0

2
2

文字

分享

0
2
2

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

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

3
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

4

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

t
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」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

800px-View_of_South_China_Sea
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。

iStock_000005615695Large
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

june〈本文選自《科學月刊》2015年6月號〉

延伸閱讀:

藍色世界中的微小住民
漂泊的海洋植物

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們46歲囉!
入不惑之年還是可以當個科青

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

 

 

 

 

 

 

文章難易度
科學月刊_96
249 篇文章 ・ 3494 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

0

3
1

文字

分享

0
3
1
溫室效應有救了?把二氧化碳埋進地底吧!  
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/03/25 ・1389字 ・閱讀時間約 2 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文由 台灣中油股份有限公司 委託,泛科學企劃執行。 

近年全球對於氣候變遷的關注日益增加,各國紛紛宣布淨零排放(Net Zero Emissions)的目標,聯手應對氣候變遷所帶來的挑戰。淨零排放是指將全球人為排放的溫室氣體量和人為移除的量相抵銷後為零。而「碳捕存再利用技術(Carbon Capture Utilization and Storage,簡稱 CCUS)」技術被視為達成淨零重要的措施之一。 

CCUS 示意圖。圖/INPEX CCS and CCUS Business Introduction Video 2022 

「碳捕存再利用技術 CCUS」是什麼? 

CCUS 技術可以有效地將二氧化碳從大氣中捕捉並封存,進而減少溫室氣體的排放。CCUS 包含捕捉、運輸、封存或再利用三個階段,也就是將二氧化碳抓下來,並且存起來或是轉換成其他有價值的化學原料。關於如何捕捉二氧化碳,可以參考我們先前拍的影片《減碳速度太慢?現在已經能主動把二氧化碳抓下來!?抓下來的二氧化碳又去了哪裡?》。 

至於捉下二氧化碳之後,該存放在哪裡呢?科學家們看上一個經過數千萬年驗證、最適合儲存的地方——地底。沒錯,地底可不只有石頭跟蜥蜴人,只要這些石頭中存在孔隙,就可以儲存氣體或液體。最常見的就是天然氣與石油。現在,我們只要將二氧化碳儲存到這些孔隙就好。 

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

封存的地質條件也很簡單,第一,要有一層擁有良好空隙率及滲透性的「儲集層」,通常是砂岩。第二,有一層緻密、不透水且幾乎無孔隙的岩石,用來阻擋儲集層的氣體向上逸散的「蓋層」,常見的是頁岩。只要儲集層在下,蓋層在上,就是一個理想的儲存環境。 

臺灣哪裡適合地質封存? 

臺灣由東往西,從西部麓山帶、西部平原、濱海到臺灣海峽,都有深度達 10 公里的廣大沉積層,並且砂岩與頁岩交替出現,可說是良好的儲氣構造。 

至於臺灣適合封存二氧化碳的地點,有個很直接的作法,就是參考石油、天然氣的儲存場域就好,也就是所謂的「枯竭油氣層」。將開採過的天然氣或石油的空間,重新拿來儲存二氧化碳。而臺灣的油氣田,主要集中在西部的苗栗與臺南一帶,在 1959~2016 年,累計產了 500 億立方公尺的天然氣,和超過 500 萬公秉的凝結油。 

臺灣油氣田位置圖。圖/《科學發展》2017 年 6 月第 534 期
鐵砧山每年封存 10 萬噸二氧化碳(相當於通霄鎮 1/3 人口一年的二氧化碳排放量)。圖/台灣中油

而至今這些枯竭油氣田,適合來做二氧化碳的封存。例如苗栗縣通霄鎮的鐵砧山是臺灣目前陸上發現最大的油氣田,不只是封閉型背斜構造,更擁有厚實緻密的緻密蓋岩層。在原有油氣田枯竭後,從民國 77 年開始轉為天然氣儲氣窖利用原始天然氣儲層調節北部用氣的方式,已持續超過 35 年。因此中油也正規劃在鐵砧山氣田選擇合適的蓋層和鹽水層,進行小規模的二氧化碳注入,作為全國首座碳封存的示範場址。並同時進行多面向的長期監測,驗證二氧化碳封存的可行性與安全性。 

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

更多詳細內容及國際 CCUS 案例,歡迎觀看影片解惑! 

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
196 篇文章 ・ 302 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

1

3
3

文字

分享

1
3
3
改良天然氣發電技術不會產生二氧化碳?灰氫、藍氫、綠氫分別是什麼?
PanSci_96
・2024/02/11 ・5656字 ・閱讀時間約 11 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

用天然氣發電可以完全沒有二氧化碳排放?這怎麼可能?

2023 年 11 月,台電和中研院共同發表去碳燃氫技術,說是經過處理的天然氣,燃燒後可以不產生二氧化碳。

誒,減碳方式百百種,就是這個聽起來最怪。但仔細研究後,好像還真有這麼一回事。這種能發電,又不產二氧化碳的巫術到底是什麼?大量使用天然氣後,又有哪些隱憂是我們可能沒注意到的?

去碳燃氫是什麼?

去碳燃氫,指的是改良現有的天然氣發電方式,將甲烷天然氣的碳去除,只留下乾淨的氫氣作為燃燒燃料。在介紹去碳燃氫之前,我們想先針對我們的主角天然氣問一個問題。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

最近不論台灣、美國或是許多國家,都提升了天然氣發電的比例,但天然氣發電真的有比較好嗎?

好像還真的有。

根據聯合國底下的政府間氣候變化專門委員會 IPCC 的計算報告,若使用火力發電主要使用的煙煤與亞煙煤作為燃料,並以燃燒率百分之百來計算,燃料每釋放一兆焦耳的能量,就會分別產生 94600 公斤和 96100 公斤的二氧化碳排放。

如果將燃料換成天然氣,則大約會產生 56100 公斤的二氧化碳,大約只有燃燒煤炭的六成。這是因為天然氣在化學反應中,不只有碳元素會提供能量,氫元素也會氧化成水並放出能量。

圖/pexels

除了碳排較低以外,煤炭這類固體燃料往往含有更多雜質,燃燒時又容易產生更多的懸浮顆粒例如 PM 2.5 ,或是溫室效應的另一主力氧化亞氮(N2O)。具體來說,產生同等能量下,燃燒煤炭產生的氧化亞氮是天然氣的 150 倍。

當然,也別高興這麼早,天然氣本身也是個比二氧化碳更可怕的溫室氣體,一但洩漏問題也不小。關於這點,我們放到本集最後面再來討論。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

燃燒天然氣還是會產生二氧化碳?

雖然比較少,但也有燃煤的六成。像是綠能一樣的零碳排發電方式,不才是我們的終極目標嗎?別擔心,為了讓產生的二氧化碳量減到最小,我們可以來改造一下甲烷。

圖/unsplash

在攝氏 700 至 1100 度的高溫下,甲烷就會和水蒸氣反應,變成一氧化碳和氫氣,稱為蒸汽甲烷重組技術。目前全球的氫氣有 9 成以上,都是用此方式製造的,也就是所謂的「灰氫」。

而產物中的一氧化碳,還可以在銅或鐵的催化下,與水蒸氣進一步進行水煤氣反應,變成二氧化碳與氫氣。最後的產物很純,只有氫氣與二氧化碳,因此此時單獨將二氧化碳分離、封存的效率也會提升不少,也就是我們在介紹碳捕捉時介紹的「燃燒前捕捉」技術。

去碳燃氫又是什麼?

圖/pexels

即便我們能將甲烷蒸氣重組,但只要原料中含有碳,那最終還是會產生二氧化碳。那麼,我們把碳去掉不就好了?去碳燃氫,就是要在第一步把甲烷分解為碳和氫氣。這樣氫氣在發電時只會產生水蒸氣,而留下來的碳黑,也就是固態的碳,可以做為其他工業原料使用,提升附加價值。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在氫氣產業鏈中,我們習慣將氫氣的來源做顏色分類。例如前面提到蒸氣重組後得到的氫氣被稱為灰氫,而搭配碳捕捉技術的氫,則稱為藍氫。完全使用綠能得到的氫,例如搭配太陽能或風力發電,將水電解後得到最潔淨的氫,則稱為綠氫。而介於這兩者之間,利用去碳燃氫技術分解不是水而是甲烷所得到的氫,則稱為藍綠氫。

但先不管它叫什麼氫,重點是如果真的不會產生二氧化碳,那我們就確實多了一種潔淨能源可以選擇。這個將甲烷一分為二的技術,聽起來應該也不會太難吧?畢竟連五◯悟都可以一分為二了,甲烷應該也行吧。

甲烷如何去碳?

甲烷要怎麼變成乾淨的氫氣呢?

很簡單,加溫就好了。

圖/giphy

只要加溫到高過攝氏 700 度,甲烷就會開始「熱裂解」,鍵結開始被打斷,變成碳與氫氣。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

等等等等…為了發電還要耗費能源搞高溫熱裂解,划算嗎?

甲烷裂解確實是一個吸熱反應,也就是需要耗費能量來拆散原本的鍵結。根據反應式,一莫耳甲烷要吸收 74 千焦耳的熱量,才會裂解為一莫耳的碳和兩莫耳的氫氣。但是兩莫耳的氫氣燃燒後,會產生 482 千焦耳的熱量。淨能量產出是 408 焦耳。與此相對,直接燃燒甲烷產生的熱量是 891 千焦耳。

而根據現實環境與設備的情況,中研院與台電推估一公噸的天然氣直接燃燒發電,與先去碳再燃氫的方式相比,發電量分別為 7700 度和 4272 度。雖然因為不燃燒碳,發電量下降了,但也省下了燃燒後捕存的成本。

要怎麼幫甲烷去碳呢?

在近二十幾年內,科學家嘗試使用各種材料作為催化劑,來提升反應效率。最常見的方式,是將特定比例的合金,例如鎳鉍合金,加熱為熔融態。並讓甲烷通過液態的合金,與這些高溫的催化劑產生反應。實驗證實,鎳鉍合金可以在攝氏 1065 度的高溫下,轉化 95% 的甲烷。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

中研院在 2021 年 3 月,啟動了「 Alpha 去碳計畫」,進行去碳燃氫的設備開發。但團隊發現,盡管在理論上行得通,但實際上裝置就像是個不受控的火山一樣,熔融金屬與蒸氣挾帶著碳粒形成黏稠流體,不斷從表面冒出,需要不斷暫停實驗來將岩漿撈出去。因此,即便理論上可行,但熔融合金的催化方式,還無法提供給發電機組使用。

去碳燃氫還能有突破嗎?

有趣的是,找了好一大圈,驀然回首,那人卻在燈火闌珊處。

最後大家把目光放到了就在你旁邊,你卻不知道它正在等你的那個催化劑,碳。其實過去就有研究表明碳是一種可行的催化劑。但直到 201 3年,才有韓國團隊,嘗試把碳真的拿來做為去碳燃氫的反應催化劑。

圖/pexels

他們在高溫管柱中,裝填了直徑 30 nm 的碳粒。結果發現,在 1,443 K 的高溫下,能達到幾乎 100 % 的甲烷轉化。而且碳本身就是反應的產物之一,因此整個裝置除了碳鋼容器以外,只有碳與氫參與反應,不僅成本低廉,要回收碳黑也變得容易許多。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

目前這個裝置需要加緊改良的,就是當碳不斷的積蓄,碳粒顆粒變大,反應會跟著下降。如何有效清除或更換濾網與反應材料,會是能否將此設備放大至工業化規模的關鍵。

最後,我們回頭來談談,在去碳燃氫技術逐漸成熟之後,我們可能需要面對的根本問題。

天然氣是救世主,還是雙面刃?

去碳燃氫後的第一階段,還是會以天然氣為主,只混和 10 % 以下的氫氣作為發電燃料。

這是因為甲烷的燃燒速度是每秒 0.38 公尺,氫氣則為每秒 2.9 公尺,有著更劇烈的燃燒反應。因此,目前仍未有高比例氫氣的發電機組,氫氣的最高比例,通常就是 30 % 。

目前除了已成功串連,使用 10 % 氫氣的小型發電機組以外。台電預計明年完成在興達電廠,使用 5 % 氫氣的示範計畫,並逐步提升混和氫氣的比例。根據估計,光是 5 % 的氫氣,就能減少每年 7000 噸的二氧化碳排放。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但隨著天然氣的使用量逐步提高,我們也應該同時留意另一個問題。

天然氣洩漏導致的溫室效應,是不可忽視的!

根據 IPCC 2021 年的報告,若以 20 年為評估,甲烷產生的溫室效應效果是二氧化碳的 82.5 倍,以 100 年為評估,效果為 29.8 倍,是僅次於二氧化碳,對於溫室效應的貢獻者第二名。這,不可不慎啊。

圖/unsplash

從石油、天然氣井的大量甲烷洩漏,加上運輸時的洩漏,如果沒有嚴格控管,我們所做的努力,很有可能就白費了。

非營利組織「環境保衛基金」曾在 2018 年發表一篇研究,發現從 2012 到 2018 年,全球的甲烷排放量增加了 60 % ,從煤炭轉天然氣帶來的好處,可能因為甲烷洩漏而下修。當然,我們必須相信,當這處漏洞被補上,它還是能作為一個可期待的發電方式。

圖/giphy

另一篇發表在《 Nature Climate Change 》的分析研究就說明,以長期來看,由煤炭轉為天然氣,確實能有效減緩溫室氣體排放。但研究也特別提醒,天然氣應作為綠能發展健全前的過渡能源,千萬別因此放慢對於其他潔淨能源的研究腳步。

去碳燃氫技術看起來如此複雜,為什麼不直接發展綠氫就好了?

確實,綠氫很香。但是,綠氫的來源是電解水,而反應裝置也不可能直接使用雜質混雜的海水,因此若要大規模發展氫能,通常需要搭配水庫或海水淡化等供水設施。另外,綠氫本來就是屬於一種儲能的形式,在台灣自己的綠能還沒有多到有剩之前,當然直接送入電網,還輪不到拿來產綠氫。

圖/unsplash

相比於綠氫,去碳燃氫針對的是降低傳統火力發電的碳排,並且只需要在現有的發電廠旁架設熱裂解設備,就可以完成改造。可以想像成是在綠能、新世代核能發展成熟前的應急策略。

當然,除了今天提到的灰氫、藍氫、綠氫。我們還有用核能產生的粉紅氫、從地底開採出來的白氫等等,都還沒介紹呢!

除了可以回去複習我們這一集的氫能大盤點之外,也可以觀看這個介紹白氫的影片,一個連比爾蓋茲都在今年宣布加碼投資的新能源。它,會是下一個能源救世主嗎?

最後,也想問問大家,你認為未來 10 年內,哪種氫能會是最有潛力的發展方向呢?

  1. 當然是綠:要押當然還是壓最乾淨的綠氫啦,自產之前先進口也行啊。
  2. 肯定投藍:搭配碳捕捉的藍氫應該會是最快成熟的氫能吧。
  3. 絕對選白:連比爾蓋茲也投資的白氫感覺很不一樣。快介紹啊!

什麼?你覺得這幾個選項的顏色好像很熟悉?別太敏感了,下好離手啊!

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

參考資料

所有討論 1
PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2193 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

0

8
0

文字

分享

0
8
0
氣候變遷會讓世界變得又熱又病嗎?暖化之下的寄生關係可不簡單
阿咏_96
・2023/05/15 ・3188字 ・閱讀時間約 6 分鐘

近年來,氣候變遷已經變成一個眾所皆知的熱門話題,不僅影響著我們身處的自然環境,以及人類生活,也對生物的繁殖、生長、分布等造成衝擊。不過,今天我們沒有要討論海平面上升、極端天氣等這些巨觀環境的改變,而是要來談談或許你我體內都有的——寄生蟲。

提到寄生蟲,大家比較熟悉的或許是蟯蟲、蛔蟲等,有機會寄生於人類體內的寄生蟲,而自然中許多物種之間也有寄生關係,但這與氣候變遷有什麼關係呢?

有許多研究顯示,氣溫升高會導致寄生蟲爆發事件增加,也有些研究說寄生蟲在高溫下的表現比宿主好,因此暖化可能會造成相關疾病越來越嚴峻,後來也衍生出「地球越溫暖,流行病越多」的假說。

地球越溫暖,流行病越多」的假說近來相當盛行。圖/envatoelements

寄生不是哩想ㄟ那麼簡單

俗話說:魔鬼藏在細節裡。腹肌藏在脂肪裡。

如同在生物課本裡學過的,寄生關係是生物間的交互作用,一種生物寄居在另一種生物的體表或體內,獲取營養得以生存、繁殖,所以也並非只有寄生蟲的事,和宿主的生理也有很大關係。找到溫度升高會影響寄生過程的哪些步驟,以及背後的機制怎麼運作,是了解氣候變遷對寄生關係影響的關鍵。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

近期發表在英國皇家學會《自然科學會報》(Philosophical Transactions of the Royal Society B)的一項新研究就發現,溫度能夠調節寄生真菌在宿主水蚤體內的感染機制。

這個研究由臺灣大學氣候變遷與永續發展學程助理教授孫烜駿與美國密西根大學研究團隊合作,利用暖化實驗觀察水蚤和真菌之間的寄生關係。

他們將一種水蚤 Daphnia dentifera 作為實驗物種,水蚤平常吃藻類等浮游植物,然後也會被更大的捕食者吃掉,因此水蚤在淡水食物網中扮演著重要角色。而今天的另一個主角 —— 寄生真菌 Metschnikowia bicuspidata ,則是一種會感染多種水蚤的酵母菌。

那水蚤是怎麼被感染的呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

宿主與寄生真菌之間的攻防戰

水蚤在濾食水中浮游植物時,寄生真菌的孢子可能會一起被牠吃進去,這時感染過程就開始了(水蚤表示:窩⋯⋯窩不知道QQ)首先,寄生真菌的針狀孢子需要先刺穿水蚤的腸道上皮細胞,才能進到體腔內開始發育、繁殖,感染初期有些水蚤還可能痊癒,否則就會進到最終感染階段,一旦水蚤體腔內充滿寄生真菌的孢子或孢子囊,便不可能康復,最終走向死亡,之後下一代孢子釋放回環境中,再被新宿主吃掉,完成感染週期。

寄生真菌在水蚤中的感染過程。生真菌的針狀孢子會先刺穿水蚤的腸道上皮細胞。圖/英國皇家學會《自然科學會報》

也不是所有被吃進去的孢子都能夠成功感染宿主,必須要經過重重關卡,畢竟水蚤也不是吃素的(好啦水蚤真的吃素沒錯 XD)

而兩道最重要的關卡就是「物理屏障」與「細胞免疫」。

物理屏障是一種常見的防禦形式,例如我們的皮膚和植物的角質層,在水蚤與寄生真菌的感染過程裡,腸道上皮細胞就是抵抗孢子進入體腔的物理屏障,像是一道能夠抵抗外來敵人的城牆。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但如果孢子還是順利進到水蚤的體腔內,細胞免疫就像一支軍隊,免疫細胞士兵們會聚集到被感染的部位,開啟防禦模式,共同抵禦外敵,也就是前面提到的,有些剛被感染的水蚤有機會康復的原因。

健康的 Daphnia dentifera 水蚤(左圖)與被寄生真菌 Metschnikowia bicuspidata 感染的水蚤(右圖)。圖/國立台灣大學

暖化之下,寄生關係會怎麼樣

研究團隊想知道:溫度對物裡屏障和細胞免疫的影響,以及會不會影響最終感染的機率。

因此他們把水蚤放到 20°C 和 24°C 下的環境飼養,為甚麼是這兩個溫度呢?

根據先前研究,20°C 是適合水蚤生長繁殖的溫度,而 24°C 則是來自 2100 年氣候變遷預測下的平均溫度變化,自西元 1985 年起,夏季的湖面溫度以每十年 0.34°C 攀升,到本世紀末預計上升 4°C。

並將不同溫度下飼養的水蚤,分別放入有寄生真菌和沒有寄生真菌的環境,總共四種環境條件的組別。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  1. 實驗組:24°C,沒有寄生真菌
  2. 實驗組:24°C,有寄生真菌
  3. 控制組:20°C,沒有寄生真菌
  4. 控制組:20°C,有寄生真菌

接著,為了知道感染初期的情形,針對有寄生真菌的組別,研究團隊在放入真菌 24 小時後,用複式顯微鏡觀察,檢查水蚤腸道和體腔內是否有孢子,以及孢子的數量。

那要怎麼知道物理屏障和細胞免疫的防禦效果呢?

如同前段提過的,我們將作為物理屏障的腸道上皮細胞想像成城牆,免疫細胞想像成軍隊,而寄生真菌的孢子是試圖入侵的外敵

腸道的防禦力便是用「後來在體腔內的孢子數」與「所有試圖刺穿腸道上皮的孢子數」相除;也就是「進到城牆內的敵人數」除以「所有一開始來城牆外攻擊的敵人數量」。(編按:每一百個攻擊城牆的敵人,會有多少人突破城牆的防禦進到牆內)

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

除此之外,團隊也觀察在不同溫度下水蚤腸壁上皮的厚度,畢竟城牆的厚度可能是防禦的關鍵。

而細胞免疫則是以「前來支援的免疫細胞數」除以「體腔內的孢子數」計算,可以想像成一個敵人需要幾個士兵一起抵抗

除了兩道關卡的抵禦能力外,為了解水蚤的健康狀態,研究團隊紀錄牠們在感染後的死亡率和繁殖力。

溫度影響的不只是寄生關係

實驗結果發現,較溫暖環境下的水蚤腸壁上皮細胞比控制組厚,但腸壁是越厚越好嗎?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

另一個結果顯示,其實較厚和較薄的腸壁上皮細胞,比較能抵抗寄生孢子的攻擊,反而是有中等腸道厚度的水蚤防禦孢子進入體腔的能力較弱。

而關於細胞免疫,則發現隨著成功進入體腔的孢子數量增加,附著在孢子上的免疫細胞總數也跟著增加,但在較溫暖環境下飼養的水蚤召集來的免疫細胞,比控制環境下來得少。也就是說,越多敵人入侵,軍隊會募集越多士兵來共同對抗,但在溫暖環境下召來的士兵較少

那物理屏障和細胞免疫之間有什麼關係呢?

在 20°C 下,腸道上皮細胞越厚,每個寄生孢子所需要的免疫細胞數就越少,這似乎蠻容易理解的,若城牆越厚,軍隊火力就不需要太強,反之亦然。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但在 24°C 卻看不到同樣的趨勢,我們知道的只有在溫暖環境下,同樣腸道厚度免疫細胞仍比控制組少。

最後,不論是繁殖力還是存活率,都是在溫暖環境下被感染的水蚤敬陪末座。

從這個研究,我們可以得知,溫度上升不僅會改變宿主的物理屏障,也會影響細胞免疫,進而改變寄生真菌對水蚤的感染結果。在更了解溫度影響寄生關係中的哪些關鍵特徵和結果後,便能預測在暖化環境中,宿主與寄生蟲之間的交互作用,以及所導致的後果。

參考文獻

  1. Sun, S. J., Dziuba, M. K., Jaye, R. N., & Duffy, M. A. (2023). Temperature modifies trait-mediated infection outcomes in a Daphnia–fungal parasite system. Philosophical Transactions of the Royal Society B, 378(1873), 20220009.
  2. Rohr, J. R., & Cohen, J. M. (2020). Understanding how temperature shifts could impact infectious disease. PLoS biology, 18(11), e3000938.
  3. Harvell, C. D., Mitchell, C. E., Ward, J. R., Altizer, S., Dobson, A. P., Ostfeld, R. S., & Samuel, M. D. (2002). Climate warming and disease risks for terrestrial and marine biota. Science, 296(5576), 2158-2162.
  4. Miner, B. E., De Meester, L., Pfrender, M. E., Lampert, W., & Hairston Jr, N. G. (2012). Linking genes to communities and ecosystems: Daphnia as an ecogenomic model. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 279(1735), 1873-1882.
  5. Ozersky, T., Nakov, T., Hampton, S. E., Rodenhouse, N. L., Woo, K. H., Shchapov, K., … & Moore, M. V. (2020). Hot and sick? Impacts of warming and a parasite on the dominant zooplankter of Lake Baikal. Limnology and Oceanography, 65(11), 2772-2786.