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雪地守護者讓你冰天雪地也能暢行無阻

李祖緯
・2014/01/11 ・1490字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 550 ・八年級
積雪造成交通壅塞,配備新科技的鏟雪車,能為駕駛人與政府單位提供即時路況。(圖片來源:flicker用戶:John Lloyd)
積雪造成交通壅塞,配備新科技的鏟雪車,能為駕駛人與政府單位提供即時路況。(圖片來源:flicker用戶:John Lloyd)

從電視畫面中,常看到車子在雪地中打滑失事,像保齡球瓶那樣東倒西歪,對於交通運輸而言,冰天雪地的狀況無疑是一場噩夢。根據統計,美國一年因冰雪潮濕氣候所造成的車禍事故,已超過四千人死亡、上萬人受傷,這讓保持路面平整安全,變成州政府重要的課題。然而,對於道路的結冰情形與判斷上,多半是依靠過往的經驗,針對常發生事故的地點加以防治,這僅能解決一部分的安全疑慮,並無法合理運用現有資源。

州政府所提出的對策,則是在重要路段上,架設固定式的偵測站,能擷取路面狀況,包括路面溫度、積雪深度以及危害等級。但是,儀器往往相距數十公里遠,未偵測的區域相當廣泛。2013年,於美國4個州執行試驗計畫,建置皮卡勒增強型支援道路維護決策系統(Pikalert TM Enhanced Maintenance Decision Supporting System,簡稱EMDSS),期盼這項新科技能減少交通事故與道路維護的成本。

該系統由美國交通部的智慧型運輸系統計畫辦公室所設計,辦公室主席肯尼斯‧李奧納德提到,系統結合車輛聯繫技術、進階天氣預測以及目標決策,希望能為各州政府提供更好的道路服務品質。根據統計,光一個冬季,州政府就必須付出數千萬美元的成本,來維護道路品質,但政府缺乏路況的關鍵資料,無法精準投入人力到需要維護的區域。

新系統的運作方式,則是將監測設備放置在鏟雪車上,並連接上衛星與雷達設施,在執行勤務時,同時將觀測結果傳送到美國大氣研究中心,再利用天氣模擬模式,判斷哪些路段優先處理。這不僅能填補固定式偵測儀的不足,系統還能擷取與路面狀況相關的資訊,例如防鎖死煞車系統、雨刷的使用情形,排除因其他因素所造成的壅塞狀況。

目前,已經有超過百輛的鏟雪車配備新系統,除了做為固定式儀器的延伸外,所蒐集的資料也能幫助政府單位更快反應,對於資源的分配上將更有助益。舉例來說,為了確保道路順暢,工程單位會撒上鹽或者砂土消除積雪,而這些措施會對環境產生危害,因此若能更有效地運用鏟雪車,可以兼顧行車安全與環境保護。同時,這些資料也會與現存的資訊系統結合,將道路資訊公開傳播,例如內華達州交通部所發展的511即時路況地圖,提醒駕駛人避開這些路段。

在通過測試後,該系統將會在今年冬天轉由私人經營,並推廣到其他州使用。另一方面,系統開發者希望能進一步提升功能,能即時告知駕駛人鄰近地區的潛在威脅,進而減緩車速或者改走其他道路。在未來,不僅鏟雪車具備高科技,駕駛人也能以更即時、迅速的方式取得道路資訊,讓人們開車開的安心。本次的冬季由於「極地渦漩」的作用,使得極地冷氣團南移,在北美、西伯利亞造成了急速嚴寒的現象,面臨越來越極端的氣候,我們十分需要這類的科技,幫助人們因應極端天氣現象對人們造成的不便。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿/2013年12月)

責任編輯:鄭國威│元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

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如何幫畜牧業減排溫室氣體?——教會小奶牛上廁所,可有效降低「一氧化二氮」排放!

阿咏_96
・2021/10/17 ・2612字 ・閱讀時間約 5 分鐘

近年來,大眾對於「氣候變遷」這個詞越來越不陌生,國際間也會簽訂不同協議與政策,來減緩溫室氣體的排放,講到這邊,我們通常會想到化石燃料的使用,但較少被人們注意到的是,畜牧業也是排放甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等溫室氣體的大宗,甚至會造成水污染及空氣污染。

最近由心理學家團隊發表的研究,提出一種可能的解決方案,以減少畜牧業對環境的影響,也就是——「教小奶牛上廁所」!

看到這邊一定頭上冒出好幾個問號,為什麼畜牧業會對氣候變遷造成影響?是哪方面的影響?為什麼教奶牛尿尿可能可以減緩對環境的衝擊呢?要怎麼教?

圖/Pixabay

畜牧業和氣候變遷到底有什麼關係?

首先,根據聯合國糧食與農業組織 (FAO) 的報告,全球畜牧業每年約排放 7.1 兆噸的二氧化碳,大約是人為排放溫室氣體的 14.5%,其中,牛是排放量最大的物種,佔畜牧業排放量的 65 %,而大約來自於腸道發酵、糞便儲存與加工、飼料生產過程、其他能源使用等活動,FAO 也提出了目前評估可實行的減緩方案,其中一項便是提高奶牛的飼料開發以及飼養技術,來減少消化過程中和分解糞便時產生的甲烷 (CH4) 與一氧化二氮 (N2O) 。

而這篇研究的主角之一就是一氧化二氮 (N2O) ,雖然它只佔全球溫室氣體總排放量的 5% ,但它把熱留在地球的能力卻將近是二氧化碳的 300 倍!除此之外,每次排放的一氧化二氮 (N2O) 都會停留在大氣中超過一世紀,可以說是一種「長壽」的溫室氣體。從 1990 年起,紐西蘭的一氧化二氮排放量增加了五成,主要是來自乳製品業擴展以及氮肥使用,因此紐西蘭政府制定了一個目標,要在 2050 年之前將一氧化二氮的排放減少到淨零。

但這和牛有什麼關係呢?

紐西蘭的一氧化二氮排放量增加與乳製品業擴展有關。 圖/Pixabay

從「牛尿尿」開始的氮旅程

原因是牛尿液中氮含量很高,而動物尿液中的氮來源主要是尿素  (CH₄N₂O),在紐西蘭和澳洲,通常將牛飼養在戶外,牠們排尿之後,就開始一趟名為「氮循環」的旅程,首先尿素會迅速在土壤裡被水解成銨鹽 (NH4+) ,再經過微生物「亞硝化菌」氧化成亞硝酸根 (No2),接著,另外一群微生物「硝化菌」,將亞硝酸鹽 (No2) 再氧化成硝酸根 (NO3),以上的過程稱為「硝化作用 (Nitrification) 」。

當然,旅程還沒有結束,另一群稱作「脱硝菌」或「脫氮菌」的微生物會將硝酸鹽還原成氮氣 (N2),叫做「去硝化作用」或「脫氮作用」,而一氧化二氮 (N2O) 是反應的中間產物,會直接被釋放到大氣中。

難道把牛飼養在牛舍裡就沒有問題了嗎?

代誌不是憨人想得這麼簡單!當牛尿液中的氮和地板上的糞便混在一起時,會產生另一種空氣污染物——氨 (NH4)。

File:Nitrogen Cycle 2.svg
生態環境中的氮循環系統。細菌在其中扮演了關鍵角色,將氮源轉換為各種化合物,能夠被生物利用。圖/WIKIPEDIA

所以,如果牛的尿液可以被收集處理,裡面所含的氮就可以被轉換,減緩對環境的衝擊,但是要怎麼收集牛的尿液呢?

最直接的方式就是,教小牛到「廁所」裡尿尿。

要怎麼教會小牛尿尿?獎勵和拆解步驟是關鍵

研究團隊利用行為心理學的原理,訓練小牛到特定的地方排尿,這個原理便稱為「操作制約 (Operant Conditioning)」,由美國哈佛大學心理學教授史金納 (B.F. Skinner) 於 1938 年提出,當時有個著名的動物實驗稱為「史金納箱 (Skinner Box)」,將飢餓的小白鼠放在箱子裡,內有電動裝置紀錄動物的正確反應次數和頻率,因飢餓不安而活動的小白鼠,偶然壓到槓桿就會得到少量食物,當以後小白鼠看到槓桿,再去壓桿的頻率就會比以前高。對小白鼠來說,因反應而出現的食物是「強化物」,對壓桿這個「操作性反應」產生了強化作用。

除此之外,他們還運用訓練小孩上廁所,一種叫做「反向鏈接技術 (Backward Chaining Technique) 」的方式,將目標拆解成小步驟,從最後一步開始訓練到第一步。

首先,小牛被限制在圍欄設置成的廁所區域裡,當小牛排尿後再給予牠們喜歡的食物進行強化。然後,把小牛帶到圍欄外的一條走廊上,並再次強化進去廁所裡尿尿的行為,如果小牛在走廊上就排尿,便會用讓牠稍微不開心的噴水阻止牠。

經過幾次強化訓練,他們訓練的八頭小牛中,有七隻學會了在廁所尿尿,而且學習的速度和人類小孩差不多快!牠們大約只受了 15 天的訓練,大部分的小牛在 20 至 25 次排尿後學會了整套,比三到四歲的人類小孩還快。

小奶牛在廁所尿尿的影片。資料來源/參考資料 1

由此,研究團隊得到了兩個結論,第一是牛能夠學會注意自己的排尿反射,在準備尿尿時會移動到廁所裡;第二,在可以得到獎勵的情況下,牠們學會先憋尿,除非到了正確的地方。

牛牛學會了,然後呢?

在知道可以訓練牛牛到廁所排尿後,下一步要怎麼做才能夠離減排溫室氣體的目標越來越近呢?

作者認為希望未來可以優化廁所裝置,自動檢測排尿以及給予獎勵,就像是放大版的史金納箱一樣。除技術層面外,像是紐西蘭、澳洲等地的畜牧業,大多將牛飼養在開放的圍場,應該要把廁所設在哪裡,或者牛願意走多遠過來上廁所,都是需要進一步了解的問題,也才能夠將這項技術真正運用在不同國家的畜牧業,實際做到減緩畜牧業對氣候變遷的影響。

參考資料

  1. Dirksen, N., Langbein, J., Schrader, L., Puppe, B., Elliffe, D., Siebert, K., … & Matthews, L. (2021). Learned control of urinary reflexes in cattle to help reduce greenhouse gas emissions. Current Biology, 31(17), R1033-R1034.
  2. Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., … & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: a global assessment of emissions and mitigation opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
  3. 張春興(民80)。教育心理學:三化取向的理論與實踐。台灣東華書局。
  4. Backward Chaining Technique
  5. 全國法規資料庫:空氣污染防治法施行細則
  6. The science of nitrous oxide

阿咏_96
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