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「亞特蘭堤斯要怎麼去?」台大海工所陳琪芳教授表示……

PanSci_96
・2012/12/07 ・3125字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 506 ・六年級

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台灣人,絕大部分,真的都對海洋很陌生。在上次採訪過國立海洋科技博物館籌備處柯主任之後,PanSci覺得應該更重視「海洋」,因此除了「館長列傳」、「作者列傳」等持續進行中的專訪規劃之外,PanSci也同步啟動了「海人列傳」,希望藉由採訪國內的海洋研究者,了解海洋科學跟科技的最新趨勢。

海人列傳首發團來到台大的工程科學與海洋工程研究所,我們的目標是陳琪芳教授。雖然Z編先前就認識陳教授,但進入海工系暨研究所的網頁一看,這才發現在專任師資中只有陳教授一位女性。這也更讓我們好奇陳教授是如何走上這條路的。

Z:台大成立「海洋中心」的緣起是什麼?

陳:台大有很多院所在研究海洋議題,像是工學院、理學院、海洋工程所、漁業科學所、生態演化所、海洋研究所……但是四散各處,需要有個整合的組織。

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另 一個原因是,台灣這樣一個海島國家,卻非常缺乏長期的海洋發展計畫、以海洋為中心的戰略架構,規劃制度的官員對海洋的了解也不夠。舉例來說,海洋保育議題 -中華白海豚卻是歸屬在農委會–林務局的業務,還有像是海岸線的發展雖由地方政府規劃,但是河口、漂沙、洋流並不受行政區的限制,缺乏一個整合管理海洋的機關。再舉個例子,現在研究「可燃冰」的業務,被歸在中央地調所,雖然他們在地質研究上非常頂尖,但缺乏海洋經驗。鄰國日本甚至是半島型的韓國、大陸型的中國,都開始重視海洋發展,那台灣呢?台大對政策有一定的影響力,不少官員也都從台大的畢業,如果「海洋」成為台大的重要研究領域,或許能間接讓政府更有海洋觀念。

Z:台大有哪些海洋研究的重要議題?台灣又有什麼海洋研究的優勢和亮點領域?

陳:目前有幾個大的研究議題像是能源主軸計畫中的黑潮發電、天然氣水合物(可燃冰)、離岸風力發電,還有水下監測系統、無人水下載具,另外就是和國土保護有關的研究,像是漂沙、河口還有海岸變遷。

台灣鄰近海域的地形多樣,有深有淺,而且還有一些特殊地質,像是龜山島的熱泉,研究題目就可以很廣泛。很多國外的團隊非常想來台灣研究,但這樣的資料有軍事敏感性,所以也不是那麼容易。

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Z:現在國內的海研船有幾艘?使用情形大概如何?

陳: 現在有四艘海研船,海研一、二、三號-因為我們不喜歡「四」,所以最新的就是今年才下水的海研五號。一號歸台大海洋所管,二號是海洋大學,三號歸中山大學,五號是國內設計製造,2700噸級,由國家實驗研究院底下的海洋科技研究中心管理。不過因為五號的噸位比前三艘都大上很多,出航的成本很高,連國家級的地調所都說吃不消。

這也顯示出國家投注在海洋研究的預算不足。海洋可以算是「內太空」,規模相當,但是海洋研究預算比起太空研究卻少上好幾倍。當然這牽扯的原因也很多,包括我們的院士中海洋學者也比較少。

Z:可以分享一下自己出海的經驗嗎?

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陳:我第一次出海大概是二十年前,那時候剛從MIT(麻省理工學院)回台灣,執行一個中科院的計畫,就在東北角,研究聲吶。規劃由中科院派大船發出一系列的聲源,然後我在小漁船上接收資料。

出海的那天,天還沒亮,而且我三個月大的女兒還在發燒,我就來到基隆和平島搭15噸的漁船出海。出海之後我就覺得自己幹嘛自討苦吃-小漁船用四節的速度,離港之後花了四個鐘頭才到了研究的地點(大家都笑了……)。然後小漁船又不能自己放錨,所以得先由海軍大船放錨,再把線給我們(小船)。

聽起來很簡單,但是大船不能太靠近小船,不然被撞倒。白天還好,過程很順利,到了晚上要起錨,小船得先把線交給大船,哇…那就很麻煩了。風浪大,視線又不好,光是從大船上射繩子給小船,綁在錨繩上,就花了三個小時!

我印象很深,大船射繩子過來的時候要躲,不然會被打到呀!(XD)那時候我就在想「天啊,我做了什麼?」大家就在那邊為了一個實驗忙東忙西,我又是主要規劃的人,大家是來配合我的。一群很有航海經驗的大男生,就這樣聽一個完全沒經驗的小女生的話,大概是想說「尊重專業」吧?(還真是尷尬)

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後來終於把錨回收,漁船再開四小時回岸邊,我到家都已經是凌晨一點鐘了。從那時候收到珍貴的第一筆資料,我就一直持續作到現在,20年了-不過船有越坐越大啦。

P:怎麼看百慕達三角洲之謎、還有亞特蘭提斯大陸、穆大陸的古文明?

陳:我上次去愛琴海的聖托里尼,希臘風格的藍色屋頂一路延伸到海邊去,其實那海就是一個陷落的地形。從地質的角度來看,像亞特蘭堤斯大陸這類的古文明,可能就位在正向斷層上,突然之間就沉下去了。

在大洋航行,感官就是雷達、無線電…等等的電訊號顯示在儀表上,透過儀表才能知道自己的位置,周圍的環境如何。百慕達三角洲迷航的事件,其實就是這些感官被干擾、儀表失靈,所以飛機、船經過就會像是眼瞎了一樣迷失了。不只百慕達三角洲,日本、台灣附近也有類似的危險海域(福爾摩沙三角),像是「花蓮一號」礦砂船一出海就消失了。

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這也顯示我們對海洋了解很少,對海洋的狀況掌握非常有限。

Z:可以宣稱擁有人造島礁的主權嗎?像是垃圾島?

陳:如果永久經營,應該是可以宣稱主權。但是很多島嶼,其實只能勉強算得上是暗礁,只有在低潮線才露出來,漲潮就消失了。不過還是要參考國際海洋法,裡面有比較明確的規定怎樣可以聲稱主權。另外就是像填海造陸的工程,像是一些國際機場還有杜拜的人造島也算是國土。不過我覺得現在不應該再發展這類「人定勝天」的工程,對海洋的傷害太大,而且海水很powerful,要爭贏得花上很大的代價。

P:身為女性,走在海洋研究這條路上有什麼影響?

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陳: 因為研究的關係,我經常會和海軍相處,也被幾位熟識的海軍封為「first lady」。儘管獲得許多幫助,但這二十年的經驗讓我體認到,如果我不是女生,一些事情的推動應該可以有更好的成果。我大學四年班上只有我一個女生,但不認為男女有什麼差別。 直到開始工作之後,覺得在一個主要由男性組成的社群裡,有些事情男生只要兩三下就彼此談成了,但是女生可能就要很辛苦證明自己的能力才會受到認同,而且也比較少被交付任務,得自己爭取。

訪問後,陳老師也帶小編參觀海洋工程研究所的一些設備,真是大開眼界呀!

▲這是「風洞」的水流版。注水之後透過玻璃窗,可以觀察螺旋槳在水中運動的情形。

▲這是測試船模的水槽,畫面中黃色的不是香蕉,正是船模。

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▲測試的船模放在水槽中,由上方橫跨水槽的拖車平台拖行。

▲這黑漆漆的空間還堆了些沙,是工地嗎?這是測試飄沙的工程水槽,堆好模擬的地形之後,就可以注入大量的水,測試飄沙的動向。

▲這是退役的水下被動聲納陣列,就是水下麥克風。其實這只展示了四分之一,原來的陣列能排成圓柱體。這套陣列雖然退役上岸了,不過仍然可以使用喔!

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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海洋盛宴——抹香鯨落
黑潮海洋文教基金會_96
・2023/11/05 ・3099字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文 胡潔曦|黑潮海洋文教基金會 鯨豚保育研究員
  • 本文轉載自黑潮海洋文化基金會《海洋盛宴——抹香鯨落》,歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持黑潮喔!
圖一、抹香鯨舉尾下潛

編按:本文主要內容與圖片摘錄、翻譯自文獻Three-year investigations into sperm whale-fall ecosystems in Japan,期望在頻繁目擊抹香鯨的 7 月,跟大家分享抹香鯨落的研究。

生存在深海中並非容易的事,由於深海裡缺乏陽光與有機物質,許多生物是藉著海水表層落入深海的有機物質維生。當鯨豚死亡後沉入海底,這段過程、遺體以及過程中所形成的生態系均可被稱為「鯨落」。鯨落可以說是生命的延續之源,而這些殞落至海底的鯨豚有如「金山銀山」,不僅能提供大量的有機物,同時也將許多硫化物帶入海底,造福許多海洋生命,因此也有一句話說:「鯨落,萬物生」。這篇文章透過閱讀國外文獻與整理,希望跟大家分享抹香鯨死亡之後的貢獻!

圖二、世界目前已知的鯨落位置,Implant=人工鯨落  Fossil=鯨落化石  Natural=自然鯨落(Li et al. 2022

故事的開始——集體擱淺在日本的抹香鯨

在 2002 年 1 月,日本的西南海岸發生了一起集體擱淺,共發現了 14 隻抹香鯨,而其中 12 隻抹香鯨被綁上水泥塊後,被當地政府沉入了 Nomamisaki 岬角周邊深度大約兩、三百公尺的海裡,形成了多座人工鯨落。當時有許多學者對於抹香鯨落感到好奇,究竟牠們會吸引來哪些生物?而抹香鯨龐大的遺體會需要花費多長時間分解呢?透過這項研究,或許能讓人們對大型齒鯨落的分解過程更加瞭解。

圖三、編號 12 之抹香鯨在 2003 年之手繪插圖(Fujiwara et al. 2007

事實上,在 2002 年以前,多數的鯨落研究出自於美國的加利福尼亞州外海,並以鬚鯨為主要研究對象,而這些鯨落的深度幾乎都落在一、兩千公尺深,比起這次抹香鯨落群的深度深了非常多。而這次大量出現在日本西南海域的多座人工鯨落有著種種獨特性,包含了:深度淺、是大型齒鯨的鯨落等等,也讓學者們充滿好奇心。

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究竟要如何長期觀察抹香鯨落呢?

閱讀至此,不知道讀者們是否有一項疑問?在兩三百公尺深的海裡,既缺乏可見光,同時也承受著數十倍的大氣壓,在這樣的條件下到底要如何觀察抹香鯨落呢?「ROV——水下探測載具」即是這個研究的一大助手,能夠幫助科學家們突破這些困難,不僅能在深海中蒐集珍貴的影像,也可以完成採集的工作。而在團隊耗費了 3 年運用水下載具追蹤其中的五隻抹香鯨後,他們也有了些有趣的收穫,透過圖四可以看到這段時間抹香鯨的外觀變化。

圖四、編號 12 之抹香鯨 a. 2003 年 7 月  b. 2004 年 7 月  c. 2005 年 7 月利用水下探測載具拍攝影像(Fujiwara et al. 2007

經過數年的追蹤後,研究團隊發現,抹香鯨落歷經分解的速度堪稱飛快!根據 2003 年的鯨落研究,學者將鯨豚分解的過程定義為下述四個階段(Smith and Baco 2003),而第一個階段到最後階段可能會歷時數年甚至到數十年,當鯨豚的遺體越大,可能耗時越長:

  1. 移動清道夫階段(Mobile-scavenger):生物會快速消耗掉鯨豚體表上的肉與脂肪。
  2. 機會主義者階段(Enrichment opportunist):生物開始進駐鯨豚裸露的骨頭及周邊富含營養的底層泥沙上。
  3. 化能自養階段(Sulphophilic):骨骼釋放硫化物,供養海洋中依靠硫化物維生的生物。
  4. 骨礁階段(Reef):在所有有機物質被消耗之後,即會進入骨礁的階段。

註解:上述中文名詞翻譯參考自國家地理頻道及國立海洋科技博物館 鯨落展區。

鯨落最快被消耗掉的部分是身上的肉跟脂肪,而這份文獻研究的 5 座抹香鯨落,肉跟脂肪在經過 1 年之後已幾乎被消耗殆盡;經過 1.5 年之後,抹香鯨落已進入化能自養階段,骨骼開始釋放硫化物質;有些大型鯨落從化能自養階段轉為骨礁期要歷經數十年,根據這項研究發現,部分抹香鯨落竟在 3 年後就能夠進入骨礁期,身上所有的有機質都被消耗殆盡,而這樣的進度相較於過去鬚鯨落的研究是非常快的!研究人員初步推測,可能是因為此處的平均水溫相較其他鯨落研究的海域高,生物分解的速度比較快。

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抹香鯨落上意想不到的生物多樣性

這次的研究共有發現超過百種生物聚集在抹香鯨落周邊,包含軟體動物門、多毛綱與甲殼綱的生物等,在 1.5 年後,貽貝是抹香鯨骨骼上最為豐富的生物類群(圖五)。而抹香鯨落整體的生物多樣性在到達 3.5 年時來到高峰,紀錄中共有八十多種生物出現。

圖五、位在抹香鯨脊椎骨的貽貝(Fujiwara et al. 2007

除了確認抹香鯨的腐化速度之外,研究人員也會在探測載具每次下海時採集底部的泥沙,經分析發現,抹香鯨身體下方泥沙中的硫化物濃度,隨著鯨落分解的時間越久,濃度也會逐漸提高,並吸引來大量仰賴硫化物生存的生物。為了進一步確認周遭環境的生物是否與抹香鯨身上的有差異,研究人員也將抹香鯨 10 米以內與外的生物做了比較,發現鯨落 10 米以外的物種與鯨落上的生物完全沒有重疊,也證明了鯨落的出現確實吸引來許多的生物。

鯨落,萬物生

鯨落的各個分解階段吸引了許多生物造訪,肉與脂肪等在幾個月內快速地被消耗掉,有機碎屑也能讓周邊海底的富含養分,而抹香鯨骨能釋放硫化物數年,部分大型鯨甚至可能長達數十年。「鯨落,萬物生」,在鯨豚生命的最後一章,牠們的身體緩緩沉入海底,成為了大量生物的食物來源。至 2022 年為止,目前世界已知鯨落共有約 160 座,也希望隨科技進步,人們能更深入認識鯨落為環境帶來的影響。

影片分享:美國於2019年在NOAA保護區發現的深海鯨落

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參考資料

  1. Fujiwara, Y., Kawato, M., Yamamoto, T., Yamanaka, T., Sato-Okoshi, W., Noda, C., Tsuchida, S., Komai, T., Cubelio, S.S., Sasaki, T., Jacobsen, K., Kubokawa, K., Fujikura, K., Maruyama, T., Furushima, Y., Okoshi, K., Miyake, H., Miyazaki, M., Nogi, Y., Yatabe, A. and Okutani, T. (2007), Three-year investigations into sperm whale-fall ecosystems in Japan. Marine Ecology, 28: 219-232.
    https://doi.org/10.1111/j.1439-0485.2007.00150.x
  2. Li Q, Liu Y, Li G, Wang Z, Zheng Z, Sun Y, Lei N, Li Q and Zhang W (2022) Review of the Impact of Whale Fall on Biodiversity in Deep-Sea Ecosystems. Front. Ecol. Evol. 10:885572. doi: 10.3389/fevo.2022.885572
  3. https://oceanservice.noaa.gov/facts/whale-fall.html
  4. https://natgeomedia.com/environment/article/content-6001.html
  5. https://www.soest.hawaii.edu/oceanography/faculty/csmith/Files/Smith%20and%20Baco%202003.pdf
  6. http://hi.people.com.cn/BIG5/n2/2020/0409/c228872-33936490.html
黑潮海洋文教基金會_96
4 篇文章 ・ 1 位粉絲
  黑潮海洋文教基金會,1998年於花蓮成立,是臺灣第一個為「鯨豚與海洋」發聲的民間非營利組織。最初以鯨豚調查為開端,多年來深耕於海洋議題、環境教育與科學調查,如同一股陸地上的黑潮洋流溫暖而堅定,期許每個臺灣人的心中都有一片海洋。

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離岸風機建設又貴又麻煩,蓋的好處是什麼?又會對環境造成什麼影響?
PanSci_96
・2023/11/04 ・5785字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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北風和太陽,你賭誰贏?

台灣為了發展綠能卯足全力,風力與太陽能是最受關注的兩大巨頭。這幾年太陽能就像開了加速器,建置量扶搖直上,產生的討論與爭議當然也不少。但在風光併行的策略中,風機的關注度似乎就沒有那麼高。

最主要的原因,大概就是太陽能板近年大量設置,甚至出現在我們的周圍,因此產生更多對於環境影響的討論。

然而風機不比太陽能,單一支風機隨便就超過 20 層樓高,十分巨大。不僅建設成本較高,也需要蓋在遠離人群的地方。

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但是,為何風機一定要如此巨大,甚至跑到外海去蓋呢?那麼巨大的風機,對環境生態會造成多少衝擊?

到海上去蓋風機有什麼好處呢?

蓋在海上,遠離陸地的風車我們稱為離岸風機。雖然風電的新聞版面不如光電,但其實一直有持續在進展。例如今年 6 月,台中外海的渢妙風場,就才剛遞交行政契約簽署文件,該地的最大裝置容量預計有 1800MW。

但即便如此,我們還是能感受到風力發電的開發比光電吃力許多。其中原因是,要將風力發電廠從陸上搬到海上,要付出的代價可不小。根據經濟部的資料,如果用年發電量一百萬瓦來算,設置離岸風電的裝置成本約 1 億 5 千~1 億 7 千萬元,幾乎是陸域風電廠的三倍。此外,離岸風電開發流程也比陸域長,經過前期的選址調查與評估後,還要另外花 1~2 年安裝水下基礎,才能建置風力發電裝置。既然如此,在討論離岸風電之前,我們應該先問問,跑去海上找風電有什麼優勢呢?

最常聽到的理由是噪音的影響。風力發電運轉過程持續發出低頻噪音,對周圍環境帶來噪音污染,引起居民反彈。環保署原本規定,風機與最近建築物距離 250 公尺以下就必須做環評,不過由於近年來仍爭議不斷,今年初更修法將門檻提高到 500 公尺。

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圖/giphy

而且台灣的陸域風機已經發展了二十幾年,優良風場飽和後,接下來如何權衡容量擴張和環境影響成為一大課題。因此往海上發展便成為重要的選項。

不過除了沒地可用這個原因之外,從發展的角度來看,更吸引人的因素其實是海上更加豐沛的風電資源。之前我們在介紹「宇宙太陽能」那集的時候,有提到科學家考慮將太陽能板送到遠離地表的太空中,好避開夜晚與雲層的影響,能不分天氣接收直接日照。

建置離岸風電也是一樣的道理,遠離陸地的平坦海面可以讓氣流暢行無阻。相較之下,陸地上的建築物,植物,地形等等都會顯著地拖慢地表附近的風速。更進一步,越往上空,風速被地表建物影響的幅度就越小。因此風機一支比一支高大,原因除了受風面積增加之外,在於高處的風能也更加豐沛。

最重要的是,風能和風速的三次方成正比,也就是說,風速只要快兩倍,風力發電的功率就會直接翻八倍。因此風速幾乎可以說是頭號考量因子,而高風速的外海也成為了最佳的選擇。

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平常站在海邊,海風就已經常讓人站不穩了,但其實從平均風速資料可以看到,台灣海峽附近離海岸線十公里以外的海上風速更是快上許多。尤其台灣海峽北半部相較其他鄰近海域,蘊含的風能可說是相當驚人。這是因為台灣海峽位在中央山脈和中國的武夷山脈中間,兩座山脈形成天然管道,而且方向剛好與盛行的東北季風與西南季風方向一致,每當季風流過山脈中間時,就會加速通過形成強勁的風場,就像兩座高樓大廈中間總是吹著強風一樣。

平均風速圖。圖/global wind atlas
平均風力功率圖。圖/global wind atlas

說到這裡,台灣要發展離岸風電,可說是需求與資源兼備。從 2012 年 7 月,經濟部公告「風力發電離岸系統示範獎勵辦法」開始,台灣的離岸風電已經發展超過十年。不過,離岸風電近期進度有待追趕。根據 109 年經濟部能源轉型白皮書台灣風力發電推動方案,2025 年離岸風力發電累計設置容量的目標是 5.7 GW。但統計到今年五月,離岸風力發電裝置容量只有 1.15 GW,雖然預估到年底達 2 GW,但還是不夠快,這也讓經濟部原本預計 2025 年達成的再生能源佔比 20% 目標,延至 2026 年 10 月才可能達標。。在政府與企業積極向海借地來蓋風力發電廠時,遇到了什麼問題呢?

離岸風電對環境有影響嗎?

儘管我們剛剛提到,離岸風電對岸上居民影響較小,但是對於海上的居民就不是這麼一回事了。舉例來說,首當其衝的就是空中飛的鳥與蝙蝠。風力發電機組的葉片高速旋轉,時常讓空中的鳥類與蝙蝠閃避不及而撞擊死亡。一篇 2013 年的研究估計,北美洲的風電扇葉每年殺死的鳥隻數量約介於 14 萬到 32 萬之間,雖然這是針對北美陸域的調查,但由於台灣海峽也是許多鳥類跟蝙蝠的遷徙路線,豎立在台灣海峽的風力發電機必然會成為不少生物的絕命終結站。

面對這類的鳥擊事件,許多較新的風力發電機組開始引進新型態的防鳥設計。像是在機組周圍裝設音波偵測器、熱感應器,藉此來監控鳥類與蝙蝠活動,並依據監測結果停機降載。此外,還有一份 2020 年的研究將風電機組的其中一個扇葉塗黑,並發現該機組的鳥擊事件數量降低 70%。研究人員表示這是因為單一的黑色扇葉可以減少高速旋轉的動態模糊,讓鳥類看得更清楚。不過比起這些預防措施,最根本的做法是從謹慎的選址做起,讓風場遠離鳥類的聚居地,例如候鳥遷徙路徑上的濕地或是過境棲地,降低風機和鳥類接觸的機會。

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圖/giphy

當然,鳥擊的威脅是陸域和離岸風電都會有的難題。而離岸風電雖然遠離我們居住的陸地,不會對我們產生噪音危害。但建造和運轉期間所帶來的「水下噪音」,卻對當地,也就是海洋生態帶來不可忽略的影響,也因此成為離岸風場環評的一大關注重點。

在建造離岸風電機組時,需要先在海床上打樁作為固定的基礎,才能繼續往上建造風力發電機組。打樁的過程就等於將一根超大的釘子打入海床中,會產生極大的撞擊聲,雖然打樁的噪音是短期的,蓋好之後就不會再有了,但在運轉期間,離岸風場也會和陸上機組一樣發出低頻的嗡嗡聲。不論是打樁還是運轉的噪音,都會在海水中傳遞,影響到海中生物的生存。

由於聲音在水中傳遞速度快,損耗低,加上海水中光線不足,能見度較低。魚類跟海洋哺乳類等生物的聽覺自然演化得比視覺靈敏,讓他們有了非常廣闊的聽覺「領域」。因此從生態保育的觀點來看,海底噪音跟地上的噪音一樣,需要嚴密的監控和管制,否則會對海洋生物的感知與溝通能力帶來極大的影響。

環保署在 2022 年的二月將海事工程打樁噪音的規範訂為單一次打樁不能超過 190 分貝、打樁超過 160 分貝的次數不能超過總打樁次數的 5%。國內研究也建議打樁開始前 30 分鐘,必須確認沒有鯨豚在方圓 750 公尺內;並以緩啟動模式開始打樁,讓附近鯨豚可以及時迴避。畢竟,瀕臨絕種的中華白海豚就棲息在台灣西岸中段的沿海區域,和最有開發潛力的風場地區高度重疊,因此在設立風場時需要格外地謹慎。

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圖/海洋委員會海洋保育署

離岸風電可能帶來的環境負擔,需要在建造前以及運轉期間持續監控。但目前台灣發展離岸風電遇到的最大瓶頸,其實並不是環評與選址等環境問題,而是其他供應面的限制。

離岸風機的施工問題

前幾年在 COVID-19 疫情的籠罩下,各項工程與供應運輸時程難免延宕,國內離岸風電的建置進度大幅落後。此外,政府政策、國外廠商的商業決策、以及資金流動等等現實問題,都影響到台灣離岸風電的發展。

離岸風機的建設,不是選址選好了就萬事解決,這些巨型建築的架設也是一大挑戰。要知道,過去 3MW 的陸域風機,葉片的長度就可能超過 30 公尺。建設在外海,裝置容量超過 10MW 的離岸風機,葉片的長度會超過 100 公尺,整支風機的高度更可能來到 260 公尺,蓋一座風機就像是在蓋一座摩天大樓。

要在海面上搭建如此龐大的建物十分具有挑戰性,各個大型組件需要先在陸地上做好,運到港口,再由工程船隻載到海上進行組裝。

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而能攜帶並安裝這些部件的「安裝船」是台灣目前最欠缺的。而且不只台灣,近年來為了趕上對再生能源的需求,從歐盟到中國等國家的離岸工程開發案不斷成長,相關船隻的需求和價格也水漲船高。這使得台灣開發商想要租到合適的工程船變的越來越困難,已經做好的組件只能放在港口等待安裝。

面對這樣的困境,國內造船產業也有所回應。在今年六月,台灣國際造船宣布,亞洲最大的海事工作船「環海翡翠輪」已經完成交船。全長 216.5 公尺、寬 49 公尺,甲板面積有相當於 1.3 座足球場的超大面積,足以提供進行離岸風電水下基礎及大型風機的運輸與安裝作業。目前環海翡翠輪已經行程滿檔,工程已排程至 2025 年。

結語

雖然目前進度落後,但根據政策的規劃,台灣還是會持續興建離岸風場,往能源轉型的目標前進。

但除了劃更多區域、建造更大型的風機,風力發電還有別的玩法嗎?除了常見的水平軸三葉式風車之外,我們還有沒有其他的選擇?在拚發電量以外,有沒有對生態影響更低的風力發電方式?如果你也對其他型態的風力發電有所好奇,就請使出超級感謝,或加入會員來敲碗吧!如果你看不過癮,也可以看我們與 taiwan keywords 合作的這一集,看我如何挑戰爬上 23 層樓高的風機。

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最後也想問問大家,關於風力發電,你還有哪些問題呢?

  1. 風力發電的工作船有哪幾種?應用了哪些科技?
  2. 那麼大台的風力發電機水下基礎是怎麼蓋的?製程跟材料環保嗎?
  3. AI 能夠讓風力發電更穩定嗎?
  4. 更多想法,留言告訴我們吧

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參考資料

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PanSci_96
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「亞特蘭堤斯要怎麼去?」台大海工所陳琪芳教授表示……
PanSci_96
・2012/12/07 ・3125字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 506 ・六年級

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台灣人,絕大部分,真的都對海洋很陌生。在上次採訪過國立海洋科技博物館籌備處柯主任之後,PanSci覺得應該更重視「海洋」,因此除了「館長列傳」、「作者列傳」等持續進行中的專訪規劃之外,PanSci也同步啟動了「海人列傳」,希望藉由採訪國內的海洋研究者,了解海洋科學跟科技的最新趨勢。

海人列傳首發團來到台大的工程科學與海洋工程研究所,我們的目標是陳琪芳教授。雖然Z編先前就認識陳教授,但進入海工系暨研究所的網頁一看,這才發現在專任師資中只有陳教授一位女性。這也更讓我們好奇陳教授是如何走上這條路的。

Z:台大成立「海洋中心」的緣起是什麼?

陳:台大有很多院所在研究海洋議題,像是工學院、理學院、海洋工程所、漁業科學所、生態演化所、海洋研究所……但是四散各處,需要有個整合的組織。

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另 一個原因是,台灣這樣一個海島國家,卻非常缺乏長期的海洋發展計畫、以海洋為中心的戰略架構,規劃制度的官員對海洋的了解也不夠。舉例來說,海洋保育議題 -中華白海豚卻是歸屬在農委會–林務局的業務,還有像是海岸線的發展雖由地方政府規劃,但是河口、漂沙、洋流並不受行政區的限制,缺乏一個整合管理海洋的機關。再舉個例子,現在研究「可燃冰」的業務,被歸在中央地調所,雖然他們在地質研究上非常頂尖,但缺乏海洋經驗。鄰國日本甚至是半島型的韓國、大陸型的中國,都開始重視海洋發展,那台灣呢?台大對政策有一定的影響力,不少官員也都從台大的畢業,如果「海洋」成為台大的重要研究領域,或許能間接讓政府更有海洋觀念。

Z:台大有哪些海洋研究的重要議題?台灣又有什麼海洋研究的優勢和亮點領域?

陳:目前有幾個大的研究議題像是能源主軸計畫中的黑潮發電、天然氣水合物(可燃冰)、離岸風力發電,還有水下監測系統、無人水下載具,另外就是和國土保護有關的研究,像是漂沙、河口還有海岸變遷。

台灣鄰近海域的地形多樣,有深有淺,而且還有一些特殊地質,像是龜山島的熱泉,研究題目就可以很廣泛。很多國外的團隊非常想來台灣研究,但這樣的資料有軍事敏感性,所以也不是那麼容易。

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Z:現在國內的海研船有幾艘?使用情形大概如何?

陳: 現在有四艘海研船,海研一、二、三號-因為我們不喜歡「四」,所以最新的就是今年才下水的海研五號。一號歸台大海洋所管,二號是海洋大學,三號歸中山大學,五號是國內設計製造,2700噸級,由國家實驗研究院底下的海洋科技研究中心管理。不過因為五號的噸位比前三艘都大上很多,出航的成本很高,連國家級的地調所都說吃不消。

這也顯示出國家投注在海洋研究的預算不足。海洋可以算是「內太空」,規模相當,但是海洋研究預算比起太空研究卻少上好幾倍。當然這牽扯的原因也很多,包括我們的院士中海洋學者也比較少。

Z:可以分享一下自己出海的經驗嗎?

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陳:我第一次出海大概是二十年前,那時候剛從MIT(麻省理工學院)回台灣,執行一個中科院的計畫,就在東北角,研究聲吶。規劃由中科院派大船發出一系列的聲源,然後我在小漁船上接收資料。

出海的那天,天還沒亮,而且我三個月大的女兒還在發燒,我就來到基隆和平島搭15噸的漁船出海。出海之後我就覺得自己幹嘛自討苦吃-小漁船用四節的速度,離港之後花了四個鐘頭才到了研究的地點(大家都笑了……)。然後小漁船又不能自己放錨,所以得先由海軍大船放錨,再把線給我們(小船)。

聽起來很簡單,但是大船不能太靠近小船,不然被撞倒。白天還好,過程很順利,到了晚上要起錨,小船得先把線交給大船,哇…那就很麻煩了。風浪大,視線又不好,光是從大船上射繩子給小船,綁在錨繩上,就花了三個小時!

我印象很深,大船射繩子過來的時候要躲,不然會被打到呀!(XD)那時候我就在想「天啊,我做了什麼?」大家就在那邊為了一個實驗忙東忙西,我又是主要規劃的人,大家是來配合我的。一群很有航海經驗的大男生,就這樣聽一個完全沒經驗的小女生的話,大概是想說「尊重專業」吧?(還真是尷尬)

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後來終於把錨回收,漁船再開四小時回岸邊,我到家都已經是凌晨一點鐘了。從那時候收到珍貴的第一筆資料,我就一直持續作到現在,20年了-不過船有越坐越大啦。

P:怎麼看百慕達三角洲之謎、還有亞特蘭提斯大陸、穆大陸的古文明?

陳:我上次去愛琴海的聖托里尼,希臘風格的藍色屋頂一路延伸到海邊去,其實那海就是一個陷落的地形。從地質的角度來看,像亞特蘭堤斯大陸這類的古文明,可能就位在正向斷層上,突然之間就沉下去了。

在大洋航行,感官就是雷達、無線電…等等的電訊號顯示在儀表上,透過儀表才能知道自己的位置,周圍的環境如何。百慕達三角洲迷航的事件,其實就是這些感官被干擾、儀表失靈,所以飛機、船經過就會像是眼瞎了一樣迷失了。不只百慕達三角洲,日本、台灣附近也有類似的危險海域(福爾摩沙三角),像是「花蓮一號」礦砂船一出海就消失了。

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這也顯示我們對海洋了解很少,對海洋的狀況掌握非常有限。

Z:可以宣稱擁有人造島礁的主權嗎?像是垃圾島?

陳:如果永久經營,應該是可以宣稱主權。但是很多島嶼,其實只能勉強算得上是暗礁,只有在低潮線才露出來,漲潮就消失了。不過還是要參考國際海洋法,裡面有比較明確的規定怎樣可以聲稱主權。另外就是像填海造陸的工程,像是一些國際機場還有杜拜的人造島也算是國土。不過我覺得現在不應該再發展這類「人定勝天」的工程,對海洋的傷害太大,而且海水很powerful,要爭贏得花上很大的代價。

P:身為女性,走在海洋研究這條路上有什麼影響?

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陳: 因為研究的關係,我經常會和海軍相處,也被幾位熟識的海軍封為「first lady」。儘管獲得許多幫助,但這二十年的經驗讓我體認到,如果我不是女生,一些事情的推動應該可以有更好的成果。我大學四年班上只有我一個女生,但不認為男女有什麼差別。 直到開始工作之後,覺得在一個主要由男性組成的社群裡,有些事情男生只要兩三下就彼此談成了,但是女生可能就要很辛苦證明自己的能力才會受到認同,而且也比較少被交付任務,得自己爭取。

訪問後,陳老師也帶小編參觀海洋工程研究所的一些設備,真是大開眼界呀!

▲這是「風洞」的水流版。注水之後透過玻璃窗,可以觀察螺旋槳在水中運動的情形。

▲這是測試船模的水槽,畫面中黃色的不是香蕉,正是船模。

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▲測試的船模放在水槽中,由上方橫跨水槽的拖車平台拖行。

▲這黑漆漆的空間還堆了些沙,是工地嗎?這是測試飄沙的工程水槽,堆好模擬的地形之後,就可以注入大量的水,測試飄沙的動向。

▲這是退役的水下被動聲納陣列,就是水下麥克風。其實這只展示了四分之一,原來的陣列能排成圓柱體。這套陣列雖然退役上岸了,不過仍然可以使用喔!

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