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1903 年諾貝爾物理獎:放射性元素,看招!—《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/02/07 ・2096字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

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文/余海峯|馬克斯.普朗克地外物理研究所博士後研究員

物理學可說從二十世紀初開始以指數速度發展,各現代物理領域幾乎都可以在這時期找到一些重要人物。而這次介紹的諾貝爾物理獎得主們,就開創了一個全新領域:放射性物理學。

1903 年共有三位科學家得到諾貝爾物理獎。他們就是得到二分之一獎金的亨利.貝克勒(Henri Becquerel)和各得四分之一獎金的居禮夫婦(Pierre Curie and Marie Curie)。

貝克勒:發現不用外來能源,就能發射放射線的鈾

倫琴得到的第一屆諾貝爾物理獎是因為他發現了 X 射線。兩年之後,第三屆諾貝爾物理獎就頒發給,發現了比 X 射線能量更高的伽瑪射線的貝克勒。貝克勒在知道倫琴發現了 X 射線之後,就立即動手測試其他磷光物質會否同樣放出 X 射線。貝克在實驗中發現鈾鹽,即含鈾元素(uranium)的礦物能階比較適合用來做進一步研究。他發現,鈾鹽竟然會發射一種看不見的射線,其強度足以穿透鋁片。這與倫琴發現的 X 射線性質非常相似。

  • 編按:貝克勒發現放射線的原因,其實是因為抽屜裡這一張底片!
亨利·貝克勒(Henri Becquerel,1852 年 12 月 15 日-1908 年 8 月 25 日)。圖/By Paul Nadar – Portrait of Antoine-Henri Becquerel (1852-1908), Physicist, Public Domain, wikimedia commons.

然而,當貝克勒繼續研究,他發現鈾鹽完全不需要外來的能源,也能夠發射這種看不見的射線。與之相反,倫琴需要通電真空管才能產生 X 射線。貝克勒非常仔細地做各種實驗,最後肯定他的結論沒有錯:他發現了一種全新的物理現象!現在我們稱這現象為放射性。而貝克勒發現的這種射線,在當時被稱為貝克勒射線。

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認真的貝克勒再經過更加多的實驗後,發現這種射線原來是由至少兩種不同的射線構成的。

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貝克的放射性鈾鹽實驗結果,證明貝克射線中存在至少兩種射線。圖/《物理雙月刊》提供

現在我們知道,放射性是指一種元素會自發衰變成另一種元素,同時釋放出高能量的伽瑪射線和其他細小的原子核。每一種元素的原子核都是由不同數量的質子(帶正電)和中子(不帶電)組成的。不過,並不是所有組合方式都是穩定的。其中有些元素的中子數量不同但質子數量相同,我們叫它們做同位素。某些同位素是不穩定的,其原子核就可能會分裂成兩個或幾個較細小的原子核,並且在分裂時一部分質量會變成能量(我們在以後談到愛因斯坦時會再解釋),這些能量就以伽瑪射線的方式釋放。

貝克勒發現這種射線的一部分可被磁場偏轉,而另一部分卻完全沒有影響。現在我們當然知道,會受磁場影響的就是 α 粒子(氦原子核)和 β 粒子(電子),不受磁場影響的就是 γ 射線(伽瑪射線)了。不過,在當時貝克勒仍然不確定鈾鹽有否衰變成其他物質。

居禮夫婦:從瀝青裡提煉出更強的放射性元素

科學界數一數二知名夫妻檔居禮夫婦。圖/By Unknown – hp.ujf.cas.cz, Public Domain, wikimedia commons.

這裡就輪到居禮夫婦出場了。居禮夫婦延續了貝克勒的放射性實驗,檢查了很多其他物質有否放射性。他們發現,一種叫做瀝青鈾礦(pitchblende)的化合物放射性比鈾礦放射性更強。因此他們就得出「瀝青鈾礦裡必定含有其他放射性物質」的結論。

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居禮夫婦繼而從瀝青鈾礦之中提鍊出兩種新的元素,叫做釙(polonium)和鐳(radium)。釙和鐳的放射性都比鈾更加強。

放射性的強弱怎麼比較?

說到這裡,我都好像還沒介紹如何量化放射性。「放射性比較強」即是什麼意思呢?

原來,放射性除了是自發衰變(即毋須外來能量刺激)之外,更有另外一種特性:放射性是一種隨機過程。每一個不穩定的原子核在每一刻都有一定機率自發衰變,而且這個機率對同一種同位素的每一個原子核都一樣。換句話說,如果某一時刻有 N(t) 個此同位素的原子核,在一定時間之後這 N(t) 個原子核之中就會有一部分衰變了。

這其實就是一條微分方程:

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(原子核衰變速率)正比於(餘下原子核數量)

解開這條微分方程,我們發現每一種放射性同位素經過同樣時間之後都會有同一個比例的原子核衰變了。原子核數量減半所需的時間就是我們經常聽到的「半衰期」,是一個很重要的物理量。放射性同位素經過一個半衰期就會剩下原來二分之一的原子核、經過兩個半衰期就會剩下四分之一、三個半衰期剩八分之一,如此類推。放射性的強度是以每秒有多少個原子核衰變來量度的,今天我們就以貝克勒的名字(Bq)作為單位。

放射性現象可說是真實的鍊金術,可比喻成自古以來每一個文化都渴望做到的點石成金。貝克與和居禮夫婦的發現證實了不同物質之間是可以轉換的,只是在當年仍未有人理解當中的原理和找到元素轉變的規則。另一方面,放射性亦顯示大自然的確有不可能預測的隨機過程。我們在以後介紹量子力學的科學家時,會再回到這個話題之上。


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本文摘自《物理雙月刊》38 卷 10 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站。

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物理雙月刊_96
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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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。

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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。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

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。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

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)」:

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  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。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

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。

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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。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

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。

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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

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將一生毫無保留地奉獻給科學——瑪麗亞.斯克沃多夫斯卡.居禮
椀濘_96
・2022/03/21 ・3561字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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瑪麗亞.斯克沃多夫斯卡-居禮(Maria Skłodowska-Curie,1867-1934),看姓氏不難聯想到,她就是我們所熟知的居禮夫人。她開創了放射性理論,發明分離放射性同位素技術,以及發現兩種新元素,是第一位獲得諾貝爾獎的女性,也是首位獲得兩座獎項的學者,在科學上的貢獻對後世影響深遠。

瑪麗亞.斯克沃多夫斯卡-居禮(1867-1934)。圖/Wikipedia

艱難困苦的童年

瑪麗生於波蘭華沙的書香世家,排行老么,家中有布朗斯拉娃(二姐)與索菲亞(大姐)兩位姊姊。父親是一名中學老師兼理事,母親原為一名校長,祖父亦是位受人尊敬的數學與物理教師。

當時的波蘭已被俄羅斯帝國佔領,在沙皇的統治下,波蘭人民的生活處處受限,也影響了瑪麗一家的命運。瑪麗的父親因濃烈愛國精神而被俄國上司打壓,校方撤除了他的理事一職,並將他們全家趕出宿舍;加上雙親的家庭參與波蘭獨立民族起義,家中又遭遇投資失利,經濟頓時陷入困境。

隨後瑪麗一家搬進廉價的住所,父親為貼補家用便招收了多名寄宿生,平時除供應食宿外,從學校下班後還替他們補習來賺取更多收入。生活看似漸漸好轉,但遺憾的是,短短三年內瑪麗的大姐及母親皆因病去世。

1890 年,瓦迪斯瓦夫.斯克沃斯基與女兒們的合影,左起:瑪麗亞、布朗斯拉娃(二姐)、索菲亞(大姐)。圖/Wikipedia

因性別在求學路上受阻

天資聰穎的瑪麗亞自幼就是個相當用功的學生,尤其在數理方面更是表現亮眼;在她 15 歲那年,便以第一名的成績從女子文理學校畢業。

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然而,因當時波蘭的正規高等院校拒收女性學生,波蘭女子若想繼續接受正規的大學教育,唯一一條路就是出國留學,但這對瑪麗家中的經濟條件而言,是筆相當大的開銷且難以負擔。

成績同樣優異的二姐曾想過前往巴黎學醫,夢想成為一名懸壺濟世的醫師,但礙於家中經濟狀況遲遲無法如願。瑪麗想幫姐姐盡早完成學業,決定先當家教來資助其學費,兩人也約定,待畢業後再協助瑪麗出國求學。在瑪麗的支持下,二姐終於得以前往巴黎一圓醫師夢。

爾後的幾年,瑪麗一面做著家教工作,一面自學,期間閱讀了大量化學相關書籍,也是在這時獲得了第一份實驗室工作機會,這消息對她相當振奮;儘管實驗室設備簡陋,但能把在書中讀到的知識親手實作就已心滿意足,此經歷也影響了她未來將走上科學研究這條路。晚年瑪麗回憶起這段的時光:

「就是因為這第一次的實驗室工作,使我肯定自己在實驗研究上的興趣。」

突破重重阻礙取得學位

1891 年,24 歲的瑪麗在進行實驗室工作的同時,也終於踏上留學路,前往巴黎大學修讀物理學。剛到巴黎的她人生地不熟,對語言不熟悉外,又因過往在波蘭所受的教育無法應付大學課程,初期學業表現遠遠不及同儕。瑪麗便在課業上下足功夫,閒暇時間也都泡在圖書館裡,終於皇天不負苦心人,靠著清晰的思維加上勤奮苦讀,成績漸漸有了起色。

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1893 年瑪麗以第一名的佳績成功取得了物理學碩士學位,原先是想再取得一個數學學位,但此時她已將留學用的積蓄花光,也就放棄了這份念頭。幸運的是,在友人的協助下,華沙當局頒發給瑪麗海外優秀留學生「亞歷山大獎學金」,使她得以重返巴黎大學繼續深造,並在隔年順利取得第二個碩士學位。值得讚揚的是,在畢業的幾年後她將這份獎學金歸還給委員會,這舉動令人相當震驚,從未有任何一名學子歸還過,而瑪莉是第一位。

科學界的佳偶——居禮夫婦

學成後,瑪麗留在法國並開啟了她的科研生涯。當時為了能夠順利進行工作,正尋找著合適的實驗室;在同鄉物理學家約瑟夫.科瓦爾斯基介紹下,她結識了未來的丈夫,法國青年科學家——皮耶.居禮。對科學滿懷熱情的兩人情投意合,彼此欣賞著對方的個性及才華。

1894 年,瑪麗返回波蘭生活,原以為能在家鄉繼續從事喜愛的科研工作,然而波蘭的大學仍以性別為由將其拒絕。在皮耶的說服下,瑪麗回到巴黎並協助他完成了磁性研究,兩人也在同年結為連理。

當時總有人打趣得說:「皮耶最大的發現就是瑪麗」。

在實驗室裡的居禮夫婦。圖/Wikipedia

帶領科學邁向新篇章

婚後夫婦倆一面養育女兒,一面做科研。瑪麗首要目標就是取得博士學位,她選定了當時剛發現的X射線以及鈾射線作為研究主題。後續在研究鈾礦時,透過驗電器的測量結果,瑪麗推斷鈾礦必定含有其他活性比鈾大的物質,於是開啟了她尋找其他放射性物質之路。

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皮耶對瑪麗亞的工作越來越感興趣,隨後也加入了太太的行列。他們用酸液分解研磨過的瀝青鈾礦,再用化學分析方法分離出瀝青礦中可能含有比鈾更具放射性的物質。不久後,成功從實驗裡發現了比鈾的活性高 300 倍的新元素。隨後居禮夫婦發表了一篇聯合署名論文,正式宣布以「釙」(Polonium)命名所發現的新元素,以紀念波蘭。

在發現釙之後不久,她從實驗中發覺似乎有更強烈的放射性物質,便認定這也許是另一個新元素,這時物理學家亨利.貝克勒也加入了居里夫婦的研究行列。他們終於找出這個放射性比鈾大 900 倍的物質,三人將新元素命名為「鐳」(radium),拉丁文意為「射線」,也在研究過程中創造出單詞「放射性」(radioactivity)。

在當時居禮夫婦聯合及單獨發表的 32 篇論文中,其中一篇就為:在鐳輻射下,病變或腫瘤細胞比健康細胞死得更快。可說是若沒有這份的研究成果,就不會有現在用來治療癌症的放射性療法了。

得來不易的諾貝爾獎

在一系列研究及發現後,1903 年瑪麗終於獲得巴黎大學物理博士學位。同年瑞典皇家科學院授予居禮夫婦及亨利.貝克勒諾貝爾物理學獎,起初委員會僅表彰皮耶和貝克勒,不過有位倡導女性科學家權利的委員通報並向上申訴,瑪麗亞才能獲得提名,成為了首位獲得諾貝爾獎的女性。

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1911 年諾貝爾獎證書。圖/Wikipedia

隨著瑪麗亞成功從金屬中提煉出鐳,1911 年瑞典皇家科學院授予她第二座諾貝爾獎(此次為化學獎),以表彰:「發現了鐳和釙元素,提煉純鐳並研究了這種引人注目的元素的性質及其化合物」。此次的獲獎肯定也使她能夠說服法國政府支持並建立鐳研究所,該研究所於 1914 年建成,研究領域涉及化學、物理、醫學等。

將自己毫無保留地貢獻給科學與社會

一戰期間瑪麗為協助戰地外科醫生,便在靠近前線的地方設立了戰地放射中心。她的身影穿梭在戰地醫院中,指導著 X 光裝置的組裝及使用,據估計,超過 100 萬受傷士兵受過她的流動式 X 光機治療。

瑪麗與她的 X 光車。圖/Wikipedia

在戰後的歲月裡,瑪麗亞將時間奉獻將所學與經驗傳授給學生,也包括許多遠從世界各地慕名而來的後進學者。在她的指導下,鐳研究所培育出了四位諾貝爾獎得主,女兒伊倫.約里奧-居禮及女婿弗雷德里克.約里奧-居禮也在其中。

1934 年,瑪麗亞因再生不良性貧血逝世於療養院,後世普遍認為是因長時間暴露於輻射中而造成的,當時科學上並未了解到游離輻射會對人體產生危害,也未開發任何防護措施。瑪麗亞的生活處處充滿放射性物質,幾十年間患上了多種慢性疾病,然而一直到去世,她從未意識到這會危及自己的健康甚至是生命。

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瑪麗亞.斯克沃多夫斯卡-居禮一生不慕名利,奔波於科學研究、教育學子,將畢生毫無保留地貢獻給科學與社會。直到今日,世人仍持續讚賞她的付出與貢獻,紀念這位偉大的科學家。

參考資料:

  1. 維基百科—瑪麗.居禮
  2. 科學名人堂—居禮夫人
  3. 居禮夫人:大家都聽過的科學家,與她充滿波折的人生和感情路
  4. 科技大觀園—開啟輻射醫學大門的居禮夫人
  5. 傑出的科學貢獻與多舛波折的人生:瑪麗.居禮誕辰|科學史上的今天:11/7
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2021 諾貝爾物理獎得主真鍋淑郎——地表模型開山始祖,研究地表模式都要引用他的論文
Y.-S. Lu
・2021/10/14 ・2990字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 作者|盧彥森,目前任職於 德國于利希研究中心 能源與氣候研究所

第一個地表模型的開發者——真鍋淑郎

在大氣科學領域中,有一部份專業領域統稱為「氣象模擬」,其中,有一門名為「地表模式」的領域,是專門算地表上各種物理、化學、生物作用的行為。

在做這些模擬的研究者中,有個很有名的日本名字,叫做 Manabe,他的論文會一直出現在大家眼前,也就是(只有我們在乎的)《 Manabe 1969, CLIMATE AND THE OCEAN CIRCULATION I : THE ATMOSPHERIC CIRCULATION AND THE HYDROLOGY OF THE EARTH’S SURFACE 》[1],最近因為大量的報導,我才知道原來他名字的漢字是——真鍋淑郎,也就是第一個地表模型的開發者,而在 2021 年時,他拿下了諾貝爾獎。

真鍋淑郎,2021年諾貝爾物理學獎得主之一。圖/維基百科

地表模式(Land Surface Model)在大氣模擬中有舉足輕重的地位,可以算地面是怎麼跟大氣作反應的,像是降水是怎麼被樹冠層截流、土壤水是怎麼變成地表逕流跟地下水、水是怎麼靠蒸散發回到大氣中;還有太陽光怎麼被地面或葉面吸收、能量怎麼被蒸散發作用給吸收、地面上的溫度增加或減少了多少,還有太陽輻射是有多少返回大氣層。

而真鍋淑郎的地表模式,則涵蓋了一大部份的物理反應,供美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)的 Geophysical Fluid Dynamics Laboratory 的全球大氣模型使用。

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Geophysical Fluid Dynamics Laboratory 圖/Geophysical Fluid Dynamics Laboratory

不過學界是殘酷的。在那個電腦比房子貴的年代(房價在 1960 年的中位數約為$11,900,CNBC報導),真鍋順便背了個學界的鍋,像是:你的模型是不夠真實的、你的土壤濕度估算不夠物理……等因為電腦計算跟理論發展還不夠成熟,所以尚未發展的物理與計算方法。

後來的論文也會稱真鍋的地表模式是水桶模型(因為其計算土壤濕度的方法宛如水桶一樣,滿了就去除,而非經土壤中水流方法流走的)。但無論如何,第一個地表模型,基本上就是真鍋與他在普林斯頓的好夥伴們發展出來的。因此,真鍋的地表模型也在後來的論文中,尊稱為第一代的地表模式,建立起祖師爺等級的封號(Sellers et al., 1997)。

水桶模型後,百家爭鳴的地表模式大戰

雖然第一代的地表模式,土壤當做水桶,地上也沒有植物,更不要說可以進行光合作用或是碳排放來研究二氧化碳是怎麼搞壞我們的人生,但也讓後續的第二代地表模型有了出發點。

1980年後,在個人電腦逐漸普及後,地表模式也開始百家爭鳴,其中真鍋的身影也就只存在各家論文的引用中了。後來再出現時,則是在地表模式大戰——PILPS(Project for the Intercomparison of Land-surface Parametrization Schemes)[2]。這個計畫中,以水桶模型這個稱號出現。基本上始於 1995 年的 PILPS 計畫,就是利用荷蘭的 Cabauw 量測站測到的氣象狀況,來驗證各家第二代的地表模式中,誰才是最強的。

荷蘭 Cabauw 村莊。圖/維基百科

當然結果就是,沒有誰家最強。

更重要的是,雖然地表模式都比真鍋的模型更複雜了一點,但是有個東西是沒有人考慮到的:光合作用。

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當時各家的蒸散發公式,主要都是用Jarvis的葉面氣孔參數化公式做考量[3],所以也沒有真的考慮到二氧化碳、水、太陽之間的直接關聯。而做出這個關連性主要公式——Farquhar等人[4] 的二氧化碳同化作用公式,才在 1980 年時正式發表,離他同事 Berry 拿去演化成植物氣孔跟光合作用的連動公式[5],還有七年。而在地表模型大戰中發表的模型,其實都長得 87% 像。

在 1997 年時,NASA 的 Sellers等人[6],與多位同樣是地表模式的作者與植物氣孔模擬專家,在《Science》期刊中,登高一呼:我們要有能夠計算生態跟複雜物理的模型!畢竟在 PILPS 的大戰中,沒有真正的勝者,也沒有真正的輸家,甚至我們的真鍋大哥在水文計算上也沒有輸[2]!

所以在 2003 年,集合了 PILPS 大戰中和解的部份朋友們,第一支集眾人之力誕生的通用地表模式(Common Land Model)上線了[7],這支從 1998 年開始寫的程式,過了近五年後才發表,算是第三代地表模式的代表作。

而這個第三代中,植物終於開始有了它的意義,這植物的葉子終於可以隨四季生長了,也會行光合作用了,土壤也增厚到兩公尺多了,土壤也會依不飽和水流公式往下滲流,也可以計算堆雪了。其中最重要的,就是那光合作用公式的應用。

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持續再精進與貢獻

之後的地表模式,就一直著重在地面植物的改良,讓植物越來越真,從一開始的沒有植物,到會蒸發水,再到會跟二氧化碳互動,以及跟氮交互作用,計算植物的農作產出,一步步朝著更精細的方向前進。

當然地表模式也有很多需要改良的地方,首先是地表模型是假設地表跟大氣是一維方向的互動,而土壤中水流也是只會向下滲流,如果要計算真正的水流,就必須要進行三維的地下水流動,這就是另外一個耗資源的計算。另外植物也不是真的植物,植物被假設只有四片葉子,還只有一層。

英國的「JULES」模型曾報告說他們做了個多層葉冠層的模型,最後只能淡淡的說因為計算資源耗太兇,所以沒算完 [8]。更甚者,地底下的根是「死」的,一年四季,不生不滅、不垢不淨,持續地在只有兩公尺厚的土裡,把水吸到植物中行光合作用(Pitman, 2003)[9]。

所以無論如何,地表模型不僅不死,其勢更烈,因為有太多的東西可以靠地表模式來計算,像是人類對地球表面的影響、化合物排放,也都可以靠地表模式計算其對大氣的影響,就連地下水模型也都要拜託地表模式處理複雜的地表水文狀況[10]。

從 1969 年到 2021 年,無數的改良與改版,還有兩次的超級地表模式大戰(第二次利用 Rhône 流域量測結果[11]),都增加了人們對大氣系統的了解,並且一步步改善天氣預報的準確度,而其中的功臣之一,當然是真鍋博士在 1969 年,比 Unix 更早發表的地式模型,所以的確功不可沒,而現在地球科學的眾多估算中,地表模式解決了很多的水文與能量問題,更遑論對氣候變遷的計算,才能在1975年提出二氧化碳加劇溫度上升的研究[12]。拿下諾貝爾獎,不僅僅是贊同真鍋博士的功勞,更是對大氣模擬界的慰勞吧。

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參考資料

  1. Manabe S. (1969). CLIMATE AND THE OCEAN CIRCULATION 1: I. THE ATMOSPHERIC CIRCULATION AND THE HYDROLOGY OF THE EARTH’S SURFACE. Mon. Weather Rev. 97:739–774.
  2. Pitman, A. J., Henderson-Sellers, A., Desborough, C. E., Yang, Z. L., Abramopoulos, F., Boone, A., … & Xue, Y. (1999). Key results and implications from phase 1 (c) of the Project for Intercomparison of Land-surface Parametrization Schemes. Climate Dynamics, 15(9), 673-684.
  3. Jarvis PG. (1976). The Interpretation of the Variations in Leaf Water Potential and Stomatal Conductance Found in Canopies in the Field. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 273:593–610.
  4. Farquhar, G. D., von Caemmerer, S. V., & Berry, J. A. (1980). A biochemical model of photosynthetic CO 2 assimilation in leaves of C 3 species. Planta, 149(1), 78-90.
  5. Ball JT., Woodrow IE., Berry JA. (1987). A model predicting stomatal conductance and its contribution to the control of photosynthesis under different environmental conditions. In: Progress in photosynthesis research. Springer, 221–224.
  6. Sellers PJ., Dickinson RE., Randall DA., Betts AK., Hall FG., Berry JA., Collatz GJ., Denning AS., Mooney HA., Nobre CA., Sato N., Field CB., Henderson-Sellers A. (1997). Modeling the Exchanges of Energy, Water, and Carbon Between Continents and the Atmosphere. Science 275:502–509
  7. Dai Y., Zeng X., Dickinson RE., Baker I., Bonan GB., Bosilovich MG., Denning AS., Dirmeyer PA., Houser PR., Niu G. (2003). The common land model. Bull. Am. Meteorol. Soc. 84.
  8. Best MJ., Pryor M., Clark DB., Rooney GG., Essery RLH., Ménard CB., Edwards JM., Hendry MA., Porson A., Gedney N., Mercado LM., Sitch S., Blyth E., Boucher O., Cox PM., Grimmond CSB., Harding RJ. (2011). The Joint UK Land Environment Simulator (JULES), model description – Part 1: Energy and water fluxes. Geosci Model Dev 4:677–699
  9. Pitman AJ. (2003). The evolution of, and revolution in, land surface schemes designed for climate models. Int J Clim. 23:479–510.
  10. Kollet SJ., Maxwell RM. (2006). Integrated surface-groundwater flow modeling: A free-surface overland flow boundary condition in a parallel groundwater flow model. 29:945–958.
  11. Boone A., Habets F., Noilhan J., Clark D., Dirmeyer P., Fox S., Gusev Y., Haddeland I., Koster R., Lohmann D. 2004. The Rhone-Aggregation land surface scheme intercomparison project: An overview. J. Clim. 17:187–208.
  12. Manabe, S., & Wetherald, R. T. (1975). The effects of doubling the CO2 concentration on the climate of a general circulation model. Journal of Atmospheric Sciences, 32(1), 3-15.


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Y.-S. Lu
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自從來到學界後,便展開了一段從土木人到氣象人的水文之旅。主要專業是地球系統數值模擬,地下水與地表模式的耦合系統,以及大氣氣象模擬。目前是于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich GmbH)超級電腦中心的博士後研究員。
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