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用科學的方法消滅哥吉拉(2):抗核細菌、氧元素破壞劑、酒精——《空想科學讀本:怪獸與超人戰力大揭密》

遠流出版_96
・2017/04/15 ・4237字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

抗核細菌的反擊

雖然有點問題,但這下子我們明白了,最適合消滅怪獸的武器,居然是遠在天邊、近在眼前的超級槍和微波殺獸光線砲。如果拍攝符合現實的怪獸電影或電視節目,情節就會變成「怪獸才出現就被自衛隊和正義隊伍打倒,正義的怪獸和超人力霸王完全沒有戲份,黯然退場」……。

但是,不知幸或不幸,幾乎沒什麼怪獸是這樣被打倒的。這又是為什麼呢?問題只可能出在功率不足。也就是說,自衛隊或科學特搜隊的雷射光武器還沒到實用階段。連這麼初步的問題都沒注意到,究竟是怎麼回事啊。難道上級單位從來都不聽第一線人員的意見嗎?

既然手邊的武器沒用,那只好拿出新型武器了。打倒怪獸絕頓的無重力彈,讓機械人喬王爆炸的萊通 R30 炸彈等等,在劇中也都非常有效。然而可惜的是,這些超厲害的武器到底原理為何、又有些什麼效果……幾乎完全沒提。

因此,我們只好試著把思考方向限定在能明白其原理的科學武器。

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首先是在平成版《哥吉拉》電影中屢次登場的抗核細菌。這種細菌能吞食核物質,成功讓哥吉拉變得衰弱。自然界中有吃鐵的細菌,因此或許有人認為,有吃鈾或鈽的細菌也沒啥奇怪的。但是,所謂會吃鐵的鐵細菌,並不是長了銳牙把鐵嚼碎吞下去的。它們擁有能把碳酸鐵轉化為氫氧化鐵的酵素,再將此化學反應的能量用來製造碳水化合物,然後靠此維生。說到底,這些細菌並沒辦法直接對鐵下手。

所以,關於吃核物質的抗核細菌,比較妥當的構想是它能讓附著在放射性元素上的其他分子進出變動,然後利用其化學反應的能量活下去。如此一來,核反應的能量不受影響,細菌與哥吉拉沒有利害衝突,兩種生物可以共生。就算抗核細菌在體內繁殖得再旺盛,哥吉拉照樣精神百倍噴出放射能火焰。

圖/Tom Simpson @ Flickr

要是抗核細菌真能吸收鈾或鈽的核分裂反應能量而增殖,那可嚴重了。製造 1 公克碳水化合物,需要 1 萬 7 千焦耳的能量。而 1 公克核物質放出的能量高達 800 億焦耳。抗核細菌只要在哥吉拉體內吃了 1 公克核物質,就足以製造 5 噸碳水化合物!就算一半都用在呼吸等生命活動上吧,還是有一半會變成擁有抗核細菌的新身體。

先假設哥吉拉體內的核物質只佔體重的 1% 好了。平成版哥吉拉的體重 6 萬噸,而且來自海中。如果牠有體重的 1%、也就是 600 噸的核物質,以這些為能量來源,抗核細菌會增殖出 15 億噸的菌體!拿來製造碳水化合物的原料當然是哥吉拉的身體,也就是細菌四周的二氧化碳及水,所以哥吉拉沒兩下就會被吃得精光。但是大夥兒還來不及額首稱慶,長出來的 15 億噸抗核細菌呢,就會因為用盡核物質和氧氣而一起死滅!結果東京灣就被前所未見、厚達 1 公尺的紅潮蓋滿,海中生物全部滅亡,都流到東京灣外【圖4】,最後太平洋沿岸居民都會活在惡臭地獄當中。這傢伙遠比哥吉拉更難收拾啊!

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比哥吉拉更強的芹澤博士

那麼,用殺死初代哥吉拉的水中氧元素破壞裝置如何?這是一種能破壞氧氣、使生物液化的化合物,在 1954 年上映的《哥吉拉》電影裡頭,把這隻恐怖怪獸化成白骨。

破壞氧能液化物質完全看不出這一點的理論根據。不過要是能破壞氧原子,那在生物體內擔任最重要角色的「水」就沒了,這樣的確會對生物造成致命傷害。然而,水中氧元素破壞裝置的另一種說法是「氧氣破壞劑」,這擺明它是一種化學物質。要破壞原子的話,必須引發核反應,但是化學物質所擁有的能量遠比核反應的能量小多了,所以靠化學反應是不可能破壞原子的。

如果目的在於從哥吉拉的體內奪走氧氣,那可以用燃燒、或者用強酸來沖它等化學反應來達成。不過這樣做並不能夠「破壞」氧。當初創造水中氧元素破壞裝置的芹澤博士,已經隨著哥吉拉消失在大海中一去不回了。在此我們就繼承他的遺志,努力想想看用化學反應「破壞」氧元素的方法吧。

能獲得最大能量的化學反應,就是燃燒氫氣。燃燒 1 公克氫氣,可以得到 12 萬焦耳熱能。我們就先假設水中氧元素破壞裝置放出的能量比這大 10 倍吧。要破壞 1 公克的氧原子核,至少也需要 7700 億焦耳的能量。在生物體來說,體重的 3 分之 2 都含有氧。初代哥吉拉重 2 萬噸,所以體內的氧元素是 1 萬 3 千噸。要破壞這麼多的氧原子,需要 100 垓焦耳的能量!

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這可是當年哥吉拉遇上的核爆的 16 萬倍。要是能把這能量全部集中在哥吉拉身上,倒也還好,但這保證對周圍造成巨大損害,一定會讓地球毀滅。而要達成這個要求,水中氧元素破壞裝置的重量將高達 84 億噸!芹澤博士是抱著裝了水中氧元素破壞裝置的小瓶子,潛入海中去消滅哥吉拉,他的臂力真是太嚇人了【圖5】。單純計算起來,光靠芹澤博士的臂力,就足以抬起 42 萬隻哥吉拉了。這樣就算空手去打哥吉拉,也穩贏的啦。

超人七號也被丟去坐冷板凳

到頭來,本來覺得還不錯的雷射武器因功率不足,派不上用場;原理明確的科學武器只會讓事態惡化。

雖然可惜,只好把它們冷凍起來,由我們一般人來主導地球防衛戰,來想想科學上正確的消滅怪獸法吧。首先想到的就是窒息作戰,馬上就能實行:把快乾水泥灌進怪獸嘴裡,這是一種好像會有效、但卻很殘忍的策略。但是這方法除了道德考量以外,還有一個更大的問題。怪獸在街頭痛苦得大吵大鬧,反而會擴大被害範圍。這樣一來,我們不就和那些怪獸電影中的科學家成了一丘之貉?非得想個方法讓牠不要亂鬧、停止活動。

最有效的方法就是大量出血。人體體重 13 分之 1 是血液,如果血液失去 3 分之 1,就會因為血壓下降而使維生機能失調。總失血量達 2 分之 1 心臟就會停止。讓怪獸急速大量失血、根本沒時間亂翻亂滾,不就可以減少被破壞的範圍了?

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最貼近以上這想法的當屬超人七號的絕招「愛之重擊者」。這招能把怪獸的頭或手臂等等砍得七零八落,雖然非常合理,不過要是沒三思而後行,代誌可就大條啦。以體重 2 萬噸的怪獸電王來說,假設有 1500 噸血液,要是流出一半,會形成深 1 公分、面積 8 公頃,或者說 11 座足球場大的血海。

滿地黏答答的血讓人逃不掉,救援當然也無法進行。大家苦於猛烈的腥氣,同時血液也開始腐敗,臭得更厲害,受不了這種壓力而死亡的人數增加,瘟疫開始蔓延。誰該收拾這個爛攤子?本來應該由惹出事端的超人七號負起責任才對,不過他腦子裡大概只有打倒怪獸的念頭。【圖6】

看來只得拜託義工發動人海戰術處理,但疲勞和絕望感大概又會引發二度災害吧。超級警備隊也只能把眼淚往肚子裡吞,順便把超人七號丟去坐冷板凳啦。

拚酒救地球!

大量出血作戰的正確做法在《古事記》中有記載。我們可以學習素盞鳴尊消滅八岐大蛇的方法。雖然頭的數目比八岐大蛇還少了點,我們還是拿體重 3 萬噸的宇宙怪獸三頭金龍「王者基多拉」來殺殺看吧。具體方法如下。

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首先要建造容量數千噸的廢水槽,然後把王者基多拉引誘過來。接著用酒把牠灌醉。就人類來說,比較海量的人至少要兩瓶威士忌、大約 1.5 公升才會喝醉;所以要讓體重 3 萬噸的三頭金龍喝到酩酊大醉,至少要準備 91 萬瓶威士忌,差不多得花 30 億日圓才夠吧。

趁牠喝得醉醺醺快倒下的當兒,握著鋒利的刀子從後面偷偷摸摸接近,一刀割斷牠的頸動脈【圖7】!流出來的血就裝在廢水槽中,消毒後讓它凝固,封起來。

嗯,這方法還真是完美啊。但是問題來了,要找誰給怪獸陪酒呢?說起能和怪獸臭味相投、一起乾杯的英雄豪傑……果然還是需要巨大超人英雄出馬不可啦!前面才誇下海口說要主導地球防衛戰的,最後又去拜託超人英雄,真是太丟臉。算了,這也是為了地球和平嘛,就睜隻眼閉隻眼吧。

要勸別人更進一杯酒,自己當然不能滴酒不沾啦。超人英雄也得陪著拚酒才行。可是因為他在地球上能待的時間有限,體重 3 萬 5 千噸的超人力霸王得在 3 分鐘內把 110 萬瓶威士忌都灌下肚。而且拚完酒,依照慣例力霸王一定要飛上天離去,突然一口氣灌了這麼多瓶酒,酒醉再加上暈機,保證吐得七葷八素。

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「超人力霸王吐得滿地都是,墜落在人口密集區!」這種新聞要是登上八卦報紙頭版,可真成了超人英雄史上最糟糕的污點啊【圖8】。

不過要消滅怪獸總得冒點風險嘛,力霸王,下次記得帶個塑膠袋,以備不時之需喔。

消費稅大幅調高!

就這樣,總算平安無事消滅了王者基多拉,一切大功告成。最後剩下的問題,就是要如何處理屍體了。

一開頭就已經提過,怪獸體內極可能棲息著無數未知的細菌。既然是宇宙怪獸王者基多拉,危險性應該更高了。該怎麼做才能安全處理屍體及其體內的細菌呢?

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要是認為「屍體燒一燒就行了」,有這種蠢念頭的人就請加入那些正義隊伍吧,有許多你的同類在等著你。怪獸可是會吐著莫名其妙的火焰或毒氣,把這種生物體拿去火燒或加熱,到底會散發出什麼東西,誰也無法預料。冷凍怪獸的屍體,載去南極埋起來-這種主意也免了吧。這樣做的確可以防止屍體腐敗,細菌活動也會停止,可是光我們人類丟在那裡的垃圾,現在就已經對南極造成很大危害了,要是再繼續污染南極,又會搞出新的怪獸喔。

還是丟到太空去最好了。不過這個方法,可不能效法那些正義戰隊們啊。科學特搜隊曾經想過,用巨大的螺旋槳飛機把怪獸斯凱噸送上太空,結果失敗了;再來又換成用巨大的氣球,想把斯凱噸弄上天。他們讀國小國中時到底有沒有把自然課本打開來唸過啊?在沒有空氣的太空裡,螺旋槳飛機或氣球完全沒有用啊!

這當然要用火箭才行。可是要像科學特搜隊把怪獸希博斯送回宇宙墓場的時候那樣,只使用一架火箭,那也是不可能的。以全長 53 公尺、自體重量 285 噸、發射時推進力 700 噸的日本最新國產火箭 HⅡ-A 來說,也只能把重量不超過 4 噸的物品運送到同步衛星軌道而已。如果要用它把怪獸屍體運上太空,首先要冷凍屍體,停止細菌的活動後,再把屍體切成一塊塊少於 4 噸的肉塊,然後再一塊一塊慢慢運上去才行。

這一來,光是一隻王者基多拉,就得要用上 7500 架火箭才行!一架火箭花 90 億日圓的話,總共要花 68 兆日圓!這種預算當然得由國庫支出了。這樣一來,就只好加稅了。消費稅每提高 2%,國庫大約可以增加 7 兆日圓的稅收。所以為了要湊足 68 兆日圓……什麼?消費稅要加到 24%【圖9】!

只不過為了消滅一頭怪獸就要加稅到這種程度,這樣就算日本的國民再怎麼唯命是從乖順聽話都不會坐視的啦!各位!現在立刻揭竿而起造反吧!

……怎麼好像有種「要是怪獸出現,與其用這些爛方法消滅牠,不如放任牠亂來還比較好」的感覺啊。


 

 

 

本文摘自《空想科學讀本:怪獸與超人戰力大揭密》遠流出版

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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變身沙贊靠閃電夠力嗎?會是能源解方還是一場災難?《沙贊! 》中的神力閃電之謎
Rock Sun
・2023/05/30 ・4134字 ・閱讀時間約 8 分鐘

「沙贊!」然後一道閃電就會打下來,擊中一位青少年,瞬間變成一位穿著紅衣+披風、渾身肌肉的(中二)成年人,這就是 DC 宇宙中,超級英雄沙贊的變身過程。

很有趣的是,大家可以回想一下,最近這 10 幾年來席捲世界的漫威和 DC 英雄,絕大部分執行英雄行動前都是進行「著裝」,例如鋼鐵人、蝙蝠俠、美國隊長……等,但是沙贊不一樣,儘管不複雜,但他需要一套特別的手續來改變他自己的身體,已獲得他身為超級英雄的力量,這點跟日本的超人力霸王比較類似。

根據 DC 宇宙的設定,賦予沙贊力量、讓他變身的閃電都來自神界的奧林帕斯山,只要他大喊一聲,閃電就會隨傳隨到,而因為一切是神力的關係,理論上他接收力量的位置無關緊要,也非常的安全。

真不愧是奧林帕斯山啊!如果我們能夠在比利(電影中變身成沙贊的少年)的頭上裝一個收集閃電能量的器材,那費城一定變成全美國能源最豐沛的城市。

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我們說的是站中間那個穿紅色緊身衣的大男人。 圖/IMDb

但是要進行超級英雄活動,普通的閃電能量夠嗎?這道奧林帕斯山的閃電會不會是一道超越人類認知的超級閃電呢?

還有儘管沙贊不會受影響,但如果有人不小心在變身時不小心碰觸他或在他附近,會發生什麼事呢?

這真的值得一起來探討~

先定立標準:閃電能提供多少能量?

閃電是大自然中最純粹的能量展現之一,經過大氣學家的觀測和預估,一道閃電電壓大概是 3 億伏特,帶有 10 億焦耳的能量,這差不多是燃燒 30 公升左右的汽油。

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聽起來非常的厲害,那我們利用閃電來獲得能源會不會是個好方法?

其實從 1980 年代開始科學家就有這種想法,但是他們發現這其實很不切實際,主要原因有幾個:閃電很難預測、傳導到地面上能量又會大減、效率很不穩定……但那是大自然的閃電,讓沙贊變身的可是充滿神力的閃電耶!不只能夠提供沙贊穩定且高能的能量來源,還可以藉由跟蹤比利知道閃電的位置和時間。

我們只要把比利抓起來請出來,跟他預約時間大喊沙贊,就可以發電了~

圖/GIPHY

現在的問題是……這道閃電有多少能量呢?

要知道一道神奇閃電帶有多少能量其實有點困難,因為一旦比利變身之後,他似乎沒有時間限制,不像超人力霸人那樣有 3 分鐘的活動上限,後者會比較好估算是因為你可以設想這 3 分鐘內超人力霸王做了哪些事情,在逐一拆解。

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所以筆者覺得最能夠執行的方式,是羅列出電影中沙贊一次變身基本上會做到的事情,這樣結果應該就足夠是神力閃電的基本盤。

從電影《沙贊!眾神之怒》中,筆者列出幾個沙贊在超級英雄狀態時做的事,包括:

  1. 以音速飛行 10 分鐘
  2. 把一隻體型巨大的飛龍打飛 10 公尺
  3. 把一台車移動 200 公尺
  4. 從手中放出好幾道像特斯拉線圈的能量閃電

這樣感覺差不多了吧……等等~還有一件很重要的事,就是這道閃電同時還把一名 17 歲的青年變成一名看起來 30 歲的成年人,這瞬間成長所需的誇張能量應該也要算進閃電的功勞裡,所以這個列表還要加進另一項:

  1. 讓 17 歲的青年成長成 30 歲男性的所需熱量
長大成這樣~ 圖/IMDb

那我們接下來可以逐一估算了。

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  • 那首先就來計算成長所需的熱量吧!

要讓人成長的能量,其實也是熱量,也就是大家耳熟能詳的卡洛里,1 千大卡的熱量差不多是 4184 焦耳的能量。

根據衛服部提供的資料,一名成年人每日所需的熱量依他的活動量和體重來決定,那沙贊毫無疑問絕對是重度活動量那一類的,體重的話少年比利看起來介於 60~70 公斤之間,而飾演沙贊的演員柴克萊威曾說為了演戲需要增重到超過 90 公斤,雖然隨著體重增加每日所需熱量也會不同,但為了簡單估算,我們姑且用 80 公斤算到底吧~

圖/衛福部

比利瞬間成長為超人般壯碩所需能量= 40 大卡 x 80 公斤 x 365 天 x (30-17) 年 x 4184 J= 6.35x 1010 焦耳 = 635 億焦耳

這數字怎麼已經有點大了……但在吐槽之前,我們先把其他的所需能量都估算完吧~

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  • 以音速飛行 10 分鐘

這裡我們借用四分之一英里估算法,這是個可以從物體重量(通常是車子)和行駛四分之一英里所需的時間來求得功率的簡單方式。

沙贊體重 90 公斤,而他在音速下完成 1/4 英里所需的時間為 1.2 秒,根據線上工具估算,這名英雄相當於擁有 22,876 馬力,轉化為瓦特差不多是 1700 萬瓦特,如果沙贊要飛行 10 分鐘,他就會需要大約 100 億焦耳的能量

  • 把一隻體型巨大的飛龍打飛 50 公尺

這個計算方式並不困難,就是簡單的做功運算,但是筆者遇到了很嚴重的問題:電影中的飛龍-拉頓到底多重呢?

經過一番搜尋,網路上對於一條中世紀奇幻飛龍到底有多重幾乎是沒有定論,看起來好像沒有人有認真算過,所以筆者打算自己來操刀,解決這個世紀大謎題 (?)。

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有看過《空想科學讀本》的人對筆者使用的方法一定不陌生,就是把模型浸到水裡面,估算體積之後放大,再考慮密度來求得飛龍的體重。

所以筆者到了地下街的玩具店,買了一條看起來最像電影中奇幻飛龍體型的模型玩具(其實是動漫《轉生成為史萊姆》的公仔,似乎是主角後期的樣子吧?筆者沒有看不清楚~),將它放進水盆裡面裝水,做好水位標記之後取出模型,水位下降之後從水盆的面積和下降高度求得玩具龍的體積大概是 0.000283 立方公尺,這時我們需要玩具龍的身長和電影中的拉頓身長來做等比放大,玩具龍身體差不多是 25 公分,而從電影中拉頓站在棒球場內野的畫面來做估算,它的身長大約是 25 公尺,身長差 100 倍,所以體積會變 100 的 3 次方也就是 100 萬倍,所以說拉頓的體積大概是 283 立方公尺。

筆者買到的龍模型,雖然它是站立的,但平放在地上看起來跟電影中的龍差不多。圖/作者提供

這時我們需要拉頓身體的密度來求得體重,如果拉頓是生物的話,它的身體密度應該也要接近水(每立方公尺 1000 公斤),例如人體的密度就差不多是每立方公尺 1062 公斤,但是電影中拉頓身體看起來有點像是由木頭構成的,而世界上最堅硬的木頭是澳洲鐵木樹(Australian buloke)密度是 1085 kg/m3,再加上龍的奇幻性質,我想把拉頓的身體密度定為 1100 kg/m3 應該是還可以接受的吧?

如果用這個方式估算,電影中看守花園的飛龍拉頓,體重大概會是 311 公噸,我們套入物理課本中看過的做功計算公式,可以知道沙贊把一條龍打飛 50 公尺所需要的能量,大概會是 7775 萬焦耳

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電影中飛龍的劇照。圖/Twitter
  • 把一台車移動 200 公尺

相較前面兩個,這計算相對簡單一點,我們一樣用上面的作功公式來求需要能量,而我們需要的就是車子的重量。根據統計,美國一般路上的車子平均重量為 1800 公斤,如果要在 3 秒鐘內移動 200 公尺,就相當於需要 4 百萬焦耳

  • 從手中放出好幾道能量閃電

沙贊從手上放出閃電,看起來就像是電弧的一種,而電弧是因為有強大的電場或高壓電存在,使的原本不導電的物質電漿化得以使電流通過的現象,而說到能夠最穩定產生電弧的狀況,筆者第一個想到的是在現實中會看到的特斯拉線圈。

特斯拉線圈是一種由知名物理學家特斯拉發明的強大變壓器,這種變壓器使用共振原理運作,主要用來生產超高電壓但低電流、高頻率的交流電力,因為特斯拉線圈可產生絢麗的電弧效果,所以很常在一些科學博物館或展示中看到,而世界上最強大的特斯拉線圈: Electrum 的能量使用率為 130,000 瓦特,假設沙贊能夠用同等功率放出電弧長達 10 秒鐘,就會需要 130 萬焦耳的能量。

Electrum 特斯拉線圈。圖/wikipedia

這下子我們需要的數字都有了!

這道神奇閃電所附帶的能量大約是:

635 億(變成大人)+100 億(音速飛行 10 分鐘)+7775 萬(打飛一條龍)+400 萬(移動一台車)+130 萬(放出閃電)= 735 億 8305 萬焦耳

 而正常世界一道閃電的能量大約是 10 億焦耳,也就是說~這道神奇閃電差不多是等於 74 道現實中閃電的能量。

好厲害啊!真不愧是奧林帕斯的眾神,能夠這麼精準的傳遞如此巨大的電能量根本就是神蹟…..也確實是神蹟沒錯~

但是如果一個不小心承接這道能量的人不是沙贊的話,會發生什麼事呢?

一般人被普通的閃電擊中就已經不是鬧著玩的了!

直接被閃電擊中的人會成為電流的一部分,一部分電流會沿著皮膚表面移動,另一部分會穿過身體的心血管或神經系統,前者會對皮膚造成灼傷,後者則有可能造成呼吸停止或心臟驟停,但我們還是能找到一些歷史上從雷擊中生還的故事,因為有沒有辦法在雷擊中活下來是跟就醫和電流通過體內的時間而定……運氣好的話,你不會死的。

但是在沙贊的神奇閃電面前,這一切都成為笑話。

這道 735 億焦耳的閃電能量相當於 2 顆歷史上最強大非核子炸彈:炸彈之母(GBU-43/B 大型空爆炸彈)爆炸所釋放出的能量,所以如果今天好死不死沒有打在比利身上,而是擊中地面的話,後果一定不堪設想,周遭的親友絕對是灰飛煙滅,費城可能會變成廢墟,之前說的收集能量可能完全行不通,因為應該沒多少設備儀器能夠承受如此巨大的威力。

反倒是比利啊~你是不是在承接沙贊能力時同時被改造了,被2顆炸彈之母轟炸都沒事,真是太神啦!還有就是一定要站好喔~

全世界只有這位男人能承受的力量。圖/IMDb
Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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怪獸襲來!為什麼會有哥吉拉形狀的雲朵?:千變萬化的流體(三)
ntucase_96
・2021/12/11 ・2345字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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  • 作者/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 報科學 《千變萬化的流體(三):哥吉拉雲—流體的不穩定性

海岸邊的雲層上緣,出現一隻隻如同哥吉拉形狀的雲;原子彈投下後,劇烈爆炸引起的蕈狀雲;土星大氣層內形狀獨特的雲帶……等。這些看似毫無相關的現象,背後其實成因都可以歸納為:流體中的不穩定性。

2020 年在青森縣的海邊,有網友分享了一張雲朵彷彿在進行「哥吉拉大遊行」的照片(圖一左上);也有飛行員在雲層上分享過類似的照片(圖一右上);除此之外,天文學家在土星的大氣層也觀察到相似形狀的雲層(圖一下)。這些「哥吉拉」的行動力竟然如此之高,不只在地球上出現,連土星上都有。這是否暗示它們背後其實具有相同的形成機制呢?

圖一左上:海岸邊的哥吉拉雲,圖/大間觀光土產中心推特
圖一 右上:飛行員在雲層上看到的哥吉拉雲,圖/世界氣象組織(WMO)推特
圖一下:土星大氣層內的雲帶照片。圖/NASA

在<千變萬化的流體(一)>一文中,我們介紹了流體流動的狀態主要可以分成兩種:層流與紊流。層流狀態的流體十分穩定,它可以被視為一層一層獨立的流動來討論;相對的,紊流如同它的名字所表示,流體內部的流動較為混亂,不同層之間的流體會互相混合、影響。而決定是層流還是紊流的關鍵因素便是「不穩定性」[1]

在描述天氣系統為甚麼難以預測時,常常會提到「蝴蝶效應」這個小故事:位在大西洋的颶風,其成因可能只是在亞馬遜森林裡面一隻蝴蝶煽動了翅膀,這個初始的小擾動,隨著時間演變,最終形成尺度龐大的結構。不穩定性在流體中扮演的角色也十分相似。起初流體內部隨機的產生十分微小的擾動,若整個流體的不穩定性足夠大,微小的擾動便有機會繼續成長,直到對整個流體都造成影響。流體中具有各式各樣的不穩定性,在本篇文章中,我們將會介紹與哥吉拉雲還有蕈狀雲有關的兩種不穩定性:克耳文-亥姆霍茲不穩定性以及瑞利-泰勒不穩定性。

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克耳文-亥姆霍茲不穩定性:哥吉拉雲

這個不穩定性得名於兩位對此現象進行研究的物理學家:發明絕對溫標的克耳文爵士,以及對聲學共振系統做出系統性研究的亥姆霍茲(在<香檳聲音哪裡來?>一文中,他曾經登場過)。這個不穩定性發生的條件是:兩層流體之間具有相對速度。

請搭配圖二,讓我們一起來理解這個不穩定性是如何產生哥吉拉雲的。假設有兩層流體,分別向左與向右運動。當它們彼此完美平行時,一切無事,如圖二(a)。但這個狀態其實並不穩定,任何的擾動,都可能會破壞這個完美狀態。例如,流體中形成了如圖二(b)的擾動,接下來流體的運動會如何變化呢?

對於淺藍流體來說,A 點的體積較原本略小,因此流動速度較大,如同澆花時,將水管捏住(管徑縮小),水可以噴得更遠。此外,流速較快也會使得 A 點的壓力減小;但對於紅色流體來說,A 點的壓力反而會增大。如此會導致流體內部的壓力分佈形成圖二(c)。兩種流體之間的壓力差,會進一步使擾動長大,如圖二(d)。最後,由於流體本身橫向的速度,使擾動在橫向上出現變形,如圖二(e)。如此一來,哥吉拉形狀是不是就出現了呢?

圖二:克耳文-亥姆霍茲不穩定性形成示意圖。圖/CASE 報科學

瑞利-泰勒不穩定性:核爆蘑菇雲

接下來,讓我們來看另一種在生活中沒那麼常見,但是看過就很難忘記的不穩定性現象:核爆產生的蘑菇雲。這種現象的成因,是來自於瑞利-泰勒不穩定性,它會發生於密度較大的流體壓在密度小的流體之上時。核彈爆發會在極短時間內釋放出極大熱量,將爆炸中心的空氣瞬間加溫。我們知道,氣體的溫度越高,密度越低,因此在爆炸中心,會瞬間形成大量的低密度空氣。

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讓我們用簡單的模型來看看,這種不穩定性是如何造成蘑菇雲的。圖三(a)中有兩種流體,密度較高的在上,此時整個流體系統處於不穩定態,只要有一點擾動 ,如圖三(b) ,不穩定性就會使擾動擴大。由於密度差異,重力使得密度小的流體上升,密度大的下降,使不穩定度振幅逐漸增大。此外,由於壓力差與密度差的方向並不平行,會導致流體的邊界形成渦旋,如圖三(c)。以上這些效應疊加在一起後[2],流體邊界處便會逐漸形成如蘑菇狀的特徵,如圖三(d)。

圖三:瑞利-泰勒不穩定性示意圖。圖/CASE 報科學

以上兩種流體不穩定性,其實在我們生活中也存在,例如:點燃的線香。由於線香燃燒處的溫度上升,空氣密度下降,此時就滿足瑞利-泰勒不穩定性的條件;當熱空氣上升時,和兩側靜止的空氣有一相對速度,也滿足了克爾文-亥姆霍茲不穩定性條件。只是由於規模較小,發生速度較快,肉眼未必可以清楚的看到如前文中提到的明顯特徵。儘管如此,各位讀者在了解這些不穩定性之後,若是試著觀察看看生活中的各種流體,也許也能找到隱藏起來的「蕈狀雲」喔!

註解

[1] 更詳盡的說明可以參考 CASE<上下顛倒漂浮船>一文
[2] 實際上,形成蘑菇狀構造還與流體在三維條件下的非線性效應有關,數學模型較為複雜,此處只是簡單概述其成因。

參考資料

  1. Kelvin–Helmholtz instability
  2. Rayleigh–Taylor instability
  3. “Single mode hydrodynamic instabilities” draft from Hideaki Takabe.
ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。