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氣候變遷動物可跑,植物怎麼辦?——《科學月刊》

科學月刊_96
・2016/01/09 ・4226字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 577 ・九年級

蘇世顥/任職於文化大學大氣科學系。主要研究各種大氣物理現象,對於各種天氣與氣候問題都抱持高度的興趣。
蘇世珩/任職於美國威斯康辛州立大學麥迪遜分校遺傳學系。主修植物遺傳育種,喜歡植物與其生長環境間的交互作用的議題。
林博雄/任職於臺灣大學大氣科學系。主授「大氣測計」,開設「生物氣象」和「航空氣象」選修課,喜愛環境生態與氣象的跨領域研究議題。

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讀文章前,我們不妨先做個小小的實驗吧!如果我們用Google 搜尋「椰子樹」圖片,螢幕上所出現大部分都是白雲、沙灘、海洋的熱帶海島風光;但是當你搜尋「仙人掌」圖片時,所跳出來的結果大部分都是沙漠的景色。我相信大家對於這樣的結果一點都不意外,因為動植物的生長與分布都會受到氣候條件的限制,就如同你不會預期看到野生的獅子會和北極熊當鄰居。

傳統上,在地理學界常被使用的柯本氣候分類法(Köppen climate classification),便是基於氣候會影響自然植被的特性來區分不同的氣候型態,而氣候影響生物分布的特性在考古、地質研究領域也被廣泛應用。舉例來說,有一種名為舌羊齒(Glossopteris)的石炭–二疊紀植物,因為這類植物的種子很大,無法透過風力跨洋傳送,但在南美洲、非洲、印度與南極洲都有發現它的化石,所以可以推斷在早期這些陸地應該是彼此相連,並且氣候環境應是相似。

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舌羊齒化石

既然我們都瞭解氣候會影響生物的活動與分布,那當氣候狀態發生變化時生物該如何因應?對於大多數的動物而言,由於活動能力較強,「遷徙」通常是動物面對大氣環境條件改變的第一選項,所以我們可以觀察到在非洲草原上的野生動物會隨著乾、濕季的變化,而進行大規模和長距離的遷移,候鳥也會隨季節變化而有南遷北返的現象。但是,如果大氣環境條件改變的速度太快或是發生改變的範圍太廣,生物無法在短時間內靠有限的移動找到適合生活的區域,那生物就必須改變生活模式來應對,例如「休眠」。

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氣候影響生物族群分布

過去半個世紀以來,受到氣候變遷的影響,極端天氣事件發生的頻率有增高的趨勢,這意味著若是局部地區大氣環境條件的改變速度加快,當地的生物族群也將面臨一定程度的影響。另一方面,由於受到人類活動的影響,不但造成生物族群原始生存環境的破壞,同時也因為農業的發展導致在一定範圍中出現大面積同質性的作物,使得生物族群間的平衡與生物多樣性也逐漸消失。科學家注意到這些現象,也因此進行了一系列研究。

經過大範圍的調查與研究,科學家們發現生物受到氣候變遷影響,族群分布的狀況已經悄悄地發生了變化。這些改變除了先前提到的物種遷移之外,族群的數量以及生態系中的生物網路也發生了變化。生態學家透過收集與分析歷年生物族群分布狀態與氣候條件的相關性資料,進一步設計出能夠模擬與推測物種族群變化的數值模型。

在一份針對南非地區動物種族群分布與氣候變化的研究中,生態學家便利用這種數值模型推估當地179 個動物族群,在平均氣溫升高2℃的情境之下的族群變化趨勢。數值模擬結果顯示,78% 物種族群會發生縮減,17% 物種族群則產生擴張,大約2% 的族群會停留在當地並滅絕,只有3% 的物種不受到氣候變遷的影響。這一研究結果也顯示,大部分滅絕物種的生活環境都在原先氣候環境就極為乾燥的南非西部地區,存活下來的物種中有41% 動物族群會因為乾旱因素向東遷移,僅有少部分物種會反向往西遷移,這樣的生態現象被稱之為「群體遷移(population shifting)」。

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非洲動物遷徙。Source: wikipedia

這一電腦模擬結果主要展現出先前我們提過的動物有因應氣候變化而遷徙移動的特性,以尋找適合生存環境繁殖下一代。這一方法對於無法自由活動的植物而言,卻是無法達成的任務,那麼植物又要如何因應氣候變遷進行調適呢?在最新的生態學研究中,針對1350 項不同的歐洲植物物種,在7 種不同的氣候變遷情境下進行模擬分析,其結論與先前模擬氣候變遷下動物族群反應的研究出現歧異;在這次的氣候情境模擬結果中,超過一半以上的植物物種將在二十一世紀末出現滅絕的危機。

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更值得我們注意的是,在這些不同的研究結果都顯示,不管是動物族群的遷移或者是植物族群的滅絕,都會造成生態網路重大的變化。生態網路的改變,對於生態系統平衡是非常危險的一件事,很有可能藉由連鎖反應導致更為複雜的生態系崩解問題。雖然動物族群具備移動能力,但做為食物鏈中的任何一個階層,若無法適應氣候的變遷而發生族群數量的變化甚至滅絕,則整個生態系依舊會有崩解危機。另一方面,生物族群的遷移,也可能造成被遷入地區的原始生態系統平衡遭到破壞。所以我們不能單純利用遷徙能力來討論動物與植物族群對於氣候變遷的反應,任何一種物種的族群數量改變都有可能對整體生態系統平衡產生影響。

植物適應氣候變遷的演化

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葉綠體。Source: wikipedia

雖然植物族群因為缺乏快速移動的能力,面對氣候變遷時的調適能力較差,但是也不是束手無策。在植物的演化過程中,植物已經發展出透過調控其生理反應來適應不同的氣候環境的機制。例如,葉片裡的葉綠體是植物行光合作用產生能量的重要胞器,但是如果光照強度太強時,對於植物的生長也會出現不利因素。科學家發現植物在不同的光照強度之下,透過葉綠體在植物葉片內的移動、葉綠體的聚合和分散,或葉綠餅轉向的方式來調整接受光子(photon)的數量。這樣的葉綠體移動(chloroplast migration)過程,是由植物體內的基因進行一系列的訊息調控所導致。

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舉例來說,植物基因中有一種藍光受體基因(phototropin)可以隨著所接收到的藍光強度,透過基因訊息傳遞的機制產生不同指令,進一步調控葉綠餅的移動。在全黑暗的環境下,植物的葉綠體會因為重力的關係沉澱在細胞底部,當細胞接受弱光的照射時,葉綠體會往受光面移動;相反的,當強光照射的時候,為避免過多能量的釋放傷害細胞,葉綠體會往非受光面移動。

此外,在不同的氣候環境下,植物經過長時間演化後,會自然產生對於不同氣候環境條件反應的差異,這樣的差異通常存在於植物基因組內,我們稱為植物多樣性,而植物也可以藉由雜交的方式引進優勢基因,進一步的進行對氣候變遷的調適。

以臺灣的主食稻米為例,在自然環境中自然演化出適合缺水環境的旱稻(upland rice)以及必須生長在豐水環境的水稻(wetland rice)。科學家分別將這兩種稻米基因進行比對分析後發現,在演化過程中稻米裡有一組膜蛋白(Plasma membrane Intrinsic Proteins, PIPs)的控制基因,兩種稻米的「基因表達量」在遇到乾旱時,就會產生顯著的差異。當遇到乾旱環境時,旱稻的PIPs 基因會大量表達,但在相同環境中的水稻其PIPs 卻沒有明顯的反應,而此一差異就有利於旱稻在乾旱環境下生存。透過兩種稻米的雜交,就可以將抗旱基因導入原先缺乏的水稻中,進一步提高水稻的抗旱能力。然而這些防衛機制也都只能因應一定程度的氣候變化,如果氣候變遷的速度與幅度超過植物自體防衛機制能夠調控的範圍,將對於物種的延續將造成不可彌補的傷害。

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台灣稻米。Source: 社企流

氣候亦受生物影響

生物會受到氣候變遷的影響,氣候也會受到生物活動的影響而發生改變。根據地球系統的能量收支平衡原理,當地表狀態改變時可能同時改變了局地的輻射能量收支平衡與水文循環的機制,再造成局地氣候狀態改變。美國的西北太平洋國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory)近期一項研究成果顯示,人為灌溉所造成的地表植被改變,不只增加土壤中的水分含量,更進一步改變了當地的蒸發與蒸散量,所導致的局地氣候反應是大氣比較容易形成淺雲(shallow clouds)。淺雲的存在會增加當地的反照率(albedo),進一步透過大氣輻射平衡機制導致當地的氣溫下降。

這類生物圈與大氣圈之間的反饋機制,最著名的就是1972年由英國科學家洛夫洛克(James Lovelock)所提出的「蓋亞假說」;這個假說剛被提出時因為缺乏嚴謹的科學機制探討,所以並不為學界所接受。

蓋亞假說:
洛夫洛克在1972 年的論文中提到,如果考慮到地球上所有存在的環境系統間會相互影響,那生物圈(biosphere)會扮演十分重要的角色。如果比較地球原始大氣成分與現今大氣的氧氣的含量,便可知道生物的光合作用改變的大氣的組成。這也是造成地球大氣中的二氧化碳含量,與在太陽系中位置相似的火星和金星有顯著差異的原因。進一步的衍生此一概念,在生物與地球系統的相互作用下,能使環境系統構成一個自我調整的整體。

為了解釋此一假說背後的物理機制,洛夫洛克於1981 年利用電腦模式模擬一個表面僅有黑白兩色雛菊的星球地表溫度的變化來說明。這數值模式的結構十分單純,白雛菊反照率高,但是喜歡生長於高溫的環境;黑雛菊反照率低,同時只在氣溫較低的環境中生長。當地表溫度升高時,白雛菊覆蓋的面積將增加,進一步導致地表反照率上升;反照率上升會使大部分的太陽輻射反射回太空,所以所吸收到的淨能量會減少,漸漸的地表溫度便會下降。

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蓋亞學說之黑白雛菊星球。

當地表溫度下降到一定程度時,黑雛菊覆蓋的面積將會增加,導致反照率會降低,進一步使地表溫度再度上升。這樣的生物圈與大氣圈的負回饋機制,可以有效的建立起一個平衡系統;雖然這一過程中的物種分布與數量會不斷變化,但是地表溫度變化卻能被限制在一定的範圍之內。這種完美的氣候系統必須建立在無外在因素干擾的假設之下才可以成立,如果有其他非自然的人為影響,便很有可能導致平衡系統的潰散。

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綜合言之,瞭解氣候變化與生物族群間的反應機制,是我們面對氣候變遷調適的重要課題之一。

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〈本文選自《科學月刊》2015年11月號〉

延伸閱讀:

兩種聖嬰譜出的年代週期
搶救地球Let’s Go—全球暖化與不時風雨

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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

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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末日模擬!從氣候變遷到核戰爭,人類未來將走向哪個結局?
PanSci_96
・2024/11/19 ・1957字 ・閱讀時間約 4 分鐘

科學家模擬的末日場景

隨著二氧化碳排放持續增加,全球的政治局勢日益緊張,世界上各國的承諾屢屢在國際會議中被辜負,戰爭的結束也似乎遙遙無期。警示世界末日的「末日鐘」越來越接近午夜,人類與地球的未來變得越來越悲觀。

這並非一種刻意的悲觀,而是基於氣候變遷和人類衝突升溫的現實。許多人或許和我一樣好奇,末日會不會真的臨近?如果會,那又會是什麼樣的場景?是氣候徹底失控的《明天過後》?還是生態浩劫後的全面沙漠化,需要武力生存的《沙丘》和《瘋狂麥斯》?或者是核戰之後,所有人生存在廢墟中的《異塵餘生》?

我們的未來走向尚未確定,但科學家已經率先模擬了不同的可能結局,讓我們可以一窺未來的模樣。這些模擬告訴我們,如果人類繼續走某些路徑,地球的結局將是如何。至於我們是否能避免這些結果,就得由全體人類共同決定。

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如何模擬出整顆星球的氣候變化?

要模擬整顆星球的大氣變化是一項龐大的任務,至少需要三大要素:理論、資料、和計算資源。

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首先,人類對氣候系統的物理和化學模式需要有足夠的了解,也就是大氣理論必須足夠完備。其次,需要足夠多的資料來模擬整個行星。這些資料包括地球半徑、自轉速度、海洋分布、太陽輻射、大氣成分等等,甚至是地表的狀況與地形。台灣的中央山脈就能影響到西太平洋的颱風走向,進而影響整個東亞的氣候。如果希望盡可能還原地球的真實情況,還需考量海洋的垂直溫度分布、植物分布導致的生物地球化學反應等。

最後,還需要強大的計算資源,也就是超級電腦。由於資料量龐大,每個參數的小誤差都可能引發蝴蝶效應,影響到預測結果。因此,科學家通常會微調各項參數,並對每組參數進行多次計算,這些都需要大量的運算能力。

模擬沙丘中的荒漠星球

科幻小說《沙丘》中的厄拉科斯,經布里斯托大學模擬,揭示未來氣候可能。圖/wikimedia

科幻小說《沙丘》中的厄拉科斯(Arrakis)是一顆完全荒漠化的星球,英國布里斯托大學的亞歷山大·法恩沃斯等人曾對這顆星球進行了模擬。他們使用在研究地球氣候變遷時使用的氣候模型,並結合小說中的設定,如大氣中的二氧化碳濃度和臭氧含量等,模擬了 500 年後的厄拉科斯氣候。

模擬結果顯示,厄拉科斯的赤道和熱帶地區夏季高溫達 45 度,冬季不低於 15 度。而高緯度地區則更為極端,夏季高溫可達 70 度,冬季最低可達 -75 度。由於大氣濕度和雲層的存在,極地反而比赤道更溫暖。此外,儘管小說中描述厄拉科斯幾乎沒有降雨,但模擬顯示高緯度和山區仍會有少量降雨。

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這些結果顯示,科學家不僅愛科幻,也樂於用科學方法來驗證科幻中的設定。這些模擬能讓我們更了解地球的氣候系統,並讓我們警惕荒漠化的危機。

核戰後的世界:核冬天的可怕景象

如果人類全面爆發核戰爭,戰後的世界會是什麼樣子?研究顯示,大規模的核武攻擊將產生大量的輻射塵和煙灰,進入大氣層並遮蔽陽光,導致「核冬天」的到來。

2019 年的一篇研究模擬了美俄之間的全面核戰爭,結果顯示,爆發後的第一年,全球氣溫將大幅下降,北半球的夏季溫度將下降 25 度,冬季氣溫則會降至零下,植物生長期縮短至僅剩 25 天。煙灰遮蔽陽光,導致全球糧食供應崩潰,第二年可能有 50 億人面臨飢餓。

這些模擬結果告訴我們,全面核戰將帶來毀滅性的後果,核冬天將使人類無法正常生活,這是真正的末日場景。

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核戰模擬顯示,氣溫驟降與糧食崩潰將致全球大饑荒。圖/envato

地球的未來會是如何?

地球未來的命運取決於我們今天的選擇。如果我們對氣候變遷置之不理,兩極冰帽將完全融化,海平面上升,許多沿海地區將被淹沒。雖然不至於像《水世界》中那樣極端,但低地區域的居民將面臨嚴重的生存挑戰。

如果人類選擇繼續衝突,甚至爆發毀滅性戰爭,我們的未來將如《瘋狂麥斯》或《異塵餘生》般,生存在廢墟中,面對乾旱、糧食短缺與持續的環境破壞。

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新北「氣候行動徵件」活動總獎金 8 萬元 號召青年展開行動成為氣候領袖
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/23 ・1247字 ・閱讀時間約 2 分鐘

全球正面臨急遽的氣候變遷,世界公民必須共同面對,環保局發布「新北 2024 國際青年氣候行動論壇——氣候行動團隊創意徵件」,鼓勵臺灣青年從校園或社區出發,針對觀察到的環境問題提出行動方案,入選隊伍將獲得專業導師指導並帶領實踐提案內容,最終勝出者不只可獲新臺幣 4 萬元獎勵金,更有機會放眼國際,於年底的紐約荒野中心青年氣候高峰會上展現成果。環保局將於 5 月 24 日下午辦理線上說明會,徵件日期至 6 月 24 日截止,歡迎有興趣參與的學生及老師報名參與!

報名網址:https://reurl.cc/Ke0gQn

環保局表示,新北市已連續 3 年辦理青年氣候論壇,建立與青年交流對話的平台,今(113)年更持續與紐約荒野中心(The Wild Center)攜手,號召青年以行動應對氣候變遷,培養青年成為氣候領袖。實踐淨零永續的道路上,青年的角色非常重要,去年新北市青年氣候論壇邀請到荒野中心氣候行動主任 Jen Kretser,分享了許多紐約青年行動案例,像是大學生於學院頂樓設置太陽能板,實現「上課教室自主發電」的校園計畫,又如同學自發建立校園田園、自主提出畢業晚會減塑需求等,引起與會臺灣青年們的廣大迴響,提出許多問題進行討論。

新北市環保局「2023 新北青年氣候論壇」,邀請到美國紐約荒野中心氣候行動主任 Jen Kretser(左 3),分享了許多紐約青年行動案例

環保局長期關注青年行動力,辦理「環保小局長計畫」、「永續未來學院」、「青年氣候論壇」等活動,致力推動全齡化的環境教育,今發布的「氣候行動團隊創意徵件」,進一步鼓勵臺灣「青」世代成為行動發起者,提出自己的問題觀察與創意解方,並真正落實行動,由青年自己決定從何處開始改變,即使是日常生活中觀察到看似微小的行動,都有可能在實踐後擴大影響到整個校園、社區,甚至整座城市。

環保局說明,氣候行動徵件邀請全臺高中職及大專院校學生,透過影像紀錄、實體行動、循環設計、社群媒體傳播等多元方式呈現創意永續行動提案,徵件至 6 月 24 日止,經初選後 4 組入選隊伍將在新北市展開為期一個月的短期氣候行動實踐,同時由環保局媒合專業導師進行線上課程,最後於 8 月「新北 2024 國際青年氣候行動論壇」進行決選,優勝的隊伍除可獲得獎勵金外,更能持續推展氣候行動並製成行動影片,影片有機會在年底紐約荒野中心青年氣候高峰會上進行分享,讓青年氣候行動與國際接軌。

環保局將於 5 月 24 日下午辦理線上說明會,歡迎有興趣參與的學生及老師報名參與,徵件簡章及更多相關資訊可至環保局官網或「新北 2024 氣候行動團隊創意徵件」活動網站查詢。

※ 5/24 徵件線上說明會報名網址:https://reurl.cc/Ke0gQn
※ 環保局官網簡章:https://www.epd.ntpc.gov.tw/Article/Info?ID=11254
※ 「新北 2024 氣候行動團隊創意徵件」活動網站:https://greenage2024.com

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本文轉自新北市政府環境保護局網站

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