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藍眼淚不流淚,守護地球的藍碳

MiTalk
・2019/01/25 ・5192字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

作者 / 劉少倫
東海大學生命科學系副教授

自從 17 世紀工業革命推動了全球化的工業發展,將原本封存在地底或深海地層中的石化燃料(例如煤、天然氣等),轉化成大量溫室氣體(主要是二氧化碳),釋放到大氣;這些溫室氣體,宛如掙脫地獄枷鎖的惡魔,在人類的貪婪中,以非常快的速度加熱全球氣溫,並加劇全球氣候的改變。

這幾年,我們對極端氣候的感觸似乎更為強烈,聽著以下這些新聞:南歐和東京夏季更久更高溫的熱浪、北極圈創紀錄的夏季高溫、南北極冰川大量的崩解、臺灣五月竟然創下比夏季更高的溫度、澳洲大堡礁珊瑚因高溫白化將在未來死去 60-80% 等。

每一年,新聞媒體都說這些極端氣候打破過去幾百年來的紀錄,非常「異常 (abnorm)」。

但是,隨著每一年這樣的新聞重複的發生,未來的一年又再次創下過去幾百年來的高溫紀錄,這些極端氣候的新聞已經可以說不再異常,甚至可以說這些極端氣候的新聞變成習以為常地「正常 (norm)」。因石化燃料使用及工業發展,在我們享受它們帶來的舒適便利和經濟發展的生活時,其暗黑破壞性猶如喪鐘般替人類末日開始倒數計時。

各媒體有關極端氣候的報導標題(擷取自各媒體 2018 年網路報導)。圖/作者提供

藍碳是什麼,少年PI的藍眼淚?

在 1990 年,聯合國環境署 (United Nations Environment Programme)、聯合國糧食及農業組織 (Food and Agricultural Organization of the United Nations) 及聯合國教育、科學及文化組織下的政府間海洋學委員會 (Intergovernmental Oceanographic Commission, UNESCO) 共同發表聲明,指出全球海洋有 55% 的初級生產者應被視為「藍碳 (blue carbon)」。

其中,海草、紅樹林和鹽草等沿岸生態系封存大氣二氧化碳的量更遠高於熱帶雨林。但相較於熱帶雨林,這些藍碳生態系卻是以 5-10 倍的速度快速的消失,將對全球暖化狀況雪上加霜。在氣候變遷的威脅下,也因這樣的報告,激起全球政府跟海洋學界一股對這些沿岸藍碳生態系的保育重視跟研究,尤其著重在海草、紅樹林和鹽草等維管束植物為主的生態系。

由於全球暖化的影響,全球對藍碳生態系的保育跟研究更加重視。圖/pixabay

到底藍碳是什麼?海洋中怎樣的初級生產者才可以被視為藍碳?

要回答這個問題,我們首先得了解「碳吸存(carbon sequestration;抑或翻譯成碳匯及碳截存)」。當維管束植物或藻類進行產氧光合作用的同時,能夠將大氣中的二氧化碳固定,使用太陽光能,藉由光合作用化學反應產生葡萄醣(C6H12O6;或6(CH2O))及氧氣(反應式一)。因為葡萄醣主要是以碳為分子骨幹,並由生物合成,故又稱之為有機碳。

反應式一(光合作用):

CO2 + 2H2O + >8 Photons → CH2O + H2O + O2

由光合作用產生出來的有機碳葡萄醣,能進一步成為主要原料,在維管束植物(例如海草、紅樹林和鹽草)體內用以合成另一種有機碳分子木質素 (lignin),支撐維管束植物生長。當維管束植物死去後,木質素是一種非常難被微生物分解利用的有機碳。

因此,這些不易分解的木質素就好比一個天然的碳吸存裝置,能抵抗微生物分解並最終埋葬於地底沉積物中,不再釋放回大氣中,達到降低大氣二氧化碳的目的,這樣碳吸存的過程我們稱為「碳埋葬 (carbon burial)」。此外,在大洋中生長的小型浮游藻類,死掉後會沉降到微生物作用不活躍的低溫深海,使得微藻殘骸無法被微生物分解而最終埋葬於深海中,這樣的碳吸存方式稱之為「生物幫浦 (biological pump)」。

整體而言,當二氧化碳藉由光合作用固定合成出有機碳後,這些有機碳能夠藉由碳埋葬或生物幫浦方式被長期儲存而不被微生物利用轉化為二氧化碳再度釋放回大氣中,這就是碳吸存的概念。相較於陸域生態系,因為海草、紅樹林、鹽草及大洋小型浮游微藻等生態系身處藍色海洋中,又具備碳吸存的功能,故以藍碳稱之。

眼淚變珍珠,鈣化的藍眼淚

在海洋中,從碳吸存的定義思考,假如初級生產者死後不能夠被碳埋葬(碳封存),或是無法有效降低大氣二氧化碳,我們就不能把它們視為藍碳。生活在海洋中的大型海藻(簡稱海藻),因不具備木質素,又大多生長在岩岸導致殘骸不易被沉積物包埋,也不像小型浮游微藻可藉由生物幫浦方式進行碳吸存,傳統認為它們藻體死亡後會快速被微生物分解,再度以二氧化碳方式釋放回大氣中,所以它們在藍碳科學討論中一直乏人問津。

但近年來,隨著更多的研究,海洋生物生態學家逐漸體認到沿岸這些大量生長的海藻,其實可以藉由不同的方式具備碳吸存的生態功能,可以說是一個長期被低估的藍碳生態系。在這幾年的研究,到底海洋生物生態學家學到了什麼,讓我們得以重新認識這群默默協助我們降低大氣二氧化碳的功臣?

海藻碳吸存的其中一種方式,就是藉由鈣化作用累積碳酸鈣。在所有海藻中,約有 5% 的物種能進行鈣化作用,於藻體內累積碳酸鈣,泛稱為「鈣化海藻」;其中,以紅藻中的珊瑚藻科藻種佔最大宗且具有最多樣的鈣化海藻,珊瑚藻科的殼狀珊瑚藻更能夠層層推疊,建構與珊瑚礁在規模上不相上下的巨大生物礁體 (super reef),例如臺灣西北海岸的桃園藻礁。

桃園大潭藻礁潮間帶(上圖;劉少倫攝影)退潮後暴露出來的胞石藻屬 (Sporolithon) 的殼狀珊瑚藻(左下圖;劉少倫攝影)和珊瑚藻屬 (Corallina) 的有節珊瑚藻(右下圖;陳品辰攝影)。

在水中,海藻無法像陸上的維管束植物,可藉由氣孔進行氣體交換而獲得源源不絕的二氧化碳。此外,因為海水弱鹼性的環境(約 pH 8.2),當二氧化碳溶於海水中,主要是以碳酸氫根負離子 (HCO3) 形式存在,而非二氧化碳形式。

因此,當海藻進行光合作用時,面臨到二氧化碳取得不易的難題,勢必要有辦法退而求其次的使用碳酸氫根負離子,以供光合作用所需。為了解決這個難題,海藻所演化出的鈣化作用就是一種能夠幫助它本身使用碳酸氫根負離子,以提供光合作用所需的二氧化碳。在鈣化海藻細胞中,可借助細胞膜上的質子鈣反向轉運蛋白(H+/Ca2+ antiporter),將鈣離子濃縮在細胞間隙,產生高鹼度區域,使細胞間隙成為催化碳酸鈣累積的區域(反應式二)。

反應式二(鈣化作用):

CO+ Ca2+ + H2O → CaCO3 + 2H+

在質子鈣反向轉運蛋白運輸鈣離子到細胞間隙的同時,另一方面則將氫正離子運輸到細胞外產生出高酸性區域,使氫正離子能夠與細胞外海水中的碳酸氫根負離子反應,使鈣化海藻間接使用水中的碳酸氫根負離子,產生出高濃度二氧化碳擴散至細胞內(反應式三)。

反應式三(碳酸氫根負離子使用):

2H+ + 2HCO3 → 2CO2+ 2H2O

希望以上這些複雜的化學反應式在還沒有把你搞得暈頭轉向前,你已看出鈣化海藻利用細胞間隙的碳酸鈣累積的策略,竟然可以協助藻體細胞獲得高濃度的二氧化碳,供光合作用所需。

落碳歸根,化作藻礁護地球

到這裡為止,我們不禁會聯想過去所學的鈣化作用反應,當鈣離子與碳酸氫根負離子反應,除了合成出碳酸鈣,也會釋放出大量的二氧化碳(反應式四)。

反應式四(動物鈣化作用):

Ca2+ + 2HCO3 → CaCO3 + CO2 + H2O

既然如此,那鈣化作用豈不是不能降低大氣中的二氧化碳,反而增加大氣二氧化碳的濃度?沒錯,骨骼形成的確是一種釋放二氧化碳的過程。然而,別忘了,鈣化海藻是能夠行光合作用的生物,雖然藻體因鈣化作用間接使用了水中碳酸氫根負離子,而產生細胞外高濃度二氧化碳,但這些二氧化碳會進一步被藻體的光合作用反應使用殆盡。

因此,當我們結合反應式一的光合作用、反應式二的鈣化作用和反應式三的碳酸氫根負離子使用,鈣化海藻的光合作用確確實實是一個降低外界二氧化碳,產生碳酸鈣、葡萄醣跟氧氣的化學反應(反應式五)。

反應式五(鈣化海藻光合作用):

Ca2+ + 2HCO3 → CaCO3 + CH2O + O2

想像一下,當殼狀珊瑚藻以約 7500 年的時間,將碳酸鈣層層堆疊建構出如桃園藻礁長達 27 公里的藻礁,這些礁體可以說是一個長期封存大氣二氧化碳的碳吸存裝置。除了殼狀珊瑚藻建構的藻礁,同樣屬於珊瑚藻科的有節珊瑚藻,更在近年被發現竟然也有合成木質素的能力,趨同演化下,以抵抗強浪的拍打。

因此,可以想見珊瑚藻死後的有機碳也能像維管束植物一般,碳埋葬於淺海沉積物中。整合文獻資料,根據粗算,珊瑚藻的有機碳(例如木質素)或無機碳(例如碳酸鈣),全球每年約有 1.6 × 109 公噸的碳可藉由它們的碳埋葬或生物礁體建構被吸存起來。

殼狀藻礁。圖/flickr

把碳封起來,環境救回來

海藻還有另一種進行碳吸存的方式,是藉由將生長在岩岸的海藻藻體,剝落後漂移沉降到能夠碳吸存的環境中被保存下來。舉例來說,許多褐藻(例如昆布、馬尾藻或囊藻)具有氣囊結構,能夠使剝落的藻體在海洋中漂移一段時間。但這些氣囊結構,以馬尾藻為例,實驗指出約在藻體剝落 5 小時以後,就會在洋流外力影響下崩解使得藻體沉降。

因此,當這些剝落的藻體漂移沉降到淺海沉積物上,在尚未被微生物完全分解前,即已埋葬於這些沉積物中。根據最近研究指出,利用穩定碳同位素分析技術,科學家發現在淺海海草床或紅樹林的沉積物中,約有 50-60% 的碳是來自於海藻或其它非維管束植物之初級生產者,顯示絕大多數海藻雖不具木質素,但其有機碳確實能夠搶在微生物分解前被封存於這些淺海沉積物中。

漂浮在東沙內環礁的亨氏馬尾藻(Sargassum henslowianum;上圖)及羊棲菜馬尾藻(S. fusiforme;左下圖)。白色箭頭為羊棲菜馬尾藻具有氣囊的小葉(右下圖)(劉少倫攝影)。

此外還有個非常類似生物幫浦的機制可以幫助碳封存。生長在沿海岩岸的海藻,如果位於海底峽谷附近,其剝落的藻體很容易由淺海經海底峽谷一路滑落到深海,或漂移到大洋並沉降至深海,使得這些藻體在深海低溫下埋葬於深海沉積物中,不受到微生物分解。由文獻資料粗算得知,藉由海藻有機碳在淺海碳埋葬或深海沉降方式,可貢獻全球每年約有 1.73 × 108 公噸的碳被封存起來。其中,約有 88% 是由深海沉降所貢獻的。

同樣也是粗略估算,在沿海生態系中的維管束植物(海草、紅樹林和鹽草)的有機碳,全球每年約有 1.21 × 108 公噸的碳可藉由淺海碳埋葬封存起來。相較於海藻的碳吸存能力,顯然海藻具有與沿海這些維管束植物相當或更高的碳吸存量。綜合這些研究,我們開始了解到,沿岸海藻可藉由四種不同的方式來達到碳吸存的生態功能,分別為鈣化作用礁體建構、木質素合成、淺海碳埋葬及深海沉降。

海藻碳吸存示意圖。
劉少倫繪

檢視台灣的藍碳生態系

不像沿海生態系中的維管束植物,海藻的碳吸存長期被學界所忽視。有鑑於雨後春筍般的研究證據,Krause-Jensen 等人於 2018 年在國際著名期刊 《Biology Letters 》以藍碳大象來描述海藻在藍碳中的貢獻,並呼籲學界應開始正視海藻在全球藍碳舞台已佔有舉足輕重的地位。

排除海藻在藍碳的貢獻,好比鴕鳥心態,將無法有效的進一步管理保育這些能夠減輕氣候變遷的藍碳生態系,並可能輕忽並破壞這些藍碳生態系;當這些尚未被好好了解的藍碳生態系消失後,將有可能是全球氣候變遷下壓垮駱駝的最後一根稻草。

舉例來說,臺灣最近鬧得沸沸揚揚的大潭藻礁生態系保育議題,政府希望在這個區域建置第三天然氣接受站,以提高臺灣未來石化燃料天然氣的使用量進行發電。然而,在這樣工程政策的背後,似乎並未意識到大潭這一片藻礁在藍碳中的貢獻,使得臺灣不僅無法遵守全球在 2015 年所簽訂巴黎協議以降低溫室氣體的排放外,可能更進一步摧毀能夠降低溫室氣體的藍碳生態系。

臺灣四周環海,具有多樣的沿海藍碳生態系,包括墾丁的海草生態系、西海岸的紅樹林生態系、西北部的藻礁生態系及東海岸鄰近海底峽谷的海藻生態系。然而,對於臺灣周遭這些藍碳生態系的碳吸存,許多基礎研究資料仍舊不明。在氣候變遷下的臺灣,了解我們四周海域藍碳的價值,是臺灣人身為全球公民一份子責無旁貸的責任。

了解台灣四周海域藍碳的價值,是臺灣人身為全球公民一份子責無旁貸的責任。圖/pixabay

參考文獻

  1. Martone P.T., Estevez J.M., Lu F., Ruel K., Denny M.W., Somerville C., Ralph J. 2009. Discovery of lignin in seaweeds reveals convergent evolution of cell-wall architecture. Current Biology 19: 169-175.
  2. van der Heijden L.H., Kamenos N.A. 2015. Reviews and syntheses: calculating the global contribution of coralline algae to total carbon burial. Biogeosciences 12: 6429-6441.
  3. Krause-Jensen D., Duarte C.M. 2016. Substantial role of macroalgae in marine carbon sequestration. Nature Geoscience 9: 737-742.
  4. Krause-Jensen D., Lavery P., Serrano O., Marbà N., Masque P., Duarte C.M. 2018. Sequestration of macroalgal carbon: the elephant in the blue carbon room. Biology Letters 14: 20180236.

本文轉載自MiTalkzine,原文《海洋中默默耕耘的藍碳大象》

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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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