例如，世界上最著名的海洋塑料聚集體—— 大太平洋垃圾帶 （the Great Pacific Garbage Patch） ，堆積著包圍在北太平洋環流 （一個在北美和亞洲之間循環的洋流系統） 裡的漂浮垃圾。據估計，這堆塑料有驚人的8萬噸—— 或者1.8萬億片。在南太平洋、印度洋和南、北大西洋，也有類似的環流包圍著小一些的塑料垃圾聚集體。總而言之，漂浮在海面及附近的已知塑料的總質量超過了25萬噸 （圖1） 。但我們看到的還不夠。
人類自20世紀50年代開始向海洋中排放塑料垃圾，現在每年的排放量已經達到1000萬噸左右。如今大部分進入海洋的塑料的密度低於海水，這就意味著如果它們能在海洋中存在幾年以上，我們應該會發現數千萬噸的塑料漂浮在海面上。這比我們實際看到的要多幾個數量級——那麼，塑料都到哪裡去了呢？
大太平洋垃圾帶裡，許多塑料年代久遠，最近生產的塑料製品很少。塑料漂浮物似乎通常需要幾年時間，才能從其進入海洋的海岸或河流，到達其長期逗留的亞熱帶環流。絕大多數塑料碎片沒有走完這個旅程 （或者至少目前還沒有完成） ，但它們旅程的過程和終點仍未可知。
圖1. 全球海麵塑料廢棄物濃度分布情況
已知最大的漂浮塑料聚集體都位於亞熱帶環流中。模型擬合有助於找到剩下的部分。在這張全球地圖中，深灰色和淺灰色區域分別代表模擬的五個亞熱帶環流的內部和外部聚集區；白色海洋區域代表非聚集區。地中海盆地的灰階底圖顯示了通過數值模擬預測的海麵塑料的相對濃度。深色的區域預計有更高的濃度。彩色圓圈表示原位採樣的平均質量濃度，範圍從藍色 （最低） 、綠色、黃色和橙色到紅色 （最高） 。
「塑料的失蹤不像暗物質；而是另一種失蹤，」 荷蘭烏得勒支大學 （Utrecht University） 的海洋學家和氣候科學家埃裡克·范·賽伯 （Erik van Sebille） 說，「沒有人知道海底有多少，海灘上有多少，有多少被動物攝入，又有多少已經被細菌降解。這就是我們面臨的謎題。」
無論我們在哪裡發現塑料汙染，都能看到它對野生動物的影響，從被廢棄漁網纏住的海龜，到肚子裡塞滿瓶蓋和其他難以消化的垃圾的飢餓海鳥。要量化這些影響的廣泛程度——如果我們想要減輕這些影響，量化是必不可少的一步——我們需要更好地了解海洋塑料是如何分布的，以及被丟棄後的幾年或幾十年裡是如何漂流的。如果我們想在清理海洋方面有所成就的話，這一點也是必要的，因為只收集最顯眼的1%塑料垃圾可能會沒有什麼效果。
模擬旅程
許多海洋學家認為，建模是製作詳細的海洋塑料汙染地圖的最好方法。 由歐洲研究理事會 （European Research Council） 資助，範·賽伯領導的 「海洋塑料追蹤」 （Tracking of Plastic in Our Seas，TOPIOS） 項目就是這方面的努力之一。目前，TOPIOS 模型整合了潮汐、洋流和風等因素來預測海面漂浮物的路徑。一旦塑料沉入大海，就會被移出模型，不再被追蹤。在2017年4月開始的五年計劃期間，TOPIOS 的研究人員希望將模型拓展到一個全面的、高解析度的版本，使之能夠捕捉三維空間中的所有相關過程。新模型構建完成後，模擬不僅會考慮明顯的海洋學影響，還會將更微妙的因素考慮在內。
海洋微生物就是微妙的因素之一。 一塊塑料在海洋中停留的時間越長，上面積累的微生物就越多。這種 「生物淤積」 過程逐漸增加了塑料的整體密度，直到整個塑料沉入海底。不過不同的微生物在海洋中的分布區域不同，對漂浮塑料的影響也不盡相同。一塊漂浮的塑料是會到達亞熱帶環流，還是會沉積於一千公裡外的海床，可能取決於在其表面安家的微生物種類。
光照強度是另一個因地而異的重要參數。 塑料長時間暴露在紫外線下會發生光氧化，最終會變得易碎並破成碎片。由此產生的微塑料微粒可以分散在所有水層中，進入一種完全不同的遷移機制。
然而，就算有了如此詳細的模型，TOPIOS 團隊還需要一些經驗數據，作為模擬系統的輸入。他們的終極目標是用貝葉斯推斷算法驅動模型，用一組塑料觀測數據集訓練模型，再用另一組對其進行驗證。
太空尋蹤
不幸的是，這些觀察結果並不容易得到 。首先，海洋巨大的面積使得有代表性的測量既困難又昂貴。另一個問題是，即使在小範圍內，塑料的分布也是不均勻的。範·賽伯表示，相距一公裡的樣點之間，塑料的濃度可能就會相差一個數量級。「這有點像天文學家把望遠鏡指向天空100次，然後就得說宇宙的結構是什麼樣子。」
對某些人來說，衛星為觀測提供了顯而易見的解決方案，因為只有從太空才能看到大的圖景。然而，目前在軌的衛星中，沒有一顆專門用於海洋塑料觀測，計劃中的也一樣沒有。塑料遙感衛星所需的技術方法仍處於概念驗證階段。
保羅·科拉迪 （Paolo Corradi） 正在研究這個問題，他是歐洲空間局 （European Space Agency，ESA） 的系統工程師，在荷蘭的歐洲空間和技術中心 （European Space Research and Technology Centre） 工作。科拉迪與一個大型國際合作項目一起，構思如何將空間測量納入海洋廢棄物綜合觀測系統 （integrated marine debris observing system，IMDOS） ，該系統還包括機載勘測和原位測量 （Front. Mar. Sci. 10.3389/fmars.2019.00447） 。
探測海洋塑料所考慮的遙感方法中，被研究的最少的可能是雷達。乍一看，這項技術有很大的優勢，因為無論天空晴朗還是多雲，雷達都可以不分晝夜地使用。衛星雷達系統也可以利用一種效應，即收發機沿軌道路徑的運動能夠模擬一個更大的靜態天線。這個 「合成孔徑」 的大小等於衛星從發射脈衝到收到回波的時間裡行進的距離。孔徑的大小決定了雷達的空間解析度，使衛星系統具備大約1米的解析度——足以發現較大的單個碎片或密集堆積的碎片，只要碎片能夠充分反射雷達波。然而，合成孔徑雷達 （synthetic-aperture radar，SAR） 是否適用於探測塑料還不得而知，因為這種低介電常數材料發出的信號很可能會被海浪的反向散射淹沒。
「這個問題一直縈繞在我的腦海裡，讓我有些晚上難以入睡。」 英國斯特靈大學 （University of Stirling） 的阿曼多·馬裡諾 （Armando Marino） 說。該大學即將開展一個項目，用地面雷達測試該方法是否可行。
衛星雷達系統可能會在間接定位塑料聚集體方面發揮最大的作用。 SAR技術的一種變體是使用幹涉法測量水在海洋表面的移動方式。該方法通過比較不同地點測得的雷達信號相位，獲取關于波高、波速的信息，以及更大尺度特徵的信息，例如表層流。由於漂浮物傾向於集中在運動水團的交界處，這種衛星雷達可以確定可能的塑料聚集地，為遷移模型提供關鍵信息。
這並不是波浪測量所能揭示的全部。在海洋環流的SAR圖像上，馬裡諾和同事注意到某些區域的海面紋理異常平滑，他們將其歸因於表面活性劑的存在。就像倒在擾動水面上的油一樣，表面活性劑能夠抑制水面上的波浪，因此降低了雷達信號的強度。研究人員知道這些表面活性劑分子是微生物活動的產物，而微生物會迅速定殖在海洋塑料上，因此他們提出，如果這些平滑區域同時遵循海洋環流的特徵模式，則提示此處存在高濃度的微塑料汙染。
另一項有前景的主動傳感技術是雷射雷達。 通過測量雷射脈衝的傳播時間來確定距離的雷射測距儀，在地球觀測衛星上已經廣泛應用，它們可以測量雲層和其他大氣顆粒物，風速以及冰蓋的厚度。目前還沒有專門用於研究海洋塑料的傳感器，但一些研究人員已經使用為大氣氣溶膠設計的雷射雷達系統來尋找浮遊生物和其他懸浮顆粒 （2013 Geophys. Res. Lett. 40 4355） 。儘管這種改換用途的儀器只能提供粗略的水面下垂直解析度，但其靈敏度足以探測到漂浮在海面下20米左右的顆粒物。由於科學家認為塑料濃度在海面5米以下的地方會呈指數級下降，該儀器經過適當優化可以有效測量懸浮在水層中的微塑料碎片數量。
科拉迪認為，有朝一日，雷射雷達技術甚至可以通過探測螢光或拉曼散射等非彈性過程來區分塑料和其他顆粒物。不過，他也提醒到，後者發出的信號非常微弱，目前的儀器很難從軌道上探測到。
照亮塑料
為了精確定位海洋中的塑料，迄今為止研究得最徹底的技術是測量反射陽光的被動光學遙感方法。 像所有材料一樣，塑料的表面散射光有一個特徵光譜。先進的回收中心已經能夠利用這種效應，根據塑料在紅外光譜特定頻率的亮度來識別不同類型的塑料 （見《知識分子》文章： 化學回收、細菌分解，十八般武藝齊上陣，能解決塑料難題嗎？ ） 。
最近，英國普利茅斯海洋實驗室 （Plymouth Marine Laboratory） 的地球觀測科學家勞倫·比爾曼 （Lauren Biermann） 展示了類似技術在空間軌道上的應用。比爾曼與普利茅斯海洋實驗室以及希臘米蒂利尼的愛琴海大學 （University of the Aegean） 的合作者們一起，使用了ESA的 「哨兵2號」 （Sentinel-2） 任務捕捉的多光譜圖像 （圖2） ，這是一個平均高度786公裡的雙衛星系統，在13個光譜波段上高解析度測量植被和土地利用情況。
圖2. 不同波長的差異
蘇格蘭海域的衛星圖像。在RGB圖像(左）中，五月島的東面有一個明顯的海洋鋒。在同一區域的近紅外圖像中(右），疑似塑料的地方變得清晰可見。（圖源：L Biermann/ESA）
這些衛星上的傳感器不像回收工廠裡的那樣，具備區分不同類型塑料所需的光譜解析度——即使具備這樣的能力，大氣層的幹擾也會掩蓋材料的某些窄譜特徵。比爾曼已經開發出一種新的替代方法，他根據材料在三個寬頻帶上的反射率來識別塑料，這三個頻帶更容易從軌道上測量：一個以可見光譜的遠紅端為中心；一個恰好超出近紅外 （NIR） 的可見範圍；還有一個在短波紅外 （SWIR） 波段。雖然水對所有這些波段都有強烈的吸收，但塑料在近紅外波段有一個強烈的反射峰，於是在近紅外圖像中，塑料漂浮物在黑暗的海面上顯得明亮醒目。
不幸的是，水對紅外線的強烈吸收也意味著，只要塑料沉到海浪下幾毫米，就會變得不可見。因此，這種被動技術只能探測到在漂浮在水面上的塑料碎片，卻無法查明懸浮在水層中的塑料汙染。另外，海草、浮木甚至海水泡沫在近紅外光譜中都有著與塑料相同的強烈反射峰——而且，與漂浮的塑料一樣，它們都傾向沿著海洋鋒和在沙灘上聚集。因此，要區分塑料和其他海洋雜物，必須在電磁光譜的其他部分尋找不太明顯的光譜特徵。
出於這種考慮，比爾曼和他的同事已經利用衛星圖像編制了一份不同材料的光譜目錄。例如，最近得到良好記錄的加勒比海馬尾藻大爆發就提供了漂浮植物的光譜檢驗標準。與此同時，南非德班的一場洪水將大量的瓶子和其他垃圾衝進了印度洋，揭示了有雜質的塑料聚集體的光譜特徵。「因為我是南非人，所以我就和認識的人聯繫，索要德班港的照片。」 比爾曼說，「我想看看我有多確定那就是塑料，然後——我的天！——那就像一個垃圾填埋場剛剛被衝進海裡一樣。」
當他們建立了一個光譜特徵庫後，研究團隊用它訓練了一種機器學習算法——和 TOPIOS 模型一樣，基於貝葉斯推斷——來自動識別塑料和其他漂浮物。在另一組成分經過獨立驗證的聚集體上測試時，該算法識別塑料的準確率為86%。
況且這些很有希望的結果，還不是用為此目的設計的儀器得到的。比爾曼說，「哨兵2號」衛星用的傳感器並不如她希望的靈敏，並且缺少可用於附加測量的波段。也許最重要的是，衛星相機的最高空間解析度只有10米，這意味著他們能觀測到的塑料，必須大到可以填充一個100平米像素的相當一部分——具體來說，塑料瓶或塑膠袋約佔30%，丟棄的漁網佔50%。 （根據ESA的研究，科拉迪報告說，對於 「哨兵2號」 上那樣的傳感器，1%的像素範圍可能是理論上的極限。） 不管確切的數字是多少，很明顯，對於分布更廣的塑料聚集體，比如被亞熱帶環流積聚的塑料，目前在軌的相機不太可能有多大用處。例如，比爾曼還不能在大太平洋垃圾帶上應用她的方法，因為「哨兵2號」只拍攝陸地和沿海水域的圖像，這突顯了現有衛星不適用於發現海洋塑料垃圾的程度。
靠近地表
如果因為近地軌道太高，上面的儀器根本無法發現單個塑料，那為什麼不把儀器放得更低，比如說400米? 這是非營利組織 「海洋清理」 （Ocean Cleanup） 勘測大太平洋垃圾帶的海拔高度。他們從C-130運輸機的貨倉伸出一臺高光譜成像儀，在可見光和紅外光下採集圖像，同時用雷射建立了雷射雷達剖面。
紅外傳感器的高光譜解析度以及光線在大氣裡的路徑更短，使得 「海洋清潔」 團隊在選擇探測波段時，相比使用衛星技術的比爾曼，有更多的自由。此外，當測量高度為400米時，每個圖像像素約為1 平方米。利用短波紅外 （SWIR） 中的兩個窄譜特徵，他們發現漂浮塑料只需要填充一個像素的5%就可以被探測到，這意味著研究人員理論上可以發現只有幾釐米寬的單個塑料。
圖3. 碎片化。2016年的考察中，「海洋清理」使用機載高光譜成像儀繪製了太平洋上的塑料圖像。（圖源：The Ocean Cleanup）
然而，如此低的位置也不能讓紅外輻射在海水裡更有穿透力，因此 SWIR 信號仍然只能探測漂浮在海面上的碎片。這裡雷射雷達又可以發揮作用了，不過這一次並不是用來尋找懸浮的微塑料。相反，研究人員用它來測量大型聚集體——比如漂浮漁網周圍的聚集體——在海面下延伸的距離。「散落漁網就像磁鐵一樣吸引著其他雜物，最終差不多成了結實的漂浮雜物塊。」 美國 Teledyne Optech 公司的考察隊員詹·艾特肯 （Jen Aitken） 說，「我們設法找到了一些塑料聚集體，雷射雷達能夠將其穿透兩三米，這足以製作出其外表的粗略3D模型。」
然而，這樣詳細的觀測不可能像衛星測量那樣常規地開展。無論你是否下載衛星數據，衛星每隔幾天就會經過同一地點，但每一次遠洋機載勘測都需要付出巨大的努力。艾特肯形容 「海洋清理」 的飛行—— 在裝滿備用油箱的飛機上—— 大部分時間花在了在加利福尼亞和太平洋間往返。確實如此，一次持續10小時或更長時間的飛行中，可能只有幾個小時用於採集數據。
艾特肯提出，另一種勘測選擇是用無人機，但無人機只能在空中停留1小時左右，所以仍需要使用一艘昂貴的大型船隻作為操作基地。這種方法或許可行，因為 「海洋清理」 已經要求船隻收集被重新發現的塑料汙染物。前面提到的綜合觀測系統 （IMDOS） 也將船隻包括在技術組合的理念中。「衛星只是監測方案的一部分。」 科拉迪說，「你還需要機載勘測、無人機、原位測量和船上測量。」
在這樣的項目誕生之前，研究人員能從現有的數據得出什麼結論呢？不同的模型得出了不同的塑料汙染分布情況。在 TOPIOS 項目開始時，範·賽伯和同事提出，我們看到的漂浮塑料之所以這麼少，是因為它們在破碎和沉沒之前，只在海面停留了很短時間。在這種情況下，失蹤的塑料遍布海洋深處和海底。但是，「海洋清潔」 的研究人員卻說，在亞熱帶環流中發現的典型塑料碎片的老化程度排除了這種可能 （2019 Sci. Rep. 9 12922） 。如果他們是對的，塑料雜物會在海灘和沿岸水域之間循環數年，被丟棄很久之後才會到達近海環境。
無論哪種模型正確，都會對塑料汙染的緩解和補救工作產生影響。 如果大部分塑料已經分解並擴散到整個水層中，我們就可以不用再找了，反而應該將精力集中於從源頭上阻止塑料垃圾的更多排放，同時研究塑料汙染對深海生態系統的影響。不過，如果塑料能存在許多年，目前大部分的微塑料都源於幾十年前被丟棄的塑料。那麼，今天的補救計劃或許能預防未來的危害。