關鍵區觀測站（Critical Zone Observatory）：美國國家科際整合的環境研究計畫

關鍵區觀測站（Critical Zone Observatory）：美國國家科際整合的環境研究計畫
國立高雄海洋科技大學水產養殖系張朴性教授/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 為什麼我們對地表關鍵區缺乏瞭解？

2. 為什麼需要整合不同學科的專業來進行這個計畫？

關鍵區觀測站（Critical Zone Observatory，簡稱CZO）是美國國家科學基金會（National Science Foundation）支持的一個全國性，整合不同科系的研究計畫。所謂的關鍵區指得是靠近地球表面，有滲透性的，介於天空和岩石的地帶，包括樹的頂端往下到地下水深層。這個有生命，會呼吸，不斷演化變動的區帶，也是岩石，土壤，空氣，水和有機物互動的空間（圖1）。這些複雜的互動調節了自然棲息環境，也影響了我們賴以為生的自然資源，包括食物生產和飲水品質。

圖1：關鍵區（Critical Zone）指靠近地表，有滲透性的，介於天空和岩石的地帶區帶，包括樹的頂端往下到地下水深層。 （圖片來源：http://criticalzone.org/Research.html）

為什麼要研究關鍵區？
關鍵區對於地表上的生命非常重要，但是我們對於以下三個重要問題瞭解仍然十分有限：

• 關鍵區如何形成？
• 關鍵區如何運作？
• 關鍵區未來會如何變動？

更確切地說，我們不瞭解到底物理性，化學性和生物性過程是如何互相影響，也不知道而這些過程發生的時間和空間的尺度。許多過程是非線性的複雜現象，以空間尺度而言，可能小到原子尺寸，也可能大到全球範圍；以時間尺度而言，快則以秒計，慢則跨越地質世代。圖2 以三個層面來說明關鍵區中可能牽涉到的複雜互動過程。如果我們要瞭解關鍵區裡面的風化過程（weathering）（棕色）中牽涉到物理性，化學性和生物性的變動，那麼要檢視的是來自外界的強迫（forcing） （上層藍色），包括氣候性（climatic），人為性（anthropogenic）和地質性（tectonic）的強迫。而風化的強度和範圍則紀錄在大氣裡的氣體濃度反應，水文反應的氣溶膠(aerosols)，和土壤裡面的化學反應。

圖2：關鍵區中複雜的風化（weathering）過程，外來的驅動力是氣候性（climatic），人為性（anthropogenic）和地質性（tectonic），而風化過程也紀錄在大氣，水文和土壤的回應中。 （圖片來源：作者改編自http://www.czen.org/files/czen/CZEN_Booklet.pdf）

中心問題
最重要的問題是：關鍵區會如何演化來對氣候變遷和土地使用做出反應？這個問題又可以細分為4個層面：

1. 大氣部分：控制碳，懸浮粒子和反應氣體的流動是哪些過程？

2. 水部分：生物/化學/地質過程如何掌控水和土壤的可持續性？

3. 土地部分：物理性和化學性的變異和干擾如何衝擊關鍵區？

4. 生態系統部分：風化過程如何滋養生態系統？

圖3：關鍵區的重要研究問題有4個層面：大氣，水，生態系統和土地 （圖片來源：作者改編自：http://www.czen.org/files/czen/CZEN_Booklet.pdf）

三項主要目標：
1）發展出整體性的理論架構來瞭解關鍵區的演變
CZO希望找出整體的概念架構來整合水文學，地貌學，地質化學和生物學彼此互動的新知識。也希望整合不同時空尺度的正面和負面的回饋效應。

2）發展出互連的系統模型（coupled systems models）來瞭解關鍵區如何對氣候性，人為性和地質性的強迫做出反應
CZO希望建立量化模型來整合多元性過程。模型中會追蹤能量，氣體，水，沈澱物的貯存和流動。

3）發展出整合的數據/測量框架
這個框架要能夠紀錄地質上和氣候上一個範圍內的變動，而且能夠檢證模型推導出的預測是否成立。
目前6個CZO主要觀測站分佈在不同氣候和地理區域（圖4）。這些不同的觀測中心希望發展出共同的基礎設施（Infrastructure)，以便進行數據/測量上的整合。

圖4：分佈在不同氣候和地理區域的6個CZO 觀測站 (圖片來源：http://criticalzone.org/sites.html)

參考資料：
1. National Critical Zone Observatory Program (CZO) (http://criticalzone.org/index.html)
2. NSF 2005: “Frontiers in Exploration of the Critical Zone–An NSF-Sponsored Workshop” (http://www.czen.org/files/czen/CZEN_Booklet.pdf)
3. 英文維基百科：Critical Zone Observatory