「為何不用神奇核彈摧毀颶風？」 美國大氣總署的不思議問題庫

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

你的手機能無線充電嗎？不過，雖說是無線充電，但還是得要放在充電盤上，由充電盤連結一條電線，這樣的充電方式，想必跟大家期待的「真．無線充電」有落差。

好消息是，有人提出一種藉由捕捉空間中的無線電波、獲得電能的無線充電方式，所以代表這些電能是完全免費的！但……這是真的嗎？

隔空充電可行嗎

現在我們已經可以透過無線網路串連全球的資訊，但是遠距能量傳輸卻尚未成真。

當代的無線通訊裝置，舉凡手機電話、wifi 網路、無線電、衛星定位等，都可以靠著不斷地發射無線電波來交換訊息。不過其實仔細想想，無線電波、電磁波其實就是不斷變化的電磁場。既然可以透過磁場變化來傳遞能量，那這些強大的電磁波網絡，是不是也可以拿來傳遞電能呢？

實際上還真有類似的例子，一百年前最早的收音機竟然完全不需要插電！礦石收音機只需要天然礦石、金屬針、線圈和一些電線，就能收到附近廣播電台送出的訊號，轉換成聲音並放出。

那麼為什麼沒有沿用至今呢？主要就是效率的問題。礦石收音機需要不斷調整金屬針接觸礦石的位置，還得拉長長的天線來捕捉更多的無線電波；市售的礦石收音機玩具，甚至附有一條長長的鱷魚夾電線，可以接到大型金屬家具，產生更清楚、更大聲的聲音。當然這種收音機很快就被以電驅動的真空管收音機取代了。

2021 年初小米曾發表過隔空充電技術專利，利用指向型遠距充電，系統會先定位出手機的位置，再透過多個天線組成的陣列將電波瞄準發射給手機，克服電磁波發散的問題，據稱能在數公尺內進行無線 5W 的無線充電，雖然還不到快充，但也算是革命性突破。不過目前還在技術發表階段，尚未正式推出。

無線射頻獵能

再換個角度思考，能量在傳遞的時候會向四周發散，而我們生活周遭到處都是會發出電磁波的 3C 產品，那能不能反過來，捕捉這些由其他電器溢散的電磁波，並轉為能量呢？

還真的有人這麼做了。收集這些廢能，並轉化成可用電能的技術，就稱為「無線射頻獵能」。近十年來，有許多相關的技術與研究，不過效率大多還未到達實用階段。

就在今年一月，美國麻州大學團隊發表了一種可以用於無線射頻獵能的線圈手環，而且功率竟然比一般的線圈天線高十倍以上。

有趣的是，其實他們當時並不是在研究無線充電，而是如何使用 LED 快速閃爍來傳遞訊息；這種名為可見光通訊 VLC 的技術，有望成為未來 6G 通訊的方式。但發現到，這種技術需要 LED 以每秒數百萬次的頻率閃爍，過程中會釋放出大量不可用的無線電波，浪費掉許多能量；於是轉念一想，嘗試用線圈收集這些逸散的能量，降低傳訊時的能量浪費。

研究團隊發現，當線圈靠近金屬片時，收集能量的效率會變得更好。透過反射增強訊號，金屬片吸收環境中的電磁波再向外放出；隨著金屬片面積越大，攔截到的電磁波也越多，收集能量的效果也越好。

但是無線充電就是要擺脫這些笨重的金屬板，於是研究人員開始拿生活周遭的 3C 產品來進行實驗。從獵能的功率來看，效果最好的依序是筆電、平板、手機。這和預期的一樣：面積越大，獵能效果越好。

然而，意想不到的是，實驗效果最好的，竟然是人體！

推測這是因為人體中含有大量水分，其容易導電、被極化的特性有助於蒐集空間中的電磁波。人體就是一根巨大的共振天線，能增加無線電訊號的發射效率，同樣的道理，也可以用來收集環境中的無線電波能量。

研究團隊將線圈手環的設計稱為「Bracelet+」，是第一個借助人體的獵能裝置；後續又嘗試將線圈做成戒指和手環，希望能打造出輕便的隨身獵能裝置。

那這樣是不是以後只要綁條線圈在手上，就再也不需要幫手機充電了呢？該線圈手環目前在數公尺的距離外最多可以捕獲微瓦等級的功率，也就是百萬分之一瓦。用這種電壓當然不可能幫手機充電，不過已經足以供應一些低功耗的隨身裝置，像是常見的智慧健康手環，或是負責監控體溫或血糖的元件，甚至類似心律調節器的植入式醫療器材，或許就可以利用該線圈設計，減少充電的頻率。

在 5G 物聯網的架構中，各種居家和隨身裝置必須隨時維持連線，如何為這些獨立、低功耗的裝置供電便成了重要的課題。在這種情況下，如果可以汲取周遭無線電波的廢能，不只可以節省能源，還能免去定期更換電池或充電的麻煩。

遠距充電熱潮

目前的 5G 和開發中的 6G 技術，都持續往電磁頻譜中更高頻率的部分去探索，設置覆蓋率更高、頻譜更寬的無線通訊網絡，而這些頻率的電磁波也將為無線充電帶來新的發展機會。

去年在 Scientific Reports 期刊上，有篇研究提出了 5G 網路作為電力網的想法。團隊針對 5G 使用的頻率設計出一種天線以及搭配的電路，可以在 180 公尺外接收到 6 微瓦，為無線電力網的夢想邁出了第一步。

不過，在這波遠距無線充電的熱潮下，市面上也出現許多令人半信半疑的遠距充電技術。

例如 2011 年一家新創公司推出了超音波充電技術，宣稱可以透過空氣的震動替手機充電；然而，雖說超音波充電雖然在原理上可能可以運作，但在充電效率和經濟成本上根本不切實際，對人體健康的影響也相當有爭議。

除此之外，還有一家叫做 TechNovator 的公司推出了前所未聞的量子充電技術，他們宣稱可以透過「能量量子化」來傳輸能量，並且在「空間中創造能量結構」，還不需要任何形式的電磁場，就可以達成 100 瓦的無線充電！至於到底有沒有這麼好的事，就留給各位判斷了。

在所有物品與資訊都以無線網路相連的這個時代，無線的電力傳輸與電力網是關鍵的下一步；能夠有效的無線傳輸能量，才能讓我們生活周遭的智慧裝置擺脫電線的束縛，減少電池的消耗，成為一個自由移動，自給自足的物聯網。

不論是透過可見光、wifi、還是 5G 訊號，無線且遠距的充電與獵能，將來勢必會有讓人驚豔的發展。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識！

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

本文由 我的青航時代－2023航發會×暑期航空營 委託，泛科學企劃執行。

座落在熱帶和亞熱帶氣候帶的台灣，地形複雜，天氣的變化多端，比另一半翻臉的速度還快。在地面上的人們尚且需要天氣預報，才能順利規劃日常生活起居；在天空中翺翔的飛機，同樣也必須仰賴航空氣象的資訊，才能完成一趟安全的飛行。一起來瞭解航空氣象扮演的重要角色吧！

努力讓「不測風雲」變得可測

過去不少令人觸目驚心的空難憾事，如 2014 年復興航空 222 號班機空難受颱風麥德姆風雨影響墜毀、2020 年空軍黑鷹直升機因天氣驟變失事，都與天氣因素有關。根據台灣國家運輸安全調查委員會的報告，台灣近 10 年的民用航空運輸重大飛航事故分析中，「天氣」是其中僅次於人員因素的事故原因。

因此要守護機組人員與乘客的安全，能否及時提供可靠的機場氣象觀測、預報及警報，供飛航作業人員參考，便至關重要。

那麽氣象資訊是怎麽來的呢？幕後功臣就是設置於台灣各處民航機場，堅守各自崗位的航空氣象臺。目前全島共有 5 個航空氣象臺（松山、桃園、高雄、豐年及金門）與 5 個任務臺（蘭嶼、綠島、恆春、北竿、南竿）^[註1]負責監測航空氣象。

航空氣象人員的職責，就是蒐集、整理、分析和解釋飛航所需的機場及航路之預測、預報、警報及顯著危害天氣資訊。他們是飛航安全背後的强力後援，全天候守視飛航情報區天氣變化及提供諮詢。

氣象資訊從哪來？來認識氣象觀測的好幫手們

要即時準確地進行氣象觀測，絕對少不了各種氣象裝備的幫忙！任憑氣象七十二變，氣象人員也能透過氣象觀測隨時掌握情況，確保航空安全。飛航服務總臺在各民航機場都有設置的自動氣象觀測系統（Automatic Weather Observation System，簡稱 AWOS），是一個多功能的好幫手。它可以觀測風向、風速、能見度、跑道視程、雲量、雲高、溫度等等各種項目，讓氣象人員可以用來進行機場天氣測報和航機管制作業。

飛機在起飛降落時，最擔心遇到增加飛行難度的風切（Wind Shear）。風切指的是大氣中不同兩點之間，風速或風向的劇烈變化。低空風切（Low-level wind shear）則是指 1600 呎（500 公尺）以下空氣層中的風切，可能造成飛機難以操控而被迫重飛，甚至失速導致飛航事故，因此需格外注意。

針對棘手的風切問題，氣象臺在松山機場和桃園國際機場設置了 低風切警報系統（Low Level Wind-Shear Alert System，簡稱 LLWAS），利用機場周邊沿跑道兩側及跑道延伸線外之多個 20 公尺以上測風塔進行風場觀測。當風場變化達到風切發生條件時，系統立刻就會透過文字、圖形和聲音等警告資訊，提醒氣象觀測員及塔臺管制員，發布風切警報警示進場和離場的機師做好因應措施。

1985 年在桃園國際機場架設的都卜勒氣象雷達（Doppler weather radar），長得就像一個巨型氣球，是當時全亞洲首座供作業用的 C 波段氣象雷達，掃描範圍可達 300 公里。它就像個盡責可靠的氣象觀測員，負責台灣北部機場和附近航路天氣的即時監測與預警，可以掌握劇烈天氣如颱風、雷雨、風切和亂流等天氣現象的發展和移動，提供資訊給飛航相關人員作業參考，確保飛行安全。

「有字天書」——航空氣象報告内容大解密！

如果你拿到一份航空氣象報告，恐怕會以為這是一串亂碼。由各種英文字母縮寫和數字組成的航空氣象電碼，其實有著國際規範的通用格式。只要懂得解讀，就會發現裏頭包含了風向、風速、能見度、雲層狀況、溫度露點及氣壓等多項氣象資訊。按照其用途，航空氣象報告可以分成不同的類型，以下簡單介紹其中幾種。

依照機場的作業規模，航空氣象臺會每半小時或每小時發布機場例行天氣報告（Meteorological Terminal Aviation Routine Weather Report，簡稱 METAR），供飛行員和航管員使用來評估該地區當前的天氣狀況。當天氣變化達特定條件時，則會發布機場特別天氣報告（Aviation Special Weather Report，簡稱 SPECI）。另外，觀測員也會發布未來 2 小時天氣預報，提供航機進行作業因應規劃。

若需要預測更長程的天氣變化，臺北航空氣象中心也會每天四次更新機場預報（Terminal Aerodrome Forecasts，簡稱 TAF），其有效時間長度分為 30 小時／24 小時／18 小時等三類，讓航空公司可以用來擬定航班飛行計劃，作為航機調度、載重、油料和旅客安排的參考。

安全至上！如何從惡劣天氣中全身而退

在航空業中，天氣變化不只是出門要記得帶傘這點程度的不便，更會影響航班的安排規劃。如果預計會有暴雨或風暴，航空公司可能會取消或延誤航班，以確保乘客和機組人員的安全。當風速和風向發生改變，機師也可能需要改變飛行路線和高度，以大大降低航程的風險。

但你是否也有過類似經驗：明明天氣很好，來到機場卻遇上航班延誤的消息，而感到困惑不解？這些讓旅客滿肚子哀怨的情況，其實也都是為了安全考量，所作的因應安排。因為即使機場所在地的天氣肉眼可見的良好，並不代表機場適合起飛降落。

例如飛機降落前到達一定高度時，機師必須完全看得見跑道及地面狀況，覆蓋在機場起降航道附近的低雲、雷雨區，都可能造成能見度下降，造成飛機不能按時降落。飛行時，若航路前方有雷雨天氣，基於安全考量，機師通常會繞過或飛越，也就增加了航行時間導致班機誤點。靠山邊的機場如蘭嶼機場，常因地形產生風切亂流，導致飛機降落困難，不得不重飛或返航，延誤航班。

此外，同樣是飛往某地的航班，也可能發生有些能走，有些卻被告知走不了的情況。這是因為航機機型大小不同，適航標準也不同。即使是相同的機型，也會因駕駛員的證照類別、航空公司所訂的安全標準之差異，綜合機場條件、天氣和駕駛員對航機狀態的判斷後，對班機行程做出不一樣的決策。

氣象服務網與 APP 在手，航空氣象即時就有

飛航服務總臺也緊跟時代脚步，建設各項線上即時的氣象資訊服務，包括「航空氣象服務網」和「航空氣象資訊 APP」。航空氣象服務網主要讓航空公司簽派員、飛行員及航空相關人員申請註冊使用，以查詢全球各主要機場即時天氣測報及預報資料。在網站首頁，也有機場即時天氣資料、台灣地區機場適航狀態、即時衛星雲圖等資訊，開發讓一般民衆查詢。

航空氣象資訊 APP 也應行動裝置普及誕生，可供航空從業人員下載使用。一般民衆也能透過 APP 取得全球各大機場即時天氣資訊、東亞地區衛星雲圖及臺灣地區雷達回波圖等資料。

【註解】

1. 任務臺業務分別由豐年 （業管蘭嶼、綠島）、高雄（業管恆春）、松山（業管北竿）及桃園（業管南竿）航空氣象臺負責管理。

參考資料

1. 飛航服務總臺：航空氣象服務介紹
2. 飛航服務總臺：臺北航空氣象中心
3. 飛航服務總臺：氣象裝備
4. 台灣飛安統計（2012 – 2021）。國家運輸安全調查委員會。
5. 飛航服務總臺：桃園機場都卜勒氣象雷達介紹
6. 航空氣象服務網
7. 「2020 飛航解密 暢遊天際」系列講座 – 臺北航空氣象中心主任余曉鵬精彩演講內容
8. Wikipedia – 航空例行天氣報告
9. Wikipedia – 終端機場天氣預報

久旱不雨，植物悲鳴，^{[1, 2]}類似教育部《臺灣閩南語常用詞辭典》所謂「因飢餓而吵鬧」的「哭枵」（khàu-iau）。^[3]別問為何沒聽過，也不怪天地寡情，人類無義，從來漠不關心。植物叫那種超音波，傳至咱們耳裡就只剩寧靜。幸好靠著以色列科學家幫忙，轉換到常人的聽覺範圍，並分享於 2023 年 3 月底的《細胞》（Cell）期刊，才廣為周知。^[1]

傾聽植物的聲音

面臨乾旱或草食動物的威脅，植物會做出多種反應，例如：改變外貌，或是以揮發性有機化合物影響鄰居等。^[1]過去的文獻指出，缺水引發空蝕現象（cavitation），使植物負責輸送水份的木質部，因氣泡形成、擴張和破裂而震動。^{[1, 4]}現在科學家想知道，這是否也會產生在特定距離內，能被其他物種聽見的聲音。^[1]

受試的對象是番茄與菸草，分別拆成乾旱、修剪和對照 3 組。對照組又有常態生長的一般對照、有土卻無植物的盆器，以及每株植物實驗前的自體對照 3 種。實驗大致有幾個階段：首先，在隔音箱裡，距離每個受試對象 10 公分處，各立 2 支麥克風收音。將聲音的紀錄分類後，拿去進行機器學習。接著移駕溫室，讓訓練好的模型，分辨雜音和不同情況下植物的聲音。再來，觀察乾旱程度與植物發聲的關係。最後，也測試其他的植物和狀態。^[1]

植物錄音與機器學習

隔音箱裡常態生長的植物，每小時平均發聲少於一次；而沒植物的盆器當然完全無聲。相對地，遭受乾旱或修剪壓力的實驗組植物，反應則十分劇烈：^[1]

隔音箱中實驗組的錄音，被依照植物品種以及所受的待遇，歸納為 4 個組別，各組別再彼此配對比較，例如：乾旱的番茄對修剪的番茄等。以此資料訓練出來的機器學習模型，判別配對中各組別的準確率為 70%。第二階段在溫室中進行，自然較隔音箱嘈雜。科學家拿空蕩溫室的環境錄音，來教模型分辨並過濾雜訊。訓練後，令其區別乾旱與對照組番茄的聲音，結果 84% 正確。^[1]既然能聽得出基本的差別，下一步就是了解水量對番茄發聲的影響。

體積含水量

為了操縱體積含水量（volumetric water content，縮寫VWC），即水份與泥土體積的比值或百分比，^{[1, 5]}科學家狠下心，連續幾天都不給溫室裡的番茄植栽喝水。一邊觀察 VWC 的變化；一邊錄下它們的聲音。起先水份充足，番茄不太吵鬧；4、5 天下來，發聲的次數逐漸增加至高峰；然後應該是快渴死了，有氣無力，所以次數又開始減少。此外，番茄通常都在早上 8 點（圖表較像 7 點）到中午 12 點，以及下午 4 點至晚上 7 點，這兩個時段出聲。^[1]科學家覺得這般作息，可能與規律的氣孔導度（stomatal conductance），也就是跟光合作用的換氣以及蒸散作用的水份蒸發，兩個透過氣孔進行的動作有關。^{[1, 6]}

大部份的聲音都是在 VWC < 0.05 時出現；當 VWC > 0.1，水份還足夠，就幾乎無聲。科學家將比較的條件進一步分成 VWC < 0.01 與 VWC > 0.05、VWC < 0.05 跟 VWC > 0.05，以及 VWC < 0.01、VWC > 0.05 和淨空溫室的聲音。機器學習模型分辨起來，都有七、八成的準確率。^[1]

植物發聲的原理

實驗觀察所得，都將植物發聲的機制，指向木質部導管中氣體的運動，也就是科學家先前預期的空蝕現象。^[1]下面為支持這項推論的理由：

1. 木質部導管的口徑，與植物被錄到的聲波頻率相關：寬的低；而窄的高。^[1]
2. 乾旱與修剪所造成的聲音不同：在木質部導管中，前者氣泡形成緩慢，發聲時數較長；而後者則相當迅速，時數較短。^[1]
3. 聲音是由植物的莖，向四面八方傳播。^[1]
4. 空蝕現象造成的震動，跟記錄到的超音波，部份頻率重疊；而沒有重疊的，其實已經超出其他物種的聽力以及麥克風收音的範圍。^[1]

問誰未發聲

觀察完番茄和菸草之後，科學家不禁好奇，別的植物是否也會為自己的處境發聲？還是它們都默默受苦，無聲地承擔？研究團隊拿小麥、玉米、卡本內蘇維濃葡萄（Cabernet Sauvignon grapevine）、奇隆丸仙人掌（Mammillaria spinosissima）與寶蓋草（henbit）來測試，發現它們果然有聲音。不過，像杏仁樹之類的木本植物，還有木質化的葡萄藤就沒有了。另外，科學家又監聽感染菸草嵌紋病毒（tobacco mosaic virus）的番茄，並錄到它們的病中呻吟。^[1]

你敢有聽著咱的歌

之前有研究指出，海邊月見草（Oenothera drummondii）暴露於蜜蜂的聲音時，會產出較甜的花蜜。^[2]若將角色對調過來：植物在乾旱、修剪或感染等壓力下釋出的超音波，頻率約在 20 至 100 kHz 之間，理論上 3 到 5 公尺內的某些哺乳動物或昆蟲，例如：蝙蝠、老鼠和飛蛾，應該聽得到。^{[1, 2]}以色列科學家認為幼蟲會寄住在番茄或菸草上的飛蛾，或許能辨識植物的聲波，並做出某些反應。同理，人類可以用機器學習模型，分辨農作物的聲音，再給予相應的照顧。如此不僅節省水源，精準培育，還能預防氣候變遷所導致的糧食危機。^[1]

備註

本文最後兩個子標題，借用音樂劇《Les Misérables》歌曲〈Do You Hear the People Sing?〉的粵語和臺語版曲名。^[7]

參考資料

1. Khait I, Lewin-Epstein O, Sharon R. (2023) ‘Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative’. Cell, 106(7): 1328-1336.
2. Marris E. (30 MAR 2023) ‘Stressed plants ‘cry’ — and some animals can probably hear them’. Nature.
3. 教育部「哭枵」臺灣閩南語常用詞辭典（Accessed on 01 APR 2023）
4. McElrone A J, Choat B, Gambetta GA, et al. (2013) ‘Water Uptake and Transport in Vascular Plants’. Nature Education Knowledge, 4(5):6.
5. Datta S, Taghvaeian S, Stivers J. (AUG 2018) ‘Understanding Soil Water Content and Thresholds for Irrigation Management’. OSU Extension of Oklahoma State University.
6. Murray M, Soh WK, Yiotis C, et al. (2020) ‘Consistent Relationship between Field-Measured Stomatal Conductance and Theoretical Maximum Stomatal Conductance in C3 Woody Angiosperms in Four Major Biomes’. International Journal of Plant Sciences, 181, 1.
7. FireRock Music.（16 JUN 2019）「【問誰未發聲】歌詞 Mix全民超長版 粵+國+台+英 口琴+小童+學生+市民 Do you hear the people sing?」YouTube.