南 極 及 上 方 大 氣





[IMAGE]一、前言

[IMAGE]二、南極大陸

[IMAGE]三、南極大陸的形成

[IMAGE]四、南極的氣候

[IMAGE]五、南極的生物

[IMAGE]六、南極的礦藏

[IMAGE]七、大氣環境

[IMAGE]八、南極上空的臭氧洞

[IMAGE]九、CFCs和臭氧的破壞

[IMAGE]十、PSCs與南極臭氧洞

[IMAGE]十一、極地渦旋和PSCs的回饋機制

[IMAGE]十二、臭氧減少使UV-B大減

[IMAGE]十三、保護臭氧層為全球共識

[IMAGE]十四、南極條約

[IMAGE]十五、結語




回地科教室



ㄧ、前言

  希臘的哲學家認為,既然地球是球形的,那麼南半球應有類似北半球的氣候帶,在與北半球陸地相對稱的位置上,也應有大陸存在才對。因此,新大陸發現不久後,西元一五OO年代所繪製的地圖上,就有所謂「未來的南方大陸」。自十五世紀以來,南極大陸也一直是冒險家的目標,也因此而留下許多可歌可泣的故事。但在英國探險家科克前後三次的太平洋航海中,確定了一項事實,那就是即使存在所謂的南極大陸,也應該是在南緯六十度以南的地域。

  白色大陸南極是地球上氣溫最低的地方;在這裡,熱能無法聚集,太陽的輻射能量有百分之八十被冰和雪反射掉,內陸地區的平均溫度即使在最溫暖的季節也只有攝氏零下二十度至三十度。

  距今一億八千萬年前,南極大陸和澳洲及南美大陸是連成一塊的,稱為岡瓦納大陸,是從盤古超大陸分裂出來的。從發現的化石可以得知,當時的南極大陸氣候相當溫暖,如今卻成為地球上最寒冷的地方,對於地球的氣候有相當大的影響。

  這塊酷寒的大陸現在由於某些原因而倍受矚目,那就是其上空平流層的臭氧大量減少,形成所謂的臭氧洞,原本以為只是局部的現象,但現在卻以被視為和全球性臭氧層的破壞有關,或許,地球盡頭的南極大陸,對地球的危機是最敏感的。

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二、南極大陸--世界上氣溫最低的地區

1.南極洲:

  位於南極點四周,上面覆蓋著冰雪的大陸,為世界第五大陸。四周圍繞著多風暴且易結冰的南極海。南極洲幾呈圓形,這塊大陸幾乎完全位於南極圈內,面積約有1320萬 9千平方公里,約佔地球陸地總面積的十分之一。南極洲平均高度為1830公尺,幾乎為其他大陸平均高度的兩倍。加上陸地上所覆蓋的冰雪,厚度高達2440公尺,使得南極洲的總平均高度抬高為4270公尺。海岸線長 30010公里的南極洲海域,佈滿冰山、冰河的冰塊和大浮冰。

2.劃分南極大陸:

 (1)由經度分︰於南極極點上可發現南極極點的經度零度與經過太平洋中央的經度一百八十度斜交,將南極大陸劃分為二,東經部分稱東南極大陸,面臨印度洋及太平洋;西經部分稱為西南極大陸,面臨大西洋及太平洋。

 (2)以地形及地質分:

  以西經三十度東經一百五十度劃分,因此二線在南極極點連成一線。沿著此線有一橫斷南極大陸的山脈,稱南極橫斷山脈,長達三千公里。

 (3)南極大陸的面積:

  總面積為一千四百萬平方公里,但其中百分之九十五被冰雪所覆蓋,而且這些冰雪的平均厚度為二公里左右,總體積有二千萬立方公里,占全世界積冰面積之百分之九十。若這些冰雪全部融化,則全球的海平面將升高六十公尺。

 (4)東南極大陸與西南極大陸之不同:

  若將將東南極大陸上的積雪全部掃除,大部分地區仍位於海面上,但西南極大陸的大部分地區卻位於海面下。

 (5)南極大陸未被冰雪覆蓋的百分之五:

  包括較高山脈極大陸外緣的冰河因後退而露出地表的部分,後者稱為乾山谷或綠洲。而乾山谷中有因冰雪侵蝕而造成的各種地形,以及屬於冰河邊緣地形的冰緣地區。

 (6)包括南極大陸的海洋部分:

  包括高出海平面上數十公尺的永久性冰柵(iceshelf )在羅斯海及威迪爾海有些冰柵往往高達二百至三百公尺高。到了冬天冰雪包覆南極大陸,並逐漸的擴展至南緯六十度的遠處,成為「第二海岸線」。

 (7)衛星觀測到南極各地冰床的流出和分離:

  南極的冰約佔地球上所有冰的百分之九十。覆蓋著南極大陸的冰,厚而且面積遼闊,通常稱之為冰床(ice sheet),冰床的融化會為南極帶來階段性改變。首先,冰床一部份融化成冰流(ice stream),或冰河而流出,不久之後形成棚冰(shelf ice)。棚冰的尖端部分分離,即成為漂浮於海上的冰山。

  1991年 3月,英國南極調查站的杜克博士與其研究人員提出報告,指出位於南美大陸南方的南極半島西海岸上的瓦迪棚冰目前正急速崩潰之中。據他們表示,除了瓦迪棚冰之外,其他還有一些棚冰也出現了相同崩潰和後退的徵兆。另一方面,從1980年代中期起,世界各地陸續提出二十多件案例報告,指出由南極分離的巨大冰山飄流至大西洋和印度洋中的現象。

  1991年10月,從菲爾希納棚冰分離的巨大冰山,更到達了福克蘭群島附近。

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三、南極大陸的形成

 1.南極橫斷山脈約在五億年前的古生代寒武奧陶紀所發生的造山運動中形成,將南極大陸一分為二:

  a.東南極大陸是塊地盾,在羅斯造山運動以前形成,其上的岩石往往具有三十億年的年齡。

  b.西南極大陸是寒武紀以後的地質活動所形成,且可由羅斯島的艾爾伯斯山,維多利亞地的墨爾缽山,及南極半島頂端速幻島的活火山及馬利巴勒地的死火山,都可證明仍有地質活動的存在。

 2.根據韋伯納(Alfred Lothar Wegener)提出之大陸漂移說,認為在二億年前,地球上所有的大陸是連成一塊的,稱之為「聯合陸」,後來分成二部份;北叫「勞亞古陸」南稱「岡瓦納古陸」(Gondnaland)。勞亞古陸形成北美大陸、格陵蘭、與歐亞大陸。岡瓦納大陸則分裂成為南美洲、非洲、澳大利亞、印度次大陸及南極大陸。

 3.冰磧岩是冰河搬運來的礫石,大多堆積在冰河溶解的地點,因此,這些岩石的存在可以證明三億年前的南極大陸仍被掩蓋在冰河之下,但是到了中生代時期,覆蓋在南極大陸上的冰雪溶解,廣大的陸地開始裸露出來,半齒類植物逐漸地生長繁殖,脊椎動物也棲居起來。

 4.侏羅紀時南極大陸的地質活動趨於活躍,而這種地質活動,就是使岡瓦納大陸分裂與移動的主要原因。

 5.再根據南極大陸附近之海底沈積物的調查,發現南極大陸大約在四千萬年前,有一部份地區沒有冰河,而是翁鬱的溫暖氣候,直到三千七百萬年前才開始急速轉變成嚴寒氣候。

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四、南極的氣候

  1.世界上氣溫最低的地方:

  南極大陸的日照強度頗大,但是因太陽輻射能量中約有百分之八十被雪白的冰雪反射掉,又加上大陸標高較高所以即使在最暖月,海岸地帶平均氣溫仍為攝氏 0℃左右,內陸地帶更低到攝氏零下二十至三十度;在最冷月,海岸地帶平均氣溫降為攝氏零下二十至三十度,內陸地帶降為攝氏零下四十到七十左右。

  2.南極的特殊氣象--西風帶(南緯四十度到六十度)所謂的西風帶,就是在副熱帶高壓帶與副極地低壓帶之間,大氣主要向東運動的地帶。其西風的威力一般在四到六級,七級以上的大風出現頻率30%。有時,驟然形成的風暴時速可達三十節,相當於颱風級的氣旋。

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五、南極的生物

  南極半島發現有四種顯花動物(禾本科 1種,石竹科 1種)外,其他地方沒有高等植物,只有地衣、苔蘚和藻類等低等植物。南極大陸也沒有高等動物,大約有44種昆蟲主要分布於南極半島。南極洲沿海數量較多的鳥類和海豹都是海洋生物。在南極輻合帶以南繁殖後代的鳥類,有企鵝、海鷗、海燕和信天翁等41種。磷蝦是南大洋中各種鳥、獸,尤其是鯨賴以生存的基礎,是海洋生物鏈重要的環節,富含蛋白質,是人類潛在的食品來源。

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六、南極的礦藏

  初步探知的主要礦區大體是:Ⅰ、東南極洲地質區。以鐵為主。查爾斯王子山脈的條帶狀鐵英岩,厚達100米,延伸120公里,為世界最大的鐵礦床。Ⅱ、羅斯褶皺帶。煤是最重要的礦產。Ⅲ、埃爾斯沃思褶皺帶。礦產以鉻、鎳、鈷為主。Ⅳ、安第斯褶皺帶。是以銅為主的多金屬礦帶。Ⅴ、大陸架,特別是羅斯海、威德爾海和別林斯高晉海等陸架區,可能存在大的石油和天然氣區。

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七、大氣環境

  大氣中氮和氧的成分大約佔99%以上,其餘有少量的Ar、二氧化碳、水汽和臭氧O3。這些總和不足百分之一的氣體,卻對整個地球變化影響很大。

  包圍地球的大氣,其特性會隨高度不同而有許變化,科學家便依照氣溫梯度來劃分大氣的垂直結構。最接近地表的是「對流層」,其次為「平流層」、「中氣層」「熱氣層」。熱氣層是大氣的最外圈,大氣越向外越稀薄,並沒有一條明顯的界線。由於大氣是受地球重力吸引而環繞在地球四周,因此距離地表越近,空氣密度越高,大約90%的空氣都聚集在離地表30公里的範圍內;到了離地一百公里處,大氣密度已不及海平面的百萬分之一,故若與地球半徑約6370公里相比,大氣的確只有薄薄一層而已。

  的位置大約在離地10--50公里處,但大氣中的臭氧絕大部分的臭氧都集中在離地面大約20--30公里的上平流層中稱為「臭氧層」。名雖為一層,但實際上臭氧分布各地並不均勻,而且大氣中臭氧的含量非常的少,尚不到1ppm。這極薄的一層臭氧,對地球上的生命非常重要,因為臭氧能吸收陽光中的紫外線將這些波長很短,而且有致命危險的輻射,轉換成熱能,只有極少量能到達地表。紫外線會破壞包括 DNA在內的生物分子,增加罹患皮膚癌及白內障的機率,而且和許多免疫系統疾病有關。此外,紫外線對於農作物,甚至海洋生態系都會造成負面引響。然而這層重要的臭氧已經受到嚴重破壞,而且情形一年比一年惡化。

  光化學反應 O3 -<FONTSIZE=3-->O2 +O+能量 OR 2O3 -->3O2 +能量

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八、南極上空的臭氧洞

  西元1985年,英國南極觀測站的科學加法曼(JosephG. Farman)等人發現,從1977∼1984年,南極郝利灣(Halley Bay)上空,春季時的大氣臭氧含量大約減少了4%以上,其他研究團體也迅速證實了這項發現,並指出臭氧量急遽減少的這塊區域,其面積甚至大於南極大陸,高度則是介於12∼24公里之間的平流層,這就是所謂的「臭氧洞」(ozone hole)。

  臭氧洞其實並不是真正有個「洞」,而只是表示臭氧含量非常稀少的地區。1895年以前,南極臭氧洞的大小和深度,約以二年為消長時間,但從1989--1991年卻連續三年觀測到大規模的臭氧洞,根據日本氣象廳發佈的資料顯示,從1982--1991的十年間,南極臭氧洞的面積擴大了10倍,深度增加了32倍,被破壞的臭氧則估計為過去的4 .3倍,而且自1990年之後南極上空臭氧洞的形成時間也開始提早。

  1992年南極臭氧洞最大時的範圍曾一度超過2300萬平方公里,約為南極大陸面積的 1.5倍,根據NASA和「世界氣象組織」( WMO)的調查,已經確定1993年南極臭氧層的破洞不但遍及南極大陸,而且將擴及南美洲部分地區。

  1895年10月臭氧量到了1979年的三分之二,而1987年則降為二分之一臭氧地區性的消失率,到達每天約為全球臭氧移動率的1%,而到十月中時更高達32%。

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九、CFCs和臭氧的破壞

  人類一直到1970年代初期才開始警覺有許多人為因素會破壞大氣中的臭氧,直到1974年六月兩位加州大學的化學家刊登於“ Nature“雜誌的一篇文章,才真正使臭氧問題國際化。

  大部分平流層中臭氧的減少,或是臭氧洞的形成主要原因是CFCs(氟氯碳化物)釋放至大氣,所導致的化學變化。對流層的最上部是「對流層頂」(Tropopause),對流層頂的高度各地並不相同,會因季節和緯度而異,以在赤道附近最高,約達18公里;在高緯度的兩極,則只有 8公里,而夏季比冬季時略高。副熱帶地區會產生不連續的現象,形成「對流層頂缺口」。在這個缺口處,上下層空氣混合非常強烈,CFCs等物質便因而進入平流層。CFCs在工業上應用廣泛,而且非常安定,生命期長達40-150年,因此會在大氣中不斷累積,最後將上升至平流層,在平流層因受到紫外線照射而分解產生氯原子,活潑的氯原子會與臭氧反應,使臭氧分解消失,平流層所能接納的氯相當有限,即使大幅降低CFCs的使用量大氣也需要一段相當長的時間,才能減緩臭氧的分解。

  在CFCs未受管制之前,全世界每年都要排放大約一百萬噸以上的CFCs,而這些管制前就被排放到大氣中,總重量約在2000萬噸的CFCs,目前大部分仍留在對流層中。

  CFCs所以會對臭氧層造成如此嚴重的破壞,主要關鍵就在其中所含的Cl,科學家估計由CFCs所釋出的一個氯原子,只要數個月的時間就能使大約10萬個臭氧分子消失。

  由於世界主要工業國家多位於北半球,因此北半球大氣中CFCs的平均濃度較南半球高,然而,為什麼至今最大的臭氧洞是出現在南極而不是在其他地方?顯然南極特殊的地理環境和氣候狀況,與臭氧洞的形成有密切的關係。

  六月六月極地冬季來臨,極地渦旋與PSCs開始形成。

  七至八月極地冬季氣溫降至最低點,PSCs進行脫氮作用,ClONO2(g)+HCl(s)→Cl2(g)+HONO2(s)。

  九月極地春季開始,陽光重新降臨,臭氧開始被大量分解。 

  十月極地上空臭氧濃度達到最低ClO+ClO→(ClO)2→2Cl+O2Cl+O3→ClO+O2

  十一月極地渦旋消解來自中緯度地區飽含臭氧的空氣進入極地上空。

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十、PSCs與南極臭氧洞

  所謂PSCs( Polor Stortospheric Clouds,極地平流層雲)中所含的冰粒,不僅會使氯儲存物質釋放出氯,更會進一步妨礙氯儲存物質的生成,而加速臭氧的破壞。

  在極地的六月永夜的冬季來臨,由於缺乏太陽照射,氣溫通常會降至-80℃左右,當氣溫降至195K(-78℃)時,平流層中的「三水硝酸」,(HNO3 .3H2O)便會包圍往直徑0.1微米的硫酸微粒,而凝結成直徑約1微米的較大顆粒,形成PSCs。

  如果氣溫持續下降至190K(-83℃)以下,水汽就會附著在這些三水硝酸顆粒的表面,凝結成冰粒,三水硝酸PSCs在凝結的過程中會吸收HCl至其晶界面(grain boundary)中,再與ClONO2反應,以生成硝酸,但同時也放出氯氣:

   ClONO2(g)+HCl(s)→Cl2(g)+HNO3(s)

  氯氣極不安定,一但到了九月,極地春季陽光降臨,氯氣就能在短短數小時內,被紫外線分解成兩氯離子:

  Cl2+hv→Cl+Cl

  氯離子進行臭氧反應:

   Cl+O3→ClO+O2------------------------(1)

  因為PSCs除了會放出氯氣外,同樣會消耗掉能反應生成氯儲存物質的氯化物,因此,ClO 在缺乏反應物的情況下,會自行結合成ClOOCl,ClOOCl很快就會被紫外線分解,釋放出氯原子,再度開始分解臭氧的反應:

   ClO+ClO→ClOOCl----------------------(2)

   ClOOCl+hv→Cl+ClOO------------------(3)

   ClOO→Cl+O2 -------------------------(4)

   Cl+O3→ClO+O2-----------------------(5)

  上述五項反應的淨反應為

   O3+O3→3O2

  由此可見,氯在分解臭氧的反應中為催化劑,促進不安定的臭氧反應生成安定的氧,而氯在反應中則以不同面貌循環出現,因此少量的氯在重新分配的過程中,就能造成大量臭氧分解。

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十一、極地渦旋和PSCs的回饋機制

  除PSCs外,南極另一種與臭氧洞之形成有關的氣候特徵,是所謂的「極地渦旋」(polar vortex)。

  極地渦旋形成的時間,大約是在每年的五、六月間,也就是在南極冬季開始時,經由強烈的冷氣團環流所形成的渦旋,這種現象會一直持續到大約11月,溫度回升時,極地渦旋才會消解。

  由於形成極地渦旋的冷氣團風速強勁,因此渦旋內部的空氣會與周圍的大氣完全隔離,而從低緯度地區所吹來溫暖而富含臭氧的空氣,便無法進入渦旋,使得內部溫度無法回升,而有助生成PSCs,造成臭氧分解,同時,能吸收紫外線輻射,使大氣溫暖的臭氧被分解,氣溫下降,又促進了PSCs的生成,也使低溫的極地渦旋更穩定。

  這種渦旋和PSCs互相回饋的機制,使南極臭氧含量在每年大約十月達到最低點,之後隨著溫度回升渦旋瓦解,PSCs也隨之消融,南極臭氧量方才逐漸回升。

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十二、臭氧減少使UV-B大增

  平流層臭氧會吸收紫外線( ultraviolet,UV),隨著臭氧減少,紫外線的照射強度自然會增強。紫外線中,以近紫外線(波長200∼300nm)中的UV-B(波長280∼315nm)對生物危害最大。臭氧若減少1%,UV-B大約就會增加2%,而在出現臭氧洞的南極地區,臭氧大量減少的結果,已使紫外線量加倍增加。

  紫外線對人類造成的危害,以皮膚癌中的惡性黑色瘤最具危險性;目前全球因罹患黑色瘤死亡的人數,每年約增加3∼8%,如果平流層臭氧量繼續減少,此數值將大幅提高。此外,紫外線照射會引起白內障,破壞免役系統,及減弱人體對病毒和病原的抵抗力,更容易罹患皰疹等傳染病。

  估計總臭氧量減少1%,紫外線增加2%;

   A:水中生態系:浮游植物無法抵抗紫外線,所以紫外線增加,浮游植物就會減少,水中食物鏈的平衡也會因此瓦解,影響魚貝類的消長何魚獲量。

   B:眼睛:白內障患者增加,總就氧量如果減少10%,估計全世界每年會增加160∼175萬白內障患者。

   C:皮膚:惡性黑色瘤等皮膚癌患者增加,總臭氧量若減10%,白種人罹患一般皮膚癌的比例,估計會增加26%,也就是一年大約增加30萬名患者。

   D:材料:建築等材料加速劣化,損壞範圍亦相應擴大。

   E:植物:抑制植物生長,豆等穀類的收穫量質均下降。

   F:免疫力:會使人體免疫力降低,單純泡疹、瘧疾等疾病的罹患率增加,症狀也會惡化。

   G:大氣:下層大氣的化學反應趨於活潑,都市和近郊的大氣污染可能因此更加惡化。

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十三、保護臭氧層為全球共識

  由於國際社會體認到CFCS等「臭氧層破壞物質」(ODSs 即ozone-depleting substances),以及臭氧層對地球生態環境的重要性,於1987年九月,共有27個國家簽署具象徵及實質意義的「蒙特婁議定書」(the Mon- treal Protocol)其中強制規定締約國,到了西元1999年時,CFCs的使用量必須降至1986年使用量的50%。之後,「蒙特婁協定書」的管制措施便不斷修訂,將管制範圍擴大,削減時程縮短,同時締約國的數目也不斷增加;1992年11月23∼25日,於哥本哈根舉行的蒙特婁議定書第四次締約國會議,就有超過一百個國家參加,並且將全面禁用CFCs的時間提前至1996年1月1日。

  雖然國際間已有在1996年前完全停止生產、使用臭氧層破壞物質的共識,但是這些長壽的物質,大部分仍停留在下層大氣中,而亦將緩緩上升至平流層被紫外線分解,所以臭氧層要恢復原狀,估計仍須100年以上的時間。

  隨著CFCs削減時程的提前,使得CFCs替代品的研發工作日益蓬勃,在評估替代品的適用性時,主要的考慮因素之一便是「臭氧層破壞能力指數」(Ozone Depleting Potenrial, ODP)。ODP值越高,臭氧破壞力就越大。而與開發替代物質和替代技術同等重要,甚至更為重要的,不可再像過去一樣,任隨這些人工物質氣至於環境中,也就是建立使用後皆應完全回收的觀念。

  臭氧層遭CFCs等物質破壞的問題,從最初單純的科學研究,逐漸演變成攸關各國政治與經濟民生的國際事務,同時,也成為人類日後面對其他環保問題時,最具參考價值的案例。

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十四、南極條約

  1959年12月 1日,12個國家在美國簽訂『南極條約』(1961年生效)。條約主要內容如下:1.禁止在南極洲從事任何軍事目的之活動;2.允許在南極洲從事自由的科學調查或研究;3.凍結目前領土所有權的主張;4.促進國際在科學方面的合作;5.成立調查組織,監督在南極洲所從事的任何活動,禁止在南極洲試爆核子及處理原子廢料。兩年內,各國都承認此條約,條約有效期為三十年。

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十五、結語

  在資訊領導的時下世界動態的同時,我們由媒體得知地球的臭氧洞已遭受到如此嚴重的破壞,也才致力於防止臭氧層的擴大,期望能將它修補完整,但根據研究,臭氧洞至少得在100年後才有可能恢復原狀。

  人類致力於改善生活環境,提高生活品質的想法驅策下,便大力發展工業、資訊科技,而所生產出來的成品也莫不符合人類需求,刺激人類進步。但我們在獲得正面的利益時,卻也製造了不少的負面影響:亞馬遜河的雨林以驚人的速率消失、溫室效應造成地球溫度升高、朔膠產品的氾濫........,全都是人類在符合自己慾望下的產物,也是全球生物的共享物,我們分享其他生物的是一大堆廢物,足以危害他們的生存。

  或許我們在思考研究生產的物品是有利益於人類、社會的,但往往卻無法看到立即性的危機,像臭氧洞的破壞,我們不也在當初使用CFC的幾十年後方可知它的巨大破壞力。當然,人類又不是具有預知能力的生物,但當我們使用冰箱,享受它的好處及方便時,誰知道冷媒卻正悄悄的侵蝕臭氧層。

  幸運的是從單純的科學研究中發現了臭氧層破洞,也經由宣傳而逐漸演變成攸關各國政治及經濟民生的國際事務,因為全世界同蒙其害,各國自當同心協力找出解決方法。但同時也為人類日後面對環保或其他問題時,最具參考價值的案例。

  若將地球的年齡比喻成一年的話,人類不過在12月31日9:00pm以後出現,若生活了三個小時後,即現在,人類便將以往近一年時間的環境、生物給毀掉,足見人類多聰明,有多危險。若以這個比例,我們如果想多活幾個月的話,便須作到全球有共同一致的的想法及作法,這也將是我們以後所定的目標、要到達的目的地。

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