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泡泡生泡泡!

Scimage
・2011/02/28 ・433字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 421 ・四年級

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以慢速攝影觀看水泡破滅

海邊的海浪或是下雨的水面可以看到很多小泡泡,這些小泡泡其實也有故事可以說…

以前就知道泡泡的一個有趣的現象,就是當水面泡泡破滅的同時,會發生像水滴滴入水的類似反應–會有小水珠在泡泡破滅的中心上向彈射,有人就推測當這樣彈出的小水滴如果夠小時,就可以變成大氣中浮游的粒子,當大氣中有很多這樣的粒子之後,就會開始影響大氣的反射,造成氣候的效應等。

這影片以慢動作呈現出水面泡泡破滅的過程,可看見其實也有很多次級的小泡泡產生。在影片一開始的大泡泡破了以後,因為塌下的水膜會包住空氣,然後會產生一圈小泡泡,而這些小泡泡破滅的同時,就會向上射出更小的水滴。研究人員推測大泡泡可以產生小泡泡,然後小泡泡射出小水滴,這樣過程可以大大放大泡泡破滅產生水滴的過程。

這樣的過程雖然不確定是否重要,不過或許可以讓泡泡跟大氣中浮游水滴濃度的推論多增加一點可信度。

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本文原發表於科學影像Scimage

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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恭請德前總理梅克爾示範「泡泡認屍法」
胡中行_96
・2023/08/03 ・1414字 ・閱讀時間約 2 分鐘

由德、日鑑識專家組成的研究團隊,於 2021 年的《國際法醫期刊》(International Journal of Legal Medicine)上,說他們採用網路流傳的偽裸照修圖技巧,設計出比較不嚇人的「泡泡認屍法」(the “bubbling” procedure)。然後順帶奉上一張照片,以時任德國總理的梅克爾(Angela D. Merkel)女士,作為範例。[1]

被「泡泡」埋沒的前德國總理梅克爾女士。圖/參考資料 1,Figure 1a(CC BY-SA 4.0)

認屍

某些命案發生後,家屬必須前往停屍間,或是透過照片指認死者身份。屍體可能事先經過重建或防腐處理,並且在法醫動刀解剖前進行。最好未卸妝,也不取下首飾,完整保留生前的打扮。儘管這個鑑識程序有時的確無法避免,但是其失誤率高達 50%,而且會造成家屬的心理衝擊。若是遇到不知該找誰認領的無名屍,媒體還得四處散佈照片,觸及的人數勢必更多。研究團隊於是以移除創傷影像為目的,開發新的認屍方式。[1]

知覺填補

假設這裡有個電子圖檔,畫面上主角穿著泳裝之類的清涼衣著。首先,以常見的影像編輯軟體,例如: Photoshop、Paintshop 或 GIMP,開啟檔案。接著,用圓圈框選髮膚暴露處,並刪除衣物等剩餘區塊,就會得到一張狀似被泡泡網覆蓋的照片。此時,觀者會因為知覺填補(perceptual filling-in)機制,無視消失的部份,自動把影像腦補成裸照。根據該論文的說法,上述居心不良的修圖技巧,在網路論壇上相當風行。且不論研究團隊平常都在逛什麼網站,而如此熟悉這種不入流的勾當;他們想說的是,同樣的招數可以輔助認屍。[1]

人物照 b 經過「泡泡」處理,變成偽裸照圖 c。圖/參考資料 1,Figure 1 b & c(CC BY 4.0)

泡泡認屍照

現在把編輯的影像主角,從活人改為死者。先用大泡泡選取無創傷的廣大面積,再以小泡泡保存細節,並塗去其他部位。過程中,盡可能留下眼、鼻、耳和髮線等特徵。等能蓋的都蓋掉了,如果剩餘的區域,有屍斑、瘀青、腐化等情形,看了還是怵目驚心,那就降低整體畫面的彩度,或者套用灰階效果。[1]

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蓋上「泡泡」後,再進行灰階處理。圖/參考資料 1,Figure 2 c & d(CC BY 4.0)

泡泡辨識實驗

為了瞭解辨識的準確度,研究團隊在德國洪堡(Homburg)及匈牙利布達佩斯(Budapest),分別招募 38 與 15 名學生。請這些為數不多的受試者,指認經過「泡泡」處理的 10 張照片。裏頭可能出現的名人,包括:德國的球星 Lothar Matthäus、主持人 Inka Bause、超模 Heidi Klum 和政治人物 Frauke Petry;歐盟執委會主席 Ursula von der Leyen、匈牙利總理 Viktor Orbán、瑞典環保倡議人士 Greta Thunberg、教宗方濟各;以及演藝明星李小龍、Tom Cruise 與 Rihanna。另外,學生認識的教師跟絕對沒見過的陌生人,也各有一張,作為對照。全部辨識完後,受試者會看到沒有「泡泡」的版本,確定是否真的不知道某人。[1]

實驗結果顯示,這些學生認得 72.1% 的人物;而其中 66.8% 的照片,蓋上「泡泡」後,依然能被準確指認。研究團隊頗滿意此成功率,並覺得這個方法簡單、經濟又快速。不過,死者的臉部創傷若是太大,就不適合以「泡泡」遮掩,畢竟觀者腦補的能力有其極限。在那種情況下,他們建議改採臉部重建等其他繪圖技術。[1]

  

參考資料

  1. Potente S, Ramsthaler F, Kettner M, et al. (2021) ‘Application of the “bubbling” procedure to dead body portraits in forensic identification’. International Journal of Legal Medicine, 135, 1655–1659.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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好奇心讓你登上《科學》封面!泡泡為什麼會破,把它放顛倒再戳破就知道了
linjunJR_96
・2020/09/21 ・1895字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

圖/OLIVER MCRAE/BOSTON UNIVERSITY

在火山口的岩漿中、在玻璃工廠的熔爐中,也在居家裝潢的油漆桶中。液體表面的泡泡隨處可見,如果以上都沒見過(編按:到底有多少人會親眼看過火山岩漿啦!)那總該玩過吹泡泡遊戲吧,那你有想過為什麼泡泡會破掉嗎?

泡泡會塌陷過去以為是重力,最新研究發現是表面張力

過去科學家認為,泡泡會塌陷主要因素是「重力」,但最新一期《科學》(Science)期刊上有篇研究指出,我們多年來對這些現象的解釋其實並不正確,其實「表面張力」才是主要原因。

當水面的泡泡破裂,泡泡薄膜的形狀還來不及有任何改變,便已經被兇猛的表面張力拉回水面下,整個過程只需幾毫秒。不過濃稠(黏滯係數高)的泡泡可不一樣,光是破裂可以花費整整 1 秒鐘,過程中還出現奇特的皺褶。

黏性泡泡破裂過程。圖/OLIVER MCRAE/BOSTON UNIVERSITY

上方動畫中濃稠泡泡是用矽油吹製,其黏滯係數是水的一百萬倍。當泡泡上方被刺破,整顆泡泡像是洩了氣一樣向下塌陷,而破洞的大小卻幾乎維持不變。這項觀察讓過去的物理學家認為,主宰塌陷過程的是向下的地球重力。

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把泡泡倒過來,發現塌陷速度沒有比正著放還慢

不過這個結論讓波士頓大學的工程學家詹姆士柏德(James Bird)十分不滿意。為什麼重力只對黏稠的液體才算重要呢?然而用理論打嘴砲誰都會,要在實驗上做出結果來才算數。為此,他設計出了絕妙的驗證方法:把重力倒過來。

矽油的黏稠度夠高,讓實驗團隊能夠把整個容器倒過來,並進行同樣的戳泡泡實驗。如果泡泡塌陷真的是因為被重力向下拉,那麼將重力方向倒過來應該會讓泡泡塌陷的較慢。

可是錄影結果和原本泡泡破裂的過程十分相似:頂端的破洞慢慢打開,泡泡快速向液體表面塌陷。接著,實驗團隊還讓裝置轉了90度,讓重力向泡泡的側邊拉。不論重力指向哪個方向,影像分析的結果都沒有顯著的差異,這表示主宰塌陷過程的並非重力。

A. T. Oratis et al., Science 369, 685 (2020)

原版的重力向下實驗在 20 幾年前就有人做過。「那時候會認為重力是主因其實也情有可原,因為泡泡薄膜被戳破時看起來就像是在下落。」論文的共同作者亞歷山卓奧拉蒂斯(Alexandros Oratis)說道。不過進一步的計算顯示,對一顆直徑 1 公分的泡泡來說,作用在薄膜上的表面張力比重力大了幾十倍,而他們的實驗也證實了這個結果。

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泡泡塌陷的皺褶怎麼來的?其實是諸多力量較勁結果

表面張力顧名思義,就是隨時想要讓液體表面繃緊;也就是說,讓液體表面盡量保持在平整的狀態。當泡泡在液體表面形成,表面張力想要將凸起的泡泡薄膜向下拉,這時泡泡內外的氣壓差便負責平衡這股向下的力。如果我們戳破泡泡,造成內外的氣壓相同,泡泡薄膜便向下塌陷。

不過如果表面張力這麼強大,那麼泡泡塌陷的後期為什麼會出現這些皺褶呢?

當壓縮力夠大,凌駕想把液面拉平的表面張力,就會出現表面皺褶。圖/A. T. Oratis et al., Science 369, 685 (2020)

比起完好的半球狀泡泡,破掉的扁塌泡泡表面積較小。當表面張力快速的將破掉的薄膜往下拉,接近周圍的薄膜受到強烈的壓縮力。如果壓縮力夠大,凌駕了想要把液面拉平的表面張力,便會出現表面的皺褶。小小的泡泡能展現出這麼美麗的物理現象,原來是背後諸多力量相互較勁的綜合結果。

OLIVER MCRAE/BOSTON UNIVERSITY

這份研究用「顛覆性」的實驗方法,打破了舊有的認知,登上了《科學》期刊的封面。再度顯示科學家最重要的維生工具不是紙筆或試管,而是源源不絕的好奇心與想像力。

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參考資料

  • 責任編輯:YP
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。