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當寒暑成災(三):常通勤增蚊害?

陳 慈忻
・2014/06/19 ・2450字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

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本文由科技部補助,泛科學獨立製作

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2007年登革熱病例的時空分析中,溫在弘以核密度圖呈現出通勤族和非通勤族的差異。(圖片來源:溫在弘2012年研究)

氣候變遷的加劇同時,也推動傳染病的擴張和轉變,究竟推動傳染病空間擴散的機制為何?未來在空間分布上又呈現什麼趨勢?是世界各國面對傳染病風險管理的挑戰。台大地理系溫在弘教授是計量科學的專家,也致力於傳染疾病的空間流行病學研究,本專題以「如何驗證通勤與登革熱傳播關係」為題,看看溫在弘如何藉由一篇精彩的學術研究解答這個問題。

蟲媒傳染病為何讓城市淪陷?

登革熱自日治時期就發生大規模流行,到了二十一世紀仍歷久不衰,這兩年登革熱的新聞似乎不頻繁,事實上,2014年的第一個月還沒過完,國內發病的案例已有九名了。登革熱(dengue)是由埃及斑蚊(Aedes aegypti)或白線斑蚊(Aedes albopictus)傳播的急性病毒性熱疾,發病後會有頭部、肌肉、骨頭、關節的疼痛及後眼窩起疹等主要症狀,目前沒有疫苗和抗病毒藥物,只能透過身體本身的免疫逐漸痊癒,但也可能造成生命危險。

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衛生署疾病管制局將登革熱分為地方性(endemic)和流行性(epidemic)兩種發生形態。地方性型態主要發生在熱帶地區的國家,亞洲國家如印度、孟加拉、緬甸、泰國、寮國、越南、菲律賓即是長期都有登革熱案例的特定地區,而台灣則是在某地區出現案例後,疫情在該地區擴大,但隨後又可能因環境因素受到控制,而漸漸在該地消失,例如1981年屏東琉球、1987年屏東東港、2001年高雄前鎮、2002年澎湖等地區都發生過流行性登革熱,因此要如何避免流行爆發是台灣防範登革熱的重要問題。

如何避免流行性登革熱爆發?一般認為登革熱是一種「環境病」,因此公共衛生學界介入登革熱防治的觀點,主要是以「環境治理」為主,當環境衛生良好,就沒有足以支撐大量蚊蟲孳生的條件,疫情理應不會爆發。但是環境治理的觀點無法解釋一件事情,「如果一隻帶有登革熱的蚊子,一生中飛行範圍在250公尺以內,為什麼A地出現登革熱案例後,1,000公尺以外的B地也會有人感染登革熱?」

溫在弘2012年的研究《Population Movement and Vector-Borne Disease Transmission: Differentiating Spatial–Temporal Diffusion Patterns of Commuting and Noncommuting Dengue Cases》便是在尋找這個問題背後的關鍵因素。登革熱屬於蟲媒傳染疾病,也就是說這種病毒的傳播須經由蚊蟲叮咬,人不會直接傳染給人。在登革熱病人血液中存有登革病毒的潛伏期中,稱為「病毒血症期」,是病毒是最容易傳染的時候,儘管該病毒不會由病人直接傳染給其他人,但是蟲媒傳染病可以透過人傳蟲、蟲再傳人的間接方式,由病人觸發另一地點的流行。

時空分析 找出通勤族和非通勤族差異

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溫在弘假因而設這個問題的背後,現代人生活中的「通勤」是一個關鍵,藉由人的通勤移動,在A地感染登革熱的通勤族,在工作上班的B地被另一隻沒有登革熱的蚊子叮咬,B地發生人傳蟲後,也開始出現具有感染能力的使的登革熱病媒蚊。

為了要證實這個假說,溫在弘蒐集2007年1月至2008年1月台南市確定感染登革熱的1,017位病患資料,由於傳染病經醫院確認感染後,會進行例行的問診,包含住址、工作地點等資訊,溫在弘將這些病例分成兩類,第一類有548個案例,為居住地和上班地點位於同里的「非通勤族」,第二類則有469個案例,是要到戶籍地里以外地區上班的「通勤族」。

為了要對兩類病例進行時空分析(Space-Time Analysis),以發掘這兩類病患在各自的類別中,案例間的空間距離、發病時間是否具有明顯不同的型態,因此溫在弘採用英國學者Knox於1964年提出的「Knox統計法」,並應用資料處理軟體MATLAB進行運算。

Knox統計法是一種時空分析方法,先將兩類分開來,再於同類中將病例兩兩分成一組(pair),每一病例可以重複分組,直到各種分組可能都被列出。例如通勤者類有10個案例,該組內便可經排列組合分成45對資料,整理出每一對資料兩病例間的居住空間距離、發病時間間隔,以空間距離作為X座標、時間間隔作為Y座標,將同類的每一對資料繪製成散佈圖及核密度圖(Kernel Density)。

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核密度圖的結果顯示,非通勤族的組時空分布集中在距離小,集中在1公里的距離內,發病時間近,大部分病例間的發病時距在10天以內;通勤族的組空間分布則集中在2公里至4公里間,發病時距相較非通勤組長,最長達70天,證實通勤與非通勤病例存在特性上的差異。

網絡分析 找出致病關鍵區位

在第一步證實了通勤族與非通勤族在病例的時空距離分布有明顯的差異,第二步溫在弘希望可以進一步知道,這兩種群體在台南市的空間分布位置有什麼不同?他運用「網絡拓撲(Network topology)」,分別將通勤族與非通勤族病例的位置點在兩張台南市地圖上,並將點兩兩連線,產生初步的網絡分布圖。這兩張圖只能看出通勤族的網絡分布範圍明顯較大,但是因為案例數多、網絡的連線密集,不容易看出不同地理位置的網絡密度,因此再次繪製密度圖,將網絡的密度以顏色深淺呈現,發現非通勤族的病例網絡最密集處在台南市的南邊區域,而通勤族的病例網絡最密集處則分布在市中心。

此外,溫在弘針對每一台南市的里進行統計,計算每一里出現第一個通勤族或非通勤族的登革熱案例後,在該里出現第二個案例的機率大小,進而推論通勤族和非通勤族病例觸發疫情擴大的可能性。結果顯示,某一地出現第一則通勤族登革熱案例後,長時間後引發第二則案例的機率比非通勤族案例更高。

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除了證實通勤較非通勤更需要注意外,為了確認通勤相較於其他環境因素更是否具有更高的影響性,溫在弘從文獻中蒐集可能影響登革熱疫情擴大的因素,主要是公共場所或衛生品質較難控制空間的數量,包括公園、學校、廢墟、市場、空地,以及人口密度,他統計每個台南市各里的上述因子,並將通勤人口與上述因子分別與各里的登革熱病例數進行「統計迴歸分析」,在百分之九十五的信心水準下,發現通勤因素的危險比值是其他因素的三倍。

溫在弘的研究不以開拓複雜的研究方法來引人注目,對於時事的關懷和想法的創新是他的研究亮點。作為地理學者,研究的突破不一定在於方法論的鑽研,而在於既有的方法或理論,如何透過研究者的創新思維,以更有效的方式應用在社會、自然環境的課題上。(本文由科技部補助「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)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

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陳 慈忻
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在丹麥的博士生,專長是用機器學習探索人類生活空間,正在研究都市環境變遷與人類健康的關係。曾擔任防災科普小組編輯、社會創新電子報主編。

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伺服器過熱危機!液冷與 3D VC 技術如何拯救高效運算?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/11 ・3194字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 高柏科技 合作,泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達(NVIDIA)、Google、微軟,甚至是 Meta 的存在,究竟是什麼?答案或許並非更強大的 AI,也不是更高速的晶片,而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初,搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機,傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題,但這場「科技 vs. 熱」的對決,才剛剛開始。 

不僅僅是輝達,微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中,希望藉由洋流降溫;而更激進的做法,則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中,來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

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但這些方法真的有效嗎?安全嗎?從大型數據中心到你手上的手機,散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技,一同看看如何用科學破解這場高溫危機!

運算=發熱?為何電腦必然會發熱?

為什麼電腦在運算時溫度會升高呢? 圖/unsplash

這並非新問題,1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時,就提出了「蘭道爾原理」(Landauer Principle),他根據熱力學提出,當進行計算或訊息處理時,即便是理論上最有效率的電腦,還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失,系統的熵就會上升,而隨著熵的增加,也會產生熱能。

換句話說,當計算是不可逆的時候,就像產品無法回收再利用,而是進到垃圾場燒掉一樣,會產生許多廢熱。

要解決問題,得用科學方法。在一個系統中,我們通常以「熱設計功耗」(TDP,Thermal Design Power)來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說,TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量,通常以瓦特(W)為單位。也就是說,TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP,例如AMD的CPU 9950X,TDP是170W,GeForce RTX 5090則高達575W,伺服器用的晶片,則可能動輒千瓦以上。

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散熱不僅是AI伺服器的問題,電動車、儲能設備、甚至低軌衛星,都需要高效散熱技術,這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料(TIM)」:提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡,散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料,而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中,晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合,表面多少會有細微間隙,而這些縫隙如果藏了空氣,就會變成「隔熱層」,阻礙熱傳導。

為了解決這個問題,需要一種關鍵材料,導熱介面材料(TIM,Thermal Interface Material)。它的任務就是填補這些縫隙,讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」,即使主線有再多車道,如果匝道堵住了,車流還是無法順利進入高速公路。同樣地,如果 TIM 的導熱效果不好,熱量就會卡在晶片與散熱片之間,導致散熱效率下降。

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那麼,要怎麼提升 TIM 的效能呢?很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁,若要更高效的散熱材料,則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成:高導熱粉末(如金屬或陶瓷粉末)與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好,盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了,受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸,高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後,會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題,高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」,說是凝膠,但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄,比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK,到這裡,「匝道」的問題解決了,接下來的問題是:這條散熱高速公路該怎麼設計?你會選擇氣冷、水冷,還是更先進的浸沒式散熱呢?

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液冷與 3D VC 散熱技術:未來高效散熱方案解析

除了風扇之外,目前還有哪些方法可以幫助電腦快速散熱呢?圖/unsplash

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量,也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限,因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷,熱量在經過 TIM 後進入水冷頭,水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好,且增加的體積不大。唯一需要注意的是,萬一元件損壞,可能會因為漏液而損害其他元件,且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮,可以考慮另一種方案,「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義,就是把均溫板層層疊起來,變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板,原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」,直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中,會放入容易汽化的工作流體,當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化,當熱量被帶走,汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法,最大的特點是:導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻,不會有熱都聚集在入口(熱源處)的情況,能更有效降溫。

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整個 3DVC 的設計,是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯,能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC,就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是,工作流體移動的過程經過設計,因此不用插電,成本僅有水冷的十分之一。但相對的,因為是被動式散熱,其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC,高柏科技一直致力於不斷創新,並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積,高柏科技開發了6項專利技術,涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後,均溫板不僅保有高導熱性,還增強了結構強度,顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步,有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術,將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中,許多冷卻液會選擇沸點較低的物質,因此就像均溫板一樣,可以透過汽化來吸收掉大量的熱,形成泡泡向上浮,達到快速散熱的效果。

然而,因為水會導電,因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些,但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時,很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS,這是一種永久污染物,會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液,例如礦物油、其他油品,又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

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另外,把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等,都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證,相信很快就能推出更強大的散熱模組。

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末日模擬!從氣候變遷到核戰爭,人類未來將走向哪個結局?
PanSci_96
・2024/11/19 ・1957字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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科學家模擬的末日場景

隨著二氧化碳排放持續增加,全球的政治局勢日益緊張,世界上各國的承諾屢屢在國際會議中被辜負,戰爭的結束也似乎遙遙無期。警示世界末日的「末日鐘」越來越接近午夜,人類與地球的未來變得越來越悲觀。

這並非一種刻意的悲觀,而是基於氣候變遷和人類衝突升溫的現實。許多人或許和我一樣好奇,末日會不會真的臨近?如果會,那又會是什麼樣的場景?是氣候徹底失控的《明天過後》?還是生態浩劫後的全面沙漠化,需要武力生存的《沙丘》和《瘋狂麥斯》?或者是核戰之後,所有人生存在廢墟中的《異塵餘生》?

我們的未來走向尚未確定,但科學家已經率先模擬了不同的可能結局,讓我們可以一窺未來的模樣。這些模擬告訴我們,如果人類繼續走某些路徑,地球的結局將是如何。至於我們是否能避免這些結果,就得由全體人類共同決定。

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如何模擬出整顆星球的氣候變化?

要模擬整顆星球的大氣變化是一項龐大的任務,至少需要三大要素:理論、資料、和計算資源。

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首先,人類對氣候系統的物理和化學模式需要有足夠的了解,也就是大氣理論必須足夠完備。其次,需要足夠多的資料來模擬整個行星。這些資料包括地球半徑、自轉速度、海洋分布、太陽輻射、大氣成分等等,甚至是地表的狀況與地形。台灣的中央山脈就能影響到西太平洋的颱風走向,進而影響整個東亞的氣候。如果希望盡可能還原地球的真實情況,還需考量海洋的垂直溫度分布、植物分布導致的生物地球化學反應等。

最後,還需要強大的計算資源,也就是超級電腦。由於資料量龐大,每個參數的小誤差都可能引發蝴蝶效應,影響到預測結果。因此,科學家通常會微調各項參數,並對每組參數進行多次計算,這些都需要大量的運算能力。

模擬沙丘中的荒漠星球

科幻小說《沙丘》中的厄拉科斯,經布里斯托大學模擬,揭示未來氣候可能。圖/wikimedia

科幻小說《沙丘》中的厄拉科斯(Arrakis)是一顆完全荒漠化的星球,英國布里斯托大學的亞歷山大·法恩沃斯等人曾對這顆星球進行了模擬。他們使用在研究地球氣候變遷時使用的氣候模型,並結合小說中的設定,如大氣中的二氧化碳濃度和臭氧含量等,模擬了 500 年後的厄拉科斯氣候。

模擬結果顯示,厄拉科斯的赤道和熱帶地區夏季高溫達 45 度,冬季不低於 15 度。而高緯度地區則更為極端,夏季高溫可達 70 度,冬季最低可達 -75 度。由於大氣濕度和雲層的存在,極地反而比赤道更溫暖。此外,儘管小說中描述厄拉科斯幾乎沒有降雨,但模擬顯示高緯度和山區仍會有少量降雨。

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這些結果顯示,科學家不僅愛科幻,也樂於用科學方法來驗證科幻中的設定。這些模擬能讓我們更了解地球的氣候系統,並讓我們警惕荒漠化的危機。

核戰後的世界:核冬天的可怕景象

如果人類全面爆發核戰爭,戰後的世界會是什麼樣子?研究顯示,大規模的核武攻擊將產生大量的輻射塵和煙灰,進入大氣層並遮蔽陽光,導致「核冬天」的到來。

2019 年的一篇研究模擬了美俄之間的全面核戰爭,結果顯示,爆發後的第一年,全球氣溫將大幅下降,北半球的夏季溫度將下降 25 度,冬季氣溫則會降至零下,植物生長期縮短至僅剩 25 天。煙灰遮蔽陽光,導致全球糧食供應崩潰,第二年可能有 50 億人面臨飢餓。

這些模擬結果告訴我們,全面核戰將帶來毀滅性的後果,核冬天將使人類無法正常生活,這是真正的末日場景。

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核戰模擬顯示,氣溫驟降與糧食崩潰將致全球大饑荒。圖/envato

地球的未來會是如何?

地球未來的命運取決於我們今天的選擇。如果我們對氣候變遷置之不理,兩極冰帽將完全融化,海平面上升,許多沿海地區將被淹沒。雖然不至於像《水世界》中那樣極端,但低地區域的居民將面臨嚴重的生存挑戰。

如果人類選擇繼續衝突,甚至爆發毀滅性戰爭,我們的未來將如《瘋狂麥斯》或《異塵餘生》般,生存在廢墟中,面對乾旱、糧食短缺與持續的環境破壞。

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新北「氣候行動徵件」活動總獎金 8 萬元 號召青年展開行動成為氣候領袖
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・2024/05/23 ・1247字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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全球正面臨急遽的氣候變遷,世界公民必須共同面對,環保局發布「新北 2024 國際青年氣候行動論壇——氣候行動團隊創意徵件」,鼓勵臺灣青年從校園或社區出發,針對觀察到的環境問題提出行動方案,入選隊伍將獲得專業導師指導並帶領實踐提案內容,最終勝出者不只可獲新臺幣 4 萬元獎勵金,更有機會放眼國際,於年底的紐約荒野中心青年氣候高峰會上展現成果。環保局將於 5 月 24 日下午辦理線上說明會,徵件日期至 6 月 24 日截止,歡迎有興趣參與的學生及老師報名參與!

報名網址:https://reurl.cc/Ke0gQn

環保局表示,新北市已連續 3 年辦理青年氣候論壇,建立與青年交流對話的平台,今(113)年更持續與紐約荒野中心(The Wild Center)攜手,號召青年以行動應對氣候變遷,培養青年成為氣候領袖。實踐淨零永續的道路上,青年的角色非常重要,去年新北市青年氣候論壇邀請到荒野中心氣候行動主任 Jen Kretser,分享了許多紐約青年行動案例,像是大學生於學院頂樓設置太陽能板,實現「上課教室自主發電」的校園計畫,又如同學自發建立校園田園、自主提出畢業晚會減塑需求等,引起與會臺灣青年們的廣大迴響,提出許多問題進行討論。

新北市環保局「2023 新北青年氣候論壇」,邀請到美國紐約荒野中心氣候行動主任 Jen Kretser(左 3),分享了許多紐約青年行動案例

環保局長期關注青年行動力,辦理「環保小局長計畫」、「永續未來學院」、「青年氣候論壇」等活動,致力推動全齡化的環境教育,今發布的「氣候行動團隊創意徵件」,進一步鼓勵臺灣「青」世代成為行動發起者,提出自己的問題觀察與創意解方,並真正落實行動,由青年自己決定從何處開始改變,即使是日常生活中觀察到看似微小的行動,都有可能在實踐後擴大影響到整個校園、社區,甚至整座城市。

環保局說明,氣候行動徵件邀請全臺高中職及大專院校學生,透過影像紀錄、實體行動、循環設計、社群媒體傳播等多元方式呈現創意永續行動提案,徵件至 6 月 24 日止,經初選後 4 組入選隊伍將在新北市展開為期一個月的短期氣候行動實踐,同時由環保局媒合專業導師進行線上課程,最後於 8 月「新北 2024 國際青年氣候行動論壇」進行決選,優勝的隊伍除可獲得獎勵金外,更能持續推展氣候行動並製成行動影片,影片有機會在年底紐約荒野中心青年氣候高峰會上進行分享,讓青年氣候行動與國際接軌。

環保局將於 5 月 24 日下午辦理線上說明會,歡迎有興趣參與的學生及老師報名參與,徵件簡章及更多相關資訊可至環保局官網或「新北 2024 氣候行動團隊創意徵件」活動網站查詢。

※ 5/24 徵件線上說明會報名網址:https://reurl.cc/Ke0gQn
※ 環保局官網簡章:https://www.epd.ntpc.gov.tw/Article/Info?ID=11254
※ 「新北 2024 氣候行動團隊創意徵件」活動網站:https://greenage2024.com

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本文轉自新北市政府環境保護局網站

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