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人造光收成方法達到 100% 的能量轉移效率

only-perception
・2011/09/05 ・1377字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

 在一次仿效可在植物與某些細菌中發現的光合作用系統的嘗試裡,科學家在開發人造光收成系統(light-harvesting system,LHS)上,已向前跨出一步,該系統符合一項關鍵需求︰近乎 100% 的能量轉移效率(energy transfer efficiency)。在一套有用的人造 LHS 的開發上,雖然高能量轉移效率只是元件之一,不過,這項成就能導致乾淨的太陽燃料(solar-fuel)技術,那將日光轉換成化學燃料。

這些研究者,由來自東京都立大學(Tokyo Metropolitan University)的高木慎介(Shinsuke Takagi)以及科學技術振興機構(Japan Science and Technology Agency,JST)的 PRESTO 計畫領導,已將他們邁向人造 LHS 的研究發表在最近一期的 Journal of the American Chemical Society 期刊上。

“為了要實驗一套人造光收成系統,近乎 100% 的能量轉移效率是必要的,” 高木表示。”因為光收成系統由許多能量轉移步驟組成,如果每一步驟的能量轉移效率為 90%,那麼,總能量轉移效率就會變低。例如,如果這有五個能量轉移步驟,那麼總能量轉移為︰0.9 x 0.9 x 0.9 x 0.9 x 0.9 = 0.59。那麼,在為人造光收成系統實現高效能日光收集上,一套高效能能量轉移反應扮演著一個重要的角色。”

如同研究者在其研究中的解釋,天然的 LHS(如那些在紫色細菌或植物葉子中的系統)是由分子的規律排列所組成,那有效地收集日光並將激發能( excitation energy)攜往該系統的反應中心。一套人造 LHS(或稱「人造葉子」)試圖藉由利用功能性染料分子(functional dye molecules),辦到相同的事。

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建立在先前研究的結果之上,科學家們為此目的,選擇使用二種紫質( porphyrin)染料分子,將其排列在陶磁表面上。這些分子易於在陶磁表面上聚集(aggregate)或分散(segregate),這對於要將這些分子以規律方式,如其天然的相似物那樣排列的科學家來說,構成了挑戰。

“分子以一適當的分子間(intermolecular)距離排列,對於達成近乎 100% 的能量轉移效率而言很重要,” 高木表示。”如果分子間距離太近,將會發生其他反應,諸如電子轉移和/或光化學反應。如果分子間距離太遠,激發染料的活性消失,會抑制能量轉移系統。”

為了要達到適當的分子間距離,科學家們開發出一套新穎的製備技術,那能匹配(matching)紫質分子中帶電位置(charged sites)之間的距離,以及陶磁表面上帶負電(陰離子)位置之間的距離。此效應,研究者們稱之為「尺寸匹配法則(Size-Matching Rule)」,協助抑制促成紫質分子易於聚集或分散的主因,並使分子固定在一適當的單一(uniform)分子間距離。如高木的解釋,這種策略顯然不同於其他達成分子圖樣(molecular patterns)的嘗試。

“這種方法學很獨特,” 他說。”在一般自我組裝系統的例子中,排列是透過客體–客體交互作用(guest-guest interactions)來體現。在我們的系統中,主體–客體交互作用(host-guest interactions)在實現染料的特殊排列上,扮演著一個關鍵性的角色。因此,藉由改變主體材料,要控制染料在陶磁表面上的分子排列是有可能的。”

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如研究者的示範,分子的規律排列導致激發能轉移效率接近 100%。這些結果指出,紫質染料分子與陶瓷主體材料對於人造 LHS 而言,看起來是大有可為的候選者。

“目前,我們的系統只包含二種染料,” 高木表示。”下一步,結合數種染料以吸收所有的日光是必要的。我們系統的特徵點之一是,可輕易地同時使用數種染料。因此,我們的系統對一套真正的、能運用所有日光的光收成系統來說,是一個有前途的候選者。我們相信,即使是光化學反應部份,都能被結合到相同的陶瓷表面。如果這套系統被實現了,而且與光化學反應中心結合,那麼這套系統就能被稱為「無機葉子(inorganic leaf)」。”

資料來源:physorg: Artificial light-harvesting method achieves 100% energy transfer efficiency [September 1, 2011 ]

原刊載於 only-perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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紅紅的葉子要怎麼行光合作用?紅葉和黃葉裡也有葉綠素嗎?——《樹葉物語》
時報出版_96
・2023/10/29 ・2029字 ・閱讀時間約 4 分鐘

顏色會依照我們觀看的對象吸收和反射的光而有所不同。樹葉因為會吸收所有藍色和紅色系光譜,只反射綠色,因此看起來是綠色的,而讓樹葉顯現綠色的東西,便是負責養育生命的葉綠素。

需要光合作用時也只會紅通通的日本紅楓

當然,也有葉子不是綠色的。樹木一生中雖然會變換顏色,但也有一開始長葉就不是綠色的。關於這類樹木,首先想到的便是日本紅楓(Acer palmatum ‘Shojo-Nomura’)。

日本紅楓連剛冒出葉子時也不泛綠色,和它的名字一模一樣,打一開始就很紅。那麼,日本紅楓紅色的葉子裡沒有葉綠素嗎?如果缺少葉綠素,樹木無法行光合作用;若不行光合作用,將無法製造生存所需的養分,那究竟該如何生存呢?

所有樹葉裡都有葉綠素,但是除了葉綠素,還有類胡蘿蔔素、花青素和單寧等各種成分,我們需要從這裡找出頭緒。類胡蘿蔔素、花青素和單寧等成分分別呈現黃色、紅色和褐色,葉子雖然從一開始就具備多種顏色的成分,但在更需要光合作用的時候,葉綠素會上來表面;待過了秋季,逐漸接近無法行光合作用的冬季,其他顏色的成分才會開始活躍,秋楓便是如此。然而,日本紅楓即使在需要光合作用的時期,葉子也只會紅通通的,非常奇妙。

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淺綠色顯露出來的瞬間

圖/wikimedia

日本紅楓是人們培育出來的品種,以做為造景用的觀賞樹木。換言之,日本紅楓並不是在自然狀態下生長的樹木,而是人們為了更長時間觀賞楓樹的紅色葉子所培育的品種,讓它一年四季都能呈現紅色。雖說紅色葉子裡頭同時含有泛綠色的葉綠素,但不管再怎麼看,都看不到綠色。

我再次重申,觀察樹木需要長時間、仔細地觀察。日本紅楓葉子上的紅色氣息轉淡的現象一年大概會發生兩次,分別是開花與果實逐漸成熟時,也就是樹木最需要養分的時刻。這時的日本紅楓葉子會發生非常細微的變化,乍看之下無法得知其差異:仍然泛著紅色,仔細觀察卻能在葉子某些部分感覺到綠色的氣息。

雖然葉子顯現紅色,但葉綠素若不進行光合作用,樹木就無法存活,在開花和結果等需要大量養分的關頭更是如此,這種時候只要仔細確認日本紅楓的葉子,將能感覺到葉綠素行光合作用活動的跡象。葉子上面延展的葉脈或葉柄端的紅色會轉淡,非常顯眼。果實結果和逐漸成熟時也一樣,可以在變淡的紅色之間突然看見綠色。即便葉子是紅色的,葉綠素還是會在它非常迫切需要養分時活躍起來,無怪乎顯現了綠色。

黃金松的樹葉只有黃色嗎?

日本紅楓是人工選育的品種,但自然狀態下也有樹木不是發綠色的芽,好比名為黃金松(Pinus densiflora ‘Aurea’)的樹木。雖然松樹的葉子一年四季都是綠色,黃金松的葉子卻呈金黃色。黃金松是松樹的品種之一,是相當稀有的樹木,它只有下方呈綠色,整體看來葉子是金黃色的。據說從以前開始,只要天氣乾旱,黃金松的金黃色葉子就會變成褐色,梅雨季則變成綠色,對於觀察氣候十分必要,不過這種說法並無科學根據。儘管如此,據說以前農夫們乾脆叫黃金松「天氣木」。

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非常稀有的黃金松是在自然狀態下也會發金黃色、而不是綠色的芽。

韓國曾經發現幾棵自然狀態下的黃金松,特別是慶尚北道蔚珍郡周仁里的黃金松就被指定為地方紀念物,是一株受到保護的珍貴樹木。這棵黃金松曾是預測氣候的標準,村裡亦相傳若發生戰爭,它的葉子會泛紅。

蔚珍郡周仁里的黃金松和旁邊其他樹木的葉子顏色不同,一眼就能清楚看出來。這棵佇立在斜坡上的樹木已有五十歲左右,由於被指定為文化財,四周圍上了柵欄、被確實地保護著。雖然遠處就見得到它神祕的模樣,但務必近距離觀察。必須仔細觀察葉子,才能得知樹木的祕密,知道樹木如何用金黃色的葉子製造養分、使自己生長。

即便植物圖鑑裡記載「除了葉子的基部,其他都是黃色」,實際上再怎麼觀察,仍然很難說是黃色,非要講的話,比較接近綠色和黃色混合在一起的淡綠色。當然,顏色以針葉來說算特別,但不能說是黃色或金黃色。與其說黃金松的葉子是金黃色的,不如說是以綠色為底,黃色顯現得稍微強一點。

無法丟掉綠色的原因

我們談日本紅楓和黃金松,但擁有紅葉或黃葉的樹木不只這些,尤其是觀賞用的培育品種中,還有不少葉子的顏色相當五彩繽紛。然而,不管是哪種樹木,都無法完全丟掉綠色,因為綠色是葉綠素的顏色,而葉綠素是樹木的生命之窗。

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——本文摘自《樹葉物語》,2023 年 5 月,時報出版,未經同意請勿轉載。

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時報出版_96
174 篇文章 ・ 35 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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夜間公園運動、臥室擺盆栽,會有害健康嗎?
何宗岳(股素人)_96
・2023/04/17 ・3959字 ・閱讀時間約 8 分鐘

編按:此為個人實驗結果,對內容有疑問者可向作者詢問。

自從退休之後,6 年來已習慣晚上到附近公園運動,某日,讀國小四年級的金孫跟我說:「阿公,植物白天光合作用會吸收二氧化碳,晚上會吐出二氧化碳,空氣不好,不要晚上去公園運動啦!」;確實,上網搜尋,有不少類似「夜間公園空氣不好」、「臥室不要擺盆栽」等擴大解讀植物光合作用的文章。

夜間(19 時~22 時)在公園運動的人不少,有慢跑的年輕人、有散步的銀髮族、有跳舞或練功的社團群眾,也有帶小孩玩溜滑梯、盪鞦韆等遊戲的家庭成員,那麼多人在夜間的公園活動;因此,「夜間公園空氣不好(太多二氧化碳),有害健康」的說法,似乎不符合常識邏輯,否則應有大半之慢跑、快走的人,將會休克,叫救護車送醫了。

其次,如果「臥室擺盆栽,有害健康」係金ㄟ,那麼,山上居民豈不會多病或短壽?似乎也不符合常識邏輯;敝宅客廳擺了 6 棵盆栽,N 年來夜間看電視 4 小時,健康損多少?

光合作用的 CO2 及 O2 值可以量測嗎?

網路上可找到許多探討「森林(樹木)的碳吸存」之類的文章,諸如:不同植物(喬木、灌木、草本…)的固碳量、每年每棵樹約可吸收 12kg 的 CO2、一棵成熟樹約可提供一戶 4 口家庭的氧氣需量、植物大約吸收人類排碳量的 29% 等;林務局的網站說:「根據光合作用【森林碳儲存】反應式,林木生物量每增加 1 公噸,可吸收 1.6 公噸的二氧化碳,同時釋放 1.2 公噸的氧氣…」,這些公認的超現實數據,可否簡單地以一棵盆栽樹,來證實光合作用吸多少二氧化碳?釋放出多少氧氣?

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在探討室內空氣品質(Indoor Air Quality)時,有一定的安全參考值,例如:連續 8 小時之二氧化碳 ≦1,000 ppm、一氧化碳 ≦9 ppm、甲醛 ≦0.08 ppm、氧 ≧18%,醫院及百貨商場等公共場所,多設有室內空氣品質監測儀器;顯然,有儀器可以量測二氧化碳、一氧化碳及氧等氣體的具體數值。

為了跟金孫簡單地解釋光合作用的「吸碳排氧」理論,特別花 2 萬多元買了一組可量測空氣中之二氧化碳、氧氣及溫濕度的空氣品質分析儀(Lutron/AQ-9918SD,精確度:CO2±40ppm、O2±0.2%、溫度±0.8℃),分別於正午及半夜,到公園、植物園區及大停車場等場所,量測白天及夜間之 CO2(ppm))和 O2(%) 的變化,並且順便於自己臥室,量測在有、無盆栽狀態下,1 人睡覺時之 CO2 和 O2 的變化,結果卻逆轉「夜間公園運動、臥室擺盆栽,有害健康」的常識

國小的光合作用反應式: 二氧化碳+水     葡萄糖+氧+水

「夜間公園運動、臥室擺盆栽,有害健康」的理論,顯然與植物的光合作用有關,姑且由我們所認知的空氣成份常識談起,在維基百科中可找到如表 1 的空氣成份,例如,標準空氣之 O2 含量為 20.942% 及 CO2 含量為 330ppm(0.033%)等。

呼吸時,吐出最多的氣體是二氧化碳?

首先,以新購之空氣品質分析儀,進行人體呼吸實驗;以鼻吸口吐方式(圖 1),將吸氣吐入密封塑膠袋中,測試紀錄如下表,約經過 3 分鐘後(NO.7),CO2 由正常值之 373ppm 劇升為 15,606ppm 以上,而 O2 由正常值之 21.5% 降為 17.3% 以下(空氣氧含量安全值:≧18%),同時,吐出氣體含水汽,使露點溫度(℃dp)由 18.4℃ 劇升為 22.2℃ 以上(塑膠袋內產生水汽);此證實人體呼吸確實是吸入 O2 而吐出 CO2 及水汽,將儀器探棒取出後(NO.14),CO2 及 O2 含量則逐漸恢復正常(如表 2 所示)。

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圖 1 呼吸測試(夾鏈袋 25*20 cm) 圖/作者提供

由表 2 的數據,如果你以為人體呼吸吐出的氣體中,大多是 CO2 和水汽,那就錯了。依維基百科的資訊,因為鼻子吸入的空氣中,氮佔 78%、氧佔 21%、CO2 佔 0.033%、水汽佔 1.3%,所以,人體吐出的氣體中,體積比最多的依舊是氮氣,約佔 78%(不被需要,又被吐出來)、氧約佔 13%~16%(減少)、CO2 約佔 4%~5.3%(增加)、水汽約佔 5%(增加),以及原被吸入的痕量氣體,又被原封不動的吐出來。

盆栽光合作用的量測值,違反吸碳排氧理論

其次,找一棵種了約 6 年多的鳶尾花戶外盆栽(圖2)做實驗;以透明塑膠袋罩住(圖3),進行光合作用實驗,5 秒記錄 1 筆,持續 25 分鐘,為節省篇幅,僅摘錄每 1 分鐘 1 筆。

如表 3 所示,可看出前 4 分鐘(NO.1~5)之 CO2 值有明顯下降(吸碳),符合光合作用的吸碳理論,但是,O2 值也由 21.4% 降至 20.2% (吸氧而非排氧);然而,自第 5 分鐘(NO.6)開始,CO2 值又逐漸回升至第 25 分鐘(NO.26)的 632ppm(排碳),而 O2 值仍續降至最後的 18.2%(吸氧),亦即自第 5 分開始(NO.6),完全顛覆了植物光合作用的「吸碳排氧」理論

此時,塑膠袋內佈滿霧狀水汽(露點溫度由 20.0℃ 劇升至 35.4℃,即為數據明證),溫度也由起始的 27℃ 升至 56.8℃(如同密閉汽車日曬而溫升至 60℃ 以上一樣)。

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圖 2 戶外鳶尾花盆栽 (直徑 55cm,高 39cm)。 圖/作者提供
圖 3 罩塑膠袋的光合作用實驗。 圖/作者提供

因為「光合作用的吸碳排氧理論」是眾所皆知的知識,筆者不死心,分別於白天(正午)及夜間(深夜),量測灌木欉、喬木園區、大停車場、大稻田及臥室的 CO2 與 O2 值,方法或許不夠嚴謹,但是,若依表 4 的量測值總表,確實無法證明植物光合作用的「吸碳排氧」理論。

表4說明:

  1. NO.1、2、3 是開放空間的量測結果;夜間的 CO2 值均低於白天,且夜間的 O2 值均高於白天,因此,「夜間不宜在公園運動」的常識可能有誤
  2. NO.4 及 5(與植物無關)的量測值,其夜間、白天的 CO2 值及 O2 值互有高低,量測值仍在儀器誤差範圍內;然而,可確定「CO2 值及 O2 值,除了海平面高度與地點因素之外,亦會隨著溫、濕度之變化而改變」。
  3. NO.6 之臥室在有、無盆栽時(圖 4)的量測結果,由 6b 之比值可知,無論有、無盆栽,CO2 值幾乎無變化(無盆栽 66.73%,有盆栽 66.70%),對此結果感到非常詫異。
  4. 重做一次如 NO.7、7a、7b,結果依舊近似,無盆栽為 73.52% 與有盆栽為 71.78%,而 O2 量亦維持減少 0.47%;顯然,「臥室擺盆栽,有害健康」的常識,亦可能有誤
  5. NO.7b 的 CO2 均值,白天(+73.52%)比夜間(+71.78%)高 1.74%,可能出自儀器誤差,或 NO.8 之 CO2 值下降 9.27% 之故。
  6. 為了解 NO.6b 及 7b 的結果是否正確,做一次「臥室無人睡僅擺盆栽」的量測,結果如 NO.8,盆栽在夜間 7 小時中,CO2 量減少了 9.27%,O2 量增加了 4.69%,與植物夜間呼吸作用的「吸氧排碳」理論顛倒。
  7. 因而再做 NO.9 的量測,將盆栽移至臥室南側的窗邊(圖 5,日曬 9:05~14:20),由 9:00 量測至 16:00(7小時),CO2 減少 12.4%,似乎有吸碳功能,但 O2 減少了 1.4%(在儀器誤差內),也不符合植物光合作用的「排氧」理論。
圖 4 夜間擺盆栽(臥室 5.3m*3.2m*3.6mH) 圖/作者提供
圖 5 白天擺盆栽移至窗邊。 圖/作者提供

本文之 10 次量測實驗,均有完整記錄,但限於篇幅,僅能提供如表 4 的總表;在做了數次量測之後,發現即使是同一植物或場所,以同一台儀器量測,可能因(1)陽光強度(雲層厚度)、(2)環境溫濕度、(3)量測方式、(4)取樣時距(10秒、20秒、30秒…)、(5)量測時間(20分、30分、60分、120分…)之不同,而有不同的結果,不過,這五種不同情況的量測誤差,多在 ±3% 之內。

表 4 量測方式之說明例

為了證明筆者確實有做量測實驗,於此說明表 4 NO.7 的量測方式與記錄如下:

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因為(同一地點)空氣中的 CO2 及 O2 值,會隨溫濕度變化而改變,所以,本量測方式,以上床後之前 10 分鐘與醒來離床前 10 分鐘的均值做比較,每 5 分鐘記錄一筆,持續 7 小時,分別做了臥室無盆栽有盆栽之量測;1 人睡覺的 CO2、O2、℃db(溫度)及 ℃dp(露點溫度)的 7 小時記錄值如表 5a、表 5b,不論是無盆栽(表5a)或有盆栽(表5b),CO2 值均呈緩緩上升的趨勢,而 O2 值均只降了 0.1%,仍在儀器誤差範圍內,無法證明 O2 值是增加或減少。

將表 5 的量測記錄,轉換為趨勢圖,可看出在無盆栽及有盆栽的 7 小時量測期間,雖然兩者的起始值不同,但是,CO2 值均呈緩緩上升的趨勢,且兩者之線性(y=ax+b)迴歸分析的斜率(a)幾乎相同,因此,可證明夜間臥室擺盆栽,不會增加 CO2 量,亦即無法證明「臥室擺盆栽,有害健康」的常識為真。

圖 6 臥室有、無盆栽之 CO2 值量測記錄趨勢。圖/作者提供

結語

樹葉真有能力分解空氣,只吸收空氣中僅佔約 400ppm 的 CO2,而不吸入空氣中的其他成分氣體?光合作用的「吸碳排氧」理論,是否被過度解讀?由前述的人體呼吸實驗,正確的說法,是否應為「吸入空氣僅部份的 CO2 被吸收,而有部份的 CO2 和不被需要的氮氣、氧氣等均被吐出」?

筆者非植物專家,僅是一位秉持常識邏輯思考原則的退休工程師;本文之 10 種場合的量測樣本數仍嫌不足,不宜此結果下定論;但是,量測結果不符合植物「光合作用」的「吸碳排氧」理論,無法給金孫一個合理的解釋,反而搞混她在學校所學的「光合作用」知識,希望有專家賜教,指正本文之錯誤或做合理的說明。

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何宗岳(股素人)_96
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何宗岳,1950 年雙子座。美國 Memphis 州立大學機械碩士,空調技師及機械技師高考及格,本業為冷凍空調技師,退休後轉為斜槓作家。 著作:冷凍空調類 11 本、股市理財類 6 本(筆名:股素人)、保險類 1 本及時評類 1 本。 曾在網路平台發表 30 多篇文章,並 6 次上電視財經節目談投資理財。終身學習理念:廣泛精讀、邏輯思考、比較分析、檢討改善。