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逐漸酸化的海洋--《科學月刊》

科學月刊_96
・2015/12/16 ・4784字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

周文臣/任教於海洋大學海洋環境與生態研究所,長期從事海洋科學教學與研究工作,為國內知名之海洋碳化學專家。

海洋默默地吸收了大量人為活動所排放的二氧化碳,但她卻也為此賠上了自己的健康。如今,她生病了,病名叫做海洋酸化。這將對海洋生態與人類社會產生怎樣的影響?

被人為干擾的碳循環

大氣、海洋和陸地是地球系統中最重要的三個碳儲存庫。透過各種不同的作用,碳可以在各個儲存庫之間相互流通。例如,陸地上的生物透過光合作用與呼吸作用,可以使二氧化碳在大氣與陸地之間進行交換。而海洋中,除了光合作用與呼吸作用外,生物性碳酸鈣的沉澱與溶解,以及二氧化碳氣體的溶解與逸散等作用,亦會促使二氧化碳在大氣與海洋之間進行交換。

科學家分析封存於冰芯中的古大氣成分,發現在工業革命發生前的一萬年裡,大氣中二氧化碳的濃度一直維持在260 至280 ppm 之間。此結果意味著在人為活動干擾發生前,碳在各儲存庫之間的交換速率大致維持平衡,使大氣中二氧化碳的濃度能夠保持在一個相對穩定的狀態。然而,自工業革命後,由於化石燃料的使用以及土地利用方式的改變,人為活動將原本被封存於地層中的碳,快速地釋放至大氣當中,徹底擾亂了碳在自然界中原有的循環節奏,導致大氣二氧化碳濃度由工業革命前的280 ppm,在短短的數百年間就快速地攀升至目前的400ppm 左右。

全球暖化與海洋酸化

二氧化碳是最重要的溫室效應氣體,其對地球溫室效應的貢獻度,約佔總溫室效應氣體的55%。因此,隨著人為活動所造成大氣中二氧化碳濃度的攀升,地表平均溫度亦逐漸升高。根據聯合國政府間氣候專家委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)最新的估算,在1880 至2012 年間全球地表平均溫度已上升了0.85℃。地表溫度的增加,除了會造成極地冰原融化,海平面上升,進而淹沒沿海的都會區外;亦會牽動全球氣候的變遷,導致不正常地暴雨及乾旱現象,衝擊全球的農林漁牧及社經活動。凡此種種皆對人類永續生存形成嚴重的威脅,使得過去幾十年來全球暖化現象已經受到了世人高度的關注。

然而,相較於眾所週知的全球暖化現象,人為二氧化碳排放所引發的另一個環境課題——海洋酸化,對大多數人而言,卻仍顯得遙遠而陌生。要瞭解海洋酸化,首先必須先認知一個事實:人為活動所排放的二氧化碳,其實並沒有全部累積在大氣當中,透過碳的循環,其中部分的碳會被海洋和陸地所吸收。以2003 至2012 年間為例,每年人為活動所排放的碳量約為94 億噸,其中大約只有43 億噸會累積在大氣當中(46%),此為全球暖化的元凶;剩下的碳一半會被陸地生物圈所吸收,另一半則會進入到海洋當中(26 億噸,28%)。海洋吸收人為二氧化碳後,會導致海水化學特性發生改變,這個現象稱為海洋酸化。近年來,已有非常多的證據顯示,酸化的海洋不利許多海洋生物的生長,進而可能會對整個海洋生態及人類社會都造成嚴重的衝擊。因此,海洋酸化也開始受到科學界廣泛的重視。

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2003 至 2012 年二氧化碳收支平衡示意圖(單位:十億噸)。

海洋如何吸收二氧化碳?

海洋主要是透過「生物幫浦」(biological pump)及「溶解度幫浦」(solubility pump)等兩種機制來吸收大氣二氧化碳。所謂的「生物幫浦」,是指浮游植物在透光層中行光合作用時,會將溶解於海水中的二氧化碳,轉化為顆粒態的有機碳。雖然大部分光合作用所生成的有機碳,會在上層海水中被分解再循環使用,但仍有少部分的顆粒態有機碳,會因重力沉降至深層水中才分解,甚至被永久埋藏於沉積物中。

因此,透過「生物幫浦」的運轉,二氧化碳可在上層海水中被浮游植物所吸收利用,然後向下輸出儲存在深海乃至沉積物中。而所謂的「溶解度幫浦」,則是指由於二氧化碳氣體的溶解度與溫度成反比。高緯度海域的海水,由於溫度較低透過海氣交換作用可溶入較多的二氧化碳。而這些富含二氧化碳的冷水,同時亦擁有較高的密度,故會逐漸下沉,藉由大規模溫鹽環流的輸送,便可將溶入表層海水的二氧化碳輸送至深海中儲存。

海洋真的在變酸嗎?

當二氧化碳氣體溶入海水後,會釋放出H+,因而提高了海水的酸度(pH 值下降),形成了所謂海洋酸化的現象。不過,在此必須特別加以說明的是,由於海水是鹼性的(現今海水的pH 值約為8.1),而且即使在大氣二氧化碳濃度持續增加的影響下,在可預見的未來海水的pH 也仍將會大於7。因此,精確的說,海洋酸化並不會使海水轉變為酸性(pH<7),而是指海水鹼性逐漸變弱的現象。此外,由於海水本身是一良好的酸鹼緩衝系統,所以實際上二氧化碳增加所造成的pH 減少,會較預期為低。

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科學家透過熱力學的平衡計算,推估自工業革命以來,全球海洋表水的pH 值已經下降了0.1(對應H+ 離子濃度約增加了30%),CO32- 離子的濃度則減少了16%。此外,根據IPCC 所預估之CO2 排放量進行模擬的結果顯示,至本世紀末,全球表水的pH 值會再下降約0.4,而CO32- 離子的濃度則會再減少50%。在夏威夷海洋時間序列(HOT)和百慕達時間序列研究(BATS)的長期觀測結果亦清楚顯示,近二十年來,在北太平洋和北大西洋的寡營養鹽海域,表水的pH 值皆約以每年0.0015 個pH 單位的速率持續下降中。此觀測數據與理論計算的結果十分吻合。充分證實了海洋酸化絕非危言聳聽的假說,而是千真萬確正在發生的事實。

未命名

對生態的影響

海洋酸化會造成海水中CO32- 離子濃度的減少。此減少會造成海水另一重要化學特性:碳酸鈣飽和度(Ω)的降低。當Ω>1 時,代表海水對該種碳酸鈣礦物而言,是處於過飽和狀態,故有利於其在海水中產生固態沉澱;當Ω=1 時,代表海水對碳酸鈣礦物而言,是處於平衡的狀態;當Ω<1 時,代表海水對該種碳酸鈣礦物而言,是處於未飽和狀態,故不利於其在海水中產生固態沉澱,反而傾向於使其在海水中發生溶解。海洋中有種類繁多的生物,像是珊瑚、貝類、牡蠣⋯⋯等等,需透過鈣化作用來形成碳酸鈣質的骨骼或殼體。近年來,根據在不同大氣二氧化碳濃度條件下進行培養實驗所得的結果,科學家發現大多數海洋生物的鈣化作用會隨著Ω 的減小而下降。鈣化作用的降低會造成碳酸鈣殼體及骨骼的脆化與變薄等現象,故不利於此等生物在生態系統中的競爭。

珊瑚礁素有海中的「熱帶雨林」之稱,其擁有非常高的生物歧異度,同時也是許多種海洋生物生存及孵育下一代的重要棲地。然而,在海洋酸化的影響下,珊瑚鈣化作用的減緩,可能會導致系統中碳酸鈣的累積速率低於侵蝕速率之情況發生,進而造成珊瑚礁分布面積逐漸縮小,甚至有朝一日會完全消失在地球上。

因此,不難想見海洋酸化所導致珊瑚造礁能力的降低,勢將對整體海洋生態造成巨大的衝擊。海洋學家們的研究結果已清楚顯示,澳洲大堡礁(Great Barrier Reef) 珊瑚的造礁速率自1990 年以來已減緩了14%。除此之外,珊瑚礁也提供了人類重要的漁業資源及遊憩休閒的場所。據估計全球珊瑚礁生態系每年所提供遊憩觀光的產值高達96 億美金,且是一些島嶼型國家最重要的經濟命脈。因此,若海洋酸化造成珊瑚礁生態系統的崩壞,勢將對這些區域的經濟活動造成無可彌補的損害。

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澳洲大堡礁空照圖。Source: NASA Goddard Space Flight Center

海洋酸化亦可能對人類的糧食供應造成影響。例如,深受國人喜愛的牡蠣、蛤和海膽等海鮮,其殼體或骨骼皆是由碳酸鈣所構成。因此,海洋酸化所引起的碳酸鈣飽和度降低,可能會直接造成這些高經濟價值魚貨產量的減少。此外,海洋中一些植物性浮游生物,例如球石藻,亦會形成碳酸鈣殼體。一旦這些重要的基礎生產者因缺乏鈣化外殼而數量減少,將會衝擊以牠們為主食的消費者,透過食物鏈的傳遞亦可間接威脅到魚類的生存。

時至今日,地球上至少仍有十億居住於濱海地區的人口,蛋白質的來源仍以海產為主,且其工作機會和經濟來源亦與海洋中的魚、貝類密不可分。因此,海洋酸化對這些區域的糧食安全及經濟活動可能也會造成嚴重的影響。由前述例子不難發現,受海洋酸化影響的生物涵蓋了食物鏈中不同的階層,且廣泛地分布於各種不同的生態系統中。因此,海洋酸化對海洋生態環境的影響是全面性的,且可能對人類的經濟活動產生立即而明顯的衝擊。

海洋酸化的早期難民

東海是西北太平洋陸棚面積最寬廣的邊緣海,由於有歐亞第一大河川——長江的注入及沿岸湧升作用所帶來豐富營養鹽的滋養,使得東海陸棚擁有極高的生物生產力,並使其成為東北亞地區最重要的漁場。過去海氣二氧化碳交換通量的研究結果顯示,較高的生物生產力使得東海陸棚的表水,一年四季都呈現二氧化碳未飽和的狀態,故可源源不絕的自大氣中吸收二氧化碳,形成重要的碳「匯」。

因此,隨著大氣二氧化碳濃度的增加,東海陸棚受海洋酸化的影響勢必會日益嚴重。此外,近數十年來,由於中國大陸地區人口不斷的增加與經濟高速的發展,不論是化學肥料的使用還是生活汙水的排放都大幅的增加,使得由長江輸入東海無機氮的通量,由1970 至2003 年間增加了三倍以上。此增加速率較全球河川的平均值高出了10倍以上。由此可見,東海可能是全球受過量營養鹽輸入影響最嚴重的海域之一。

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中國東海。Source: wikipedia

為闡明氣候變遷與人為擾動對東海海洋環境與生態的影響,在科技部的補助下,我國海洋學界自2000 年開始執行「東海長期觀測與研究」整合計畫。藉由長期資料的累積,東海團隊已有諸多研究成果廣受國際科學界所重視。例如,發現長江三峽大壩實施第一階段蓄水後,導致營養鹽矽、氮比的降低,進而造成浮游植物組成結構的改變、又發現1998 及2010 年兩次長江超大洪水都造成東海陸棚基礎生產力大幅增加了3 倍以上,此增加量每月約可支撐超過40 萬噸的漁業資源。凡此種種皆說明長期觀測是探討人為活動對海洋環境與生態影響不可或缺的重要手段。

近年來,東海團隊亦針對在「海洋酸化」和「優養化」雙重環境壓力的影響下,東海陸棚海水碳酸鈣飽和度未來的變化趨勢進行了深入的研究。根據觀測數據所進行的模擬結果顯示,近長江口內陸棚海域的底水可能將在2080 年左右轉變為碳酸鈣不飽和的狀態(Ω<1),此時碳酸鈣可能會開始發生溶解的現象。由於人類的漁業資源,特別像是貝類、牡蠣等會形成碳酸鈣殼體的海洋生物,大多都集中在沿岸地帶。因此,大氣二氧化碳濃度增加和優養化惡化所造成海水碳酸鈣不飽和的現象,勢必會對東海的底棲生態環境及漁業資源造成嚴重的影響,使得東海可能名列受海洋酸化影響的早期環境難民之一。

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海洋酸化。Source: ONC

對抗海洋酸化

全球暖化與海洋酸化皆肇因於人為二氧化碳排放的增加。然而,相較於全球暖化的影響已廣為世人所重視、更是全球環境議題的焦點所在,一般普羅大眾對海洋酸化的認知仍相當有限,相關的科學研究也仍處於初期發展的階段。到目前為止,絕大多數的科學證據皆顯示海洋酸化對海洋生態及人類社會的影響恐怕是負面效應居多,而且尚無任何藥方可以醫治海洋酸化這個病症。減少二氧化碳的排放被認為是減緩病情惡化的唯一解方。臺灣四面環海,必然無法倖免於海洋酸化所帶來的影響與衝擊。因此,不論是政府或民眾皆須清楚意識到,「節能減碳」不僅僅是減緩全球暖化的關鍵措施,更是保育海洋生態免受酸化威脅的不二法門。

june〈本文選自《科學月刊》2015年6月號〉

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每年有一千萬公頃的森林消失!把樹種回去,就可以解決問題了嗎?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/19 ・1997字 ・閱讀時間約 4 分鐘

碳捕捉:把電廠排出來的二氧化碳再抓回去!

一九九〇年代,尚未開發出風能和太陽能,當時對氣候變遷的擔憂日益增加,因此有人建議捕捉和儲存那些從化石燃料發電廠排放出來的二氧化碳,如此就可將其轉變成一種低碳電力。

碳捕捉主要是透過化學反應將煙道氣(flue gas)中的二氧化碳分離出來,然後再將其壓縮液化,泵入地下洞穴,例如含水層或是廢棄的油氣田。

同時要針對傳統的發電機開收排放二氧化碳的費用。這將鼓勵電廠採用碳捕捉技術,不過前提是碳價要夠高,超過捕捉和封存二氧化碳的成本。

然而,即使在龐大的歐盟市場,碳的價格也從未高到足以讓碳捕捉在電力生產中具有競爭力,而且真正在運作的碳捕捉工廠很少。

碳捕捉將煙道氣(flue gas)中的二氧化碳分離出來,然後再加工處理。圖/Envato

即使如此,捕捉二氧化碳排放依舊可望成為一種脫碳方法,在未來某些產能製程中合乎成本效益。一個例子是將天然氣轉化為氫氣,這還能用於加熱和製造燃料電池,或用於生產水泥以及甲醇和氨等重要工業化學品。

碳捕捉的各種可行性:直接從空氣抓?多種一點樹?

也有人認真思考過直接從空氣中捕捉二氧化碳的可行性,因為目前我們所面對的現實非常危險,即二氧化碳排放量下降的速度恐怕來不及讓上升溫度控制在攝氏 1.5 度內。

種植更多的樹木可能是最簡單也最便宜的方法,但首先必須遏止每年大量的伐林問題。

每年約有一千萬公頃的森林遭到砍伐,用於種植大豆、棕櫚油和其他作物,以及放牧牲畜。這樣的伐林導致全球每年約 10% 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。

目前二氧化碳排放量下降的速度沒辦法使上升的溫度控制在 1.5°C 內,再加上樹木被大量的砍伐,導致全球每年約 10% 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。圖/Envato

此外,封存大量二氧化碳所需的樹林面積也相當大──約要美國國土面積的四分之一,需要超過六年,甚至幾十年的時間才能讓樹木長到成熟,每年只能吸收平均全球燃燒化石燃料的 10% 排放量。

而在成長期過後,還需要更換樹木,因為在建築中也會使用到木材。有人建議,可以燃燒林業的廢棄物來產生能量(熱或電),並捕捉和封存排放出來的二氧化碳。

這種生質能源的碳捕捉尚有爭議,必須要確保改變土地利用的這項變動最後的結果是產生淨負排放,而不是增加碳的排放量。此外,這種方法尚在開發中,可能會與其他對可耕地和淡水的需求產生競爭關係。

多種樹,真的可以救地球嗎?事情可沒有我們想的那麼簡單!圖/Pixabay

不過,可以使用化學吸收器直接從空氣中捕捉二氧化碳,這種方法比生質能源更緻密、更可靠, 只是目前的價格較為昂貴。

奧利金能源公司(Origen Power)正在開發將碳捕捉與具有商業價值的石灰生產相結合,這樣的製程可望降低成本。

吸碳新創公司「Carbon Engineering」也在開發另一種方法,是使用與二氧化碳接觸會形成碳酸鈣的氫氧化鉀。整個過程以石灰來合成氫氧化鉀,形成碳酸鈣,然後將其加熱,釋放出二氧化碳,進行壓縮和封存──這時便會再度合成石灰。他們預估,以這種方式捕捉二氧化碳的成本可望降低至每噸 100 美元。

碳捕捉的展望與未來

為了增加產值,可以將捕捉來的二氧化碳與氫結合(比方說以再生電力來電解水,製造出氫氣),這可用來合成低碳燃料,取代汽油、柴油或航空燃料,這樣一來,其總排放量會遠低於某些生質燃料。

若是要捕捉和封存燃煤發電廠排放的二氧化碳,電力成本會增加約 60%,而使用再生能源來發電,成本則低得多。

然而,隨著空氣碳捕捉的研發和大量投資,再加上在某些工業製程中捕捉二氧化碳,以及重新造林,預估到二〇五〇年時,碳捕捉可能會吸收掉全球年排放量的 10%。

到二〇五〇年,再生能源和核能的總發電量可能接近當前全球需求量的 90%,透過碳捕捉,全世界可能會達到二氧化碳淨零排放。但要處理大量再生電力,電網在輸送和分配上需要適應風場和太陽光電場輸出量的種種變數,因此發展儲能設備非常重要。

——本文摘自《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》,2022 年 6 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

日出出版
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CO2 不是廢物!以嶄新材料推進人造光合作用——林麗瓊專訪
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/03/22 ・5496字 ・閱讀時間約 11 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

  • 2017 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十屆傑出獎得主

在辛亥路側的臺灣大學凝態科學研究中心,曾為中心主任的林麗瓊帶著我們上上下下好幾層樓,如數家珍地說明各設備的能耐,以及學生要如何經過她紮實訓練跟親自審查才能上機。「還有好多,今天沒時間看」,站在她稱為「起家本」的第一台自製反應爐旁,她說當年太貪心,加了多個 Port,增加了殘餘氣體吸附而使樣品被污染的風險。然而這台由她自己設計、自己到工廠請人開模製作的機器,在她細心調教跟利用下,創造了許多研究突破。我們請林麗瓊與這座別具意義的反應爐一起合照,她則邀請在旁的學生 Suman 一起入鏡。

來自伊朗的 Suman 她選擇來台灣學習,一方面是因為台灣是個很安全的地方,另一方面就是因為林教授是很棒的楷模。「那你會在台灣待到什麼時候?」我問,她回說「這要看我什麼時候拿到博士學位。」「那就是要看林教授囉?」「不是,是要看她自己何時取得足夠的進展。」林麗瓊笑著說這句話,也透露出她指導學生的方法:不由上而下決定主題,讓學生自由探索、從好奇心出發。

回到辦公室,林麗瓊從玻璃櫃中拿出一幅裱框的照片,裡頭是朵特別的玫瑰。「本來該長成平的、漂漂亮亮的磊晶,結果長成一朵花。」

林麗瓊教授與我們分享學生的作品——〈Formosa Nano-Rose〉

拿著學生的「作品」,她笑說通常學生若做出這樣的磊晶應該要挨罵才對,然而學生發揮想像力,將奈米尺度的不規則形狀染上玫瑰紅,參加美國材料學會(Materials Research Society)年度的科學即藝術(Science as Art)競賽,拿到首獎,還有外國人寄信來,希望能取得圖片,用來求婚。

在林麗瓊經營帶領下,聚集多國、多領域人才的研究團隊看似和樂輕鬆,其實他們正探索一個可能改變人類未來的終極領域:光觸媒。

光觸媒的莫大潛力

如果要列出如今人類面對的最大挑戰,抑制二氧化碳排放、讓空氣中的二氧化碳量回到 350 ppm 的安全水平以下,不讓氣候危機加劇,肯定是其一。(順帶一提:2021 年 的 1 月是 413 ppm 上下。來源) 

就算逐步淘汰煤炭跟天然氣,改成再生能源發電,我們的生活依舊仰賴大量的石油化學產品,大氣跟海洋中依然有過量的 CO2,種樹也難趕上森林被砍伐跟遭野火肆虐的速度。然而林麗瓊另闢蹊徑,從拿手的材料科學著手,正研究如何將二氧化碳還原成低碳氫比燃料,關鍵就在於高效能的光觸媒。

這當然不是林麗瓊一開始就研究的主題。她於 1989 年取得哈佛大學應用物理博士學位後,馬上被美國奇異公司研發總部材料研究中心延攬為終生聘雇研究員,也是當時該研究中心唯一的亞裔女性。那時她加入的團隊裡有物理學家、化學家、電子電機工程師等,研究的主題從飛機引擎到核能電廠五花八門,例如他們開發新型飛機引擎的材料跟設計,讓飛行速度更快、更省燃料。

1994 年回台後,她返台主持凝態中心的尖端材料實驗室。「一開始做鑽石薄膜,後來做奈米碳管、奈米線、石墨烯。」開發這些碳基的低維度奈米材料,並使其展現出新奇特性是她的拿手絕活。既然現在二氧化碳成了眾矢之的,那就換個角度,把它從廢物變寶物吧!

「如果只是要把二氧化碳轉化成低碳氫比的燃料,或是高工業價值的原物料,方式不只有光觸媒,用電催化也可以。」林麗瓊表示電催化成熟度比光催化高,發展歷史久,但是腐蝕容易造成污染,而且 CO2 與水的溶解度低、需要額外耗電,因此不見得是最佳選項。若採用光觸媒,只要將工廠的排氣經過導管收集,將 CO2 分離,進入可以接受光照的反應爐,搭配適當的材料(如金屬氧化物),就能產生光催化效應,把 CO2 變成甲醇、甲烷、乙醇、乙烷、乙醛等。

「關鍵步驟就是那個材料的觸媒,它的催化功能性要夠,那怎樣功能性才會夠?這就有我們做材料的人可以玩的空間。」林麗瓊表示這樣的材料須具備半導體特性,也就是其特有的「能待結構」或「能階」,能接受光子的能量而激發,同時「能隙」不能太大也不能太小。目前已經商用的材料為二氧化鈦(TiO2),然而其吸收光需要 3.2-3.4 電子伏特(eV)的能量,也就是得用波長很短的紫外光,限制了發展。 因此她將重點放在找尋能夠吸收可見光的材料與最佳結構,提升轉化效率。「可能是1.7、1.8(eV)是最好的……就同樣一個材料,它本質可能是 1.5 eV,但位置不對,所以我們就想辦法做一些缺陷工程啊、做一些參雜、複合的結構。」

這樣的材料在吸光後會產生電子電洞對,林麗瓊生動地形容「要活活的」,才能跟二氧化碳與水起反應。意思是說這材料得身兼多職,先吸可見光、然後拆解電子電洞對,傳達到表面後,能接著活化其實很穩定的二氧化碳,再加上水氣才有可能轉化成甲醇等產物。即使是同一個氧化亞銅,他們也發現邊邊角角的活性才高,「所以就有辦法跟 CO2 招手,黏住又不能太黏喔!太黏 CO2 不跑啦!就把活性點通通給蓋住蓋死了。」

為了讓二氧化碳若即若離、欲迎還拒的戲碼能在奈米尺度上演,身為導演兼製作人的林麗瓊與團隊花了大把工夫選角(材料),如今已獲得初步的成果。

「在產量上,雖然還不是很高,但是有機會到 1% 了。假以時日,push 到 10%,應該是有機會」。她表示儘管還需要很多努力,而且後續也還有產物選擇性與分離的課題,但一關一關解,就能將二氧化碳變成原物料,邁向循環經濟「零廢物」的目標。

林麗瓊表示反應過程中的產物分析、以及反應控制的關鍵機制需要徹底釐清,才能知道到底材料的「什麼」在做出貢獻,例如是形狀、是位置、是大小、還是其他性質?她用各種技術來監測,將這過程比喻為「盲人摸象」,得一片一片摸熟了才能前進。雖然離製程成熟跟產業化還有很長的路,她發現這個領域受關注跟投入的程度在全球都大大提升,從她剛開始時一年不超過 50 篇研究,到現在每年破千篇。

從半導體、光電、能源材料、奈米薄膜到光觸媒,研究範圍廣泛的林麗瓊笑稱自己喜新厭舊又隨性,但萬變不離其宗:「我們就是玩材料的,我們玩得很開心啊!」

Welcome to the jungle 

外表溫和沈著、說話總是體貼地再三確認我們能否理解的林麗瓊,得過台灣與世界各國的獎項,也曾被選為美國材料學會董事會成員,曾任眾多知名學術期刊、專書的編輯與學術會議的主席,成就非凡。然而正如她研究的光觸媒,對於許多學生來說,她也是一位如光般賦予能量、催化著他們的觸媒。

林麗瓊坦言自己「鍛鍊很久」,努力學習理解各種關係必然遇到障礙,有時轉個彎就撥雲見日的道理。她不會給剛進門下的學生太明確、太細節的題目,而是讓他們先朝一個方向探索看看,約略三個月後再請他們提出 Proposal,她就在這段時間內觀察新學生與其他同學的互動,了解其性格,能力,再依此給出建議。

她將自己在美國奇異公司研發總部任職時學到的團隊合作方式,帶入自己的實驗室。「有的人性格像獅子、有的像兔子。但不能都一直是獅子或兔子」她順著學生的性格,鼓勵其發揮,但也鼓勵他們學習彼此的優點,懂得變換。

她說有些學生活動力很強,坐不住,沒辦法一直待在機器前;反過來有些學生開工之後,一天不去開機就覺得不舒服,連機器壞了也不肯停。但就是這樣不同的性格,獲得了意想不到的發現。雖然有時會建議學生互相合作,但她的安排也不一定成功,反而是讓資深的、主導性強的學生們發展、組隊,結果更好。她則透過每週定期的 Group meeting 發揮觸媒的作用,激發團隊成長。「我關心他們怎麼發展,可是絕對不強迫。有點黏又不會太黏。」她微笑說。

是傑出科技人,也是女人

2017 年得到第十屆「臺灣傑出女科學家獎」時的林麗瓊,已得過科技部傑出獎、教育部學術獎與國際上的諸多不分性別的榮譽,對於冠在科學家獎前的「女」字,很高興能獲得肯定,也自覺要承擔更多責任。然而在 30 年前,類似的經歷曾經困擾過她。

當她被奇異聘為終生職研究員時,她在哈佛的一位韓國同學則失之交臂,扼腕地對她說「都是因為妳是女生啦。」林麗瓊覺得自己夠認真、夠努力,當然有資格加入頂尖的企業。但反過來說,那位韓國同學也很認真、很努力,所以……是臨場表現有差別?還是真的因為她是女性而成了保障名額?

「不瞞你說,這的確是很矛盾、很複雜的一種心理。」她說:「如果只是因為我是女生,這個對我很傷啊!是不是?」後來在物理學會女性工作小組內討論這種「肯定」時,她漸漸想通,認為即使有這種可能,她也要勇敢去爭取,放下不舒服的感覺,不要覺得自己是被憐憫、被施予,而是要當第一個衝破現況者,別人才有機會跟上。

「有一些東西是非常根深蒂固的,男生女生都是這個文化的受害者。」她分享自己剛加入奇異公司的一段經歷:當時懷第二胎的她,發現好幾個月都沒有被分配到任務,也沒有被安排出差到工廠幫現場面臨的挑戰找題目。於是她鼓起勇氣去問經理,經理反而愣住,回答說就是因為知道她懷第二胎,家裡還有一個兩歲孩子,怎麼能讓她做這些又累又辛苦的事?

這樣的善意跟體貼,若說是歧視,林麗瓊認為就太重了,但結果卻幽微地害她投閒置散。於是她向經理明確表示自己先生非常支持,而且有保母能照顧小孩,承接任務沒有問題,才改變了這種不利自己發展的狀況。

「我自己覺得物理並沒有性別的問題,覺得好玩又可以發揮,學科本身不會阻擋女生。那是我們的環境嗎?還是什麼?」物理學界的女性比例「是可怕的低」,林麗瓊說大學部其實有 20-30% 是女生,研究所也可能還能維持 10-20%,但到教職就不到 5%。她認為這個現象不能簡單歸因,需要抽絲剝繭。舉例來說,由於她與先生(陳貴賢,中研院原子與分子科學研究所研究員)密切合作,剛回國任教提交計畫書審查時,曾被問「貢獻到底在哪裡?」但同樣的問題,她先生卻不會被問。她認為審查者不見得有意打壓,而是文化養成的習慣。要讓其他人知道自己有真功夫,需要一段不短的時間,她已十年沒被這樣問了,但的確成了女生額外要處理的。

得獎後,她參與台灣萊雅與吳健雄學術基金會合辦的高中女性科學教育巡訪計畫,每年都與許多年輕學生面對面交流,座談時間常互動熱烈到讓她趕不上搭車時間。透過這個獎跟活動,能讓許多學生有個學習楷模,提出心中的問題,幫她們去除刻板印象,其實讓她備感欣慰。她甚至因此收了高中生來實驗室實習,但她強調來的高中生得要「玩」、藉實習想像未來的生活,而不是為參加科展得名而來。

對林麗瓊來說,大她四屆,同樣就讀臺大物理系的四姐是最接近的楷模,也因此她學習科學一路以來備受鼓勵而沒受阻礙。另外,曾返台演講的吳健雄則是她朝聖的偶像,曾親睹吳健雄在新竹演講風采的她說自己非常震撼。後來與自己的大哥討論該不該朝物理學邁進時,大哥對她說「吳健雄不就是物理學家嗎?為什麼不呢?」她也因此非常感激。

她給予學生的力量,也承襲自她在哈佛的指導教授 Frans Spaepen。她記得在考慮該留在哈佛做博後,還是去產業界資源豐沛的實驗室時,Spaepen 教授對林麗瓊說,若她能留下來當博後,他會很高興,但不必將哈佛當作第一或是唯一的選擇,該把握機會到外頭更大的世界看看。這番話讓她至今銘記於心,也一直將這種「不為自己設限」的理念傳達給每一位學生。

「你覺得你的興趣在哪、你的才能在哪,就走走看,不要劃地自限。刻板印象是別人的刻板印象,若連自己都有刻板印象,當然就沒救。」身為物理學界的頂尖女性科學家,林麗瓊參與、籌辦了不少推動女性加入科研領域的工作,例如與物理學會女性工作委員會籌拍《物理好丰采》影片,協助成立臺灣女科技人學會等。她說,每個人有各自的問題,但有些問題有共通性,就該以團體的名義來爭取。

例如她參與的物理學會女性工作委員會曾以團體名義向國科會提案,讓有生產事實的女性研究者在提出研究計畫時,可以將過去七年內的發表成果納入,而不是原本的五年,否則女性研究者很容易因為生兒育女放慢進度而被系統性地歧視、或是擔心可能耽誤發展而乾脆不生育。

林麗瓊認為自己沒有天花板,但她不能代表所有女性研究者,因此「如果有需要去衝破的,一起去衝破吧。」她說。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

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五則 TED 演講,讓你看懂「淨零」怎麼做
鄭國威 Portnoy_96
・2022/03/17 ・5819字 ・閱讀時間約 12 分鐘

如烏克蘭氣象學家維特拉娜·克拉科夫斯卡 (vitlana Krakovska) 在 IPCC 的線上會議中所說,如果歐洲乃至於全世界沒有那麼對石油跟天然氣上癮這場戰爭或許不會出現。同樣的,如果要終結這場乃至於下一場因石油而起的戰爭,需要做的就是盡快結束我們對石油與天然氣的癮頭。

也因為如此,我這兩週看了所有去年 TED Coundown 大會的影片,就是想要知道圓形紅毯上有哪些新的「值得傳播的好點子」,能幫助人類更快達到淨零,不再依賴化石能源。以下挑出五則我個人最喜歡的演講,推薦給各位。

對付氣候危機的最速手段:針對大魔頭甲烷的獨立戰略

Ilissa Ocko:The fastest way to slow climate change now|TED Countdown/YouTube

伊麗莎·奧科(Ilissa Ocho)是一位氣候科學家,目前在環境保衛基金(Environmental Defense Fund)擔任研究員,她的任務是為氣候變遷溝通與政策提供有科學根據的指引。她利用各種模型去了解人類的行為怎麼加劇氣候變遷,反過來也研究哪些降低溫室氣體排放的行動真的有效。她善於用簡單語言、動人影像,來向非專家傳達科學。在這則 TED Countdown 的演講中,她精準地在 10 分鐘內,改變了我的想法。

結論先說:溫室氣體兩大魔頭二氧化碳跟甲烷,各有威能與弱點,不能一概而論,得分開對付。

二氧化碳就份量來說,是溫室氣體的主角,佔了 99%,剩下的 1% 則是甲烷,但若在未來十年這個時間段裡頭來看,這 1% 的甲烷讓地球升溫得更快。雖然二氧化碳會待在大氣層更久,也一定要對付,但就溫度上升來說,沒有甲烷造成的那麼快。

奧科認為,減碳當然重要,但暖化已經造成了嚴重後果(熱浪、野火、洪水、饑荒……),那麼我們就該採用最快最有效的方式來抑制溫度上升的速度。講簡單點:要有針對甲烷的獨立戰略

甲烷有三個源頭,第一個就是生產能源,例如開採石油、煤炭跟天然氣的時候,甲烷就這麼外洩了。奧科表示雖然相較於石油跟煤炭,天然氣燃燒後排碳較少,但生產過程中造成的洩漏抵消了這好處。解決辦法超直白:把管線的螺絲上緊。問題是,哪裡的螺絲鬆了呢?過去難以監測,不知道哪裡洩漏,但現在可以透過物聯網、無人機、以及衛星來監測全球甲烷排放量。只要可以找到漏洞,就可以解決。

第二個源頭是廢棄物管理。大型垃圾掩埋場的生物腐爛、垃圾污水都會產生很多甲烷,但甲烷明明就是上等燃料,何不用管線吸走拿去用呢?另外,將廚餘分開拿去堆肥,也可以減少甲烷,許多國家包括台灣也都有沼氣發電廠。

第三個則是農業,在三大來源中佔比最大,不好對付,包括家畜(如牛)消化後打嗝跟放屁,不過她很興奮地指出,科學家發現,用特製的飼料添加劑,在牛的腸道內生成的甲烷可以降低 30%。牲畜的糞便尿液也會產生甲烷,用來來發電或供暖剛好。此外,全球半數人口仰賴的糧食作物水稻也是甲烷重要來源,但若改種植能在淺水生長的品種,調整供水方式,就可以降低大量甲烷生成。

結論再講一次:減碳很好,但要把二氧化碳跟甲烷分開,針對甲烷設定獨立的目標跟行動。要是執行得好,將能快速奏效,阻止最嚴重的災變後果,而且這些方案也能創造工作機會喔~

世界準備好解決氣候變遷了嗎?

Solomon Goldstein-Rose:How much clean electricity do we really need?|TED Countdown/YouTube

索羅門·高斯坦(Solomon Goldstein)11 歲的時候就成為一名氣候行動者,學習工程跟公共政策,22 歲就參選美國麻州議員並當選。2018 年他放棄競選,全力投入氣候議題,也寫了一本被認為最實際的氣候變遷解法書。他在演講裡提出一個關鍵數據:要在 2050 年達到淨零排放,世界需要生產當下清潔能源總產出 12 倍那麼多的能源,而不是很多人認為的 2.5 倍。

為什麼呢?根據他的計算,目前全球已經有 10 拍瓦時(petawatts hours)的電力來自於清潔能源,包括風光等再生能源跟核能。要是現在立即能增加 2.5 倍的清潔能源產出,就可以置換其他能源,但是……

第一,隨著全球電力化,例如各類電動車輛、以電力供暖等等,雖然用電的效率會更高,進而降低整體能源耗用,但吃電的設備變多,還是會需要更多電。如果要把現在還沒電動化的設備中的 60% 電動化,起碼需要 40 拍瓦時。

第二,世界上還有 7 億多人沒有電可以用、另外幾十億的人的用電很不穩,而改善這些人的生活,將降低貧窮、改善教育、經濟,跟降低過度生育,這就需要更多電力。那麼照 2050 年的發展預測,所需電力得從 40 拍瓦時再增加至 60 拍瓦時。

第三,有很多部分沒辦法電動化,例如長途海運、空運,部分工廠的製程等等。就算有碳捕捉、生物燃料等替代做法,也需要政府認真執行法規。而待過政治圈的他,明白政策很難做到百分百的現實,因此他估計得從 60 拍瓦時增加到 90 拍瓦時來當預備。

第四,除了「淨零」,也就是不繼續增加溫室氣體,我們還得「負碳」,就是把已經在大氣中的溫室氣體抓回來。因此他認為還得再加!從 90 拍瓦時增加到 120 拍瓦時。

更重要的是,要從現在的 10 拍瓦時增加到 120 拍瓦時,成長的曲線不能是一條直線連到 2050 年,而是該越快達到越好。他的野心非常大,目標不只是改變目前的電力系統,而是建造一個新的能源系統,不是要解決氣候變遷,而是打造更好的世界。老實說,高斯坦的論述對許多人來說可能太重也太巨大,但應該會擊中一些人的甜蜜點,特別是那些就喜歡解決大問題,賺大錢的人。(就是說你啊馬斯克)

透明公開的數據才能有效應對氣候變遷

Gavin McCormick:Tracking the whole world’s carbon emissions—with satellites&AI|TED Countdown/YouTube

溫室氣體到底是哪來的?哪些人類行為、在哪裡、為了什麼目的,製造出這些溫室氣體?要解決氣候變遷,得先知道這些問題對吧?但科學家知道的……其實很少?這種說法可能讓你覺得 WHAT THE F……?

Gavin McCormick 是 Climate TRACE 聯盟的共同創辦者,也是 WattTime 這家非營利新創組織的執行長,兩個單位的任務一致,就是要用衛星數據結合 AI 判讀,來偵測跟追蹤排放污染源的工廠。他之所以放大絕說「我們知道的很少」,是因為在大多數國家的大多數時候,排放的數據是請污染者自己回報的,怎麼回報呢?就手寫在白紙上這樣。這品質堪慮啊!

沒有好的數據,就沒有辦法真正解決問題。有圖有真相,眼見為憑,所以他與一群科學家、工程師、行動者合作,利用人工智慧視覺判斷工廠的衛星影像,這樣就不用去問排放者「你們排了多少啊?」。就像電腦學會判斷貓跟狗一樣,要讓演算法更準確,就得餵給機械足夠多、足夠好的資料來訓練,一部分是清楚正確的工廠排放數據,另一部分是這些工廠在不同時段的衛星圖像。除了煙囪,還可以透過衛星圖中工廠外海水的波紋,判斷工廠吸入多少海水來冷卻,聽起來十足黑科技。在我看來,這任務非常挑戰,但解法的確合理。

等等,如果這樣也行,那何不監看全地球的污染鏈、包括農業、陸上交通、海運…..?沒錯,Climate Trace 獲得高爾支持,應用已有的數千顆衛星源源不絕的高品質資料,結合大數據跟人工智慧技術,就做了這件事。McCormick 說,其實 Twitter 或 FB 等早就將這樣的技術用在判斷哪些網路迷因會紅,他們只是將技術用來判斷哪些污染源會讓地球過熱。

他認為這種激進的透明(radical transparency)對國際合作應對氣候變遷,達成減碳協議至關重要。畢竟談判最大的問題就是大家底牌不揭開,你說我排碳多,我說你減碳不夠,沒有共同的基礎。所以 Climate TRACE 接下來會把全地球、全排放源的排放量數據,都透明公開地提供出來,這聽起來很刺激,儘管公信力應該也會遭受一定挑戰,但我樂見其成。

關注氣候問題應從「我們的」角度出發

John Marshall:3 strategies for effectively talking about climate change|TED Countdown/YouTube

​​為什麼即使最了解狀況的科學家早就對氣候危機達成高度共識,認為改變迫在眉睫,不能拖延,大多數人卻還一知半解,行動遲緩,刻意忽略,甚至有少部分人群起反對?

John Marshall 是一位溝通專家,他成立的 Potential Energy 勢能,由媒體與行銷界中關心氣候變遷的人士所組成。說實在的,既然民意與政策受到媒體與行銷訊息影響,這領域的從業專家可能比科學家或政治人物更有機會改變局勢。他們要解決的問題就是發揮自身專業,讓大家聽懂、有感、肯行動。在 Potential Energy 的網站上,還串連了超過 200 家媒體與行銷公司,要一同改變氣候變遷不討喜、乏人問津的困境。

他在影片中指出,現在氣候變遷的討論參雜太多不具體、難以想像、不夠切身的名詞。例如淨零、碳稅、1.5 度 C、 500 億噸二氧化碳、排放、甲烷、人類世、去碳(decarbonization)……(我前面就寫了好多這些詞),那麼既然人們聽不懂,自然沒感覺,也不會在乎。

The Bottom Line on Climate Change:What You Need to Know in 30 Seconds/YouTube

相較於此,「臭氧層破了洞」的比喻卻很有效,也因此在當年讓蒙特婁議定書的執行更有利。Marshall 建議:別用暖化這個聽起來感覺溫溫柔柔蠻舒服的詞,用「過熱」吧!與其說氣候,不如說「極端天氣」更有感。與其說潔淨能源,不如說「便宜能源」,畢竟風力跟太陽光電在許多地方都已經比化石能源低廉。最後他還建議,與其用一直念著攝氏 1.5 度,不如改用華氏。這建議聽起來就很作弊了,針對美國人可能有效……吧。

除了用詞,如何呈現氣候議題跟溝通對象的相關性也很重要。例如若溝通對象是美國佛羅里達人,與其對他們喊「阻止全球暖化」,不如喊「不要淹水」(”local flooding is more important than global warming”)。另外,他也建議科學家可從個人角度來進行情感訴求,特別是那些研究氣候的女性科學家的故事。一般人跟科學家之間總有點隔閡,但當看到這些研究並關心氣候的科學家,娓娓道來自己只是希望孩子有個更好的未來的時候,特別能夠打動人心。他們甚至還有一個用「佛羅里達男子 Florida man」的梗做的影片,知道這個梗的觀眾肯定覺得很好笑。

Later Is Too Late To Act On Climate Change/YouTube

或許科學家受的訓練就是把觀察到的抽象化、壓縮成一般人聽不懂的術語,才覺得溝通起來有效率,但這卻不利於觸動人心。Marshall 提醒每個想要讓更多人關注氣候問題的人,從「我們的」生活、「我們的」現在、「我們的」價值、「我們的」孩子切入,避免打高空。這樣,人們才會覺得我懂了、這跟我有關、這跟我在乎的人有關、我願意行動。

當能源遇上政治時……

Al Gore:How to make radical climate action the new normal|TED Countdown/YouTube

高爾是誰應該不用我多介紹,他在這場演講中再次展現強大的演說能力,極富情緒張力,雖然有點政治造勢場合的感覺(畢竟是他本行)。在他的框架中,我們從工業革命、數位革命、進入「永續革命」。永續革命是要用數位革命給我們的速度,幫我們從工業革命的後果中逃出。

這場演講,分為三個部分,前三分之一,他用數據跟近幾年各地的極端天氣事件再次強調問題已經很嚴重,後果也是,我們不是在等待一個即將發生的巨大危機,而是已經在災難裡,而且這些災難的規模在過往根本難以想像。

中間三分之一,則是用數據與趨勢顯示「解法是什麼」。綠能的成本快速下降,例如在 2024 年,也就是距今兩年後,不管在地球的哪個地方,風力跟太陽能都會比傳統能源更便宜(這我存疑,要看一下怎麼算的)。儲能的市場正在指數級成長,鋰電池越來越便宜,2023-2024 年之間,主流的電動車售價將跟高效率的油車一樣便宜。然而石油與天然氣產業,儘管口口聲聲說增加了三倍的投資金額於再生能源跟碳捕捉,實際上只是從總投資中僅佔 1% 增加到 4.1%,96% 還是投資在化石能源上,塑膠等一次性用品是獲益的主要來源。

接下來三分之一,高爾開始進入重點,就是以「修正式全頻譜的資本主義」,取代現行問題叢生的資本主義。最重要的應該是這張圖:

圖/YouTube

他樂觀地指出,只要我們能達到淨零,氣候危機將可以被扭轉。氣溫將在 3-5 年內停止上升,而在 25-30 年內,半數人類製造的二氧化碳將離開大氣層(但前面的高斯坦有說到,得積極主動把碳抓回來,不能等那麼久)。最後他回顧歷史上各種人類進步的重要歷史節點來激勵觀眾,包括廢奴、婦女參政權、民權運動、反種族隔離運動、同性戀平權運動等。許多事情都曾經看起來不可能,直到被達成。「有人認為我們缺乏政治決心,但別忘了政治決心是可再生資源。」,真是很有力且扣合主題的結尾。

如果你有時間,當然很建議你把 2.5 小時的整個活動看完,唱歌吟詩說笑話的的部分我覺得也不錯啦。如果你跟我一樣,最近看了太多戰爭的消息,心情實在低落到不行,想知道自己還能多做些什麼來改變過度依賴化石能源的世界格局,透過這場 TED Coundown,除了深入瞭解淨零排碳的挑戰跟解法,應該也能替你的心靈充電。

所有討論 6
鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 647 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。