向來為熾熱煉獄的金星居然有酷寒之境

沿海濕地中的藻類、海草、紅樹林、鹽沼、和其他植物在生長過程中會吸收和捕獲二氧化碳。沿海和海洋生態系統捕獲和儲存二氧化碳的方式，稱之為「藍碳」。

被封存在海底的碳有一半以上來自這些沿岸的森林，它們捕獲二氧化碳的速度比傳統森林快了 4 倍，因為大部分的碳都進入幾米深的潮濕土壤中。以這種方式捕獲碳可以將之從大氣層中移除，降低空氣中二氧化碳的總含量。

1 公頃的紅樹林每年可以捕獲多達 8 噸的二氧化碳，遠比 1 公頃熱帶森林所能捕獲的量還要多。

在過去半個世紀以來，世界上約 30% 到 50% 的紅樹林遭到破壞

土壤的碳儲存方式

土壤是有生命的。當泥土被無數的有機微生物寄居時，就變成了土壤，成為植物生長的重要基質。

土壤還將世界上大量的碳儲存在一種物質當中，也就是所謂的土壤有機質（soil organic matter，SOM）。有機一詞在此並不是指沒有化肥或殺蟲劑，而是指存在大量的碳。通常土壤有機質含有 50% 到 60% 的碳。大多數用於農業的土壤含有 3% 到 6% 的有機質。

當植物原料（如葉子或莖）凋零掉落到土地上時，會被土壤中的微生物分解，這個過程將植物轉化為碳，並產生有機質。碳被封存在土壤中，不再以二氧化碳的形式釋放到大氣中。

犁田耕作會破壞土壤有機質和碳的儲存。耕地時，會使有機質暴露地表，更容易被微生物利用，迅速消耗土壤有機質，將二氧化碳釋放到大氣層中。每年由於耕作、侵蝕、或與氣候相關的土壤變化（如永久凍土融化），造成儲存在土壤中大約 10 到 20 億噸的碳，以二氧化碳的形式釋放回大氣層中。

土壤有機質可以保留或重建，使得大氣中的二氧化碳返回土壤長期封存。農民在施肥、將植物廢棄物（如玉米秸稈）留在田間進行分解、或種植覆蓋作物時，會增加土壤有機質。覆蓋作物是在生長季節過後、田間空無作物時種植，通常是草或三葉草，根部很深，能穿透土壤。如果在種植新的經濟作物之前讓覆蓋作物在田間分解，能夠顯著增加土壤中的有機質和碳。

最小化耕作（稱為保護性耕作）是另外一種防止土壤有機質流失（或使土壤慢慢再生）的方法。其中所謂的免耕種植，是指利用專門的播種機將種子放入一小塊翻鬆的土壤中，因此無須翻耕整片田地。

讓土壤恢復健康

泥土並不完全相同，土壤的養分含量會隨著時間根據其處理方式、和所處的環境而發生變化。

世界上三分之一的土壤已經退化到幾乎無法再支持動植物生存的地步。主要的一些原因是：

• 土壤耕作。
• 牛群過度放牧。
• 砍伐和焚燒樹木和植物（砍燒耕作法）。
• 未在冬季種植覆蓋作物。
• 覆蓋物不足。

亞洲、歐洲、北美和南美的大型工業化農場，由於大量重植大豆、小麥、大米和玉米等商品，因而加劇了土壤侵蝕。市場和債務的經濟壓力使可持續性農業做法在短期內難以實施。

從生產的食物品質到大氣中的碳含量，土壤健康都具有深遠的影響。土壤很健康時，可以平衡水循環、並發揮避震作用以防止洪水和侵蝕。1930 年代美國西部的沙塵暴侵襲（Dust Bowl）、和 2017 年波多黎各的洪水災害，都是氣候變化的災難性衝擊、和土壤侵蝕造成的自然災害實例。這些變化會對農業產生重大影響。

根據美國農業部的說法，農民可以透過 4 種方式創造更好的土壤：

盡量減少干擾

• 限制耕作。
• 使化學品發揮最大效益。
• 牲畜輪替。

強化土壤覆蓋

• 種植覆蓋作物。
• 使用有機覆蓋物。
• 保留植物殘留物。

強化生物多樣性

• 種植多種不同的覆蓋作物。
• 利用多樣化的作物輪作。
• 整合牲畜。

強化活根的存在

• 減少休耕。
• 種植覆蓋作物。
• 利用多樣化的作物輪作。

在地方層面，一般公民可以透過投票支持可持續性農業發展的立法和政策，以及購買可持續性農業經營的產品。

房屋所有者也可以透過全年種植多樣化的植物種類，讓自然生態發展，改善其房產周圍的土壤健康，這樣能強化活躍的根系、並創造生物多樣性。

大規模改變環境的「地球工程」

如果你生起營火、或是隨意處置一台冷氣機，那就是在用個人的行動改變環境。但是，當公司和國家有意大規模改變環境時，這被稱為「地球工程」（geoengineering）。

地球工程策略聽起來像是科幻電影情節似的：在太空中部署太陽遮屏，以使部分太陽能量反射回太空，或是從大氣中吸取二氧化碳，將之送入地下層變成石頭。科學家們正在探索更多這一類大規模修補地球系統的方法，使地球降溫，但迄今為止，許多方法都成本高昂、存在爭議、也充滿著風險。

以太陽遮屏為例，雖然聽起來像部署固體金屬片，但其實是模擬大規模火山噴發時的情況，在空中噴灑出濃密的灰燼和化學物質，進而阻擋太陽能量。可能在噴氣燃料中加入化學物質，以便高空飛行的噴氣機將之擴散到高層大氣中。

超級計算機預測，以這種方式噴射到平流層的反射硫粒子，可能會產生冷卻效果，當然，也會影響降雨、降雪和季節性溫度。目前還不清楚會到什麼程度，如果天氣變化太過劇烈，就不容易挽回損失，造成人人受苦。即使可以逆轉噴灑，停止這樣的計畫也可能造成危險，因為太陽射線突然少了阻擋而導致全球氣溫和溫室氣體驟升。

至於直接從空氣中吸取二氧化碳，將之儲存在地下岩層中，歐洲和北美已有 19 家工廠做到這一點，每年吸收約1 萬噸的二氧化碳。沒有人知道這種方式可以安全地封存二氧化碳多久。

一旦出現洩漏，土壤、水和空氣可能會受到汙染，而從地下層收集氣體也可能引發微震和地震。不管怎麼說，這個過程若想要成功，也必須得降低成本、提高效率才行（目前每噸的成本高達 600 美元），我們將會需要相當多家的碳捕獲工廠，才可能有辦法消除每年所排放的數千兆噸二氧化碳，以實現 2050 年淨零排放。

不同於將二氧化碳儲存於地下岩層，鐵質施肥（iron fertilization）是以海洋為重點的選擇。這個過程是將硫酸鐵注入海水中，促進藻類大量繁殖以吸收二氧化碳，然後沉入海底。成功率參差不齊，有 5% 到 50% 的藻類增殖，沉入到足以造成封存影響的深海。然而，完全有效可能需要付出代價：過量的藻類或許也會引發有毒浮游植物的生長高峰，而將二氧化碳儲存在海洋可能會加速海水酸化。

地球工程是一個冒險的賭注，一些科學家表示，這對於全球氣溫的衝擊微乎其微，尤其是考慮到不採取行動造成不良後果的可能性很高。但也有科學家指出，仰賴快速的工業解決方案，可能會使人們和企業忽略對於實際減少碳排放、或停止使用化石燃料應付出的努力。

有無數的公司和國家正在單方面從事地球工程研究。預計這些實驗將在世界各地不同軌道上展開。

利用二氧化硫進行地球工程

有些工程師提出一種低成本又快速的方法來減緩氣候變化⸺整頓碳房，同時「擺脫困境」。

就像鏡子反射光線、黑色車道在夏日變得炎熱一樣，外層大氣從太陽反射的光熱，也會對全球溫度產生影響。

30 年前，菲律賓的皮納圖博（Mt. Pinatubo）發生了 100 年來最嚴重的一次火山爆發，所噴發的灰燼造成了驚人的影響：一整年地球的平均溫度下降了約 0.5° C。透過使地球大氣層反射陽光，而不是吸收，地球變得比較涼爽。

地球工程學家正專注研究此一概念，在地球外圍創造一個人為的太陽遮屏。利用特殊裝備的大型噴氣式飛機，將不同的化學物質噴灑到高層大氣中，希望能一次改變地球多年的反射率，以人為方式降低地表的平均溫度。

透過地球工程，在大氣中添加懸浮微粒來複製火山噴發的自然效果。平流層氣溶膠注入的作用：

• 散射太陽光。
• 讓天空更明亮一些。
• 反射部分太陽熱量。
• 讓地球更涼爽一些。

透過在大氣中注入二氧化硫、鈦、或其他化學或礦物質，可以增加行星反照率（反射率）。

太陽能地球工程透過改變地球的輻射平衡，來治療氣候變化的徵狀，這方面的科學研究稱為「平流層氣溶膠監測」（stratospheric aerosol modification，SAM）。

據估計，這種方法一年成本不到 100 億美元，在大多數的氣候變化因應措施當中只是九牛一毛。一些專家認為，只要動用幾百架飛機即可完成，而且可以比預期更早開始。

研究人員馬克．勞倫斯（Mark Lawrence）2006年指出，「對地球工程可能性的嚴肅科學研究，如克魯岑和西塞隆（Crutzen & Cicerone）發表文章中所討論的，完全沒有得到氣候和大氣化學研究界的包容」，然而，到了 2016 年，他總結道，「在這些文獻發表後的 10 年間，雖然氣候工程仍然是極具爭議性的問題，但是在更廣泛的地球科學研究領域，那種禁忌感基本上已不存在」。

這種方法，還是有許多未經測試的現實問題：

• 這些化學物質將會使臭氧層出現什麼反應？
• 該由哪些國家規範這個過程、又該如何決定干預措施的地點和程度？
• 有什麼辦法能阻止組織和國家單方面進行？若有國家想要暖化加劇、或是有億萬富翁只是想要名利，該如何處理？
• 這將對人類、動物、植物、和海洋的健康造成什麼影響？
• 我們準備好長久持續進行了嗎？如果沒有，一旦陷入了相對低成本和快速的解決方案，又該如何下決心停止呢？

——本文摘自《圖解全球碳年鑑：一本揭露所有關於碳的真相，並即時改變之書》，2022 年 9 月，商業周刊，未經同意請勿轉載。

碳捕捉：把電廠排出來的二氧化碳再抓回去！

一九九〇年代，尚未開發出風能和太陽能，當時對氣候變遷的擔憂日益增加，因此有人建議捕捉和儲存那些從化石燃料發電廠排放出來的二氧化碳，如此就可將其轉變成一種低碳電力。

碳捕捉主要是透過化學反應將煙道氣（flue gas）中的二氧化碳分離出來，然後再將其壓縮液化，泵入地下洞穴，例如含水層或是廢棄的油氣田。

同時要針對傳統的發電機開收排放二氧化碳的費用。這將鼓勵電廠採用碳捕捉技術，不過前提是碳價要夠高，超過捕捉和封存二氧化碳的成本。

然而，即使在龐大的歐盟市場，碳的價格也從未高到足以讓碳捕捉在電力生產中具有競爭力，而且真正在運作的碳捕捉工廠很少。

即使如此，捕捉二氧化碳排放依舊可望成為一種脫碳方法，在未來某些產能製程中合乎成本效益。一個例子是將天然氣轉化為氫氣，這還能用於加熱和製造燃料電池，或用於生產水泥以及甲醇和氨等重要工業化學品。

碳捕捉的各種可行性：直接從空氣抓？多種一點樹？

也有人認真思考過直接從空氣中捕捉二氧化碳的可行性，因為目前我們所面對的現實非常危險，即二氧化碳排放量下降的速度恐怕來不及讓上升溫度控制在攝氏 1.5 度內。

種植更多的樹木可能是最簡單也最便宜的方法，但首先必須遏止每年大量的伐林問題。

每年約有一千萬公頃的森林遭到砍伐，用於種植大豆、棕櫚油和其他作物，以及放牧牲畜。這樣的伐林導致全球每年約 10％ 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。

此外，封存大量二氧化碳所需的樹林面積也相當大──約要美國國土面積的四分之一，需要超過六年，甚至幾十年的時間才能讓樹木長到成熟，每年只能吸收平均全球燃燒化石燃料的 10％ 排放量。

而在成長期過後，還需要更換樹木，因為在建築中也會使用到木材。有人建議，可以燃燒林業的廢棄物來產生能量（熱或電），並捕捉和封存排放出來的二氧化碳。

這種生質能源的碳捕捉尚有爭議，必須要確保改變土地利用的這項變動最後的結果是產生淨負排放，而不是增加碳的排放量。此外，這種方法尚在開發中，可能會與其他對可耕地和淡水的需求產生競爭關係。

不過，可以使用化學吸收器直接從空氣中捕捉二氧化碳，這種方法比生質能源更緻密、更可靠， 只是目前的價格較為昂貴。

奧利金能源公司（Origen Power）正在開發將碳捕捉與具有商業價值的石灰生產相結合，這樣的製程可望降低成本。

吸碳新創公司「Carbon Engineering」也在開發另一種方法，是使用與二氧化碳接觸會形成碳酸鈣的氫氧化鉀。整個過程以石灰來合成氫氧化鉀，形成碳酸鈣，然後將其加熱，釋放出二氧化碳，進行壓縮和封存──這時便會再度合成石灰。他們預估，以這種方式捕捉二氧化碳的成本可望降低至每噸 100 美元。

碳捕捉的展望與未來

為了增加產值，可以將捕捉來的二氧化碳與氫結合（比方說以再生電力來電解水，製造出氫氣），這可用來合成低碳燃料，取代汽油、柴油或航空燃料，這樣一來，其總排放量會遠低於某些生質燃料。

若是要捕捉和封存燃煤發電廠排放的二氧化碳，電力成本會增加約 60％，而使用再生能源來發電，成本則低得多。

然而，隨著空氣碳捕捉的研發和大量投資，再加上在某些工業製程中捕捉二氧化碳，以及重新造林，預估到二〇五〇年時，碳捕捉可能會吸收掉全球年排放量的 10％。

到二〇五〇年，再生能源和核能的總發電量可能接近當前全球需求量的 90％，透過碳捕捉，全世界可能會達到二氧化碳淨零排放。但要處理大量再生電力，電網在輸送和分配上需要適應風場和太陽光電場輸出量的種種變數，因此發展儲能設備非常重要。

——本文摘自《牛津通識課｜再生能源：尋找未來新動能》，2022 年 6 月，日出出版，未經同意請勿轉載。

1761 年 6 月 6 日，歐洲的天文學家們乘船抵達世界各地的天文台，爭相用最先進的儀器紀錄一個罕見的天文現象──金星凌日， 因為此天文現象可以幫助人們精確測算地球與太陽的距離。在英法七年戰爭的氛圍下，兩國的天文學家尤其較勁，都想要第一個量出日地距離，為天文學史畫下濃墨重彩的一筆。然而當大家拭目以待地望向剛與太陽重疊的金星時，卻都露出了驚訝的表情──金星變形了！

說到金星凌日，大家最有印象的或許是 2012 年的一次金星凌日，從天文學家到各個職業的人們都拿著減光濾鏡共襄盛舉，畢竟下一次的金星凌日要到 2117 年才會再發生。然而在過去，金星凌日並不只是歡樂的娛樂事件，也是非常嚴肅的科學事件。

在十八世紀時，多數天文學家都接受哥白尼的日心說，而克卜勒提出的行星運動三大定律，則可以推導出各行星軌道半徑與地球軌道半徑之間的相對長度，然而最大的問題是當時的人們並不知道地球軌道半徑（地球到太陽的平均距離）的絕對長度。為了解決這個問題，英國天文學家愛德蒙．哈雷於 1716 年提出了使用金星凌日來測量日地距離的方法。如圖一所示，金星凌日的軌跡長短與在地球上的何處觀測有關，在軌跡較長處金星凌日的時間較長，反之則較短，這是因為在地球上不同處觀測金星的視角不同造成的。

假設我們在地球上的 A 與 B 兩處量測金星凌日的時間，我們可以量出兩地觀測金星時的視角差，在知道 A 與 B 間距的前提下，我們可以用視差法量出地球到金星在金星凌日發生時的距離（見圖二）。最後根據克卜勒第三行星運動定律─行星公轉太陽週期平方與行星到太陽的平均距離立方成反比─可以得出金星到太陽的距離約為地球到太陽距離的 0.7 倍，我們也可以得知地球與金星在金星凌日時的距離是地球到太陽距離的0.3倍，由此可以推導出太陽與地球的距離。

此方法在當時極大鼓舞了天文學家的士氣，大家都摩拳擦掌的為 1761 年的金星凌日作出準備，共一百多名天文學家乘船至世界各地以測量不同地方金星凌日的時長，其中較為著名的有英國派出的庫克船長於大溪地觀測金星凌日，以及荷蘭則派出的 Johan Maurits Moh 到歷史課本中提過的荷蘭東印度公司巴達維雅總部進行觀測（圖三）。

然而正當金星與太陽重疊時，大家卻不知道何時該按下碼表記錄金星凌日開始的時間，因為金星變形了。圖四是最早關於金星變形的紀錄，在金星靠近太陽的邊緣時金星的旁邊會出現黑色的陰影與太陽邊緣相連接，而這樣的陰影狀似水滴，因此這個現象也被稱作「黑滴現象」。

當時的天文學家們為黑滴現象提出了各種不同的解釋，有些天文學家認為黑色的陰影是金星大氣對太陽光的散射與折射造成的錯覺，也有人認為這是地球大氣擾動造成的現象，還有人認為是太陽光通過金星時繞射所造成的陰影。

前面兩種解釋在 1999 年 NASA 的 TRACE 太空望遠鏡對水星凌日的觀測後被否定，因為太空中沒有地球大氣干擾，水星上則沒有大氣可以散射或折射太陽的光線，而觀測的照片中卻仍出現黑滴效應（圖五）。光的繞射所能造成的影響則不足以產生黑滴現象（繞射影響在約 10^{-9} 角秒，可忽略^[1]）。

關於黑滴現象的成因一直到 2004 年才得到令人信服的解釋，天文學家 Glenn Schneider 認為黑滴現象是由望遠鏡的點擴散函數（Point Spread Function, PSF）以及太陽的周邊減光造成的 ^[2]。

為了簡單瞭解他所提出的概念，大家可以將大拇指與食指放在一光源之前漸漸靠近（直視強光源會傷害眼睛，請注意光源強度不可以太強），在兩指快要靠在一起時，可以看見兩指中間突然浮現出一段陰暗的橋將兩指相連（如圖六）。

這是因為非點光源會在兩指的邊緣製造出模糊的陰影，而人眼對模糊的陰影並不敏感，因此直到兩指特別靠近時，兩指的陰影重疊導致陰影變明顯才看得出來。圖七與圖八中的兩塊陰影可以幫助大家更好地破除這個錯覺，圖七單純顯示兩塊模糊的陰影，而圖八將陰影的等暗度線畫出來。比較兩圖我們可以發現雖然圖七中兩塊陰影像是連接在一起，然而實際上圖八卻顯示兩陰影並沒有連接在一起 ^[3]。

金星凌日所產生的黑滴效應也是透過類似的方式產生的，不過金星模糊陰影與太陽邊緣模糊的成因不同。金星陰影在望遠鏡的觀測中，會因為望遠鏡的點擴散函數而在成像時顯得模糊。望遠鏡的點擴散函數，指的是一望遠鏡在觀測點光源時成像的樣子，不同望遠鏡的點擴散函數有所不同，但通常口徑小或做工差的望遠鏡會有較大之點擴散函數，點光源被模糊化的程度也越高，看的也就越不清晰。

回到金星的陰影，當古代人們用做工差且口徑較小的望遠鏡觀測金星時，其陰影非常模糊、黑滴現象較現在的望遠鏡明顯的多，這也是為什麼各地回報黑滴現象的次數隨著望遠鏡的進步逐漸地減少 ^[4]。

太陽邊緣的模糊則主要是因為太陽是一團沒有銳利邊緣的發光電漿。如圖九所示，假設每單位體積電漿能發出的光相同，我們可以看到往太陽邊緣的線上通過的電漿比往太陽中心的線上通過的電漿要少，這也代表著往太陽中心看去的光線較亮，而越往太陽邊緣看去亮度會逐漸減少。圖十是一個比較誇張的示意圖，圖中一模糊的黑影為金星，一模糊的白色邊緣則代表太陽邊緣，即便兩者的邊緣沒有接觸，我們仍能看到金星的邊緣伸出了黑影，與太陽邊緣相連接，這便是黑滴現象的由來。

回到日地距離的問題上，難道在這兩百多年的時間中沒有其他方式能量測金星與地球的距離嗎？實際上在雷達與遙測技術的加持下，人們早在 1964 年就能夠以高精度量測地球到金星間的距離了，因此如今的日地距離測量早已與金星凌日無關。

不過黑滴現象這一歷史悠久的問題，仍在一代一代天文學家的不懈努力下被解決了；時至今日，我們仍面臨著宇宙的諸多未知，而我由衷的期待這些現在看似無解的問題，能在未來的某一天被解決，無論花上幾十年、幾百年的時間。

參考資料：

1. The Transit of Venus and the Notorious Black Drop, Schaefer, B. E. (2000) https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2000AAS…197.0103S/abstract
2. TRACE observations of the 15 November 1999 transit of Mercury and the Black Drop effect: considerations for the 2004 transit of Venus, Glenn Schneider (2004) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103503003841?via%3Dihub
3. Stackexchange, Why do shadows from the sun join each other when near enough? (2014) https://physics.stackexchange.com/questions/94235/why-do-shadows-from-the-sun-join-each-other-when-near-enough
4. The black-drop effect explained, Jay M. Pasachof (2005) https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2005tvnv.conf..242P/abstract