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〈研之有物〉從分子視角，突破「臭氧層破洞」盲點！

研之有物 2019-03-03 10:00

cover image of news article — 當「陽光」遇上「過氧化氯（ClOOCl）」會加速破壞臭氧層圖片來源｜StockSnap.io by Natalie Collins

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為什麼要研究「分子束化學反應」？

「分子」聽起來離一般人的生活很遠，但比起每個月收到的帳單，分子可是天天與你生活在一起，包含氧氣、水氣等等。透過觀察分子的化學反應，還能幫人類解決生存難題。舉個極為重要的例子：臭氧層破洞的速度有多快？這攸關地表全人類如何受到紫外線危害。中央研究院原子與分子科學所林志民與團隊，透過轉向思考、默默累積的實戰經驗，將視野聚焦到分子大小，成功解決國際科學家苦惱的難題。

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人生中有一些問題，如果總是順著同一個方向想，會產生盲點，在這不順遂的時候如果又吹起水逆、犯太歲等風向，會讓人不禁想放棄自己的人生。研究化學也是如此，若遇到無法解決的難題、或是學術上的爭議，當傳統的實驗方法行不通時，除了放棄還有更好的選擇──不如換個方向想。

所謂「轉向思維法」，就是在研究解決問題或發明設計時，背逆通常的思考方式，從另一個角度尋找機會。透過這個思考方式，2009 年時成功解決國際間對於臭氧層為何破洞的爭議，而突破盲點的就是中央研究院原子與分子科學所林志民與團隊。

當「陽光」遇上「過氧化氯（ClOOCl）」會加速破壞臭氧層圖片來源｜StockSnap.io by Natalie Collins

享受春天燦爛的陽光，對人類來說療癒身心，但對於春天時南極洲上空的臭氧層而言，陽光卻是破壞臭氧的共犯。人類使用冷媒等物質所排放的氟氯碳化合物進入大氣後，會分解產生氯原子（Cl）。氯原子會快速地摧毀臭氧（O3），形成氧氣（O2）及氧化氯（ClO）。在臭氧層中，兩個氧化氯易結合形成過氧化氯（ClOOCl）。這時候問題大了！過氧化氯分子會吸收陽光而分解，並再次產生氯原子（Cl）。在這個光化學現象的循環下，只要陽光足夠，少量的氯原子（Cl）就會破壞千倍以上的臭氧分子（O3）。

等等，以上這段文字讓人看得眼疼？下面這張圖說，為你示意臭氧（O3）、氯原子（Cl）、過氧化氯（ClOOCl）之間的愛恨情仇。

氯原子（Cl）會摧毀臭氧（O3），而過氧化氯（ClOOCl）照到陽光會再次產生氯原子（Cl），讓更多臭氧（O3）遭殃圖說設計｜林婷嫻、張語辰

如果缺少臭氧的保護，就無法擋住陽光中會造成人類致癌的紫外線。而威脅臭氧的兇手就是「殺了一個我還有千千萬萬個我」的氯原子，和「遇到陽光就情不自禁分解」的過氧化氯。

但在 2007 年一項學術爭議，讓科學家們懷疑上圖中所描述的臭氧層破壞原因是否正確，其爭議點就在於「過氧化氯分子吸收陽光的效率，到底是快？是慢？」，要探究這個問題，過氧化氯分子的「吸收截面積」是十分關鍵的數據，愈大的吸收截面積，代表光愈容易被吸收，過氧化氯分子愈容易分解，氯原子產生的速率也快。

2007 年美國噴射推進實驗室研究發現：「過氧化氯分子（ClOOCl）吸收陽光的效率很慢」。對此，科學家們產生強烈的爭議。

若根據美國噴射推進實驗室發表的結果，目前大氣中已知的化學反應，無法產生足夠多的氯原子以解釋臭氧洞的形成。那麼，是什麼造成臭氧一直被破壞？對此，國際科學家們產生強烈的爭議，甚至連兩大科學期刊《自然 Nature》與《科學 Science》都曾對此議題發表不一致的評論。如果臭氧洞的形成另有未知的原因，目前人們保護臭氧層的方法還值得信任嗎？

傳統實驗方法行不通換個角度解決問題

中研院環境變遷研究中心梁茂昌，先注意到臭氧層破洞爭議，鍥而不捨地提醒：『這個問題很重要，更重要的是中研院可以來解決。』

在當時的中研院李遠哲院長號召下，中研院原子與分子科學所林志民與研究團隊進入這個未知的領域，一開始先蒐集資料、了解其他科學家的問題出在哪。哈佛大學、劍橋大學等研究團隊亦相繼投入此議題，重新量測過氧化氯分子的吸收截面積，但皆面臨同樣的困難：過氧化氯的純樣品難以製備，以致於實驗數據有誤差、不易獲得可信的結果。

因為在實驗過程中，需要把過氧化氯（ClOOCl）裝在瓶子裡，但瓶中的過氧化氯很不穩定、會慢慢分解成氧氣（O2）和氯氣（Cl2），當過氧化氯樣品受氯氣汙染，很難分辨打入瓶中的光線是被過氧化氯吸收？抑或被氯氣吸收？

林志民與研究團隊思考，當一個分子吸收光線產生分解，這個化學反應過程中可以選擇測量「分子」或「光線」，但在實驗室氣體樣品不純的限制下，從測量分子下手較為適合。因為不同分子的質量不同，測量某個分子的質量，就可以知道它是什麼分子，避免把氯氣誤認為過氧化氯這類情況。

林志民與研究團隊利用質譜偵測器，量測分子束中過氧化氯分子的數量，當光線打下去後，就能算出過氧化氯分子被光線分解的效率，也能得到吸收截面積的關鍵數值。由於質譜偵測器可以篩選質量，過氧化氯分子的訊號不會受到氯氣等雜質的干擾，得到的數據有很高的可信度。

在「過氧化氯」不純樣品中量測「吸收截面積」，就靠這台自行設計製造的秘密武器攝影｜張語辰

雖然測量「分子」需要用到質譜儀與分子束的儀器設備，比起測量「光線」困難好幾十倍，這也是傳統實驗都從光線下手的原因之一。但當時台灣研究分子束、質譜的技術已經耕耘十幾年，有李遠哲、劉國平、倪其焜、林志民等團隊長期累積的實戰經驗，發展比國外成熟許多，因此從分子的角度切入觀察，花了一年的時間就找到答案。

2009 年中研院實驗發現：「過氧化氯（ClOOCl）其實蠻容易吸收陽光」。再次證實人類活動所排放的氟氯碳化合物是破壞臭氧層的主因，而且破壞臭氧的效率較以往認知的更快！

林志民與團隊的實驗數據顯示，過氧化氯分子的吸收截面積不僅遠大於 2007 年美國噴射推進實驗室的結果，且較學界在 2006 年的評估認定值 (JPL 2006) 為大。將此數據代入現有的大氣化學模型中，就能解釋臭氧洞的形成過程，再次證實人類活動所排放的氟氯碳化合物正是破壞臭氧層的主因。先前美國噴射推進實驗室的研究，因為過氧化氯樣品受到氯氣汙染，所以發表的過氧化氯分子吸收截面積，才會比先前學界接受的值小了近十倍，讓科學家們捲袖隔空交戰。

林志民團隊發表的過氧化氯分子吸收截面積，與其他實驗室數據的比較資料來源｜林志民提供

解決問題不只靠腦力說好的儀器呢？

重要的問題經常需要新的量測來提供答案或解題的方向，而新的量測往往需要新的儀器。

每一個成功的科學量測儀器，背後都有一群默默付出的設計製造團隊。林志民與團隊運用分子與化學的知識，設計出量測過氧化氯吸收截面積的儀器，但這時一切都只實現在科學家的腦海中。必須與中研院原子與分子科學所自有的機械工廠和玻璃工廠合作，透過和師傅們不斷討論與調整、加工零件、組裝，才能將腦海中的儀器變成現實。宛如 007 電影中強大的 Mr.Q ，量身打造各種「科學家的武器」，支持研究員在前線挑戰各個難關。