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大船入港,帶來經濟也帶來廢氣:「綠色船運」該怎麼做?

呂宏耘
・2018/09/14 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 文/呂宏耘│畢業於清大化工所的無業游民,喜歡影集、巧克力、以及角落生物。不喜歡霧霾、慣老闆、以及生離死別。

你可能前些日子才剛從淘寶訂購了一個便宜的冰箱和一個超大尺寸的超薄曲面螢幕,而對方可能跟你說走船運兩週內就會到貨。而你朋友可能最近剛從美國念完博士班,衣錦還鄉可比想像麻煩:那麼多的日用品和書怎麼帶回台灣啊,而聰明如你則跟這位朋友說用海運寄回來就好,運費便宜的很。

圖/pexels

全球空運及海運的運輸量事實上大得驚人,舉凡農產品、工業原物料及產品的進出口到石油天然氣等能源的國際運輸,都需要仰賴空運及海運。80% 以上的國際運輸仰賴海運,靠海的城市更是有 90% 以上的進出口貨物來自海洋運輸。

秉著單趟運輸量極大、運費低廉、以及天然航道等優勢,大洋上的貨櫃船不計其數,而國際級海港更是成為世界各國國內經濟的重要命脈。

船隻廢氣帶來的空氣污染

圖/pexels

然而對環境的代價呢?撇除船隻漏油等災難性的破壞,船隻運輸的時候排放的廢氣會造成空氣污染,這點也是無法否認的。但實際情況到底有多糟?

據統計在 2015 年國際海洋運輸排放的二氧化碳量達到 8.1億噸,佔了全球碳排放的 2.3%;另外海洋運輸的氮排放(氮氧化物)佔全球 15 %、硫排放量佔全球的 13%

氮氧化物的污染源自高熱的引擎周圍促使空氣中的氮氧相互作用,最後生成一氧化氮或是二氧化氮,也就是俗稱的氮氧化物(NOx)。這些氮氧化物在接觸到水分子後會生成硝酸或是硝酸鹽,對土壤的酸化、臭氧的破壞、以及水質的優養化有極大的破壞。而硫氧化物主要源自煤礦的燃燒,硫氧化物接觸到水分子之後會產生硫酸看看水分子做了什麼好事)。這兩者也是酸雨的主要來源,是許多人無髮無天的始作俑者之一。

聯合國底下的國際海事組織 (International Maritime Organization, IMO)正積極地處理相關事務。作為專職處理海洋安全、海洋污染與海上合作的官方機構,他們在今年 (2018) 四月發表聲明,希望在 2050 年前能將海洋運輸的碳排放量降到 2008 年的 50%,並且在 2030 年前將每次運輸的排放量降到原先的六成。也就是說,不僅總運輸的排放量要得到改善,在單位運輸排放量也要看到顯著的下降。

國際規範豎起標竿,台灣的政府也正積極的從法律層面著手。交通部航政司配合行政院的空污法,訂定「國際商港空氣污染防制方案」,法規中針對不同的排放源訂定有效的改善措施。其中關於船舶所造成的空污,法規強調船舶進出港口要減速,並且規定要使用低硫燃油。在法規實行後,溫室氣體的減碳量每年達到 39,000 公噸。而因為進出港減速,引擎溫度可以降低許多,使得氮氧化物的排放量每年能減少 1,000 公噸。

綠色船運該怎麼做?

圖/pixabay

綠色船運(Green Shipping),主要可以從三個方向著手。

首先,使用含硫量低的石油。數據顯示,若石油內的硫含量從 35,000 ppm 降到 1000 ppm,則硫的排放量可以減少 97%。這種解決方案最容易達成,畢竟連引擎的設計都不必更改,只要在採購石油時多一點良心及社會責任。也因為影響因素只有油價,所以在原油價格低的時候比較容易達成。2016 年油價來到低點,低硫石油的價格也被壓低,甚至比 2012 年油價高點時最髒的石油還要便宜一半以上。而當油價攀升時,燃料成本便會大幅上升。

其次,使用乾淨的能源,好比天然氣或是氫氣。天然氣燃燒之後只有二氧化碳跟水,而氫氣燃燒之後甚至只有水,與石油內的諸多雜質相比,是很乾淨的能源。

原則上船商不大可能一口氣將船改成氫氣引擎或是天然氣的引擎,比利時一家船商 CMB (Compagnie Maritime Belge) 讓船同時使用石油跟氫氣作為動力,目前已經能讓氫氣佔比 50%,預計在不遠的將來能讓氫氣的比例達到 85%。然而氫氣目前屬於較貴的燃料,對於這個現況CMB的研發首長 Roy Campe 表示「我們必須準備好迎接石化能源比氫氣能源還要昂貴的一天」,對於綠色能源相當看好。

最後,做好港口管理。船隻的噸位十分驚人,目前巴拿馬型的總載重量大多為 76,000 噸級,載重噸位的世界紀錄保持者的全載重量更是達到 657,019 噸。試想要讓如此龐大的船隻運行需要多少的能量。

圖/wikimedia

曾經的世界最大集裝箱貨輪「中海環球」在運行時需要 56.8 兆瓦的電力,相當於 47,500 台窗型冷氣(1200瓦)運轉時所消耗的功率。而這還沒計算加減速時的耗能,因此控制好運行進港的速度、減少不必要的加減速,就能夠省下可觀的能源費用。

經濟蓬勃發展,無形的代價

圖/John LeGear@flickr

貨物及金錢的流動,我們常常認為是個多贏的局面。個人收入增加,國家經濟指標上升,同時能獲得更好的生活品質。然而蓬勃發展的經濟之下是有代價的,而往往是由大自然承受這樣的代價。我們使用石化燃料、使用人類文明帶來的所有便利,這幾乎是個不可逆的局面。

然而環保意識逐漸抬頭,保護環境不再是由環保團體來苦撐。人們學會帶環保碗筷、會節能減碳、會垃圾分類。人民在小地方做到最好之後,企業也該負起社會責任,在了解諸如船運這些未察覺的環境成本之後,積極的豎立標準,以求與自然和平共存。

參考資料:

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呂宏耘
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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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臺灣的空污問題與眾不同,如何使空污預報更精確?先瞭解大氣邊界層和感測物聯網吧!
研之有物│中央研究院_96
・2022/10/16 ・6113字 ・閱讀時間約 12 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/陳儀珈
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

你以為的大氣,不是真實的大氣!

大氣邊界層是人類的生活範圍,也是大部分空氣污染物存在的地方。然而,傳統氣象學模擬的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情況,因此真實的空氣污染現象和理論的模擬預測間往往存在顯著的差異,導致污染防制策略缺乏精確的指引。

中央研究院「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光,他是建立空品專題中心的主要推手,研究團隊從大氣結構出發,試圖改善臺灣空氣品質的診斷及預報,這項計畫集結了來自民生公共物聯網國家高速網路與計算中心環境保護署等跨部門的資源,以下讓我們一起看周崇光怎麼說。

中研院環變中心研究員兼空品專題中心執行長周崇光。圖/研之有物

根據國際貨幣基金組織(IMF) 2021 年的報告,臺灣位列全球第 22 大經濟體,這個只有 3.6 萬平方公里的小小島國,一年內卻可以創造出高達 7,855.89 億美元的市場價值。

在美國國家航空暨太空總署(NASA)公布的地球夜景照中,我們彷彿可以看見,高樓一棟棟升起、工廠一座座建成、百貨一間間林立,在又長又窄的西半邊,從北到南形成臺北、臺中和高雄三大都會區。

西部臨海,東部靠山,這個寬度可能不到 100 公里的窄長地區,不僅聚集了臺灣 2,300 萬人的極大多數人口,凝聚出商業與工業的巨大產能,更集結了大量、複雜的「空氣污染物」。中研院「研之有物」專訪周崇光研究員,請他從空氣品質與都市氣象學的角度,細細剖析空污議題在這座海島上的獨特之處。

ASA 在 2016 年 12 月 31 日拍攝的夜景照,可看出臺灣有北、中、南三大亮區。圖/NASA

臺灣雖然小,但空汙問題好複雜!

臺灣國土面積僅有 3.6 萬平方公里,以大氣尺度來看非常的小,然而,我們在空氣污染面臨的挑戰卻異常艱鉅。

臺灣不僅處於許多境外污染源的下風處,接受來自各方的空氣污染物,各大都會區也因為地形的關係吃足了苦頭,整個中西部更是在窄長的地域中,面臨來自山、海的多重影響。

以下圖的臺中都會區為例,臺中位處於中央山脈西側的中央,本身是一個有數個開口的盆地,被多重大氣動力機制所影響,包含季風、海陸風、山谷風以及熱島環流,形成極度複雜的區域環流。

盆地內的空氣污染物原本就不容易擴散,再加上複雜的大氣環流和大氣化學反應,讓臺中的空氣品質狀況非常、非常的複雜,無法使用現有的大氣理論進行簡單的描述,使得大氣科學家極為不易於觀測和研究臺中的空污情形。

「這裡就像是巫婆煉湯一樣。」周崇光這麼說。

臺中位處於中央山脈西側的中央,本身是一個有數個開口的盆地,被多重大氣動力機制所影響,包含季風、海陸風、山谷風以及熱島環流,形成極度複雜的區域環流。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

臺灣在東北風的影響下,不適合傳統的高煙囪理論

周崇光笑著說,到處觀察「煙囪」是他的職業病。

大陸環境的大氣結構相對簡單,自歐洲工業革命開始,傳統大氣科學的理論都告訴人們:越高、風越大,只要把煙囪建得高高的,就可讓風把污染物吹散、吹到很遠的地方。

平坦的大陸環境中,把煙囪建高可以讓煙流擴散及傳輸至很遠的地方。圖/rawpixel

「到了大陸國家,你會發現他們煙囪排出來的煙,經常是非常穩定的水平煙流,可以飄得很遠,這種煙流挾帶著空氣污染物飛到 10 幾公里外都不是問題!」,然而反觀臺灣的煙囪,卻很少出現這樣的水平煙流。

中研院空品專題中心對臺中火力發電廠的煙流觀測顯示,傳統高煙囪設計反而容易讓煙流進入「污染累積區」,在高度 450~800 公尺左右,橘色區域的空氣層風速僅有 0.5~3 公尺/秒。不同折線表示有兩個時段,分別是觀測當天凌晨 1 點到 3 點(紅線),以及晚上 19 點到 21 點(黃橘線)。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

根據中研院空品專題中心對火力發電廠的煙流觀測資料,如果臺灣的煙囪蓋得跟大陸國家一樣高,有時候反而容易造成空氣污染物的累積。

從上圖可知,當臺灣處在微弱東北風的大氣環境之中,西部沿海風速最快的大氣區域(藍底),大約落在 200~400 公尺高之間,此區的風速大約為 5~6 公尺/秒左右,以東北風為主,是空氣污染物的「最佳擴散區」。

若是再往上,到了 450~800 公尺左右,風速驟然下降(橘底),僅有 0.5~3 公尺/秒。這個區域的大氣就像是被下層的東北風與上層的南風「夾擊」一樣,在兩個不同方向的風的對切之下,形成一個風速很低的「污染累積區」。

因此,若臺灣真的按照傳統的大氣理論建造高煙囪時,反而會讓煙囪的高溫煙流進入污染累積區;換個做法,如果煙囪低一點,才可以被強風吹散。

不過周崇光話鋒一轉:低煙囪設計要相當謹慎,也很難推行。高溫煙流排出去會有很明顯的白煙(水蒸氣凝結),一般人都不喜歡看到白煙離居住地太近,因此實務上還會特別做加熱設計,讓煙流先往上浮,再擴散,等於加高了煙囪的高度,這在工程上稱為「有效煙囪高度」。降低煙囪高度除了有視覺污染的問題,污染排放點離民眾越近,當工廠發生緊急異常排放時,異常事件的衝擊風險也會越大。

和傳統理論不一樣?那就做出臺灣自己的資料吧!

這麼經典的高煙囪理論,為什麼不能用在臺灣?

周崇光表示,大氣科學的理論大都源自於美國、歐洲,使得傳統大氣理論都更適用於大陸環境之下,因此難以直接應用於臺灣地狹人稠的海島結構,而中研院空品專題中心的目標之一,就是發展出屬於臺灣的「空污氣象學」。

周崇光提到:「臺灣跟大陸國家的空間條件實在差太多,所以我們必須要更精確知道,臺灣空氣污染物的高度分布到底長什麼樣子,才能更有效的管制並改善空品狀況。」

既然臺灣無法參考大陸型國家的大氣狀況,那麼小一點的、近一點的國家呢?韓國、日本的有沒有參考的價值?

周崇光笑著說,「你知道嗎?臺中盆地也才 10 幾公里,但是外圍的中央山脈高達 3,000 公尺以上!」就算是韓國、日本,它們的地理空間也比臺灣大多了,而且地形也沒有這麼複雜。

臺中盆地的衛星空照圖。圖/Wikipedia

當這麼多的工廠、車輛都擠在這小小的區域,究竟會對臺灣的空氣品質造成多嚴重的後果?某種程度來說,這也許是個細思極恐的問題呀。

因此,為了國內空污氣象學的發展,搞懂臺灣的大氣邊界層(Atmospheric boundary layer)是刻不容緩的工作。

大氣邊界層除了是人類的生活範圍,也是大部分的空氣污染物存在的地方,又被稱為行星邊界層(Planetary boundary layer)。在氣象學中,大氣邊界層指的是「直接受到地表作用影響」的大氣,高度從地表一直到數百至數千公尺不等,是大氣層中最靠近地球表面的部分。

然而,傳統氣象學所模擬出來的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情形,因此,大氣科學家必須釐清大氣邊界層的氣象參數、動力機制,未來才能夠更精準的找到影響都市氣象以及空氣品質的關鍵因子。

但周崇光也感慨的說,「坦白講,目前臺灣還沒有辦法很『系統化』的改善邊界層的模擬條件,但我們仍然不斷的在努力,透過很多很多的調查、研究、模擬參數,漸漸地發展出半經驗、半理論的結構,最終的目標是歸納成一個系統性的成果,作為臺灣空污氣象學最扎實的理論基礎。」

從大規模的調查研究、積極補足知識的缺口、重新建立理論模型,到回頭檢視國家的空污防制策略,大氣科學家必須腳踏實地的、一步一步的,藉由大氣科學研究的力量,才能讓空氣品質管制更上一層樓。面對迫切的空氣污染防制議題、空污氣象學理論的不足,「空氣品質專題中心」也應運而生。

中研院在「大氣物理與化學」的研究群早已相當成熟,有著極為厚實的研究經驗和基礎,然而為了讓研究目標更明確、進一步聚集研究能量並進行跨部門的合作,中研院以提出空污議題的科學解釋與建議對策為目標, 2021 年 1 月在環境變遷研究中心之下成立空氣品質專題中心,成為全國規模最大的空氣品質專業研究機構。

除了宣示中研院對空污議題的重視之外,如此一來,研究預算的匡列、人力的評估,都有更紮實、更有架構的基礎。擺脫以往研究員們「自動自發」的空品研究,在中心的管理之下,空污的學術研究更能夠產生聚焦效果。

更精確的空氣品質預報

如果大家點入行政院環保署的空氣品質監測網,可以發現,目前來自中央監測的空氣品質預報的解析度並不高,由於空品狀況站數僅有 85 站,只能以「北部」、「竹苗」、「宜蘭」、「花東」、「中部」、「雲嘉南」、「高屏」等大範圍空品區進行未來三日的預報,尚無法以「縣市」或更小的區域為單位提供精準的預報。

全國空氣品質指標的測站點位圖,可看出共有 85 個測站。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/空氣品質監測網
未來三日空品區預報,目前僅能呈現大範圍空品區預報。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/空氣品質監測網

因此,為了提供更先進的空氣品質預報,致力掌握國內 PM2.5 及 O3 等空氣污染物濃度變化情形的「高解析度空氣品質診斷與預報模式發展計畫」,是空品專題中心相當關鍵的研究計畫之一,此計畫是行政院前瞻基礎建設中「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」的一個分支,集結了中研院、國家高速網路與計算中心、環保署等跨部門資源。

該計畫預計發展一套 1 km*1 km 高解析度的 72 小時空氣品質預報模式,並描繪空氣污染物的 3D 空間分布,預期能夠對臺灣地區 PM2.5 及 O3 生成與傳輸過程進行更精確的模擬,進而應用於空氣污染事件的預報和成因診斷。

周崇光將這個計畫比喻為一個「神經系統」,由環保署統合高達 10,000 個感測器,就像是神經系統中的神經元,負責感知大氣環境中的變化,並透過民生公共物聯網提供的神經網路,將資訊傳輸至國家高速網路中心的超級電腦,而超級電腦就像是大腦一樣,提供強大的運算力,使得空污模式得以統合氣象條件、污染物排放量、以及感測器提供的環境變化狀況,計算和預報未來幾天空氣品質的可能變化。

雖然感測器來源不一,不同層級的靈敏度也有所落差,但隨著近年技術的進步和突破,微型感測器對 PM2.5 的監測資料已經具有足供參考的準確度,目前各縣市大約都有 100 個以上的微型感測器,環保署已經在全臺灣佈建了約 10,000 個感測器,透過高密度的監測數據進行資料分析,有效掌握全臺各地的空品狀態。

環保署已佈建約 1 萬個微型感測器,可監測各地 PM2.5 狀態。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/air 空氣網

此外,此研究計畫也希望藉由感測器的大量需求,協助推動臺灣感測器的產業,與經濟部、工研院合作推動感測器的國產化。目前工研院的技術已經技轉給國內廠商,國產感測器在環保署監測網的佔有率已達將近 3 成,未來會持續輔導相關廠商。

研究計畫一邊發展預報系統,也一邊透過微型感測器資料即時驗證預報的成效。就像是如果寫考卷時,我們可以一填答就馬上得知正確答案時,就可以隨時檢討自己的計算流程到底哪裡出了問題,不斷修正,找出最正確的解方。

同理,拜微型感測器遍布全臺之賜,大氣科學家逐漸能夠快速驗證空氣品質預報的模擬結果,有朝一日,國內空污的物理化學機制以及關鍵污染源,將不再是讓人頭痛的黑盒子。目前由於 PM2.5 的感測器已相對成熟且數量足夠,因此中研院空品專題中心已成功驗證 3 km*3 km 解析度之 PM2.5 預報資料,最終目標是精確到 1 km*1 km。

影/YouTube
中研院周崇光團隊已成功驗證高解析度 72 小時 PM2.5 預報資料,每小時可模擬 3 km*3 km 空間解析度,最終目標是精確到 1 km*1 km。圖片預報日期為 2021 年 12 月 18 日~2021 年 12 月 20 日。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

如何讓空氣品質變好,又不影響現有的生活?

在中研院環變中心周崇光研究員帶領下的空品專題中心,其中一個核心精神,就是要對社會關鍵議題有貢獻。

專注發表學術論文是科學研究的本質,也是科學進步的動力,不過進行社會議題相關的科學研究通常會更辛苦,往往會花費極大的心力與時間。

做空氣污染防制就像是「精準醫療」的概念一樣,如何讓藥物只攻擊癌細胞而不對身體的其他地方造成太大的副作用?經過科學研究的探索後,如何讓臺灣的空氣品質更好而不衝擊社會文化和經濟?

空污管制並非是一味阻擋臺灣經濟和工業發展,空品專題中心希望可以藉由科學的力量,更精準、更沒有副作用的改善臺灣空氣品質。

除了大氣科學理論和空氣污染排放清單有所不足之外,像是能源政策、交通規劃、國土計畫都需要重頭思考。周崇光說:「一路研究下去,我們開始疑惑,當初為什麼我們都傻傻的,把這麼多的大型污染源擺在海邊,讓海風把污染物往內陸帶?為什麼臺灣的國土利用那麼集中?」這一些命題,都是一環扣一環。

最後周崇光強調,「空氣品質絕對是應用導向的研究,因此,我們除了做科學,也要讓這些研究結果有願景、有視野,讓臺灣變得更好。」

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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酸雨可能會讓森林更「口渴」?
阿咏_96
・2021/01/18 ・2724字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

近年來,酸雨已經變成大家所熟悉的空氣污染問題,酸雨不僅對建築物、古蹟和金屬物質產生嚴重腐蝕,導致人類經濟與文化資產的損失,同時也會對整個環境及生態系造成影響。

被酸雨腐蝕的石像。圖/Wikimedia common

近期美國來德大學 (Rider University) 發表一項酸雨影響森林的研究結果,這是一項在阿帕拉契山脈進行十年的實驗,從 1989 年開始,美國林業局每年固定三次,在一片面積 34 公頃的森林澆灌酸化硫酸銨肥料。

結果發現,以酸化硫酸銨肥料(作為模擬酸雨)澆灌的森林,與未經酸化處理的森林相比,每年吸收的水分大約多了 5%,並在兩年中增加了 10%,經過處理的流域每年平均要增加大約 1,360 萬升水。而在研究期間,他們還發現,滲透到被酸化森林土壤水裡的鈣濃度也下降了,這可能是森林耗水增加的原因之一。

圖一:酸化影響森林每年蒸發水分的量。酸化處理過的蒸發量與對照組(未酸化)的差異,正值表示酸化組的蒸發量高於對照組。灰色框為預處理階段,2004 年未納入統計,因那年對照組的植物生長異常高。圖/原始文獻2

這究竟是怎麼回事?酸雨對森林的影響真的這麼大嗎?帶走土壤裡的鈣和森林「口渴」的關係是什麼呢?

要奪~酸才可以叫做「酸雨」?

根據環保署的資料,過去各國多將 pH 值小於 5.6 的雨水界定為酸雨,那 pH 值 5.6 這個數字又是怎麼來的?事實上,pH值 5.6 是大氣中二氧化碳含量為 330ppm 時,純水之酸鹼度的平衡值。

BUT!好像有哪裡怪怪的⋯⋯

因為自然界中也有其他酸性物質會影響雨水的 pH 值,例如甲酸等其他有機酸,所以大氣中即使是未受人為污染的雨水,pH 值也會介於 4.7 至 5.3 之間(也就是說,「基本款」的雨水就已經比原本的酸雨標準 pH 值 5.6 還要酸了!)。

因此從 1990 年開始,許多國家及科學機構逐漸改變酸雨的定義為,pH 值小於 5.0 的雨水,目前我國也以此作為判斷標準。

後來,各國與科學機構逐漸調整酸雨的定義。圖/Bibhukalyan Acharya

而我們常說的「酸雨」其實是「酸性沉降 (acidic deposition)」的俗稱,因為除了下雨之外,還有其他形式的沉降,可以區分為「濕沉降」和「乾沉降」,前者指的是空氣中氣狀或粒狀污染物隨雪、雹、雨等降水型態落至地面,而後者則是空中掉下的落塵帶來的酸性物質。

那些讓雨變酸的東東

酸雨的化學組成中,包括 Cl、NO3、SO42-、NH4+、K+、Na+、Ca2+ 及 Mg2+ 等,來源包括自然現象及人類活動。其中硝酸鹽 NO3 及硫酸鹽 SO42- 是讓雨水變酸的「罪魁禍首」,那它們是怎麼來的呢?

首先,工業活動或交通工具排放含有氮氧化物的廢氣,這些氮氧化物接著和空氣中的氧 O2 及水反應形成硝酸 HNO3 ,在水中可以解離成硝酸根離子和氫離子。

HNO3(aq) → H+ + NO3

交通工具會排放含有氮氧化物的廢氣。圖/Kaique Rocha

而硫酸鹽SO42-的形成過程長得跟硝酸鹽的很像,石化燃料及火力發電廠燃燒含硫有機物,釋放出二氧化硫 SO2,接著和空氣中的氧 O2 及水反應形成硫酸 H2SO4,硫酸在水中可以解離成硫酸根離子和氫離子,導致氫離子濃度升高。

H2SO4(aq) → HSO4 + H+        HSO4 → SO42-+H+

硝酸及硫酸在降雨初期就被雨水吸收,或直接隨雨滴落到地面,都會增加雨水的酸度,造成酸雨。雖然自然界中的一些現象本來就會產生酸性物質,例如火山爆發噴出的硫化氫、高空閃電導致的氮氧化物5等等,但事實上,有超過 90% 的氮氧化物及硫氧化物是因人類活動排放的!

自然界中的一些現象本來就會產生酸性物質。圖/Andre Furtado

真相,永遠只有一個!(指)

ㄟ~那關「鈣」什麼事?

從生理的角度來看,植物需要陽離子作為訊號傳遞、調節等功能,因此,土壤中陽離子減少會導致生產力降低。而鈣便是大多數植物必需元素之一,在植物生理扮演著重要角色。

其中一個作用便是水分調節,鈣像是一個負責通風報信的使者。植物的氣孔孔徑是由周圍的保衛細胞控制的,經由一連串複雜的反應調節,而這些反應共同的終點都是「鈣」進入保衛細胞。水分不足時,通常細胞之間的鈣濃度上升時,會讓通往細胞內的鉀離子通道關閉(也就是不讓水進入),接著活化細胞通往外界的鉀離子通道,降低保衛細胞的含水量,使氣孔關閉。

土壤中陽離子減少會導致生產力降低。圖/Crusenho Agus Hennihuno

而這個研究的假說之一,便是鈣會從酸化處理後的森林土壤浸出,可能引起植被用水量增加,因為鈣能夠調節氣孔關閉,缺鈣可能會造成蒸散作用增加。

結果顯示,酸化處理的確改變了處理流域的鹼性陰離子交換、土壤中的陽離子浸出,以及溪流 pH 值等,渗透到酸化森林土壤中的水中鈣含量也有所下降,證明酸雨改變土壤中鈣的供應,會顯著增加植被用水量。

進行此研究的學者表示,自己也沒想到植物對酸化的反應會這麼劇烈。如果想了解酸雨對森林以及植物用水量的後續影響,還需要更多的研究證實。

雖然我們仍不確定,酸雨對於其他類型的森林是否會有相同的影響,不過,這項研究可以提醒我們的是,生態系統是這樣的環環相扣,我們所做的任何一個決定,都可能以我們不知道的方式在影響整個環境。

參考資料

  1. Decades of dumping acid suggest acid rain may make trees thirstier
  2. Lanning, M., Wang, L., Scanlon, T. M., Vadeboncoeur, M. A., Adams, M. B., Epstein, H. E., & Druckenbrod, D. (2019). Intensified vegetation water use under acid deposition. Science Advances, 5(7), eaav5168.
  3. McAinsh, M. R., Brownlee, C., & Hetherington, A. M. (1997). Calcium ions as second messengers in guard cell signal transduction. Physiologia Plantarum, 100(1), 16-29.
  4. Debnath, B., & Ahammed, G. J. (2020). Effect of Acid Rain on Plant Growth and Development: Physiological and Molecular Interventions. In Contaminants in Agriculture (pp. 103-114). Springer, Cham.
  5. 酸雨 (acid rain) :組成和途徑
  6. 行政院環境保護署環境資源資料庫
  7. The Encyclopedia of Earth (EoE)
  8. Casiday, R., & Frey, R. (1998). Acid rain. Inorganic Reactions Experiment, Washington University, Word Wide Web Address: http://www. chemistry. wustl. edu/∼ edudev/LabTutorials/Water/FreshWater/acidrain. html.
  9. McLaughlin, S. B., & Wimmer, R. (1999). Calcium physiology and terrestrial ecosystem processes. Tansley Review No. 104. New Phytol, 142, 373-417.
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