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換到分子角度看世界:突破「臭氧層破洞」爭議盲點

研之有物│中央研究院_96
・2019/12/04 ・3547字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

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

  • 執行編輯|林婷嫻、美術編輯|張語辰

為什麼要研究「分子束化學反應」?

「分子」聽起來離一般人的生活很遠,但比起每個月收到的帳單,分子可是天天與你生活在一起,包含氧氣、水氣等等。透過觀察分子的化學反應,還能幫人類解決生存難題。

舉個極為重要的例子:臭氧層破洞的速度有多快?這攸關地表全人類如何受到紫外線危害。中央研究院原子與分子科學所林志民與團隊,透過轉向思考、默默累積的實戰經驗,將視野聚焦到分子大小,成功解決國際科學家苦惱的難題。

人生中有一些問題,如果總是順著同一個方向想,會產生盲點,在這不順遂的時候如果又吹起水逆、犯太歲等風向,會讓人不禁想放棄自己的人生。研究化學也是如此,若遇到無法解決的難題、或是學術上的爭議,當傳統的實驗方法行不通時,除了放棄還有更好的選擇──不如換個方向想

所謂「轉向思維法」,就是在研究解決問題或發明設計時,背逆通常的思考方式,從另一個角度尋找機會。透過這個思考方式, 2009 年時成功解決國際間對於臭氧層為何破洞的爭議,而突破盲點的就是中央研究院原子與分子科學所林志民與團隊。

當「陽光」遇上「過氧化氯(ClOOCl)」會加速破壞臭氧層
圖片來源|StockSnap.io by Natalie Collins

享受春天燦爛的陽光,對人類來說療癒身心,但對於春天時南極洲上空的臭氧層而言,陽光卻是破壞臭氧的共犯。人類使用冷媒等物質所排放的氟氯碳化合物進入大氣後,會分解產生氯原子(Cl)。氯原子會快速地摧毀臭氧(O3),形成氧氣(O2)及氧化氯(ClO)。在臭氧層中,兩個氧化氯易結合形成過氧化氯(ClOOCl)。這時候問題大了!過氧化氯分子會吸收陽光而分解,並再次產生氯原子(Cl)。在這個光化學現象的循環下,只要陽光足夠,少量的氯原子(Cl)就會破壞千倍以上的臭氧分子(O3)。

等等,以上這段文字讓人看得眼疼?下面這張圖說,為你示意臭氧(O3)、氯原子(Cl)、過氧化氯(ClOOCl)之間的愛恨情仇。

氯原子(Cl)會摧毀臭氧(O3), 而過氧化氯(ClOOCl)照到陽光會再次產生氯原子(Cl),讓更多臭氧(O3)遭殃
圖說設計|林婷嫻、張語辰

如果缺少臭氧的保護,就無法擋住陽光中會造成人類致癌的紫外線。而威脅臭氧的兇手就是「殺了一個我還有千千萬萬個我」的氯原子,和「遇到陽光就情不自禁分解」的過氧化氯。

但在 2007 年一項學術爭議,讓科學家們懷疑上圖中所描述的臭氧層破壞原因是否正確,其爭議點就在於「過氧化氯分子吸收陽光的效率,到底是快?是慢?」,要探究這個問題,過氧化氯分子的「吸收截面積」是十分關鍵的數據,愈大的吸收截面積,代表光愈容易被吸收,過氧化氯分子愈容易分解,氯原子產生的速率也快。

2007 年美國噴射推進實驗室研究發現:「過氧化氯分子(ClOOCl)吸收陽光的效率很慢」。對此,科學家們產生強烈的爭議。

若根據美國噴射推進實驗室發表的結果,目前大氣中已知的化學反應,無法產生足夠多的氯原子以解釋臭氧洞的形成。那麼,是什麼造成臭氧一直被破壞?對此,國際科學家們產生強烈的爭議,甚至連兩大科學期刊《自然 Nature》 與 《科學Science》都曾對此議題發表不一致的評論。如果臭氧洞的形成另有未知的原因,目前人們保護臭氧層的方法還值得信任嗎?

傳統實驗方法行不通,換個角度解決問題

中研院環境變遷研究中心梁茂昌,先注意到臭氧層破洞爭議,鍥而不捨地提醒:「這個問題很重要,更重要的是中研院可以來解決。」

在當時的中研院李遠哲院長號召下,中研院原子與分子科學所林志民與研究團隊進入這個未知的領域,一開始先蒐集資料、了解其他科學家的問題出在哪。哈佛大學、劍橋大學等研究團隊亦相繼投入此議題,重新量測過氧化氯分子的吸收截面積,但皆面臨同樣的困難:過氧化氯的純樣品難以製備,以致於實驗數據有誤差、不易獲得可信的結果。

因為在實驗過程中,需要把過氧化氯(ClOOCl)裝在瓶子裡,但瓶中的過氧化氯很不穩定、會慢慢分解成氧氣(O2)和氯氣(Cl2),當過氧化氯樣品受氯氣汙染,很難分辨打入瓶中的光線是被過氧化氯吸收?抑或被氯氣吸收?

中研院從「分子」找答案 vs 傳統實驗從「光線」找答案
圖說設計|林婷嫻、張語辰

林志民與研究團隊思考,當一個分子吸收光線產生分解,這個化學反應過程中可以選擇測量「分子」或「光線」,但在實驗室氣體樣品不純的限制下,從測量分子下手較為適合。因為不同分子的質量不同,測量某個分子的質量,就可以知道它是什麼分子,避免把氯氣誤認為過氧化氯這類情況。

林志民與研究團隊利用質譜偵測器,量測分子束中過氧化氯分子的數量,當光線打下去後,就能算出過氧化氯分子被光線分解的效率,也能得到吸收截面積的關鍵數值。由於質譜偵測器可以篩選質量,過氧化氯分子的訊號不會受到氯氣等雜質的干擾,得到的數據有很高的可信度。

在「過氧化氯」不純樣品中量測「吸收截面積」,就靠這台自行設計製造的秘密武器
攝影|張語辰

雖然測量「分子」需要用到質譜儀與分子束的儀器設備,比起測量「光線」困難好幾十倍,這也是傳統實驗都從光線下手的原因之一。但當時台灣研究分子束、質譜的技術已經耕耘十幾年,有李遠哲、劉國平、倪其焜、林志民等團隊長期累積的實戰經驗,發展比國外成熟許多,因此從分子的角度切入觀察,花了一年的時間就找到答案。

2009 年中研院實驗發現:「過氧化氯(ClOOCl)其實蠻容易吸收陽光」。再次證實人類活動所排放的氟氯碳化合物是破壞臭氧層的主因,而且破壞臭氧的效率較以往認知的更快!

林志民與團隊的實驗數據顯示,過氧化氯分子的吸收截面積不僅遠大於 2007 年美國噴射推進實驗室的結果,且較學界在 2006 年的評估認定值 (JPL 2006) 為大。將此數據代入現有的大氣化學模型中,就能解釋臭氧洞的形成過程,再次證實人類活動所排放的氟氯碳化合物正是破壞臭氧層的主因。先前美國噴射推進實驗室的研究,因為過氧化氯樣品受到氯氣汙染,所以發表的過氧化氯分子吸收截面積,才會比先前學界接受的值小了近十倍,讓科學家們捲袖隔空交戰。

林志民團隊發表的過氧化氯分子吸收截面積,與其他實驗室數據的比較
資料來源|林志民提供

解決問題不只靠腦力,說好的儀器呢?

重要的問題經常需要新的量測來提供答案或解題的方向,而新的量測往往需要新的儀器。

每一個成功的科學量測儀器,背後都有一群默默付出的設計製造團隊。林志民與團隊運用分子與化學的知識,設計出量測過氧化氯吸收截面積的儀器,但這時一切都只實現在科學家的腦海中。必須與中研院原子與分子科學所自有的機械工廠和玻璃工廠合作,透過和師傅們不斷討論與調整、加工零件、組裝,才能將腦海中的儀器變成現實。宛如 007 電影中強大的 Mr.Q ,量身打造各種「科學家的武器」,支持研究員在前線挑戰各個難關。

中研院原分所的 Mr.Q ─ 機械工廠(左圖)、玻璃工廠(右圖)
資料來源|林志民提供

2009 年中研院的實驗結果發表後,國際學術界相當意外,因為本來沒人知道中研院有涉入這個領域,而且竟能找到非傳統的方法量測過氧化氯的光化學數據,為大氣化學家提供了精確的參考數據。

對於臭氧層為何破洞的爭議,若因實驗室量測數據的誤差而導致錯誤的環保政策,受到紫外線侵襲的後果將由地表全人類和生物們共同承擔。也許真實世界沒有超人或神力女超人來保護我們,但透過分子束化學反應這類基礎研究,有助從分子的視角,找到永續生存的對策。

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為從分子視角,突破「臭氧層破洞」盲點!,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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保留海洋中的絢麗色彩——海科館陳麗淑博士專訪

科學月刊_96
・2021/09/30 ・5120字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由海洋保育署廣告企劃,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 作者:採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地,但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題,珊瑚的生存不斷受到壓迫,珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚,由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」,用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對,就能評估該珊瑚的健康狀況。此外,海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣,讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

圖/Pexels

海中有著形形色色的生物,如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的,肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了!許多人常會誤認珊瑚是一種植物,但牠其實是不折不扣的動物。事實上,珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲(coral polyps)所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚,而由珊瑚組成的珊瑚礁(coral reef)更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢,每年僅增長約 10 公分,且十分脆弱,近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題,造成珊瑚的生存出現危機。因此,保護珊瑚人人有責,但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢?本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館(以下簡稱海科館)的研究員陳麗淑博士,看看有哪些保護珊瑚的方式,以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測(coral watch)方法吧!

珊瑚遇到了什麼危機?

關於珊瑚,我們最常聽到的是「珊瑚白化」(coral bleaching)。但珊瑚白化代表什麼?又是什麼造成了珊瑚白化呢?

白化的軸孔珊瑚(Acropora spp.)與背景中的健康軸孔珊瑚形成對比。圖/WIKIPEDIA

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感,一般來說,對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23~28℃,而生存的極限溫度範圍則為 18~32℃,若超過這個溫度區間,對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示,一但海水溫度超過 32℃,珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化,各種珊瑚因生長速度不同,白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說,生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化,而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的?其實珊瑚白化詳細原因,是因為當環境溫度出現劇烈變化時,珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源,因此在珊瑚內部的共生藻數量多時,顏色就會飽滿鮮豔,而當共生藻離開珊瑚後,珊瑚的顏色便會越變越淡,最後白化,若後續沒有適當保護與處置,珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的,只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度,珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣,恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象,陳麗淑表示,珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季,甚至在去(2020)年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象,由於當時的海水溫度偏高,且維持時間較長,使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是,根據調查,今(2021)年還未發生大規模的珊瑚白化,且時節已進入秋季,海水溫度下降,至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過,陳麗淑也語重心長地提醒:「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是,若海水溫度升高頻繁,將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此,我們必須想辦法保護珊瑚。

圖/Pexels

一般人該怎麼保護珊瑚?老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說,並不是所有人都具備珊瑚的相關知識,對此,陳麗淑一直在思考該用什麼方法,才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢?在公民科學領域中,有個名為「珊瑚礁體檢」(reef check)的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高,需要先經過一定時數的課程訓練,且所費不貲,因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上,珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣,但當時並未受到大量關注。直到 2018 年,陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式,發現其背後的科學大有學問,也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片,上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示,這些色調涵蓋了約 70~80% 的珊瑚種類,即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚,但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單,任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁,將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域,則建議觀測時攜帶光源,以避免色差造成的誤判。前文有提到,珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量,當共生藻數量越多,珊瑚顏色越深,也就代表越健康;反之,若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

因藻類過度生長而造成的珊瑚白化 。圖/WIKIPEDIA

陳麗淑說明,珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學(The University of Queensland)學者馬歇爾(Justin Marshall)等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗,觀察在各溫度區段中,不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量,並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後,馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示,這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後,許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高,能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫,將珊瑚的顏色變化標準化後,製作成珊瑚健康色卡,提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康,並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據,支持珊瑚礁監測工作。

另外,珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作,包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中,讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境?

雖然保育珊瑚是許多人的共識,但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動,當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上,若沒有人為協助清理,則非常有可能造成珊瑚死亡。

圖/Pexels

陳麗淑舉例說明,由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)的本土疫情,位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現,因為沒人下水協助清理海洋垃圾,許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除,發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象,這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此,陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論,若保育區都沒有人進入可能並不是件好事,尤其當海洋汙染嚴重,垃圾很多的情況下,都還是必須定期有人去協助清理。因此,保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢?陳麗淑表示,如果你是一個會下水觀測的人,使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備,只要準備珊瑚觀測的卡片,攜帶相機與光源,就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客,反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚,因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署(以下簡稱海保署)為推廣友善珊瑚礁生態旅遊,提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」,包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水,在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說,在我們常用的防曬乳中,多數含有可能傷害珊瑚的成份,因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外,由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類,讓珊瑚順利生長,我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的,是希望大家一起落實節能減碳,全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一,若減碳能從個人做起,也是保育珊瑚的積極作為。

「海洋友善防曬」 的成分較不會傷害珊瑚。圖/Pexels

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外,海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示,海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測,還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面,海科館內也有養殖珊瑚,研究人員會把這些珊瑚移植到野外,或是使用不同的材質,測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法,協助加速珊瑚的生長。

在教育方面,去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位,共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中,包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此,海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學,除了教導珊瑚的知識,以及倡導珊瑚保育外,讓小朋友們藉由織毛線的方式,訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題,也讓小朋友在織毛線的過程中,思考珊瑚對於生態的重要性,從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後,舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外,海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事:珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書,並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」,整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示,透過這些教材與教案的持續推廣,希望能讓更多人利用這些資源,一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫,建立珊瑚監測與保育示範點,以及珊瑚監測交流網絡,選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底,澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態,但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退,可見除了受到全球暖化影響,不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外,海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作,針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育,增加棲地多樣性。截至今年 9 月底,珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺,其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占(Lethrinus nebulosus)、鸚哥魚(Scaridae)、隆頭魚(Labridae)等也逐漸聚集在移植區域,豐富當地生態。

棕吻鸚哥魚。圖/WIKIPEDIA

此外,有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作,海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室,除了作為各單位資料蒐集整合中心,提供數據科學家分析資料外,還能進一步轉化為資訊呈現給大眾,使珊瑚礁相關專家學者、單位,以及一般民眾等,都可藉由此互相交流,同時兼具諮詢、推廣功能,協助提供珊瑚保(復)育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析,了解水質狀態,以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與,海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」,支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植,希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略,發揮社會影響力,促進在地參與珊瑚保育及復育作業,並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面,再到行動面,海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松!為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧!

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