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用 TNT 度量這個爆炸的世界:「黃色炸藥」到底是什麼?

Rock Sun
・2017/01/25 ・1984字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 485 ・五年級
TNT 炸藥(圖/Blender Artists Community)

「這個地震有 xxxx 噸黃色炸藥的力量」
「這起爆炸相當於 xxxx 公斤 TNT 的威力」

常常會看到電視、新聞會用這樣的方式形容「爆炸」,雖然感覺很恐怖,但絕大多數的人畢生很可能連爆炸都沒看過,更別說對多少炸藥會造成多少傷害有概念了~ 到底常常拿來形容爆炸威力的黃色炸藥TNT 到底是甚麼概念呢?就讓我們一起來說分明吧!

圖/ThePixelman @Pixabay

這種用黃色炸藥的量來形容能量的方式稱為炸藥當量。「當量」這個詞我們最早接觸應該是在化學課,用於表示化學反應中量的比例關係。但當量其實出現在許多科學計算領域例如熱功,只要有一個標準數量,並比對有同樣的基本單位的數量級就可以是當量。

不安分的黃色染料

三硝基甲苯(C6H2(NO2)3CH3) 圖/wikipedia

因為它穩定的特性,用黃色炸藥(Trinitrotoluene,以下簡稱 TNT)當作炸藥的當量的概念已行之有年了。但其實最一開始這不是 TNT 發明的本意。

黃色炸藥,或是 2,4,6- 三硝基甲苯(C6H2(NO2)3CH3),1863 年由德國科學家約瑟夫維爾勃蘭德(Joseph Wilbrand)發明,整整比大名鼎鼎的諾貝爾發明的矽藻土炸藥(英文俗稱的Dynamite)早了 4 年。

一開始 TNT 並不是炸藥,維爾勃蘭德是想藉由硝基甲苯本身的黃色發明一種染料,但在發明後好幾年,他發現了一件事──這物質會爆炸,當時沒有立刻發現是因為 TNT 相當穩定,要讓它爆炸需要相較於其他炸藥更大的能量,之後更證明當個炸藥或許還比較適合 TNT(更長一段時間之後發現他對人體也不好,總之不是當染料的料)。

裸體狀態 TNT 炸藥。 圖/wikipedia

在 TNT 發明之前,幾乎所有的炸藥、爆裂物都有不太穩定,一點點的能量都會使他們開始反應,要安全的使用像是硝化甘油或是黑色火藥都需要與其他物質混和才行,要不然可能會莫名的爆炸,歷史上第一桶硝化甘油在運送的時候就出事了,造成 15 人死亡。但 TNT 很不一樣,不管受到撞擊、微波、子彈射擊…..等許多方式對待,它就是不爆炸,唯一的方法是用高能量的雷管促發它引爆,TNT 安定的性質讓它成為土木工程的重要幫手,例如開挖隧道。

另一個 TNT 的優點是它的熔點遠低於它的自燃點,也就是說它只要溫度夠低,你不用擔心它會出事,製造的時候可以維持它液體的狀態直接傾倒或攪拌,另外 TNT 也不溶於水或吸水(黑色火藥的致命傷),讓它在潮濕環境也可以使用。

TNT 的穩定特性也讓它在戰場上找到了功用,1902 年開始德國軍隊開始在砲彈中加入 TNT 炸藥,和當時的炸彈相比,有 TNT 的炸藥可以等到穿入戰艦、戰車內部之後再爆炸,對內部零件、人員造成損傷。

平時看到的工業用 TNT 炸藥(圖/AI explosives)

儘管作為一個比較安定的炸藥,TNT 的能量還是不容小覷,每一公斤的 TNT 可以釋放 4.6 百萬焦耳的能量,並產生 6,640 m/s 的爆炸風速,它的能量參數現在被廣泛用在衡量各式炸藥、飛彈的能量,通常是用多少百萬噸 TNT 來度量這些能量。

因此,比起「幾千萬焦耳」,我們有了現實東西度量平時我們不太會接觸的高能量。

以下是一些以 TNT 為當量的爆炸量級:

  • 100克:時速 90 公里高速行駛的車子帶有的動能
  • 1 公斤:爆破一台小汽車的炸藥量
  • 500 公斤:一枚戰斧飛彈
  • 2300 頓:1 公頃的土地平均一年內受到太陽光照射的能量
  • 1 萬 5 千噸:廣島原子彈
  • 1 百萬噸:足以提供一個美國家庭 10 萬年份的能量
  • 8.6 百萬噸:熱帶氣旋(颱風)平均每一分鐘釋放的蒸發散熱能
  • 26.3 百萬噸:估計 2004 年印尼大地震的能量釋放
  • 62,500 百萬噸:每分鐘地球受到的太陽能
當創世神覺得煩的時候,轉職用 TNT 炸藥。 圖/minicraft wiki

現在大家可能有概念了,那拿這個東西衡量這些地球上的東西實在太無聊了,讓我們跳進 2D 世界,這個沒有上限的宇宙試試看吧!

下集:極致極致極致極致的破壞力:那些還好只出現在二次元的怪物們

本文與一奈米的宇宙Chemystery合作,歡迎到粉絲頁觀看他們精美的圖表喔:)

參考資料

 

 

一奈米的宇宙出書囉!《那些曠世天才的呢喃》——總計40篇科學與人生的結合、搭配科學家生平趣味介紹,我們希望用更豐富、好玩的方式,讓大家了解科學與人生。

 

 

 

 


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文章難易度
Rock Sun
62 篇文章 ・ 428 位粉絲
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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調香師的秘密:「糞臭素」挑起你骯髒的慾望

胡中行_96
・2022/05/16 ・2039字 ・閱讀時間約 4 分鐘

倫敦高級區梅費爾(Mayfair)的聯排透天洋房裡,他與屋主近身互動。六呎高,湛藍的雙眸,古銅的肌膚,寬闊的下顎,銀髮一絲不苟地貼齊,以及一縷迷人的香氣:肉桂、皮革和不可言喻的香味,他確定迎面襲來的深刻,源自另一個時空。

梅菲爾位在倫敦西區,它是世界上最昂貴的地區之一。圖/Wikipedia

「當你嗅聞,你是用腦在聞。最原始的,處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋:「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味,那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談,讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客,而江湖人稱「香水界情色男優」(the Pornographer of Perfume)的屋主 Roja Dove,正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』,一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰,底蘊裡一丁點的『糞臭素』,便能喚起骯髒的慾望。」[1]

Roja Dove 是一位英國調香師。圖/Wikipedia

糞臭素是怎麼來的?

來到住處之前,兩人在麗池飯店(Ritz Hotel)旁的沃爾斯利餐廳(the Wolseley)用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質,分解成胺基酸(amino acid)。接著,腸道內的菌落會先進行「去胺作用」(deamination),用氫去代換胺基。於是,有一種叫做「色胺酸」(tryptophan)的胺基酸,就變成「吲哚-3-乙酸」(indole-3-acetic acid,簡稱「IAA」)。

再來,乳酸桿菌(Lactobacillus)、梭菌(Clostridium)和類桿菌(Bacteroides),透過「去羧作用」(decarboxylation;羧,注音ㄗㄨㄟ)把 IAA 中的羧基(carboxylic acid group)換成氫,人體內的「糞臭素」(skatole;即3-methylindole)就誕生了[2][3][4]

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前,Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙,讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺,並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據,把原料輕拍到試香紙上,再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉,微風迎面吹來,他便能感受這些原料的效果。

當然,調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」,而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪(Hermann Emil Fischer, 1852-1919)發明了「費雪吲哚合成」(Fischer Indole Synthesis):一種苯肼(phenylhydrazine)和醛(aldehyde)或酮(ketone),透過酸觸媒(acid catalyst)催化產生的作用。一般罐裝糞臭素,便是這麼來的[2][5]

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成需要耗時一到二年。圖/Pixabay

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成,長達一、二年後,每 3.4 盎司(100.55 毫升)要價 4 萬美元的訂製香水,才會被呈現在顧客面前。所幸,對花不起重金與不特別愛好香水的人來說,還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說,糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處:香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香,載舟亦能覆舟,令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵,在於濃度。像是過多的愛,使人無法擔待。以體積比來說,一旦超過 60 pptV(0.327 ng/L)[註1],就會開始臭得一去不返[7]。如果以重量比計算,健康人體製造的糞便中,糞臭素濃度約為 5 μg/g,但消化道疾病患者,則可高達 80 到 100 μg/g[註2]。換句話說,腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁,但至少能避免如廁之後臭名遠揚[8]

回顧過去的調香職涯,Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成,產地直銷,人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確,我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承,那是為了襯托自然的味道,但是如果大比例的使用人造成份,「合成的香水聞起來,就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢,就連知名調香師也無力回天。諷刺的是,在這場產業變遷的遺憾裡,得知糞臭素並非天然,卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

  1. pptV(parts per trillion by volume),則是兆分之一體積比。ng/L,指每公升幾奈克。
  2. μg/g,又作 mcg/g,指每公克中有幾微克,也就是 ppmW(parts per million by weight)百分之一重量比。

參考資料

  1. How to Smell Like a God (GQ, 2014)
  2. Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
  3. Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
  4. 羧酸(教育部重編國語辭典修訂本,臺灣學術網路第六版)
  5. Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
  6. Skatole (American Chemical Society, 2021)
  7. Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
  8. New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)

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胡中行_96
9 篇文章 ・ 7 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。