黑子去哪兒了？

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

• 本文轉載自臺北天文館，《臺北星空》第 100 期。
• 作者 / 臺北市立天文科學教育館 | 陳姝蓉

在 2020 年底，美國 NOAA 和 NASA 的科學家宣布太陽活動極小期於 2019 年的 12 月結束，目前太陽活動穩定增長且中緯度出現磁極方向相反的黑子，代表第 25 太陽週期的到來。目前對驅動太陽活動的磁場於太陽內部的移動方式，乃至於磁極反轉的機制皆尚未完全了解，使得在建立太陽週期模型和預測太陽活動 上有許多挑戰。因此對第 25 週期太陽活動的強弱，看法也不相同。

太陽黑子週期

科學家把 1755 年訂為太陽活動的第 1 週期，並持續紀錄太陽黑子數目來分析太陽活動的變化。太陽活動如閃焰和日冕物質拋射等，會將能量和物質拋向太空。太陽活動造就了美麗的極光，卻也可能造成衛星軌道降低及儀器損害、電波通訊和電力傳輸的中斷。使得提供未來太空天氣粗略概況的太陽週期預報，顯得格外重要。

太陽黑子是磁場較強的區域，因磁場使內部能量不易傳播，溫度較低看起來較暗。太陽黑子數量和太陽活動相關（皆有約 11 年的週期），大多數閃焰和日冕物質拋射皆來自黑子群。太陽和地球一樣具有磁場，南北磁極約 11 年交換一次，新生黑子的磁場方向也隨著改變。於太陽活動極大期時，黑子數量較多且太陽的磁極開始改變，之後太陽活動下降，直到極小期到來，此時黑子數量較少且彼此間距離較遠，甚至有時完全沒有黑子。

NOAA 和 NASA 的預測

NASA 和 NOAA 每十年都會聚集一群科學家，他們會考慮不同模型， 對下個太陽週期的起始、黑子最多數量和太陽活動極大期的時間進行預測。模型通常採用和太陽活動相關的指標，如會受太陽影響的地球磁場或太陽磁極的磁場等。

科學家發現，在極小值時期，太陽磁極的磁場強度與下個週期太陽活動的強弱有關。假如極小值時期的磁極磁場較弱，接下來太陽週期亦較弱，此理論成功預測第 24 週的太陽活動。在過去的幾個週期中，太陽磁極的磁場逐漸減弱，同時最大的黑子數量也跟著下降。

由於第 24 週期的磁極磁場強度和之前差不多，推測第 25 週期的太陽活動將類似第 24 週期。將在 2025 年 7 月達到最大黑子相對數 115 ，這將是測試此模型的好機會。科學家也預期第 25 週期的太陽活動，將不會如前 4 個週期般持續下降。目前無證據顯示太陽活動有趨向於蒙德極小期（ 1645 ~ 1715 年間僅觀測到 50 顆左右的黑子）的跡象。

NCAR 的預測

美國國家大氣研究中心（NCAR）的科學家持相反意見，預測第 25 個太陽週期將是從 1975 年開始紀錄以來的太陽活動較強的週期之一，太陽極大期時的黑子相對數約在 210 ~ 260 之間。如果預測得到證實，將支持團隊的理論模型，即環繞太陽的磁場帶有 22 年週期，具有不同磁場方向的磁場帶的交互作用，產生 11 年的太陽黑子週期。

科學家發現日冕亮點，即太陽大氣在極紫外光的短暫閃爍，會由高緯度移動到赤道，並在中緯度時和黑子出現吻合。推測亮點標誌著磁場帶的傳播，當南北半球具有相反磁極的磁場帶在赤道相遇時，它們會互相湮滅造成「終結」事件， 結束上個太陽週期並開始下個週期。當南北半球的磁場帶（具相反磁場）往赤道移動時，新的磁場帶將在高緯度出現，這將造成下周期太陽磁場的反轉。

有時磁場帶在中緯度移動變慢，會延長磁場帶交互作用的時間，這將使當前的週期變長並減少下週期的黑子數量。由於需要足夠多不平衡的磁場以形成黑子，交互作用時間短有利黑子生成。回顧長達 270 年的觀測紀錄， 科學家進一步發現終結事件間的時間間隔，會影響太陽週期的強弱，間隔越長下個太陽週期就越弱，反之亦然。例如太陽的第 4 週期的終結事件間隔長達 15 年，使得第 5 週期非常弱，這也是道爾頓極小期的開始。同樣第 23 個太陽週期終結事件間隔 13 年，因此第 24 週期較短也較弱。藉此研究人員認為第 25 週期將是有紀錄以來較強的週期。

劇烈的太陽活動將會損害衛星連帶影響通訊傳播和 GPS 服務， 而其對地球磁場的影響可能使電力傳播和無線電通訊中斷，過多的輻射也將對太空人有害。因此了解太陽活動很重要，預測太陽週期將可幫助我們掌握和評估其潛在影響。

參考資料

1. What Will Solar Cycle 25 Look Like?
2. Solar Cycle 25 Is Here. NASA, NOAA Scientists Explain What That Means
3. New sunspot cycle could be among strongest on record
4. Overlapping Magnetic Activity Cycles and the Sunspot Number: Forecasting Sunspot Cycle 25 Amplitude

最近一則新聞提到「科學家警告：太陽15年後『休眠』 地球進入小冰河期！」是不是也就代表著，我們該擔心的是地球變冷，而不是全球暖化？

當然…不是這樣的，要是科學家真的有這麼說，不用鄉民，其他科學家會先把他拖出來鞭，這只是科學現象的理解與科學用語詮釋的問題。接下來我們先從新聞文章與科學研究了解此議題。

首先是多數人會看到的新聞版本：

好，這是一篇再摘錄過的報導，因為看文章的尾巴就知道文章的結論是蠻薄弱的（所謂「跟蒙德極小期相同的效應」也是語焉不詳的一句話），而下方所謂的「原文」也非研究人員或單位發布的新聞稿，而是摘自大多媒體最喜歡翻譯外電之一的「每日郵報」。

這種「轉手再轉手」 新聞消息，往往就像我們玩喝水傳話一般，誤差是會隨之放大，就算是具科學背景的人士乍看這篇報導，也很難揣測原意是什麼，而實際上的研究成果應為下面這則英國皇家學會的稿件：

科學家到底怎麼說

某位對岸的網友李汀先生在新浪網的投稿中，也提到了這個研究與每日郵報報導中的落差，不過在此我們從一些太陽活動的背景先談起：

1. 太陽的「活動」是有周期性的，而所謂的活動包括了產生太陽風、日冕、太陽黑子等現象，簡單來說就是太陽會定時的向外突然放出高能的粒子、宇宙射線這些東西，平均來說周期是11年左右（如下圖紅線的太陽黑子個數年變化、橘線的太陽黑子個數日變化），但並不是那麼剛好的11年，有時會多1年、有時會少個1年。

2. 造成太陽運動周期變化的主要原因是磁場變化，這樣講或許有點抽象，就像是對流的概念，裡面的東西向外湧出，而外面的東西又跑到內部，而像黑子就是一些不均勻的活動…再講就太深了，先就此打住！

3. 接著回到這個研究，過去科學家已經知道了磁場、對流的影響。而今天科學家Valentina Zharkova這項研究的出發點，就在於他們認為造成太陽運動會有變動的一大主因可能就是太陽內部流體的對流可以「分成兩層」，所以他們便以此為前提來建立模型模擬，並對比到真實的觀測紀錄。

4. 要理解Zharkova的模型，我們可以想像把「兩層」的對流想像成兩個11年上下的穩定波動，有各自的週期，但它們會有疊加、相消的作用。當兩層的波動疊加時，活動就特別大，當相消時，就會特別小，而Zharkova研究團隊的模型與真實的觀測資料對比，有高達97%的準確率。

5. 以此前提我們似乎就可以拿來預測一下未來的活動…結果不得了！原來2030年太陽的活動將會減少為現在的60%，至於上次降那麼多是什麼時候呢？就是所謂的「蒙德極小期」（上圖的Maunder Minimum的區間，約在西元1645~1715年間），而那段時間也正好是「小冰期」的時間點附近（一般指的小冰期是西元1550年至1770年間，也有人認為那是明朝衰亡清朝興起的原因之一）。

科學家對於科學上用詞總是講求精準，誇大對科學家來說是個忌諱，綜合上面五點來看，只有第5點才勉強和地球將要變冷有一點點的擦邊球，但實際上科學家有以此「警告」人們嗎？沒有…為什麼不這麼說？因為那不是科學家有把握的事！即使太陽活動減少至現在的60%，我們還是不知道會降溫多少…甚至連會不會降溫都不知道呢！

所以現在到底是在暖化還是冰期要來？

實際上影響氣候的因子非常多，而且還非常難驗證。舉個例子來說，塞爾維亞科學家米蘭科維奇在本世紀初就提出米蘭科維奇循環，指出地球的氣候模式受到地球的離心率、轉軸傾角和軌道的進動的影響，但實際上我們現在知道的理論則是到1976年才確立的（見文獻[1]）。除此之外，像太陽黑子、板塊運動、火山活動皆會對氣候有不同尺度的影響。你說要斬釘截鐵的說：未來幾年天氣將會怎麼樣怎麼樣的，我相信那一定不是研究大氣或古今氣候的學者會做的事，頂多說會「我們要注意朝向XXXX發展」之類的說法。

再來，從時間尺度來談，蒙德極小期和冰期的相關性還有待討論，而這個太陽活動研究所提出的精準模型預測也還是需要科學家再論證…畢竟蒙德極小期持續了數十年之久，和11年的規律尺度還是有些落差，而在過去的紀錄中，即使能看見「溫度」和「太陽黑子」的相關性，我們也可以發現差距甚至不到1度（見下圖）。像IPCC的主流科學家也認為太陽的活動影響可能不若其它的因素顯著（包括暖化也是），而一般也認為太陽活動對氣候的影響甚小（見[2]）。

所以總體來說，IPCC的主流科學家們認為暖化是一件事，而科學家Valentina Zharkova做的研究是另一件事，這兩件事也可能同時發生，而以目前的證據與研究來說，暖化的效應和尺度似乎大一點，但真實的情況是…我們目前拿的出來的科學證據說不定還不夠用，所以現在把這些研究拿來說些駭人聽聞的事，似乎都言之過早。

那氣候變遷怎麼辦？人類要怎麼因應？至少我們人類別讓自己的影響太過頭（臭氧破洞就是個例子），起碼眼下節能減碳的目標（至少別燒那麼兇），也還算是條穩健的路。至於那些枝微末節或是高深莫測的學問，我們還是努力相信科學家幫我們找答案吧！對了，別忘了看這類的科學研究還是要保持著「科學精神」，避免斷章取義、以偏蓋全哦！

參考文獻

• [1] Hays, J.D., Imbrie, J., Shackleton, N.J., 1976, Variations in the Earth’s Orbit: Pacemaker of the Ice Ages. Science, 194 (4270): 1121–1132.
• [2] Climate Change 2001:Working Group I: The Scientific Basis

延伸閱讀

• 影響氣候的因子 [中央應地所]
• 小冰期將至？氣候危機當前，請不要誤導 [主場新聞]
• 太陽2030年休眠地球進入小冰期？媒體寫錯了！ [新浪投稿]