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用App Inventor 直接控制樂高EV3 機器人: 翻轉控制

馥林文化_96
・2015/04/07 ・2792字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 529 ・七年級
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文/CAVEDU教育團隊

感謝各位讀者的支持,連載終於邁入最終回了!本期專題要介紹如何使用Android 手機上的姿態感測器來控制樂高EV3 機器人。有接觸過App Inventor 的師長朋友們,歡迎從App Inventor 中文學習網的檔案庫下載本程式的aia 原始檔與apk 安裝檔。

什麼是Direct Command?為什麼需要它?

根據樂高官方文件, 您可以使用Direct Command做到的重要功能有:

• 啟動/停止主機上指定檔名的程式。
• 控制馬達啟動、停止、轉向、電力與角度上限。
• 取得感測器值與狀態

其餘功能,請參考官方文件(註1)。

開始玩機器人

本範例的機器人與2013 年1 月號的「翻轉控制」專欄是一樣的,只是由NXT 換成EV3 機器人而已。機器人不須加裝任何感測器,只要用兩顆馬達組裝成雙輪機器人即可。本範例是將馬達接在EV3 主機的輸入端A 與B。請確認EV3 主機的藍牙已啟動,接著將EV3 主機與Android 手機進行藍牙配對(註3),完成之後就可以把機器人放到一邊了。啟動藍牙之後,您可以從EV3主機的螢幕左上角看到藍牙的符號。

接下來依序介紹程式的各個功能:

STEP1 登入畫面:

首次進入程式的畫面如圖1a ,這時只有「EV3 裝置/ 連線」按鈕可以按,其它所有按鈕都無法操作。點選「EV3裝置/ 連線」按鈕後進入藍牙裝置清單(圖1b),請找到剛剛配對完成的EV3主機名稱(本範例為abc),點選之後就會由Android 裝置對EV3 主機發起藍牙連線。順利連線成功的話,「EV3裝置/ 連線」按鈕會變成不可按的狀態,其他按鈕則都可按(圖1c)。

圖1a 程式首次執行的畫面。 圖1b 點選連線按鈕後進入藍牙裝置清單。 圖1c 連線成功後的畫面。
圖1a 程式首次執行的畫面。
圖1b 點選連線按鈕後進入藍牙裝置清單。
圖1c 連線成功後的畫面。

STEP2 程式初始化:

在點選連線清單之前(ListPicker_EV3 清單選取器的BeforePicking 事件),需先將清單內容指定為Android裝置上的藍牙配對清單(圖2a),其中connected 這個布林變數是用來指示現在手機是否已和機器人成功連線。

圖2a 指定藍牙配對裝置清單。
圖2a 指定藍牙配對裝置清單。

點選之後, 會先測試連線是否成功,成功則將「EV3 裝置/ 連線」按鈕設為不可點選,「斷線」等按鈕設為可點選(圖2b)。

圖2b 連線成功後啟動相關元件。
圖2b 連線成功後啟動相關元件。

STEP3 直接控制副程式start與stop:

直接控制的奧妙之處在於直接對EV3 發送位元陣列, 只要按照樂高官方文件(註1)的說明,以正確的格式來發送資料即可。以 start 副程式來說, 它可接受兩個參數:port/ speed。您可以看到每次呼叫它時, 都會初始化一個名為 data 的空清單,以本範例來說,每一個清單元素代表一個位元組長度的內容。格式為:(13, 0, 0, 0, 128, 0, 0, 165,
0, port , 129, speed , 166 ,0, port),如圖3a。這當然需要您去查找官方文件中各個欄位所代表的意義。在此我們是將port 與 speed 用變數來控制, 代表所要控制的馬達與其轉速。最後透過BluetoothClient 元件將整個data 清單經由藍牙發送給EV3 機器人即可。

圖3a start 副程式
圖3a start 副程式。

到了stop 副程式,資料格式當然也有所改變。我們還用一個if 判斷式去檢查stop 參數是否為true , 如果是則在data 清單最後加入1 ,反之則加入0。這樣發送出去之後就能控制機器人是否要停止動作(圖3b)。

圖3b stop 副程式。
圖3b stop 副程式。

藉由這樣的架構,當您要改用姿態控制、觸碰點控制、語音控制時,整體架構是不變的,差別只在於如何修改speed 變數值而已。

STEP4 姿態感測器:

當手機的姿態發生變化時,就會自動呼叫它的姿態改變(OrientationChanged) 事件, 並會把XYZ 的軸向變化以pitch、roll 與azimuth 這三個事件變數呈現, 供我們取用。由圖4a 可知, 我們要透過X 軸向傾斜來控制機器人前進,Y 軸向傾斜來控制左右轉彎等。在本範例中我們使用另外一個Angle 參數(回傳一個角度代表手機往哪個方向傾斜)求出兩顆馬達的轉速。

圖4a Android 手機軸向示意圖。
圖4a Android 手機軸向示意圖。

在此有兩個重要的變數angle 與power:angle 代表手機的傾斜角度,這是由姿態感測器的Angle 參數再減去45 所決定,45 代表座標軸的偏移量。接著是power 變數,這是一個介於0 ∼ 1 之間的小數,代表手機的傾斜程度,數字愈大代表愈斜。power 變數值是由姿態感測器的Magnitude 變數再乘上200 所決定,200 是一個調控用的參數,數字愈大,代表在同樣的傾斜度下,機器人會跑得愈快,但是也更敏感而不好操控。樂高EV3 機器人的馬達電力範圍為100(正向全速旋轉)到-100(反向全速旋轉),數值超過上下限則就限制在100 或-100 ,如圖4b。

圖4b 姿態感測器的姿態改變事件(上半)
圖4b 姿態感測器的姿態改變事件(上半)。

這四個重要的參數(pitch、roll、左馬達轉速與右馬達轉速)都會更新在畫面中間的四個Label 標籤元件上。先呼叫一次 stop 副程式,讓馬達先短暫停頓。接著呼叫兩次start 副程式,分別傳入「port =1;speed = cos(angle x power)」與「port =2;speed= sin( angle x power)」這組參數,代表根據姿態感測器的姿態變化量,進行三角函數運算結果,來決定左右馬達的轉速。

最後,把夾角與左右輪轉速捨去小數點之後(round 指令),將計算結果更新在Screen 的狀態列上,如圖4c。

圖4c 姿態感測器的姿態改變事件(下半)。
圖4c 姿態感測器的姿態改變事件(下半)。

STEP5 斷線:

按下「斷線」按鈕之後,會中止藍牙連線(BluetoothClient.Disconnect指令),並使畫面上的各個元件恢復到程式一開始時的狀態。

操作

實際執行的時候,請先確認EV3 已經開機且藍牙也啟動了。接著在您的Android 裝置上點選畫面中的「EV3裝置/ 連線」按鈕, 會進到如圖1b的藍牙清單畫面,點選您所要的EV3主機名稱並連線成功後,試著把手機左右搖晃看看。朝前方傾斜,機器人就會前進,傾斜愈多,機器人跑得愈快(圖5a)。左右傾斜的話則是控制機器人左轉或右轉(圖5b)。在App Inventor 官方推出EV3 的元件之前,您也可以用這樣的方法來直接控制樂高EV3 機器人喔!

圖5a 手機朝前方傾斜43 度,X 軸向姿態發生 變化(pitch),機器人朝前方移動,左右馬達電力(38, 39)。
圖5a 手機朝前方傾斜43 度,X 軸向姿態發生變化(pitch),機器人朝前方移動,左右馬達電力(38, 39)。
圖5b 手機朝左方傾斜44 度,Y 軸向姿態發生變化(roll),機器人原地左轉,左右馬達電力(-37, 41)。
圖5b 手機朝左方傾斜44 度,Y 軸向姿態發生變化(roll),機器人原地左轉,左右馬達電力(-37, 41)。

本程式已上架Google play,請到Google Play 搜尋「CAVE 教育團隊」就找得到我們的樂高機器人系列app 了。歡迎大家到App Inventor 中文學習網的檔案庫下載本程式的aia 原始檔與apk 安裝檔。

註1:樂高EV3 直接控制指令的相關文件請參閱此網頁:http://botbench.com/blog/2014/02/19/ev3-buildyour-own-block-and-hdksdk-docs-available/

註2: 想學如何開發App Inventor 程式嗎? 請到App Inventor 中文學習網(http://www.appinventor.tw)與
我們一同學習。

註3: 與EV3 連線後如果出現「Error 402」之錯誤訊息請不必理會,程式依然能正確執行。

 

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2015/3月號

文章難易度
馥林文化_96
54 篇文章 ・ 6 位粉絲
馥林文化是由泰電電業股份有限公司於2002年成立的出版部門,有鑒於21世紀將是數位、科技、人文融合互動的世代,馥林亦出版科技機械類雜誌及相關書籍。馥林文化出版書籍http://www.fullon.com.tw/

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鑑識故事系列:定罪兼診斷?!性器黑色素沉著症
胡中行_96
・2022/10/06 ・1475字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

日本警察逮捕了一名年紀約三十出頭的男性嫌犯,認為他強姦年輕女子。[1]

在嫌犯否認指控的同時,警察找到其手機裡的一支影片,內容正是記錄犯罪的行為。就一般的辦案程序而言,警方會期望從中瞭解加害人的生理特徵,例如:髮色、傷疤或刺青等,作為接下來指認身份的根據。然而,儘管其畫面包含性侵者性器的外貌,偏偏就是看不到人臉。嫌犯逮到這個天賜良機,辯稱別人闖入他家,在那裏發生性關係,並用該手機拍攝過程。總之,就是把責任撇得一乾二淨。[1]

幸好鍥而不捨的警方在無奈之餘,注意到錄像中的陰莖,有個不明顯的特徵。這讓他們想到一個好主意。[1]

沒有臉龐的性交畫面,成為指認當事人的挑戰。圖/喜多川歌麿〈歌枕〉(1788;Public Domain)

警方把手機影片中陰莖畫面的截圖和嫌犯下體的照片,帶去日本自治醫科大學附屬埼玉醫療中心(自治医科大学附属さいたま医療センター)的法醫部門。他們請教皮膚科醫師,該陰莖上的色素沉著(pigmentation),是否能夠證明性侵者的身份。醫師觀察到嫌犯的陰莖,有輪廓不規則的零星斑點,呈現濃淡不一的灰黑色,並在接近龜頭處顏色較深。根據嫌犯本人的說法,那些不痛不癢的色斑從青春期就存在。於是,皮膚科醫師以此做出診斷,並針對案件證據以及嫌犯的健康,提供專業意見。[1]

左邊是手機影像截圖;右邊則為嫌犯的陰莖照片。圖/參考資料1,Figure 1(CC BY 4.0)

首先,嫌犯應該患有性器黑色素沉著症(genital melanosis)。這種變異在皮膚科的病人中,僅佔 0.01% 左右。[1, 2]不過,因為除了皮膚顏色改變,沒有其他症狀,以致容易被患者忽略,所以真實的盛行率或許更高。有如此罕見的病徵與錄像吻合,皮膚科醫師當然非常肯定這是足以定罪的重要證據。[1]

其次,雖然性器黑色素沉著症是良性的,但在此皮膚科醫師並沒有取得切片,做更深入的檢查,所以無法排除黑色素瘤(melanoma)的可能性。此外,在生殖器惡性腫瘤裡,有 8 – 10% 為性器黑色素瘤,是第二常見的性器癌症。就算嫌犯陰莖上的僅是黑色素沉著症,這類患者中 15% 的人,在身體的其他部位,也會出現黑色素瘤。換句話說,他罹癌的機率比一般人高。[1]

黑色素瘤有口訣為 ABCDE 的五大徵兆:形狀不對稱(asymmetrical)、邊緣不規則(border)、顏色不均勻(colour)、尺寸比豆子大(diameter),還有持續變化(evolving)。[3]從皮膚科醫師的描述,以及嫌犯陰莖的照片,可知他的情形明顯符合上述徵兆中的幾項。即使沒有任何不適,為了以防萬一,也早該去醫院諮詢。

最後,在皮膚科醫師斬釘截鐵的證詞,以及令人魂飛膽喪的罹癌風險下,焦慮至極的嫌犯終於俯首認罪,而且同意去皮膚科做更進一步的檢查。大功告成之後,自治醫科大學附屬埼玉醫療中心的團隊,把此案寫成論文拿去投稿,登載於 2021 年的《鑑識科學、醫學與病理學》(Forensic Science, Medicine, and Pathology)期刊上,並在結論中強調整合皮膚科理論與刑事鑑定的重要性。[1]

 

延伸閱讀

英國「學童」取代「病理學家」?!辨識癌細胞的人工智慧

陰莖,是社交安全的重要指標?!

參考資料

  1. Yamada A, Demitsu T, Umemoto N, et al. (2021) ‘Video image of genital melanosis provides strong evidence to support identification of a sexual offender’. Forensic Science, Medicine, and Pathology, 17, 510–512.
  2. Haugh AM, Merkel EA, Zhang B, et al. (2016) ‘A clinical, histologic, and follow-up study of genital melanosis in men and women’. Journal of American Academy of Dermatology, 76 (5): 836-840.
  3. What Are the Symptoms of Skin Cancer?’ (18 APR 2022) U.S. Centers for Disease Control and Prevention.
胡中行_96
49 篇文章 ・ 16 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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初期症狀不明顯,自體免疫疾病當心併發肺纖維化
careonline_96
・2022/10/06 ・1964字 ・閱讀時間約 4 分鐘

「我有一位患者因為慢性咳嗽、容易喘而就醫,結果發現是硬皮症,而且已經造成肺纖維化。」臺大醫院內科部免疫風濕過敏科謝松洲醫師表示,「自體免疫疾病可能會侵犯肺部,使肺臟功能惡化。過去的治療主要針對免疫系統,希望控制疾病活性,讓肺部的發炎可以改善,目前已有抗纖維化藥物,可以針對肺纖維化治療,能給病人更多的幫助。」

硬皮症、皮肌炎、紅斑性狼瘡、乾燥症、類風濕性關節炎等自體免疫疾病都有造成肺纖維化的風險,只是比例不太一樣,謝松洲醫師說,有些疾病較容易導致肺纖維化,所以在確定診斷後,就會去檢查肺部的狀況,至於比例較低的疾病,像乾燥症、類風濕性關節炎,很多病人都是到了肺纖維化比較嚴重以後才被發現。

自體免疫疾病併發肺纖維化的初期症狀不明顯,且患者對肺纖維化較沒有病識感,很容易被忽略。謝松洲醫師說,肺纖維化會影響肺部進行氣體交換,導致身體無法獲得充足的氧氣。可能症狀包括乾咳、容易喘、體力變差、爬樓梯覺得比較吃力。若沒有及早接受治療,患者的活動會受到限制,甚至在休息時也會越來越喘、呼吸困難,嚴重影響生活品質。

針對肺纖維化的衛教很重要,罹患自體免疫疾病的患者都要了解有肺纖維化的可能性,並對相關症狀提高警覺,回診時要向醫師反應,才能及早檢查並介入治療。

「嚴重肺纖維化會對肺臟造成不可逆的傷害!可能導致患者失能,甚至需要仰賴呼吸器。」謝松洲醫師強調,「能夠越早診斷肺纖維化,整體的預後會越良好。部分患者的肺纖維化進展非常快,因此需要更積極治療!」

把握檢查時機,及早發現肺纖維化

近年來大家對於肺纖維化有較多認識,醫師在面對自體免疫疾病患者時,會詢問、留意患者是否有乾咳、喘等症狀。謝松洲醫師說,針對較容易導致肺纖維化的自體免疫疾病,追蹤過程都會定期安排肺功能篩檢,以便及早發現肺纖維化,常用的檢查工具包括聽診、胸部 X 光、肺功能檢查,必要時也會安排電腦斷層檢查(HRCT)。

一般而言,肺功能檢查時間點包括剛診斷自體免疫疾病時、出現相關症狀時、以及定期檢查。謝松洲醫師說,若病程進展較快,也許每三、四個月就會檢查一次,如果進展比較慢,也許每半年檢查一次,端看病情和疾病種類來決定,建議患者主動與醫師討論合適的肺部檢查頻率。

現階段針對併發肺纖維化的自體免疫患者會採用多科別團隊照護模式,風濕免疫科醫師會與胸腔內科醫師密切合作,共同照顧患者,謝松洲醫師說,風濕免疫科醫師負責控制自體免疫疾病的活性,胸腔內科醫師會協助肺部的照護,延緩肺纖維化病程進展、減少併發症。

控制發炎反應,對抗肺纖維化

自體免疫疾病往往需要長期控制,利用類固醇、免疫抑制劑、生物製劑等藥物控制全身性發炎反應。謝松洲醫師說,使用治療自體免疫病的藥物有助於控制免疫系統對肺部造成的發炎反應,減少破壞。

另一方面,現在有抗纖維化藥物可以減少肺纖維化的進展。謝松洲醫師說,倘若發現患者已有肺纖維化,建議及早接受治療,有助延緩病程,維持生活品質。

貼心小提醒

自體免疫疾病有很多種,可能造成身體各個器官發炎,也會導致肺纖維化,謝松洲醫師叮嚀,初期症狀如乾咳,很容易被患者忽略,而延誤治療時機。隨著病程進展,肺臟功能將越來越差,逐漸失去氣體交換的能力,使身體無法獲得足夠氧氣,患者的活動會受到限制,很容易喘、很容易累,嚴重影響生活品質,甚至造成失能。

自體免疫疾病患者務必把握肺功能檢查的時機,才能及早發現肺纖維化並對症下藥。除了控制全身性發炎反應,也要使用抗纖維化藥物控制肺纖維化。

「平時請留意乾咳、喘等症狀,回診時要記得向醫師反應。」謝松洲醫師叮嚀,「及早發現、及早治療,才能有較好的預後!」

careonline_96
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使用「藍碳」捕捉二氧化碳的速度比森林快四倍!這個方法可行嗎?——《圖解全球碳年鑑》
商業周刊
・2022/10/05 ・4523字 ・閱讀時間約 9 分鐘

沿海濕地中的藻類、海草、紅樹林、鹽沼、和其他植物在生長過程中會吸收和捕獲二氧化碳。沿海和海洋生態系統捕獲和儲存二氧化碳的方式,稱之為「藍碳」。

被封存在海底的碳有一半以上來自這些沿岸的森林,它們捕獲二氧化碳的速度比傳統森林快了 4 倍,因為大部分的碳都進入幾米深的潮濕土壤中。以這種方式捕獲碳可以將之從大氣層中移除,降低空氣中二氧化碳的總含量。

1 公頃的紅樹林每年可以捕獲多達 8 噸的二氧化碳,遠比 1 公頃熱帶森林所能捕獲的量還要多。

在過去半個世紀以來,世界上約 30% 到 50% 的紅樹林遭到破壞

1 公頃的紅樹林每年可以捕獲多達8 噸的二氧化碳,遠比1 公頃熱帶森林所能捕獲的量還要多。圖/商業週刊

土壤的碳儲存方式

土壤是有生命的。當泥土被無數的有機微生物寄居時,就變成了土壤,成為植物生長的重要基質。

土壤還將世界上大量的碳儲存在一種物質當中,也就是所謂的土壤有機質(soil organic matter,SOM)。有機一詞在此並不是指沒有化肥或殺蟲劑,而是指存在大量的碳。通常土壤有機質含有 50% 到 60% 的碳。大多數用於農業的土壤含有 3% 到 6% 的有機質。

當植物原料(如葉子或莖)凋零掉落到土地上時,會被土壤中的微生物分解,這個過程將植物轉化為碳,並產生有機質。碳被封存在土壤中,不再以二氧化碳的形式釋放到大氣中。

當植物原料凋零掉落到土地上時,會被土壤中的微生物分解,這個過程將植物轉化為碳,並產生有機質。圖/Pixabay

犁田耕作會破壞土壤有機質和碳的儲存。耕地時,會使有機質暴露地表,更容易被微生物利用,迅速消耗土壤有機質,將二氧化碳釋放到大氣層中。每年由於耕作、侵蝕、或與氣候相關的土壤變化(如永久凍土融化),造成儲存在土壤中大約 10 到 20 億噸的碳,以二氧化碳的形式釋放回大氣層中。

土壤有機質可以保留或重建,使得大氣中的二氧化碳返回土壤長期封存。農民在施肥、將植物廢棄物(如玉米秸稈)留在田間進行分解、或種植覆蓋作物時,會增加土壤有機質。覆蓋作物是在生長季節過後、田間空無作物時種植,通常是草或三葉草,根部很深,能穿透土壤。如果在種植新的經濟作物之前讓覆蓋作物在田間分解,能夠顯著增加土壤中的有機質和碳。

最小化耕作(稱為保護性耕作)是另外一種防止土壤有機質流失(或使土壤慢慢再生)的方法。其中所謂的免耕種植,是指利用專門的播種機將種子放入一小塊翻鬆的土壤中,因此無須翻耕整片田地。

讓土壤恢復健康

泥土並不完全相同,土壤的養分含量會隨著時間根據其處理方式、和所處的環境而發生變化。

世界上三分之一的土壤已經退化到幾乎無法再支持動植物生存的地步。主要的一些原因是:

  • 土壤耕作。
  • 牛群過度放牧。
  • 砍伐和焚燒樹木和植物(砍燒耕作法)。
  • 未在冬季種植覆蓋作物。
  • 覆蓋物不足。

亞洲、歐洲、北美和南美的大型工業化農場,由於大量重植大豆、小麥、大米和玉米等商品,因而加劇了土壤侵蝕。市場和債務的經濟壓力使可持續性農業做法在短期內難以實施。

由於大量重植大豆、小麥、大米和玉米等商品,因而加劇了土壤侵蝕。圖/Pixabay

從生產的食物品質到大氣中的碳含量,土壤健康都具有深遠的影響。土壤很健康時,可以平衡水循環、並發揮避震作用以防止洪水和侵蝕。1930 年代美國西部的沙塵暴侵襲(Dust Bowl)、和 2017 年波多黎各的洪水災害,都是氣候變化的災難性衝擊、和土壤侵蝕造成的自然災害實例。這些變化會對農業產生重大影響。

根據美國農業部的說法,農民可以透過 4 種方式創造更好的土壤:

盡量減少干擾

  • 限制耕作。
  • 使化學品發揮最大效益。
  • 牲畜輪替。

強化土壤覆蓋

  • 種植覆蓋作物。
  • 使用有機覆蓋物。
  • 保留植物殘留物。

強化生物多樣性

  • 種植多種不同的覆蓋作物。
  • 利用多樣化的作物輪作。
  • 整合牲畜。

強化活根的存在

  • 減少休耕。
  • 種植覆蓋作物。
  • 利用多樣化的作物輪作。

在地方層面,一般公民可以透過投票支持可持續性農業發展的立法和政策,以及購買可持續性農業經營的產品。

房屋所有者也可以透過全年種植多樣化的植物種類,讓自然生態發展,改善其房產周圍的土壤健康,這樣能強化活躍的根系、並創造生物多樣性。

健康的土壤如何平衡水循環?圖/商業週刊

大規模改變環境的「地球工程」

如果你生起營火、或是隨意處置一台冷氣機,那就是在用個人的行動改變環境。但是,當公司和國家有意大規模改變環境時,這被稱為「地球工程」(geoengineering)。

地球工程策略聽起來像是科幻電影情節似的:在太空中部署太陽遮屏,以使部分太陽能量反射回太空,或是從大氣中吸取二氧化碳,將之送入地下層變成石頭。科學家們正在探索更多這一類大規模修補地球系統的方法,使地球降溫,但迄今為止,許多方法都成本高昂、存在爭議、也充滿著風險。

以太陽遮屏為例,雖然聽起來像部署固體金屬片,但其實是模擬大規模火山噴發時的情況,在空中噴灑出濃密的灰燼和化學物質,進而阻擋太陽能量。可能在噴氣燃料中加入化學物質,以便高空飛行的噴氣機將之擴散到高層大氣中。

超級計算機預測,以這種方式噴射到平流層的反射硫粒子,可能會產生冷卻效果,當然,也會影響降雨、降雪和季節性溫度。目前還不清楚會到什麼程度,如果天氣變化太過劇烈,就不容易挽回損失,造成人人受苦。即使可以逆轉噴灑,停止這樣的計畫也可能造成危險,因為太陽射線突然少了阻擋而導致全球氣溫和溫室氣體驟升。

至於直接從空氣中吸取二氧化碳,將之儲存在地下岩層中,歐洲和北美已有 19 家工廠做到這一點,每年吸收約1 萬噸的二氧化碳。沒有人知道這種方式可以安全地封存二氧化碳多久。

直接從空氣中吸取二氧化碳,將之儲存在地下岩層中,歐洲和北美已有19 家工廠做到這一點,每年吸收約1 萬噸的二氧化碳。圖/Pixabay

一旦出現洩漏,土壤、水和空氣可能會受到汙染,而從地下層收集氣體也可能引發微震和地震。不管怎麼說,這個過程若想要成功,也必須得降低成本、提高效率才行(目前每噸的成本高達 600 美元),我們將會需要相當多家的碳捕獲工廠,才可能有辦法消除每年所排放的數千兆噸二氧化碳,以實現 2050 年淨零排放。

不同於將二氧化碳儲存於地下岩層,鐵質施肥(iron fertilization)是以海洋為重點的選擇。這個過程是將硫酸鐵注入海水中,促進藻類大量繁殖以吸收二氧化碳,然後沉入海底。成功率參差不齊,有 5% 到 50% 的藻類增殖,沉入到足以造成封存影響的深海。然而,完全有效可能需要付出代價:過量的藻類或許也會引發有毒浮游植物的生長高峰,而將二氧化碳儲存在海洋可能會加速海水酸化。

將二氧化碳儲存在海洋可能會加速海水酸化。圖/Pixabay

地球工程是一個冒險的賭注,一些科學家表示,這對於全球氣溫的衝擊微乎其微,尤其是考慮到不採取行動造成不良後果的可能性很高。但也有科學家指出,仰賴快速的工業解決方案,可能會使人們和企業忽略對於實際減少碳排放、或停止使用化石燃料應付出的努力。

有無數的公司和國家正在單方面從事地球工程研究。預計這些實驗將在世界各地不同軌道上展開。

利用二氧化硫進行地球工程

有些工程師提出一種低成本又快速的方法來減緩氣候變化⸺整頓碳房,同時「擺脫困境」。

就像鏡子反射光線、黑色車道在夏日變得炎熱一樣,外層大氣從太陽反射的光熱,也會對全球溫度產生影響。

30 年前,菲律賓的皮納圖博(Mt. Pinatubo)發生了 100 年來最嚴重的一次火山爆發,所噴發的灰燼造成了驚人的影響:一整年地球的平均溫度下降了約 0.5° C。透過使地球大氣層反射陽光,而不是吸收,地球變得比較涼爽。

地球工程學家正專注研究此一概念,在地球外圍創造一個人為的太陽遮屏。利用特殊裝備的大型噴氣式飛機,將不同的化學物質噴灑到高層大氣中,希望能一次改變地球多年的反射率,以人為方式降低地表的平均溫度。

透過地球工程,在大氣中添加懸浮微粒來複製火山噴發的自然效果。平流層氣溶膠注入的作用:

  • 散射太陽光。
  • 讓天空更明亮一些。
  • 反射部分太陽熱量。
  • 讓地球更涼爽一些。
透過地球工程,在大氣中添加懸浮微粒來複製火山噴發的自然效果。平流層氣溶膠注入的作用:讓天空更明亮一些。圖/Pixabay

透過在大氣中注入二氧化硫、鈦、或其他化學或礦物質,可以增加行星反照率(反射率)。

太陽能地球工程透過改變地球的輻射平衡,來治療氣候變化的徵狀,這方面的科學研究稱為「平流層氣溶膠監測」(stratospheric aerosol modification,SAM)。

據估計,這種方法一年成本不到 100 億美元,在大多數的氣候變化因應措施當中只是九牛一毛。一些專家認為,只要動用幾百架飛機即可完成,而且可以比預期更早開始。

研究人員馬克.勞倫斯(Mark Lawrence)2006年指出,「對地球工程可能性的嚴肅科學研究,如克魯岑和西塞隆(Crutzen & Cicerone)發表文章中所討論的,完全沒有得到氣候和大氣化學研究界的包容」,然而,到了 2016 年,他總結道,「在這些文獻發表後的 10 年間,雖然氣候工程仍然是極具爭議性的問題,但是在更廣泛的地球科學研究領域,那種禁忌感基本上已不存在」。

這種方法,還是有許多未經測試的現實問題:

  • 這些化學物質將會使臭氧層出現什麼反應?
  • 該由哪些國家規範這個過程、又該如何決定干預措施的地點和程度?
  • 有什麼辦法能阻止組織和國家單方面進行?若有國家想要暖化加劇、或是有億萬富翁只是想要名利,該如何處理?
  • 這將對人類、動物、植物、和海洋的健康造成什麼影響?
  • 我們準備好長久持續進行了嗎?如果沒有,一旦陷入了相對低成本和快速的解決方案,又該如何下決心停止呢?

——本文摘自《圖解全球碳年鑑:一本揭露所有關於碳的真相,並即時改變之書》,2022 年 9 月,商業周刊,未經同意請勿轉載。

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