海洋吸塵器,為什麼一下就死掉了

史上最強募資計畫!全世界海洋滿滿的塑膠垃圾,就靠這支吸塵器來救了!身負眾望的清理行動,卻出師未捷,暫時得拖回修理。什麼,一點也不意外?請聽我從頭說起吧。

16歲時在希臘的一次潛水,親眼看見海裡的塑膠袋比魚多的畫面後,荷蘭青年柏揚.史拉特(Boyan Slat)發下宏願,打算用海洋吸塵器把全世界海洋清乾淨。此番豪語吸引了上千萬美元的捐款,他18歲就成立了自己的組織「海洋清理行動(The Ocean Cleanup,後簡稱TOC)」。雖然短短幾年,小鮮肉突然變成滿臉鬍渣的(即將步入)中年男子,他信心滿滿,宣稱只要有60個這樣的系統,就能在2025年減少海上一半的垃圾

去年九月,眾所注目、小名威爾森的系統001(System001)(也就是俗稱的海洋吸塵器)浩浩蕩蕩從舊金山出發,當時我還認真追了兩個小時的直播。沒想到,過了幾個月,從「嗯天氣不理想我們還在試」、「出現塑膠!但它漂走了我們還在研究為什麼」、「系統調整中」、「系統調整中但速度不理想」、「嗯…威爾森要先回港口修理」,到今年一月初慘烈的「哎呀它斷了」。雖然史拉特面對接踵而至的打臉酸文表示:「說我失敗的都是胡扯!這本來就是實驗,邊做邊學也是很正常der」。這個史上最強募資的環境行動,到底告訴了我們什麼。

在討論海洋吸塵器到底可不可行之前,讓我這個物理苦手,翻譯加拿大海洋物理學家克拉克.理查(Clark Richards)博士從流體力學的角度來看海洋吸塵器為何失敗的文章。

一句話總結本文:大海強而有力,而且喜歡把東西扯爛(>///<),吸塵器爛掉也只是剛好而己

簡單說,海洋是個很難工作的地方。說真的,有專門讓工程師把設備丟到海裡看有多少能生還的研討會,他們這樣形容:如果你能把設備拿回來,代表那是成功的計畫;如果它還能紀錄到任何數據,那就是錦上添花了。

TOC提出的是一個自由漂浮的系統001,團隊宣稱在洋流、風和海浪的作用下,系統001會比塑膠漂得更快,然後把塑膠垃圾集中到U字形的圍欄中間,就可以輕易的蒐集垃圾。

系統001的任務與長相示意。Source: https://www.theoceancleanup.com/media-gallery/#&gid=3&pid=4

理想情況是:風、海浪和洋流全都是往同一個方向走。

影片中所呈現的,系統001作為垃圾收集系統的前提是:通過風,波浪和洋流的共同作用,U形圍欄會比漂浮的塑膠垃圾更快地掠過水面,因而能夠收集、集中垃圾,最後清除。 TOC的想法是:雖然圍欄和塑膠垃圾都會隨著洋流而漂移,因為圍欄像帆一樣從水中凸出,所以它能藉由風力,移動得比表面水層更快。

以下我用我覺得比較親民的方式,來跟大家介紹一下克拉克.理查博士概略的描述波浪跟風的運作,與環流和太平洋垃圾帶。

1. 波浪比你想得複雜

海浪移動的期間,水粒子以小圈圈(通常稱為波浪軌跡)的方式移動,可看下面動畫了解圓形軌跡的移動。簡單來說,海浪前進時同時受到前進的動力與軌道力的作用。另外,波浪在傳播時,它的方向也會有一些漂移,為了紀念1847年用數學方法來描述這個漂移的斯托克斯先生(Gabriel Stokes),我們就把這稱為「斯托克斯漂移(Stokes Drift)」。斯托克斯指出,漂移量是非線性的,取決於波幅與波長。舉例來說,對波長10米、週期10秒(類似於典型的海浪)的0.5米振幅波,表面的漂移速度約為10公分/秒。

覺得頭很脹的同學別緊張,以上只是要說明,任何在水裡、被水粒子包覆的東西要移動,都需考慮到力、推進波、波浪動能的不同組成(讓我們緬懷親愛的牛頓與逝去的物理課……)。而比起巨大的、長達600米的漂浮圍欄,一塊小小的、漂浮的塑膠垃圾,會更容易受到斯托克斯漂移的影響。而單單這點就足以打臉這套被動收集系統了,史拉特你怎說?

2. 我不知道風往哪個方向吹:風也很複雜

Source: http://oceanmotion.org/html/background/ocean-in-motion.htm

1905年,瑞典海洋學家艾克曼(Vagn Walfrid Ekman)發現,當風吹過海水表面,因空氣和水之間摩擦力產生的水流,並不會跟著風往同一個方向移動。原因是由於地球自轉,地表物體的運動會受到與運動方向切線的加速度,讓原本直線的運動沿著彎曲的路徑走,也就是科氏力(Coriolis force)。

總之,在理想的大海(如果世界上真的存在這樣的地方……)上,表面吹著穩定的風,表面的水流實際上跟風向是呈45度角。至於是往左還往右45度,則取決於你在北半球還南半球。更酷的是,表層的水流也會對其下方的水層產生摩擦力,以致下方的水層也會有個角度的移動,層層往下以此類推。風所造成的流動,會隨著深度而作用力漸小,因此產生了一個梯度向下的螺旋,稱為艾克曼螺旋(Ekman spiral)。

螺旋穿透的實際深度取決於一個叫做Az的神秘海洋參數,它描述了水層之間垂直混合的動能,有點像是它們之間的摩擦力。不過,很明顯的是,靠近表層漂浮的塑膠碎片跟3米深的浮動圍欄,它們承受的風力和水流是不一樣的,因此,它們也不會朝著同一方向移動的。嗯……這個結論,會讓系統001很難收集塑膠垃圾啊。

3. 環流更是複雜到不行

什麼是環流?如果把時間軸拉長、洋流是平均的狀態下,的確我們可以看到一個龐大的、旋轉的巨大海流。不過,在任何一個瞬間,實際的大海受到不同空間和時間尺度、亂七八糟流(簡稱為「亂流(或擾流)」)的作用,沒那麼容易掌握啊。簡單說,風、波浪和流場在空間和時間上都是高度變動的,而且從不會在同一個時間乖乖的停在同一個地方。同一時間、地點的洋流和波浪,也不盡然是該地點的風所造成的。大海裡經由各種不同過程產生的漩渦,會在力量消散前傳播到海洋盆地的各個角落。

這是海流。截圖來自:https://earth.nullschool.net
這是波浪。截圖來自:https://earth.nullschool.net
這是風。截圖來自:https://earth.nullschool.net

在這樣的情況下,系統001想要在茫茫大海中找到太平洋大垃圾帶,即便有垃圾帶大致分佈的位置,但系統001如何能及時回應瞬息萬變的各種風、波浪和海流?

其他人怎麼看海洋吸塵器?

2004年,首篇提出「微塑膠(microplastic)」一詞,持續投入微塑膠研究十餘年,被海廢界尊稱為微塑膠教父(誤)的理查.湯普森(Richard Thompson),人們問他怎麼看這個史無前例的清理計畫?他說:

如果我有那~麼大的一筆錢,我希望95%用於防止垃圾進入海洋,只把其中5%用於清理。

發起全球淨灘行動(International Coastal Clean-up)的非營利組織海洋保護協會(Ocean Conservancy)不看好這個行動。首席科學家喬治.里歐納(George Leonard)表示:

我們海洋保護協會對這個計畫抱持高度懷疑,但我們希望它能成功。不過,如果你不阻止塑膠流向海洋,一切都是徒勞無功。

澳洲聯邦科學與工業研究組織CSIRO(類似台灣工研院)學者丹妮絲.哈德蒂(Denise Hardesty)強調,海洋吸塵器絕不是萬靈丹。她認為,我們可以更有智慧的投入資源,聚焦於源頭,趁垃圾到達海岸前就攔截、清除。她說,就像浴室淹大水,你會很慶幸有拖把和抹布,反正最後我們還是要把它擦乾淨;但是,如果水還繼續再漏,我們要先想辦法把水龍頭關起來。

Credit: 高月紘 | Source: ハイムーン工房のホームページより/ https://highmoonkobo.net/?p=2731

什麼方法才有效呢?繼續撿垃圾,還是從源頭就扼止垃圾產生?

澳洲政府每年花超過100萬澳幣在清垃圾,研究團隊評估到底錢怎麼花,最能夠有效減少垃圾。他們發現,投資在廢棄物管理(包含回收、防止亂丟垃圾和非法棄置的政策和教育),比預算單純用在清掃上,更能夠有效減少海岸上的垃圾。這個故事有興趣的朋友可以直接看paper本人,中文版容我之後再細細說明了。

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