文 / 大氣科學系洪惠敏教授、黃維傑研究生

大氣科學是門與生活相當貼近的應用科學，明天要不要帶傘出門？明天是否會放颱風假？空氣灰濛濛的要不要戴口罩？各式議題都是我們所關心的。除了理論的推導、模式的計算，對於生活中大氣現象的觀察及觀測也是不可或缺的，而探究實作課程使我們更能夠直接接觸這些議題，以實際的觀測對生活中遇到的現象去做思考。空氣汙染屬於大氣類別的環境科學議題，據研究顯示長時間暴露在空氣品質較差的環境中會影響到人體呼吸道、心血管疾病等健康問題。近年來我們時常在報章雜誌或新聞媒體中聽到紫爆、霧霾等等用來描述空氣污染的名詞，然而在危言聳聽的氛圍下，究竟我們對吸入的空氣成分有多少了解？

自2015年經由學生不斷學習發展，進而完成完整空氣品質盒子(Air Quality Box, AQB)來探討空氣汙染的傳送與演變過程。AQB就像個簡易型的環保署測站，利用小型開發板(樹莓派, Raspberry Pi)操控各項微型感測器對周遭的環境做即時的量測。其中包括氣象參數—溫度、濕度、壓力；及環境中空氣物染物濃度—懸浮微粒、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、一氧化氮、二氧化硫、臭氧、非甲烷有機性揮發氣體 (圖一)。搭配物聯網的設計，可將資料即時傳輸至後端資料庫及呈現在前端網頁。由於它輕便的設計，可以適用於各類型的環境觀測，如在過去與國際合作的研究中將AQB搭載在多旋翼無人機上做大氣中的垂直量測，可看到在巴西瑪瑙斯市區中各項汙染物在乾濕季的垂直分布差異(Guimarães et al. 2021)、以及亞馬遜河上的局部環流對於汙染物傳送河擴散造成的影響 (Zhao et al. 2022) (圖二)。相比於固定式的環保署測站，AQB的造價低(低於1/100 環保署測站)可用於較密集的佈點觀測，目前在台灣中部山區沿著海拔高度進行多點同步觀測 (圖三)，可以看到因為山谷風傳送及當地排放的影響而造成汙染物濃度變化差異，以及起霧事件期間的霧滴數量濃度粒徑分布變化趨勢。AQB因攜帶性非常高、且操作簡易讓更多人可直接接觸空氣品質的觀測實驗，其可應用的範圍甚廣。

在110學年度上學期大氣系所開設的「空氣污染實作」課程以AQB為核心教學，學生們學習樹莓派開發板基本功能、了解各個微型感測器的原理和運作方式、以及簡易的物聯網資料傳輸方法。在課程中，學生們分組對於生活中的議題做觀察及假設、並且設計實驗來做驗證。本學期的研究組別分做昆蟲組(圖四)、交通組(圖五)及室內組(圖六)：昆蟲組利用自製的封閉系統觀測汽機車廢氣對於蚜蟲族群的發展影響，發現暴露在高濃度機車廢氣中的蚜蟲族群成長較快速、體色較黑且有翅型的比例較低，多項特徵指出汽機車廢氣有利於蚜蟲族群的發展，在應用上可推測交通排放有可能加劇蚜蟲對於植物造成的蟲害危機；交通組將AQB加裝GPS定位系統，觀測台大校園內外不同交通方式對於空氣汙染數值的暴露總量差異，發現校園外的汙染物濃度遠高於校園內，在交界處有明顯的濃度遞減趨勢。在交通方式中避免暴露在交通污染排放高的車陣中，能有效減少空氣汙染引發的心肺疾病；室內組討論教室中的空氣品質特徵，利用簡易的Box-model描述教室內二氧化碳、懸浮微粒受到室內人數、通風性及特殊事件發生造成的濃度變化，另外實驗綠色植栽對於室內空氣品質的優化表現，在應用層面上可對教室內的植栽擺設及通風策略提出有建設性的建議。

學生們在空氣污染實作課程中，除了對於觀測工具的學習之外，透過親自實作，了解到大氣的觀測是一件不容易的工作，在理想的設計中時常會遇到突發狀況，學習如何靈機應變來完成一個小型觀測計劃。此課程提供給埋頭於理論學習及電腦計算分析的學生們另一層面的訓練，並了解現今科技的便利性讓自己可利用撰寫程式碼來控制微型感測器，進而得到環境的即時空氣品質數據及氣象參數，進而學習物聯網跨領域的另一連結。

參考文獻：

Guimarães P, Ye J, Batista C, Barbosa R, Ribeiro I, Medeiros A, Zhao T, Hwang W-C, Hung H-M, Souza R, T. Martin S. Vertical Profiles of Atmospheric Species Concentrations and Nighttime Boundary Layer Structure in the Dry Season over an Urban Environment in Central Amazon Collected by an Unmanned Aerial Vehicle. Atmosphere. 2020; 11(12):1371. https://doi.org/10.3390/atmos11121371

Zhao T, Ye J, Ribeiro IO, Ma Y, Hung H-M, Batista CE, et al. River winds and pollutant recirculation near the Manaus city in the central Amazon. Communications Earth & Environment 2021; 2: 205. https://doi.org/10.1038/s43247-021-00277-6

黃維傑同學目前是大氣所碩士班二年級學生，自大學四年級下學期開始接觸空氣品質盒子，協助系統測試與發展；在110年度上學期擔任空氣汙染實作課程的助教，目前利用空氣品質盒子執行中部山區觀測計畫。

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