網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策
test-2021_Pansci_All_Top

0

0
0

文字

分享

0
0
0

大洋中的垃圾海

大海子
・2013/05/26 ・1821字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

漂流在海中的塑膠袋是幽靈殺手 陳邦欽攝
漂流在海中的塑膠袋是幽靈殺手

海洋佔地球面積的百分之七十左右,任何陸地上所產生的垃圾,若沒有好好地處理的話,最後很容易都流落到海中,並隨著洋流在全球五大洋中四處竄流,有些甚至隨著海浪被沖上世界各地的海岸;像日本311大地震中被海嘯帶入海中的物品,在兩年後被北太平環流送至美國西岸被發現,就是最典型的例子。

海洋中的幽靈殺手

令人感到驚訝的是海洋垃圾中有高達80%的比例來自於陸地上的廢棄物,其中又以塑膠類的廢棄物最多,如塑膠袋、瓶蓋、寶特瓶等等生活中常見的用品,這些看似微不足道的小東西,在海中往往成為殺害海洋生物的元兇,如海龜常常誤食被稱為「幽靈水母」的塑膠袋,因堵塞了腸胃而無法進食,導致活活的餓死;科學家曾解剖一隻擱淺的小鬚鯨,赫然發現胃中居然有800公斤的塑膠袋。不僅如此,在離夏威夷上千公里遠的蠻荒小島上,即使人煙罕至卻處處可見海鳥的骸骨腐屍,誤把塑膠碎塊當食物啄食而不幸喪命,令人怵目驚心,此種情況也說明海洋垃圾不僅僅危害海洋生物而已,也已經嚴重威脅到海鳥的生存了。

巨大垃圾海

太平洋地區出海的垃圾海(黃色點為垃圾集中之處)
太平洋地區出海的垃圾海(黃色點為垃圾集中之處)

隨著洋流的交流匯集,海洋垃圾已經在三大洋中形成超級「垃圾海」,簡單來說,就如同垃圾山收集了來自四面八方的垃圾一樣,垃圾海也成了海洋垃圾的集中場所。目前全世界三大洋中大約形成了五大垃圾海,且幾乎每10年就增加一倍的面積;其中太平洋的垃圾海面積超過一百三十九萬平方公里,規模之大,約是台灣島面積的39倍,這些垃圾來自於環太平洋的每一個國家,亞洲地區包括日本、韓國、中國大陸、台灣及東南亞各國,無一例外。

test-2021_Pansci_All_inread_p4

垃圾海不僅威脅航海與漁業的安全,也已變成國際性的海洋環境污染重大議題。美國政府曾嘗試將海洋垃圾撈起,然而發現在打撈垃圾的過程中也意外的捕撈到許多海洋生物,造成另一波的傷害,因而作罷。目前各國政府對垃圾海仍束手無策,只能發布航海安全警訊,並對垃圾海進行長期的監測與研究,希望能早日找出有效的解決方法。

塑膠垃圾顆粒危害環境生態

海洋垃圾中有許多塑膠製品 楊美雲攝
海洋垃圾中有許多塑膠製品

目前最令人擔憂的是這些海洋垃圾不易被微生物分解,即使分解最快的也需要百年之久,而分解過程中又會造成另一種海洋的污染傷害,像塑膠垃圾受到紫外線照射的影響,分裂成細小的顆粒,有些被海浪沖上岸混入沙中難以清除;有些堵塞了海洋生物的口器或卡在消化道當中,讓生物無法順利進食;有些塑膠顆粒則像磁鐵般會吸附海中如戴奧辛等的有毒化學物質,如果這些顆粒被海洋食物網中最底層的生物吞進肚中,不僅會破壞生物生理功能的正常運作,更令人擔憂的是,隨著生物累積的放大作用,這些毒素的濃度在食物鏈的高階掠食者–如大型海洋哺乳類(如海豚)或魚類(如鮪魚),都可能已經是原有海水濃度的好幾百倍,而位居海洋食物網頂端的人類,萬一吃到這些含有劇毒的生物,後果將不堪設想。

垃圾減量才是良方

海洋是全世界最重要的生態系,沒有海洋就沒有地球,地球的發展可以不需要人類存在,但是人類的生存卻不可以沒有地球,沒有海洋。雖然目前的科技尚未能有效清除海洋垃圾,但是處理垃圾最有效的方法不外就是從垃圾減量做起,尤其是減少塑膠製品的使用量,日常生活中做好資源回收,嚴禁亂丟垃圾,要比事後參與淨灘淨海的活動要有效的多了。

塑膠袋做的水母提醒海洋垃圾的嚴重性 陳勇輝 攝
塑膠袋做的水母提醒海洋垃圾的嚴重性 陳勇輝 攝

本文有舉辦有獎徵答活動,相關連接請參考國立海洋生物博物館網站或國語日報,請踴躍參與活動,一同愛護海洋。

test-2021_Pansci_All_inread_p8
文章難易度
Ad manager Post Bottom code
[集雅]廣告測試
大海子
53 篇文章 ・ 0 位粉絲
希望以人文關懷的觀點,將海洋生物世界中的驚奇與奧妙, 透過多媒體的設計與展現,分享個人心得給社會大眾, 期望能引起更多人關心海洋的公共議題, 為保護海洋略盡一份心力。
2021_Pansci_PC_sidebar_Top

0

0
0

文字

分享

0
0
0
可以被海洋生物分解的新型塑膠,竟然是用纖維素、澱粉做出來的!
活躍星系核
・2020/11/20 ・1909字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 沈培恩|渴望對科普有一點微薄貢獻的小小社畜、李怜慧

當我們提到纖維素、澱粉時,是不是會馬上想到中午便當裡的炒青菜、白飯呢?然而,今日要討論的可不是午餐菜色!現在,纖維素、澱粉化身為科學家的重要材料,並且成功藉此研發出更環保的「塑膠」。

這是來自日本大阪大學宇山浩教授團隊的研究成果,長期以來,宇山浩教授的團隊一直都致力於環保材料的研發,並在今年順利開發出以纖維素與澱粉為原料的塑膠。

想讓海洋變美麗?請把塑膠變不見

塑膠垃圾摧毀海洋生態問題日益嚴重,開發具海洋生物分解性之塑膠是未來必要的開發趨勢。圖/Pixabay

因工業發展與日常消費產生的塑膠垃圾,其難以被分解的特性,對環境造成的汙染日益嚴重,其中許多塑膠垃圾從都市或鄉村逸散,隨著雨水或河水流動,從陸地最終流入大海,無論是以塊材或是微粒的方式,它們都正在狠狠地摧毀海洋生態與環境,因此開發具生物分解性之塑膠——更精確地說,是具海洋生物分解性的塑膠——是一條勢在必行的路。

test-2021_Pansci_All_inread_p4

隆重歡迎塑膠界新生代——纖維素與澱粉

日本,可謂是全世界在海洋生物分解性之塑膠材料的領頭羊,除了正積極向國際標準化組織 (ISO) 等組織提案關於海洋生物分解性塑膠之標準外,相關材料的研發也正如火如荼地進行著1

到目前為止,以三菱化工生產的 PBS2 及鐘淵化工生產的 PHBH3 為首,日本的企業已開發出多樣的海洋生物分解性塑膠,然而這些材料目前仍因突破不了產量低及價格高等難關,在普及方面尚無法有更進一步的發展。

宇山浩教授領導的研究團隊看見了纖維素與澱粉這兩種天然材料在海洋生物分解性塑膠領域的潛力,便致力於相關開發,並於今年順利以纖維素與澱粉為原料,開發出具海洋生物分解性之塑膠4

剛中帶柔~高強度卻又容易破洞的塑膠

澱粉價格低廉且具生物分解性,但由於耐水性不佳的關係,在過往綠色塑膠材料的研究裡並不太廣泛地被應用。此次,宇山浩教授的團隊順利透過同為醣類的纖維素,與澱粉相互強化,製備出透明且具高強度之塑膠,為澱粉在生物分解材料的應用上開啟了新的篇章。

test-2021_Pansci_All_inread_p8

事前,宇山浩教授團隊將 TEMPO 氧化之纖維素註1 與澱粉進行反應,使纖維素與澱粉間產生大量的鍵結,所得到的塑膠膜在外觀上非常透明,與纖維素之衍生物不透明的外觀在直覺上相去甚遠(圖 1)。

圖 1 利用纖維素與澱粉合成的塑膠膜的外觀。
圖/大阪大學宇山浩教授提供

另外,在強度方面,宇山浩教授團隊所開發的塑膠膜具有非常好的機械強度 (mechanical strength) ,在拉伸測試中它可承受的應力比一般塑膠高出 2 倍,比較不容易被破壞。 此外,該材料具有不同於其成分澱粉的良好耐水性,在水中浸潤後仍能維持良好的機械性質。

除了良好的機械性質外,當它在海水中浸潤一個月後,會產生許多孔洞,並有大量的細菌附著,說明了此材料也具備了良好的海洋生物分解性(圖 2)。[4, 5]

圖 2 分解時材料內部產生之孔洞,有利於分解的進展。
圖/大阪大學宇山浩教授提供

未來塑膠,取用自然,回歸自然

纖維素與澱粉皆為非常容易取得且價格低廉的天然材料,其中纖維素更能由稻稈等農業廢棄物取得,間接地促成了廢物再利用,也能夠減少燃燒農業廢棄物可能產生之溫室氣體,再加上材料製造過程簡單,可謂是從源頭、製成到產品皆對環境永續有極大貢獻之綠色材料。

test-2021_Pansci_All_inread_p12

目前,宇山浩教授的研究團隊正與企業合作,積極地開發該材料的工業化製程,以量產為目標邁進,期許在未來的某天,能夠取用於自然,再讓它回歸自然,不影響生物活動空間與生存權利,讓塑膠垃圾能不再是海洋生物或環境的生存殺手。

註解

  1. 使用化學物質 TEMPO 將纖維素的羫基氧化,氧化後,就能夠與澱粉的羫基反應,並產生鍵結的醛基。

參考資料

  1. 海洋生物分解性塑膠之標準化之推動
    https://www.meti.go.jp/press/2019/07/20190722003/20190722003.html
  2. PBS (三菱化工)
    https://www.m-chemical.co.jp/products/departments/mcc/sustainable/product/1200364_7166.html
  3. PHBH (鐘淵化工)
    https://www.kaneka.co.jp/business/material/nbd_001.html
  4. Soni, R., Asoh, T. A., & Uyama, H. (2020). Cellulose nanofiber reinforced starch membrane with high mechanical strength and durability in water. Carbohydrate Polymers, 116203.
  5. Soni, R., Asoh, T. A., Hsu, Y. I., Shimamura, M., & Uyama, H. (2020). Effect of starch retrogradation on wet strength and durability of cellulose nanofiber reinforced starch film. Polymer Degradation and Stability, 109165.
Ad manager Post Bottom code
[集雅]廣告測試
活躍星系核
818 篇文章 ・ 1 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

0

0
0

文字

分享

0
0
0
從吸管限用開始,我們該如何拯救被塑膠淹沒的海洋?
活躍星系核
・2019/06/30 ・4514字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

文/顏寧|綠色和平海洋專案主任

G20 高峰會剛落幕,各國領袖達成共識,致力在 2050 年前消除海洋垃圾,推動各國立法減塑。七月一日,臺灣將開始全亞洲第一個吸管限令:包括公部門、私立學校、百貨業與連鎖速食業內用皆不得提供吸管。預估一年可減少一億根吸管、約 1% 的吸管使用量。另環保署也將以此評估,決定是否明年擴大至外帶飲料與手搖杯業者。

塑膠垃圾對生物的影響:誤食、纏繞、改變生態系

網路上一則倒楣海龜鼻孔插進吸管,最後被救傷人員拔出的影片引發熱議。拔除過程中海龜痛苦不堪的畫面,不只讓人為之鼻酸,更掀起全球的拒用塑膠吸管熱潮。塑膠製品無法在自然環境中分解,一旦製造,至少會留存環境百年,造成許多生物因此纏繞或誤食,引發受傷、生病甚至死亡。

test-2021_Pansci_All_inread_p4

去年六月,鳥友在宜蘭大溪漁港拍到一隻鳳頭燕鷗,嘴喙上卡著一根塑膠吸管。今年同樣在燕鷗繁殖季節,又在蘭陽溪口發現一隻鳳頭燕鷗嘴喙卡著一個拉西環1,久久無法掙脫。從海洋保育署今年第一季的海龜及鯨豚通報救傷統計來看,漁業誤捕、漁業廢棄物與人造塑膠垃圾,已成為海洋生物擱淺死亡的主因之一 。而除了海鳥、海龜與鯨豚類容易獲得人們較多關注,其實越來越多魚類與無脊椎生物也因塑膠垃圾受害。

所有常用的塑膠都不是生物可分解的,它們會因陽光紫外線照射、風跟海浪等外力作用,裂解成不到 5 公釐的細小塑膠碎片。研究指出,每年最多有 1270 萬噸塑膠垃圾排入海中,相當於每分鐘一卡車的垃圾,源源不絕的往海裡倒 3。其中 47% 是塑膠包裝和一次用的製品,材質以聚乙烯(polyethylene,簡稱PE)和聚丙烯(polypropylene,簡稱PP)為大宗。4 這些塑膠碎片分佈的範圍無遠弗屆,從極地到熱帶、從海水表面、沿岸到海洋最深處的馬里亞納海溝,都有微塑膠的蹤跡。

 

今年國家地理雜誌六月份的封面故事〈誰吃了海洋微塑膠〉,報導美國海洋與大氣總署(NOAA)的科學家,在夏威夷外海油狀物區域做仔稚魚研究的駭人發現。簡單說,仔稚魚是新生的魚寶寶,經常聚集在油狀物匯集的海上覓食,而了解仔稚魚是研究漁業和魚群狀態非常重要的一環,不過因為仔稚魚又小又脆弱,使得仔稚魚的研究困難重重。研究人員驚訝的發現,在海面油狀物裡微塑膠濃度超高,微塑膠的量是仔稚魚的七倍以上,意謂著仔稚魚一張嘴就會吃到塑膠。

對新生仔稚魚來說,能吃到東西代表能多活一天,但若第一餐吃下的是塑膠,牠們可能等不到下一餐。雖然目前對魚類吃下塑膠所造成的傷害,科學界還沒有定論。但從實驗室裡的檢驗,讓科學家得以推測魚類的食慾、反應和成長速度都會受到影響;而仔稚魚生存狀態的細微變化,會轉為整體魚群的巨大變化,連帶影響到上層的食物鏈。

test-2021_Pansci_All_inread_p8

臺灣海生館副館長陳德豪帶領研究團隊,在恆春半島海域採集 117 隻珊瑚礁與洄游性魚種,發現九成五的魚類腸胃裡都有微塑膠,每隻魚體內至少有 5 個塑膠碎片,體型最大的鬼頭刀甚至有 32 個。另外,研究團隊也觀察海生館救傷收容的 21 隻海龜。從綠蠵龜、橄蠵龜和玳瑁的糞便裡,發現水果網袋、塑膠袋、糖果包裝紙、橡皮筋等,每隻海龜都吃下了數量不等的海洋廢棄物,比例高達百分之百,無一倖免。

受到塑膠污染影響的不只是野生動物,就連人類也開始受到大量消費塑膠製品的後果。世界自然基金會(WWF)的最新報告指出,平均每人每週吃下 5 公克的微塑膠,相當於每個禮拜吃掉一張信用卡。微塑膠無所不在,我們呼吸的空氣、我們吃的食物,以及我們喝的水都有微塑膠。那我們還能怎麼辦?面對不斷宣洩而下的水流,最重要的是關緊水龍頭的決心。

為什麼要從塑膠吸管禁起?

臺灣人一年用 30 億根吸管,算起來平均每人三天用一根,一天就有 800 萬根。雖然吸管在技術上是可以回收的,但可回收吸管的縣市只占少數5,要回收還需先沖洗乾淨,否則不但細菌孳生,更會影響回收品質。另外,吸管體積小質量輕,雖然技術上可回收,但回收利潤低,不足支付分類成本,經濟上沒有回收價值。

現行的機制底下,塑膠吸管回收並不符合經濟價值。 Image by Ulrike Leone from Pixabay

test-2021_Pansci_All_inread_p12

從在地環保團體過去十多年來的淨灘數據,吸管加上手搖杯、塑膠袋與免洗餐具等,總是蟬聯淨灘垃圾前五名。南非學者研究數個與開普敦城市不同距離的海灘發現,越輕、體積越小的垃圾,尤其是塑膠袋和食品包裝袋,因浮力小,主要聚集在鄰近城市區域的海岸上,不容易漂到太遠的地方。6換句話說,這些日常飲食相關,多半是聚乙烯或聚丙烯材質的一次用塑膠製品,主要來自於本地的消費,而不是從國外海漂而來。它們隨著河流或排水溝散溢到環境,最後擱淺在海岸上。

用得多卻回收不易,最好的方式還是減少使用。包括綠色和平在內等數個關心海廢議題的環保團體,與環保署共組海廢治理平台,在去年公佈的海廢治理行動方案中,特別將吸管、塑膠袋、免洗餐具與手搖杯納入減塑時程表中,從現在開始以限用、收費逐步走向 2030 年全面禁用。速食龍頭麥當勞率先停止提供塑膠吸管,改用就口杯鼓勵民眾直接喝。新的就口杯蓋,比起原本杯蓋加上吸管少了 0.4 克,麥當勞評估可減少 16% 塑膠。臺灣肯德基也跟進,鼓勵民眾撕開封膜飲用,預計一年減少 2 萬 5 千公斤塑膠量。

海灘上和日常飲食相關的一次用塑膠製品,由於質地較輕,主要是在地的產物,而不是從國外海漂而來。Image by Jasmin Sessler from Pixabay

生物可分解塑膠為什麼不好用?

減塑政策推得沸沸揚揚,在消費者改變習慣之前,替代材質常是各方辯論的焦點。的確,市面上有具有潛力的替代材料,最普遍的生物可分解材質 PLA 與新興的 PHA 兩者都是可自然分解的塑膠,分解後最後剩下二氧化碳、水與其他殘留物。PLA 是利用玉米、木薯、麥桿和稻稈等植物中的澱粉和纖維素,經發酵後產生乳酸,將乳酸聚合,形成聚乳酸 (polylactic acid 或 polylactide,簡稱 PLA)。PHA則是厭氧菌合成的聚合物,好處是 PHA 可以在海洋中分解7,且 PHA 比 PLA 更耐熱,PLA 耐熱性只有 60 度,PHA 可耐熱到 140 度,比 PLA 更適合盛裝熱食。

實際上,這些「替代材質」最棘手的問題其實是:

(1)其實,可自然分解不是那麼「自然」,而是需要特定情境。PLA必需在工業堆肥的環境中才能分解,也就是高溫(60 度)、高濕與厭氧菌的環境下,可能在 60 天內可分解九成。但若環境條件不同,分解時間會更久(90 天到 180 天都有可能),分解程度也可能受到影響。而 PHA 在海中分解的速度也跟溫度、深度與菌種多寡有關。

(2)PLA 外觀與一般塑膠無異,消費者根本無法分辨。

(3)最後,PHA 雖比 PLA 耐熱、分解條件較寬鬆,但因為生產成本過高,目前還無法大量生產。

(4)目前 PLA 主要來源為玉米,可能面臨基因改造與競爭糧食種植的其他問題。

減塑政策與塑膠產業的拉鋸戰

臺灣的吸管禁令,先限制四大場所內用不提供塑膠吸管,雖然還沒有全面禁用,但已射出亞洲的第一箭。其他國家像蘇格蘭、萬那杜、牙買加、英格蘭(2020)和歐盟(2021)也陸續喊出禁用包括吸管在內的一次用塑膠製品。在國家層級之外,還有美國西雅圖、紐約、舊金山與加拿大溫哥華等城市,由當地市政府通過禁用吸管法案。

塑膠產品這麼多,該怎麼處理才能夠有效的減塑呢?Image by meineresterampe from Pixabay

不過,可別小看美國石化產業的遊說手腕,像佛羅里達就堅決不向減塑運動低頭,即使州內至少 10 個海灘小鎮都已開始實施吸管禁令,議會仍通過「在未來五年內都不准禁用塑膠吸管」的法案8。 另外,星巴克雖然是最早喊出全球分店都停用塑膠吸管,但比起原來的杯蓋加吸管,新推出的寶寶杯蓋重量卻不減反增9 。作為全球飲品企業巨頭,建議星巴克可以多向臺灣麥當勞學習,也期待臺灣麥當勞能鼓勵其他地區分店跟進,全力減塑。

塑膠吸管限用,減塑的下一步呢?

縱觀各國,處理減塑最普遍的作法是對塑膠袋的管制,作法包括直接禁用、禁止一定厚度或付費取得。但塑膠產品這麼多,一項一項禁,真的來得及挽救我們的海洋?國際上腳步最快的是歐盟,與其分別設定個別塑膠製品的減量時程,直接魄力喊出 2021 年廣泛禁用 10 項海灘上常見的塑膠製品,以及寶特瓶的回收率需在 2025 年達到九成。而擁有全球最長海岸線的加拿大受到歐盟鼓舞,同樣訂定最快在 2021 年,禁用如塑膠袋、吸管、塑膠餐具杯碟與攪拌棒等有害的一次用塑膠製品。10最近加州也跳脫過往與石化業者和塑膠製造業者,在保麗龍餐盒、塑膠袋和塑膠吸管戰場上的較勁,提出在 2030 年減少 75% 一次用塑膠包裝與製品的法案。11

「如果我們要修補這個系統,我們需要實際提出一個系統性的解決之道。」

——「東西的故事(Story of Stuff)」倡議總監史提夫.威爾森(Stiv Wilson)

立法絕不是萬能,但是法令規範是最有效率的方式,配合後續的執法與民眾消費習慣改變,才是真正能降低塑膠使用量的關鍵。根據聯合國的統計,以目前實施減塑或限塑的國家來看,30%的國家在法律上路的第一年,塑膠袋的消費就顯著下降;但也有 20% 的國家沒什麼變化,原因是缺乏執法,以及缺乏民眾可負擔的替代產品。甚至,後者的國家還因此誕生塑膠袋走私與黑市的需求,或是以法律沒有規範的厚塑膠袋企圖規避。

臺灣已公布四項一次用製品的減量時程表。圖/環保署一次用產品源頭減量宣導網

臺灣已跨出吸管限用的第一步,雖造成小小不便,仍有許多民意支持。相較於其他國家,目前臺灣已公布四項一次用製品的減量時程表,臺灣絕對有潛力作為亞洲的減塑領袖。未來我們也期待看到環保署能加快腳步,以歐盟為目標,並加強環境教育,鼓勵循環經濟的創新設計與服務,讓臺灣擺脫濫用塑膠的惡名。

參考資料與註解:

  1. 拉西環是洗滌塔的填充濾材,英文為 raschig ring(拉西環)或 packing(填充球、環保球、生化球)。濕式洗滌塔是一種將污染氣體大面積與液體接觸後,把有毒物質留在水中,乾淨空氣排放出去的裝置。焚化爐跟化工廠的煙囪都會安裝洗滌塔,以滿足排放標準。
  2. 三月擱淺的柯氏喙鯨胃裡有大量塑膠垃圾。海龜的部分,全台一共有 103 隻海龜通報案件,其中 82 隻已經死亡,19 隻是漁業誤捕,還有 3 隻遭廢棄漁網和漁線纏繞。
  3. J. R. Jambeck, R. Geyer, C. Wilcox, T. R. Siegler, M. Perryman, A. Andrady, R. Narayan & K. L. Law (2015). Plastic waste inputs from land into the ocean. Science 347, 768–771.
  4. Geyer, Roland, Jenna R. Jambeck, and Kara Lavender Law (2017). Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances 3, e1700782.
  5. 根據中央社(2018)報導,目前可回收吸管縣市如下:新北市、基隆市、南投縣、嘉義市、台南市、金門縣。
  6. Fazey, F.M.C. and Peter G. Ryan (2016) Debris size and buoyancy influence the dispersal distance of stranded litter. Marine Pollution Bulletin (110): 371-377.
  7. Gross RA, Kalra B (2002) Biodegradable polymers for the environment. Science
    297:803–807.
  8. Florida lawmakers pass bill prohibiting plastic straw bans in cities
  9. 依星巴克杯子大小不同,原本杯蓋加吸管重量為 3.23 與 3.55 克,新的寶寶杯蓋分別是 3.55 與 4.11 克
  10. Canada to ban harmful single-use plastics and hold companies responsible for plastic waste
  11. California Circular Economy and Plastic Pollution Reduction Act.(2019-2020)
Ad manager Post Bottom code
[集雅]廣告測試
活躍星系核
818 篇文章 ・ 1 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

0

0
0

文字

分享

0
0
0
海洋吸塵器啟動!咦?怎麼一下就結束了?
活躍星系核
・2019/06/06 ・3629字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 顏寧│海洋說書人,每週介紹一本海洋相關的設計類繪本或書籍。因航行而開始喜歡海洋,目標是成為一位海洋博物學家。

史上最強募資計畫!全世界海洋滿滿的塑膠垃圾,就靠這支吸塵器來救了!身負眾望的清理行動,卻出師未捷,暫時得拖回修理。

什麼,一點也不意外?請聽我從頭說起吧。

2018年9月4日,威爾森風光的下水典禮。圖:The scientist

16 歲時在希臘的一次潛水,親眼看見海裡的塑膠袋比魚多的畫面後,荷蘭青年柏揚.史拉特( Boyan Slat )發下宏願,打算用海洋吸塵器把全世界海洋清乾淨。此番豪語吸引了上千萬美元的捐款,他 18 歲就成立了自己的組織「海洋清理行動( The Ocean Cleanup ,後簡稱 TOC )」。雖然短短幾年,小鮮肉突然變成滿臉鬍渣的(即將步入)中年男子,他信心滿滿,宣稱只要有 60 個這樣的系統,就能在2025年減少海上一半的垃圾

test-2021_Pansci_All_inread_p4

去年九月,眾所注目、小名威爾森的系統 001 ( System001 )(也就是俗稱的海洋吸塵器)浩浩蕩蕩從舊金山出發,當時我還認真追了兩個小時的直播。沒想到,過了幾個月,從「嗯天氣不理想我們還在試」、「出現塑膠!但它漂走了我們還在研究為什麼」、「系統調整中」、「系統調整中但速度不理想」、「嗯……威爾森要先回港口修理」,到今年一月初慘烈的「哎呀它斷了」。雖然史拉特面對接踵而至的打臉酸文表示:「說我失敗的都是胡扯!這本來就是實驗,邊做邊學也是很正常 der 」。這個史上最強募資的環境行動,到底告訴了我們什麼。

在討論海洋吸塵器到底可不可行之前,讓我這個物理苦手,翻譯加拿大海洋物理學家克拉克.理查( Clark Richards )博士從流體力學的角度來看海洋吸塵器為何失敗的文章。

一句話總結本文:大海強而有力,而且喜歡把東西扯爛(>///<),吸塵器爛掉也只是剛好而己

簡單說,海洋是個很難工作的地方。說真的,有專門讓工程師把設備丟到海裡看有多少能生還的研討會,他們這樣形容:如果你能把設備拿回來,代表那是成功的計畫;如果它還能紀錄到任何數據,那就是錦上添花了。

TOC 提出的是一個自由漂浮的系統 001 ,團隊宣稱在洋流、風和海浪的作用下,系統 001 會比塑膠漂得更快,然後把塑膠垃圾集中到 U 字形的圍欄中間,就可以輕易的蒐集垃圾。

test-2021_Pansci_All_inread_p8

系統001的任務與長相示意。(點圖放大)圖/System 001 Mission Plan

理想情況是:風、海浪和洋流全都是往同一個方向走。

影片中所呈現的,系統 001 作為垃圾收集系統的前提是:通過風,波浪和洋流的共同作用, U 形圍欄會比漂浮的塑膠垃圾更快地掠過水面,因而能夠收集、集中垃圾,最後清除。  TOC 的想法是:雖然圍欄和塑膠垃圾都會隨著洋流而漂移,因為圍欄像帆一樣從水中凸出,所以它能藉由風力,移動得比表面水層更快。

以下我用我覺得比較親民的方式,來跟大家介紹一下克拉克.理查博士概略的描述波浪跟風的運作,與環流和太平洋垃圾帶。

1.海浪的移動方式比你想像得還複雜

海浪移動的期間,水粒子以小圈圈(通常稱為波浪軌跡)的方式移動,可看下面動畫了解圓形軌跡的移動。簡單來說,海浪前進時同時受到前進的動力與軌道力的作用。另外,波浪在傳播時,它的方向也會有一些漂移,為了紀念 1847 年用數學方法來描述這個漂移的斯托克斯先生( Gabriel Stokes ),我們就把這稱為「斯托克斯漂移( Stokes Drift )」。斯托克斯指出,漂移量是非線性的,取決於波幅與波長。舉例來說,對波長 10 米、週期 10 秒(類似於典型的海浪)的 0.5 米振幅波,表面的漂移速度約為 10 公分/秒。

test-2021_Pansci_All_inread_p12

覺得頭很脹的同學別緊張,以上只是要說明,任何在水裡、被水粒子包覆的東西要移動,都需考慮到力、推進波、波浪動能的不同組成(讓我們緬懷親愛的牛頓與逝去的物理課……)。而比起巨大的、長達600米的漂浮圍欄,一塊小小的、漂浮的塑膠垃圾,會更容易受到斯托克斯漂移的影響。而單單這點就足以打臉這套被動收集系統了,史拉特你怎說?

2. 風向跟水流不會往同一個方向

因為科氏力的關係,風吹過水面產生的水流是與風向是有角度的。/圖/wiki commons

1905 年,瑞典海洋學家艾克曼( Vagn Walfrid Ekman )發現,當風吹過海水表面,因空氣和水之間摩擦力產生的水流,並不會跟著風往同一個方向移動。原因是由於地球自轉,地表物體的運動會受到與運動方向切線的加速度,讓原本直線的運動沿著彎曲的路徑走,也就是科氏力( Coriolis force )。

總之,在理想的大海(如果世界上真的存在這樣的地方……)上,表面吹著穩定的風,表面的水流實際上跟風向是呈 45 度角。至於是往左還往右 45 度,則取決於你在北半球還南半球。更酷的是,表層的水流也會對其下方的水層產生摩擦力,以致下方的水層也會有個角度的移動,層層往下以此類推。風所造成的流動,會隨著深度而作用力漸小,因此產生了一個梯度向下的螺旋,稱為艾克曼螺旋( Ekman spiral )。

螺旋穿透的實際深度取決於一個叫做 Az 的神秘海洋參數,它描述了水層之間垂直混合的動能,有點像是它們之間的摩擦力。不過,很明顯的是,靠近表層漂浮的塑膠碎片跟 3 米深的浮動圍欄,它們承受的風力和水流是不一樣的,因此,它們也不會朝著同一方向移動的。嗯……這個結論,會讓系統 001 很難收集塑膠垃圾啊。

3. 環流是平均值,實際的方向亂七八糟

什麼是環流?如果把時間軸拉長、洋流是平均的狀態下,的確我們可以看到一個龐大的、旋轉的巨大海流。不過,在任何一個瞬間,實際的大海受到不同空間和時間尺度、亂七八糟流(簡稱為「亂流(或擾流)」)的作用,沒那麼容易掌握啊。簡單說,風、波浪和流場在空間和時間上都是高度變動的,而且從不會在同一個時間乖乖的停在同一個地方。同一時間、地點的洋流和波浪,也不盡然是該地點的風所造成的。大海裡經由各種不同過程產生的漩渦,會在力量消散前傳播到海洋盆地的各個角落。

這是海流。圖/https://earth.nullschool.net/。

這是波浪。圖/https://earth.nullschool.net/。

這是風。圖/https://earth.nullschool.net/。

在這樣的情況下,系統001想要在茫茫大海中找到太平洋大垃圾帶,即便有垃圾帶大致分佈的位置,但系統001如何能及時回應瞬息萬變的各種風、波浪和海流?

 與其花錢製造海洋吸塵器,不如解決垃圾

2004年,首篇提出「微塑膠( microplastic )」一詞,持續投入微塑膠研究十餘年,被海廢界尊稱為微塑膠教父(誤)的理查.湯普森( Richard Thompson ),人們問他怎麼看這個史無前例的清理計畫?他說:

如果我有那~麼大的一筆錢,我希望 95 %用於防止垃圾進入海洋,只把其中 5 %用於清理。

發起全球淨灘行動( International Coastal Clean-up )的非營利組織海洋保護協會( Ocean Conservancy )不看好這個行動。首席科學家喬治.里歐納( George Leonard )表示:

我們海洋保護協會對這個計畫抱持高度懷疑,但我們希望它能成功。不過,如果你不阻止塑膠流向海洋,一切都是徒勞無功。

澳洲聯邦科學與工業研究組織 CSIRO (類似台灣工研院)學者丹妮絲.哈德蒂( Denise Hardesty )強調,海洋吸塵器絕不是萬靈丹。她認為,我們可以更有智慧的投入資源,聚焦於源頭,趁垃圾到達海岸前就攔截、清除。她說,就像浴室淹大水,你會很慶幸有拖把和抹布,反正最後我們還是要把它擦乾淨;但是,如果水還繼續再漏,我們要先想辦法把水龍頭關起來。

為什麼不把水龍頭關掉?圖: Credit: 高月紘|ハイムーン工房のホームページより/https://highmoonkobo.net/?p=2731。

錢該怎麼花才是最有效?

澳洲政府每年花超過 100 萬澳幣在清垃圾,研究團隊評估到底錢怎麼花,最能夠有效減少垃圾。他們發現,投資在廢棄物管理(包含回收、防止亂丟垃圾和非法棄置的政策和教育),比預算單純用在清掃上,更能夠有效減少海岸上的垃圾。這個故事有興趣的朋友可以直接看 paper 本人,中文版容我之後再細細說明了。

編按:關於海洋吸塵器的來龍去脈,請詳見延伸閱讀〈出師未捷的海洋吸塵器(The Ocean Cleanup),從頭說起

Ad manager Post Bottom code
[集雅]廣告測試
活躍星系核
818 篇文章 ・ 1 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia