科學人 3月號/2024 第265期

氣候變遷，
河流生鏽！
地球怎麼了
鐵和硫酸把美國阿拉斯加清澈的河流染橘，綠地也變焦黑。
科學家實地考查，試圖找出背後的原因！

文／盧恩（Alec Luhn）
圖表／羅迪斯（Taylor Roades）
翻譯／林慧珍

在去年7 月的一個多雲午後，位於美國阿拉斯加州的科伯克谷國家公園（Kobuk Valley National Park ）是美國最大的荒野保護區，最近的村落相距95 公里，公路系統遠在400 公里外，大自然幾乎未受破壞。但流經我們腳邊的溪水看起來已遭污染，溪床染成橘色，岩石猶如濺到胡蘿蔔汁，水面閃著浮油般的虹光。阿拉斯加大學安克拉治分校的生態學家蘇利文（ Patrick F. Sullivan ）說：「大事不妙。」

蓄有鬍鬚的蘇利文個頭矮小，胸前繫著一把格洛克手槍，做為灰熊襲擊時防身之用，他盯著浸入溪水中的感測儀螢幕，把測量結果讀給阿拉斯加太平洋大學的生物學及數學教授戴爾（Roman Dial ）。溪水溶氧量極低，pH值6.4，酸度比匯入同一條河川的略帶鹼性河水高約100 倍；溶解金屬或礦物質的指標，也就是導電度，則比一般山間溪流更接近工業廢水的數值。蘇利文說：「這水喝不得。」

最後一塊純淨之地

這條溪流在十幾公尺之外匯入鮭魚河（ Salmon River ）， 鮭魚河經常可見湍急河道及粼粼急流，自白雪皚皚的布魯克斯山脈（ Brooks Range ）暗褐色的山峰蜿蜒向南，這條山脈有阿拉斯加州「最後的邊陲」之稱，金字塔狀斜坡的排列長達1000 公里，隔開阿拉斯加北部與多風的灰色北極海岸。


鮭魚河是美國最偏遠又最不受干擾的河流之一，長年來以未經破壞的自然環境著稱。美國作家麥克菲（ John McPhee）在描繪阿拉斯加的經典著作《走進鄉村》（ Coming into the Country ）中寫道，他在1975 年於鮭魚河航行時，這條河川有「我所見過最清澈且最純淨的水」。在1980 年一項具有里程碑意義的保育法案中，美國政府把鮭魚河列為風景優美的野溪河流，形容它「河水極度清澈」，有深邃且發光的藍綠色水塘及「大群鉤吻鮭與粉紅鮭」。

然而，如今鮭魚河的確正在生鏽，在這條長110 公里的河流，有1/3 的支流滿是各種含有鐵氧化物的礦物質，且水質多半呈酸性。蘇利文說：「這個原始河流生態系美名遠播，但現在似乎完全毀壞。」同樣情況也發生在整座布魯克斯山脈的河流和溪流（ 過往5~10年內，至少有75 條），而在俄羅斯及加拿大境內的溪流也可能如此。去年夏天，一名研究人員搭飛機從加拿大卑詩省前往西北領土時，發現了兩條橘色溪流。美國加州大學河濱分校的地球化學家里昂（Timothy Lyons ）長期與戴爾以及蘇利文合作，他說：「幾乎可以肯定，同樣情況也正發生於北極圈其他地區。」

研究這些生鏽河流的科學家一致認為，始作俑者是氣候變遷，科伯克谷國家公園的氣溫自2006 年來已升高2.4℃，到了2100 年可能再攀升10.2℃，增溫幅度預估值高於其他國家公園。高溫可能開始解凍這座國家公園裡40%的永凍土層（ 表土下方且常年冰凍的土層）。麥克菲想保護鮭魚河，因為人們過往「並未動手改變它」，在不到50 年後的今天已造成改變。美國的最後一片瑰麗荒野依法應當「不受人類染指」，現在卻正遭受我們的全球碳排放從遠處緊扼咽喉。

但永凍土的解凍究竟如何使這些河流轉變為橘色？長久以來是個謎團，亟需找出原因，才能了解將造成何等的生態衝擊，並幫助當地社區加以因應（ 例如八座阿拉斯加原住民村莊仰賴布魯克斯山脈西部河流，於此捕魚及獲取飲用水）。一些研究人員認為來自礦物質的酸性產物，會從數萬年來首度接觸到水的岩床中把鐵溶解，也有人認為是細菌從解凍的濕地土壤中釋出鐵⋯⋯

宇宙的驚喜無限！

上個月的《科學人》雜誌中有篇文章介紹「暗能量」，讓我們知道這個「暗能量」正推動宇宙加速膨脹；這個月有一篇文章講到「宇宙空洞」，讓我們知道宇宙不是均勻的，而是成絲、成線、成網！回看30年來宇宙學的進展，深刻感覺宇宙本身驚喜無限，宇宙學的探索永不止息！


文／孫維新

在我讀大學的時候，「宇宙學」在學生眼中還是一個笑話，宇宙學家被問到宇宙年齡到底多大？得到的答案是「100億年 ± 50億年」，誤差大到你寧願沒問。再問宇宙學家這個膨脹的宇宙未來的命運為何？得到的答案是「如果持續膨脹是+1，臨界膨脹是0，停止膨脹後回縮是-1，經過我們多年苦心研究，得到的答案是0 ± 1！」

另一個笑話更直接：「天堂人滿為患，只好管制進入，有一天三個人在天堂門口排隊，門房將門打開一條縫，說只能進來一個人，你們誰的職業最古老，貢獻最長久，就可以進來。第一位忙說：『我是外科醫生，當年在伊甸園裡有亞當和夏娃，夏娃是亞當的肋骨做的，這個過程一定要經過外科手術，所以我的職業最古老！』第二位插嘴了：『我是園藝學家，在亞當和夏娃還沒出現之前，是靠著園藝學家從一團混亂的宇宙中造出伊甸園的！』第三位冷冷地說：『我是宇宙學家，你們知道當初那一團混亂的宇宙是誰造成的嗎？』」

我剛到美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）念天文，博士班課程中有一門必修的「宇宙學」，授課老師是萊特教授（Edward Wright），但大家都稱呼他的小名奈德（Ned），這位教授年輕又極端聰明，我剛入學，就聽到學長說：「奈德知道一切！」（Ned knows everything!）。上了課才知道，他講課的層級簡直就是在雲端，遠高於我們這些菜鳥研究生的智力水平。舉個例子，他說：「宇宙創生的大霹靂，不是從一個點爆發到無限，而是從一個無限爆發到另一個無限！」同學面面相覷，只能怨嘆自己慧根不足。後來回到台灣教書，當我使用了同樣方法描述宇宙，看到台下學生的茫然，心中終於有了轉嫁重擔的輕鬆。

在我的印象中，「宇宙學」這個研究領域從天馬行空的「盍各言爾志」轉變為可重現、能信賴的「精準科學」，是在1990年1月。那一年的冬季美國天文學會（American Astronomical Society）在華盛頓特區召開年會，戶外大雪紛飛，室內卻是熱情沸騰，因為四天會議的第三天中午，「宇宙背景探測衛星」（COBE）的研究團隊要報告最新的觀測結果，告訴大家「宇宙是否完美」！

COBE衛星在會議前的兩個月剛剛發射，要觀測宇宙背景是否是完美的「黑體輻射」。本來這顆衛星早就安排了要搭太空梭升空，由太空人置入軌道，但1986年1月「挑戰者號」在升空時爆炸，太空梭機隊全面停飛，澈底檢查潛在危險，這一拖就兩年多，等到1988年9月太空梭恢復運作，地面上排隊等待升空的衛星已經比紫南宮過年領錢母的人龍還長。當時我在美國航太總署（NASA）聽到同仁自嘲說：「美國有全世界最棒的太空計畫，不過都還在地上。」排隊的優先順序從軍事衛星開始，COBE團隊想要盡快發射，負責排班的人卻說：「宇宙也不會跑掉，有什麼好急的？」（The Universe is not going anywhere. What’s the big hurry?）

奈德是COBE團隊的主要成員，他當時聽了傻眼，知道繼續等下去遙遙無期，就決定拿掉衛星周邊結合太空梭酬載艙的框架，將衛星轉到一個三角洲二號（DELTA II）火箭上，就在1989年11月發射。當時COBE研究團隊壓力無比巨大，因為就在兩年前的1987年，美國加大柏克萊分校和日本名古屋大學剛合作發射了探空火箭，短暫升空去觀測宇宙背景，得到的結果竟然是「不完美」！我的天哪！從希臘哲學家以降，兩千多年來科學家心中一直相信宇宙是「均勻、對稱、和諧，而完美」的，現在發現竟然不是，簡直是晴天霹靂，這個觀測結果踩到了科學家心中的信仰紅線，柏克萊加大聲名顯赫，日本太空界也不常犯錯，因此不願相信這個結果的人都焦急等待著COBE給出最終答案！

來到會議的第三天中午，4000多位與會學者沒有人去吃中飯，大家齊聚會議大廳，等待結果揭曉，聽說會場中賭盤也十分熱絡，沒想到宇宙是否完美也能拿來對賭！報告開始，COBE科學團隊的負責人馬瑟爾（John Mather）在萬眾矚目下走上台去，我和他在NASA的研究室在同一層樓，只隔著幾間辦公室，平常覺得他溫文儒雅、沉默寡言，沒想到這次他站在台上就如同神一般的存在！他拿出透明投影片（那時還沒有PPT）放上實物投影機的那一剎那，台下瞬間爆出歡呼，久久不息，宇宙果然是完美的！

他放上的那張圖是COBE上的「遠紅外絕對分光光譜儀」（FIRAS）的觀測結果【圖一】，圖上許多小小的紅色十字是觀測數據，藍色的實線是絕對溫度2.725度的黑體輻射曲線，可以看出「觀測數據」和「理論預測」完全相符，誤差只有萬分之一度！觀測數據是如此精確，每個觀測點的「誤差槓」（error bar）比印表機印出理論曲線的粗細還來得小，所以如果按真實狀況印出，在圖上就根本看不到數據點，只會看到一條平滑的理論曲線！從這之後，我就不再拿宇宙學開玩笑了。

那天報告結束，與會的科學家見證了歷史，都興高采烈意猶未盡地在會場裡到處聚集討論，我和幾位同學正在說話，看到奈德走過來，我就忍不住問他：「COBE什麼時候知道宇宙是完美的？」奈德露出一貫溫和淡定的微笑，說：「發射後6小時。」聽了十分震撼，也就是說衛星剛進入軌道，觀測儀器的窗口一打開就知道了，COBE團隊還能憋上兩個月不說，也真難為他們了！

接下來許多人就開始好奇，為何美國和日本兩所名校合作的探空火箭觀測會出錯？後來答案揭曉，原來是科學家過於心急，在火箭升空過程中過早打開觀測窗口，除了觀測到該有的宇宙背景輻射，同時也觀測到了自己火箭的廢氣！

雖然「完美」是好事，但「我們」就不應該存在了！因為宇宙初始是如此完美光滑，短短138億年的時間並不夠讓物質各自集中，生出如今這麼多星系來，也就是說，解決了一個問題，卻衍生出另一個問題！科學家的宿命就是不讓自己好過，老是去想一些讓人不安的事。

這個問題很快就得到了解答，COBE上的另一個儀器「較差微波輻射計」（DMR），可以「比較」宇宙不同方向的背景輻射「差異」，團隊裡來自柏克萊加大的史慕特教授（George Smoot III）將累積了幾年的DMR觀測數據疊加之後，看到了背景輻射中的微小「溫度起伏」【圖二】，這些溫度的差別只有10萬分之一度，但這些微小起伏的出現，就讓我們可以理直氣壯地存在！因為溫度的起伏代表了密度的高低，密度高的地方會吸引周邊的物質聚集，也就是「星系的種子」，隨著時間，物質越聚越多，終於成就了今天這個包含億萬星系的宇宙！發現「完美宇宙」的馬瑟爾，和找出「溫度起伏」的斯慕特，共同在2006年獲得諾貝爾物理獎，可謂實至名歸！

科學家永遠不會滿足於現狀，COBE的高光時刻一過，宇宙學界又開始發射更高解析度的衛星，接下來NASA在2001年發射的「威金森微波異向性探測器」（WMAP）和歐洲太空總署（ESA）在2009年發射的「普朗克探測者衛星」（Planck Surveyor satellite）大幅提升解析率和敏感度，將這個宇宙初始的溫度起伏觀察入微，不單是進一步了解星系生成的過程，也讓我們看到了科技的進展如何提升科學的理解【圖三、圖四】。

台灣大學天文研究所位在校內天文數學館的八樓，當年落成的時候，宇宙學領域的同仁決定將COBE觀測到溫度起伏的繽紛圖像畫在天花板上，希望訪客抬頭就可以看到宇宙初生時的模樣，沒想到有一天我聽到有人說：「啊你們天文所怎麼看起來好像汽車旅館？」唉，知識真的很重要啊！

關於封面
在人煙罕見的青翠綠地上，流淌的清澈河流竟然出現鐵鏽，因而變成橘色。這件怪事發生在美國阿拉斯加，科學家想要釐清氣候變遷、永凍土以及其他哪些因素參與這場世紀大污染。封面加上了磨砂材質，觸摸看看，你是否感受到河流生鏽的粗糙


專題報導 FEATURES

環境
36 氣候變遷，河流生鏽！地球怎麼了
文／盧恩（Alec Luhn）

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