自然環境

影響森林生態系統的驅動力 (Drivers and pressures affecting forest ecosystems)

2011/08/02
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影響森林生態系統的驅動力 (Drivers and pressures affecting forest ecosystems)
花蓮縣立宜昌國中理化科林建義教師/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 台灣近幾年土石流災害頻傳，是否也和森林生態系統改變有關？我們可以採取哪些實際行動，以減少這類災害的發生？

2. 台灣南部大規模發展水產養殖，這樣的土地利用方式已經造成那些問題？應該如何改善？

土地利用
過去20年全球人口不斷增長，隨著經濟持續發展，特別是新興市場的快速發展，使全球土地用途發生了史無前例的變化。在未來50年，預計人口增長和持續的經濟發展都可能進一步增加對土地資源的開發。其中變化最顯著的是森林植被及其構成、農田擴張和集約種植以及都市擴張的程度，這些土地利用方式的改變造成汙染、水土流失和養分缺失等，使土地發生嚴重退化。

引起土地用途變化的主要原因包括：人口和人口密度大幅增加、生產力提高、高收入與高消費模式、技術、政治及氣候變化等因素。個人對土地利用方式的決定，也受到集體意識、個人經歷、觀念、信仰和理解能力的影響。

改變土地用途的動機也會隨著時間而改變，不同時空背景會因應需求而有所不同。例如，亞馬遜流域的巴西地區在19世紀末到20世紀中期，曾經為了滿足國際市場的需求，而被開發成橡膠的生產地。

地方和附近城市的需求、外界經濟壓力影響著土地用途的改變。在更早期的年代，全世界可靠的歷史資料很少，但晚近數十年有限的資料可以發現，過去20年變化最大的是森林，特別是把森林轉變為農田、林地、草原以及新出現的人工林（詳見表1）。城鎮對糧食、水、原物料和廢棄物處理空間的需求控制了周圍的土地。

表1：全球土地使用：1987 — 2006 年間用途沒有發生改變的面積和發生轉變的面積.（表格來源：《全球環境展望4》p. 86）注：農田包括耕地和集約化牧場。

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陽明山國家公園的天然背景輻射

2011/07/13
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陽明山國家公園的天然背景輻射
大葉大學機械與自動化工程學系吳佩學副教授/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 陽明山國家公園的天然輻射來源為何？

瞭解台灣的天然背景輻射的一個代表例子是陽明山國家公園。

火山噴發史
位於台北盆地北緣的陽明山國家公園，面積約11,455公頃，是台灣除了龜山島以外的主要火山分布地區。將時間回溯到280萬年前，此處原始的火山開始第一階段的強烈噴發，噴出的火山碎屑岩及安山岩熔岩流開始堆積；到了70萬年前左右，是第二階段火山活動的旺盛時期；而最後的噴發是在大約30萬年前，紗帽山在七星山南側的山腰形成之後，整個火山群的火山噴發活動便趨於停止。這段期間形成了20多座火山，可分為大屯山、竹子山、七星山、燒粳寮山、內寮山、磺嘴山、南勢山、丁火朽山等8個火山亞群。之後又經過數十萬年的風吹日曬雨淋，才形成了今天的地形地貌。

圖1：陽明山國家公園內的小油坑硫磺噴氣 （圖片來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%B0%E7%81%A3%E6%BA%AB%E6%B3%89）

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台灣的天然背景輻射

2011/07/13
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台灣的天然背景輻射
大葉大學機械與自動化工程學系吳佩學副教授/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 考量本身的天然輻射劑量之後，台灣民眾需要擔憂日本福島的輻射塵？

今年3月發生的福島核子事故，媒體大幅報導電廠周圍輻射劑量數值飆高，甚至推測輻射塵飄到台灣的危害性，引起了一般民眾人心惶惶。其實，自古以來，在我們日常生活環境中就存在許多天然輻射。聞「輻」色變並不是理性的應對態度，重要的是應該分辨容許的劑量範圍，才能判斷應該採取怎樣的防護措施。

天然輻射大致可以分為四類：

  • 宇宙射線（cosmic rays）－來自外太空的高能粒子及這些高能粒子與地球大氣中之原子碰撞所產生之二次粒子與電磁波。
  • 地表輻射－來自地表的土壤和岩石所含之天然放性射核種鈾、釷、鉀及鈾、釷衰變系列核種所產生之輻射。
  • 氡氣 （Radon, Rn）－來自鈾系及釷系元素在衰變過程中產生的一種天然放射性氣體。
  • 人體體內輻射－來自呼吸、飲食進入人體，及人體體內自然存在的放射性核種。

圖1：台灣地區天然地表輻射 （圖片出處：朱鐵吉: 不需要聞「輻」色變。）

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太陽活動（Solar variation）與全球暖化（global warming）（2）─太陽活動進入冬眠期

2011/07/11
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太陽活動（Solar variation）與全球暖化（global warming）（2）─太陽活動進入冬眠期
美國Stony Brook University王瑜君物理學博士/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 太陽活動的紀錄最近出現哪些奇特的現象？

2. 太陽活動降低會對氣候造成哪些影響？

太陽的活動到底對地球上的氣候變化有何影響？有些質疑溫室氣體對氣候變遷的影響的人，例如丹麥物理學家Henrik Svensmark，認為太陽活動對全球暖化的影響比溫室氣體排放來得重要。如果這種看法成立，那麼氣候變遷是自然現象，而不是人為因素造成，國際社會目前各種節能減碳的努力，也是徒勞無功。

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）代表主流的專家意見。在IPCC第三次評估（2001）和第四次評估（2007）報告中都認為太陽活動對全球暖化的影響難有定論，但是即使有影響，效果也不顯著。但是爭辯尚無定論，只要有新的數據出現，正反雙方的意見就要被重新檢視一番。

太陽活動邁進停緩期
2006年時NASA預測下一個太陽黑子高峰，應該出現在2011年左右。但是這個高峰沒有出現。目前太陽活動還是偏低 （圖1）。2011年6月中旬，美國天文學會（American Astronomical Society (AAS) ）召開會議，有三組研究團隊分別提出報告，更加證實了目前太陽活動的確邁入了冬眠期。

圖1：1940年以來太陽黑子的週期變化。Nasa's 2006 預測第24週期高峰本應該出現在2010左右，但是一直沒有觀測到。（圖片來源：http://science.nasa.gov/headlines/y2006/images/longrange/predictions3_strip.jpg， http://en.wikipedia.org/wiki/Sunspot）

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太陽活動（Solar variation）與全球暖化（global warming）（1）─太陽黑子 (Sunspots) 與歷史紀錄

2011/07/11
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太陽活動（Solar variation）與全球暖化（global warming）（1）─太陽黑子 (Sunspots) 與歷史紀錄
美國Stony Brook University王瑜君物理學博士/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 太陽活動的紀錄裡面出現哪些變化？

2. 為什麼太陽活動最近又是爭辯的焦點？

太陽活動（Solar variation）
太陽活動是太陽發射出的太陽輻射在總量上的變化。太陽輻射有週期性的變化，主要是11年的太陽週期（或稱太陽黑子週期）（圖2），但是其中還非週期的波動。在最近的數十年中，太陽活動可經由人造衛星直接觀測到；自此之前，則必須藉由一些前期的現象來作預測。近年來，氣候變遷的問題引起氣候專家對太陽活動的注意，太陽活動對地球的影響被稱為「太陽驅動力」（solar forcing）。 到底太陽活動在地球上造成的影響對全球暖化扮演了什麼角色？主流意見認為影響不大，但是專家之間尚無定說，仍然是爭辯中的議題。

圖1：太陽結構的圖解： 1. 核心 （Core）2. 輻射層 （Radiative zone）3. 對流層（Convective zone） 4. 光球 （Photosphere）5. 色球 （Chromosphere） 6. 日冕 （Corona） 7. 黑子 （Sunspot） 8. 米粒（Granules） 9. 日珥 （Prominence） （圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Sun）

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全球水環境變化對於人類和生態系統的影響（2）：人類用水對流域和沿海地區的影響

2011/07/08
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地下水水位降低對生態系的衝擊包括淺井會乾涸，地表水也會減少，相對的會有地層下陷的情形，或是海水入侵得現象。這些都會造成可取用的地表水或是飲用水和可用的灌溉用水減少，而且水質也會下降，或是因海水入侵造成地表水的鹹化(salinization)。同時為了競爭地下水，衝突會增加，整個獲取地下水，或是水處理，或是公共供水的成本均會上升。另一種水環境的變化是水流的改變，下游的飲用水會減少，與水相關的疾病會增加。且水流改變可能造成內陸魚群的減少，或是淡水的鹹化，有些區域還可能成為洪水氾濫危險區，因此可能還要有防洪措施，甚至整個社區遷移。水流的改變還會造成生態系統破碎化(Ecosystem fragmentation)，濕地可能被填埋，沉積物送到沿海的情況會減少，如此一來會造成沉積物曾多，水庫的壽命會減少等問題。...
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地表環境變遷
全球水環境變化對於人類和生態系統的影響（1）：氣候變化對全球水文體制的干擾

全球水環境變化對於人類和生態系統的影響（1）：氣候變化對全球水文體制的干擾

2011/07/08
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全球水環境(water environment)變化對於人類和生態系統(Ecosystem)的影響（1）：氣候變化對全球水文體制(hydrological regime)的干擾
國立高雄海洋科技大學水產養殖系張朴性教授/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 氣候變化對於水文體制的干擾主要發生於哪些領域？

2. 水文體制的干擾對人類的負面影響已經被證實的有哪些？

海洋是全球氣候的主要調節器，也是溫室氣體的重要儲存槽。然而在陸地和大洋盆地(ocean basin)等各層面，水循環(water cycle)正受到長期氣候變化的影響，從而威脅著人類安全。氣候變化影響著北極地區的溫度、海冰和陸地上的冰，包括山地冰川；他們同時還影響著海洋的鹽度和酸化情形、海平面高低、降水模式，也可能引起極端氣候事件，甚至影響世界海洋的循環體系(ocean circulatory regime)。

圖1：珊瑚因和二廠排放的廢水溫度高於一般海水，導致珊瑚的白化。

（圖片來源: 台灣科學教育館http://elearning.ntsec.edu.tw/files/15-1005-7665,c2091-1.php ）


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地表環境變遷
平流層臭氧消耗

平流層臭氧消耗

2011/07/06
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平流層臭氧消耗 (Stratospheric ozone depletion)
義守大學生物科技學系王瑜琦助理教授/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 為什麼會出現臭氧洞？

2. 氟利昂（CFCs）為什麼會被大量使用？與臭氧洞的關係？

臭氧層消耗是地球大氣上空平流層（臭氧層）的臭氧從1970年代開始，以每十年4%的速度遞減的一種現象。在南極，臭氧耗損的情況更為嚴重，稱之為「臭氧洞」(Ozone Hole)。其實臭氣洞並不是真正有個「洞」，而只是表示臭氧含量反常稀少的區域。表示臭氧含量反常稀少的區域。南極臭氧層厚度變化極大，從100至400 Dobson Unit （DU），而厚度若在220 DU以下，即稱為臭氧層破洞。（1 DU是每平方公尺有2.69×1020 個臭氧分子）。

圖1：2006年9月觀測到至今最大的南極臭氧洞。洞的面積平均是9千7百50萬平方公里。藍色和紫色是臭氧密度較低處。 （圖片來源： NASA — http://www.nasa.gov/vision/earth/lookingatearth/ozone_record.html）

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對流層臭氧 （Tropospheric ozone）和平流層臭氧（Stratospheric ozone， Ozone layer）

2011/07/06
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對流層臭氧 （Tropospheric ozone）和平流層臭氧（Stratospheric ozone， Ozone layer）
義守大學生物科技學系王瑜琦助理教授/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 臭氧在對流層和平流層裡對人類健康有何不同影響？

為什麼平流層臭氧對於生態系統非常重要？

臭氧
臭氧（O3）是氧氣（O2）的同素異形體（allotrope），在常溫下，它是一種有特殊刺激味的淡藍色氣體。英文臭氧（Ozone）一詞源自希臘語動詞ozein，意為「嗅」。這個命名是1840年瑞士化學家Christian Friedrich Schönbein 提出的，1865年瑞士化學家Jacques-Louis Soret首次確定臭氧的分子式，1867年Schönbein證實這個分子式是正確的。

對流層臭氧 （Tropospheric ozone，Low level ozone）
低層空氣中臭氧（也稱為對流層臭氧）屬於一種對生物有害的污染物，是光化學煙霧（Photochemical smog）的組成部分之一，有時被稱為「有害的」臭氧。因臭氧反應活性遠遠比氧（O2）強，是強氧化劑，對植物、動物及很多結構材料如塑膠、橡膠有害。也會傷害肺組織，嚴重時可能導致肺出血而死亡，因此當空氣中臭氧含量過高時，一般建議老人和幼兒不宜於戶外作劇烈運動，以免吸入過量臭氧。

圖1：臭氧層中，臭氧與氧氣的循環。 （圖片來源：作者修改自：NASA， http://en.wikipedia.org/wiki/Ozone_layer）

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極地臭氧層空洞(Arctic and Antarctic ozone hole)和對生態的衝擊

2011/07/06
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極地臭氧層空洞(Arctic and Antarctic ozone hole)和對生態的衝擊
義守大學生物科技學系王瑜琦助理教授/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 為什麼南極的臭氧層耗損特別嚴重？

2. 臭氧層耗損會對北極地區生態系統造成哪些衝擊？

南極臭氧層空洞 (Antarctic ozone hole)
南極臭氧層空洞成為國際注目的焦點，是起於1985年發表在《Nature》的一篇文章，其中英國南極觀測站（British Antarctic Survey）的科學家Joesph Farman, Brian Gardiner, 和 Jonathan Shanklin報告他們發現，從1977~1984年，每年南半球的春季時（約9~12月）南極上空的大氣臭氧含量約減少了40%以上。其他研究機構也證實這項發現，並指出臭氧量急遽減少的區域面積甚至大於南極大陸，高度則是介於12~24公里之間的平流層，這就是所謂的「臭氧洞」（圖1）。其實並不是真正有個「洞」，而只是表示臭氧含量反常稀少的區域。南極臭氧層厚度變化極大，從100至400 Dobson Unit，而厚度若在220 Dobson Unit以下，即稱為臭氧層破洞。另一種臭氧層破洞定義方式是指臭氧密度不到1975年值的33％的區域。

圖1：1980-2006年 南極上空臭氧層空洞面積的變化情況 （圖片來源：NASA，《全球環境展望 4》p. 69 ）

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