作者:
daron (一)
2018-11-29 11:46:20天氣小觀：北方大地沉睡，南方海面凜冽朔風
再過兩天就是正統12月入冬了，在這深秋轉入冬的季節，
儘管南方依舊如秋，但北方大地早已沉睡，一層層的厚雪覆蓋，
海湖結冰，萬籟俱寂，世界變成一片白，安靜地不像話，
只有科技的世界更有活力了；結束了文學之秋，冬天是科技的季節。
一、起源就是人類文明之火，火的運用讓人類對抗寒冷冬季，演化出人類文明。
二、人類的馭火術有了精進，蒸汽機的運用開啟第一次工業革命，文明的轉折。
三、有了爐火純青的馭火術，人類試圖掌控更多，尤其二次工業革命的雷電術。
四、為了更貪婪掌握真實和虛擬的世界，過度濫用馭火術導致失控的全球暖化。
五、全球暖化是人類所造成已成共識，如何彌補？或使用禁術？只能拭目以待。
一、文明之火
地球是太陽系的第三顆行星，距離太陽約1.5億公里，繞著太陽進行公轉和自轉，
自轉軸相對於軌道平面法向量(垂直於軌道平面)的轉軸傾角23.44度，
因此分別產生了四季和晝夜，
而地軸的傾角約以四萬年的周期變動，變動幅度在22.1~24.5度間。
1. 地球傾斜的原因
一般認為，四十億年以前，一顆小行星撞到地球，造成地軸傾斜於是產生地球四季氣候。
然後六千五百萬年前的一顆隕石撞擊地球，導致了恐龍的滅絕。
2. 如果地球沒有傾斜
自轉軸沒有傾斜的地球就沒有四季的變化，赤道永遠受到太陽直射，兩極永遠只有微光，
高緯度永遠乾燥低溫，人類無法在高緯度生活；
低緯度永遠多雨高溫，土壤不停受到沖刷入海。
副熱帶高壓終年盤據在北緯20~40度之間，受副熱帶高壓壟罩的地方終年無雨。
於是人類只能藉由地形局部分布在副熱帶高壓南北側邊緣適合居住地方。
3. 如果地球傾斜90度
當地球自轉軸傾斜的角度高達90度的話，地球的四季會變得非常極端，
冬夏半球大氣逆轉，同時大氣不穩定機制異常活躍，出現許多劇烈天氣。
地球沒有永凍冰層，從赤道至兩極都會在冷季時結冰。
也因為沒有永凍冰土，人類除了對抗天氣，還要對抗活躍的細菌病毒。
4. 地球巧妙的傾斜23.44度，天生萬物以養人
當今地球的地軸傾斜23.44度，這巧妙的角度變化並不大且變化緩慢，
讓地球在一段時間內，能保持著規律的四季輪替，
人類文明中最大成就，就是觀測四季變化來適時的看時機下農，增加糧食收成！
5. 食衣住行的第二順位"衣"
滿足了口腹，再來就對抗環境變化的"著衣"了：
(1) 人類對火的使用是人類文化演化的轉捩點，使人類繁衍開創文明。
在遠古時代，大自然的火對生態環境的變化有著十分重要的影響。
一場大火過后，無數生命被吞食，幸存下來的人類隻得從灰燼中尋找可以充飢的東西。
原始人在從灰燼裡尋找食物的過程中發現，火雖然是可怕的，但靠近它時又可取暖。
這一意識的發生可以說是人與動物區別開來的一個重大分界線，
正是意識到火可以取暖人類才產生了保存火種的意識。
原始人開始將自然火種帶回洞穴中保存起來，人類對火的利用也就從此開始了。
(2) 火的利用是人類發明服裝的最根本動力
原始人在使用火的過程中，毛髮逐漸退化減少，於是對火的依賴性也越來越強。
特別是冬天，當人類離開火堆外出活動或尋找食物時，
由於感到非常寒冷，就不得不開始思考尋找御寒的辦法，從樹葉演進的獸皮的著衣。
寒冷帶給了人類的啟發，人類在困難面前學會了思考，終於發明了服裝，
二、馭火術
自從人類懂得駕馭星星之火以後，便開始征服萬物，社會組織也壯大起來，
18世紀的工業革命，是技術發展史上的一次巨大革命，馭火術的潛大威力被展現出來，
大機器生產出現，文明進入蒸汽時代。
三、貪婪
兩次工業革命後的高速生產時代，
人們的物質慾望變得越還越高，於是貪婪的濫用地球的資源。
甚至爆發了兩次世界大戰，惡性循環的結果，終致地球環境的失控。
四、失控的全球暖化
地球只剩12年！升溫1.5度達「暖化大限」
聯合國公佈的調查報告指出，自工業革命以來，
人類活動已讓地球平均溫度升溫攝氏1度，
若持續依現在的溫室氣體排放程度，
地球最快在2030年突破攝氏1.5度的「升溫大限」，
屆時夏季熱浪會越發極端，恐比現在高溫再增加 3 度，
且北極海出現夏季無冰情況，造成海平面大幅上升，
包含大堡礁在內的70％至90％的珊瑚礁都會消失。
全球氣候變遷陷入一場災難，影響數百萬人生死。
升溫攝氏1度
溫度上升攝氏1度後，北極圈全年將有半年處於無冰的狀態，
而通常不知颶風為何物的南大西洋地區沿岸將飽受颶風侵襲，
美國西部居民也將面臨嚴重的長期乾旱。
升溫攝氏2度
冰河逐漸消融，北極熊掙扎求生，格陵蘭島的冰河開始融化，
珊瑚礁也逐漸絕跡，全球海平面上升七公尺。
升溫攝氏3度
亞馬遜雨林逐漸消失，強烈的聖嬰氣候現象變成常態，
歐洲在夏天將不斷遭受少見的熱浪侵襲，
數千萬或數十億難民從亞熱帶遷徙到中緯度地區。
升溫攝氏4度
海平面上升，並淹沒沿海城市；冰河消失，造成許多地區嚴重缺水；
部分南極洲崩解，更加快了海平面上升的速度。
升溫攝氏5度
不適合居住的地區不斷擴大，
供應一些大城市用水的積雪和地下蓄水層出現乾涸現象，
數百萬人淪為氣候難民；
人類文明可能會因劇烈的氣候變遷而開始瓦解，貧民將遭受最大的煎熬；
兩極均沒有冰雪存在，海洋中大量的物種滅絕，大規模的海嘯摧毀沿海地區。
升溫攝氏6度
溫度上升攝氏六度後，高達95%的物種滅絕，
殘存的生物飽受頻繁而致命的暴風雨和洪水所苦；
硫化氫與甲烷不時引發大火，就像隨時會爆發的原子彈一般；
除了細菌之外，沒有任何生物能夠存活，如同「世界末日」的情節上演。
從攝氏1度升溫到攝氏3度的臨界點，
直到升溫6度導致包括人類在內的生物大滅絕，
很難想像人類活動就是造成這些浩劫的元兇。
更重要的是，由於地球上的生態系統非常錯綜複雜，
氣候變遷所導致的實際後果，可能比科學家預測的還要更加嚴重！
基於理論上的分析，溫室氣體排放所導致的氣溫上升，
地球將很快達到升溫2度的階段，
因此我們保住這個星球的唯一選擇就是立即採取行動，
減少溫室氣體-最大宗：二氧化碳（CO2）的排放。
五、彌補機會
為了阻止失控的大氣溫度，人類需要開發出更多新術。
暖化效應的彌補：碳捕捉、碳封存、碳轉化
或是扮演上帝，使用禁術：核能
核能這東西在人類文明中，可說是一項奇蹟：危險而美麗，
而這也是繼馭火術、雷電術、幻術...等之後，最想掌握的禁術之一。
當今所開發出來的仍是不完整的核分裂技術，但已是驚世駭人了。
對於減碳來說，根據國際能源署IEA(2016)能源科技展望報告指出，
至2050年全球CO2減量技術潛能推估
第(1)位：終端用戶的能源效率提升 38%
第(2)位：再生能源 32%
第(3)位：碳捕捉與封存技術(CCS) 12%
第(4)位：終端用戶的的燃料轉換 10%
第(5)位：核能 7%
第(6)位：發電效率提升與燃料轉換 1%
因此，
(1)全民用戶使用能源效率的提升和(2)再生能源對減碳的貢獻之外，
再來就是較陌生的碳捕捉與封存技術(CCS)了。
(一) 碳捕捉與封存技術(Carbon Capture and Storage, CCS)
碳捕捉技術：捕捉二氧化碳的技術
1. 小蘇打碳捕捉技術：以小蘇打為主成分的海綿進行碳捕捉。
2. Starbons生物材料：自廢棄生質能包括海藻和食物皮，
具有大量細微孔隙可以高效率捕捉二氧化碳。
碳封存技術：封存二氧化碳的技術
1. 玄武岩碳封存：將二氧化碳注入玄武岩，快速反應形成鹽類固化封存。
2. 生產碳產品，如高性能電池材料、製作二氧化碳混擬土。
CCS技術是達成巴黎協定2C目標及1.5C努力目標之重要組成策略之一，
也是可以解決現有電力部門鎖定碳來發電的關鍵技術。
自1990年代以來，各國推動大型CCS專案做為低碳能源轉型的策略，
2017年11月全球共有17個大型CCS綜合專案商轉，
總計二氧化碳捕捉量接近3,700萬噸/年，已展現 CCS 技術減量成效。
但因缺乏政府立法及推動政策的支持，更有投資成本過高、
投資誘因低、低碳政策不明、資金不足、發電成本增加等因素，
延緩了大型CCS計畫的發展；另外，因為CCS項目的規模較大，具高技術性風險，
也要承擔無法商轉和無法獲利等財務風險，需要政府持續協助推動，
並且明確表示CCS為值得投資的減碳技術，
政策方面同時加速CCS專業部屬，協助降低成本、提高安全性，
確保CCS技術到2050能持續如期應用，否則將產生嚴重的二氧化碳減量缺口。
而目前國際正致力研究降低CCS資金和運營成本，並改善發電效率。
2017年06月瑞士吸碳工廠開張，目標2025年吸收全球碳排1%，減緩全球暖化。
https://e-info.org.tw/node/205842
工廠所有人Climeworks向媒體表示，目前工廠還沒有開始賺錢，
但有信心在三到五年內將每噸溫室氣體捕捉成本從600美元降到200美元，
最終達到每噸100美元。
西方石油公司首席執行官薇琪 霍勒（Vicki Holub）也表示：
「碳捕捉的發展勢在必行，而且必須大規模實行。
如果沒有碳捕捉技術，我們便無法將全球暖化的幅度控制在《巴黎協定》中決定的2C。」
為推動CCS技術發展，我們的環保署也成立「碳捕集及封存技術策略聯盟」，
從小規模試行計畫開始，逐步擴大示範計畫，最終期望於2020年達成商業運轉目標。
對此，目前發展的相關技術包含臺灣工研院的鈣迴路碳捕獲技術、
瑞士Climeworks 公司的生物能源與碳捕獲和儲存、
結合太陽能發電和碳氫化合物生產於同一地點的芬蘭 Soletair 碳捕捉工廠
以及美國登山家（Mountaineer）發電廠的冷氨技術（chilled ammonia technology）等等。
好消息是根據今年《Joule》期刊發表的新研究顯示，
投資成本可望大幅降低，來到 94 到 232 美元／噸的價格區間。
(二) 碳轉化技術
此外，比起被動的碳捕捉和碳封存，
碳轉化技術則是主動的把捕捉到的二氧化碳立即拿來再利用。
（Carbon Capture and Utilization，CCU）
另類的煉金術
這種碳工程技術的發展，除了將碳捕捉成本降低，
若能將採集到的二氧化碳進一步轉化為液體燃料，
搭配碳捕捉成本控制在足夠低的範圍，
液體燃料就能降低燃料價格接近市價，刺激政策推動。
2018年05月16日科技新報：
技術獨步全球，台大發明創新低成本碳轉化系統
https://tinyurl.com/yclplujr
人類的煉金術又進一步了。
壹、冬季西風帶
已推動十幾年發展的CCS是否能有效減緩暖化，每年的冬季就是觀察的重點，
然而，全球CCS專案要達到商業化應用存在太多風險和壓力，
部分先進國家和歐盟正在改善法規管理體系和推行CCS機制，
但仍有專家提出CCS遠遠比不上排碳速度，預期成效恐大大折扣，
以去年全球暖化持續來看，
2017年底的冬季在歐洲、中北非、美國阿拉斯加和西西伯利亞等地變暖的程度最為顯著。
北極海冰當時面積更創下冬季的新低紀錄，可見地球溫度仍在失控。
只是，無論如何，有做總比沒做好，
首要觀察的2018年底的冬季現已展開，接下來暖化情況又會如何，
當然就是先從冬季西風帶來看。
西風帶的斜壓特性主導地球中緯度系統的大氣活動，
冬季因極地冷氣團南下，大氣呈明顯溫度梯度分布，
大氣的斜壓特性幾乎顯現於整個冬季半球（除了近熱帶偏低緯度區外）。
因此，
談冬季西風帶的變化就要從斜壓大氣的特性來看，
斜壓大氣又牽涉到大氣長波理論，
大氣長波理論又是從大氣運動方程推導，
大氣運動方程源自基礎的動力學方程來描述大氣運動。
1.動力學 2.大氣運動方程 3.大氣長波理論 4.斜壓大氣 5.冬季西風帶
1.動力學 2.大氣運動方程 3.大氣長波理論 4.斜壓大氣 5.冬季西風帶
1. 動力學
一團微小的空氣團單位質量受到的作用力應該有
1.1 電磁力：忽略
1.2 地心引力
地心引力是萬有引力的一種
(g) = –GM / r^3 (r) = –GM / r^2 (ar)
(r)為向量，大小|r|，方向為地心指向該單位質量微小空氣團。
(r)=|r|(ar) = r(ar)，(ar)單位向量(地心指向該單位質量微小空氣團)
r =|r|
G：引力常數
M：地球質量
負號(-)表示地心引力方向指向地心，地心引力大小與r^2成反比
由於重力是保守力，作功只和起點和終點的位置有關，和路徑無關，
作功可以轉換成位能儲存，減少的位能等於保守力對該質點所做的功，
位能II