荷兰“海洋吸尘器”项目,为什么会失败?

为什么身负众望的清理行动,会以失败告终呢?其实这一点也不意外。

荷兰青年柏扬·史拉特(Boyan Slat)16岁时在希腊的一次潜水,亲眼看见海里的塑料袋比鱼多的画面后,立下宏愿,打算用海洋吸尘器把全世界海洋清干净。而此番豪语吸引了上千万美元的捐款,他18岁就成立了自己的组织“海洋清理行动(The Ocean Cleanup,后简称TOC)”。虽然短短几年,小鲜肉突然变成满脸胡渣的,即将步入中年的男子,他信心满满,宣称只要有60个这样的系统,就能在2025年减少海上一半的垃圾。

去年9月,众所瞩目、小名威尔森的系统001(System001)(也就是俗称的海洋吸尘器)浩浩荡荡从旧金山出发,没想到过了几个月,从“天气不理想我们还在试”、“出现塑胶!但它漂走了我们还在研究为什么”、“系统调整中”、“系统调整中但速度不理想”、“嗯……威尔森要先回港口修理”,到今年(2019年)1月初惨烈的“哎呀,它断了”,最终宣告失败。

加拿大海洋物理学家克拉克·理查(Clark Richards)博士从流体力学的角度,就分析了海洋吸尘器为何失败的原因。

简单说,海洋是个很难工作的地方。说真的,有专门让工程师把设备丢到海里看有多少能生还的研讨会,他们这样形容:如果你能把设备拿回来,代表那是成功的计划;如果它还能纪录到任何数据,那就是锦上添花了。

TOC提出的是一个自由漂浮的系统001,团队宣称在洋流、风和海浪的作用下,系统001会比塑胶漂得更快,然后把塑胶垃圾集中到U字形的围栏中间,就可以轻易的搜集垃圾。

理想情况是:风、海浪和洋流全都是向同一个方向前进。

系统001作为垃圾收集系统的前提是:通过风,波浪和洋流的共同作用,U形围栏会比漂浮的塑胶垃圾更快地掠过水面,因而能够收集、集中垃圾,最后清除。TOC的想法是:虽然围栏和塑胶垃圾都会随着洋流而漂移,因为围栏像帆一样从水中凸出,所以它能借由风力,移动得比表面水层更快。

1、波浪比你想得复杂

海浪移动的期间,水粒子以小圈圈(通常称为波浪轨迹)的方式移动,可看下面动画了解圆形轨迹的移动。简单来说,海浪前进时同时受到前进的动力与轨道力的作用。另外,波浪在传播时,它的方向也会有一些漂移,为了纪念1847年用数学方法来描述这个漂移的斯托克斯先生(Gabriel Stokes),我们就把这称为“斯托克斯漂移(Stokes Drift)”。斯托克斯指出,漂移量是非线性的,取决于波幅与波长。举例来说,对波长10米、周期10秒(类似于典型的海浪)的0.5米振幅波,表面的漂移速度约为10厘米/秒。

觉得头很痛痛的同学别紧张,以上只是要说明,任何在水里、被水粒子包覆的东西要移动,都需考虑到力、推进波、波浪动能的不同组成(让我们缅怀亲爱的牛顿与逝去的物理课……)。而比起巨大的、长达600米的漂浮围栏,一块小小的、漂浮的塑胶垃圾,会更容易受到斯托克斯漂移的影响。而单单这点就足以打脸这套被动收集系统了。

2、你不知道风往什么方向吹:风也很复杂

1905年,瑞典海洋学家艾克曼(Vagn Walfrid Ekman)发现,当风吹过海水表面,因空气和水之间摩擦力产生的水流,并不会跟着风往同一个方向移动。原因是由于地球自转,地表物体的运动会受到与运动方向切线的加速度,让原本直线的运动沿着弯曲的路径走,也就是科氏力(Coriolis force)。

总之,在理想的大海(如果世界上真的存在这样的地方)上,表面吹着稳定的风,表面的水流实际上跟风向是呈45度角。至于是往左还是往右45度,则取决于你在北半球还是南半球。更酷的是,表层的水流也会对其下方的水层产生摩擦力,以致下方的水层也会有个角度的移动,层层往下以此类推。风所造成的流动,会随着深度而作用力渐小,因此产生了一个梯度向下的螺旋,称为艾克曼螺旋(Ekman spiral)。

螺旋穿透的实际深度取决于一个叫做Az的神秘海洋参数,它描述了水层之间垂直混合的动能,有点像是它们之间的摩擦力。不过,很明显的是,靠近表层漂浮的塑胶碎片跟3米深的浮动围栏,它们承受的风力和水流是不一样的,因此,它们也不会朝着同一方向移动的。嗯……这个结论,会让系统001很难收集塑胶垃圾。

3、环流真的很复杂

什么是环流?如果把时间轴拉长、洋流是平均的状态下,的确我们可以看到一个庞大的、旋转的巨大海流。不过,在任何一个瞬间,实际的大海受到不同空间和时间尺度、乱七八糟流(简称为“乱流(或扰流)”)的作用,没那么容易掌握啊。简单说,风、波浪和流场在空间和时间上都是高度变动的,而且从不会在同一个时间乖乖的停在同一个地方。同一时间、地点的洋流和波浪,也不尽然是该地点的风所造成的。大海里经由各种不同过程产生的漩涡,会在力量消散前传播到海洋盆地的各个角落。

在这样的情况下,系统001想要在茫茫大海中找到太平洋大垃圾带,即便有垃圾带大致分布的位置,但系统001如何能及时回应瞬息万变的各种风、波浪和海流?

其他人怎样看待海洋吸尘器?

2004年,首篇提出“微塑胶(microplastic)”一词,持续投入微塑胶研究十余年。

发起全球净滩行动(International Coastal Clean-up)的非营利组织海洋保护协会(Ocean Conservancy)也不看好这个行动。首席科学家乔治·里欧纳(George Leonard)表示:

我们海洋保护协会对这个计划抱持高度怀疑,但我们希望它能成功。不过,如果你不阻止塑胶流向海洋,一切都是徒劳无功。

澳洲工研院的学者Denise Hardesty强调,海洋吸尘器绝不是万灵丹。她认为,我们可以更有智慧的投入资源,聚焦于源头,趁垃圾到达海岸前就拦截、清除。她说,就像浴室淹大水,你会很庆幸有拖把和抹布,反正最后我们还是要把它擦干净;但是,如果水还继续再漏,我们要先想办法把水龙头关起来。

什么方法才有效呢?继续捡垃圾,还是从源头就扼止垃圾产生?

澳洲政府每年花超过100万澳币在清理垃圾,研究团队评估到钱该怎么花,才能最有效的减少垃圾。他们发现,投资在废弃物管理(包含回收、防止乱丢垃圾的政策和教育),比预算单纯用在清扫上,更能够有效减少海岸上的垃圾。