2012/03/05
經濟部能源局
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▓撰文：王國英*、池宜芳*、范振輝**、曾繼忠**
自工業革命以來，大氣中的溫室氣體開始因人類活動的影響而增加，有些溫室氣體在大氣中的生命期很長，從數十年到數百年之間都有。二氧化碳在大氣中的生命期約50至200年，從大氣中被移除的速率非常緩慢，而二氧化碳最大的自然碳交換處為大氣和陸地生態系及大氣和海洋表面水，因二氧化碳在大氣中所含的濃度較其他溫室氣體高，因此，對輻射所產生的影響最為劇烈，所以二氧化碳便成為現今最受矚目的溫室氣體。
大氣二氧化碳的觀測是一件非常嚴謹同時也是非常昂貴的工作，量測的方法必需嚴格遵守聯合國（United Nations）世界氣象組織（World Meteorological Organization, WMO）的大氣二氧化碳觀測標準作業流程之規定，如此一來所搜集的觀測資料才能被國際科學界所接受，觀測結果才有可能在國際上具公信力的科學引文索引（Science Citation Index, SCI）所收錄的期刊上發表。如果搜集的觀測結果最後無法在SCI期刊上發表，那麼二氧化碳的觀測工作就無法合乎國際科學工作的水準與要求。
因此，大氣二氧化碳的觀測是一件辛苦但也非常有趣和具有成就感的工作。辛苦的原因是觀測工作的本身及其相關的準備工作相當的複雜，從事觀測的研究人員不但需要有邏輯清晰的思考能力，同時也必須具備良好的體能以符合野外工作的需求；有趣的原因是二氧化碳觀測的內容廣泛，包括：儀器的校正、使用、資料的下載、資料分析等跨越儀器與電腦軟硬體等不同領域的分析整合工作，相當具有挑戰性。具備成就感的原因則是，透過觀測資料的蒐集、分析、整理和發表，得以掌握二氧化碳影響氣候變遷的第一手資訊，以探索未來氣候變遷的可能發展趨勢，這種深層的認知和瞭解是成就感的主要來源。
二氧化碳觀測技術
在二氧化碳觀測技術方面，包括氣相層析法（Gas Chromatography）及光學偵測法，其中以後者較為普遍，因為二氧化碳的化性較為安定，使用氣相層析法的限制較大，而運用光學偵測法較能提供即時的資料，惟容易受到干擾。
以光學偵測法為基礎的觀測法又可細分為：非散射紅外線法（Non-Dispersive Infrared Spectroscopy, NDIR）、傅立葉轉換紅外線法（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）、氣體過濾相關紅外線法（Gas Filter Correlation Infrared Spectroscopy, GFC）、光腔衰盪光譜分析法（Cavity Ring Down Spectroscopy, CRDS）等，藉由這些持續發展的技術及儀器的觀測結果，可以用來分析二氧化碳的時空分布及對大氣的影響。
二氧化碳觀測的應用
一、二氧化碳地底封存的大氣背景監測
二氧化碳地底封存為目前國際間所發展的一項用以減少人為二氧化碳排放之技術，其目的係將化石燃料燃燒過程中所產生的二氧化碳氣體捕捉，再將這些捕捉住的二氧化碳氣體注入地下已開採完畢的油井和天然氣井裡進行封存。
為確保地底封存的二氧化碳能夠安全的儲存於地底的儲藏位置，必須在事先合適於二氧化碳地底封存的場所進行二氧化碳濃度的大氣監測，以取得地底封存場所週遭大氣的二氧化碳背景濃度資料。這些重要的資料將可提供未來二氧化碳地底封存開始進行後一項關鍵的參考數據，用以瞭解封存場所是否有封存二氧化碳外洩的現象發生。
圖1為第1個月的觀測資料，由2011年10月19日至2011年11月15日，分析這段期間永和山地區大氣二氧化碳的每日變化情形，並且將永和山測站的觀測資料與中央大學測站的二氧化碳觀測資料及頭份測站的氣象觀測資料做初步的比較。
比較永和山測站和中大測站的觀測結果顯示，兩個測站在低濃度二氧化碳出現時（390～410ppm）的觀測結果相似，低濃度的二氧化碳一般皆於白天出現。在夜間時，較容易出現高濃度的二氧化碳觀測結果，而此時兩個測站的觀測值亦呈現較大的差異。永和山測站的資料顯示結構明顯的二氧化碳夜間上升現象，這是一個值得繼續觀測與進行模擬分析的重要議題。
二、石油化學工業區下風處的大氣濃度監測
此處以工業區空氣污染事件為案例，透過模式整合氣象、監檢測結果，以解析工業區經常性及偶發性排放的空氣污染物對空氣品質影響，建立石化業臭異味污染物大氣模擬鑑定技術。本文以某工業區為一個典型的石化業臭異味污染案例，說明大氣模擬鑑定技術的使用原理及其正確性。
圖2為進行逐時二氧化碳和逐時質點模擬結果的比較，二氧化碳在這段期間（2011年5月20日至6月22日）的每日變化特徵主要是以每日週期性的變化為主，亦即每日晚上至凌晨時的二氧化碳濃度上升現象，以及每日凌晨至白天中午時間的二氧化碳下降現象。逐時的二氧化碳較難區別出東北風掌控期和海陸風掌控期的不同，但是若檢視每分鐘的二氧化碳結果（圖3所示），則可以很清楚的看到異常高濃度的二氧化碳絕大部分是出現在海陸風掌控時期，而且這些瞬間二氧化碳高值的出現和模擬質點高濃度出現的時間非常一致。這項高時間解析度的異常高濃度二氧化碳觀測和模擬比較結果，說明此工業區是該地區二氧化碳的大排放源。
結語
氣候變遷和全球暖化是全人類所共同面對的一項艱鉅挑戰，而減少大氣二氧化碳的排放量是全球公認減緩劇烈氣候變遷的主要方法。由於新的替代性能源供應尚未穩定，在可預見的10到20年的未來，化石燃料的應用仍可能是人類獲得能源的主要方式。然而面對一個大氣二氧化碳濃度穩定上升的未來，唯有透過密集、大量且持續的二氧化碳監測，以協助進行準確的二氧化碳排放量估算，協助碳補獲和封存技術的發展，以及幫助瞭解碳在地球系統的循環變化過程，至為重要。（作者任職於國立中央大學環境研究中心*、台灣中油股份有限公司探採研究所**）
關鍵字：二氧化碳,二氧化碳觀測,地底封存