0

0
0

文字

分享

0
0
0

來無影去無蹤的「看天池」——《意外的守護者》

左岸文化_96
・2018/05/17 ・2787字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

難以捉摸的「看天池」有什麼作用呢?

看天池(vernal pools)來來去去,出現之後又消失,這樣的一種自然景觀,其特性不僅在於物理性質,也有其獨特的時間性,通常僅維持幾週到幾個月的時間。隨著冬去春來,濕地被不流動的水淺淺地覆蓋,維持的時間長短不一,這些濕地一般都很小,面積不超過兩畝,沒有和其他水體相連。看天池是接收融化的雪水和春雨而成,經常完全為人類所忽略。

看天池。source:wikimedia

這可能就是安、喬伊絲、雷和我在那個四月的下午陷入困惑的原因。當時我們在紐約紅鉤鎮的法拉萊夫山玫瑰農場的一片草地上,試圖以眼睛和耳朵來尋找看天池存在的一些證據,儘管空拍圖中有顯示出其位置,但在現場卻完全看不出它存在的跡象。

儘管看天池難以辨認標記,但它對大地的影響卻相當明顯。這些池子所接收的水不是來自於流動的河流,因此當中不會有魚類棲身,這一點反而讓池子成了兩棲動物安全的繁殖場。不論是斑點鈍口螈以及北美林蛙這類相對常見的和分布廣泛的物種,還是稀有且受威脅的傑佛遜鈍口螈和雲斑鈍口螈。這當中的一切都是讓這個生態網絡正常運作的一個環節,也全都因為濕地面積縮減而造成這些生物的族群量日益下滑。

圖/pixnio

兩棲類會捕食大量的昆蟲,控制昆蟲族群的數量,這對人類健康有直接的影響:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

少了看天池,兩棲類就沒有繁衍的場地;沒有繁衍的場地,就沒有兩棲動物;沒有兩棲類,我們就等於失去控制昆蟲數量的天然防線,以及一小塊平衡自然的片段。

若要說看天池和那些大型的經常性水體之間有什麼實質上的區分,那就是看天池還提供小型哺乳動物、鳥類、兩棲類和爬蟲類一個休養生息的地方。這些小型物種也是食物鏈中一個非常重要的環節,每次進行長距離跋涉時,牠們都有可能落入大型森林動物的口中。

圖/flickr

看天池不僅是動物的棲身之所,同時也擔負比其他水體更為基本的功能:潔淨。

看天池土壤中的細菌有助於將水中的硝酸鹽轉化成氮氣,這些鹽類來自於一般用於草地的肥料,細菌將其轉化成氮氣,釋放到大氣中,減少對環境的危害。這批去硝化細菌讓看天池成了當地含水層的小型淨水廠,能夠在融雪、雨水和充滿污染物的洪水進入地下水層之前,加以過濾和淨化。看天池是高效的小型天然濾水中心,要是它們遭到破壞或完全消失,結果可能導致泛濫、供水減少、水源受到污染以及野生動物的棲息地喪失或減少。

看天池的存在與否、面積大小還有池中的生物都會影響到其在大自然中的功能,有些看天池依舊是良好的棲地,有些則日趨勢微,不再擔負相同的功能。在評估這些看天池的出現、面積和池中生物時,不免讓人反思,何以深度這麼淺、依季節來來去去又難以捉摸的自然景觀,竟然具有這樣的關鍵作用。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

看天池與公民科學

然而,地方政府很少有經費聘請環境顧問來進行這樣的狀態評估。大型濕地向來是基於聯邦法規來管理,看天池則是由地方政府和區域規劃部門來負責,但他們往往對看天池的存在和狀態一無所知。在紐約州,只有面積超過十二點四英畝(約五萬平方公尺)的濕地,而且當中棲息的生物在州政府制定的瀕危或受脅物種名單上,或是位於阿迪朗達克州立公園內,才會受到法規的保護。佔地小又是臨時存在的看天池基本上大多不受法律規範保護,相關的管理規範,就如同其自身一樣,虛無飄渺、毫無防備可言。

麥克.克萊門斯(Michael W. Klemens)致力於保育生物學。圖/ct.gov

為了解決這個問題,麥克.克萊門斯(Michael W. Klemens)和一九九七年成立的大都會保育聯盟、達奇斯郡的康乃爾合作推廣組織以及卡里生態系研究所聯合起來推動一項計劃,監測達奇斯郡的看天池。身兼兩棲爬蟲類學家又是研究和政策保育學者,克萊門斯在推動這項工作時所抱持的信念很簡單,他要與當地社群聯手合作,傳播科學研究和知識,透過這樣的途徑,制定出土地利用規劃政策。第一次和他接觸,是透過電話聯絡的,他形容自己「對揭發真相這檔事有興趣,」

他告訴我,從一九八○年代以來,他就和種種研究計劃中的志工團體合作,「這是一種道德感召。我對促使人產生作為的動機很感興趣。這樣看來,我到底算是倫理學家、科學家還是倡導者呢?我從一名研究科學家開始,到現在成為一個視野較為寬廣的人。身為一個人,我該做什麼呢?我要如何利用我的知識來打造一個更好的世界?其他人是如何改變自己的人生方向?一直以來,我都在思考這些問題。」

克萊門斯企圖把科學研究納入地方土地使用決策,他的努力並不僅侷限於志工培訓而已,還要讓地方居民對於他們所居住的地方產生一份理所當然的歸屬感,靠著這些,再加上與地方鄰里和地主之間已經建立起的關係,都對其研究計劃的推展大有助益;這些關係通常能讓研究人員進入私人土地,進行研究調查。「將公民放在適當的位置上,可以創造出我們所需要的變化,」幾個月後,我們再次碰面時他這樣說道:「他們可以在社群中激起小小的漣漪。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
巴德學院一隅。圖/wikipedia

克萊門斯和他的工作人員選擇紅鉤鎮來進行看天池評估,乃是基於下列幾個原因:

鎮委會表達了對調查的支持,而且有可能在進行未來的市鎮規劃時,納入這些資訊。

紅鉤鎮是巴德學院所在地,環境運動在那裡深植人心,可提供為數不少的志工。在我們這組擔任志工協調的安,就是在巴德學院擔任開發經理和藝術教育協調員。其他的同伴還有喬伊絲.托馬塞利,她過去在IBM擔任業務發展和行銷經理,在二○○九年經濟衰退時丟了飯碗,她的鄰居雷.曼塞爾也一同前來。

計畫人員將紅鉤鎮分為四個象限,我們分配到的是東南區內的三個樣點。但才在第一個樣點,也就是法拉萊夫山玫瑰農場的調查站就遇到了問題。上星期過來調查的志工一直找不到此處的看天池,我們的狀況也好不到哪裡去。我們手上有一張列印出來的空拍圖,上頭以紅色剖面線標示出看天池的推測位置,沿著一處新建的蘋果園的邊緣,我們一路往南方走去,企圖尋找池子的蹤跡。但是我們只發現一團團的草叢、一大片灌木叢以及一排松樹。

 

 

本文摘自泛科學 2018 年 6 月選書《意外的守護者:公民科學的反思》,左岸文化出版。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
左岸文化_96
39 篇文章 ・ 11 位粉絲
左岸的出版旨趣側重歷史(文明史、政治史、戰爭史、人物史、物質史、醫療史、科學史)、政治時事(中國因素及其周邊,以及左岸專長的獨裁者)、社會學與人類學田野(大賣場、國會、工廠、清潔隊、農漁村、部落、精神病院,哪裡都可以去)、科學普通讀物(數學和演化生物學在這裡,心理諮商和精神分析也在這裡)。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

進一步了解商品:https://shop.amway.com.tw/products/2071?navigationType=brand&

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
246 篇文章 ・ 319 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia