消失的海洋塑料:它们都去哪儿了?
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消失的海洋塑料:它们都去哪儿了?

2020年08月06日 08:21:14
来源:知识分子

消失的海洋塑料:它们都去哪儿了?

例如,世界上最著名的海洋塑料聚集体—— 大太平洋垃圾带 (the Great Pacific Garbage Patch) ,堆积着包围在北太平洋环流 (一个在北美和亚洲之间循环的洋流系统) 里的漂浮垃圾。据估计,这堆塑料有惊人的8万吨—— 或者1.8万亿片。在南太平洋、印度洋和南、北大西洋,也有类似的环流包围着小一些的塑料垃圾聚集体。总而言之,漂浮在海面及附近的已知塑料的总质量超过了25万吨 (图1) 。但我们看到的还不够。

人类自20世纪50年代开始向海洋中排放塑料垃圾,现在每年的排放量已经达到1000万吨左右。如今大部分进入海洋的塑料的密度低于海水,这就意味着如果它们能在海洋中存在几年以上,我们应该会发现数千万吨的塑料漂浮在海面上。这比我们实际看到的要多几个数量级——那么,塑料都到哪里去了呢?

大太平洋垃圾带里,许多塑料年代久远,最近生产的塑料制品很少。塑料漂浮物似乎通常需要几年时间,才能从其进入海洋的海岸或河流,到达其长期逗留的亚热带环流。绝大多数塑料碎片没有走完这个旅程 (或者至少目前还没有完成) ,但它们旅程的过程和终点仍未可知。

图1. 全球海面塑料废弃物浓度分布情况

图1. 全球海面塑料废弃物浓度分布情况

已知最大的漂浮塑料聚集体都位于亚热带环流中。模型拟合有助于找到剩下的部分。在这张全球地图中,深灰色和浅灰色区域分别代表模拟的五个亚热带环流的内部和外部聚集区;白色海洋区域代表非聚集区。地中海盆地的灰阶底图显示了通过数值模拟预测的海面塑料的相对浓度。深色的区域预计有更高的浓度。彩色圆圈表示原位采样的平均质量浓度,范围从蓝色 (最低) 、绿色、黄色和橙色到红色 (最高) 。

“塑料的失踪不像暗物质;而是另一种失踪,” 荷兰乌得勒支大学 (Utrecht University) 的海洋学家和气候科学家埃里克·范·赛伯 (Erik van Sebille) 说,“没有人知道海底有多少,海滩上有多少,有多少被动物摄入,又有多少已经被细菌降解。这就是我们面临的谜题。”

无论我们在哪里发现塑料污染,都能看到它对野生动物的影响,从被废弃渔网缠住的海龟,到肚子里塞满瓶盖和其他难以消化的垃圾的饥饿海鸟。要量化这些影响的广泛程度——如果我们想要减轻这些影响,量化是必不可少的一步——我们需要更好地了解海洋塑料是如何分布的,以及被丢弃后的几年或几十年里是如何漂流的。如果我们想在清理海洋方面有所成就的话,这一点也是必要的,因为只收集最显眼的1%塑料垃圾可能会没有什么效果。

模拟旅程

许多海洋学家认为,建模是制作详细的海洋塑料污染地图的最好方法。 由欧洲研究理事会 (European Research Council) 资助,范·赛伯领导的 “海洋塑料追踪” (Tracking of Plastic in Our Seas,TOPIOS) 项目就是这方面的努力之一。目前,TOPIOS 模型整合了潮汐、洋流和风等因素来预测海面漂浮物的路径。一旦塑料沉入大海,就会被移出模型,不再被追踪。在2017年4月开始的五年计划期间,TOPIOS 的研究人员希望将模型拓展到一个全面的、高分辨率的版本,使之能够捕捉三维空间中的所有相关过程。新模型构建完成后,模拟不仅会考虑明显的海洋学影响,还会将更微妙的因素考虑在内。

海洋微生物就是微妙的因素之一。 一块塑料在海洋中停留的时间越长,上面积累的微生物就越多。这种 “生物淤积” 过程逐渐增加了塑料的整体密度,直到整个塑料沉入海底。不过不同的微生物在海洋中的分布区域不同,对漂浮塑料的影响也不尽相同。一块漂浮的塑料是会到达亚热带环流,还是会沉积于一千公里外的海床,可能取决于在其表面安家的微生物种类。

光照强度是另一个因地而异的重要参数。 塑料长时间暴露在紫外线下会发生光氧化,最终会变得易碎并破成碎片。由此产生的微塑料微粒可以分散在所有水层中,进入一种完全不同的迁移机制。

然而,就算有了如此详细的模型,TOPIOS 团队还需要一些经验数据,作为模拟系统的输入。他们的终极目标是用贝叶斯推断算法驱动模型,用一组塑料观测数据集训练模型,再用另一组对其进行验证。

太空寻踪

不幸的是,这些观察结果并不容易得到 。首先,海洋巨大的面积使得有代表性的测量既困难又昂贵。另一个问题是,即使在小范围内,塑料的分布也是不均匀的。范·赛伯表示,相距一公里的样点之间,塑料的浓度可能就会相差一个数量级。“这有点像天文学家把望远镜指向天空100次,然后就得说宇宙的结构是什么样子。”

对某些人来说,卫星为观测提供了显而易见的解决方案,因为只有从太空才能看到大的图景。然而,目前在轨的卫星中,没有一颗专门用于海洋塑料观测,计划中的也一样没有。塑料遥感卫星所需的技术方法仍处于概念验证阶段。

保罗·科拉迪 (Paolo Corradi) 正在研究这个问题,他是欧洲空间局 (European Space Agency,ESA) 的系统工程师,在荷兰的欧洲空间和技术中心 (European Space Research and Technology Centre) 工作。科拉迪与一个大型国际合作项目一起,构思如何将空间测量纳入海洋废弃物综合观测系统 (integrated marine debris observing system,IMDOS) ,该系统还包括机载勘测和原位测量 (Front. Mar. Sci. 10.3389/fmars.2019.00447) 。

探测海洋塑料所考虑的遥感方法中,被研究的最少的可能是雷达。乍一看,这项技术有很大的优势,因为无论天空晴朗还是多云,雷达都可以不分昼夜地使用。卫星雷达系统也可以利用一种效应,即收发机沿轨道路径的运动能够模拟一个更大的静态天线。这个 “合成孔径” 的大小等于卫星从发射脉冲到收到回波的时间里行进的距离。孔径的大小决定了雷达的空间分辨率,使卫星系统具备大约1米的分辨率——足以发现较大的单个碎片或密集堆积的碎片,只要碎片能够充分反射雷达波。然而,合成孔径雷达 (synthetic-aperture radar,SAR) 是否适用于探测塑料还不得而知,因为这种低介电常数材料发出的信号很可能会被海浪的反向散射淹没。

“这个问题一直萦绕在我的脑海里,让我有些晚上难以入睡。” 英国斯特灵大学 (University of Stirling) 的阿曼多·马里诺 (Armando Marino) 说。该大学即将开展一个项目,用地面雷达测试该方法是否可行。

卫星雷达系统可能会在间接定位塑料聚集体方面发挥最大的作用。 SAR技术的一种变体是使用干涉法测量水在海洋表面的移动方式。该方法通过比较不同地点测得的雷达信号相位,获取关于波高、波速的信息,以及更大尺度特征的信息,例如表层流。由于漂浮物倾向于集中在运动水团的交界处,这种卫星雷达可以确定可能的塑料聚集地,为迁移模型提供关键信息。

这并不是波浪测量所能揭示的全部。在海洋环流的SAR图像上,马里诺和同事注意到某些区域的海面纹理异常平滑,他们将其归因于表面活性剂的存在。就像倒在扰动水面上的油一样,表面活性剂能够抑制水面上的波浪,因此降低了雷达信号的强度。研究人员知道这些表面活性剂分子是微生物活动的产物,而微生物会迅速定殖在海洋塑料上,因此他们提出,如果这些平滑区域同时遵循海洋环流的特征模式,则提示此处存在高浓度的微塑料污染。

另一项有前景的主动传感技术是激光雷达。 通过测量激光脉冲的传播时间来确定距离的激光测距仪,在地球观测卫星上已经广泛应用,它们可以测量云层和其他大气颗粒物,风速以及冰盖的厚度。目前还没有专门用于研究海洋塑料的传感器,但一些研究人员已经使用为大气气溶胶设计的激光雷达系统来寻找浮游生物和其他悬浮颗粒 (2013 Geophys. Res. Lett. 40 4355) 。尽管这种改换用途的仪器只能提供粗略的水面下垂直分辨率,但其灵敏度足以探测到漂浮在海面下20米左右的颗粒物。由于科学家认为塑料浓度在海面5米以下的地方会呈指数级下降,该仪器经过适当优化可以有效测量悬浮在水层中的微塑料碎片数量。

科拉迪认为,有朝一日,激光雷达技术甚至可以通过探测荧光或拉曼散射等非弹性过程来区分塑料和其他颗粒物。不过,他也提醒到,后者发出的信号非常微弱,目前的仪器很难从轨道上探测到。

照亮塑料

为了精确定位海洋中的塑料,迄今为止研究得最彻底的技术是测量反射阳光的被动光学遥感方法。 像所有材料一样,塑料的表面散射光有一个特征光谱。先进的回收中心已经能够利用这种效应,根据塑料在红外光谱特定频率的亮度来识别不同类型的塑料 (见《知识分子》文章: 化学回收、细菌分解,十八般武艺齐上阵,能解决塑料难题吗? ) 。

最近,英国普利茅斯海洋实验室 (Plymouth Marine Laboratory) 的地球观测科学家劳伦·比尔曼 (Lauren Biermann) 展示了类似技术在空间轨道上的应用。比尔曼与普利茅斯海洋实验室以及希腊米蒂利尼的爱琴海大学 (University of the Aegean) 的合作者们一起,使用了ESA的 “哨兵2号” (Sentinel-2) 任务捕捉的多光谱图像 (图2) ,这是一个平均高度786公里的双卫星系统,在13个光谱波段上高分辨率测量植被和土地利用情况。

图2. 不同波长的差异

图2. 不同波长的差异

苏格兰海域的卫星图像。在RGB图像(左)中,五月岛的东面有一个明显的海洋锋。在同一区域的近红外图像中(右),疑似塑料的地方变得清晰可见。(图源:L Biermann/ESA)

这些卫星上的传感器不像回收工厂里的那样,具备区分不同类型塑料所需的光谱分辨率——即使具备这样的能力,大气层的干扰也会掩盖材料的某些窄谱特征。比尔曼已经开发出一种新的替代方法,他根据材料在三个宽频带上的反射率来识别塑料,这三个频带更容易从轨道上测量:一个以可见光谱的远红端为中心;一个恰好超出近红外 (NIR) 的可见范围;还有一个在短波红外 (SWIR) 波段。虽然水对所有这些波段都有强烈的吸收,但塑料在近红外波段有一个强烈的反射峰,于是在近红外图像中,塑料漂浮物在黑暗的海面上显得明亮醒目。

不幸的是,水对红外线的强烈吸收也意味着,只要塑料沉到海浪下几毫米,就会变得不可见。因此,这种被动技术只能探测到在漂浮在水面上的塑料碎片,却无法查明悬浮在水层中的塑料污染。另外,海草、浮木甚至海水泡沫在近红外光谱中都有着与塑料相同的强烈反射峰——而且,与漂浮的塑料一样,它们都倾向沿着海洋锋和在沙滩上聚集。因此,要区分塑料和其他海洋杂物,必须在电磁光谱的其他部分寻找不太明显的光谱特征。

出于这种考虑,比尔曼和他的同事已经利用卫星图像编制了一份不同材料的光谱目录。例如,最近得到良好记录的加勒比海马尾藻大爆发就提供了漂浮植物的光谱检验标准。与此同时,南非德班的一场洪水将大量的瓶子和其他垃圾冲进了印度洋,揭示了有杂质的塑料聚集体的光谱特征。“因为我是南非人,所以我就和认识的人联系,索要德班港的照片。” 比尔曼说,“我想看看我有多确定那就是塑料,然后——我的天!——那就像一个垃圾填埋场刚刚被冲进海里一样。”

当他们建立了一个光谱特征库后,研究团队用它训练了一种机器学习算法——和 TOPIOS 模型一样,基于贝叶斯推断——来自动识别塑料和其他漂浮物。在另一组成分经过独立验证的聚集体上测试时,该算法识别塑料的准确率为86%。

况且这些很有希望的结果,还不是用为此目的设计的仪器得到的。比尔曼说,“哨兵2号”卫星用的传感器并不如她希望的灵敏,并且缺少可用于附加测量的波段。也许最重要的是,卫星相机的最高空间分辨率只有10米,这意味着他们能观测到的塑料,必须大到可以填充一个100平米像素的相当一部分——具体来说,塑料瓶或塑料袋约占30%,丢弃的渔网占50%。 (根据ESA的研究,科拉迪报告说,对于 “哨兵2号” 上那样的传感器,1%的像素范围可能是理论上的极限。) 不管确切的数字是多少,很明显,对于分布更广的塑料聚集体,比如被亚热带环流积聚的塑料,目前在轨的相机不太可能有多大用处。例如,比尔曼还不能在大太平洋垃圾带上应用她的方法,因为“哨兵2号”只拍摄陆地和沿海水域的图像,这突显了现有卫星不适用于发现海洋塑料垃圾的程度。

靠近地表

如果因为近地轨道太高,上面的仪器根本无法发现单个塑料,那为什么不把仪器放得更低,比如说400米? 这是非营利组织 “海洋清理” (Ocean Cleanup) 勘测大太平洋垃圾带的海拔高度。他们从C-130运输机的货仓伸出一台高光谱成像仪,在可见光和红外光下采集图像,同时用激光建立了激光雷达剖面。

红外传感器的高光谱分辨率以及光线在大气里的路径更短,使得 “海洋清洁” 团队在选择探测波段时,相比使用卫星技术的比尔曼,有更多的自由。此外,当测量高度为400米时,每个图像像素约为1 平方米。利用短波红外 (SWIR) 中的两个窄谱特征,他们发现漂浮塑料只需要填充一个像素的5%就可以被探测到,这意味着研究人员理论上可以发现只有几厘米宽的单个塑料。

图3. 碎片化。2016年的考察中,“海洋清理”使用机载高光谱成像仪绘制了太平洋上的塑料图像。(图源:The Ocean Cleanup)

图3. 碎片化。2016年的考察中,“海洋清理”使用机载高光谱成像仪绘制了太平洋上的塑料图像。(图源:The Ocean Cleanup)

然而,如此低的位置也不能让红外辐射在海水里更有穿透力,因此 SWIR 信号仍然只能探测漂浮在海面上的碎片。这里激光雷达又可以发挥作用了,不过这一次并不是用来寻找悬浮的微塑料。相反,研究人员用它来测量大型聚集体——比如漂浮渔网周围的聚集体——在海面下延伸的距离。“散落渔网就像磁铁一样吸引着其他杂物,最终差不多成了结实的漂浮杂物块。” 美国 Teledyne Optech 公司的考察队员詹·艾特肯 (Jen Aitken) 说,“我们设法找到了一些塑料聚集体,激光雷达能够将其穿透两三米,这足以制作出其外表的粗略3D模型。”

然而,这样详细的观测不可能像卫星测量那样常规地开展。无论你是否下载卫星数据,卫星每隔几天就会经过同一地点,但每一次远洋机载勘测都需要付出巨大的努力。艾特肯形容 “海洋清理” 的飞行—— 在装满备用油箱的飞机上—— 大部分时间花在了在加利福尼亚和太平洋间往返。确实如此,一次持续10小时或更长时间的飞行中,可能只有几个小时用于采集数据。

艾特肯提出,另一种勘测选择是用无人机,但无人机只能在空中停留1小时左右,所以仍需要使用一艘昂贵的大型船只作为操作基地。这种方法或许可行,因为 “海洋清理” 已经要求船只收集被重新发现的塑料污染物。前面提到的综合观测系统 (IMDOS) 也将船只包括在技术组合的理念中。“卫星只是监测方案的一部分。” 科拉迪说,“你还需要机载勘测、无人机、原位测量和船上测量。”

在这样的项目诞生之前,研究人员能从现有的数据得出什么结论呢?不同的模型得出了不同的塑料污染分布情况。在 TOPIOS 项目开始时,范·赛伯和同事提出,我们看到的漂浮塑料之所以这么少,是因为它们在破碎和沉没之前,只在海面停留了很短时间。在这种情况下,失踪的塑料遍布海洋深处和海底。但是,“海洋清洁” 的研究人员却说,在亚热带环流中发现的典型塑料碎片的老化程度排除了这种可能 (2019 Sci. Rep. 9 12922) 。如果他们是对的,塑料杂物会在海滩和沿岸水域之间循环数年,被丢弃很久之后才会到达近海环境。

无论哪种模型正确,都会对塑料污染的缓解和补救工作产生影响。 如果大部分塑料已经分解并扩散到整个水层中,我们就可以不用再找了,反而应该将精力集中于从源头上阻止塑料垃圾的更多排放,同时研究塑料污染对深海生态系统的影响。不过,如果塑料能存在许多年,目前大部分的微塑料都源于几十年前被丢弃的塑料。那么,今天的补救计划或许能预防未来的危害。