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實驗室裡的海馬牧場 – 海馬培育關鍵技術開發

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/03/17 ・1415字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 649 ・十年級

文/廖英凱

近年來,政府與一些民間業者,開始關注與投資深層海水的相關開發與應用。雖然說常見的應用方式多聚焦於深層海水的淡化、礦物質組成與調配,以及相關產品開發。但是,深層海水另有一項特性是潔淨且水質穩定。這項特性是利用深層海水不易受到表層的洋流、雨水、河水而改變水質的濃度與成分,缺乏光照的環境也使深層海水溫度較為固定而減少物質變化的變因。

目前花蓮石資中心的黃秉益博士及其團隊,將海洋深層水水質穩定且潔淨的特性,應用於海馬的培育上。這是由於海馬培育對水質的要求與控制非常高,相較起表層海水,運用深層海水可以減少淨化設備的投資,並以較簡單容易的方式進行優質餌料的生產,提供培育生物安全低病原的食物來源,藉此提高存活率與健康。而海馬也是重要的海洋藥用生物,諸多中藥藥典記載海馬具有清淤解肺,提升生理機能等療效。但由於近年來海馬因捕撈與棲地破壞等因素使數量銳減,而在2004年5月被列入華盛頓公約附錄二的保育清單中,該清單附錄二的定位是海馬雖暫無滅絕危機,但國際貿易已受到管制。因此,若能有效成功開發出海馬培育的技術,將可確保以海馬為原料之生技產業與研發的供應無虞。

為了要能大量培育海馬,重點在於如何提高幼期海馬的存活率,除了透過實驗室化的培育環境維持以外,一個重要關鍵則是提高餌料的品質與降低餌料中的病毒量。培育幼期海馬需要餵食如輪蟲、豐年蝦等動物性餌料,而動物性餌料的生產又須餵食植物性餌料。黃博士的團隊所開發的「低病毒餌料生產技術」除了設計乾淨的培育環境、挑選尚未被汙染的海馬與餌料來選育,並自行研發培養液的配方,讓乾淨餌料的產能提升。並建置「培育養殖系統」以即時監控調配水溫、鹽度、溶氧量與氮系有機物的濃度。每個300公升的培育槽中,可培育30隻海馬,目前石資中心內佔地僅20坪的實驗室,每年已可以穩定生產 3000尾以上的海馬,比起傳統飼育方式更加密集有效率。

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花蓮石資中心的黃秉益博士的海馬培育實驗室

但是,若要能成功技術轉移給業者,進而成為我國產業的重點之一,不能僅依靠單項成功的技術,而須建構起海馬量化培育的綜合解決方案(total solution)。因此,黃博士也與工研院南分院合作開發針對海馬細菌性病原鑑定及檢測的技術,可比傳統檢測方式縮短1/3檢測時間。並結合「生態淨化智慧水循環系統」,這項系統使用具有高比表面積及含氧官能基的天然碳,它是一種有優質汙染物吸附能力的生態碳材。並利用此生態碳材,包覆針對水中有機汙染物與含氮汙染物有良好分解能力的優勢菌種。以此進行水質淨化。

整套海馬量化培育的方案建立,是一項從深層海水過濾、培育配方調配、餌料培養到海馬培育的完整系統,為了解決涉及廣泛層面的各種問題,研發團隊也集結了來自水產養殖、生物科技、分子生物與材料科學等各領域的人才。有意思的是,人們常常認為受限於地理位置與交通不便而相對資源匱乏的東部,也因深層海水的開發而給予了海馬培育充分的資源與優質乾淨的研發環境。相信這套培育系統的建立,除了能穩定培育海馬做為原物料而不影響自然生態以外,未來也可將技術內容與經驗拓展至其他水產養殖業,開發更多高單價且高難度的水產養殖領域。

黃秉益博士的研發團隊與海馬培育槽
黃秉益博士的研發團隊與海馬培育槽

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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
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地球在20年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落

Mia_96
・2021/10/23 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照

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Mia_96
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師
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