面對海嘯有三寶，水門、堤防、趕快跑！──《課本沒教的天災日本史》

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

• 文/古國廷 (Medium)

 2018 年印尼發生兩起海嘯重創當地； 2004 年南亞海嘯與 2011 年東日本海嘯亦造成當地嚴重災情。近十年鄰近地區發生數次致命海嘯，它們為何如此致命？台灣百年歷史亦有多起海嘯紀錄，台灣面臨海嘯威脅時，又該如何應對？

本文專訪中央大學水文與海洋科學研究所副教授吳祚任，分享海嘯專業知識，及台灣如何運用世界領先技術預警自救。

為什麼海嘯比一般巨浪更致命，造成災害更嚴重？

A：回答這問題，要從它們的特性開始說起。

海嘯跟一般海浪都是波浪，波浪又可以分成長波和短波。長波的波長很長，幾乎看不到也感覺不到；短波的波長短，可以明顯看到它的波動起伏。

如果波浪的波長非常長，遠比它的水深還要長，則稱之為淺水波；反之則稱為深水波。海嘯就是一種淺水波，例如 2004 年的南亞海嘯來說，它的波長大概 200 公里以上，但印度洋水深才 4 至 5 公里。

這樣子的淺水波有一個特性，就是這些水分子的運動非常一致，就好像團結做事有效率的公司，沒有速度的差異也沒有摩擦阻力。

因此海嘯在行進間能量的消耗很少，到岸邊時幾乎保留地震或火山山崩垂直擾動的能量。

再來，海嘯的波長很長，代表它很「厚實」；一般海浪波長較短，相對較「單薄」。因此同樣抵達岸邊，一般波浪就像潑水一樣，潑出去就結束了；而海嘯就像一長串高鐵列車往岸上衝。以 2011 年東日本海嘯為例，它的波長大概 200 公里，就像從台北到雲林這麼長的高鐵往岸上衝。

這樣保有當初地震或火山山崩垂直擾動的能量，且「厚度」很厚的海嘯往岸上衝，不僅衝擊陸地上各種設施的結構，也掏刷它們的地基。加上海嘯移動時也夾帶碎石和樹幹等等各種沖刷過的物體，讓人們尚未溺斃前就可能被這些物質撞擊而失去求生能力。

簡單來說，海嘯來臨時，逃生的方法就是不要把身體弄濕了。因為一旦被海嘯捲入，就很少有活命的機會。

 2011 東日本海嘯和 2018 印尼兩起海嘯有甚麼不同？

2011 年東日本海嘯是地震引起的。2018 年 9 月印尼蘇拉威西海嘯，目前判斷比較可能是地震引發海底山崩所致；而 2018 年 12 月印尼喀拉喀托之子海嘯則幾乎可以認定是火山山崩造成。

在這邊先給大家一個簡單的概念，要造成海嘯最直接有效率的方法，就是讓海水受到垂直方向擾動，像是地殼垂直抬升或陷落所造成的地震型海嘯。

山崩也會造成海嘯，就像你從岸邊滾落到游泳池產生大浪。這種山崩型海嘯又分成兩種機制，一種是地震造成陸地或海底的山崩，另一種是火山造成的山崩。

火山噴發時又有兩種方式驅使山崩，一種是火山震動使火山邊壁崩落一大塊；另一種是火山一直噴發，結果火山裡面的結構空掉了，使火山承受不住水壓而往內下陷，使海水產生向下垂直運動引發海嘯。

雖然沒有經過很仔細的統計，但一般來說 90 %以上的海嘯是地震引起，剩下有一些是海底山崩造成的，少數是由火山噴發造成。

地震型海嘯與山崩型海嘯有甚麼不同？

A：地震造成的海嘯，大部分都是很強烈的地震才會造成海嘯。

雖然不敢說全部，但一般來說要造成致災型的海嘯，地震矩規模（ Moment magnitude scale , Mw ）通常要大於 7.5 ，且震源深度大多離地表 35 公里以內。地震矩規模超過 8 海嘯就很嚴重，規模超過 9 就是毀滅型的海嘯，像是造成南亞海嘯的地震就是這樣的規模。

若造成這樣大規模的地震，比較高的機會是海溝型地震，也就是板塊之間碰撞及隱沒。這種板塊破裂的長度很長， 2004 年南亞地震的板塊破裂長度大約 1,200 公里，大概 4 個台灣這麼長； 2011 年日本地震板塊破裂長度也有 500 公里。

這樣大面積的抬升，導致地震型海嘯的影響範圍非常寬廣，海嘯的寬度可以接近板塊破裂的長度。以 2011 東日本海嘯為例，寬度大約 500 公里；而它的波長也很長，以日本海嘯來說可以到 200 公里。

這樣規模是甚麼概念呢？假設高鐵列車的寬度是 5 公尺，那 2011 年東日本海嘯就像從台北到雲林這樣長的高鐵，以 10 萬台併排的規模往岸上衝。不過地震型海嘯高度相較起來不會太高，以日本海嘯來說波高大概 10 到 30 公尺，但已經是毀滅級的海溝型海嘯了。

而山崩型的海嘯就很不一樣了，它的波高可以很高。同樣的崩落量，陸上的山崩其崩落的高度越高，海嘯就越高；海底的山崩越接近水面，海嘯就越高。而山崩崩落的體積與質量越大，其海嘯高度就越大。但範圍就不像地震那麼廣，山崩海嘯的初始寬度大概就是它崩落範圍。

整體來說，地震引起的海嘯影響範圍寬廣但波高相對不高；山崩造成的海嘯影響程度很強但範圍很窄。

台灣較容易受到哪種海嘯威脅？很不幸的，都有可能。

台灣東部外海有琉球島弧，發生大規模地震時海嘯會影響東海岸；台灣西南部外海有一整段叫馬尼拉海溝，大規模地震產生的海嘯對墾丁到台南一帶影響比較嚴重。在帛琉附近的亞普海溝雖然離我們比較遠，但因為地形關係，地震發生海嘯時，台灣北部蘇澳一帶、東部以及高雄至台南沿海都會受到影響。

而台灣北部金山一直到三貂角，雖然不是那麼肯定，但因為地形關係，可能會有海底山崩造成的海嘯，且過去有類似的事件發生。 1867 年基隆發生規模 7 的地震。照理說海嘯高度應該不高，但卻發生 7 至 12 公尺的海嘯，這是地震規模 8 左右才會產生的海嘯高度。目前我們推估很有可能 10 %是地震造成， 90 %是山崩造成的，但這數據只能說是推估。

台灣西南岸也有海底斜坡地形，其海底山崩威脅也不容忽視。另外台灣的火山大部分分布在東北海域，雖然說目前看到都不大，但也很難說什麼時候會影響到，只能盡量預警。

Q：台灣要如何預警海嘯的發生？

A：我以前是用情境分析了解海嘯如何影響台灣。

情境分析就是判斷可能造成海嘯的來源，例如說哪個斷層或海溝地震會產生海嘯？它如何影響台灣？但就如上述提到，有很多造成海嘯的原因，像是地震、海底山崩或火山，很多可能性，算都算不完。於是我們發展出海嘯影響強度評估法（ Impact Intensity Analysis Method ），簡稱 IIA 法。

它的原理像是醫生想要知道你身體哪個地方感覺特別疼痛，就在每個部位都敲敲看，敲這個地方沒感覺再換下一個地方，當敲到某個地方你特別痛，代表同樣的力道發生在這個地方對你衝擊特別大。

而所謂 IIA 法就像這樣，針對要研究的特定地區或基礎建設，在其周邊海域都模擬同樣力道的水體擾動，運用水動力學搭配海底地形，去檢視哪個地方水體擾動形成的海嘯威脅最大。像是上圖這個例子是研究基隆金山一帶，紅色地區發生海嘯的威脅程度較大，發生在其他淡藍色區域就比較不用擔心。

如此我們就可以先排除淡藍色區域，針對紅色區域聚焦做情境分析，研究這個海域地形如何，有甚麼原因可能引發海嘯，會如何影響沿岸地區或基礎建設等等。

而 IIA 法，可以再進一步製作成地震–海嘯關係圖（ Seismic Tsunami Relation ），白話來說就是「不用電的海嘯預警圖」，不需要靠電力運作，就能在地震時知道海嘯會不會威脅到所在地區。它是針對沿海每個村里，繪製外海各個方位發生多大的地震規模時，其產生的海嘯會影響到該社區。所以當地震發生，村里長可以快速用地震發生方位和規模這兩個最簡單的資訊，自主判斷是否可能有海嘯威脅。

海嘯發生時要如何自救？

A：事發當下，如果是地震引發的海嘯，台灣目前技術能夠在地震發生以後，結合中央氣象局的地震速報，將其轉成海嘯源去模擬各地海嘯高度，過程只需要 1.5 分鐘。以近海海嘯抵達台灣最快 15 分鐘來說，這樣的預警時間算是足夠。

但這樣的海嘯預警需要地震來當作 Enter 鍵，如果海底山崩沒有地震，就等於沒人按下 Enter 鍵，所以山崩型海嘯又稱之為「沉默的海嘯」，我們還在規劃如何預警它。

一般民眾在海嘯來臨的時候，記得要向上逃生、垂直逃生。海岸邊大多都是透天厝而且三層樓以上，所以發生時就逃到頂樓。不要跑到路上，因為會塞車。如果是開車或在機車上，就趕快下車借民宅逃到頂樓。如果開車時不幸海嘯已經衝過來，留在車內時不要開門開窗，等海嘯退去，趕快逃往民宅頂樓。

至於平常的時候，沿海的重要基礎建設要知道 IIA 的結果，知道哪個地方來的海嘯影響特別大，北部的設施和南部的設施要注意的海嘯來源絕對不同。當知道哪個地方來的海嘯衝擊特別嚴重，再進一步做情境分析，了解海嘯如何衝擊這些基礎建設，然後判斷是用工程抵擋或是放棄這個設施。國家災害防救科技中心也有海嘯災害潛勢圖，可以事前知道最大情境海嘯會淹到什麼地方。

其實就台灣三四百年歷史，紀錄到的海嘯次數不少，歷史上已經有教訓了，老天都給我們那麼多機會，真的要多注意一下才行。

※本文亦刊載於環境資訊中心，原作者Medium