113 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）》

核心觀念

本題考查水中極低濃度的單位換算。

在飲用水中，$4.0\ \text{ppt}$ 通常表示：

$$4.0\ \text{ppt}=4.0\ \text{parts per trillion}=4.0\times10^{-12}$$

以質量濃度表示：

• $1\ \text{ng}=10^{-9}\ \text{g}$
• $1\ \text{L}$ 水的質量約為 $1\ \text{kg}$

因此，水中：

$$4.0\ \text{ppt} =4.0\ \text{ng/kg} \approx 4.0\ \text{ng/L}$$

解題方法

先將各選項換算成相同的單位。以 $4.0\ \text{ng/L}$ 為基準：

$$4.0\ \text{ng/L} =4.0\times10^{-9}\ \text{g/L}$$

由於 $1\ \text{L}$ 水約等於 $1\ \text{kg}$：

$$4.0\ \text{ng/L}\approx4.0\ \text{ng/kg}$$

再檢查選項 c：

$$1\ \mu\text{g}=10^{-3}\ \text{mg}=10^{-6}\ \text{g}$$

而：

$$1\ \mu\text{g/mL} =\frac{10^{-6}\ \text{g}}{10^{-6}\ \text{L}} =1\ \text{g/L}$$

所以：

$$4.0\times10^6\ \mu\text{g/mL} =4.0\times10^6\ \text{g/L}$$

這與 $4.0\ \text{ng/L}$ 相差極大，並非等值。

選項分析

a. Can also be expressed as 4.0 parts per trillion

正確。ppt 即為 parts per trillion，表示每一兆份中含有四份：

本題考查環境荷爾蒙（內分泌干擾物）的定義，以及判斷 PFAS 是否屬於環境荷爾蒙。

什麼是環境荷爾蒙（內分泌干擾物）？

環境荷爾蒙，正式名稱為「內分泌干擾物」（Endocrine Disrupting Compounds, EDCs），是指一類外源性化學物質，它們能夠干擾生物體內正常的分泌、代謝及作用，特別是影響內分泌系統的功能。這些物質可能模擬或阻斷體內天然荷爾蒙的作用，進而對生物體的生長、發育、生殖、神經行為等產生不良影響。

其關鍵特徵包括：

1. 外源性： 這些物質並非生物體本身產生的，而是來自環境。
2. 干擾內分泌系統： 它們能與體內的荷爾蒙受體結合，或影響荷爾蒙的合成、分泌、運輸、代謝或排除，從而改變內分泌系統的正常訊號傳導。
3. 產生不良影響： 即使在低劑量下，也可能對生物體，特別是發育中的個體，產生負面的健康效應。

PFAS 是否可以被視為一種環境荷爾蒙？

PFAS（全氟和多氟烷基物質）不屬於典型的環境荷爾蒙，但其暴露可能導致類似環境荷爾蒙的健康影響。

原因解釋：

1. 作用機制不同：
   • 典型的環境荷爾蒙（如雙酚A、鄰苯二甲酸酯、某些塑化劑、某些農藥）通常是透過模擬或阻斷體內天然荷爾蒙（如雌激素、雄激素、甲狀腺素）的作用來干擾內分泌系統。它們的化學結構可能與天然荷爾蒙相似，能與荷爾蒙受體結合。
   • PFAS 的主要問題在於其極強的 持久性 (persistence) 和 生物累積性 (bioaccumulation)，以及在體內廣泛分佈（例如在肝臟、血液、腎臟、甲狀腺等）。

本題考查 PFOA 的化學結構特性，以及這些特性如何使其具有表面活性劑、不沾鍋塗層和防水噴霧等應用。

PFOA 的化學結構與特性：

PFOA（全氟辛酸，Perfluorooctanoic acid）的結構如圖所示，其分子包含兩個主要部分：

1. 長碳氟鏈 (Long fluorinated carbon chain)： 這是由八個碳原子組成的鏈，每個碳原子（除與羧基相連的碳外）都與氟原子鍵結。這種 C-F 鍵非常強，氟原子具有高電負度，使得整個碳鏈上的電子分佈非常均勻，且 C-F 鍵的偶極矩互相抵消，整體表現出極低的極性，因此是高度的疏水性 (hydrophobic) 和疏油性 (oleophobic)。
2. 羧酸基團 (-COOH)： 這是分子的另一端。在水中，羧酸基團可以解離成羧酸根離子 (-COO⁻) 和氫離子 (H⁺)。帶電的羧酸根離子是高度親水性 (hydrophilic) 的。

PFOA 的應用解釋：

由於 PFOA 分子同時具有高度疏水/疏油的長碳氟鏈和高度親水的羧酸基團，它表現出明顯的兩親性 (amphiphilic) 特徵，這使其能夠作為表面活性劑，並廣泛應用於其他場合。

1. 作為表面活性劑 (Surfactant)：
   • 原理： 表面活性劑的關鍵特徵是其兩親性分子結構，即同時具有親水頭部和疏水尾部。PFOA 的羧酸根 (-COO⁻) 是親水頭部，而長碳氟鏈是疏水/疏油尾部。
   • 作用： 在水溶液中，PFOA 分子會聚集在水-空氣界面或水-油界面。親水頭部伸向水中，疏水尾部則遠離水，朝向空氣或油相。這使得水的表面張力降低，或者能夠將油滴分散在水中形成乳液。

本題考查 PFOA 的環境污染物分類。

PFOA 的定義與特性：
PFOA (Perfluorooctanoic acid) 是一種全氟和多氟烷基物質 (PFAS)。PFAS 是一類全氟化的人工合成化學品，具有極強的化學穩定性，不易分解，因此在環境中非常持久。PFOA 曾被廣泛用於製造各種產品，如不沾鍋塗層、防水紡織品、消防泡沫等。

選項分析：

a. Micropollutant (微量污染物)： 微量污染物是指在環境中含量極低，但對生態系統或人體健康可能產生不利影響的物質。PFAS，包括 PFOA，由於其持久性、生物累積性和潛在毒性，常被歸類為微量污染物，特別是當它們存在於水體、土壤或生物體中時。

b. Inorganic compound (無機化合物)： PFOA 是一種有機化合物，其分子結構包含碳鏈和羧酸基團，是典型的有機分子。無機化合物通常不含碳氫鍵。因此，PFOA 不是無機化合物。

本題要求繪製電磁輻射光譜圖，並標示太陽輻射的範圍及進行解釋。

電磁輻射光譜 (Electromagnetic Radiation Spectrum)

電磁輻射是能量以電磁波形式傳播的現象。這些電磁波具有波長 (wavelength, $\lambda$) 和頻率 (frequency, $\nu$) 等特性，兩者成反比關係：$\nu = c/\lambda$，其中 $c$ 是光速。電磁波的範圍非常廣泛，從波長極長的無線電波到波長極短的伽馬射線。

電磁輻射光譜圖通常以波長或頻率為橫軸，展示不同類型的電磁輻射。常見的分類（從長波長/低頻率到短波長/高頻率）如下：

1. 無線電波 (Radio Waves)： 波長 > 1 mm。用於通訊、廣播、雷達等。
2. 微波 (Microwaves)： 波長約 1 mm 至 1 m。用於通訊、雷達、微波爐。
3. 紅外線 (Infrared Radiation, IR)： 波長約 700 nm 至 1 mm。與熱有關，人眼可感覺到熱輻射。
4. 可見光 (Visible Light)： 波長約 400 nm (紫光) 至 700 nm (紅光)。人眼可直接看到的光。
5. 紫外線 (Ultraviolet Radiation, UV)： 波長約 10 nm 至 400 nm。來自太陽，可引起曬傷、皮膚癌，但對維生素 D 合成很重要。
6. X 射線 (X-rays)： 波長約 0.01 nm 至 10 nm。用於醫學成像、材料分析。
7. 伽馬射線 (Gamma Rays)： 波長 < 0.01 nm。能量最高，穿透力最強，來自核反應或宇宙射線。

圖示：

（請想像一個從左至右波長遞增的水平軸，或從上到下波長遞增的垂直軸）

<----------------------------------------------------------------------------->
波長 (λ) 遞增
伽馬射線  X-射線  紫外線  可見光  紅外線  微波  無線電波
(短波長, 高頻率, 高能量)                        (長波長, 低頻率, 低能量)

太陽輻射 (Solar Radiation)

本題要求繪製岩石循環圖並進行解釋。

岩石循環 (The Rock Cycle)

岩石循環是描述地球上不同類型岩石（火成岩、沉積岩、變質岩）之間相互轉化過程的地理學概念。這個循環是由地質作用（如岩漿冷卻、沉積、壓密、變質、熔融、侵蝕、搬運、堆積）驅動的。

岩石的三大類：

1. 火成岩 (Igneous Rocks)： 由地下的岩漿 (magma) 或地表的熔岩 (lava) 冷卻凝固而成。例如：花崗岩 (granite)、玄武岩 (basalt)。
2. 沉積岩 (Sedimentary Rocks)： 由風化作用產生的岩石碎屑（沉積物）堆積、壓密、膠結（成岩作用）而成，或由生物體的殘骸堆積而成，或由化學沉澱物形成。例如：砂岩 (sandstone)、頁岩 (shale)、石灰岩 (limestone)。
3. 變質岩 (Metamorphic Rocks)： 由原有的火成岩、沉積岩或變質岩在高溫高壓的條件下發生變質作用（物理和化學變化），但未熔融而成。例如：大理岩 (marble，由石灰岩變質而成)、板岩 (slate，由頁岩變質而成)。

岩石循環的過程：

（請想像一張圖，中央有三個圓圈代表三類岩石，並有箭頭連接它們，箭頭上標示著驅動這些轉化的地質作用。）

• 岩漿 (Magma) → 火成岩 (Igneous Rocks)： 岩漿在地表下冷卻凝固形成火成岩。
• 火成岩 → 沉積物 (Sediments)： 火成岩在地表受到風化（物理和化學分解）和侵蝕（搬運）作用，形成沉積物。
• 沉積物 → 沉積岩 (Sedimentary Rocks)： 沉積物經過搬運、堆積、壓密和膠結（成岩作用）形成沉積岩。
• 沉積岩 → 變質岩 (Metamorphic Rocks)： 沉積岩埋藏在地殼深處，在高溫高壓下發生變質作用，形成變質岩。
• 變質岩 → 岩漿 (Magma)： 變質岩如果埋藏得更深，溫度升高到超過其熔點，就會熔融形成岩漿。
• 火成岩 → 變質岩 (Metamorphic Rocks)： 火成岩也可以直接在高溫高壓下變質。

本題要求繪製全球碳循環圖並進行解釋。

全球碳循環 (The Global Carbon Cycle)

全球碳循環是指碳元素在地球的生物圈、岩石圈、水圈和大氣圈之間不斷交換和轉化的過程。碳是構成所有有機物的基本元素，也是影響地球氣候（通過溫室氣體二氧化碳）的關鍵因素。

主要的碳庫 (Carbon Reservoirs)：

1. 大氣圈 (Atmosphere)： 主要以二氧化碳 ($CO_2$) 和少量甲烷 ($CH_4$) 的形式存在。
2. 生物圈 (Biosphere)： 包括陸地和海洋中的所有生物體（植物、動物、微生物）以及死亡的有機物（腐殖質）。
3. 水圈 (Hydrosphere)： 主要以溶解的 $CO_2$、碳酸根離子 ($CO_3^{2-}$) 和碳酸氫根離子 ($HCO_3^-$) 的形式存在於海洋、湖泊和河流中。海洋是最大的碳庫之一。
4. 岩石圈 (Lithosphere)： 以碳酸鹽岩（如石灰岩）和化石燃料（煤、石油、天然氣）的形式儲存大量碳。這是最龐大的碳庫。

主要的碳交換過程 (Carbon Exchange Processes)：

1. 大氣 ↔ 生物圈：

   • 光合作用 (Photosynthesis)： 植物、藻類和某些細菌利用大氣中的 $CO_2$ 和太陽能，將其轉化為有機碳（糖類），儲存在生物體內。這是將大氣碳轉移到生物圈的主要途徑。
   • 呼吸作用 (Respiration)： 生物體（植物、動物、微生物）分解有機物以獲取能量，同時釋放 $CO_2$ 回到大氣。
   • 分解作用 (Decomposition)： 死亡的動植物殘骸被微生物分解，釋放 $CO_2$（好氧分解）或甲烷 $CH_4$（厭氧分解）回到大氣或水體。

2. 大氣 ↔ 水圈：

   • 二氧化碳交換 (CO₂ Exchange)： $CO_2$ 在大氣和海洋表面之間通過溶解和釋放的過程進行交換。海洋吸收大量的 $CO_2$。
   • 碳酸鹽形成與溶解： 海洋生物利用溶解的碳酸氫根離子形成碳酸鈣（$CaCO_3$）骨骼或外殼，死亡後沉積形成碳酸鹽岩。這個過程將碳從水體轉移到岩石圈，是長期的碳儲存。
   • 化學沉澱： 溶解的碳酸鹽離子可在特定條件下沉澱。

本題要求繪製四種不同人口增長類型（快速擴張、緩慢擴張、穩定、下降）的人口結構圖，並進行解釋。

人口結構圖 (Population Age-Structure Diagrams)

人口結構圖，又稱年齡-性別金字塔圖 (Age-Sex Pyramid)，是表示一個國家或地區人口年齡和性別分佈的圖表。橫軸通常表示各年齡層的百分比或人數（男性在左，女性在右），縱軸表示年齡層（通常以 5 歲為間隔）。圖形的形狀直接反映了該地區的人口增長趨勢。

四種人口結構類型：

1. 快速擴張型 (Rapidly Expanding Population)：

   • 特徵： 出生率遠高於死亡率，年輕人口比例非常高，老年人口比例很低。
   • 圖形： 呈現寬廣的底部，向上迅速收窄，形成一個非常寬厚的「金字塔」形狀。底部年齡層（0-4歲、5-9歲等）的比例遠大於頂部年齡層。
   • 國家範例： 許多撒哈拉以南非洲國家，如尼日、烏干達。
   • 圖示繪製： 底部非常寬，向上快速變窄，頂部非常窄。

2. 緩慢擴張型 (Slowly Expanding Population)：

   • 特徵： 出生率略高於死亡率，年輕人口比例仍然較高，但相較於快速擴張型已有所下降。老齡化開始出現，但比例不高。
   • 圖形： 底部仍然較寬，但收窄的速度比快速擴張型慢，整體呈較為寬厚的金字塔形，但頂部比例比快速擴張型稍大。
   • 國家範例： 許多發展中國家，如印度、巴西。
   • 圖示繪製： 底部寬，但收窄速度較緩慢，呈略圓潤的金字塔形。

3. 穩定型 (Stable Population)：

   • 特徵： 出生率約等於死亡率，人口總數增長緩慢或接近零。年輕、中年、老年人口比例相對均衡。
   • 圖形： 底部和中部的寬度接近，頂部比例逐漸增加，整體形態接近一個直立的矩形，底部略寬或與中部差不多。
   • 國家範例： 一些已開發國家，如美國、法國（過去幾十年）。
   • 圖示繪製： 底部和中部寬度相似，頂部比例相對較大，呈近似直立的「柱狀」或「鐘形」。