0

0
1

文字

分享

0
0
1

2020年夏至日環食要幹嘛?當然是測月球距離啊!

htlee
・2020/05/22 ・1631字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 467 ・五年級

厄拉托西尼(Eratosthenes, 276 BC-194 BC)是古希臘時期的科學家,他曾經在夏至時準確量測地球的直徑。2020 年的夏至,我們可以用當天的日環食,量測月球的距離,向最早準確量測地球大小的科學家致敬!

以「三角視差法」量測月球距離

環食帶中央發生食甚時,太陽和月亮的中心重合在一起,環食帶中央的觀測者透過望遠鏡拍攝日環食的照片,同一時間其他地區的觀測者也透過望遠鏡拍攝日食。兩張同時拍攝的日環食影像可以用三角視差法來量測月球的距離。

A 地點位在環食帶的中央,食甚時太陽和月亮的圓心會重合。同一時間的其他地方,如 B 地點看見的是日偏食。

兩張同時拍攝的影像,將太陽的大小調整與重合後,量測兩月亮中心的角度 θ。另外用 Google 地圖量 A 點到 B 點的距離 d,如果太陽的位置接近天頂,月球的距離就是 d/θ。

A和B地點同時拍攝的日食影像,將兩張太陽的大小重合後,量測兩個月亮中心的角度θ。月球的距離就是A和B兩點距離 d/θ。

如果日環食發生時,太陽不在正天頂,就不能直接用 A、B 兩地點的距離,要用有效距離代替,因為有效距離才是造成兩點視差的原因。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
如果太陽的位置不在正天頂,必須用有效距離來量測月球的距離

2020環食帶通過哪裡?食甚什麼時候發生?

2020 年 6 月 21 日,環食帶通過台灣中南部,環食帶經過的確切位置可以從以下的 Google map 得知。兩條紅色線標示日環食的南北界,兩條紅線間的人都可以看見日環食,以外的地方只能看見日偏食。

地圖上藍色的線是環食帶中心通過的地方,這裡在環食食甚時,月亮會位在太陽的正中央,兩個天體的中心會重合,可以看見日環食的時間最長,這次位在環食帶中央的人大約可以看見大約 1 分鐘的日環食。

【2020年6月21日,日環食的環食帶會通過台灣中南部,從 Google互動地圖上可以查到日食各個階段的時間。由Xavier M. Jubier製作】

這個 Google 地圖上只要點一下,就可以知道當地初虧(C1)、食既(C2)、食甚(MAX)、生光(C3)、復原(C4)的世界時間(UT),世界時加上 8 小時就是台灣時間。

  • 嘉義市日環食各個階段的時間表
初虧 食既 食甚 生光 復原
台灣時間 14:49:22 16:13:43 16:14:13 16:14:43 17:25:54

為什麼要在日環食時量測,日全食會比較好嗎?

因為三角視差要以太陽作為參考點,日環食可以同時看見太陽與月亮,所以比較方便。日全食食甚時,太陽完全被月亮遮住,太陽這個參考點看不見,反而不適合做月球距離的量測。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

不在環食帶中心也可以嗎?日偏食也可以嗎?

只要日食發生時,兩個地點同時拍日食的影像都可以量月球距離,不過兩地點上相機朝的方向必須一樣,例如兩台相機的上方都是北方,這樣才能正確比較月亮圓心的角度。

不過一般移動式望遠鏡,相機的轉向並沒有做良好的校正,影像上方不一定是正北方,這會增加距離量測的難度和誤差。

選擇位在環食帶中心作為拍攝地點之一(A 地點),可以省去相機轉向的問題,因為在食甚時太陽和月亮的中心重合,兩個圓形狀對稱。B 地點拍攝的日食和 A 地點比較時,只要把太陽的大小和 A 地點拍的相重合,就可以正確量出 A、B 兩點月亮中心的角度,可以省去相機轉向的校正。

2014年10月23日的日偏食。圖/wikipedia

如果有興趣在 2020 年夏至這一天量測月球的距離,可以找兩組人和望遠鏡,一組在環食帶中央,另一組在其他地方。當第一組人所在的位置出現食甚時,兩地的人同時拍下日食的影像,這樣就可以推算出月球的距離。讓 2020 年的夏至充滿天文與科學!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文轉載自作者部落格「屋頂上的天文學家」,原文為〈2020年夏至要幹嘛?當然是量測月球距離啊!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
htlee
19 篇文章 ・ 9 位粉絲
屋頂上的天文學家-李昫岱,中央大學天文所博士,曾經於中央研究院天文所和美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校從事研究工作。著有《噢!原來如此 有趣的天文學》、《天文很有事》,翻譯多本國家地理書籍和特刊。 目前在國立中正大學教授「漫遊宇宙101個天體」和「星空探索」兩門通識課。天文跟其他語文一樣,有自己的文法和結構,唯一的不同是天文寫在天上!現在的工作是用科學、藝術和文化的角度,解讀、翻譯和傳授這本無字天書,期望透過淺顯易懂的方式介紹天文的美好!

0

0
0

文字

分享

0
0
0
從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

進一步了解商品:https://shop.amway.com.tw/products/2071?navigationType=brand&

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
246 篇文章 ・ 319 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

1

6
0

文字

分享

1
6
0
南太平洋觀測日全食——和平號觀日食全記錄│環球科學札記(45)
張之傑_96
・2021/09/22 ・2573字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 作者 / 張之傑

對和平號一○一回航程來說,南太平洋觀測日全食是件大事。船到紐約,上來三位天文學家擔任領航人;到了巴拿馬,又上來兩位。這五位天文學家做過十幾場演講,接近復活節島前,演講以一般天文學為主;接近復活節島及離開該島的幾天,主要是說明有關日食的知識,以及觀測和攝影應注意事項。

船上出版《 2019 年日全食介紹》小冊子,有日文、中文、英文三種版本。A4大小,二十二頁,每冊一千日元。小冊子由領航人伊東昌市、鳫宏道、加藤一孝、小關高明署名,他們可能就是編者。根據小冊子,此次日全食的最佳觀測地點是復活節島北側海域。

日食必定發生在朔日,即陰曆初一。此時月球位於地球和太陽之間,但因地球軌道(黃道)與月球軌道(白道)約有五點一度傾斜,所以並非每個朔日都有日食。當月球在黃白道交點附近時,才會發生日食。

A 本影區出現日全食;B 偽本影區出現日環食;C 半影區出現日偏食。圖/Wikipedia

日食是太陽被月球遮住的現象。太陽的大小約為月球的四百倍,地球到太陽的距離恰為地球到月球距離的四百倍,當月球位於近地點時,月球的陰影剛好可以遮住整個太陽。由於月球的軌道呈橢圓形,當月球位於遠地點時,遮不住整個太陽,而有環食的現象。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

日偏食可在廣大的區域看到,但日全食只在寬約一百至兩百公里的狹窄區域可以看到,和平號將開往適當位置觀測日食。日全食大約每十八個月就會發生一次,但在同一個地點看到日全食,平均要隔三七○年!換句話說,在復活節島附近再次出現日全食,已是幾百年後的事了。

日全食。圖/Wikipedia

和平號原本預定在復活節島停泊兩天,因天候不佳,第二天仍有些人沒能登島,所以多停泊一天。六月三十日,船上說,後天(七月二日)下雨的機率約百分之六十五,能否看到日全食就看老天的意思了。當晚每人發給一副觀看日食的護目眼鏡,放在各人的信箱內。

七月二日(己亥年六月初一),清晨拉開窗簾,是個晴天,應該可以看到日全食了!根據船上新聞預報,日全食上午九時十五分開始,我們不到九時就登上九樓甲板,找了個靠牆的地方坐下。游泳池前的區域,專供帶三腳架的人使用,每人得付費三千五百日元。我登上八樓船尾甲板時,已付費者早已準備就緒。據說若干乘客就是為了觀測日全食才參加和平號一○一回旅行的。

使用三腳架者每人圈定一個區域,得付費。圖/李枝福攝

除了三腳架區,游泳池畔的台階上,和甲板上,已熙熙攘攘地坐著或站著許多人。陽光從船尾方向射過來,雖有些雲,但不至於遮住太陽,看來應可看到日全食。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

九時二十分,廣播響起敲鐘聲,和滴答滴答的計秒聲,one, two, three,……ten,數到ten,表示日全食已經開始。滴答滴答的計秒聲,以迄日食結束從沒停頓。同時播報全食開始時和平號所在的經緯度,我沒來得及記下來。

這時我才發現,船上發的護目眼鏡,不如邱韻如老師借給我的好用。主要是兩個鏡框距離過遠,不適合我的眼睛。再說,船上發的暗度有點兒不足。邱老師自己做的,以童玩面具改裝而成,也就是將面具的眼眶挖大,背面貼的是三點五吋磁碟片的內層磁片,遮光度夠不說,看到的人都說可愛。

船友坐在甲板上等待觀看日全食。圖/作者攝

就在這時,內人受不了甲板上的強光回房間去了。我在通過巴拿馬運河時因長期曝露在強光下傷了眼睛,今天不論如何,只能豁出去了。乾眼症畏光、畏風,戴著遮陽帽和太陽眼鏡,並管不了大用。

十時零二分,廣播:「太陽已有百分之六十五被月影遮住。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

十時零四分,廣播:「距離全食剩三十分鐘。」

十時十九分,廣播:「只剩十五分鐘,太陽已呈月牙狀,氣溫漸漸轉涼。」

十時二十四分,廣播:「只剩五分鐘,請大家站立原處,不要走動,全食時會暗下來,以防絆倒。」

十時三十分,廣播:「只剩三分鐘。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

十時三十三分,廣播:「計時,one, two, three,……」數到ten時,出現鑽石環,即太陽還沒被遮住的一小點。鑽石環隨即縮小,形成吐露著紅光的日珥(紅焰)。接著進入全食(食甚),太陽變成黑色,四周有一圈日冕,天暗下來,雲隙間出現星星。

日全食時,太陽變成黑色,四周有一圈日冕,天暗下來。圖/徐羅實提供

我正想認明那些星星,天公不作美,飄來一大片雲彩。我們才不過觀看了約三十秒,就被飄過來的雲遮住。日全食為時約三至四分鐘,當太陽再次露臉,已過了全食,太陽露出一小點,再次出現鑽石環。當露出得更多,太陽漸漸露臉,愈露愈多,愈露愈圓,宛如日全食過程的倒轉。

距離日食結束還早,到九樓吃過午餐,回到八樓,太陽還沒復圓,仍有許多人戴著護目鏡堅持到最後一刻。我拿出邱老師自製的護目鏡,請一位香港女士幫我照一張相,她按到「貼圖」,照出的相有貓耳朵。又請一位香港攝影家幫我照一張,算是為此次觀測日全食留下紀錄。

十二時十二分,廣播:「日全食即將結束,one, two, three,……ten,」數到ten,秒針的滴答滴答聲嘎然停止。日食結束。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

(船上的日全食廣播過程,我的紀錄不到一半,也不完整,後悔沒有錄音,讓當時的場景重現。)

日食初期(初虧),一位香港女士將護目鏡遮住手機鏡頭,照了一張有缺口的太陽給我看。我依樣學樣,就是照不出來。日全食時,我的手機也無法拍得分明。這是第三次發現自己的手機性能不佳。第一次是參觀帝國大廈時,我的手機不能消去光暈。第二次在復活節島拍攝彩虹,我拍的彩虹不能清晰分辨七種顏色。

日全食開始時,曾廣播和平號所在的位置,我沒來得及紀錄。根據每日十二點半所公佈的正午經緯度,當日正午時船的位置是南緯二十一度八分,西經一二五度三十三分。日全食於十二時十二分結束,由正午的經緯度,約略可以推估觀測日全食時的位置。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
所有討論 1
張之傑_96
115 篇文章 ・ 227 位粉絲
張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
日環食6月21日即將登場:日食與災變的古今談,一同見證天地人間的「常」與「變」
歐柏昇
・2020/06/19 ・5942字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

今年全球疫情蔓延,甚至被稱為二次大戰以來人類最大的危機。所幸臺灣防疫有成,本月大規模解禁,6 月 21 日民眾可以輕鬆地出外觀賞日環食。在這樣的光景下,日食可以帶給我們什麼呢?它只是稍縱即逝的美景嗎?我們先來談談日食與災難的歷史。

日食在歷史上經常與災難關聯,就先來看個令人玩味的故事。

在南宋滅亡前夕,發生了一次日食,《宋史‧天文志》如此記載:

「德祐元年六月庚子朔,日食,既,星見,雞鶩皆歸。明年,宋亡。」

這段話記錄了 1275 年 6 月 25 日的日全食,所謂「既」意思是「盡」,即指全食。在日全食期間,不但天色暗下而看見星星,動物也出現歸巢的行為。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

每次日全食的「全食帶」很窄,地球上只有極少數地方可以看見全食。1275 年那次日食,全食帶正好通過南宋國都臨安(今杭州),且全食階段長達近六分鐘。

要是我們了解時代背景,就會知道這次日食必定令人慌張。那年三月,元軍已經攻陷建康(今南京),江南各城相繼陷落,臨安局勢非常危急。

1275 年 6 月 25 日,日全食的範圍。擷取自全食互動地圖

在那危急存亡之秋,朝臣藉言日食大作文章。王爚上奏:「日食不盡僅一分,白晝晦冥者數刻。陰盛陽微,災異未有大於此者。」接著又說,大臣應該 「理陰陽」、「鎮諸侯」,現在卻「生民塗炭而未能拯」,於是請求辭官。可以看出,日食是臣子批評朝政的好時機。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

隔年,元軍終究攻下臨安,擄走宋恭帝。《宋史‧天文志》並沒有明講其中關聯,但是在日食紀錄後面寫下「明年,宋亡」,留給讀者自行解讀。

從文明之初,被視為災難的日食

人類對於日食的天然畏懼,也許與其他動物沒有太大差別。在文明之初,日食就與災難聯結在一起,並且與政治難分難捨。

最著名的例子是《詩經》這段話:「十月之交,朔日辛卯。日有食之,亦孔之醜。」又說:「日月告凶,不用其行。四國無政,不用其良。彼月而食,則維其常。此日而食,于何不臧?」日食是不祥之事,且人們將日食與政治相提並論。

西元前 535 年 3 月 18 日發生日食,《左傳》記載了一段對話,晉平公問士文伯誰會承受日食之災,又問他《詩經》那幾句話的意思。士文伯說,「不善政」才會遭受日月之災,因此告誡晉平公為政「不可不慎」。意思是說,日食是否引發災難,是取決於人事。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

《春秋》經文有 37 次日食紀錄,其中 33 次經現代天文學的檢驗都屬實,相當可靠。這些紀錄多半是簡單地寫下「日有食之」,而不明白詮釋其象徵意涵。不過一般認為,《春秋》之所以會將日食記下,是把它當作「異常」的事情來看待。

《左傳》也記載了面對日食這種異象的「救護」禮儀。日食發生的時候,天子「不舉盛饌,伐鼓于社」,而諸侯則要「用幣于社,伐鼓于朝」。所謂「伐鼓」就是擊鼓的意思,歷朝歷代延續「救日伐鼓」的禮儀。直到清末,各地官員仍要擊鼓、燒香祭拜,並且在日食的初虧、食甚、復圓三個時刻分別行禮。

不再突如其來:日食預報的重大突破

看到這裡,我們很容易把「迷信」、「不科學」的標籤貼在古人身上。然而,古時候關於日食災異的認識,恐怕沒這麼簡單。

事實上,中國古代很早就發現日食有規律,並發展出預報日食的能力。至少到了東漢的《乾象曆》,已經可以初步預測日食。到了西元 6 世紀,北齊天文學家張子信更在日食預測上取得重大突破。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

張子信為了躲避葛榮起義的戰事,隱居海島中,鑽研天文。他大量分析預測與實際觀測的日月食時間,發現二者的差值與季節、節氣密切相關,稱之為「入氣差」。據此,他發現了太陽視運動的不均勻性,也就是太陽在一年四季運行速度不同,「日行春分後則遲,秋分後則速」。

現在我們知道,夏季太陽接近遠日點,視運動較慢;冬季太陽接近近日點,視運動較快。張子信就指出這件事,計算太陽位置不能只用平均值,必須加入「入氣差」的修正,才能準確得到太陽真實位置,進而推算日食。初唐的劉焯編寫《皇極曆》,運用張子信發現的原理,發展出推算日食的公式,奠定重要的理論基礎。

是否發生日食,需引進「食限」的概念。《隋書》說明張子信的理論:「合朔月在日道里則日食,若在日道外,雖交不虧。」日食必定發生在「朔」,也就是日、月在同一經度上。不過黃道(太陽視運動軌道)、白道(月球視運動軌道)不在同一個平面上,有 5 度左右的交角,因此只有當「朔」發生在黃白道交點附近時,才可能出現日食。如下圖,日、月兩圓相切時進入「食限」,才會發生日食。

於是,日食預測需仰賴太陽位置的精準推算,而張子信、劉焯的理論取得重大突破。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

黃白道交點「食限」。圖/歐柏昇

已經可預測,中國古代政治仍持續視日食為災異?

日食既然能被預報,那麼還會被視為災變嗎?我們容易設想,人們逐漸清楚日食的規律之後,日食應該與人事、政治漸漸脫鉤。事實卻是相反,隨著日食預報越來越準確,朝廷反而有更多時間可以準備「救日儀式」,儀式越來越細緻。

讓人不禁疑惑,如果日食是「常態」,為何中國古代反而發展出如此的救日儀式呢?

陳侃理研究中國古代的日食觀念,指出了「天行有常」與「休咎之變」的辯證關係。日食預報的發展,並沒有終止「天人感應」觀念。他進一步說明,所謂「科學知識」與「傳統性知識」其實是可以共存的。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

我們舉幾個例子,來說明日食成為可預報的「常態」之後,如何以「休咎之變」的姿態繼續呈現。在日食可預報之後,許多人確實開始質疑「人事會影響日食」的觀念,例如北魏孝文帝就不相信其中有所關聯。

而後出現了一種觀點,是將日食災異看作「神道設教」。例如唐代經學家孔穎達認為日食是常態,與人事根本無關,但是他仍然主張將日食作為災異,這是因為聖人為了教化人們,「假托日食以為戒」,特別是警戒君主。

北宋名臣富弼也極力主張維持天象災異,他認為:「人君所畏惟天,若不畏天,何事不可為者!此必姦人欲進邪說,以搖上心,使輔拂諫爭之臣,無所施其力。是治亂之機,不可以不速救。」意思是說,在帝王之上、能夠讓帝王害怕的只有「天」而已,如果去除天變,帝王恐怕沒人制約。

即使天象與人無關,需要藉此機會讓帝王修省。北宋的皇帝遇到日食,還要先「避正殿,減常膳」十幾天。不論是否相信人事影響天象,日食作為「天」的力量展示,是約束帝王的力量。這不僅是一種「手段」而已,天人合一的觀念還深深作用著,要求帝王敬天而愛民。再想漢文帝曾發布〈日食詔〉,因為日食而檢討自己、宣布選舉「賢良方正」的新制度,若非帝王對天有所敬畏,這些政治改革從何而來呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

若要帝王在日食十幾天前就開始修省,沒有夠準確的日食預報是做不到的。帝王對於災異的謹慎態度,則促使天文官準確預報日食。我們乍看之下「迷信」的儀式,竟然是以「科學」的進步為基礎,而且又反過來促成「科學」的進步。由此可見,天象與人事之間不單是「有無影響」而已,而牽涉到科學與社會更深刻的交織。在另一個時空下,「科學知識」可有我們今天意想不到的「應用」,而這些應用層面或許是促成人們進一步探究自然的原因。而且,其中不只是「迷信」而已,展示著人對天的敬畏、自然規律與人的關係。

情況到了清末,則又不同。清末輿論開始批評救日儀式,認為那是「官樣文章」、「愚民之術」,早該廢除。官員也知道救日儀式不會真的救到誰,儀式變得像是兒戲,為人笑柄。人們批評王朝的陳舊制度,因而主張讓日食與人事脫鉤。其實,這些主張本身就具有深刻的政治涵義。天象並不從此與人事失去連結,它將有新的、現代的意義。

戰亂中的日食:科學使命與黎明的隱喻

到了民國時期,現代天文學的機構建立,日食觀測的意義大不相同,成為科學發展的重要工作。那日食又與一般民眾有何相關呢?日食的「災難」色彩,又如何轉變呢?

最有意思的是 1941 年 9 月 21 日的日全食。那時正值中國對日抗戰期間,日食仍然備受矚目。當時的中央研究院天文所已經從南京撤到昆明,仍然組成觀測隊,前往西北觀測日食。率隊的是時任天文所所長張鈺哲,他形容此行是一趟「長征」,沿路頻繁遇上日軍空襲,路途險阻,費盡千辛萬苦終於抵達甘肅臨洮。蔣介石也特批軍機飛至臨洮,如遇天候不佳,可飛至雲層上方做日食觀測。值得一提的是,李國鼎先生也是這次觀測隊的一員。

為何戰亂之中還要堅持觀測日食?張鈺哲說明,太陽是一切地球生命之母,日食是研究太陽的良好時機,有重要的科學價值。特別是戰爭期間,外國科學家無法前來觀測,於是他們有重要使命,要將這次日食的科學紀錄留下來。

這次日食的「科學」工作,不僅是學者的事。報章雜誌紛紛教導民眾如何觀測日食,將天文科學的知識推廣給民眾。學者和報刊也都關注,這次日食發生時民間是否能「破除迷信」。好比《申報》在日食隔天的報導中,標題指出「積習難移,仍有鳴鑼擊鼓之聲」,不過內文仍肯定所見情況「亦足證明科學之已漸普遍」。

1941年9月21日《申報》介紹日食的原理與觀察方法。

1941年9月22日《申報》報導重慶觀測日食的情況。

此外,戰亂中還重新建構另一種日食與人心的關聯。《益世報》指出:「一般長者咸謂日全食為抗戰接近勝利之預示,良以明朝嘉靖二十二年之日全食,曾為名將戚繼光戰滅倭寇建立殊功之徵兆云。」人們將 1941 年的日食與明代的日食連結起來,視為抗戰接近勝利的徵兆。

這或許還可說是民間的迷信不曾消失。再來看天文學家的論調──學者並不主張迷信,卻仍然將日食與抗戰連結起來。

張鈺哲〈抗日四年後之日食〉一文,引用敘拉古突破迦太基人的故事,說明日食激勵士氣的史實,並引作抗戰「勝利即在目前的證明」。此外,張鈺哲還寫了一篇〈天文與日食〉,談到戰亂當中觀測日食、研究天文的意義:「由研究天文知道地球之外還有無數的星球,還有無窮大的空間,自然也要發生同群的熱愛,而不至於互相殘殺,而能夠彼此相安,共信互助,向著和平的道上走去,這一點是研究天文更偉大的意義。」

在二次大戰的亂世之中,人們自然將日食與時局聯想。日食與人事的關聯,不再是傳統上約束帝王的災異,而是一方面作為科學使命,另一方面作為黎明的隱喻或精神啟發。

1941年日食觀測西北隊合影。圖/中研院李國鼎先生紀念網站

1941 年的日食那天,語言學家林柷敔雖然不懂天文,但是也拿了個臉盆,裝水摻墨汁,觀察太陽的倒影。他在《宇宙風》雜誌發表了一篇〈日蝕記〉,除了談日食與抗戰的關係,也談到自己見證日食的旨趣:

大宇宙中一個自然變化,對於這樣一個小我,倒底有什麼關係?我不是學者,記錄日蝕又何益?我燃了一支烟,對自己說:『下一次的日蝕我將在那裏?也許就是被後代觀察者足尖所踐的泥土吧!趁我沒有變成泥土前記它一筆吧!』我心安,又欷歎。烟繞繞上升,我的心境跟著它上升,漸漸愉快起來了:在我生命終結的時候,在我呼吸停頓的時候,我將逢到最後的審判者,他將問我:『你在世上見過什麼東西?』我無疑地會笑著回答:『我看過了四世紀來的那次日蝕!』

一期一會的臺灣日環食!錯過再等 195 年

在自己的家園遇上日全食或日環食,是極其罕見而幸運的事。在亂世中見證日食,則彷彿渺小的生命與天地同在。

日全食、日環食在地球上幾乎年年都有,然而每次的全食帶、環食帶都很窄,所以特定地點要見到相當困難。我們大可以買機票飛出國,年年都可看日食,然而要體驗日食與鄉土的緊密結合,恐怕機會難得。今年 6 月 21 日,臺灣獲得難得的「天機」,可以見到日環食,我們多麼幸運。下次在臺灣要看到日環食,要等到 2215 年。如果 2012 年錯過臺灣北部的日環食,那這次真是「一期一會」了!

更特別的是,這次日環食剛好發生在夏至,而且環食帶在臺灣通過北回歸線。夏至當天正午,太陽直射嘉義一帶的北回歸線,下午同樣地點則發生日環食,這相當罕見。

擷取自2020年6月21日日環食互動地圖,點擊地圖畫面可以查看各地日食發生詳細的時間。

人間無常,天行有常

日食的意義隨著時代而變化,但是當每天照亮我們的太陽,罕見地被遮擋,總能使人反思天地人間的「常」與「變」,而其中「科學」的觀念也與人事、時局複雜地交織。

再回來想想,今年臺灣疫情趨緩後的日食,意義同樣非比尋常。筆者常舉辦天文活動,凡事都可以延期,但是日食等天象是不能延期的,在疫情緊張期間實在令人擔憂。所幸疫情暫時緩和,觀賞日環食的活動足以照常舉行。在一波三折之後,我們清楚感受到,即使人間混亂,日食依然會按照規律準時發生。

我們看到天地之間具有無人能擋的規律,即使人間遭逢亂世、人心失落,天地仍然運行不悖,照常發生日食。即使你對日食原理了解還有限,這總是一次非比尋常的見證。你將在因緣際會之下,見證宇宙運行的偉大展演。它所展示的不必然是「正義戰勝邪惡」這類道德勸說,卻在混亂變動的時代裡,給人「常」的想像與信念。「天行有常,不為堯存,不為桀亡」,即使人間似乎失序,宇宙並非無序,太陽依舊升起!

期待 6 月 21 日下午,我們一同見證日環食奇景。

2019 年 12 月 26 日臺北所見的日偏食(攝影/歐柏昇)

參考資料

  • 不知撰人,楊伯峻注,《春秋左傳注》。北京:中華書局,1990。
  • 魏徵等撰,《隋書》。北京:中華書局,1973。
  • 脫脫等撰,《宋史》。北京:中華書局,1977。
  • 〈久雨初霽之陪都 昨晨日食奇景〉,《益世報》,1941年9月22日,第2版。
  • 〈日蝕的觀察和實驗〉,《申報》,1941年9月21日,第13版。
  • 〈重慶觀測日蝕記〉,《申報》,1941年9月22日,第2版。
  • 林柷敔,〈日蝕記〉,《宇宙風(乙刊)》第56期,1941年,上海,頁32-34。
  • 張鈺哲,〈天文與日食〉,《科學教學季刊》第2卷第1期,1942年,成都,頁1-3。
  • 張鈺哲,〈抗戰四年後之日食〉,《大公報》,1941年3月23日,第3版。
  • 江曉原、吳燕,《紫金山天文台史》。保定:河北大學出版社,2004。
  • 李林,〈「救日」與救國——1901年辛丑日食的政治史及文化史意蘊〉,《清史論叢》2017年第1期,北京,頁255-272。
  • 陳久金,《中國古代天文學家》。北京:中國科學技術出版社,2008。
  • 陳侃理,〈天行有常與休咎之變──中國古代關於日食災異的學術、禮儀與制度〉,《中央研究院歷史語言研究所集刊》第83本,2012年9月,臺北,頁389-443。
  • 龍涌霖,《天變何可畏——從十月看儒家災異文化的發展》。廣州:中山大學碩士論文,2016。
  • 關增建,〈日食觀念與傳統禮制〉,《自然辯證法通訊》1995年第2期,北京,頁47-55。
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
歐柏昇
13 篇文章 ・ 7 位粉絲
台大物理與歷史系雙主修畢業,台大物理碩士。現為台大物理系、中研院天文所博士生,全國大學天文社聯盟理事長。盼望從天文與人文之間追尋更清澈的世界觀,在浩瀚宇宙中思考文明,讓科學走向人群。