化石燃料燃燒和其他人類相關活動會向大氣環境排放大量二氧化碳(CO2)1，而這其中，約有25%會被吸收到海洋中。海水吸收二氧化碳會導致海洋pH值降低，這個過程稱為海洋酸化，並且會對海洋和人類帶來潛在的毀滅性影響。
海洋酸化不僅對海洋生態系統造成嚴重破壞，更直接影響數百萬漁民的生計，並威脅到為超過33億人提供蛋白質的眾多物種2。因此，我們需要進行廣泛的pH監測，才能更深入地瞭解酸化如何影響貝類和其他海洋種群的生存能力。
全球人口消耗的海鮮動物蛋白百分比約為20%2。
ADI於2021年與伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)合作建立海洋與氣候創新加速器(OCIA)，目的在迅速推動和啟用基於海洋的全新氣候變化解決方案。OCIA聯盟率先將工業界、學術界和慈善機構整合在一起，致力於因應氣候變化的挑戰、保護海洋生物和維護海洋安全。為支持WHOI，ADI並且開發了許多相應的專案，其中包括部署在漁船上的低成本pH感測器。
伍茲霍爾海洋研究所
美國麻塞諸塞州伍茲霍爾的伍茲霍爾海洋研究所
WHOI的科學家和工程師們致力於全面瞭解海洋狀況，深入探究海洋與地球大氣、陸地以及海岸之間的複雜聯繫，為人類地球環境管理提供指導意見。WHOI希望開發價格低廉、可擴展性強的技術，以更有效地掌握海洋和氣候影響，為政策制定提供詳細資訊。其工作重點之一，在於測量和監測海洋酸化狀況，並解決對漁業、漁民和全球糧食缺乏保障的影響。
概覽
機構
WHOI是全球大型獨立海洋研究機構，擁有300多名科學家和工程師、100多名學員、兩艘大型船舶和數百艘潛水器。
應用
其中，開箱即用的光學感測器內含ADI的ADPD4101晶片（用於處理LED訊號）並採用CN0503省時參考設計，可在水深達300公尺的範圍內進行快速、連續和高品質的原位pH測量。
挑戰
相關挑戰，在於能打造準確性高、成本低、可擴展的自動化原位儀器，以用於測量海洋pH值，並且足以部署在數千個漁具上，讓漁民只需經過初步培訓即可像專業人員一樣操作。
目標
相關專案的目的，是要在深度達300公尺的漁具上部署低成本pH感測器，原位準確測量沿海水域的pH值，並繪製可持續更新的沿海海岸區域天氣圖。從感測器獲得的數據可用於制定相關緩解政策，以協助因應海洋酸化。
監測海洋酸化和海洋生物數量減少的情況
自工業革命開始以來，人類過度排放二氧化碳，致使海水發生了一系列變化，使海洋表面平均pH值降低了0.1個單位（即水體酸度增加了約30%）3。此外，大氣中二氧化碳的增加也使得氣溫上升，進而導致海洋變暖。
海洋所吸收的二氧化碳約佔人為二氧化碳排放總量的25%4。
酸化和暖化對海洋生態系統的影響
1- 二氧化碳排放；2- 直接影響；3- 間接影響
海洋酸化對珊瑚、牡蠣、蝦和扇貝等有外骨骼和貝殼的動物造成嚴重損害。海水酸度增加會導致這些生物難以生長發育和維持其結構，進而引發生長速度減慢和死亡率增加等問題。海洋酸化破壞了整個海洋生態網路，導致自然生態系統失衡，進而使整個食物鏈產生連鎖反應，魚類和其他依賴這些生物體獲取食物和棲息地的物種也難避其害5。
澳大利亞大堡礁的活珊瑚在短短三十年裡就減少了一半，珊瑚礁的海洋生物棲息地也正急劇縮小。1,429英里珊瑚礁裡93%以上都出現了珊瑚白化現象6。
數十億人依賴海洋生物維持生計
地球海洋pH值下降對全球糧食安全影響深遠。世界上近三分之一的人（23.7億人）缺乏足夠的食物和營養，而7.2億至8.11億人遭受饑餓7。全球人口仍在持續攀升，每年成長約1.1%（即8,300萬人），我們迫切需要穩定供應健康的貝類和其他海鮮產品，以滿足全球人口的食物需求8。
根據聯合國報告《世界漁業和水產養殖狀況》，海鮮和漁業產品是全球公認的健康食品之一。其中的物種主要是一些對自然環境影響較小的物種9。海鮮類別多樣、營養價值高，增加海鮮消耗量可以直接避免營養不良問題，並導正不平衡的高熱量和低微量元素飲食習慣2。
海洋酸化愈演愈烈，對眾多漁業產生了巨大影響，也為漁民和依賴海鮮作為蛋白質來源的人們帶來了嚴峻挑戰。捕撈量減少導致漁民收入減少，對全球漁業社群的經濟生存能力產生負面影響，更對部落漁業社群中弱勢土著居民帶來嚴峻打擊。
緬因灣(Gulf of Maine )、切薩皮克灣(Chesapeake Bay)、墨西哥灣(Gulf of Mexico)和巴塔哥尼亞(Patagonia)的漁民也未能倖免於難。由於許多魚類滅絕以及其他魚類從珊瑚礁和沿海地區遷移到危害較小的水域，當地捕撈量已減少10。
保護海洋，福澤萬代
海洋與氣候創新加速器(OCIA)專案經理Kathryn Hautanen表示：「我們正在與WHOI的十多個團隊攜手合作以因應設計挑戰，並提供研究資金、新款先進硬體以及ADI的技術專業知識。該聯盟正在協助WHOI及其科學家和工程師加快工作進度，開發創新型解決方案，以更深刻地認識氣候變化對海洋的影響。」
運用技術：帶來精準、廣泛、低成本的測量方案
其中一個OCIA專案向海洋化學家Z. Aleck Wang博士和Jennie Rheuban以及物理海洋學家Glen Gawarkiewicz提供了10萬美元的孵化資助，目的在開發低成本原位感測器系統的原型，以用於高頻、可客製化測量海水pH。感測器需部署在漁船或其他機會平台上，進而在沿海的水柱中進行高解析度測量。MIT-WHOI聯合專案的研究生Jonathan Pfeifer表示：「我們計畫將這些儀器交給漁民，讓他們固定在相關裝備上，然後將其擲入水中。理想情況下，我們希望在儀器下沉到水柱中時，能持續測量pH值。漁民將裝置打撈上來後，裝置就會將資料無線傳輸至雲端，所有科學家和其他漁民都可以存取這些資料。」
Pfeifer表示：「我們希望透過在目的地區域進行更高密度的觀測活動來強化現有資料集，以更全面地瞭解目前海洋酸化的狀況」。以成本較低的方式高效監測海洋酸化，對於追蹤海洋狀況和保護貝類健康十分重要。借助當地漁船來大規模獲取數據就是一種性價比較高的方式。漁民則將是資料擷取的主要利益相關者。
Hautanen表示：「半導體元件可以使裝置縮小一個數量級，並且更加便宜，能效更高。WHOI流程中使用的感測技術適合用於大規模製造晶片。」
ADI、WHOI科學家和工程師以及Pfeifer正在開展合作，利用在不同領域經過驗證的ADI技術，率先開發體積小巧、經濟實惠、易於使用的自動化原位pH感測器。該工具必須能夠在海上進行連續測量，並且不需要複雜且昂貴的元件。其目標是為漁業公民科學家隊伍提供強大的工具，以對抗海洋酸化、氣候變化和糧食缺乏保障挑戰。
測量海洋酸化狀況
WHOI面臨的挑戰，在於如何確定和整合實際可行的技術來產生光束和處理吸光度資料。
pH波長的溫度圖像
pH感測器採用與海水混合的微量pH敏感染料來測量pH值，然後用一束光透射液體混合物，以測量兩個波長的吸光度。此種方法可以實現非常高精度的海洋學pH值測量。
合作打造光譜儀
Pfeifer表示：「我與OCIA的Kathryn Hautanen進行了交談，她幫我聯繫了ADI工程師Guixue Bu。Guixue仔細瞭解了我們的要求，並為我們選擇了ADI的ADPD4101類比前端(AFE)，該元精度高、支援即時感測、外形小巧、易於使用且成本較低。該小型化解決方案包括一個功能完善、高度整合的光度測量、多模態感測器前端，並且全部整合在一個晶片中，其性能優於我們之前開發的任何其他原型光譜測量系統！”
借助參考設計加快開發速度
ADI創建了一個參考平台來促進液體分析測量的快速原型設計。如果沒有參考設計，大多數解決方案都需要經驗豐富的工程師來開發電路、編寫軟體、模擬、執行廣泛的測試、佈局和製造電路板。該過程通常可能需花費數月。
Pfeifer表示：「如果您遇到棘手的電氣問題難以解決。此時參考設計通常可以在開箱後的一天內為您提供快速解答。使用ADI的CN0503光學液體分析參考平台，我只需開箱，插入電源，下載一些參考代碼，然後就可以開始進行測量，因此能省下大量的開發和實驗工作。」
Pfeifer補充：「ADI的CN0503評估套件為ADPD4101測試帶來了突破性改變。該元件充分地滿足了我們的需求，為我們節省了數個月的開發時間，而且其性能完全超出了我們的預期。毫無疑問，ADI已經站在技術前緣，我迫不及待地想瞭解他們的其他新產品。」
海洋天氣預報和後續安排
WHOI的低成本pH感測器原型製作的開發過程順利進行。Pfeifer表示：「成本預計僅為幾千美元，比我們其他儀器估算的開銷少了十倍。」WHOI領導該專案的Z. Aleck Wang博士表示：「我們的下一步是向聯邦機構或私人基金會提交一份提案，並將該計畫擴大到美國東北海岸附近的水域，以彰顯其對於改善海洋酸化的影響。」
OCIA監測海洋的舉措目的在提供寶貴資料，進而協助解決自19世紀末以來氣候變化和過度捕撈造成的捕撈產量下降的問題。我們仍需展開深入研究，以有效因應海洋酸化的威脅，維護海洋生態平衡。透過探索全新解決方案，解決海洋酸化問題及其對海洋生物的危害，我們可望為全球數十億人的糧食安全提供保障。
1 “海洋——因對氣候變化的全球最佳盟友”，聯合國。
2 “世界漁業和水產養殖狀況：永續發展運作”，聯合國糧食及農業組織，2020年。
3 “世界漁業和水產養殖狀況：永續發展運作”，聯合國糧食及農業組織，2020年。
4 “什麼是碳封存，這是如何運作的？”加州大學大衛斯分校，2019年9月。
5 Lauren Morello和Climate Wire，“海洋酸化威脅全球漁業”，《科學美國人》，2010年12月。
6 Michael Slezak，“大堡礁：一場赤裸裸的災難”，《衛報》。
7 “2021年世界糧食安全與營養狀況”，聯合國糧食及農業組織，2022年。
8 “世界人口展望”，聯合國，2017年。
9 “世界漁業和水產養殖狀況：邁向藍色轉型”，聯合國糧食及農業組織，2022年。
10 Asuna P. Gilfoyle和Wilow A. Baird，“海洋酸化水準上升對魚類洄游的影響”，Gilfoyle Research。
