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「為何不用用神奇核彈來摧毀颶風?」 美國大氣總署的不思議問題庫

Rock Sun
・2017/08/25 ・2793字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

要為美國人提供天氣資訊可不是件容易的事啊!

就跟許多政府機關一樣,美國國家海洋暨大氣總署(National Oceanic and Atmospheric Administration,以下簡稱 NOAA)設有民眾 Q&A,擁有全球數一數二的資料庫、關注人口的他們,也理所當然也經常收到許多各式各樣的問題和「建議」,而其中不乏讓人摸不著頭緒的怪問題。

NOAA 經常收到許多各式各樣的問題和「建議」,而其中不乏讓人摸不著頭緒的怪問題。

而其中,有個問題很常被問到,現在就讓我們來看看 NOAA 怎麼回答這個問題吧~(以下為譯文加上註解)

為什麼我們不利用核武來摧毀颶風?

……美國人真是奇葩的民族,怎麼會想到這種方法啊….….

每一次到了颱風季節,總有人建議我們使用核武來摧毀熱帶氣旋(註 1 ),但這方法除了完全沒有用之外,也完全忽略了之後輻射粉塵的影響,隨著大氣環流這些輻射汙染物將會為陸地上帶來災難性的環境問題。所以,不用說,這絕對不是一個好主意。但如果要更明正嚴肅一點解釋為什麼核武不是個摧毀颶風好方法,需要從爆炸的能量開始說起。

一個完整的熱帶氣旋系統能能以 5~20 x 1013 瓦特的功率釋放熱能,而其中只有不到 10% 的熱會轉換成風速。圖/National geographic

一個完整的熱帶氣旋系統能能以 5~20 x 1013 瓦特的功率釋放熱能,而其中只有不到 10% 的熱會轉換成風速。講白話一點,這個放熱效率差不多等於每 20 分鐘有一顆1000萬噸量級的核子彈爆炸(註 2 ),而根據 1993 年的世界年鑑紀載,1990一整年全人類的能源使用效率不過才 1013 瓦特(註 3)而已,只不到一個颶風的 20%。

如果是討論「能」,全人類可以使用的能源(換句話說就是實際使用+浪費掉的能源)就比較有機會與颶風產生的能量匹敵,但是最天方夜譚的部分就是如何將這些能量集中在大洋上某處。即使是一半也是很困難,所以單純以能量打散颶風是一件不太可能的事情。

另外,不管是普通爆炸還是是核子爆炸,都會產生強大的震波,以超過音速的速度從中心擴散出去,但這些震波並不會像大家所想的那樣擠壓空氣、增加颱風的中心氣壓以抵銷它的「低」氣壓,因為氣壓反應的是上空的空氣重量(註 4)所以不會有影響。

圖/petapixel

正常一大氣壓下,海平面上每平方公尺約有 10 噸的空氣壓在上面,即使是最強的颶風這個數字也只會變成 9 噸。如果要將 5 級颶風減弱為 2 級颶風(註5),那麼你需要在颶風眼中每平方公尺增加 0.5 噸的空氣,如果颶風眼半徑將近 20 公里,我們需要增加至少 5 億噸的空氣,完全想不到有什麼實際的方法可以移動這麼一大團的空氣(註 6)。

如果我們退個好幾步,在較弱的熱帶氣旋變成颶風前著手也沒有比較容易,每年有大約 80 個這樣的氣旋系統在大西洋上頭產生,完全不知道哪個最後會變成颶風,而且就算熱帶性低氣壓都只有颶風 10% 的能量,這還是一個可觀的數字。

所以如果我們真的建立了一組颶風警察來獵捕、解決颶風,那大家準備每年大停電吧!!

除了充滿爆點、相當美式硬漢作風的使用核彈之外,NOAA 也針對一些方法做出解釋,這些看似更有邏輯的方法,其實也不一定有用。

為何不試著在颶風中投入吸水物質 ?

先撇除這類物質對環境的影響,這不是不可能,但效果仍未定。舉測試中的 Dyn-O-Gel 為例子,電腦模型表示可以降低颶風威力,但效果不明顯,而且考慮到它是將雨滴凝結,加速墜落來釋放能量的話,對人類、建築和環境未必是件好事。

最重要的是,這要用到很~~~多物質。以上面的例子,每平方公里需要 10 頓的 Dyn-O-Gel 才會產生作用,如果我們取颶風眼和眼牆的範圍的話,這將近是 4,000 平方公里大,如果用美國的 C-5A 軍用運輸機載的話,需要個將近 400 台,而且每 1.5 小時得出一次任務,朝風雨最強大的地方飛去。

不用說,這絕對不行。圖/Weather Nation

為何不試著用降低海水溫度來破壞颶風呢?

降低海水溫度的方法很直觀,例如融化冰山或把深層海水打上來,但我們需要知道這需要涵蓋多大的範圍。不瞎說~~這超大的!颶風主要匯集能量的地方在眼牆四周,假如颶風眼直徑有 48公里的話(颱風平均為 45 公里),那這個範圍就有將近 4,550 平方公里,再假設颶風以每小時 16 公里的速度前進(這也大概是平均值)的話,這樣一天之內就會涵蓋將近 18,650 平方公里,而且這還沒考慮到颶風移動的不確定性,如果所有路線都要考慮到的話,需要操作水溫的海面範圍將近 38,000 平方公里(比整個台灣還大)。

所以真的要這麼做的話,你得先找到很多冰山,用船把它們拖運過來,並且在時限內散佈在這麼大的海面上。而如果是用管線把深層水打上來的話,這管線覆蓋面積又要超出這個數字很多倍,當然這都還沒考慮到成本和對海洋生物的影響(別忘了產生颱風的地方多半是熱帶海洋喔~)。講了這麼多~大家颱風天還是乖乖待在家裡吧~設法適應、與這種自然現象為舞比和它們為敵輕鬆多了~

當然也可以適用好萊塢的想像力,圖為電影「氣象戰」。
(來源:fictiontofact.com)

註解

  1. 我們的颱風,在美洲地區,叫做「颶風」;在印度洋產生的叫「氣旋」,在分級上都略有不同。本文章因為絕大部分是由NOAA 原文翻譯過來的,所以儘管大家念起來可能會繞口或是不習慣,還是以原文的「颶風」為主。
  2. 1,000 萬噸量級的核子彈看似很多,但其實已經是過去式了。1952 年美國在大平洋埃內韋塔克環礁試爆的世界第一顆氫彈–「長春藤麥克」就是一顆 1,000 萬噸量級的核子彈,比轟炸長崎的「胖子」原子彈還強了 500 多倍。而俄國的「沙皇炸彈」量級又比「長春藤麥克」高了 5 倍。
  3. 雖然不太知道這篇文章最一開始是什麼時候寫成的,但如果是 2015 年的話,全人類的能源使用是 1990 年的 1.5 倍,大略換算一下還只是一個颶風的 30%。
  4. 氣壓泛指是氣體對某一點施加的流體靜力壓力,來源是大氣層中空氣的重力。換句話說,你就算把上空的空氣全部壓的緊緊的,這團空氣的重量只要沒有變化,你的氣壓還是一樣。
  5. 詳細的全世界颱風分級表可以從中央氣象局找到,但針對「5 級颶風變成 2 級颶風」,差不多就是最猛的強颱變成中颱的程度,風速大概會下降 40%。
  6. 5 億噸的空氣的體積差不多是 3.85 億立方公尺,如果我們可以擷取地面上空 500 公尺以內的空氣,那我們需要把一個面積770,000 平方公尺以上的空氣全部拿走。大概就是製造一個 3 個大安森林公園面積大,開口可以拉開到 500 公尺高的巨無霸塑膠袋,然後請幾台飛機或跑車以迅雷不及掩耳的速度把那裡面的空氣像抓蝴蝶那樣全部綁架,然後再運到颱風中間把塑膠袋打開。

參考資料:


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文章難易度
Rock Sun
62 篇文章 ・ 430 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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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)