從分子視角,突破「臭氧層破洞」盲點!

發布時間:106年09月30日

資料來源:中央研究院

為什麼要研究「分子束化學反應」?

「分子」聽起來離一般人的生活很遠,但比起每個月收到的帳單,分子可是天天與你生活在一起,包含氧氣、水氣等等。透過觀察分子的化學反應,還能幫人類解決生存難題。 舉個極為重要的例子:臭氧層破洞的速度有多快?這攸關地表全人類如何受到紫外線危害。中央研究院原子與分子科學所林志民與團隊,透過轉向思考、默默累積的實戰經驗,將視野聚焦到分子大小,成功解決國際科學家苦惱的難題。

 

人生中有一些問題,如果總是順著同一個方向想,會產生盲點,在這不順遂的時候如果又吹起水逆、犯太歲等風向,會讓人不禁想放棄自己的人生。研究化學也是如此,若遇到無法解決的難題、或是學術上的爭議,當傳統的實驗方法行不通時,除了放棄還有更好的選擇──不如換個方向想

所謂轉向思維法」,就是在研究解決問題或發明設計時,背逆通常的思考方式,從另一個角度尋找機會。透過這個思考方式,2009年時成功解決國際間對於臭氧層為何破洞的爭議,而突破盲點的就是中央研究院原子與分子科學所林志民與團隊。

 

享受春天燦爛的陽光,對人類來說療癒身心,但對於春天時南極洲上空的臭氧層而言,陽光卻是破壞臭氧的共犯。人類使用冷媒等物質所排放的氟氯碳化合物進入大氣後,會分解產生氯原子(Cl)。氯原子會快速地摧毀臭氧(O3),形成氧氣(O2)及氧化氯(ClO)。在臭氧層中,兩個氧化氯易結合形成過氧化氯(ClOOCl)。這時候問題大了!過氧化氯分子會吸收陽光而分解,並再次產生氯原子(Cl)。在這個光化學現象的循環下,只要陽光足夠,少量的氯原子(Cl)就會破壞千倍以上的臭氧分子(O3)。

等等,以上這段文字讓人看得眼疼?下面這張圖說,為你示意臭氧(O3)、氯原子(Cl)、過氧化氯(ClOOCl)之間的愛恨情仇。

如果缺少臭氧的保護,就無法擋住陽光中會造成人類致癌的紫外線。而威脅臭氧的兇手就是「殺了一個我還有千千萬萬個我」的氯原子,和「遇到陽光就情不自禁分解」的過氧化氯。

但在2007年一項學術爭議,讓科學家們懷疑上圖中所描述的臭氧層破壞原因是否正確,其爭議點就在於「過氧化氯分子吸收陽光的效率,到底是快?是慢?」,要探究這個問題,過氧化氯分子的「吸收截面積」是十分關鍵的數據,愈大的吸收截面積,代表光愈容易被吸收,過氧化氯分子愈容易分解,氯原子產生的速率也快。

若根據美國噴射推進實驗室發表的結果,目前大氣中已知的化學反應,無法產生足夠多的氯原子以解釋臭氧洞的形成。那麼,是什麼造成臭氧一直被破壞?對此,國際科學家們產生強烈的爭議,甚至連兩大科學期刊《自然 Nature》 與 《科學Science》都曾對此議題發表不一致的評論。如果臭氧洞的形成另有未知的原因,目前人們保護臭氧層的方法還值得信任嗎?
 

傳統實驗方法行不通   換個角度解決問題

在當時的中研院李遠哲院長號召下,中研院原子與分子科學所林志民與研究團隊進入這個未知的領域,一開始先蒐集資料、了解其他科學家的問題出在哪。哈佛大學、劍橋大學等研究團隊亦相繼投入此議題,重新量測過氧化氯分子的吸收截面積,但皆面臨同樣的困難:過氧化氯的純樣品難以製備,以致於實驗數據有誤差、不易獲得可信的結果。

因為在實驗過程中,需要把過氧化氯(ClOOCl)裝在瓶子裡,但瓶中的過氧化氯很不穩定、會慢慢分解成氧氣(O2)和氯氣(Cl2),當過氧化氯樣品受氯氣汙染,很難分辨打入瓶中的光線是被過氧化氯吸收?抑或被氯氣吸收?

林志民與研究團隊思考,當一個分子吸收光線產生分解,這個化學反應過程中可以選擇測量「分子」或「光線」,但在實驗室氣體樣品不純的限制下,從測量分子下手較為適合。因為不同分子的質量不同,測量某個分子的質量,就可以知道它是什麼分子,避免把氯氣誤認為過氧化氯這類情況。

林志民與研究團隊利用質譜偵測器,量測分子束中過氧化氯分子的數量,當光線打下去後,就能算出過氧化氯分子被光線分解的效率,也能得到吸收截面積的關鍵數值。由於質譜偵測器可以篩選質量,過氧化氯分子的訊號不會受到氯氣等雜質的干擾,得到的數據有很高的可信度。

雖然測量「分子」需要用到質譜儀與分子束的儀器設備,比起測量「光線」困難好幾十倍,這也是傳統實驗都從光線下手的原因之一。但當時台灣研究分子束、質譜的技術已經耕耘十幾年,有李遠哲、劉國平、倪其焜、林志民等團隊長期累積的實戰經驗,發展比國外成熟許多,因此從分子的角度切入觀察,花了一年的時間就找到答案。

林志民與團隊的實驗數據顯示,過氧化氯分子的吸收截面積不僅遠大於 2007 年美國噴射推進實驗室的結果,且較學界在 2006 年的評估認定值 (JPL 2006) 為大。將此數據代入現有的大氣化學模型中,就能解釋臭氧洞的形成過程,再次證實人類活動所排放的氟氯碳化合物正是破壞臭氧層的主因。先前美國噴射推進實驗室的研究,因為過氧化氯樣品受到氯氣汙染,所以發表的過氧化氯分子吸收截面積,才會比先前學界接受的值小了近十倍,讓科學家們捲袖隔空交戰。

 

解決問題不只靠腦力   說好的儀器呢?

每一個成功的科學量測儀器,背後都有一群默默付出的設計製造團隊。林志民與團隊運用分子與化學的知識,設計出量測過氧化氯吸收截面積的儀器,但這時一切都只實現在科學家的腦海中。必須與中研院原子與分子科學所自有的機械工廠和玻璃工廠合作,透過和師傅們不斷討論與調整、加工零件、組裝,才能將腦海中的儀器變成現實。宛如 007 電影中強大的 Mr.Q ,量身打造各種「科學家的武器」,支持研究員在前線挑戰各個難關。

2009 年中研院的實驗結果發表後,國際學術界相當意外,因為本來沒人知道中研院有涉入這個領域,而且竟能找到非傳統的方法量測過氧化氯的光化學數據,為大氣化學家提供了精確的參考數據。

對於臭氧層為何破洞的爭議,若因實驗室量測數據的誤差而導致錯誤的環保政策,受到紫外線侵襲的後果將由地表全人類和生物們共同承擔。也許真實世界沒有超人或神力女超人來保護我們,但透過分子束化學反應這類基礎研究,有助從分子的視角,找到永續生存的對策。


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