潮汐。  由於月球與太陽的引力，每天在海岸處造成潮汐，當(dāng)人們觀賞錢溏潮的壯觀場面時難免會想到，這麼大的能量為什麼不拿來發(fā)些電？但實(shí)際上不是一件簡單的事，海岸處的地形複雜，用什麼樣的設(shè)備可以有效地抓住潮汐的能量呢？有人有一些構(gòu)想，但還不見有成功的研究結(jié)果。

太陽能。  除了前述無中生有的核能之外，目前我們應(yīng)用的主要能源實(shí)際上都是來自太陽。除了日光直接照射的太陽能之外，水力、風(fēng)力和海洋溫差可以說是間接的太陽能；生質(zhì)能源可

以說是短期內(nèi)儲存起來的太陽能；地下的煤、石油和油頁巖等可以說是長期儲存起來的太陽能。通常我們所說的太陽能指的是日光直接照射的太陽能。

太陽能是最清潔的能源，因?yàn)槿展庹丈涞降孛嫔弦葬?，其能量若不加以利用便會吸收在環(huán)境中，加以利用之後仍然是散佈在環(huán)境中，不會造成任何不同的後果。因此，太陽能是最應(yīng)該盡可能地加以利用的能源。太陽能是一種均勻地照射在地球表面上的能源，分散度大，大量地收集需要很大的面積，因此在土地較為珍貴或生有綠色植物的地方較不適宜。太陽能可以用光電的方法來收集也可以用熱水器的方式來收集，裝在屋頂上的太陽能收集器可以用來把水加熱或作為冷氣機(jī)的能源。利用太陽能的構(gòu)想很多：用來曬鹽和乾燥已經(jīng)是很古老的方法；太陽能汽車也已試製成功；在大海中航行的船上或離島上可以用太陽能淡化海水；…。我以前到美國南伊利諾大學(xué)訪問，曾到一位教授家裡參觀他的「太陽屋」(如圖8-1)。房子朝南的一面有一個大落地玻璃窗，窗後室內(nèi)造了一個厚磚墻，窗外上方有一個算好長度的屋簷。春分以後，天氣漸漸熱起來了，太陽的位置也漸漸地高了，屋簷使陽光開始照不到磚墻以保持室內(nèi)的涼爽。由春分到夏至再到秋分的這半年中，陽光都照不到磚墻。到了秋分，天氣漸漸涼起來了，太陽也開始照得到這片磚墻，天氣愈冷的日子照到的面積愈大，冬至?xí)r是照到墻的全部。磚墻吸收了陽光的熱能，溫度升高，在室內(nèi)發(fā)揮免費(fèi)暖氣的功能，到了夜間墻仍是暖的。這是一個相當(dāng)有意思的構(gòu)想，中國四合院的「上房」都是座北朝南應(yīng)該是這個緣因。多運(yùn)用我們的想像力可以找到其他利用太陽能的點(diǎn)子。因?yàn)樘柲苁亲钋鍧崨]有不良後果的能源，雖然在設(shè)備成本上難免貴一點(diǎn)，但是燃料是免費(fèi)的。因此，政府對太陽能的利用有許多鼓勵措施。

水力。  太陽光照射在海面和陸地上使水份蒸發(fā)。空氣中的水汽在高空遇冷凝結(jié)後又降落下來，成為高山中的積雪，也成為湖泊河川。這些天降水在由高處到低處迴流至大海的途中，每有顯著高低落差的地方都是可資開發(fā)的、可以用來作功的水力能源。水力能源是因?yàn)楹Ｃ婧完懙厣系乃菸樟颂柲芏纬傻?，因此也是一種間接的太陽能。水力能源和太陽能一樣，如果不加利用，這些能量也要散佈在地球的環(huán)境中，如果加以利用作了我們希望它作的功之後，最後也是一樣地散佈在地球的環(huán)境中，所以是一種非常清潔，不會造成污染的能源。在河流中裝設(shè)水車是古老的利用水力能源的方法，現(xiàn)在當(dāng)然都是選擇適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)建造水壩，形成水庫，利用水位的落差發(fā)電。水庫除了發(fā)電的功能以外，也有調(diào)節(jié)水資源供應(yīng)的功能。對於以建造水庫的方式

開發(fā)水力能源有以下兩點(diǎn)需要考量的地方：第一點(diǎn)是對生態(tài)和其他自然和人文環(huán)境有什麼影響。第二點(diǎn)是，水力能源是一種清潔無污染的能源，因此可說是非常珍貴的資源，而水庫一旦建造完成後，由於泥沙的淤積等等的原因，是有一定的壽命的，幾十年或幾百年視上游水土保持的工作做得多好而定。這麼珍貴的資源是現(xiàn)在就盡量地加以利用，還是留下來讓後世的子孫們?nèi)ビ媚兀康还茉觞N樣，強(qiáng)化水土保持工作和發(fā)展防止水庫淤積的技術(shù)是水力能源的利用上非常重要的環(huán)節(jié)。

風(fēng)力。  地球的自轉(zhuǎn)會造成大氣的流動。由於陽光照射角度的不同，所造成的地球表面上溫度差異也會引發(fā)空氣的對流，因此，風(fēng)中的能量也可以說是一種間接的太陽能。荷蘭人用風(fēng)車推磨是一個有名的利用風(fēng)力能源作功的實(shí)例?，F(xiàn)在，用風(fēng)力發(fā)電也是一項(xiàng)有開發(fā)潛力的能源。風(fēng)力能源也和太陽能、水力能源一樣，不論是否加以利用，最後都是散佈在地球的環(huán)境中，因此，也是一種很清潔的能源，除了許多風(fēng)車同時在轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生一些噪音以外，不會造成任何污染。風(fēng)力能源也是一種不需要花錢買燃料的能源，除了機(jī)械設(shè)備之外，雖然要佔(zhàn)據(jù)一些土地的面積，但也可以採取「風(fēng)車田與農(nóng)田共存」和「以風(fēng)車林代替防風(fēng)林」的作法。

海洋溫差。  陽光照射角度的不同使地球赤道附近海水的溫度高而兩極附近的溫度低。地球的自轉(zhuǎn)也會造成海水的流動─所謂洋流，交互作用的結(jié)果便造成同一地點(diǎn)海水的深度不同溫度也不同的現(xiàn)象。利用海水中溫度的落差當(dāng)然也可以發(fā)電，也可以說是一種間接的太陽能。這也是一種清潔的尚在開發(fā)階段中的替代能源。

生質(zhì)能源。  綠色植物以葉綠素為觸媒行光合作用，吸收太

陽光某一波長範(fàn)圍中的能量，把水與二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳水化合物，也就是植物體中的主要成份。因此，綠色植物的成長可以說是一種把一部分的太陽能和空氣中的二氧化碳固定下來的作用。為了發(fā)電或其他的目的而燃燒植物體，利用其與氧氣反應(yīng)時所釋出的化學(xué)能，可以說是一種把固定在植物體中的太陽能和二氧化碳又還回給地球的環(huán)境中的行為。而所謂生質(zhì)能源實(shí)際上是短期儲存在生物體內(nèi)的太陽能。

煤、石油和天然氣。  以葉綠素為觸媒的光合作用使地球表面上佈滿了綠色植物，有的在陸地上，有的在海洋中，有的是構(gòu)造簡單的低等植物，有的是高大的喬木。植物是自然界食物鏈的最下端，許多動物以吃植物維生，有的是以吃別的動物維生，生生不息地佈滿在地球的表面上。地殼的變動使許多植物、動物埋在地下，時間久了並且經(jīng)過溫度壓力的變化，便轉(zhuǎn)化成為煤、石油、天然氣、油頁巖、…等等。因此，這些礦產(chǎn)燃料在燃燒時所釋放出來的能量可以說是長期儲存在地下的太陽能。為了發(fā)電或其他目的而燃燒這些礦產(chǎn)燃料，可以說是一種把長期固定在地下的太陽能和二氧化碳又送回到地球環(huán)境中的行為。目前，這些礦產(chǎn)燃料是世界上最主要的能量的來源，也是最大的二氧化碳的釋放者，因此也是最重要的探討對象。

沼氣和煤層氣。  沼氣主要的成份是甲烷，常從池沼、稻田、廢水及其他動植物腐化的場所中釋放出來。如果不加以收集利用，在空氣中仍然會自然氧化成為二氧化碳。加以收集燃燒而利用其能量後，也是把同樣多的能量和二氧化碳釋放到地球的環(huán)境中。因此，沼氣的收集利用有助於大氣中二氧化碳的減量。煤礦礦坑中的煤層氣也有類似的問題。

溫室效應(yīng)

圖8-1中的那個太陽屋就是一個特殊設(shè)計的溫室。園藝人員所使用的溫室的功用是使植物在寒冷的冬天仍可在溫暖的環(huán)境中生長，其原理的要點(diǎn)如圖8-2。溫室的四壁和屋頂都是透明的玻璃。通常我們所說的無色透明的意思是指可以透過所有的可見光的意思。實(shí)際上對紅內(nèi)線(infrared)而言，普通的玻璃並不是透

明的。太陽的光線穿過玻璃屋頂和墻壁照到溫室裡，把裡面的東西，包括地面、傢俱、植物、…等等都曬得熱了一點(diǎn)。任何物體都有一定的溫度，也都會放出與其本身溫度相當(dāng)?shù)妮椛錈帷Ｅc溫室內(nèi)的物品的溫度相當(dāng)?shù)妮椛渚€的波長是在紅內(nèi)線的範(fàn)圍中。如果紅內(nèi)線也能穿透玻璃的話，太陽光可以照進(jìn)溫室中來，溫室裡的熱也可以用輻射的方式傳出去，溫室就沒有作用了?，F(xiàn)在因?yàn)榧t內(nèi)線不能透過玻璃，太陽光能夠曬進(jìn)來但是溫室內(nèi)各種物品所發(fā)射的紅內(nèi)線出不去，溫室裡的熱量只能靠傳導(dǎo)與對流的方式傳到外面去。因此，玻璃的溫室雖然在冬天也能維持一個較高的溫度。

地球的大氣中含有約萬分之三的二氧化碳。這種氣體對人的視覺而言是無色透明的，但對紅內(nèi)線而言也和普通的玻璃一樣是不透明的。太陽光透過大氣層照射到地球表面的海洋和陸地上，由於照射角度的不同，使其溫度維持在大約－40°C到＋40°C的範(fàn)圍內(nèi)。地球表面上的能量也以與這個溫度範(fàn)圍相當(dāng)?shù)牟ㄩL的紅內(nèi)線的形式透過大氣層輻射到太空中去。因?yàn)榇髿庵杏猩僭S的二氧化碳，一部分的紅內(nèi)線不能透過而被反射回到地球的環(huán)境中。大氣中的二氧化碳的角色和溫室的玻璃頂差不多。地球上的溫室效應(yīng)由於大氣中二氧化碳的含量有增高的現(xiàn)象而顯得越來越大，漸漸成為全人類要共同面對並加以解決的嚴(yán)重問題。因此，國際間已訂定了「氣候變化綱要公約」和「京都議定書」來規(guī)範(fàn)溫室氣體的排放。這也是1998年五月間全國能源會議的重要主題。對於能量的利用似乎已從開發(fā)來源的時代轉(zhuǎn)到尋找去路的時代。

地球上碳的平衡與循環(huán)(圖8-3)

在地球形成後的某一個階段是高溫的熔融狀態(tài)，適合於燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。燃燒是還原劑，或稱之為燃料，與氧化劑之間的快速反應(yīng)。那些元素是主要的還原劑？是氫、碳和各種的金屬。那些元素是主要的氧化劑？是氟、氯、氧…等等。在當(dāng)時的高溫下，燃燒的反應(yīng)一定非常完全，也就是說，如果還原劑的量比較多，一定會把全部的氧化劑消耗得光光，而把多餘的還原劑剩下來；反之亦然?，F(xiàn)在在地殼的下面還有大量熔融的鐵和鎳，這證明還原劑是過剩的，所有的氧化劑一定全被消耗光了。因此，太初的

大氣中是沒有氧氣的。金屬燃燒後所生成的灰燼是密度比熔融的金屬較輕的金屬氧化物，漂浮在上面，冷卻後成為地殼；氫燃燒後所生成的灰燼是氫的氧化物，也就是水蒸氣，冷凝後成為海洋。碳燃燒後所生成的灰燼是二氧化碳，地球表面冷卻後仍留在大氣中。這時地球的大氣中有許多二氧化碳和沒有參加燃燒反應(yīng)的氮?dú)夂鸵恍┧魵?，因?yàn)闇厥倚?yīng)的關(guān)係，地球表面上的溫度一定相當(dāng)高，又沒有氧氣，完全不適合動物的生存，但是非常有利於植物的成長，一有機(jī)會光合作用就展開了。植物成長的反應(yīng)大致可以寫成：

+氧

當(dāng)大氣中二氧化碳的濃度高而氧氣的濃度低的時候，對這個植物成長的反應(yīng)是非常有利的。這個反應(yīng)的後果是：把碳和太陽能固定在植物體內(nèi)，把氧釋放到大氣中。等到大氣中氧的濃度夠高了以後，動物就應(yīng)運(yùn)而生了。動物有的是直接以植物為食物，有的是間接以植物為食物：

以上這個過份簡化了的反應(yīng)把固定在植物體內(nèi)的碳和能量轉(zhuǎn)到動物的身體中去。大氣中一定要有了足夠的氧氣以後，動物才有生存的可能，因?yàn)閯游锸菚顒拥纳?，活動需要能量，這些能量是靠呼吸作用而釋放出來的。呼吸作用也可以說是一種緩慢的燃燒，吸入氧氣，用來燒掉一些體內(nèi)的營養(yǎng)，釋出活動所需的能量，呼出水汽和二氧化碳：

動物和植物的生命都很有限，死後的屍體會腐爛，腐爛的過程雖然複雜，但整體來說也是一種緩慢的燃燒，和森林火災(zāi)或是以生質(zhì)物體當(dāng)燃料來燒，一樣地釋出水汽、二氧化碳和能量：

當(dāng)大氧中二氧化碳的含量還相當(dāng)高的時候，對植物的生長很有利，那時的植物一定長得又快又肥大，動物吃得也很過癮，也長得肥大。那時的動物多是冷血動物，因?yàn)闇厥倚?yīng)的關(guān)係使環(huán)境的溫度高，環(huán)境的溫度越高冷血動物的體溫也越高，因而也越有活力，那是恐龍的時代，那時的環(huán)境不適合於人的生存。動物和植物生生不息的結(jié)果使它們分佈在地球表面上，地殼的變動又把它們，活的和死的，埋到地下去，經(jīng)過溫度、壓力和時間的作用，轉(zhuǎn)化為煤、 石油、天然氣和油頁巖、等等的礦物燃料：

因此，各種的礦物燃料實(shí)際上是經(jīng)由光合作用、植物和動物的繁殖而長期固定儲存在地下的碳和太陽能。而各種礦物燃料的燃燒，不論是在火力發(fā)電廠中、生產(chǎn)製造程序中、交通工具中或是家庭中，目的都是想要利用這些儲存的太陽能。加以利用之後，最終的後果是把這些二氧化碳和能量送還到地球的環(huán)境中，因?yàn)橘|(zhì)量和能量都是不能創(chuàng)造也不能消滅的：

這是一個使地球的環(huán)境恢復(fù)到不適合人類生存的時代的方程式，是令人憂心的核心問題。

自然界對於二氧化碳的固定，除了光合作用之外還有另外一些途徑：與陸地上的氧化鈣和氧化鎂以及海水中的鈣離子和鎂離子反應(yīng)生成大理石和白雲(yún)石是早已結(jié)束了的或是已經(jīng)達(dá)到平衡的反應(yīng)；被生物攝取而固定在珊瑚的骨骼、貝類和蝦、蟹的殼中是尚在進(jìn)行中的反應(yīng)。

地球表面上的能量平衡

在前面談到溫室效應(yīng)和碳的平衡與循環(huán)時，已經(jīng)說明了地球上能量平衡的許多細(xì)節(jié)。因?yàn)槿祟惿钤诘貧さ谋砻嫔?，因此我們關(guān)心的只是這一薄層的「生活圈」中的能量平衡?？纯从卸嗌倌芰康膩碓?，有多少能量的去路。如果來源大於去路或去路大於來源，失去了平衡，我們的生活圈便有溫度上升或下降的顧慮。下面再把幾個主要的能量來源與去路重覆說明一下：

來源之一，由地下傳上來的地?zé)帷?/font>  目前的地球還是一個正在冷卻中的星球，在地殼下面是高溫熔融的巖漿，再下面是熔融的金屬，都含有非常多的熱能，因?yàn)榈貧ず芎?，又不是好的?dǎo)熱體，地下的熱能擴(kuò)散到地表的速度緩慢而均勻，除了在少數(shù)的地點(diǎn)如關(guān)子嶺、陽明山…等之外，大家很少注意到地下熱源的存在。