綠色紡織品概論-(三)溫室氣體對地球環境的危害與改善對策

何謂溫室氣體

所謂溫室效應(Greenhouse Effect)係指由於大氣中某些氣體如水蒸氣(Water Vapor)、二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物、全氟碳化物、六氟化硫等吸住太陽的能量導致地球溫度升高的意思。如果沒有這些氣體,熱量將重回太空而地球平均溫度也可降低至16℃(60℉),這些氣體由於會將地球暖化,故又稱之為溫室氣體(Greenhouse Gases, GHGs),各種溫室氣體對溫室效應的能力不同,對全球升溫貢獻度(影響度)亦不同,可用「全球暖化潛勢」(Global Warming Potential, GWP)顯示,亦即可用某一溫室氣體與CO2比較估算期造成全球暖化(Global Warming)的貢獻能力(CO2的GWP定義為1)(參見表1)。美國為當今全球溫室氣體排放量最大的國家(參見表2)唯至今美國尚未簽署京都議訂書。唯美國聯邦眾議院於2009年6月26日通過「美國乾淨能源與安全法案(The American Clean Energy Security Act)」,此案尚待參院通過。該法案對美國減少二氧化碳等溫室氣體訂出具體目標,以2005年的排放總量為基準,要求在2020年減少17%,至2050年減少排放量83%。

表1 各種溫室氣體之留存期與GWP值
氣體別
留存期(年)
Lifetime(Years)
全球暖化潛勢

(GWP time horizon 100 years)

中文名
英文名/簡稱
化學式
甲烷
Methane
CH4
12
25
氧化亞氮
Nitrous oxide
N2O
114
298
氟氯碳化合物
(Chlorofluorocabon; CFCs)
CFC-11
CCl3F
45
4,750
CFC-12
CCl2F2
100
10,900
CFC-13
CClF3
640
14,400
全氟碳化物
(Perfluorocabon; PFCs)
CFC-113
CCl2FCClF2
85
6,130
CFC-114
CCl2FCF3
300
10,000
CFC-115
CClF2CF3
1,700
7,370
氫氟碳化合物
(Hydrofluorocabon; HFCs)
HFC-23
CHF3
270
14,800
HFC-134a
CH2FCF3
14
1,430
六氟化硫
Sulfur hexafluoride
SF6
3,200
22,800

資料來源:2007IPCC Fourth Assessment Report (AR4) by Working Group 1

表2 2004年全球排名前10大二氧化碳排放國
排名
國家
年排放量    
佔全球百分比
CO2人均排放量
量(MtCO2)
%
T CO2/ capita
1
美國(United States)
6046
20.9
20.6
2
中國大陸(China)
5007
17.3
3.8
3
蘇聯(Russian Federation)
1524
5.3
10.6
4
印度(India)
1342
4.6
1.2
5
日本(Japan)
1257
4.3
9.9
6
德國(Germany)
808
2.8
9.8
7
加拿大(Canada)
639
2.2
20.0
8
英國(Unites Kindom)
587
2.0
9.8
9
韓國(Korea)
465
1.6
9.7
10
義大利(Italy)
450
1.6
7.8
資料來源:Human Development Report 2007/2008, UNDP
 
溫室氣體造成的危害
一、酸雨

所謂酸雨係包括濕沉降(Wet Deposition)及乾沉降(Dry Deposition)之通稱。在大氣中含有較正常量為高之硝酸(Nitric Acid)及硫酸(Sulfuric Acid)則會產生酸雨。濕沉降包括酸性雨、酸性雪等,乾沉降是因為天氣乾燥而使酸性化學物質與塵埃等結合而沉降至地面。

酸雨通常以pH值來度量,在大氣中含有通常濃度的CO2之下,會產生碳酸(Carbonic Acid)之弱酸 pH值大約5.6。如果大量的二氧化硫(Sulfur Dioxide, SO2)和氮氧化物(Nitrogen Oxides, NOx)氣體進入大氣中,則會造成酸沉降,即酸雨。一般定義酸雨的酸鹼值是pH=5.6以下,但一般雨水pH值通常介於4.5~5.6間,其平均值為5.0,故較適當的定義是pH<5。酸雨化學反應機制:

(一)在氣態(Gas Phase)時化學反應機制
1. SO2(g)+OH•→HOSO2•HOSO2•+O2→HO2•+SO3

有水分的狀態下,三氧化硫(Sulfur Trioxide, SO3)與水反應成硫酸之反應式如下:

          SO3+H2O→H2SO4
2. 二氧化氮(Nitrogen Dioxide)與氫氧自由基反應成硝酸
NO2+OH•→HNO3
(二)在有雲水滴狀態時SO2的反應更快
1.水解(Hydrolysis)
SO2(g)+ H2O⇆SO2•H2O
SO2•H2O⇆H++HSO3-
HSO3-⇆H++SO32-
 
2.氧化(Oxidation)

大量的硫經水反應(Aqueous Reaction)會將S(IV)氧化成S(VI)而產生硫酸,主要的氧化反應是它與臭氧、氫氧自由基(Hydrogen Peroxide Radical, •OH)及氧的反應(催化劑來自雲水滴中的鐵和錳)。

根據NIES(National Institute for Environmental Studies,2005,Japan)的研究報告,來自於俄羅斯北部的空氣飄至日本屬於較乾淨的空氣,而來自於中國大陸北方的空氣則含有大量的酸性物質(Acidic Substance),越過朝鮮半島(Korean Peninsula)到達日本前的污染空氣尚未被氧化,但依然是酸沉降污染源,來自中國大陸北方的酸沉降物質(Acid Deposition-causing Substance)半數以上都是燃煤(Coal-burning)造成。根據統計,1993年至1997年,日本酸性雨pH值平均為4.8~4.9。而2000年11月北台灣基隆地區曾經下過pH值3.9的酸性雨。

 

二、臭氧層破洞的原因與臭氧層形成、分解之化學反應機制
(一)臭氧層破洞的原因

羅南(F. Sberwood Rowland,1927~)與莫禮納(Mario J. Molina,1943~)(參見圖1),等指出可能會導致同溫層(Stratosphere)中臭氧層枯竭的氣體是氟氯碳化物(Chlorofluorocarbons, CFCs),自此,在蒙特婁議定書(Montreal Protocol)的規劃下有關CFCs與海龍(Halons)的製造受到某種程度的限制。科學家不斷的研究如何使臭氧層不致於枯竭,不只氯(Chlorine)和溴(Bromine),大氣中的甲烷(Methane)、氧化亞氮(Nitrous Oxide)、硫酸鹽粒子(Sulfate Particles)、二氧化碳、水蒸氣(Water Vapor)甚至於地球氣候都會造成臭氧層破洞。

 

F. Sberwood Rowland(1927~)

(1)美國Ohio州出生
(2)美國普林斯頓大學、堪薩斯大學、加州大學Irvine分校教授

(3)1995年諾貝爾化學獎得主(同時得獎者尚有Mario J. Molina及Paul J. Crutzen,(1993~)兩位)

Mario J. Molina(1943~)

(1)墨西哥、墨西哥市出生
(2)麻薩諸塞州工業大學教授
(3)1995年諾貝爾化學獎得主
 

資料來源:三洋化成News, No.411, P17, 2002

圖1 羅南(上)與莫禮納(下)
 

第一個限制CFCs使用的全球性條約是在1987年訂的蒙特婁議定書(Montrel Protocol),目標要在2000年將CFCs減半,2030年鹵化碳(Halocarbons)完全禁止。CFCs是一常用的工業化學品,常用在冷凍系統(Refrigeration System)、空調(Air Conditioners)冷媒、噴霧劑(Aerosols)、滅火劑(海龍)、溶劑等。

鹵碳化合物包括:
1.氟氯碳化物(Chlorofluorocarbons, CFCs)
2.氟氯烴(Hydrochlorofluorocarbons, HCFCs)
3.氫氯碳化物(Hydrofluorocarbons, HFCs)
破壞同溫層(平流層, Stratosphere)中臭氧層的氯、溴的濃度在最初蒙特婁議定書(1987)制訂之前與其後四次會議(倫敦(1990)、哥本哈根(1992)、維也納(1995)、蒙特婁(1997))的濃度預測曲線,(參見圖2),可以看出影響臭氧層破洞的氯、溴氣體在人類的關注下,是可以被抑制。
資料來源:WMO/UMEP:Scientific Assessment of Ozone Depletion :1988
圖2 同溫層中氯、溴濃度預測
 
(二)臭氧層破洞的定義
臭氧層反常稀少的區域稱之(參見圖3)。臭氧層厚度在220多布森單位(Dobson Unit, D.U.)以下即稱為臭氧層破洞(Ozone Hole),根據報導,南極臭氧層厚度變化範圍為100~400D.U.。

資料來源:Center for Atomosphere Science, U.CAMBRIDGE

圖3 地球大氣層(Earth's Atmosphere)組成

 
(三)多布森單位(D.U.)定義

涵蓋在加拿大拉布拉多(Labrador , Canada)區域(10degÍ5deg面積)之空氣柱(Column of Air)中的臭氧量被用來以多布森單位測量。在此空氣柱中的臭氧在標準大氣壓(Atmosphere Pressure, 0℃Í1atm)的條件下被均勻的壓縮到整個面積厚度約3mm時,相當於300D.U.。在標準大氣壓下,1D.U.被定義為1mm厚度,是故,在拉布拉多的臭氧層約為300D.U.。

1.地球暖化主要原因
(1)溫室效應氣體污染如CO2、N2O等。
(2)臭氧層枯竭物質(Ozone Depleting Substance)的大量產生如:

①CFCs(氟氯碳化物, Chlorofluorocarbons):俗稱氟利昂(Freon)如用於冷媒(CFC-11、CFC-12)、發泡劑(CFC-11)、洗淨劑(CFC-13)、噴劑(CFC-11、CFC-12)等。

②四氯甲烷(或稱四氯化碳, Carbon Tetrachloride或Tetrachloromethane, CCl4):為具揮發性之極毒無色液體,在染整工程上被用做脫(油)脂溶劑。
③海龍(Halons);為滅火劑根據海龍之物質安全資料表(Material Safe Data Sheet, MSDS),其並非有毒物質而是會破壞臭氧層才被「蒙特婁議定書」列為管制物質,其化學式如Halon 1211為CF2ClBr。
④甲基氯仿(Methyl Chloroform):在「蒙特婁議定書」修正案中,被列為管制物質,又稱1,1,1-三氯乙烷(1,1,1-Trichloroethane),常被用作溶劑如去污劑、膠水等。
 
(四)臭氧之形成與分解化學反應機制:
CFCs因其中含有氯元素所以會破壞臭氣層,在正常的狀態下,臭氧分子是處在一個動態平衡的狀態,由於CFCs在平流層受到紫外線的照射而產生活性氯原子〔Cl〕,因而導致臭氧分子的破壞。NOx與ClOx的化學反應循環如下所述。
1.臭氧的形成
UV-B
290~320nmmm

O2                    〔O〕+〔O〕

〔O〕+ O2 → O3

2.NOx Cycle

NO + O3 → NO2 + O2
NO2 +〔O〕→ NO + O2
 

3.ClOx Cycle (ClOx由CFCs經光分解生成)

〔Cl〕+ O3 → ClO + O2
ClO +〔O〕→〔Cl〕+ O2
1982年日本在南極基地發現臭氧(Ozone, O3)層之臭氧濃度有減半現象,因此,經由此Ozone Hole到達地球之紫外線量因而增加。
 
(五)臭氧層破洞產生的紫外線危害
紫外線(Ultraviolet Ray)對生命之誕生扮演相當重要的角色,對於鈣質(Calcium)之新陳代謝、骨骼之強壯、殺菌、維他命D之合成、疾病之抑制均為有益,唯其害處亦眾所皆知,如:皮膚癌、白內障、免疫力降低等皆因紫外線之強烈照射而導致。紫外線依波長分為:UV-A(長波長紫外線,315nm~400nm)、UV-B(中波長紫外線,280nm~315nm)、UV-C(短波長紫外線,100nm~280nm)。
UV-C通常會被臭氧層吸收而無法到達地球,但臭氧層如果遭到破壞之後UV-C則可能經過Ozone Hole到達地球。UV-A之能量約為UV-B之1/1000,透過皮膚量較多,UV-B能量較大,但透過皮膚則較淺(參見圖4),紫外線遮蔽的目的在遮斷有害之UV-A與UV-B。
 
圖4 紫外線之種類與皮膚的傷害
再生能源的利用與氣候能源包裹方案

因應全球氣候變遷(Global Climate Change)的快速與地球環境保護,減少溫室氣體的排放量是很重要的,再生能源具備低溫室氣體排放的特性,而風力發電(Wind Power)(參見圖5),則是我國發展再生能源的重要選項。民國八十七年,政府召開全國能源會議,決議發展再生能源在2020年佔總能源供應比重1~3%,佔電力總裝置容量1~3%。91年11月經濟部能源委員會在「我國再生能源發展規劃」草案中,規劃台灣風力發電目標為150萬瓦。

根據總部在比利時布魯塞爾(Brussels)的全球風能理事會(Global Wind Energy Council, GWEC)的報告,2005年全球新設的風力發電量為11,769百萬瓦(MW),增加了43.4%的風力發電,設備投資達120億歐元,估計風力發電將成為全球各國積極推動的方向。

圖5 台灣中部沿海地區之風力發電(2006.8)
 

        歐盟在200812月中旬於比利時布魯塞爾舉辦為期兩天的高峰會議,就歐盟執委會(European Commission)提出的氣候能源包裹方案(Comprehensive Package of Proposals on Energy and Tacking Climate Change)達成協議,並交由歐洲議會表決,協議中具體揭櫫「320%(20/20/20 by 2020)」預計在2020年之前達成下列三個目標:

一、將溫室氣體排放量減少至較1990年之排放量少20%
二、由可再生資源(Renewable Sources)產生之再生能源的比例提升至能源總耗用量的20%
三、提升能源效益20%
 
地球熱化蓋婭假說與地球環境變遷
英國知名科學家詹姆士•拉夫洛克(James Lovelock),於2006年倫敦當地時間11月28日在化學工程師學會(Institution of Chemical Engineers)的演講指出地球正罹患熱病(Fever),地球表面大部分溫度會急升8℃,將威脅數十億人的生命。地球在過去已經歷了至少七次劇烈的環境變遷而適者倖存下來,由上次冰河時期(Ice Age)至今等同非洲大陸面積大小的土地已沒入海底。

五千五百萬年前,因為大量的CO2釋出使地球溫度上升8℃,經過20年才恢復正常。全球溫暖化的速度已非全球暖化(Global Warming)可以形容而應稱之為全球熱化(Global Heating)。詹姆士.拉夫洛克形容溫度上升8℃的狀況已經構成,所有抑制溫度上升的努力是道德上的難能可貴(Morally Commendable),但已回天乏術(Were Wasted)。

詹姆士.拉夫洛克在1960年代提出蓋婭假說(Gaia Hypothesis),早先認可一些蓋婭假說中的主要假設出現於路易士.湯瑪斯(Lewis Thomas)的Lives of a Cell(或譯奇幻的世界)一書中。蓋婭假說中的最知名的支持者是美國波士頓大學微生物學家琳恩˙瑪古利斯(Lynn Margulis),其在蓋婭概念(Gaian Concepts)上與詹姆士.拉夫洛克有很重要的合作。蓋婭假說是一種生態理論(Ecological Theory),他倡議在地球上的生命物質(Living Matter)如同單一的有機體(或活體, Organism)一樣作用著。

詹姆士.拉夫洛克1979年由牛津大學出版社出版一書Gaia : A New Look at Life on Earth,他將這種自我調節生命系統(Self-regulating Living System)命名為Gaia的想法係來自於諾貝爾文學獎得主威廉戈爾丁(William Golding,1911~1993)的建議,Gaia(參見圖6)是希臘神話中的女神,祂是大地的象徵。

詹姆士.拉夫洛克對Gaia的定義是:一個涵蓋地球生物圈(Earth's Biosphere)、大氣層、海洋與土地的複雜實體(Complex Entity),它具有回饋(Feedback)與自我調控系統(Cybernetic System),可為這個行星地球上的所有生物尋求一個最理想的物理與化學環境。

蓋婭假說簡單的定義是:生質(Biomass)變更(修正)了行星地球的條件,而這些使得行星地球上的條件變得更加友善宜人的(Hospitable),這種友善宜人(Hospitality)是一種全方位的體內平衡(Homeostasis)。在地球上的生物提供一個自我調控與體內平衡回饋系統,能自動的與不覺的操作這地區的動植物(Biota)使得全球的溫度與化學成分得以穩定平衡。
蓋婭假說認為地球上所有生物對其環境是不斷地主動隨著調節作用,儘管地球受到頻繁的干擾和破壞,但卻表現出一定的穩定性。詹姆士.拉夫洛克和花德森(Watson)於1983年以雛菊世界(Daisy World)模型描述與證明蓋婭理論,雛菊(Daisies)、雛菊世界強調的重點之一是:生命是全球尺度現象,地球生態系統沒有孤立的生命,生物必須調節它生存的星球,否則物理和化學進化的力量將會使得它們變得不適於生物的生存(蔡曉明2000, P.101、102)。從詹姆士.拉夫洛克指出地球正罹患「熱病」的警語來看,人類文明所帶來的物理和化學進化的力量正在破壞「穩定性」,似乎快讓地球不適合生物生存了。
地球是一個超級的生命體,是一個活著的生命體,人類依附在這個生命體上生存著、繁榮著,人類必須呵護著它。
資料來源:http://www.ecolo.org/lovelock
圖6 Gaia:希臘女神、大地之母
地球暖化現象實況
極域臭氧層高度約25公里,臭氧層的破洞造成地球暖化也造成極地冰帽面積縮小(參見圖7~8)。根據科學家的報告:
一、過去100年間平均溫度上升0.3~0.6℃。
二、100年以後地球平均溫度將提高2.5℃以上。
三、南極、北極溫暖化較顯著,溫度約提高10℃。

由國際科學總會(International Council for Science, ICSU)及世界氣象組織(World Meteorological Organization, WMO)聯合主辦的國際極地年(International Polar Year, IPY)於2007年3月1日於法國巴黎啟動,2007~2008國際年活動集合全球六十多個國家五萬多名科學家進行地球南、北高緯度地區兩百二十項之研究計劃,其中又以氣候變化為優先。2007~2008國際極地年六大主要活動目標為:

(一)極地環境:確定南北極目前環境狀態。
(二)變化:將過去及現有的環境和社會變化加以量化,進一步改進對未來預測。
(三)全球關連:了解兩極與地球其它地區環境的關連。
(四)新的調查研究:對這兩地進行科學領域的調查。
(五)優勢:利用南北兩極研發並加強對地球內部及太空的觀測。
(六)人文:探索極地附近人類社區文化、歷史及社會的面貌。
 
註:紅色範圍為1979年9月21日北極海冰覆蓋地區(AFP/NSA)
圖7 2005年9月21日美國航太總署公佈北極海冰帽急劇消融
 
資料來源:日本國立極地研究所, 藤井理行
圖8 南極棚冰冰緣位置變化(ラルセン:Larsen)
 
2007年2月由德國、澳洲組成的南極調查小組之研究報告,由於全球暖化導致崩塌的南極拉森(Antarctic's Larsen B Ice Shelf)棚冰底下的海域在2007年元月發現有十二腳海星、新種甲殼類等原在深海才可找到的珍奇生物,現已出現淺層海域,顯示全球暖化將帶給南極嚴重的生態改變,從過去的合成孔徑雷達((Synthetic Aperture Radar, SAR)數據顯示(Tamar Sioman, 1999)自1998年3月到1990年3月,Larsen B棚冰消失面積達2,000平方公里。世界氣象組織於2006年是自有記錄以來第六個溫度最高的年份。2006年9月的海冰覆蓋面積為590萬平方公里,為25年前開始有記錄以來面積倒數第二小的年份,極地海冰面積的縮小顯示地球氣候變遷已經到了不可忽視的地步。

由聯合國官員凱文魏特金斯(Kevin Watkins)主筆的聯合國年度「人類發展報告」(Human Development Report 2007/2008)中,「聯合國發展計畫」(United Nations Development Program)執行長Achim Steiner與管理者Kemal Dervis在緒言裡面提及「氣候變遷」具有很大的危險性和很多潛在的災難性(Potentially Catastrophic Ones),包括格陵蘭(Greenland)和南極西部(West Antarctic)的冰層將會溶化,將會導致很多國家沒入海中,於此過程中,墨西哥灣流(Gulf Stream)的變化也將導致急劇的氣候變遷。氣候變遷已經開始影響全球一些貧窮與弱勢社區(Vulnerable Communities),未來數十年世界平均提升溫度達3℃時,亦將導致旱災(Droughts)、極端氣候事件、熱帶暴風雨(Tropical Storms)以及大部份的非洲土地將陷於海平面之下等災難。凱文魏特金斯也特別強調富國(Richest Countries)不應視而不見全球貧窮國家的希望與渴望避免氣候變遷所帶來的危險與傷害,對抗氣候變遷是跨時代(Cross-generation)的工作。