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地球缺水46億年前已注定

臺北天文館_96
・2012/08/12 ・2243字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

既有大片的海洋,又有蜿蜒數百公里的大河,南北兩極還有巨型冰河,地球看起來太不像一個缺水的星球了。但其實不然,我們這個星球的質量僅只有不到1%是水,多虧了有些彗星和小行星在地球剛形成後不久便投奔向地球的懷抱中,地球上質量不到1%的一丁點水,恐怕還是彗星和小行星為我們帶來的伴手禮。

地球缺水的事實一直令天文學家費疑猜。按照過去標準模型的解釋,數十億年前,太陽系由一個以太陽為中心而繞行的原行星盤所形成,原行星盤由氣體和塵埃組成,在這個標準模型裡也同樣預估:我們的地球應該是個水成分很高的水世界。因為圍繞在太陽四周圍有一塊溫度夠低的區域,在那兒盤面上的一些東西因為冷凝結成冰,而地球的位置,不但就應該在那區塊中,形成地球的材質也應該是冰顆粒。換句話說,地球應該富含水。到底為什麼?我們的星球其實是這麼乾巴巴的呢?

地球為什麼比這個模型所預期的乾了那麼多呢?太空望遠鏡科學實驗室(STSI)的Rebecca Martin和Mario Livio兩位天文學家所率領的團隊最近將環繞在太陽周圍的一圈形成行星的殘骸物質吸積盤模型,重新做了一個新分析,提出了一個相當令人滿意的解釋。他們獲得的結果是,我們的地球是在所謂的「雪線」以內、一塊更乾更熱的區域裡、以岩質材料形成。今天,太陽系裡所謂的雪線的位置是在小行星帶中央,在火星和木星之間、一圈很像「碎石集中場」的地方,而超過所謂的「雪線」以外,陽光相對變弱,便不再能溶化原行星盤所殘餘的冰顆粒了。先前的吸積盤模型認為,45億年前,也就是最早地球成形的那時,雪線離太陽非常近。然而Rebecca Martin和Mario Livio的分析結果卻是:「雪線從來沒有遷徙到小於地球軌道裡面過」,這和標準吸積盤模型主張的結果不同不打緊,甚至研究員還認為雪線應該停留在離太陽遠遠的地方-遠到超過地球軌道以外,這才能合理解釋地球為什麼是一顆水不多的乾行星。事實上,新的模型還認為,包括水星、金星和火星這幾顆太陽系的內行星在內,同樣也都該是質地乾燥的行星才對。

這項研究已獲刊載於皇家天文學會月訊期刊。

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讓我們再回到傳統模型的假設,在那裡:圍繞在太陽四周的原行星盤是處於完全電離的狀態(電離的意思是原子裡的電子被剝離),不斷地朝它的母恆星成漏斗狀輸送物質,盤的溫度會因此升高。雪線起初位在遠離恆星的地方,大約16億公里遠,經過一段時間,盤面物質告罄,溫度冷卻下來,將雪線朝向內側漸漸地吸引拖拉,在地球取得足夠物質並形成為一顆行星以前,雪線的遷徙足跡由外向內跨過地球軌道,跑到小於地球軌道以內的地方。

不過問題是,如果地球生成的時候,雪線的位置在地球軌道以內,換言之,地球是位在雪線外圈,那麼地球應該是一顆多冰的天體,就像天王星及海王星這些形成於雪線外的行星一樣,組成成分有百分之好幾十都是水。但是地球的水卻不多,這個麻煩很難解釋。

事實上新的突破成果正是因為這兩位研究員找上了傳統雪線遷徙模型的一個麻煩,研究才有了開始。因為他們想「環繞在年輕恆星四周的吸積盤應該是不會完全電離的才對,它們不應該和傳統的原行星盤模型一模一樣,因為它們的熱度和輻射都不足以電離整個行星盤。」

譬如像是白矮星和X射線源等這些天體,因為非常熱,它們可以釋放充分的能量來電離吸積盤,但是事實上年輕恆星卻既沒有足夠的輻射,而那些朝它不斷下落的物質,能量也不夠多到可以供應電離整個吸積盤所需的重量級「拳打腳踢」。

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所以,要是吸積盤沒有被電離,物質被吸引穿過重重區域而朝向恆星遷徙的機制就不存在,這導致的結果是,環繞在恆星太陽四周的氣體和塵埃,既然不會向內移動,它們便在吸積盤上形成死亡區,一個典型的死亡區的範圍大約有0.1到好幾個AU大小(AU是地球和太陽間的距離,約等於1.5億公里,是一個基本的天文距離單位),它像栓塞一樣攔阻物質朝著靠近太陽的遷徙之路繼續前進,物質會在死亡區裡囤積,死亡區的密度也會漸漸增加,比方說,就好像演唱會時在等候進場管制的門打開之前,人潮塞爆了出入口處,是一樣的道理。

物質的密度藉由重力壓縮開始升溫,過程中,栓塞區的四周也受到加熱,含冰物質的水分因此被蒸發掉而變得很乾燥。地球就是生成在這個註定很乾的區域裡。原本謎題待解的標準模型在這樣的變動調整下,也就變得能夠清楚解釋地球為何並未形成一顆富含水分的星球了。

關於新模型,最後研究員附加了一條但書說明:改版的模型也許未必適用於所有年輕恆星的吸積盤。吸積盤的條件因恆星各種不同而有所差異,這就和世上許多其他事情一樣,如何拍板決定地球形成的最終結果?全由當時的各種機會決定了。(Lauren譯)

圖說:

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這張鳥瞰圖用兩個盤狀圖說明46億年前原行星盤有著一個以初誕生的太陽為中心的結構。在盤中,太陽系大家庭的各個行星們因黏聚塵埃和冰粒而聚結成塊。

左右兩個模型之間的主要區別在於所謂雪線的位置,雪線是個分隔島,分出兩個性質互異的區域,一個溫暖乾燥,另一個冰冷而紊亂。

左側是原來標準的磁盤模型,地球形成於雪線外的冰冷區。根據這個模型,地球應該含有大量的水,因為形成地球的主要成分應該會是冰。然而,據估計,地球的水質量只有不到1%,向來令科學家百思不得解。

右圖這個原始行星盤中畫出了一個新模式,地球形成於雪線內一個乾燥的地區,雪線離太陽遠得多了。而這個模型也能夠解釋為什麼地球的屬性應該是乾燥的。右方這個模型所提供的新見解在我們前往銀河系去尋找類地行星而需要豐度估計時,可以好好派上用場。

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資料來源:中研院天文網[2012.08.03]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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為什麼越累越難睡?當大腦想下班,「腸道」卻還在加班!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/30 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文與  益福生醫 合作,泛科學企劃執行

昨晚,你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎?這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾,甚至在腦海中數了幾百隻羊,大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程,讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇:你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠,我們得先認識身體的一套精密防衛系統:下視丘-垂體-腎上腺軸(HPA axis) 。這套系統原本是演化給我們的禮物,讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時,能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動,腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙),這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性,讓我們在危機中保持清醒 。

然而,現代人的「劍齒虎」不再是野獸,而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

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在理想的狀態下,人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後,身體會進入「修復模式」,此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點,讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素(Melatonin)接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號,它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素(Orexin)神經元,幫助大腦順利關閉覺醒開關。

對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態 / 圖片來源:envato

然而,當壓力介入時,這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出,長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化,使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌,更會讓食慾素在深夜裡持續活化,強迫大腦維持在「高覺醒狀態(Hyperarousal)」。 這種令人崩潰的狀態就是,明明你已經累到不行,但大腦卻像停不下來的發電機!

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升,而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸,分泌更多皮質醇來試圖消炎,高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期(REM),導致睡眠品質變得低弱又破碎,最終形成「壓力-發炎-失眠」的惡行循環。也就是說,你不是在跟睡眠上的意志力作對,而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關:PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局,科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系:腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」,而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便,更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話,直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」(Psychobiotics)。

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腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」/圖片來源:益福生醫

在眾多研究菌株中,發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發,累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」(First Night Effect, FNE),也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難,俗稱認床。科學家在進行實驗時發現,補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期(NREM)的睡眠長度,且入睡更快,起床後也更容易清醒。更重要的是,不同於常見的藥物助眠手段(如抗組織胺藥物 DIPH)容易造成快速動眼期(REM)剝奪或導致睡眠破碎化,PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力,它能有效縮短入睡所需的時間,並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現,即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理(Heat-treated),轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」(Postbiotics),其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點,讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中,科學家觀察到一個耐人尋味的現象:當詢問受試者的主觀感受時,往往會遇到強大的「安慰劑效應」,無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人,主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相,讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而,客觀的生理數據(Biomarkers)卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後,實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人(84.6%)出現了夜間褪黑激素分泌增加,且壓力荷爾蒙(皮質醇)顯著下降,這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統,而不僅僅是心理安慰。

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最值得關注的是,對於那些失眠指數較高(ISI ≧ 8)的族群,這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後,不僅生理標記改善,連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間,以及焦慮感也出現了顯著的進步。

了解更多PS150助眠益生菌:https://lihi3.me/KQ4zi

重新定義深層睡眠:構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息,而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠,關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石,始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境,到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統,並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現,身體便能更順暢地啟動睡眠開關,回歸自然的運作節律。

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與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持,每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始,為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通 / 圖片來源 : envato

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肺部為何會「結疤」?揭開比癌症更致命的「菜瓜布肺」,科學家如何找到破解惡性循環的新契機
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/05/08 ・2041字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作,泛科學撰文

在現代醫學的警示清單裡,乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生;但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視,那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」(IPF),其預後往往不太樂觀,確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

首先,我們得先破解一個迷思:肺纖維化並不是單一疾病,而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」,腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象,患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕,像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

更重要的是,IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性,一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化,是兩種完全不同的概念。

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IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性,一旦形成就很難逆轉 / 圖示來源:shutterstock

肺部為何會變成「菜瓜布」?

為什麼好端端的肺會變成菜瓜布?這其實是一場身體修復機制失控的結果。

「纖維化」的組織,就是肺部間質組織(interstitium)的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍,包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下,肺部損傷後會啟動修復機制,並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內,這套修復機制卻「當機」了。

身體會不斷地發出訊號,導致負責修復工作的「纖維母細胞」(fibroblasts)被過度活化,進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織,最終在肺部形成永久性的纖維化。

科學家發現,這個過程之所以棘手,在於它是一個「惡性循環」,肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ,它們相互加乘,演變成難以阻斷的強大破壞力。

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雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ,但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸,特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外,患有自體免疫疾病(如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎,)的患者,他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人,必須特別警覺。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ,但已知某些特定族群的風險更高。/ 圖示來源:shutterstock

打斷惡性循環的挑戰,為何只對抗「纖維化」還不夠?

面對這個不可逆的疾病,醫學界長年束手無策,直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥:Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺,首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

然而,這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望,卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看,這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題:既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊,那麼,我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略,從而更有效地打斷這個惡性循環?

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找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

為了解決難題,科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素:磷酸二酯酶 4B(PDE4B)

為什麼鎖定它?讓我們看看它的「雙重作用」機制:

  1. 關鍵位置: PDE4B 同時存在於免疫細胞(與發炎有關)與纖維母細胞(與纖維化有關)當中。
  2. 作用機制: PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP(環磷酸腺苷) 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
  3. 雙重抑制: 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性,細胞內的 cAMP 就不會被分解,濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞,同時產生抗發炎抗纖維化的雙重效應。

簡單來說,鎖定並抑制 PDE4B,就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程,有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

全球臨床試驗帶來的新希望

近十年來,全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗,我們相信,在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後,期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

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最後,我們必須再次提醒,特發性肺纖維化(IPF)與漸進性肺纖維化(PPF)是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手,雖然現有的治療手段能延緩惡化,但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織,因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

必須再次提醒,特發性肺纖維化(IPF)與漸進性肺纖維化(PPF)是極具破壞性、且不可逆的疾病。/ 圖示來源:


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全球與台灣面臨怎樣的水資源困境?有解方嗎?【2023 臺灣國際水論壇】
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/12/14 ・3777字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 經濟部水利署 委託,泛科學企劃執行。

人體有 70% 是水,而地球表面亦有 70% 被水覆蓋。「水」對人類來說,是賴以為生的必要資源,又因「水」相對容易取得,讓人們不易察覺水的珍貴。

在近年氣候變遷衝擊下,旱澇交替已成常態,經濟部水利署賴建信署長接受泛科學專訪時亦表示,依據聯合國政府間氣候變遷專門委員會(IPCC)第 6 次評估報告(AR6)分析,未來臺灣連續不降雨日數及最大暴雨強度將明顯增加,對於水資源及水環境帶來嚴峻挑戰。

具體來說,未來降雨將會更集中在特定時間與地點,在降雨地區造成更嚴重的洪災,讓非降雨地區的缺水情形更加嚴重。結果是降雨地區的水庫會不斷洩洪,無法有效收集雨水,而非降雨地區的水庫又會完全沒水。

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這情景也預示著我們平常容易取得的「水」,將轉變為更稀缺珍貴的資源;然而,水又是人生存所必須,若現在不採取行動,水資源終將成為人類生存的最大束縛。

為了讓企業、政府、學術單位能更重視未來所面臨的水資源問題,水利署於 10 月 23 日舉辦的「2023 臺灣國際水論壇」以「水未來」(Vision for Water)為主題,針對「水與企業永續」、「水與能源鏈結」、「水與自然解方」、「水與減碳科技」,希望形成創新的漣漪,向外擴散,激盪出國內外產、官、學界合作契機。

由於氣候變遷,看似唾手可得的乾淨用水,已逐漸成為稀缺資源。圖/Pexels

而擔任「水與ESG-厚植企業永續競爭力」場次的講者,是來自東海大學國際學院永續科學與管理學士學位學程的 Aleksandra Drizo 教授,她以數據與實際案例,揭露水資源短缺到底有多麼迫在眉睫。

全球有35億人,沒有安全與衛生的水可用

Drizo 指出,聯合國 2023 年公布的 SDGs 第六項「確保所有人都能享有水、衛生及其永續管理」報告中,指出世界上 35 億人缺乏乾淨用水與基本衛生條件,並強調:「獲得安全用水,環境衛生和個人衛生是人類健康與福祉的最基本需求。」而若要達到 SDGs 的 其他目標,又以第六項為最重要的核心,因為唯有確保人人都能用上乾淨的水,才有路徑完成其他目標,例如:第二項「終止飢餓」,就必須在確保有穩定乾淨的水源情況下,才可能達成。

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水資源為 SDGs 中的核心,所有指標與其息息相關。圖/Aleksandra Drizo 簡報
聯合國 2023 年的報告指出, 2022 年仍有 35 億人沒有乾淨用水與衛生環境,其中 19 億人連基本用水門檻與衛生條件都無法達到。圖/Aleksandra Drizo 簡報

Drizo 進一步指出,近幾十年來,儘管在改善飲用水和衛生條件方面有所進步,但仍有大量人口無法獲得安全飲用水和基本衛生設施。根據聯合國發布的 《Development and Globalization: Facts and Figures 2016》 資料,從 1990 年到 2015 年間,全球人口增長了 26 億,對水資源的調度與供給造成了巨大壓力。而在 2023 年世界衛生組織提供的乾淨飲用水調查資料中,直到2022年,仍有 22 億人口無法獲得安全飲用水,也與前面聯合國 2023 年的調查報告呼應,再次呈現水資源問題日益棘手的趨勢。

根據聯合國發布的 《Development and Globalization: Facts and Figures 2016》 資料,從 1990 年到 2015 年間,全球人口增長了 26 億,而未開發國家有近三分之一的人,無法確保乾淨用水。圖/Aleksandra Drizo 簡報

水資源困境並非全是全球人口成長惹的禍,全球氣候變遷造成更加頻繁的極端天氣事件,正讓全球面對過往不曾出現的乾旱。《衛報》2022 年報導歐洲面臨前所未見的熱浪與旱災,法國、荷蘭、比利時、瑞士、義大利、西班牙的河流,已經能直接看到河床,當時西班牙政府宣布限水,表示全國儲水量已達歷史新低,只有總儲水量的 40%,且每周都以 1.5% 的速率持續下降。

2022 年歐洲各地都傳出規模不一的旱災災情,如今西班牙缺水問題仍持續影響當地人民的生活。圖/Aleksandra Drizo 簡報

如今全球氣候變遷造成的水資源問題,也逐漸成為常態,《紐約時報》2023 年 10 月報導,如今西班牙仍處於缺水中,西班牙南部的水龍頭已經流不出水了,甚至連水井都已經枯竭,不只農業無法正常發展,民眾還必須仰賴水罐車或罐裝水維生,根據西班牙政府的報告,若缺水成為常態,則本世紀末將有近 74% 的西班牙國土,將面臨沙漠化的問題。

臺灣也面臨缺水問題

臺灣也未能逃離缺水的命運。2021 年春天,發生了 56 年來最嚴重的乾旱,當時外國媒體全都持續關注這場旱災,深怕缺水影響新竹科學園區的產線。而水利署搶先在 2021 年開通的「桃園—新竹備援管線」,從桃園每日調度 20 萬噸的水給新竹,才讓外媒的擔心沒有成真。

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2021年臺灣大缺水,外國媒體都十分關注。圖/Aleksandra Drizo 簡報

此外,臺灣水污染與地下水過度開採也導致水資源匱乏。要扭轉這一局面,則需要從多方面著手,水利署也已經開始建置相關工程並陸續投入使用,例如:高屏溪的「伏流水」與臺中水楠經貿園區淨化污水再利用的「再生水」,為地方開創多元水源,創造更有保障的用水環境。

Drizo 表示,臺灣的水庫也因氣候變遷面臨「優氧化」問題。由於水庫的水停滯過久,營養物質(氮和磷的化合物,相當於肥料)逐漸累積在水中,加上近年溫度上升,讓水中藻類與浮游生物孳生。在 2023 年的水利署水質檢測報告中,全國 20 個主要水庫中有 8 個水庫的水質已經優養化,這些優養化的水會對淨水廠造成額外負擔,而過濾出來的廢棄物處理也是個難題。

2023 年 7 月,水利署發布的水質調查報告指出,臺灣水庫有水質優養化問題。圖/Aleksandra Drizo 簡報

而 Drizo 針對優養化問題,提出以自然為本的解決方案(Nature-based Solutions, NbS)),並分享過去在各地施行的案例,例如:在 2009 至 2011 年與屏東科技大學的研究計畫,架設的社區小型污水淨水廠,以及用在美國俄亥俄州的農業污水淨水方案。最後 Drizo 分享了將廢棄物轉化生成富營養肥料等高附加價值產品的相關技術研發。也就是說,在淨水的同時,還能把廢棄物轉換為有價值的肥料,這不僅可以提高水資源利用效率,也具有重要的環保意義。

Drizo 的演講代表了學界在水資源問題上的重視,也提到了水利署正一步一腳印地改善臺灣用水環境,那麼身為用水大戶的企業,又有什麼作為呢?

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企業面臨的永續發展難題

臺灣美光記憶體的環安衛、風險管理暨永續發展處處長江頴俊在「水與ESG-厚植企業永續競爭力」場次分享該公司的實際經驗,臺灣美光記憶體透過「綠色基礎設施」、「流程優化」和「設備更新」的措施,成功達成每一滴水重複利用三次的目標,這項措施每年節省約 6000 萬立方公尺的水,相當於 6500 座奧運游泳池的水量。

然而,像美光這樣能提出具體目標與可信成果的企業並不多見,一同演講的法國北方高等商學院基礎建設研究中心 (EDHEC infra)的資深研究工程師 Nishtha Manocha,則說明大部分企業的永續發展目標缺乏 「設定具體可行的環保目標」以及「準確量化環保成果」。

許多企業的永續發展目標僅停留在概念階段,並沒有具體的達成路徑與量化檢核指標,這種模糊不清的目標將無法帶領企業持續行動。而更嚴重的是在量化成果這塊,目前企業仍多以內部數據來評估成效,缺乏第三方機構的驗證,資料的真實性可能會遭到質疑,也衍生出了「漂綠」的相關問題。

同場演講者—資誠聯合會計師事務所所長暨執行長周建宏,則表示「永續發展」已經是熱門的投資標的,投資人也害怕自己把錢給了「漂綠」的公司,最後虧得血本無歸。因此,在投資人的引導下,企業的永續發展目標會更為清晰,加上相關監管機構陸續成立,企業勢必將花更多心思在財報與資料呈現上,不能再打著永續發展的大旗,來跟投資者畫大餅。

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打造全球水未來

在「水與ESG-厚植企業永續競爭力」這場演講中,我們看到政府、企業、學界一同合作,共同討論如何解決水資源匱乏的難題。無論是學界針對水質優養化問題所提出的解決方案,抑或是透過投資人監督,讓企業能落實永續發展目標,都能看見世界正迅速朝永續水資源管理轉型。然而,各項監測指標仍顯示氣候變遷亦在加速,將我們推入未知領域,我們必須加快行動,才不會讓更嚴峻的水資源稀缺成為未來世代的枷鎖。

參考文獻

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地球缺水46億年前已注定
臺北天文館_96
・2012/08/12 ・2243字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

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既有大片的海洋,又有蜿蜒數百公里的大河,南北兩極還有巨型冰河,地球看起來太不像一個缺水的星球了。但其實不然,我們這個星球的質量僅只有不到1%是水,多虧了有些彗星和小行星在地球剛形成後不久便投奔向地球的懷抱中,地球上質量不到1%的一丁點水,恐怕還是彗星和小行星為我們帶來的伴手禮。

地球缺水的事實一直令天文學家費疑猜。按照過去標準模型的解釋,數十億年前,太陽系由一個以太陽為中心而繞行的原行星盤所形成,原行星盤由氣體和塵埃組成,在這個標準模型裡也同樣預估:我們的地球應該是個水成分很高的水世界。因為圍繞在太陽四周圍有一塊溫度夠低的區域,在那兒盤面上的一些東西因為冷凝結成冰,而地球的位置,不但就應該在那區塊中,形成地球的材質也應該是冰顆粒。換句話說,地球應該富含水。到底為什麼?我們的星球其實是這麼乾巴巴的呢?

地球為什麼比這個模型所預期的乾了那麼多呢?太空望遠鏡科學實驗室(STSI)的Rebecca Martin和Mario Livio兩位天文學家所率領的團隊最近將環繞在太陽周圍的一圈形成行星的殘骸物質吸積盤模型,重新做了一個新分析,提出了一個相當令人滿意的解釋。他們獲得的結果是,我們的地球是在所謂的「雪線」以內、一塊更乾更熱的區域裡、以岩質材料形成。今天,太陽系裡所謂的雪線的位置是在小行星帶中央,在火星和木星之間、一圈很像「碎石集中場」的地方,而超過所謂的「雪線」以外,陽光相對變弱,便不再能溶化原行星盤所殘餘的冰顆粒了。先前的吸積盤模型認為,45億年前,也就是最早地球成形的那時,雪線離太陽非常近。然而Rebecca Martin和Mario Livio的分析結果卻是:「雪線從來沒有遷徙到小於地球軌道裡面過」,這和標準吸積盤模型主張的結果不同不打緊,甚至研究員還認為雪線應該停留在離太陽遠遠的地方-遠到超過地球軌道以外,這才能合理解釋地球為什麼是一顆水不多的乾行星。事實上,新的模型還認為,包括水星、金星和火星這幾顆太陽系的內行星在內,同樣也都該是質地乾燥的行星才對。

這項研究已獲刊載於皇家天文學會月訊期刊。

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讓我們再回到傳統模型的假設,在那裡:圍繞在太陽四周的原行星盤是處於完全電離的狀態(電離的意思是原子裡的電子被剝離),不斷地朝它的母恆星成漏斗狀輸送物質,盤的溫度會因此升高。雪線起初位在遠離恆星的地方,大約16億公里遠,經過一段時間,盤面物質告罄,溫度冷卻下來,將雪線朝向內側漸漸地吸引拖拉,在地球取得足夠物質並形成為一顆行星以前,雪線的遷徙足跡由外向內跨過地球軌道,跑到小於地球軌道以內的地方。

不過問題是,如果地球生成的時候,雪線的位置在地球軌道以內,換言之,地球是位在雪線外圈,那麼地球應該是一顆多冰的天體,就像天王星及海王星這些形成於雪線外的行星一樣,組成成分有百分之好幾十都是水。但是地球的水卻不多,這個麻煩很難解釋。

事實上新的突破成果正是因為這兩位研究員找上了傳統雪線遷徙模型的一個麻煩,研究才有了開始。因為他們想「環繞在年輕恆星四周的吸積盤應該是不會完全電離的才對,它們不應該和傳統的原行星盤模型一模一樣,因為它們的熱度和輻射都不足以電離整個行星盤。」

譬如像是白矮星和X射線源等這些天體,因為非常熱,它們可以釋放充分的能量來電離吸積盤,但是事實上年輕恆星卻既沒有足夠的輻射,而那些朝它不斷下落的物質,能量也不夠多到可以供應電離整個吸積盤所需的重量級「拳打腳踢」。

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所以,要是吸積盤沒有被電離,物質被吸引穿過重重區域而朝向恆星遷徙的機制就不存在,這導致的結果是,環繞在恆星太陽四周的氣體和塵埃,既然不會向內移動,它們便在吸積盤上形成死亡區,一個典型的死亡區的範圍大約有0.1到好幾個AU大小(AU是地球和太陽間的距離,約等於1.5億公里,是一個基本的天文距離單位),它像栓塞一樣攔阻物質朝著靠近太陽的遷徙之路繼續前進,物質會在死亡區裡囤積,死亡區的密度也會漸漸增加,比方說,就好像演唱會時在等候進場管制的門打開之前,人潮塞爆了出入口處,是一樣的道理。

物質的密度藉由重力壓縮開始升溫,過程中,栓塞區的四周也受到加熱,含冰物質的水分因此被蒸發掉而變得很乾燥。地球就是生成在這個註定很乾的區域裡。原本謎題待解的標準模型在這樣的變動調整下,也就變得能夠清楚解釋地球為何並未形成一顆富含水分的星球了。

關於新模型,最後研究員附加了一條但書說明:改版的模型也許未必適用於所有年輕恆星的吸積盤。吸積盤的條件因恆星各種不同而有所差異,這就和世上許多其他事情一樣,如何拍板決定地球形成的最終結果?全由當時的各種機會決定了。(Lauren譯)

圖說:

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這張鳥瞰圖用兩個盤狀圖說明46億年前原行星盤有著一個以初誕生的太陽為中心的結構。在盤中,太陽系大家庭的各個行星們因黏聚塵埃和冰粒而聚結成塊。

左右兩個模型之間的主要區別在於所謂雪線的位置,雪線是個分隔島,分出兩個性質互異的區域,一個溫暖乾燥,另一個冰冷而紊亂。

左側是原來標準的磁盤模型,地球形成於雪線外的冰冷區。根據這個模型,地球應該含有大量的水,因為形成地球的主要成分應該會是冰。然而,據估計,地球的水質量只有不到1%,向來令科學家百思不得解。

右圖這個原始行星盤中畫出了一個新模式,地球形成於雪線內一個乾燥的地區,雪線離太陽遠得多了。而這個模型也能夠解釋為什麼地球的屬性應該是乾燥的。右方這個模型所提供的新見解在我們前往銀河系去尋找類地行星而需要豐度估計時,可以好好派上用場。

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資料來源:中研院天文網[2012.08.03]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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