112 年 國立臺灣大學環境工程研究所規劃與管理組《環境科學概論（B）》

此題主要在測試考生對微塑膠（Microplastics）與奈米塑膠（Nanoplastics）的定義，以及對該篇論文摘要內容的理解。

首先，根據科學上的定義，微塑膠（Microplastics）是指尺寸小於 5 毫米（mm）的塑膠顆粒。選項 (a) 符合此定義。
其次，奈米塑膠（Nanoplastics）的尺寸比微塑膠更小，通常定義為尺寸小於 1 微米（µm）或 1000 奈米（nm）的塑膠顆粒。因此，奈米塑膠比微塑膠小，選項 (b) 是正確的。
接著，審視論文摘要的內容：「The middle layers of the masks had released more particles than the outer and inner layers.」（中間層釋放的顆粒比內外層多）。這與選項 (c) 的敘述「outer layer of the face masks had released more particles than that of the middle layer」（外層釋放的顆粒比中間層多）是相反的。因此，選項 (c) 是錯誤的。

此題在於辨識微塑膠（Microplastics）的本質。

微塑膠是由塑膠製成的，而塑膠本身是一種高分子聚合物，屬於有機化合物。它們是由碳氫化合物（或其他有機元素）聚合而成。因此，微塑膠本質上是有機化學物質。

此題考查學生對生物累積（Bioaccumulation）與生物放大（Biomagnification）兩個環境科學重要概念的理解，以及舉例說明。

生物累積 (Bioaccumulation)
生物累積是指生物體內某種化學物質的濃度，隨著時間的推移，其吸收速率大於其排出（代謝或排泄）速率，導致該物質在生物體內的濃度逐漸升高，甚至超過環境中的濃度。這通常發生在這些化學物質不易被生物體代謝或排出時。

生物放大 (Biomagnification)
生物放大是指在食物鏈中，一種化學物質的濃度，隨著營養階層的升高而逐級增加的現象。

此題為開放性問答題，要求考生以科學家或工程師的角度，提出除了減少使用口罩外，如何減緩口罩衍生的微塑膠/奈米塑膠污染問題。考生需具備環境工程、材料科學或相關領域的知識，並能進行邏輯性的推論。

核心觀念： 減緩微塑膠/奈米塑膠污染，可從源頭控制、過程管理、末端處理及材料創新等面向思考。

建議方案與說明：

1. 口罩材料創新與生物可分解性研究：

   • 說明： 研發可生物分解的口罩材料，例如使用纖維素、 PLA（聚乳酸）、PHA（聚羥基脂肪酸酯）等生物基或可生物降解塑膠作為口罩的濾材或結構材料。
   • 科學/工程邏輯： 如果口罩材料在環境中能被微生物分解成二氧化碳、水和生物質等無害物質，則能從根本上解決微塑膠污染問題。這需要材料科學與生物技術的結合。
   • 假設： 假設這些生物可分解材料的過濾效率、透氣性、成本和大規模生產可行性，能與現有口罩材料競爭。

2. 口罩回收與處理技術開發：

   • 說明： 針對使用過的口罩，開發有效的回收和無害化處理技術。例如：
     • 高溫處理/焚化： 在受控的焚化爐中高溫處理，將塑膠轉化為能量，並妥善處理產生的廢氣。
     • 化學回收： 開發將口罩中的聚丙烯（PP）等塑膠成分解為單體或化學原料的技術，用於再製。
     • 物理處理： 例如開發能捕捉口罩在清洗或處理過程中脫落的微粒的洗衣袋或過濾裝置。
   • 科學/工程邏輯： 透過回收再利用或無害化處理，減少口罩進入自然環境的量。焚化產生能量，化學回收則實現資源循環。

此題考查對溫室效應（Greenhouse Effect）基本原理的理解。

溫室效應的原理：
地球大氣層中的某些氣體，如二氧化碳（$CO_2$）、甲烷（$CH_4$）、氧化亞氮（$N_2O$）和水蒸氣（$H_2O$）等，被稱為溫室氣體（Greenhouse Gases, GHGs）。這些氣體對太陽輻射（主要是可見光）的穿透性較好，但對地球表面反射的長波紅外線輻射（熱輻射）具有較強的吸收能力。

「熱毯」的類比：

1. 太陽輻射入射： 太陽光穿過大氣層，大部分到達地球表面，使地表受熱。
2. 地表反射： 地球表面吸收太陽輻射後，會以長波紅外線的形式向外輻射熱能。

此題考查學生對大氣二氧化碳（$CO_2$）年週期變化的理解。

圖中顯示的月平均 $CO_2$ 濃度曲線呈現明顯的年週期振盪（oscillations）。這種振盪主要是由地球上兩個主要半球（北半球和南半球）的季節性生物活動差異所引起，其中北半球的影響尤為顯著，因為北半球擁有更多的陸地面積和植被。

原因說明：

1. 春季和夏季（北半球）： 在北半球的春季和夏季，植被生長旺盛。植物透過光合作用吸收大氣中的 $CO_2$ 來製造有機物。大規模的光合作用會導致大氣中 $CO_2$ 的總量暫時性下降，使得 $CO_2$ 濃度在夏季達到年度最低點。

核心觀念

本題考查 Kaya identity（卡雅恆等式），將碳排放量拆解為四項因素：

$$C=P\times \frac{GDP}{P}\times \frac{E}{GDP}\times \frac{C}{E}$$

其中：

• $C$：碳排放量或碳排放率
• $P$：人口
• $\frac{GDP}{P}$：每人 GDP
• $\frac{E}{GDP}$：每單位 GDP 所需能源，即能源強度
• $\frac{C}{E}$：碳強度，即每單位能源產生的碳排放量

因此，碳排放變化等於人口、經濟活動、能源效率與能源碳強度四項變化的乘積。

解題方法

2005 年至 2030 年共：

$$2030-2005=25\text{ 年}$$

設各項每年的固定變化率如下：

• 人口變化率：$r_P$
• 每人 GDP 變化率：$r_G$
• 能源強度變化率：$r_E$
• 碳強度變化率：$r_C$

由於各項變化率固定，2030 年相對於 2005 年的變化倍數分別為：

$$\frac{P_{2030}}{P_{2005}}=(1+r_P)^{25}$$ $$\frac{(GDP/P)_{2030}}{(GDP/P)_{2005}}=(1+r_G)^{25}$$ $$\frac{(E/GDP)_{2030}}{(E/GDP)_{2005}}=(1+r_E)^{25}$$ $$\frac{(C/E)_{2030}}{(C/E)_{2005}}=(1+r_C)^{25}$$

將四項相乘，得到：

$$\boxed{ \frac{C_{2030}}{C_{2005}} = (1+r_P)^{25} (1+r_G)^{25} (1+r_E)^{25} (1+r_C)^{25} }$$

因此：

此題考查學生運用給定的氣候敏感度關係式，結合上一題計算的碳排放量，預測未來溫度的能力。

核心公式：
溫度變化 $\Delta T_e$ 與 $CO_2$ 濃度變化 $\Delta CO_2$ 的關係：
$\Delta T_e = \frac{3}{\ln 2} \times \ln\left(\frac{(CO_2)_{final}}{(CO_2)_{initial}}\right)$
其中 $\Delta T_e$ 是攝氏溫度變化， $(CO_2)_{final}$ 和 $(CO_2)_{initial}$ 是 $CO_2$ 的最終和初始濃度（單位 ppm）。
常數 $\frac{3}{\ln 2} \approx 4.329$.

已知資訊：

• 2005 年全球平均溫度：$T_{2005} = 14.4^\circ C$
• 1 GtC 增加 0.472 ppm $CO_2$
• 2005 年總碳排放：$C_{2005} = 8.7$ GtC/yr
• 預測 2030 年的碳排放：$C_{2030} \approx 11.27$ GtC/yr (由上一題計算得出)
• 假設：2005-2030 年間的碳排放率（GtC/yr）是線性的。
• 假設：大氣中 $CO_2$ 的濃度變化與累積的碳排放量成正比。
• 假設：氣候敏感度（$\frac{3}{\ln 2}$）恆定。
• 假設：2005 年時大氣中的 $CO_2$ 濃度是某個基準值（但實際計算需要知道 2005 年的 $CO_2$ 濃度，或計算其 變化量）。

解題步驟：

1. **確定計算的基礎：**題目要求計算「due to the accumulated anthropogenic CO2 emission」，這表示我們需要計算從 2005 年到 2030 年間，額外排放的碳所導致的 $CO_2$ 濃度增加，進而引起的溫度變化。

2. 計算 2005-2030 年間的累積碳排放量：
   由於我們假設碳排放率在 2005-2030 年間是線性的，我們可以計算這段時間的平均排放率，然後乘以時間長度。

   • 2005 年排放率：$C_{2005} = 8.7$ GtC/yr
   • 2030 年排放率：$C_{2030} \approx 11.27$ GtC/yr
   • 時間長度：$\Delta t = 25$ 年
   • 平均排放率：$C_{avg} = \frac{C_{2005} + C_{2030}}{2} = \frac{8.7 + 11.27}{2} = \frac{19.97}{2} \approx 9.985$ GtC/yr
   • 累積排放量：$\Delta C_{total} = C_{avg} \times \Delta t = 9.985 \text{ GtC/yr} \times 25 \text{ yr} \approx 249.6$ GtC

3. 計算累積排放量對大氣 $CO_2$ 濃度的貢獻：
   根據題目給定的比例：1 GtC 增加 0.472 ppm $CO_2$。
   $\Delta [CO_2] = \Delta C_{total} \times 0.472 \text{ ppm/(GtC)}$
   $\Delta [CO_2] = 249.6 \text{ GtC} \times 0.472 \text{ ppm/GtC} \approx 117.8$ ppm

4. 估計 2005 年的 $CO_2$ 濃度 (如果需要)：
   通常，這類題目會給出初始年份的 $CO_2$ 濃度，或者要求計算的是 相對於某個基準年份 的變化。這裡題目提到「accumulated anthropogenic CO2 emission」，暗示我們要計算的是新增的排放量對濃度的影響。
   但是，氣候敏感度公式 $\Delta T_e = \frac{3}{\ln 2} \times \ln\left(\frac{(CO_2)_{final}}{(CO_2)_{initial}}\right)$ 需要的是絕對濃度。
   如果我們假設題目是問「從 2005 年到 2030 年，由於新增排放量導致的溫度 變化」，那麼我們需要知道 2005 年的 $CO_2$ 濃度。
   查閱資料，2005 年全球平均 $CO_2$ 濃度約為 380 ppm。
   那麼 2030 年的 $CO_2$ 濃度預計為：$[CO_2]_{2030} = [CO_2]_{2005} + \Delta [CO_2] = 380 \text{ ppm} + 117.8 \text{ ppm} = 497.8$ ppm。

5. 計算溫度變化 $\Delta T_e$：
   使用氣候敏感度公式：