。

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染料、顯色劑與變色溫度調整劑各自有不同的功能。墨水的顏色取決於染料,但是它要與顯色劑相互結合,使自己的分子結構變形成有色形態之後,才會顯現色彩。在加熱後,會與顯色劑分離,變回無色形態。但光是這樣,還不算是「好擦」的墨水。為什麼呢?原因是對溫度的改變不夠靈敏,顏色不會瞬間消失,當溫度下降之後,色彩就會漸漸回復。這個狀況在變色溫度調整劑加入後,開始有了不一樣的變化。起初,對溫度變化遲鈍的情形因此得到大幅地改善,能夠迅速變色。但也讓變色溫度範圍縮窄,所以只要溫度稍微降低一點,墨色立即還原。之後研究人員開發出新的調整劑,把墨水的變色溫度範圍拓寬,能夠用在書寫又便於擦拭的墨水就此誕生。

「好寫,好擦,好乾淨」到底好在哪裡呢?新型調整劑能夠設定墨色在特定溫度(攝氏 60 至 65 度)以上時消失,而且當溫度降回室溫時,依然處於透明無色的狀態。因此只要利用筆蓋上的特殊橡皮擦頭,透過摩擦生熱的原理,讓紙面的溫度瞬間提高,那麼筆跡就會隱形,看起來就像被擦掉一樣。如果想一次清除大面積的筆跡,可以用吹風機試試看喔,魔術效果十足!

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這到底是怎麼辦到的呢?在一般書寫的情況下,微型膠囊裡的染料與顯色劑相互結合,賦予墨水顏色。這時候的調整劑處於固態,不會干擾它們結合,本身也沒有顏色,所以對墨色沒有任何影響。不過,當溫度升高至變色溫度時,調整劑融化,開始活動起來,出手妨礙染料與顯色劑相互結合,讓它們彼此分離。染料的分子結構因為這樣而變成無色形態,使顏色消失。之後即便降回到室溫,調整劑還不會就此凝固,所以墨色依舊呈現透明樣貌。

再現的筆跡──低溫冷凍,回復色彩

融化?凝固?難道一度消失的字跡,還有再次浮現的機會?沒錯!那該怎麼做?答案是低溫冷凍。準備一個夠大的夾鏈袋,把文件放進去封好,再放到冰箱冷凍即可。想用急凍噴霧也行,但是安全第一。只要溫度夠低(零下10至20度),紙面上曾經被擦掉的筆跡,就會重新顯現。

其中的原因是當溫度降到復色溫度時,變色溫度調整劑開始凝固,阻擋染料與顯色劑結合的能力驟降,而染料會在這時候與顯色劑重新相互結合,再次變形成有色形態,墨色因此得以回復。而且回升至室溫之後,顏色也不會消失。因為調整劑還在「冬眠」呢。開發人員就是利用調整劑的這項特性,讓墨水在溫度高於室溫許多時變色,在遠低於室溫時回復色彩。

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不過有兩種情況會讓墨水的顏色無法再次顯現。如果墨水被加熱到很高的溫度或是長時間受到紫外線照射,那些關鍵成分會因此分解,失去原有的特性,也就不再能利用溫度變化使墨水隱形和恢復顏色了。回過頭觀察這類色筆的包裝和使用說明,便能了解為什麼會採用不透光的設計,包得緊緊的,目的是避免筆芯裡的墨水曬到太陽。

知道變色原理之後,除了把墨水用在書寫之外,是不是有其他的「玩法」?只要不心存歹念,一切OK。另外,回憶一下,生活週遭還有哪些會隨著溫度變化而轉換顏色的事物呢?它們被用在什麼地方?又是何時發揮作用?找個時間好好觀察,抽空想想唷!

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蟲蟲危機!氣溫上升加速害蟲蠶食農作物——《圖解全球碳年鑑》
商業周刊
・2022/10/03 ・3771字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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目前全世界的農田,因為病蟲害而損失 10% 至 15% 的農作物。

氣候和農業害蟲

昆蟲的生理機能對溫度的改變敏感,溫度上升 10°C 會使其新陳代謝率加倍,溫度突然上升會加速昆蟲的食物消耗、成長和移動。

昆蟲的生理機能對溫度的改變敏感,溫度上升 10°C 會使其新陳代謝率加倍,溫度突然上升會加速昆蟲的食物消耗、成長和移動。圖/Pixabay

最近一份《科學雜誌》(Science)的研究,證實溫度提高 2°C 可能使大量農作物遭到昆蟲啃食,在歐洲和北美洲,小麥和高粱的蛋白質成分顯著下降,西歐則是有近 75% 的小麥作物遭到蟲害。

溫度上升會改變害蟲的整體數量,結果造成:

  • 世代更替的頻率增加。
  • 地理區域擴大。
  • 昆蟲散播的植物病。
  • 更可能捱過冬天。
  • 昆蟲和其掠食者不再同步。
  • 植物的成長和昆蟲不同步。

氣候與農業疾病

真菌影響糧食作物, 而且通常在 20-30° C 時成長旺盛,氣候變遷使全球溫度上升,沿赤道區也將會發生真菌疾病的改變。

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愛爾蘭馬鈴薯歉收是真菌疾病造成,被稱為「立枯病」,進而傳染當地的農作物。這些疾病在遠離赤道的地區極可能再度出現,影響地區的糧食安全。

20 億人的缺糧危機

地球上有超過 20 億人受到缺糧的威脅,或是缺乏安全營養的食物,大氣中二氧化碳濃度升高使溫度升高、洪水氾濫以及陸地和土壤劣化,於是農作物產出的營養價值和品質以及家畜的生產力下降。

地球上有超過 20 億人受到缺糧的威脅,或是缺乏安全營養的食物。圖/Pixabay

策略與國際研究中心(The Center for Strategic & International Studies, CSIS)表示,溫度中數每上升攝氏 1 度,和農作物產出下降 10% 之間有關連性,熱浪可能造成農作物的全面歉收,至於土地管理不良、森林砍伐以及牲畜過度放牧而破壞草地,則加重了氣候相關的影響,也增加糧食系統的整體威脅。

溫度中數每上升攝氏 1 度,和農作物產出下降 10% 之間有關。圖/商業週刊

食物匱乏將持續惡化,導致更多饑荒和營養不良,此外農作物和家畜大規模遠離養分耗盡或無法使用的土壤也將更為常見。

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陸地和土壤劣化的問題

陸地和土壤失去支持生命的物理性、化學性或生物特質,稱為劣化。相較工業革命和大規模農耕之前的狀態,如今地球上超過 75% 的土地養分殆盡,科學家預期 2050 年以前, 可能到達 90%。

世界各地,每年有相當半個歐盟(418 萬平方公尺)的土地變得較不具生產力與耐受力,而以非洲和亞洲受創最重。

岩石和土壤崩解後,被風和雨沖刷侵蝕而使陸地劣化,這個過程是自然發生的,但極端天氣事件使它更加嚴重。

岩石和土壤崩解後,被風和雨沖刷侵蝕而使陸地劣化,這個過程是自然發生的,但極端天氣事件使它更加嚴重。圖/Pixabay

隨著海岸地區的海平面上升, 鄰近一帶的陸地被海水淹沒,剩下的陸地會因為鹽分和汙染物增加而變得不堪使用。

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土壤劣化也透過以下發生:

  • 農業活動
  • 動物吃草
  • 森林砍伐
  • 都市化程度升高

如今,32 億人經歷某種程度陸地劣化的效應,導致糧食供應減少,且往往伴隨遷徙的增加。

土壤的重要性

在我們腳下的棕色塵土,裡頭至少包含所有全球生物多樣性的四分之一,而且對提供乾淨的水是不可或缺,1 茶匙裡的土壤有數十億微生物,據估計,土壤中所含的碳,比大氣多了 3 倍。

95% 的全球食物供應仰賴土壤,來養活大部分的生物。氣候暖化達 2°C 將使土壤中超過 2,300 億公噸的二氧化碳外洩,可能使地球突然陷入不可逆的氣候變遷中。

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其他面臨的問題

每一分鐘有大約 30 座足球場的土壤,因為以下原因而侵蝕或退化:

  • 農業化學物質
  • 森林砍伐
  • 過度放牧

殺蟲劑的使用

二次世界大戰後,大型的化學公司鎖定食品業來擴充市場,在接下來的 50 年間,美國的殺蟲劑使用量增加 10 倍,但農作物的損失近乎翻倍,殺蟲劑毒死微生物,而這些微生物為世界各地數億公畝土地帶來健康土壤,例如土壤中的蚯蚓被噴灑殺蟲劑後,只生長到正常重量的一半,生殖力也遠不及未被殺蟲劑噴灑的蚯蚓。

二次世界大戰後,美國的殺蟲劑使用量增加 10 倍。圖/Pixabay

風力

陸上風力渦輪(onshore wind turbine)需要發電半年,來抵銷建設它所用掉的能源,但在此之後,在它使用年限 24 年間,生產出 100% 無碳的電力。

大規模太陽能

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印度的巴德拉太陽能公園(Bhadla Solar Park)是全世界最大的太陽能農場(solar farm),創造出 2,245 百萬瓦(MW)的電,超過許多燒炭或核能電廠。它位在沙漠,太陽能板是由機器人清理,而這些機器人的運作不需要用到水。

主要農作物產量下降

根據聯合國農糧組織(United Nations Food and Agriculture Organization, FAO),2020 年有高達 8.11億人飽受飢餓之苦,約占全人類的 10%。

隨著全球的平均溫度上升,乾旱和洪水發生的頻率可能降低糧食供應,而更嚴重的天然災害和活躍的病蟲害也將進一步減少農作物產出,目前有針對氣候變遷對糧食產出做出整體預測,全球最重要的農作物玉米,預估將減少高達 24% 產量,第二重要的小麥,在升溫 1.5° C 的情況下減少 14%,在升溫 2° C 的情況下減少 37%,大豆的收成量在升溫 2° C 下則可能掉落 10-12%。

目前世界可以藉由向不受影響的地區採購,來因應特定地域的乾旱或農作物歉收,美國、巴西、阿根廷和烏克蘭這 4 個最大的玉米出口國,占了出口的 87%,過去這些國家因為地理位置相距遙遠,不會同時出現農作物歉收的情形,如今這些地區的產出,會在升溫 2° C 下減少 8 至 18%,在升溫 4° C 下,下降 19 至 47%。在升溫 2° C 下,4 大農作區同時歉收的風險是 7%,溫度上升到 4° C 時,風險飆高到 86%。

我們的人是在追求「富足」而不是「永續」,

對我而言,「永續」意謂維持國家資源在得以維生的線上,

直到這些資源最終消失,或工業已經受夠而離開。

追求「富足」是確保你的孫子不需要像你那麼努力工作,

確保當我們把這園子留給他們時,他們將擁有所需的一切。

⸺喬.馬丁(Joe Martin),獨木舟雕刻大師

一個起司漢堡的碳足跡,等於 9 個鷹嘴豆餅(falafei)加上口袋餅,或是 6 份炸魚和薯條(fish and chips)。

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糧價也因此飆高

糧價由供需的改變決定,雖然需求大致穩定,但供給可能變動。旱災和水災降低農作物的生產力和農田的產出,威脅食物的供應而導致價格上升,行銷和包裝成本的改變也會。

貿易也是主要因素,英國有大約 40% 的食物(香蕉、茶、咖啡、奶油、羊肉等)要靠進口,大部分國家的食物供應也仰賴貿易,美國的食物來自加拿大、墨西哥等國家,船運的汽油和貨櫃成本也占糧食成本的一部分。

糧價高漲會因為氣候變遷而惡化,2021 年的平均糧食價格是近 50 年來最高,巴西的乾旱、洪水和霜害,使咖啡價格上漲 30%,消費者只能眼巴巴看著咖啡的價格節節高升。

糧價高漲會因為氣候變遷而惡化,2021 年的平均糧食價格是近 50 年來最高,巴西的乾旱、洪水和霜害,使咖啡價格上漲 30%。圖/Pixabay

俄羅斯、美國和加拿大⸺杜蘭小麥最大供應國⸺的乾旱,導致杜蘭小麥減產,麵包和麵條漲價已經讓消費者有感,以番茄為主的蔬果價格,也因為佛羅里達和加州氣候變遷問題而節節高升。

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世界曾經目睹幾次糧價飆高,1973 年,全球石油危機和乾旱造成糧價上漲,2008 年,石油價格上漲、澳洲乾旱以及美國決定種玉米來生產燃料而不是食用用途,因此推高動物飼料的價格而導致糧食價格膨脹,2021 年,糧價飆高的情形類似 1973 年,只是這次極端天氣扮演較顯著的角色。

糧價上漲影響各種收入的人,只是方式不同。糧價直接威脅低收入戶的糧食供應導致飢荒,至於較高收入家庭,則是較不健康的飲食和肥胖增加。

到2030 年以前,10 種主要農作物當中,9 種的生長速度將遲緩或開始放緩。至少部分來自氣候變遷,平均價格將看到顯著上升。圖/商業週刊

到 2030 年以前,10 種主要農作物當中,9 種的生長速度將遲緩或開始放緩。至少部分來自氣候變遷,平均價格將看到顯著上升。

——本文摘自《圖解全球碳年鑑:一本揭露所有關於碳的真相,並即時改變之書》,2022 年 9 月,商業周刊,未經同意請勿轉載。