不只是全球暖化，灌溉也造成海平面上升

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

思韋茨冰川 (Thwaites Glacier)，又稱末日冰川 (Doomsday Glacier)，是南極洲西部冰蓋 (ice sheet) 的一部分，面積約為 192,000 平方公里，相當於美國堪薩斯州的大小。也因其如此大的面積，加上近年快速的融化速率，使得科學家難以預估當前全球平均海平面的上升速率。為能更準確了解冰川消融對全球的影響，科學家有必要找出三個關鍵問題的答案：第一，是什麼造成冰川融化速率加快？第二，造成冰川融化加快的機制有哪些？以及第三，冰川融化加快將如何影響全球平均海平面上升？

為什麼南極洲冰川加速融化

是什麼造成南極洲冰川融化速率加快？在過去科學家的研究中，就已注意到南極洲的冰蓋、冰棚 (ice shelf)，會受到周圍相對溫暖的水流影響而導致融化 [1][2]。然而這些溫暖的水流是如何流動，以及這些水流如何影響這些冰川地形，受限於直接觀測資料的缺乏，一直是一個亟欲解決的問題。直到西元 2019 年，來自美國和英國的科學家，透過一項科學計畫 International Thwaites Glacier Collaboration (ITGC)，針對思韋茨冰川進行更進一步的觀測 [3][4]。科學團隊們藉由多波束測深探測儀 (multibeam echo-sounder ,MBES) 的資料，試圖繪製出思韋茨冰川周圍的海床地形變化，以便進一步了解暖水在冰川周圍流動的路徑；掌握路徑分佈後，則可以改善模擬冰川融化的模型，從而提高預測全球海平面上升速率的準確性。

觀測冰川底下暖水數據

今年最新的研究中，科學家首次針對思韋茨冰川底下的暖水收集觀測數據 [5]。這項任務的重要性在於，它可以幫助科學家回答以下問題：冰川底下海洋環流的基本性質是什麼？暖水主要是由哪一個路徑影響冰川？暖水可以深入冰川底下的洞穴到多遠的距離？以及冰川的融化速率有多大程度取決於暖水的流動？

要完整的了解暖水如何影響思韋茨冰川融化，首先要了解整體冰川地形的結構。從圖二可以看到，冰川 (Glacier) 屬於在陸面上緩慢流動的巨大冰體，而冰蓋 (Ice Shelf) 則為從陸地流入海洋大量的冰，在出海口累積成一片厚而廣大的浮冰，並與附近海岸線連成一體（可參考圖二）。當暖水流經冰棚底下，便會加速冰棚局部融化，而一旦冰棚融化，便會加快冰川流入海中的速率，從而加速冰川融解。第二，了解暖水的流動路徑及性質十分重要，其中路徑取決於冰川周遭的海底地形分佈。比喻來說，當水流經一道高牆時，流動的方向就會受到阻攔，反之當流經一個通道時，就會特別順暢；其中海脊 (ridge) 相對周圍地勢來得高，就如同那道高牆，而海槽 (trough) 則相比周遭地勢來得低，如同一個凹槽。因此對於暖水來說，海槽更像是一個容易經過的通道。

目前科學家對於思韋茨冰川周圍的海床分佈已有一定了解，並推估出在冰川北方存在三個主要的海槽，分別標示為 T1、T2 及 T3（見圖三 Ａ），推斷暖水可能透過這些區域進入冰棚底下。根據觀測，目前已知最高的融水 (meltwater) 濃度出現在思韋茨海槽 (Thwaites Trough)，然而並不了解冰棚底下暖水的流動分佈；此外從圖三中可知，在東側存在海脊，因此暖水相對受到東側海脊的阻擋，更有可能經由北側透由深海槽進入思韋茨冰川舌 (Thwaites Glacier Tongue, TGT) 底下。根據先前模擬模型，思韋茨冰川的侵蝕與海洋動力存在關係 [6][7]，且暖水主要從北側的路徑而來，東側進入的水體則相對少了許多，並僅在冰棚下流動約幾公里之遠。然而如先前所述，受限於觀測資料的缺乏，模型的模擬仍有許多改進空間。

找出冰棚消融的主因

這次的研究中 [5]，科學家透過新的觀測數據，發現海槽比原本預期的還要深約 100~300 公尺，並透過其他觀測儀器，如自主水下載具 (Autonomous Underwater Vehicle  , AUV) 等，量測這些海槽中海水的性質，確認在 T2 及 Ｔ3 兩個海槽中存在厚度約 200-300 公尺的暖水，並透過聲學都卜勒流速剖面儀 (Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP) 數據的收集，推斷出在 Ｔ2 海槽中存在一向北流出的水體，而在 T3 海槽，則存有向南流入冰棚底部的暖水，該熱流約達 0.9 兆瓦 (terawatt, TW)；根據推算，其將產生一年約 85 Gt（gigatonne, 十億噸 ）的融水。從先前 2010-2018 年所建立的數據可得知，該處整體冰棚的融化速率約為 97.5 Gt/year，揭示出在 T3 流入的暖水可能為影響冰棚大部分消融的原因。

當相對高鹽度的暖水流入冰棚底部，失去潛熱並接觸融化的冰水後，水溫開始下降，由於與融水的混合，鹽度也隨之降低，最終提高含氧量 [8][9]。

透過這些資訊，科學家發現在 T2 海槽，融水的比例相對高於 T3，尤其是位於上層向北的水流（水深 400 公尺內）。另外透過 AUV 資料的收集，科學家發現來自 Pine Island Bay 的深層水透過流經東側冰棚 (Eastern Ice Shelf, EIS) 底下而抵達 T3 海槽區域。該發現比原先模型所預期的深層水流動範圍更向西延伸 [7]，說明在 EIS 底下的海脊可能比原先預估的深度還要深（>1050 公尺），又或者並沒有如原先所推估的延伸至北邊，以阻擋來自 Pine Island Bay 的深層水。

根據本次研究 [5]，科學家總結出高比例的融水主要在西側流出，而另兩個深層水主要分別流入冰棚兩側，其中之一為先前已知由思韋茨海槽進入的暖水，另一個則為之前未知、由 Pine Island Bay 流入的暖水路徑。後者由於受到在地氣候條件 [10] 以及 Pine Island 冰川融化的影響 [11]，意味著未來思韋茨冰川的融化速率以及該處整體冰川動力機制，將會比原先模型所預期的，更加依賴於 Pine Island 區域當地條件。

冰川消融帶來的影響

由於冰棚的存在有助於減緩冰川上冰流入海水的速率，當冰棚因流入的暖水融化而逐漸脫離海床（失去如路障般的作用），便會反過來加速思韋茨冰川上的冰流入海中。冰川的前緣不斷融化導致朝陸地後退，最後高聳的冰川峭壁將承受不住自身重量，而快速崩解；一旦思韋茨冰川消失，會使得南極洲西側的冰蓋更不穩定，並可能造成連鎖崩解的效應。[12]

思韋茨冰川的融化貢獻每年全球海平面上升的 4%，而若整個冰川全部消失，則將造成全球海平面上升近 0.5 公尺的高度 [13]，這將進一步影響各國海岸線的分佈、人口的遷移，甚至是氣候乃至生態系統的改變。當前南極的冰川融化問題無疑對當代人類再次敲響了警鐘，而若人類對於氣候變遷再不做出更多具體的因應作為，則隨著末日冰川的消失，人類的末日恐怕又將更靠近一步。

參考文獻

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2. Jacobs, S., Giulivi, C., Dutrieux, P., Rignot, E., Nitsche, F., & Mouginot, J. (2013). Getz Ice Shelf melting response to changes in ocean forcing. Journal of Geophysical Research: Oceans, 118(9), 4152-4168.
3. Hogan, K. A., Larter, R. D., Graham, A. G., Arthern, R., Kirkham, J. D., Totten Minzoni, R., … & Wellner, J. (2020). Revealing the former bed of Thwaites Glacier using sea-floor bathymetry: implications for warm-water routing and bed controls on ice flow and buttressing. The Cryosphere, 14(9), 2883-2908.
4. Jordan, T. A., Porter, D., Tinto, K., Millan, R., Muto, A., Hogan, K., … & Paden, J. D. (2020). New gravity-derived bathymetry for the Thwaites, Crosson, and Dotson ice shelves revealing two ice shelf populations. The Cryosphere, 14(9), 2869-2882.
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8. Jenkins, A. (1999). The impact of melting ice on ocean waters. Journal of physical oceanography, 29(9), 2370-2381.
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10. Webber, B. G., Heywood, K. J., Stevens, D. P., Dutrieux, P., Abrahamsen, E. P., Jenkins, A., … & Kim, T. W. (2017). Mechanisms driving variability in the ocean forcing of Pine Island Glacier. Nature communications, 8(1), 1-8.
11. Webber, B. G., Heywood, K. J., Stevens, D. P., & Assmann, K. M. (2019). The impact of overturning and horizontal circulation in Pine Island Trough on ice shelf melt in the eastern Amundsen Sea. Journal of Physical Oceanography, 49(1), 63-83.
12. Carolyn Beeler (2019). If Thwaites Glacier collapses, it would change global coastlines forever.
13. SUSIE NEILSON (2020). Antarctica’s ‘Doomsday Glacier’ Is in Serious Danger, New Research Confirms.

全球暖化如今已是各國不得不慎重面對的議題，為此，許多國家在1997年12月簽訂了《京都議定書》，更在2009年12月的第十五屆聯合國氣候變化大會（ COP15，Fifteenth session of the Conference of the Parties）上通過了《哥本哈根協議》，希望所有締約國能為阻止地球暖化共同努力。

該協議一項倍受矚目的聲明如下：「若要避免危險的氣候變化，全球在一世紀內的氣溫上升應以攝氏2度為限。」這項目標是由跨政府氣候變化專門委員會（IPCC， Intergovernmental Panel on Climate Change）所制訂，因為氣溫上升不僅代表了地球溫度升高，更會造成冰山、冰蓋（即大陸冰川）的融化、海平面上升和陸地面積縮小等問題。

限溫2℃……真的就夠了嗎？

其實，許多學者專家都認為這個目標設定得過於保守。舉世聞名的氣候科學家、曾服務於NASA的詹姆斯‧漢森（James Hansen）博士與其16名同事，在上週發表了一篇長達66頁的論文，聲稱當前限制全球升溫的計畫完全不足以避免冰蓋的融化，以及隨之而來的海平面上升。

漢森博士是最早（1988年）提出「現今的全球暖化現象並非自然變化，而是因為人類製造了大量溫室氣體、改變了大氣組成，進而引發了全球升溫」的專家學者。他所率領的團隊在最新發表的研究中指出：儘管2℃這個目標在政治上已經是相當難以達成的標準，對地球的幫助卻依然有限。若地球持續升溫，將造成大量冰蓋融化，並形成一個正向回饋循環，促成更多的冰蓋、冰山融化和更嚴重的海平面上升。他們認為，改變大氣的組成──把目前高達 400 ppm 的二氧化碳濃度恢復為 350 ppm 的水準，才是更理想的目標。

此研究模擬了在 2℃ 的升溫條件下，由冰蓋融化所造成的大氣與海洋模式間的回饋循環。他們發現格陵蘭和南極融冰的水量足以減緩兩個關鍵水團：北大西洋深海和南極底層水的形成；這兩者都是大洋環流、大洋輸送帶的一部份，在全球氣候調節上，扮演了吃重的角色。而大量冰水的注入可能造成水柱分層，溫度較高的海水被壓在冰水底下，無法將熱量送至海水表層釋放，使得海底溫度上升、海底冰架融化，又導致更多冰水注入環流，加強此現象循環發生，對全球環境產生重大影響。

漢森博士表示：「最可怕的事情在於：這項模擬結果和我們近年觀察到的南極、格陵蘭表層海水的降溫現象是一致的。」該團隊更提出距今 130,000 年到 115,000 年前的間冰期（interglacial period），又被稱為伊米亞間冰期〈the Eemian〉的資料作為佐證：當時的平均溫度只比現在高不到 1℃，但因為大規模的冰蓋融化，海平面比現在高出將近5到9公尺。

造成的爭議與討論

雖然這份研究還未經過同行審查（一般論文皆須進行這個步驟，過程約需歷時半年至一年），但因為漢森博士希望這份研究能對 12 月在巴黎舉行的全球氣候會議有所影響，所以在完成審查前，就先行把資料放到網路上免費釋出，研究內容也引發了學界熱烈討論。

賓夕法尼亞州立大學的氣候研究者麥可‧曼恩（ Micheal Mann）認為：漢森博士團隊所提出的研究成果的確相當引人注目，特別是關於一兩世紀內可能發生的西南極冰蓋融化和海平面上升。不過對於研究中的其他部分，他則持懷疑態度。

「我認為他們模擬的格陵蘭及南極融冰氣候模式有些太過牽強了，但他們的研究無疑會讓許多關鍵議題展開討論。」曼恩這麼說道。美國國家大氣研究中心的氣候學者凱文‧崔恩伯斯（Kevin Trenberth）也抱持了相同意見，認為模型中包含了太多假設，現實情形是否也會正如他們模擬的狀況發生，恐怕還是個未知數，不過這確實會促使他人進行更深入的研究。

同樣來自賓夕法尼亞州立大學的冰川學家，同時也是全球冰蓋專家的理查德‧艾里（Richard Alley），認同2℃的變化對地球來說已經非常危險，但是他並不認為這份研究可以提供我們太多「答案」，不過內容中提出許多非常有趣且重要的估計值，一定會促成許多技術上的討論和關於全球暖化的研究。

來自波茨坦氣候影響研究所，致力於海平面上升和近年環流翻轉研究的學者──斯特凡‧拉姆斯托夫（Stefan Rahmstorf）也同意IPCC對海平面上升程度的評估太過樂觀，2℃溫度上升可能讓海平面上升好幾公尺，然而拉姆斯托夫並不認為伊米亞間冰期是個恰當的舉例，因為當時海平面的高度變化，主要是受到行星軌道週期影響，而非二氧化碳的排放量。

由於這份研究不僅內容龐大、結合眾多領域，更同時引進新的氣候模型實驗，科學界到底會對此研究成果抱持什麼樣的態度，目前仍難以評估。不過因為該研究成果與IPCC的看法相悖，加上多數科學家的「習性」，批評聲浪恐怕難以避免。漢森博士對此表示，雖然他們在這篇論文中提出了許多觀點，但其實主旨只有一個──海平面上升是「人為造成的氣候影響所引發的大衝擊」。

資料來源：

• Climate researcher blasts global warming target as ‘highly dangerous’ Sciencemag.org [July 21, 2015]
• James Hanson’s controversial sea level rise paper has now been published online
  Washington Post [July 23, 2015]
• The world’s most famous climate scientist just outlined an alarming scenario for our planet’s future
  Washington Post [July 20, 2015]
• 哥本哈根協議 維基百科
• 聯合國氣候變化框架公約 維基百科
• Global Warming Has Begun, Expert Tells Senate The New York Times [June 24, 1988]