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想形成一顆可居住行星,沒那麼簡單!──《五十億年的孤寂》

PanSci_96
・2017/04/08 ・6258字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

  • 【科科愛看書】在浩瀚無垠的宇宙中,誰願意寂寞寂寞就好?自古以來,每當人們仰望星空,都希望找到其他生命的痕跡,即便旅途漫長艱辛,我們也從未停止腳步。讓我們跟著《五十億年的孤寂:繁星間尋找生命》了解人類探詢外星生命的故事,或許有生之年,你我便能在光年以外,找到外星好厝邊。

想找可居住行星?科學家有套 SOP

現在每一則科學家聲稱找到一顆可能可居住行星的聲明,背後都有一套可簡化的既定流程:天文學家首先測量新發現行星的質量,然後如果可行的話,也會測量它的半徑,因此估計出對該行星的密度,以及是否像地球一樣由岩石構成的可能性估計。他們也會決定該岩石行星繞行恆星的軌道距離,以及該恆星光芒的強度和顏色。有了這些加起來可以寫在一隻手掌上的數據,接下來就會透過數值建模來做轉譯。

特別的部分是,他們會求教於卡斯丁的論文〈主序星周圍的可居住範圍〉(Habitable Zones around Main Sequence Stars),這是他最常被引用的論文,於 1993 年發表於期刊《伊卡洛斯》(Icarus)上。論文中,卡斯丁與丹.惠特麥爾(Dan Whitmire)、雷.雷諾斯(Ray Reynolds)兩位同事,使用一種由卡斯丁發明的氣候模型,來決定哪一條環繞恆星的軌道,最有可能讓岩石行星的表面擁有液態水。

一顆在適居範圍內的行星,其表面有可能會被太陽烤得太乾,以至於所有水分瞬間化為蒸氣,遍布在大氣層內,最終慢慢逃逸至太空,如同金星的情況。至於在這範圍之外,行星表面的水可能會凍結,則如火星上所見。如果一個新發現的岩石行星確實是在卡斯丁所訂的適居範圍內,不久後其發現者便會聯絡資助機構的媒體辦公室,然後他們的名字就會出現在晚間新聞和《紐約時報》上。

2013 年一月,卡斯丁與他人聯合發表了一篇論文,稍微修正了他已有二十年歷史的計算結果,但這一點改進並未大幅改變他早期成果的核心結論。

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一顆在適居範圍內的行星都不一定真的能形成合適生物發展的環境,像在地球內側的金星會因為太接近太陽而被烤得太乾(圖中地球左側);像在地球外側的火星則會因為太遠而凍結(圖中地球右側)圖/By Scooter20, Public Domain, wikimedia commons

生命?問題在空氣!

僅能憑藉屈指可數的數據,來估算一顆遠方行星的適居性,其實是充滿變數的;在那之中,大量的假設和深信不移,都不可避免地會成為常態。這種估計之所以能夠成立,只是因為在我們所知的範圍內和可見的宇宙中,物理法則都是一樣的,不管在太陽系還是某些遙遠的外星球皆然。

不論在宇宙何處,只要星光照在行星上,就會把輻射能打入那行星的系統中。會有多少能量過濾進去,要看那行星的大氣層以及星光的波長(或說顏色)。在 1993 年那串經典計算中,卡斯丁和同事為虛擬行星設定的大氣構成條件,是他們認為類地行星大氣構成的最典型結果:極高量的惰性氮氣,伴隨大量二氧化碳及水汽。證據顯示,這可能是冥古宙地球的大氣結構,但對於那些未經測量且有大氣的岩石系外行星來說,任何組成方式目前都只能看做是某種可能的猜測。

在選定特定的大氣層配方之後,卡斯丁的數值法就會生效,這些多半是他在 NASA 那七年中開發的。在那段時間當中,他全心致力於讓模型更完美,甚至以手工將每一種星光與大氣的重要相互作用進行編碼。

在真實世界以及卡斯丁的模型中,某種特定波長的光子,可能會從大氣層頂端反彈回去,但其他波長的光子就有可能一路穿過大氣層,平安直達地表。至於大氣層內,不論是真實還是虛擬的情況,光子都有可能被雲層反射,或是被地表上明亮的積雪反射。它有可能被溫室氣體吸收,或是被海洋的深色海水吸收。當一個光子特別有能量時──例如紫外線或在電磁光譜上更高頻率的光子──它甚至會撞擊分子將其分解,而在空氣中與地表上產生全新的物質──這種過程稱為「光解作用」(photolysis)。接著,光解產物又會在吸收或反射光子上產生獨有的二度效應,這些全部都要算進去。

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多年來,卡斯丁累積所有他能找到的必要數據,建立起一個龐大的資料庫,包括輻射吸收表、光化學反應速率、不同氣體的大氣層壽命,以及各類氣體從火山噴出或被岩石吸收的全球速度。所有這些各式各樣的交互作用和輸入,結合起來會對一顆行星的大氣成分和平均溫度──也就是氣候──產生巨大的影響。

氣候才沒你想的那麼簡單!

如果你天真地只根據陽光吸收量和平均反射率(或稱「反照率」〔albedo〕),就計算當代地球表面的平均溫度,那你會得到攝氏負十八度的數值,這個數字遠低於水的冰點。但若你用卡斯丁其中一個氣候模型來計算,則會得到攝氏十五度的結果,而這當然就是地球實際的平均表面溫度。不符之處絕大部分是因為數種不同的溫室氣體所造成的暖化,其中每一種卡斯丁都得辛苦地詳加說明,好讓人容易理解。

舉例來說,水汽就必須謹慎處理,因為它實際上是種比二氧化碳強上太多的溫室氣體;比起二氧化碳,水汽在光譜上能有效吸收的熱紅外範圍要大上太多。此外,它對氣候的影響在品質上是不同的:不像二氧化碳在地球常溫下保持氣態,水汽密切受到地球溫度變化的影響。低溫可以讓水汽凝結成雲並形成降雨、降雪或冰雹,從而移除了溫室效應並使氣溫更冷;相反地,高溫會增加地表水的蒸散率,將更多水汽送入空氣,而讓氣溫進一步上升。因此,水汽有放大其他氣候改變──例如大氣層二氧化碳水平提高所造成的穩定加熱──的正回饋作用。如果二氧化碳是支撐地球氣候變遷的支點,那麼水汽可說是槓桿。

水汽實際上是種比二氧化碳強上太多的溫室氣體;比起二氧化碳,水汽在光譜上能有效吸收的熱紅外範圍要大上太多。在溫室效應的反應中,水汽可說是槓桿。圖/By Moni3, Public Domain, wikimedia commons

卡斯丁的氣候模型其中一個關鍵輸出,是所謂的「溫度壓力剖面圖」(temperature-pressure profile)──這句科學行話,指的是照耀大氣層的星光,將如何影響該星球的溫度還有其垂直結構。

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舉例來說,地球的大氣層反射了四分之一的入射陽光,另有四分之一被大氣中的溫室氣體吸收,最後大約有一半的陽光透入地表。這代表,地球的大氣層一般來說比地表更冷,是藉由對流從底端加溫,就像爐上燒開水一樣。地球上大部分的表面加熱和對流,發生在赤道一帶;在那裡,就像檢視任何球體時會發現的一樣,從頭頂直接打下來的光會被更多的表面地區所吸收。濕潤空氣的對流從溫暖表面開始起伏波動,在升高和擴大後溫度下降,最終冷到足以凝結水汽,而將水霧卸除──也就是形成雲和雨。大氣對流足以解釋為何熱帶比極地熱;為何山頂高處附近的空氣雖然比較接近太陽輻射,卻比海平面的平原空氣來得稀薄且乾冷;為何大雷雨通常在熱天正午過後幾小時的午後或傍晚才發生。

地球的溫度壓力剖面圖在大氣中產生的特徵,叫做對流層頂(tropopause)。這是一條區分下方溫暖、充滿天氣變化的對流層,以及上方較冷、較稀薄平流層的區隔線。因為水汽接觸低溫時會凝結,所以它會被疊在上頭較冷的大氣層有效地困在對流層頂下。1980 年代,透過卡斯丁、同事詹姆士.波拉克(James Pollack)以及一些在 NASA 阿姆斯研究中心同行的一系列研究,人們明瞭了這個「冷圈套」效應,對地球長期保有水分的狀態有多麼重要。當時他們很想知道,為何地球鄰近的孿生行星金星,儘管證據顯示它最初也曾溫和宜人,並且濕潤一如此刻的地球,但後來卻發展出和地球如此天差地別的氣候。

對流層頂是一條區分下方溫暖、充滿天氣變化的對流層,以及上方較冷、較稀薄平流層的區隔線。圖/By National Weather Service JetStream, Public Domain, wikimedia commons

如果這世界海消失了

「對我們這類人來說,金星最有趣的地方在於,它在適居範圍的內在限制上所代表的意義。」我們在他的辦公室閒聊時,他這麼說。

「它對『我們應該對太陽系外另一顆行星有什麼期待』,設下一個合理的經驗限制──我們不需要建立太多模型,就能猜到是什麼讓金星接收的陽光量變得不宜人居。所以,若想知道一顆本來跟地球條件相似的行星,若形成時太靠近恆星,會變得怎麼樣;或是想知道當一顆可居住行星的恆星隨時間變亮時,那行星會發生什麼事,金星全都會告訴你。」

卡斯丁以多位行星科學家(其中最有名的是加州理工學院的安德魯.英格索〔Andrew Ingersoll〕)的過往成果為基礎,建立了當地球軌道向內靠近太陽,而比較接近金星軌道時,以及太陽隨地質時間慢慢增加其亮度,地球大氣結構(地球的溫度壓力剖面圖)因應陽光強度增加的預測模型。他發現,若陽光強度以相對和緩的百分之十增加,或把地球軌道向內移個 0.95 天文單位,也就是向太陽靠近百分之五的話,溫度增加會讓對流層充滿水汽,而使得對流層頂加高至九十英哩(一百四十五公里)的高度,甚至更高。

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當卡斯丁看到對流層頂在數據模型中會如何飆高,便知道他見證了那個虛擬世界走向終結,且有一天那也會是我們的終結:抬到那種高度的水汽,大部分會飄到臭氧層的保護之上,並在那裡被太陽的紫外線光解;小比例放出的氫原子,會完全逸入外太空,與地球氧氣結合產生水的可能性也隨之從此消失。

在幾億年內,以此方法損失到太空的氫,已足以讓地球海洋乾涸,讓行星生命消失,並且乾燥無比,因為地表或空氣中都再也不剩一滴水。十億年過後,太陽遠在會膨脹成紅巨星,並在物理上吞噬地球之前,亮度就會先增強那關鍵的百分之十,而地球將開始快速失去水分及生命。現在已有共識認為,金星就是在這個「水霧平流層」機制下,在太陽系早期階段就失去其海洋。至於其 0.95 天文單位的門檻,則接近卡斯丁 1993 年那篇權威論文中適居範圍的內側邊緣。

隨著金星失去海洋,升高的氣溫把二氧化碳逼出行星的地殼,而由這些氣體填滿大氣層。因此,金星的大氣層現在大約是地球的九十倍濃,而且幾乎都是純二氧化碳,產生的溫室效應強到讓行星表面的溫度甚至可以把鉛熔化。在第二系列的研究中,卡斯丁和同事調整了地球大氣層的二氧化碳含量,來檢驗二氧化碳增加是不是比陽光增加,會更快導致平流層潮濕,而使海洋消失。

出乎卡斯丁意料之外,他發現當二氧化碳水平增加而使氣溫飆升時,釋放的大量水汽起了壓力鍋鍋蓋的作用,將低處的大氣層加壓到海洋無法沸騰的程度,使地球的平流層維持相對乾燥。

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數據模型指出,要讓平流層浸滿水霧,且讓海洋蒸發並逃逸至太空,地球大氣層的二氧化碳得要達到目前濃度的二十五倍以上,不過,就算把整個地球已知的「常規」石油煤炭等化石燃料全部燒光,釋放的二氧化碳也沒那麼多。但如果把整顆行星的非常規資源,如馬塞盧斯的頁岩天然氣也都燒光的話,這樣就有可能。或許人類可以輕鬆讓地球發一場毀滅社會並嚴重消滅既有生物多樣性的高燒,但卡斯丁的計算主張,人類要產生上述的濕潤平流層,其實非常困難──但並非絕對不可能。

在他的計算中,光靠燃燒化石燃料,就讓行星把海洋送到太空,顯然超過現代文明的能耐。

要讓平流層浸滿水霧,且讓海洋蒸發並逃逸至太空,地球大氣層的二氧化碳得要達到目前濃度的二十五倍以上,不過就算把整個地球已知的「常規」石油煤炭等化石燃料全部燒光,釋放的二氧化碳也沒那麼多。圖/By isakarakus @ pixabay

天邊一朵雲的美妙

然而,在卡斯丁的思考中仍有些明顯的不確定性,例如科學還不能徹底不理會人造水霧平流層,會導致地球過早出現失控溫室的可能性。此外,二氧化碳和水汽以外的溫室氣體,對地球氣候也會起作用,並有可能成為卡斯丁模型中未計算到的顯著未來效應。而且,目前沒人知道地球內確切的化石燃料封存量,也不知道根據未來市場條件和可能的技術發展,這個粗估量有多少比例能有效地提取並燃燒。更基本的是,沒人完全瞭解溫度和壓力的變化,會怎麼影響水汽吸收紅外熱輻射。這部分沒有一處是明顯的,跟觀察雲的難度可說不相上下。

對一般人來說,雲是很簡單的東西,不過是藍天中的幾片棉花,或是預告壞天氣的不祥灰幕。然而,對卡斯丁這樣的氣候建模者來說,雲是水汽最多變且迷人的形式,其極端的複雜性彷彿變幻莫測的活物。根據雲層的大小、高度和組成方式,它有可能讓地球暖化,也可能讓地球降溫。一整面濃密而低的雲層,可以把一大部分的陽光反射回太空,潛在地降低了氣溫。但若在低而濃密的雲層上方高處放一層薄雲,那麼就會因為半透明的上方雲層會讓陽光射入,但把其後要散逸的熱困住,冷卻效應就會大打折扣。每個人都同意的是,當地球這樣的行星加溫時,會有更多水汽蒸散至空中,形成更多雲。

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但這些雲到底會在大氣層何處形成並逗留,其回饋效應的極限又是什麼?人們則沒有共識。

全球暖化的否定者和渴望鎂光燈的行星獵人,都在這個朦朧之處找到庇護所:水汽雲,理論上可以讓一個可居住行星避免失控的全球暖化,不管這暖化是過多溫室氣體,還是鄰近恆星過量的光線所引起的。倘若行星更遠離恆星,且溫度降到二氧化碳能凝結成冰時,在某些情況下,一層絕緣的乾冰雲毯可讓一顆行星保持溫暖,而能在表面保存液態水。1993 年卡斯丁保守估計,太陽系適居範圍的外部邊緣,恰好落在稍稍超過火星軌道的 1.65 天文單位;但實際上,根據與二氧化碳雲相關的不確定性,這距離還有可能再向外延伸。

對卡斯丁這樣的氣候建模者來說,雲是水汽最多變且迷人的形式,其極端的複雜性彷彿變幻莫測的活物。圖/By theaucitron @ flickr, CC BY-SA 2.0

想看懂雲?簡單一維最快速

要以數值仿真雲朵有兩種分歧的策略。一種是在極度詳細的 3D 模擬中,建立盡可能準確的模型。這方法需要大量來自地球觀測衛星以及頂尖超級電腦的數據,並要在一陣變項與回饋中,冒著失去因果差異的風險。另一種策略,是用較少的維度簡化建立雲的模型,其風險在於,會忽略掉那些只有透過超乎模型範疇的複雜互動才會出現的重要運動。

卡斯丁偏好後者的簡易性。他的模型是單維的,用單一線性探測來仿真整個星球的大氣,有點像是透過一根從海床到海面的超長吸管,來取樣海水,如此測量海洋的平均溫度與鹽度。

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「雲在一維狀態是相當隨性的──在一維模型中,任意擺布呈現的方式,能得到任何你想要的效應。一維模型的理想情況是無雲的天空,這明顯是個大弱點,」當我們討論他的模型時,他這麼承認。「我避開這弱點的方式是,我把雲畫在地上,借著調整表面反照率來接近它們可能產生的效應,直到它產生我想觀察的那顆行星的平均氣溫──不管是地球或是火星。有些人基於『真實的雲朵很複雜』這點,不喜歡我這樣弄,也不喜歡我的方法實際上代表的意思;但我這麼做,是把行星溫度改變帶來的任何雲朵回饋都最小化。要做的比這個更好,你得使用 3D,這可是很大的一步;而且,即便到了那一步,雲朵還是維持著最大的不確定性──搞 3D 的那群人,也不會知道該怎麼辦。」

由於其簡易性,一維模型也比任何三維模型都要快得多。頂尖技術的三維氣候模型,可能要在非常昂貴的專用電腦叢集上花一個星期,才能達到「將地球現有大氣中的二氧化碳水平加倍,能提高平均氣溫攝氏二至五度」的結論。要算出二氧化碳加倍的結果,卡斯丁的一維模型只需在普通的桌上型電腦跑不到一分鐘,就能得出二點五度的答案。「一維模型,讓我只受限於自己思考的速度,而非受限於電腦的速度,」卡斯丁說。

「在一週的時間裡,當一個三維模型只能處理單一疊代時,我卻可以好好探索整個參數空間。這個意義就在這裡──探索可能的極限,鼓勵其他人在那數值之上打造模型,或根據經驗做出深刻的觀察。」


 

 

本文摘自《五十億年的孤寂:繁星間尋找生命》,八旗文化出版。

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溫室效應有救了?把二氧化碳埋進地底吧!  
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/03/25 ・1389字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 台灣中油股份有限公司 委託,泛科學企劃執行。 

近年全球對於氣候變遷的關注日益增加,各國紛紛宣布淨零排放(Net Zero Emissions)的目標,聯手應對氣候變遷所帶來的挑戰。淨零排放是指將全球人為排放的溫室氣體量和人為移除的量相抵銷後為零。而「碳捕存再利用技術(Carbon Capture Utilization and Storage,簡稱 CCUS)」技術被視為達成淨零重要的措施之一。 

CCUS 示意圖。圖/INPEX CCS and CCUS Business Introduction Video 2022 

「碳捕存再利用技術 CCUS」是什麼? 

CCUS 技術可以有效地將二氧化碳從大氣中捕捉並封存,進而減少溫室氣體的排放。CCUS 包含捕捉、運輸、封存或再利用三個階段,也就是將二氧化碳抓下來,並且存起來或是轉換成其他有價值的化學原料。關於如何捕捉二氧化碳,可以參考我們先前拍的影片《減碳速度太慢?現在已經能主動把二氧化碳抓下來!?抓下來的二氧化碳又去了哪裡?》。 

至於捉下二氧化碳之後,該存放在哪裡呢?科學家們看上一個經過數千萬年驗證、最適合儲存的地方——地底。沒錯,地底可不只有石頭跟蜥蜴人,只要這些石頭中存在孔隙,就可以儲存氣體或液體。最常見的就是天然氣與石油。現在,我們只要將二氧化碳儲存到這些孔隙就好。 

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封存的地質條件也很簡單,第一,要有一層擁有良好空隙率及滲透性的「儲集層」,通常是砂岩。第二,有一層緻密、不透水且幾乎無孔隙的岩石,用來阻擋儲集層的氣體向上逸散的「蓋層」,常見的是頁岩。只要儲集層在下,蓋層在上,就是一個理想的儲存環境。 

臺灣哪裡適合地質封存? 

臺灣由東往西,從西部麓山帶、西部平原、濱海到臺灣海峽,都有深度達 10 公里的廣大沉積層,並且砂岩與頁岩交替出現,可說是良好的儲氣構造。 

至於臺灣適合封存二氧化碳的地點,有個很直接的作法,就是參考石油、天然氣的儲存場域就好,也就是所謂的「枯竭油氣層」。將開採過的天然氣或石油的空間,重新拿來儲存二氧化碳。而臺灣的油氣田,主要集中在西部的苗栗與臺南一帶,在 1959~2016 年,累計產了 500 億立方公尺的天然氣,和超過 500 萬公秉的凝結油。 

臺灣油氣田位置圖。圖/《科學發展》2017 年 6 月第 534 期
鐵砧山每年封存 10 萬噸二氧化碳(相當於通霄鎮 1/3 人口一年的二氧化碳排放量)。圖/台灣中油

而至今這些枯竭油氣田,適合來做二氧化碳的封存。例如苗栗縣通霄鎮的鐵砧山是臺灣目前陸上發現最大的油氣田,不只是封閉型背斜構造,更擁有厚實緻密的緻密蓋岩層。在原有油氣田枯竭後,從民國 77 年開始轉為天然氣儲氣窖利用原始天然氣儲層調節北部用氣的方式,已持續超過 35 年。因此中油也正規劃在鐵砧山氣田選擇合適的蓋層和鹽水層,進行小規模的二氧化碳注入,作為全國首座碳封存的示範場址。並同時進行多面向的長期監測,驗證二氧化碳封存的可行性與安全性。 

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更多詳細內容及國際 CCUS 案例,歡迎觀看影片解惑! 

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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改良天然氣發電技術不會產生二氧化碳?灰氫、藍氫、綠氫分別是什麼?
PanSci_96
・2024/02/11 ・5656字 ・閱讀時間約 11 分鐘

用天然氣發電可以完全沒有二氧化碳排放?這怎麼可能?

2023 年 11 月,台電和中研院共同發表去碳燃氫技術,說是經過處理的天然氣,燃燒後可以不產生二氧化碳。

誒,減碳方式百百種,就是這個聽起來最怪。但仔細研究後,好像還真有這麼一回事。這種能發電,又不產二氧化碳的巫術到底是什麼?大量使用天然氣後,又有哪些隱憂是我們可能沒注意到的?

去碳燃氫是什麼?

去碳燃氫,指的是改良現有的天然氣發電方式,將甲烷天然氣的碳去除,只留下乾淨的氫氣作為燃燒燃料。在介紹去碳燃氫之前,我們想先針對我們的主角天然氣問一個問題。

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最近不論台灣、美國或是許多國家,都提升了天然氣發電的比例,但天然氣發電真的有比較好嗎?

好像還真的有。

根據聯合國底下的政府間氣候變化專門委員會 IPCC 的計算報告,若使用火力發電主要使用的煙煤與亞煙煤作為燃料,並以燃燒率百分之百來計算,燃料每釋放一兆焦耳的能量,就會分別產生 94600 公斤和 96100 公斤的二氧化碳排放。

如果將燃料換成天然氣,則大約會產生 56100 公斤的二氧化碳,大約只有燃燒煤炭的六成。這是因為天然氣在化學反應中,不只有碳元素會提供能量,氫元素也會氧化成水並放出能量。

圖/pexels

除了碳排較低以外,煤炭這類固體燃料往往含有更多雜質,燃燒時又容易產生更多的懸浮顆粒例如 PM 2.5 ,或是溫室效應的另一主力氧化亞氮(N2O)。具體來說,產生同等能量下,燃燒煤炭產生的氧化亞氮是天然氣的 150 倍。

當然,也別高興這麼早,天然氣本身也是個比二氧化碳更可怕的溫室氣體,一但洩漏問題也不小。關於這點,我們放到本集最後面再來討論。

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燃燒天然氣還是會產生二氧化碳?

雖然比較少,但也有燃煤的六成。像是綠能一樣的零碳排發電方式,不才是我們的終極目標嗎?別擔心,為了讓產生的二氧化碳量減到最小,我們可以來改造一下甲烷。

圖/unsplash

在攝氏 700 至 1100 度的高溫下,甲烷就會和水蒸氣反應,變成一氧化碳和氫氣,稱為蒸汽甲烷重組技術。目前全球的氫氣有 9 成以上,都是用此方式製造的,也就是所謂的「灰氫」。

而產物中的一氧化碳,還可以在銅或鐵的催化下,與水蒸氣進一步進行水煤氣反應,變成二氧化碳與氫氣。最後的產物很純,只有氫氣與二氧化碳,因此此時單獨將二氧化碳分離、封存的效率也會提升不少,也就是我們在介紹碳捕捉時介紹的「燃燒前捕捉」技術。

去碳燃氫又是什麼?

圖/pexels

即便我們能將甲烷蒸氣重組,但只要原料中含有碳,那最終還是會產生二氧化碳。那麼,我們把碳去掉不就好了?去碳燃氫,就是要在第一步把甲烷分解為碳和氫氣。這樣氫氣在發電時只會產生水蒸氣,而留下來的碳黑,也就是固態的碳,可以做為其他工業原料使用,提升附加價值。

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在氫氣產業鏈中,我們習慣將氫氣的來源做顏色分類。例如前面提到蒸氣重組後得到的氫氣被稱為灰氫,而搭配碳捕捉技術的氫,則稱為藍氫。完全使用綠能得到的氫,例如搭配太陽能或風力發電,將水電解後得到最潔淨的氫,則稱為綠氫。而介於這兩者之間,利用去碳燃氫技術分解不是水而是甲烷所得到的氫,則稱為藍綠氫。

但先不管它叫什麼氫,重點是如果真的不會產生二氧化碳,那我們就確實多了一種潔淨能源可以選擇。這個將甲烷一分為二的技術,聽起來應該也不會太難吧?畢竟連五◯悟都可以一分為二了,甲烷應該也行吧。

甲烷如何去碳?

甲烷要怎麼變成乾淨的氫氣呢?

很簡單,加溫就好了。

圖/giphy

只要加溫到高過攝氏 700 度,甲烷就會開始「熱裂解」,鍵結開始被打斷,變成碳與氫氣。

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等等等等…為了發電還要耗費能源搞高溫熱裂解,划算嗎?

甲烷裂解確實是一個吸熱反應,也就是需要耗費能量來拆散原本的鍵結。根據反應式,一莫耳甲烷要吸收 74 千焦耳的熱量,才會裂解為一莫耳的碳和兩莫耳的氫氣。但是兩莫耳的氫氣燃燒後,會產生 482 千焦耳的熱量。淨能量產出是 408 焦耳。與此相對,直接燃燒甲烷產生的熱量是 891 千焦耳。

而根據現實環境與設備的情況,中研院與台電推估一公噸的天然氣直接燃燒發電,與先去碳再燃氫的方式相比,發電量分別為 7700 度和 4272 度。雖然因為不燃燒碳,發電量下降了,但也省下了燃燒後捕存的成本。

要怎麼幫甲烷去碳呢?

在近二十幾年內,科學家嘗試使用各種材料作為催化劑,來提升反應效率。最常見的方式,是將特定比例的合金,例如鎳鉍合金,加熱為熔融態。並讓甲烷通過液態的合金,與這些高溫的催化劑產生反應。實驗證實,鎳鉍合金可以在攝氏 1065 度的高溫下,轉化 95% 的甲烷。

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中研院在 2021 年 3 月,啟動了「 Alpha 去碳計畫」,進行去碳燃氫的設備開發。但團隊發現,盡管在理論上行得通,但實際上裝置就像是個不受控的火山一樣,熔融金屬與蒸氣挾帶著碳粒形成黏稠流體,不斷從表面冒出,需要不斷暫停實驗來將岩漿撈出去。因此,即便理論上可行,但熔融合金的催化方式,還無法提供給發電機組使用。

去碳燃氫還能有突破嗎?

有趣的是,找了好一大圈,驀然回首,那人卻在燈火闌珊處。

最後大家把目光放到了就在你旁邊,你卻不知道它正在等你的那個催化劑,碳。其實過去就有研究表明碳是一種可行的催化劑。但直到 201 3年,才有韓國團隊,嘗試把碳真的拿來做為去碳燃氫的反應催化劑。

圖/pexels

他們在高溫管柱中,裝填了直徑 30 nm 的碳粒。結果發現,在 1,443 K 的高溫下,能達到幾乎 100 % 的甲烷轉化。而且碳本身就是反應的產物之一,因此整個裝置除了碳鋼容器以外,只有碳與氫參與反應,不僅成本低廉,要回收碳黑也變得容易許多。

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目前這個裝置需要加緊改良的,就是當碳不斷的積蓄,碳粒顆粒變大,反應會跟著下降。如何有效清除或更換濾網與反應材料,會是能否將此設備放大至工業化規模的關鍵。

最後,我們回頭來談談,在去碳燃氫技術逐漸成熟之後,我們可能需要面對的根本問題。

天然氣是救世主,還是雙面刃?

去碳燃氫後的第一階段,還是會以天然氣為主,只混和 10 % 以下的氫氣作為發電燃料。

這是因為甲烷的燃燒速度是每秒 0.38 公尺,氫氣則為每秒 2.9 公尺,有著更劇烈的燃燒反應。因此,目前仍未有高比例氫氣的發電機組,氫氣的最高比例,通常就是 30 % 。

目前除了已成功串連,使用 10 % 氫氣的小型發電機組以外。台電預計明年完成在興達電廠,使用 5 % 氫氣的示範計畫,並逐步提升混和氫氣的比例。根據估計,光是 5 % 的氫氣,就能減少每年 7000 噸的二氧化碳排放。

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但隨著天然氣的使用量逐步提高,我們也應該同時留意另一個問題。

天然氣洩漏導致的溫室效應,是不可忽視的!

根據 IPCC 2021 年的報告,若以 20 年為評估,甲烷產生的溫室效應效果是二氧化碳的 82.5 倍,以 100 年為評估,效果為 29.8 倍,是僅次於二氧化碳,對於溫室效應的貢獻者第二名。這,不可不慎啊。

圖/unsplash

從石油、天然氣井的大量甲烷洩漏,加上運輸時的洩漏,如果沒有嚴格控管,我們所做的努力,很有可能就白費了。

非營利組織「環境保衛基金」曾在 2018 年發表一篇研究,發現從 2012 到 2018 年,全球的甲烷排放量增加了 60 % ,從煤炭轉天然氣帶來的好處,可能因為甲烷洩漏而下修。當然,我們必須相信,當這處漏洞被補上,它還是能作為一個可期待的發電方式。

圖/giphy

另一篇發表在《 Nature Climate Change 》的分析研究就說明,以長期來看,由煤炭轉為天然氣,確實能有效減緩溫室氣體排放。但研究也特別提醒,天然氣應作為綠能發展健全前的過渡能源,千萬別因此放慢對於其他潔淨能源的研究腳步。

去碳燃氫技術看起來如此複雜,為什麼不直接發展綠氫就好了?

確實,綠氫很香。但是,綠氫的來源是電解水,而反應裝置也不可能直接使用雜質混雜的海水,因此若要大規模發展氫能,通常需要搭配水庫或海水淡化等供水設施。另外,綠氫本來就是屬於一種儲能的形式,在台灣自己的綠能還沒有多到有剩之前,當然直接送入電網,還輪不到拿來產綠氫。

圖/unsplash

相比於綠氫,去碳燃氫針對的是降低傳統火力發電的碳排,並且只需要在現有的發電廠旁架設熱裂解設備,就可以完成改造。可以想像成是在綠能、新世代核能發展成熟前的應急策略。

當然,除了今天提到的灰氫、藍氫、綠氫。我們還有用核能產生的粉紅氫、從地底開採出來的白氫等等,都還沒介紹呢!

除了可以回去複習我們這一集的氫能大盤點之外,也可以觀看這個介紹白氫的影片,一個連比爾蓋茲都在今年宣布加碼投資的新能源。它,會是下一個能源救世主嗎?

最後,也想問問大家,你認為未來 10 年內,哪種氫能會是最有潛力的發展方向呢?

  1. 當然是綠:要押當然還是壓最乾淨的綠氫啦,自產之前先進口也行啊。
  2. 肯定投藍:搭配碳捕捉的藍氫應該會是最快成熟的氫能吧。
  3. 絕對選白:連比爾蓋茲也投資的白氫感覺很不一樣。快介紹啊!

什麼?你覺得這幾個選項的顏色好像很熟悉?別太敏感了,下好離手啊!

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使用「藍碳」捕捉二氧化碳的速度比森林快四倍!這個方法可行嗎?——《圖解全球碳年鑑》
商業周刊
・2022/10/05 ・4523字 ・閱讀時間約 9 分鐘

沿海濕地中的藻類、海草、紅樹林、鹽沼、和其他植物在生長過程中會吸收和捕獲二氧化碳。沿海和海洋生態系統捕獲和儲存二氧化碳的方式,稱之為「藍碳」。

被封存在海底的碳有一半以上來自這些沿岸的森林,它們捕獲二氧化碳的速度比傳統森林快了 4 倍,因為大部分的碳都進入幾米深的潮濕土壤中。以這種方式捕獲碳可以將之從大氣層中移除,降低空氣中二氧化碳的總含量。

1 公頃的紅樹林每年可以捕獲多達 8 噸的二氧化碳,遠比 1 公頃熱帶森林所能捕獲的量還要多。

在過去半個世紀以來,世界上約 30% 到 50% 的紅樹林遭到破壞

1 公頃的紅樹林每年可以捕獲多達8 噸的二氧化碳,遠比1 公頃熱帶森林所能捕獲的量還要多。圖/商業週刊

土壤的碳儲存方式

土壤是有生命的。當泥土被無數的有機微生物寄居時,就變成了土壤,成為植物生長的重要基質。

土壤還將世界上大量的碳儲存在一種物質當中,也就是所謂的土壤有機質(soil organic matter,SOM)。有機一詞在此並不是指沒有化肥或殺蟲劑,而是指存在大量的碳。通常土壤有機質含有 50% 到 60% 的碳。大多數用於農業的土壤含有 3% 到 6% 的有機質。

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當植物原料(如葉子或莖)凋零掉落到土地上時,會被土壤中的微生物分解,這個過程將植物轉化為碳,並產生有機質。碳被封存在土壤中,不再以二氧化碳的形式釋放到大氣中。

當植物原料凋零掉落到土地上時,會被土壤中的微生物分解,這個過程將植物轉化為碳,並產生有機質。圖/Pixabay

犁田耕作會破壞土壤有機質和碳的儲存。耕地時,會使有機質暴露地表,更容易被微生物利用,迅速消耗土壤有機質,將二氧化碳釋放到大氣層中。每年由於耕作、侵蝕、或與氣候相關的土壤變化(如永久凍土融化),造成儲存在土壤中大約 10 到 20 億噸的碳,以二氧化碳的形式釋放回大氣層中。

土壤有機質可以保留或重建,使得大氣中的二氧化碳返回土壤長期封存。農民在施肥、將植物廢棄物(如玉米秸稈)留在田間進行分解、或種植覆蓋作物時,會增加土壤有機質。覆蓋作物是在生長季節過後、田間空無作物時種植,通常是草或三葉草,根部很深,能穿透土壤。如果在種植新的經濟作物之前讓覆蓋作物在田間分解,能夠顯著增加土壤中的有機質和碳。

最小化耕作(稱為保護性耕作)是另外一種防止土壤有機質流失(或使土壤慢慢再生)的方法。其中所謂的免耕種植,是指利用專門的播種機將種子放入一小塊翻鬆的土壤中,因此無須翻耕整片田地。

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讓土壤恢復健康

泥土並不完全相同,土壤的養分含量會隨著時間根據其處理方式、和所處的環境而發生變化。

世界上三分之一的土壤已經退化到幾乎無法再支持動植物生存的地步。主要的一些原因是:

  • 土壤耕作。
  • 牛群過度放牧。
  • 砍伐和焚燒樹木和植物(砍燒耕作法)。
  • 未在冬季種植覆蓋作物。
  • 覆蓋物不足。

亞洲、歐洲、北美和南美的大型工業化農場,由於大量重植大豆、小麥、大米和玉米等商品,因而加劇了土壤侵蝕。市場和債務的經濟壓力使可持續性農業做法在短期內難以實施。

由於大量重植大豆、小麥、大米和玉米等商品,因而加劇了土壤侵蝕。圖/Pixabay

從生產的食物品質到大氣中的碳含量,土壤健康都具有深遠的影響。土壤很健康時,可以平衡水循環、並發揮避震作用以防止洪水和侵蝕。1930 年代美國西部的沙塵暴侵襲(Dust Bowl)、和 2017 年波多黎各的洪水災害,都是氣候變化的災難性衝擊、和土壤侵蝕造成的自然災害實例。這些變化會對農業產生重大影響。

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根據美國農業部的說法,農民可以透過 4 種方式創造更好的土壤:

盡量減少干擾

  • 限制耕作。
  • 使化學品發揮最大效益。
  • 牲畜輪替。

強化土壤覆蓋

  • 種植覆蓋作物。
  • 使用有機覆蓋物。
  • 保留植物殘留物。

強化生物多樣性

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  • 種植多種不同的覆蓋作物。
  • 利用多樣化的作物輪作。
  • 整合牲畜。

強化活根的存在

  • 減少休耕。
  • 種植覆蓋作物。
  • 利用多樣化的作物輪作。

在地方層面,一般公民可以透過投票支持可持續性農業發展的立法和政策,以及購買可持續性農業經營的產品。

房屋所有者也可以透過全年種植多樣化的植物種類,讓自然生態發展,改善其房產周圍的土壤健康,這樣能強化活躍的根系、並創造生物多樣性。

健康的土壤如何平衡水循環?圖/商業週刊

大規模改變環境的「地球工程」

如果你生起營火、或是隨意處置一台冷氣機,那就是在用個人的行動改變環境。但是,當公司和國家有意大規模改變環境時,這被稱為「地球工程」(geoengineering)。

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地球工程策略聽起來像是科幻電影情節似的:在太空中部署太陽遮屏,以使部分太陽能量反射回太空,或是從大氣中吸取二氧化碳,將之送入地下層變成石頭。科學家們正在探索更多這一類大規模修補地球系統的方法,使地球降溫,但迄今為止,許多方法都成本高昂、存在爭議、也充滿著風險。

以太陽遮屏為例,雖然聽起來像部署固體金屬片,但其實是模擬大規模火山噴發時的情況,在空中噴灑出濃密的灰燼和化學物質,進而阻擋太陽能量。可能在噴氣燃料中加入化學物質,以便高空飛行的噴氣機將之擴散到高層大氣中。

超級計算機預測,以這種方式噴射到平流層的反射硫粒子,可能會產生冷卻效果,當然,也會影響降雨、降雪和季節性溫度。目前還不清楚會到什麼程度,如果天氣變化太過劇烈,就不容易挽回損失,造成人人受苦。即使可以逆轉噴灑,停止這樣的計畫也可能造成危險,因為太陽射線突然少了阻擋而導致全球氣溫和溫室氣體驟升。

至於直接從空氣中吸取二氧化碳,將之儲存在地下岩層中,歐洲和北美已有 19 家工廠做到這一點,每年吸收約1 萬噸的二氧化碳。沒有人知道這種方式可以安全地封存二氧化碳多久。

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直接從空氣中吸取二氧化碳,將之儲存在地下岩層中,歐洲和北美已有19 家工廠做到這一點,每年吸收約1 萬噸的二氧化碳。圖/Pixabay

一旦出現洩漏,土壤、水和空氣可能會受到汙染,而從地下層收集氣體也可能引發微震和地震。不管怎麼說,這個過程若想要成功,也必須得降低成本、提高效率才行(目前每噸的成本高達 600 美元),我們將會需要相當多家的碳捕獲工廠,才可能有辦法消除每年所排放的數千兆噸二氧化碳,以實現 2050 年淨零排放。

不同於將二氧化碳儲存於地下岩層,鐵質施肥(iron fertilization)是以海洋為重點的選擇。這個過程是將硫酸鐵注入海水中,促進藻類大量繁殖以吸收二氧化碳,然後沉入海底。成功率參差不齊,有 5% 到 50% 的藻類增殖,沉入到足以造成封存影響的深海。然而,完全有效可能需要付出代價:過量的藻類或許也會引發有毒浮游植物的生長高峰,而將二氧化碳儲存在海洋可能會加速海水酸化。

將二氧化碳儲存在海洋可能會加速海水酸化。圖/Pixabay

地球工程是一個冒險的賭注,一些科學家表示,這對於全球氣溫的衝擊微乎其微,尤其是考慮到不採取行動造成不良後果的可能性很高。但也有科學家指出,仰賴快速的工業解決方案,可能會使人們和企業忽略對於實際減少碳排放、或停止使用化石燃料應付出的努力。

有無數的公司和國家正在單方面從事地球工程研究。預計這些實驗將在世界各地不同軌道上展開。

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利用二氧化硫進行地球工程

有些工程師提出一種低成本又快速的方法來減緩氣候變化⸺整頓碳房,同時「擺脫困境」。

就像鏡子反射光線、黑色車道在夏日變得炎熱一樣,外層大氣從太陽反射的光熱,也會對全球溫度產生影響。

30 年前,菲律賓的皮納圖博(Mt. Pinatubo)發生了 100 年來最嚴重的一次火山爆發,所噴發的灰燼造成了驚人的影響:一整年地球的平均溫度下降了約 0.5° C。透過使地球大氣層反射陽光,而不是吸收,地球變得比較涼爽。

地球工程學家正專注研究此一概念,在地球外圍創造一個人為的太陽遮屏。利用特殊裝備的大型噴氣式飛機,將不同的化學物質噴灑到高層大氣中,希望能一次改變地球多年的反射率,以人為方式降低地表的平均溫度。

透過地球工程,在大氣中添加懸浮微粒來複製火山噴發的自然效果。平流層氣溶膠注入的作用:

  • 散射太陽光。
  • 讓天空更明亮一些。
  • 反射部分太陽熱量。
  • 讓地球更涼爽一些。
透過地球工程,在大氣中添加懸浮微粒來複製火山噴發的自然效果。平流層氣溶膠注入的作用:讓天空更明亮一些。圖/Pixabay

透過在大氣中注入二氧化硫、鈦、或其他化學或礦物質,可以增加行星反照率(反射率)。

太陽能地球工程透過改變地球的輻射平衡,來治療氣候變化的徵狀,這方面的科學研究稱為「平流層氣溶膠監測」(stratospheric aerosol modification,SAM)。

據估計,這種方法一年成本不到 100 億美元,在大多數的氣候變化因應措施當中只是九牛一毛。一些專家認為,只要動用幾百架飛機即可完成,而且可以比預期更早開始。

研究人員馬克.勞倫斯(Mark Lawrence)2006年指出,「對地球工程可能性的嚴肅科學研究,如克魯岑和西塞隆(Crutzen & Cicerone)發表文章中所討論的,完全沒有得到氣候和大氣化學研究界的包容」,然而,到了 2016 年,他總結道,「在這些文獻發表後的 10 年間,雖然氣候工程仍然是極具爭議性的問題,但是在更廣泛的地球科學研究領域,那種禁忌感基本上已不存在」。

這種方法,還是有許多未經測試的現實問題:

  • 這些化學物質將會使臭氧層出現什麼反應?
  • 該由哪些國家規範這個過程、又該如何決定干預措施的地點和程度?
  • 有什麼辦法能阻止組織和國家單方面進行?若有國家想要暖化加劇、或是有億萬富翁只是想要名利,該如何處理?
  • 這將對人類、動物、植物、和海洋的健康造成什麼影響?
  • 我們準備好長久持續進行了嗎?如果沒有,一旦陷入了相對低成本和快速的解決方案,又該如何下決心停止呢?

——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。

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