夏至要幹嘛？當然是用竿子丈量世界啊！

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

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。

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 奈米或 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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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&

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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！

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！〉

每年的夏至落在 6 月 21 日或 22 日（歐美地區則是 20 日或 21 日），這一天太陽直射北回歸線，北半球的白晝最長、夜晚最短；北回歸線地區的日正當中時，地面幾乎沒有影子。二千二百多年前的一個夏至，古希臘的埃拉托斯塞尼（Eratosthenes, 276 BC－194 BC）因此得知了地球的大小。

埃拉托斯塞尼出生於現今的利比亞，在雅典接受教育。他精通數學、天文學、地理學，還是位詩人；西元前 245 年，他被托勒密國王任命為當時規模最大的亞歷山卓圖書館館長，約莫五年後，他想到了測量地球大小的方法。

首先，埃拉托斯塞尼知道地球是球形；是的，無須等到十六世紀麥哲倫航海證明地球是圓的，早於埃拉托斯塞尼一個世紀的亞里斯多德就根據月蝕時，地球投影在月球上的弧形影子，以及眺望帆船進港時，總是先看見桅杆，接著才出現船體，而推論地球必定是個球體。亞里斯多德還從北方與南方所見的星空並不完全相同，而推論地球與星辰相比，體積並不大。因此埃拉托斯塞尼還可以將照射到地面的陽光視為平行的。

根據文獻記載，位於亞歷山卓南方五千「斯塔德」（stadia，古希臘距離單位）遠的城市塞耶尼（Syene）有一口水井，每年的夏至中午，太陽正好位於水井正上方映照在深處的水面上，太陽就像個塞子均勻地蓋住井口。也就是說，陽光的方向經過水井，直指地球中心。但此時陽光卻會令亞歷山卓的日晷投下影子，因為光線是平行的，所以光線與日晷頂點形成的夾角，會等於日晷到水井這段圓弧對應的圓心角。埃拉托斯塞尼測量影子長度與日晷高度，算出夾角大小等於圓的五十分之一，也就代表亞歷山卓的日晷到塞耶尼的水井這段距離是地球圓周的五十分之一，因此地球周長就等於五千斯塔德乘以五十，等於二十五萬斯塔德。雖然斯塔德在不同地區所定義的長度稍有不同，但學者估計換算成現代長度，與地球實際周長四萬公里誤差最多也不超過 2%。

埃拉托斯塞尼完全展現了科學思考的力量，將看似無法克服的複雜問題，化約成本質不變的簡潔模型；不用蠻力與特殊工具，也無需深奧的理論與繁複的計算，僅憑現今國中程度的數學就能在兩千多年前算出地球的大小。當然，這背後需要豐富的想像力與抽象思考的能力，而這似乎一直是我國偏重計算能力的數理教育力所未逮之處。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。