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天燈飛不出平溪,真的嗎?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2016/10/10 ・2921字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

文/周鑑恆|萬能科技大學光電工程系副教授

天燈相傳是三國時期諸葛亮發明的。孔明先生為了傳遞軍情,利用熱空氣向上升的原理,以開口朝下的輕質大紙袋,兜住大紙袋下方燃燒燃料而產生的熱空氣,使整個紙袋和其中熱空氣所受到的浮力大於其總重量,紙袋於是冉冉升空,彷彿高掛蒼穹的燈籠。稱之為天燈,恰如其景。

約從上世紀 90 年代台北平溪重新恢復了在元宵節放天燈的活動,放天燈遂逐漸成為台灣家喻戶曉的觀光盛宴,天燈的用途則由傳遞消息轉變成祈福或許願。時至今日放天燈已不僅僅流行於台灣及中國大陸,日本、泰國、波蘭、墨西哥、俄羅斯(聖彼得堡的海邊)等國家,都有放天燈的習俗。

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波蘭 Łódź 地區的天燈。圖/Kamil Porembiński @ Flickr

天燈到底怎麼飛起來?

簡單來說,天燈可以飛是因為受到空氣浮力作用。

大家應該記得阿基米德浮力原理——物體在液體中所受的浮力和它所排開的液體重量相等。而空氣浮力和水的浮力原理相同,物體在空中受到的空氣浮力就等於它排開空氣的重量。但還有另外一個重要的因素,那就是「密度」,物體要在空中飛起來,它的密度必須小於空氣的密度。因此使得物體受到的空氣浮力,亦即物體排開空氣的重量,大於物體的重量。

空氣和水不同,因為水的密度隨水深淺變化不明顯,很容易計算一定體積水的重量,進而算出物體在水中所受的幾乎不變浮力。空氣密度卻會隨著高度而遞減,也會受氣壓、氣溫、溼度的影響,地表上的空氣密度約為 1.29 公斤 / 立方公尺。

一立方公尺物體所受的空氣浮力約為 1.29 公斤重,其實並不是很小。但因為日常生活中的物體密度都比空氣大很多,所以不容易察覺空氣有浮力。例如:木材所受的空氣浮力,只有木材重量的數百分之一。就算是一立方公尺,重約 12 公斤的輕質保麗龍,受到 1.29 公斤重的浮力,也不過是約十分之一的重量。即使世界上最輕的物質——氣溶膠(Aerogel),又稱固態烟,它的密度也比空氣的密度大 1、2 倍以上,還是不能在空氣中漂浮起來。

製作天燈的紙密度比空氣密度大,單只有這一層紙當然飛不起來,但這層紙包住的空氣,卻是讓天燈飛起來的主要原因。這並不是一般的空氣,而是加熱後的熱空氣,因為天燈內的溫度上升,使得其中的空氣分子活動範圍變大了,天燈的體積有限,因此活動空間不足的空氣分子就會開始往外跑。在這個過程中,天燈內的體積不變,但是空氣分子數量下降了,因此空氣的密度也就下降了。而天燈所受之浮力大小等於天燈體積所排開的一般空氣的重量,正比於天燈的體積,當這個浮力,大於天燈材料與其中熱空氣的總重量時,天燈就可以騰空了。

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天燈內包住的熱空氣是讓它能升空的主要原因。圖/Jean-Marie Hullot @ Flickr

天燈所在位置的空氣密度越高,天燈也越容易升空。雖然在天燈尺寸高度範圍內(只有一、兩公尺),空氣密度變化的確不大,但是在天燈飛行的高度範圍內(約幾百公尺),空氣密度的變化就較明顯。

筆者有實際經驗,同樣大小的天燈(其尺寸比平溪天燈稍小),在臺灣平地能飛,在海拔約 1000 公尺的蒙古高原上就飛不起來了。民間方便製做、尺寸高度在一、兩公尺的天燈,在海拔不高的地區才能夠升空,所以放天燈的習俗多流行在低海拔地區。

平溪的天燈飛不出平溪,合理嗎?

前幾個月,新北市觀光局為回應社會大眾因製造垃圾、生態破壞等理由,對於「放天燈」的反彈,他們表示:平溪當地的天燈燃料量控制在 12~14 張金紙以下,只能飛行最高 800 公尺,最遠 5 公里,並不會飛出平溪以外,而燃料也會在天燈落地前燒完,不會造成火災。這在理論上合不合理?

依照規定平溪當地使用的天燈,要符合以下條件:

 1. 底座直徑 60~70 公分

2. 高度 130~140 公分

3. 外圍 360~370 公分

4. 重量不得超過 300 公克

我們嘗試來算算看,這樣的天燈可以飛多高。記得我們前面所說的,天燈要飛起來的條件:天燈所受浮力>天燈本身材料重量+熱空氣重量。

天燈受到的浮力:V(天燈體積)× ρout(天燈外空氣密度)× g(重力加速度)

天燈總重量:mg(天燈材料重)+ V × ρin(天燈內空氣密度)× g

所以 Vρout g > mg+ Vρin g,又可記為 V(ρout-ρin)g > mg

其中空氣密度的影響因素,我們考慮兩項:溫度和高度,其餘的氣壓、濕度這邊就暫時略過不提了。在溫度上,密度與溫度成反比:

2

所以,上面計算天燈浮力的不等式,又可以調整為

3

另外,考慮高度如何影響空氣密度,天燈飛到 800 公尺左右高度時,空氣密度約為地面空氣密度的 90%,也就是 1.29 公斤 / 立方公尺乘以 0.9,約等於 1.16 公斤 / 立方公尺。而根據規定的天燈尺寸,可以估計天燈體積大約一立方公尺。天燈中燃燒的金紙可能高達 170℃,我們假設天燈內的空氣被加熱到 100℃(430K);而外在的氣溫約以 25℃(298K)來計算。在 800 公尺的高度,浮力(見下式)

擷取

已經接近規定的天燈重量(約 300 公克重 = 0.3 × 9.8 牛頓)了。如果天燈再往上飄,空氣密度更小,浮力就小於天燈重量了,更別說可能燃料已經燃燒殆盡,天燈內的溫度也沒辦法維持了。

那麼,天燈可以飛多遠呢?

在無風的條件下,天燈就只會從原地垂直升空,但有風的時候就會造成它水平位移,風速越大水平位移的速度越快、距離越遠。平溪的平均風速約 4 公尺 / 秒,風速不大,在 12~14 張金紙燃燒的時間,也就是天燈滯空的時間,約為七、八分鐘,以 500 秒來計算,大約只能飛 2 公里遠;即使風速到 10公尺 / 秒,天燈大約也只能飛 5 公里(事實上風速到 10 公尺 / 秒的狀況,根本很難放天燈,也失去放天燈的樂趣,不會有人在這種風速狀況下放天燈)。而且平溪周圍環山,終年多雨,基本上天燈也難以飛離終年潮溼的平溪,這也是為什麼要規定:燃料的數量、施放地點、以及風速過大不適合施放的原因。

因為平溪的自然條件得天獨厚,再加上審慎根據科學原理,並結合多年的經驗之後,仔細訂定平溪放天燈的規定。如果遊客遵守這些規定,在規定的範圍內(平溪區師功橋到十分遊客中心,106 號縣道基隆河流域沿岸周界範圍二百公尺內)施放,就不太可能出現意外。

此外,如果天燈不破損,燃料持續燃燒,就能使天燈內的空氣溫度足夠高,即便金紙燃燒完畢,天燈內的空氣溫度也會維持一段時間,還能滯留空中。天燈內的空氣溫度開始降低後,天燈也只會緩緩下降,所以說燃料基本上也會在天燈落地之前燒完。

平溪老街變化
2003 – 2015 年平溪地區空拍圖變化。圖/Google Earth

參考資料

  • 周鑑恆,《走馬天燈》,海峽前鋒文化事業有限公司,2014 年。
  • 林政賢,〈天燈施放氣象條件之研究 -以平溪天燈施放區為例〉,中華科技大學土木防災與管理碩士論文,2014 年。

——————

你放過天燈嗎?當天燈冉冉升空,隨之而上的是我們的心願,不過同時升起的還有大眾對於放天燈不環保、製造垃圾的質疑聲浪。本專題從科學、環保、歷史角度切入,嘗試探討天燈目前面臨的問題與解決的可能方向。本專題由泛創特工企劃執行,新北市觀光局委託。

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保留海洋中的絢麗色彩——海科館陳麗淑博士專訪

科學月刊_96
・2021/09/30 ・5120字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由海洋保育署廣告企劃,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 作者:採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地,但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題,珊瑚的生存不斷受到壓迫,珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚,由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」,用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對,就能評估該珊瑚的健康狀況。此外,海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣,讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

圖/Pexels

海中有著形形色色的生物,如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的,肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了!許多人常會誤認珊瑚是一種植物,但牠其實是不折不扣的動物。事實上,珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲(coral polyps)所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚,而由珊瑚組成的珊瑚礁(coral reef)更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢,每年僅增長約 10 公分,且十分脆弱,近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題,造成珊瑚的生存出現危機。因此,保護珊瑚人人有責,但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢?本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館(以下簡稱海科館)的研究員陳麗淑博士,看看有哪些保護珊瑚的方式,以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測(coral watch)方法吧!

珊瑚遇到了什麼危機?

關於珊瑚,我們最常聽到的是「珊瑚白化」(coral bleaching)。但珊瑚白化代表什麼?又是什麼造成了珊瑚白化呢?

白化的軸孔珊瑚(Acropora spp.)與背景中的健康軸孔珊瑚形成對比。圖/WIKIPEDIA

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感,一般來說,對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23~28℃,而生存的極限溫度範圍則為 18~32℃,若超過這個溫度區間,對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示,一但海水溫度超過 32℃,珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化,各種珊瑚因生長速度不同,白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說,生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化,而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的?其實珊瑚白化詳細原因,是因為當環境溫度出現劇烈變化時,珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源,因此在珊瑚內部的共生藻數量多時,顏色就會飽滿鮮豔,而當共生藻離開珊瑚後,珊瑚的顏色便會越變越淡,最後白化,若後續沒有適當保護與處置,珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的,只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度,珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣,恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象,陳麗淑表示,珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季,甚至在去(2020)年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象,由於當時的海水溫度偏高,且維持時間較長,使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是,根據調查,今(2021)年還未發生大規模的珊瑚白化,且時節已進入秋季,海水溫度下降,至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過,陳麗淑也語重心長地提醒:「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是,若海水溫度升高頻繁,將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此,我們必須想辦法保護珊瑚。

圖/Pexels

一般人該怎麼保護珊瑚?老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說,並不是所有人都具備珊瑚的相關知識,對此,陳麗淑一直在思考該用什麼方法,才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢?在公民科學領域中,有個名為「珊瑚礁體檢」(reef check)的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高,需要先經過一定時數的課程訓練,且所費不貲,因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上,珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣,但當時並未受到大量關注。直到 2018 年,陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式,發現其背後的科學大有學問,也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片,上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示,這些色調涵蓋了約 70~80% 的珊瑚種類,即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚,但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單,任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁,將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域,則建議觀測時攜帶光源,以避免色差造成的誤判。前文有提到,珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量,當共生藻數量越多,珊瑚顏色越深,也就代表越健康;反之,若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

因藻類過度生長而造成的珊瑚白化 。圖/WIKIPEDIA

陳麗淑說明,珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學(The University of Queensland)學者馬歇爾(Justin Marshall)等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗,觀察在各溫度區段中,不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量,並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後,馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示,這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後,許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高,能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫,將珊瑚的顏色變化標準化後,製作成珊瑚健康色卡,提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康,並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據,支持珊瑚礁監測工作。

另外,珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作,包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中,讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境?

雖然保育珊瑚是許多人的共識,但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動,當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上,若沒有人為協助清理,則非常有可能造成珊瑚死亡。

圖/Pexels

陳麗淑舉例說明,由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)的本土疫情,位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現,因為沒人下水協助清理海洋垃圾,許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除,發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象,這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此,陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論,若保育區都沒有人進入可能並不是件好事,尤其當海洋汙染嚴重,垃圾很多的情況下,都還是必須定期有人去協助清理。因此,保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢?陳麗淑表示,如果你是一個會下水觀測的人,使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備,只要準備珊瑚觀測的卡片,攜帶相機與光源,就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客,反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚,因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署(以下簡稱海保署)為推廣友善珊瑚礁生態旅遊,提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」,包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水,在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說,在我們常用的防曬乳中,多數含有可能傷害珊瑚的成份,因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外,由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類,讓珊瑚順利生長,我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的,是希望大家一起落實節能減碳,全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一,若減碳能從個人做起,也是保育珊瑚的積極作為。

「海洋友善防曬」 的成分較不會傷害珊瑚。圖/Pexels

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外,海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示,海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測,還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面,海科館內也有養殖珊瑚,研究人員會把這些珊瑚移植到野外,或是使用不同的材質,測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法,協助加速珊瑚的生長。

在教育方面,去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位,共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中,包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此,海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學,除了教導珊瑚的知識,以及倡導珊瑚保育外,讓小朋友們藉由織毛線的方式,訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題,也讓小朋友在織毛線的過程中,思考珊瑚對於生態的重要性,從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後,舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外,海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事:珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書,並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」,整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示,透過這些教材與教案的持續推廣,希望能讓更多人利用這些資源,一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫,建立珊瑚監測與保育示範點,以及珊瑚監測交流網絡,選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底,澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態,但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退,可見除了受到全球暖化影響,不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外,海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作,針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育,增加棲地多樣性。截至今年 9 月底,珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺,其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占(Lethrinus nebulosus)、鸚哥魚(Scaridae)、隆頭魚(Labridae)等也逐漸聚集在移植區域,豐富當地生態。

棕吻鸚哥魚。圖/WIKIPEDIA

此外,有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作,海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室,除了作為各單位資料蒐集整合中心,提供數據科學家分析資料外,還能進一步轉化為資訊呈現給大眾,使珊瑚礁相關專家學者、單位,以及一般民眾等,都可藉由此互相交流,同時兼具諮詢、推廣功能,協助提供珊瑚保(復)育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析,了解水質狀態,以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與,海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」,支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植,希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略,發揮社會影響力,促進在地參與珊瑚保育及復育作業,並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面,再到行動面,海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松!為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧!

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