换到分子角度看世界:突破「臭氧层破洞」争议盲点

为什么要研究「分子束化学反应」?

「分子」听起来离一般人的生活很远,但比起每个月收到的帐单,分子可是天天与你生活在一起,包含氧气、水气等等。透过观察分子的化学反应,还能帮人类解决生存难题。

举个极为重要的例子:臭氧层破洞的速度有多快?这攸关地表全人类如何受到紫外线危害。中央研究院原子与分子科学所林志民与团队,透过转向思考、默默累积的实战经验,将视野聚焦到分子大小,成功解决国际科学家苦恼的难题。

人生中有一些问题,如果总是顺着同一个方向想,会产生盲点,在这不顺遂的时候如果又吹起水逆、犯太岁等风向,会让人不禁想放弃自己的人生。研究化学也是如此,若遇到无法解决的难题、或是学术上的争议,当传统的实验方法行不通时,除了放弃还有更好的选择──不如换个方向想

所谓「转向思维法」,就是在研究解决问题或发明设计时,背逆通常的思考方式,从另一个角度寻找机会。透过这个思考方式, 2009 年时成功解决国际间对于臭氧层为何破洞的争议,而突破盲点的就是中央研究院原子与分子科学所林志民与团队。

享受春天灿烂的阳光,对人类来说疗愈身心,但对于春天时南极洲上空的臭氧层而言,阳光却是破坏臭氧的共犯。人类使用冷媒等物质所排放的氟氯碳化合物进入大气后,会分解产生氯原子(Cl)。氯原子会快速地摧毁臭氧(O 3),形成氧气(O 2)及氧化氯(ClO)。在臭氧层中,两个氧化氯易结合形成过氧化氯(ClOOCl)。这时候问题大了!过氧化氯分子会吸收阳光而分解,并再次产生氯原子(Cl)。在这个光化学现象的循环下,只要阳光足够,少量的氯原子(Cl)就会破坏千倍以上的臭氧分子(O 3)。

等等,以上这段文字让人看得眼疼?下面这张图说,为你示意臭氧(O 3)、氯原子(Cl)、过氧化氯(ClOOCl)之间的爱恨情仇。

如果缺少臭氧的保护,就无法挡住阳光中会造成人类致癌的紫外线。而威胁臭氧的凶手就是「杀了一个我还有千千万万个我」的氯原子,和「遇到阳光就情不自禁分解」的过氧化氯。

但在2007 年一项学术争议,让科学家们怀疑上图中所描述的臭氧层破坏原因是否正确,其争议点就在于「过氧化氯分子吸收阳光的效率,到底是快?是慢?」,要探究这个问题,过氧化氯分子的「吸收截面积」是十分关键的数据,愈大的吸收截面积,代表光愈容易被吸收,过氧化氯分子愈容易分解,氯原子产生的速率也快。

若根据美国喷射推进实验室发表的结果,目前大气中已知的化学反应,无法产生足够多的氯原子以解释臭氧洞的形成。那么,是什么造成臭氧一直被破坏?对此,国际科学家们产生强烈的争议,甚至连两大科学期刊《自然Nature》 与《科学Science》都曾对此议题发表不一致的评论。如果臭氧洞的形成另有未知的原因,目前人们保护臭氧层的方法还值得信任吗?

传统实验方法行不通,换个角度解决问题

在当时的中研院李远哲院长号召下,中研院原子与分子科学所林志民与研究团队进入这个未知的领域,一开始先搜集资料、了解其他科学家的问题出在哪。哈佛大学、剑桥大学等研究团队亦相继投入此议题,重新量测过氧化氯分子的吸收截面积,但皆面临同样的困难:过氧化氯的纯样品难以制备,以致于实验数据有误差、不易获得可信的结果。

因为在实验过程中,需要把过氧化氯(ClOOCl)装在瓶子里,但瓶中的过氧化氯很不稳定、会慢慢分解成氧气(O 2)和氯气(Cl 2),当过氧化氯样品受氯气污染,很难分辨打入瓶中的光线是被过氧化氯吸收?抑或被氯气吸收?

林志民与研究团队思考,当一个分子吸收光线产生分解,这个化学反应过程中可以选择测量「分子」或「光线」,但在实验室气体样品不纯的限制下,从测量分子下手较为适合。因为不同分子的质量不同,测量某个分子的质量,就可以知道它是什么分子,避免把氯气误认为过氧化氯这类情况。

林志民与研究团队利用质谱侦测器,量测分子束中过氧化氯分子的数量,当光线打下去后,就能算出过氧化氯分子被光线分解的效率,也能得到吸收截面积的关键数值。由于质谱侦测器可以筛选质量,过氧化氯分子的讯号不会受到氯气等杂质的干扰,得到的数据有很高的可信度。

虽然测量「分子」需要用到质谱仪与分子束的仪器设备,比起测量「光线」困难好几十倍,这也是传统实验都从光线下手的原因之一。但当时台湾研究分子束、质谱的技术已经耕耘十几年,有李远哲、刘国平、倪其焜、林志民等团队长期累积的实战经验,发展比国外成熟许多,因此从分子的角度切入观察,花了一年的时间就找到答案。

林志民与团队的实验数据显示,过氧化氯分子的吸收截面积不仅远大于2007 年美国喷射推进实验室的结果,且较学界在2006 年的评估认定值(JPL 2006) 为大。将此数据代入现有的大气化学模型中,就能解释臭氧洞的形成过程,再次证实人类活动所排放的氟氯碳化合物正是破坏臭氧层的主因。先前美国喷射推进实验室的研究,因为过氧化氯样品受到氯气污染,所以发表的过氧化氯分子吸收截面积,才会比先前学界接受的值小了近十倍,让科学家们卷袖隔空交战。

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