能源與永續文明
By Jwu-Ting Chen, Emeritus Professor Chemistry, NTU (轉載自中研院知識饗宴系列 V9,2013) 楔子 能源和文明的永續到底有什麼關係? 華夏文化在世界文明中是綿延最久的文明之一。但是先跑的不一定贏,現在贏的也未必永遠贏。 從地球自然史的眼光來看人類文明,不過是永恆中的一瞬。我們創造出來的文明,在兩百年內,已經將儲存在地表上可用的淺層油耗盡泰半。好日子還沒過多久,突然能源危機就成了已開發及開發中國家的夢魘。能源危機就是指在經濟上能源供給發生了瓶頸壅塞現象。一般庶民更容易感受的是地區油電漲價反映在工業原料、交通燃料、或民生物資上,價格都明顯的上揚。全球油價的上漲趨勢是不可能回頭的。在二十一世紀,我們必需面臨方便開採的石油愈發供不應求。這是全世界的難題,而臺灣更是一個沒有天然能源的國家,我們將如何因應以度過難關? 歷史上的文明起落 從科學家的觀點,能源和資源其實是一體的兩面。地球上有多少能源?能供給多少人口過甚麼水平的生活?當科學家說地球上的能源和資源都是有限的,是根據那些知識的立論呢?首先我們先看看歷史上,人類有那些輝煌文明的起落。 二萬年前歐洲的克羅馬儂人在洞窟中留下了驚人的壁畫。三千年前中東巴比倫宏偉的城牆和城市,今天只能在博物館中找到斷垣殘壁。中國夏商的傳奇,一直到二十世紀出土的商墓中才獲得了實體的證據。三千年前埃及的金字塔已能將抽象的幾何之美融入建築技術;無獨有偶,八百年前墨西哥的阿茲特克人將天文融入金字塔的建築。南美洲祕魯高地的印加帝國(圖一)及柬埔寨的吳哥窟在近千年前都以精緻的灌溉工程與農耕技術創造了百萬人口的皇城。帝國樓起樓落,繁華落盡的輝煌早已湮沒在荒煙漫草之中,他們的後代淪落之時,都不知道祖先如何散盡昔日的光彩。 東太平洋有一個復活島,距離南美洲西岸不足500公里。以臺灣為文化母島的南島文化先民曾經乘風破浪,駐足於此。復活島曾經有過參天的椰子樹矗立在整個島嶼,現在只有向海環島而立高達數公尺的的巨石頭像,漠然地迎接著日頭的起落,唏噓過往的榮景(圖二)。 歷史上多少令人神往的文明,消弭猶如飛鴻踏雪。也難怪眾多無知之士穿鑿附會於神幻奇聞或外星玄說。利用群眾不求勝解的好奇,大賺收視率的銀子。今天的科學考古、語言文字學、生命科學、地球科學的知識都指向,無論是天災與人禍,一旦重創生態系統,不論多光鮮自豪的文明也可能無以為繼,失去永續的機會! 近兩百年來,歐美隨著工業革命之後,趁著資本主義的自由市場與科技文明急遽發展之勢,政治及經濟勢力如猛虎出匣的攫奪了全球大半的資源。另一方面,經歷理性主義與啟蒙運動洗禮的歐洲也促成了近代科學的崛起。科學使得人類獲得了認識物質世界新的窗口,不僅擴張了我們五官與經驗的疆界,正確的科學理論甚至使得人的心智思維無遠弗屆。當我們開始知道宇宙與自然之中物質與能的關係時,終於有了不同於昔日的知識來認識人類的過去與今日,甚至揣摩我們與週遭世界的未來。 科學家眼中的物質與能 希臘先哲赫拉克立圖斯認為世界是一種流變的狀態(fluxional state),每天升起新太陽,所以火應該是萬物之源。這種想法和今天「能」的流動變化概念及能與物質的關係儼然相似,卻又似是而非。 物理學家定義「能」可使事物作工、使力或發生功效或行為。換句話說,物質的改變必然伴隨能量的變化。而一般人對「能」的概念最直覺的印象應該就是「熱」。科學對「能」的尋根之旅終於在二十世紀找到了宇宙源自「大霹靂」(Big Bang)的證據。雖然大爆炸並不是產生「能」的終極因,但是哈伯望遠鏡更進一步的讓科學家知道大爆炸發生在137億年前,目前還在持續膨脹之中(圖三)。 在宇宙漫長的歷史中,伴隨著星雲、太陽系、行星的形成,有許多種形式的「能」伴隨著物質的演化。最早隨著宇宙出現的就是光與熱。19世紀麥克斯威爾才發現光就是電磁波。雖然人類的眼睛只看得見七彩的可見光,但是比可見光(光量子)能量更大的還有紫外線、X射線、伽瑪射線等;比可見光(光量子)能量小的依序為紅外線、微波、各種無線電波等。 愛因斯坦最有名的方程式就在陳述物質和能量在特定的條件下是可以互變的。 今天科學的宇宙觀認為宇宙初始的能量和質量互變,於是產生了一個粒子組成的世界。爆炸後的宇宙逐漸冷卻下來,一小部份形成次原子粒子,再形成原子。光譜學還告訴我們這些原子中約有60%的氫原子,約有37%是氦原子。太陽中最多的元素也是氫,約有73%,氦則是25%。 太陽是宇宙中典型的能源庫。太陽是恆星,不斷的進行核融合,將輕的元素轉變成重的元素,同時放出「核能」。今天的太陽大約已有五十億年的歲數,而且應該有過前世。因為恆星爆炸成超新星後,再重新凝聚,才可能形成元素種類眾多的行星。太陽核能的一部份能量以「光能」的形式釋出,地球就是最大的受惠者。 靠著「太陽能」的蘊育,地球是一個由88種元素組成的繽紛世界。最多的元素是鐵約35%,但鐵幾乎都在地心。其次氧原子佔30%,氧卻是地殼中最多的成分。地殼中次多的是矽,矽和氧就組成了砂、石、土壤的主要成份。地球組成並不均勻,88種原子以不同種類、不同數目、不同方式的結合而且變化,造就了多采多姿的大自然。 地質學的研究顯示地球已有46億年的壽命。這個不尋常的星球早就形成了一顆硬質行星,就是有固態的地表。克卜勒在約五百年前就發現地球的公轉軌道是非常接近圓形的橢圓。目前衛星最精密的測量得知,地球公轉半徑147,098,290 ~ 152,098,232 公里,是距離太陽第三近的行星。以每小時107,200 公里(即每秒鐘29.78公里! )的速度,每365.256363004 日繞行太陽一周。從數據上讀不出奧妙,但是地球的條件十分適合原子結合的變化,形成了不同組成的物質。這些變化所吸收或釋放的能量就是「化學能」。 大自然將「太陽能」轉換成「化學能」來使用,化學能是創造新的化合物最重要的能量來源。分離的原子結合時釋出化學能,結合的原子分離時要吸收化學能。原子既然可以多樣多方地組合成化合物,化合物也可以經過各種化學反應轉變、分解或再結合成更大的化合物。有些反應進行時會放熱,也有反應進行時會吸熱。所以光和熱都可以與化學能相互轉換。 經過凝析過程的地球,輕的物質在外,重的物質在內,形成了氣圈、水圈、與地圈...
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