歡迎：不停流動的碳

你身體裏、你的午餐裏，以及小巴燃料裏的碳原子，一直在不同地方之間流動。空氣中還充滿有用的氣體，甚至有水！在這一章，你會學習繪畫碳循環、了解科學家如何移除和儲存二氧化碳、從液態空氣中提取氣體、從空氣中採集淨水，以及測試三種氣體。（空氣的成分見「空氣」一章；空氣污染物和空氣質素健康指標（AQHI）見「空氣質素」一章。）

1. 碳循環

碳存在於空氣中的二氧化碳（CO2）、生物、化石燃料和海洋之中。碳循環展示碳原子如何在這些地方之間不斷流動。這就是「變化和恆常」：碳的總量保持不變，但碳儲存的地方卻不斷改變。

碳庫

碳庫是儲存碳的地方，包括：空氣（二氧化碳，只佔空氣約0.04%）、生物、生物遺骸和泥土、化石燃料（煤、原油、天然氣）和海洋。

使碳流動的六個過程

光合作用

綠色植物和藻類吸收二氧化碳來製造食物。碳由空氣進入植物，再沿着食物鏈傳給動物。

呼吸作用

所有生物，包括植物、動物和微生物，都會進行呼吸作用並放出二氧化碳，把碳送回空氣。（文字方程式見「空氣」一章。）

分解作用

分解者（細菌和真菌）會分解屍體和排泄物，例如郊野公園山徑上的落葉。分解者進行呼吸作用時，會放出二氧化碳。

燃燒

燃燒木材、煤、天然氣和汽油等燃料會放出二氧化碳，例如發電廠、汽車和家中的煤氣爐。

化石燃料的形成

有些死去的生物在分解之前已被埋藏起來。經過數百萬年，在熱和壓力作用下，它們變成煤、原油和天然氣，把碳封存在地底。

海洋吸收

二氧化碳會溶解於海水中，所以海洋是一個巨大的碳庫。海洋動物會利用碳來建造碳酸鈣外殼。海洋也會釋放二氧化碳，尤其是海水變暖的時候。

繪畫碳循環圖

為每個碳庫畫一個方格，並為每個過程畫一個附有標示的箭頭：

空氣 → 植物：光合作用
植物 → 動物：進食
植物和動物 → 空氣：呼吸作用
植物和動物 → 遺骸：死亡和排泄物
遺骸 → 空氣：分解作用
遺骸 → 化石燃料：化石燃料的形成
化石燃料 → 空氣：燃燒
空氣 ⇄ 海洋：溶解和釋放

記憶小貼士：「一個拿走，三個送回。」光合作用把二氧化碳從空氣中拿走；呼吸作用、分解作用和燃燒則把它送回空氣。

常見錯誤：植物日夜都會進行呼吸作用，所以除了由動物畫出箭頭外，也要由植物畫一個呼吸作用的箭頭指向空氣！

被人類改變的平衡

在自然情況下，從空氣中移走的碳，大致與送回空氣的碳平衡。今天，燃燒化石燃料釋放了在地底封存了數百萬年的碳，而砍伐森林則令光合作用減少。二氧化碳是一種溫室氣體，所以二氧化碳增多會加強溫室效應，導致全球暖化。海洋也會吸收更多二氧化碳（海洋酸化見「岩石和礦物」一章）。

你知道嗎？碳原子不斷循環再用，你身體裏的一些碳，可能曾經是恐龍身體的一部分！

重點提要：光合作用把二氧化碳從空氣中移除；呼吸作用、分解作用和燃燒則把它送回空氣。人類正把額外的碳送進空氣中。

2. 移除和儲存二氧化碳

減慢全球暖化最好的方法，是減少排放二氧化碳。科學家亦正研究如何從空氣中移除二氧化碳，並把它長期儲存起來。

造林

造林是指在新的土地上，或在森林被砍伐的地方種植樹木。樹木透過光合作用吸收二氧化碳，並把碳儲存在木材中，例如在香港的郊野公園植樹。
優點：成本低、天然，並為野生生物提供居所。缺點：需要大量土地和多年時間；如果樹木腐爛或在山火中燒毀，碳便會回到空氣中。

生物碳

生物碳（又稱生物炭）是把植物廢料（例如木屑、農作物殘餘）在很少或沒有氧氣的情況下加熱而製成的。由於植物廢料不會燒掉，它會變成像木炭的固體。把生物碳混入泥土中，可把碳鎖住數百年。
優點：利用廢料，並能改善泥土。缺點：需要設備和能量；植物廢料的數量有限。

直接空氣捕獲

直接空氣捕獲機器利用大型風扇，把空氣抽過能捕獲二氧化碳的過濾器或化學品。收集到的二氧化碳會被儲存在地底深處，或用來製造產品。
優點：所需土地少；容易量度移除了多少二氧化碳。缺點：二氧化碳只佔空氣很小部分，所以須處理大量空氣；耗用大量能量，而且昂貴。

碳捕集和儲存（CCS）

在碳捕集和儲存中，二氧化碳在逸出前已在發電廠和工廠被捕集，然後經喉管送到地底深處的岩層，例如已採完的油氣田。
優點：能阻止大型排放源的大量二氧化碳進入空氣。缺點：昂貴；需要合適的岩層；儲存地點必須檢查有否洩漏。

重點提要：造林和生物碳利用植物；直接空氣捕獲和碳捕集和儲存則利用機器。每種方法各有優缺點，但都不能取代減少排放。

3. 液態空氣的分餾

空氣是一種混合物，主要含氮和氧，還有少量氬。要取得純淨的氣體，便要把空氣變成液體，再按沸點把各種氣體分離。這就是液態空氣的分餾。

沸點

氮約 -196 °C，氬約 -186 °C，氧約 -183 °C。沸點最低的氣體最先沸騰逸出：先是氮，然後是氬，最後是氧。記憶小貼士：「氮、氬、氧」（N-A-O）。

步驟

1. 過濾：除去塵埃。
2. 除去水汽和二氧化碳：它們會凝固成固體（水在 0 °C 結冰，二氧化碳在約 -78 °C 變成固體），堵塞喉管。
3. 壓縮和冷卻：不斷壓縮和冷卻空氣，直至約 -200 °C，使它變成液態空氣。
4. 慢慢加熱：液態空氣在高高的分餾柱中慢慢變暖。氮最先沸騰，以氣體形式在分餾柱頂部收集。
5. 氬隨後沸騰（在分餾柱中部收集）。氧最後才沸騰，聚集在分餾柱底部。

氣體的用途

氮：液態氮可快速冷凍食物，並用來儲存血液和醫療樣本；氮氣可令包裝薯片保持新鮮；氮亦用於製造肥料。
氧：用於醫院、登山人士、煉鋼、焊接和切割金屬，以及火箭引擎（液態氧）。
氬：性質不活潑，所以用來填充某些燈泡，並在焊接時保護高溫的金屬。

常見錯誤：氧並不是最先沸騰的！在負數中，-196 °C 比 -183 °C 更冷，所以氮的沸點最低，最先沸騰。

原油也是用分餾法分離的，見「現今世界的材料」一章。

重點提要：把已除塵、乾燥及除去二氧化碳的空氣冷卻至約 -200 °C。液態空氣變暖時，氮、氬和氧會依次沸騰逸出。

4. 從空氣中採集淨水

空氣含有水汽。水汽遇冷會凝結成微小的水點；霧就是貼近地面、由這些小水點組成的雲。在雨水稀少的地方，人們會收集這些水。

集霧網

人們在多風多霧的山上豎立大型網狀物。霧中的小水點碰到網線後，會聚合成較大的水滴，流進水槽，再經喉管送到水缸。在一些乾旱的沿海山區，例如智利和摩洛哥的部分地方，村民會使用集霧網。

露水和機器

在晴朗的晚上，冰冷的表面會收集到露水（凝結了的水汽），特製的薄片可把露水引入容器。有些機器利用電力冷卻空氣使水汽凝結，再把水淨化。家中的抽濕機在香港潮濕的春天（回南天）也以類似方式運作，但切勿飲用抽濕機的水，因為它並不潔淨。

優點和缺點：集霧網和露水收集器成本低，而且不用電力，但只能在某些地方和天氣下使用。機器能在較多地方運作，但耗用大量能量。採集到的水在飲用前可能需要淨化。

你知道嗎？非洲納米布沙漠有一種甲蟲，會飲用凝聚在牠凹凸不平的背部上的霧水。科學家更模仿這個構造來設計集霧表面！

重點提要：我們可以利用集霧網、露水收集器和機器，從空氣中採集淨水。

5. 氧氣、二氧化碳和氫氣的測試

這三種氣體都是無色的，所以我們要用化學測試分辨它們（氧氣和二氧化碳的測試亦見於「空氣」一章）。

三種測試

氧氣：能使餘燼木條復燃。
二氧化碳：通入石灰水（氫氧化鈣溶液）後，石灰水會變成乳狀。
氫氣：把燃着的木條放在試管口，氫氣燃燒生成水時，會發出「噗」的一聲。氫氣比空氣輕，所以盛有氫氣的試管要倒轉拿着。

氫氣可透過水的電解（見「海洋和海水」一章）或某些金屬與稀酸反應（見「岩石和礦物」一章）製取。

分辨三種未知氣體

1. 把餘燼木條放入每種氣體中，能使木條復燃的是氧氣。
2. 用燃着的木條測試另外兩種氣體的新樣本，發出「噗」聲的是氫氣。
3. 把最後一種氣體通入石灰水，石灰水變成乳狀便是二氧化碳。
實驗時要戴上護目鏡，而且只可使用少量氫氣。

常見錯誤：燃着的木條熄滅，不能證明氣體是二氧化碳，因為氮氣也會使火焰熄滅。一定要用石灰水測試。

重點提要：餘燼木條復燃 = 氧氣；石灰水變成乳狀 = 二氧化碳；燃着的木條發出「噗」聲 = 氫氣。

重點回顧

1. 碳在空氣、生物、生物遺骸、化石燃料和海洋之間流動，但碳的總量保持不變。

2. 光合作用從空氣中移走二氧化碳；呼吸作用、分解作用和燃燒則把它送回空氣。

3. 造林、生物碳、直接空氣捕獲和碳捕集和儲存可以移除或儲存二氧化碳。

4. 液態空氣（約 -200 °C）會依次分離出氮（-196 °C）、氬（-186 °C）和氧（-183 °C）。

5. 集霧網、露水收集器和機器可從空氣中採集淨水。

6. 氧氣使餘燼木條復燃；二氧化碳使石灰水變成乳狀；氫氣遇燃着的木條會發出「噗」聲。

做得好！你已經成為碳循環和氣體測試的專家了！