海洋吸塵器啟動！咦？怎麼一下就結束了？

• 顏寧│海洋說書人，每週介紹一本海洋相關的設計類繪本或書籍。因航行而開始喜歡海洋，目標是成為一位海洋博物學家。

史上最強募資計畫！全世界海洋滿滿的塑膠垃圾，就靠這支吸塵器來救了！身負眾望的清理行動，卻出師未捷，暫時得拖回修理。

什麼，一點也不意外？請聽我從頭說起吧。

2018年9月4日，威爾森風光的下水典禮。圖：The scientist

16 歲時在希臘的一次潛水，親眼看見海裡的塑膠袋比魚多的畫面後，荷蘭青年柏揚．史拉特（ Boyan Slat ）發下宏願，打算用海洋吸塵器把全世界海洋清乾淨。此番豪語吸引了上千萬美元的捐款，他 18 歲就成立了自己的組織「海洋清理行動（ The Ocean Cleanup ，後簡稱 TOC ）」。雖然短短幾年，小鮮肉突然變成滿臉鬍渣的（即將步入）中年男子，他信心滿滿，宣稱只要有 60 個這樣的系統，就能在2025年減少海上一半的垃圾。

去年九月，眾所注目、小名威爾森的系統 001 （ System001 ）（也就是俗稱的海洋吸塵器）浩浩蕩蕩從舊金山出發，當時我還認真追了兩個小時的直播。沒想到，過了幾個月，從「嗯天氣不理想我們還在試」、「出現塑膠!但它漂走了我們還在研究為什麼」、「系統調整中」、「系統調整中但速度不理想」、「嗯……威爾森要先回港口修理」，到今年一月初慘烈的「哎呀它斷了」。雖然史拉特面對接踵而至的打臉酸文表示：「說我失敗的都是胡扯！這本來就是實驗，邊做邊學也是很正常 der 」。這個史上最強募資的環境行動，到底告訴了我們什麼。

在討論海洋吸塵器到底可不可行之前，讓我這個物理苦手，翻譯加拿大海洋物理學家克拉克．理查（ Clark Richards ）博士從流體力學的角度來看海洋吸塵器為何失敗的文章。

一句話總結本文：大海強而有力，而且喜歡把東西扯爛（>///<），吸塵器爛掉也只是剛好而己。

簡單說，海洋是個很難工作的地方。說真的，有專門讓工程師把設備丟到海裡看有多少能生還的研討會，他們這樣形容：如果你能把設備拿回來，代表那是成功的計畫；如果它還能紀錄到任何數據，那就是錦上添花了。

TOC 提出的是一個自由漂浮的系統 001 ，團隊宣稱在洋流、風和海浪的作用下，系統 001 會比塑膠漂得更快，然後把塑膠垃圾集中到 U 字形的圍欄中間，就可以輕易的蒐集垃圾。

系統001的任務與長相示意。（點圖放大）圖／System 001 Mission Plan

理想情況是：風、海浪和洋流全都是往同一個方向走。

如影片中所呈現的，系統 001 作為垃圾收集系統的前提是：通過風，波浪和洋流的共同作用， U 形圍欄會比漂浮的塑膠垃圾更快地掠過水面，因而能夠收集、集中垃圾，最後清除。  TOC 的想法是：雖然圍欄和塑膠垃圾都會隨著洋流而漂移，因為圍欄像帆一樣從水中凸出，所以它能藉由風力，移動得比表面水層更快。

以下我用我覺得比較親民的方式，來跟大家介紹一下克拉克．理查博士概略的描述波浪跟風的運作，與環流和太平洋垃圾帶。

1.海浪的移動方式比你想像得還複雜

海浪移動的期間，水粒子以小圈圈（通常稱為波浪軌跡）的方式移動，可看下面動畫了解圓形軌跡的移動。簡單來說，海浪前進時同時受到前進的動力與軌道力的作用。另外，波浪在傳播時，它的方向也會有一些漂移，為了紀念 1847 年用數學方法來描述這個漂移的斯托克斯先生（ Gabriel Stokes ），我們就把這稱為「斯托克斯漂移（ Stokes Drift ）」。斯托克斯指出，漂移量是非線性的，取決於波幅與波長。舉例來說，對波長 10 米、週期 10 秒（類似於典型的海浪）的 0.5 米振幅波，表面的漂移速度約為 10 公分/秒。

覺得頭很脹的同學別緊張，以上只是要說明，任何在水裡、被水粒子包覆的東西要移動，都需考慮到力、推進波、波浪動能的不同組成（讓我們緬懷親愛的牛頓與逝去的物理課……）。而比起巨大的、長達600米的漂浮圍欄，一塊小小的、漂浮的塑膠垃圾，會更容易受到斯托克斯漂移的影響。而單單這點就足以打臉這套被動收集系統了，史拉特你怎說？

2. 風向跟水流不會往同一個方向

因為科氏力的關係，風吹過水面產生的水流是與風向是有角度的。/圖／wiki commons

1905 年，瑞典海洋學家艾克曼（ Vagn Walfrid Ekman ）發現，當風吹過海水表面，因空氣和水之間摩擦力產生的水流，並不會跟著風往同一個方向移動。原因是由於地球自轉，地表物體的運動會受到與運動方向切線的加速度，讓原本直線的運動沿著彎曲的路徑走，也就是科氏力（ Coriolis force ）。

總之，在理想的大海（如果世界上真的存在這樣的地方……）上，表面吹著穩定的風，表面的水流實際上跟風向是呈 45 度角。至於是往左還往右 45 度，則取決於你在北半球還南半球。更酷的是，表層的水流也會對其下方的水層產生摩擦力，以致下方的水層也會有個角度的移動，層層往下以此類推。風所造成的流動，會隨著深度而作用力漸小，因此產生了一個梯度向下的螺旋，稱為艾克曼螺旋（ Ekman spiral ）。

螺旋穿透的實際深度取決於一個叫做 Az 的神秘海洋參數，它描述了水層之間垂直混合的動能，有點像是它們之間的摩擦力。不過，很明顯的是，靠近表層漂浮的塑膠碎片跟 3 米深的浮動圍欄，它們承受的風力和水流是不一樣的，因此，它們也不會朝著同一方向移動的。嗯……這個結論，會讓系統 001 很難收集塑膠垃圾啊。

3. 環流是平均值，實際的方向亂七八糟

什麼是環流？如果把時間軸拉長、洋流是平均的狀態下，的確我們可以看到一個龐大的、旋轉的巨大海流。不過，在任何一個瞬間，實際的大海受到不同空間和時間尺度、亂七八糟流（簡稱為「亂流（或擾流）」）的作用，沒那麼容易掌握啊。簡單說，風、波浪和流場在空間和時間上都是高度變動的，而且從不會在同一個時間乖乖的停在同一個地方。同一時間、地點的洋流和波浪，也不盡然是該地點的風所造成的。大海裡經由各種不同過程產生的漩渦，會在力量消散前傳播到海洋盆地的各個角落。

這是海流。圖／https://earth.nullschool.net/。

這是波浪。圖／https://earth.nullschool.net/。

這是風。圖／https://earth.nullschool.net/。

在這樣的情況下，系統001想要在茫茫大海中找到太平洋大垃圾帶，即便有垃圾帶大致分佈的位置，但系統001如何能及時回應瞬息萬變的各種風、波浪和海流？

 與其花錢製造海洋吸塵器，不如解決垃圾

2004年，首篇提出「微塑膠（ microplastic ）」一詞，持續投入微塑膠研究十餘年，被海廢界尊稱為微塑膠教父（誤）的理查．湯普森（ Richard Thompson ），人們問他怎麼看這個史無前例的清理計畫？他說：

如果我有那～麼大的一筆錢，我希望 95 %用於防止垃圾進入海洋，只把其中 5 %用於清理。

發起全球淨灘行動（ International Coastal Clean-up ）的非營利組織海洋保護協會（ Ocean Conservancy ）也不看好這個行動。首席科學家喬治．里歐納（ George Leonard ）表示：

我們海洋保護協會對這個計畫抱持高度懷疑，但我們希望它能成功。不過，如果你不阻止塑膠流向海洋，一切都是徒勞無功。

澳洲聯邦科學與工業研究組織 CSIRO （類似台灣工研院）學者丹妮絲．哈德蒂（ Denise Hardesty ）強調，海洋吸塵器絕不是萬靈丹。她認為，我們可以更有智慧的投入資源，聚焦於源頭，趁垃圾到達海岸前就攔截、清除。她說，就像浴室淹大水，你會很慶幸有拖把和抹布，反正最後我們還是要把它擦乾淨；但是，如果水還繼續再漏，我們要先想辦法把水龍頭關起來。

為什麼不把水龍頭關掉？圖： Credit: 高月紘｜ハイムーン工房のホームページより/https://highmoonkobo.net/?p=2731。

錢該怎麼花才是最有效？

澳洲政府每年花超過 100 萬澳幣在清垃圾，研究團隊評估到底錢怎麼花，最能夠有效減少垃圾。他們發現，投資在廢棄物管理（包含回收、防止亂丟垃圾和非法棄置的政策和教育），比預算單純用在清掃上，更能夠有效減少海岸上的垃圾。這個故事有興趣的朋友可以直接看 paper 本人，中文版容我之後再細細說明了。

編按：關於海洋吸塵器的來龍去脈，請詳見延伸閱讀〈出師未捷的海洋吸塵器（The Ocean Cleanup），從頭說起〉

• 本文轉載自作者 Medium，原文標題〈海洋吸塵器，為什麼一下就死掉了〉