想成為狩獵高手？學學狐狸來利用磁場吧！──《變身野獸》

• 作者：翁國精／國立屏東科技大學野生動物保育研究所 副教授

小時候，我對野生動物最深刻的印象是來自高雄縣旗山、六龜、甲仙一帶林立的山產店。像是倒掛在鳥籠裡的狐蝠、瑟縮在狗籠裡的白鼻心、炒得香噴噴的山羌肉，還有跟橡皮筋一樣久嚼不爛的飛鼠肉（是的，我嚼過橡皮筋），都帶給我很大的衝擊。

這時期的台灣森林，是一個由消費市場驅動，獵人扮演頂級掠食者的生態系，同時，開墾和伐木，也夾擊著野生動物的生存。後來，在民國 78 年野生動物保育法頒布後，這種色香味俱全的野生動物體驗，逐漸走入歷史。而沒有了野生動物的消費市場，原住民也不再依賴狩獵作為經濟來源，再加上國家公園、保護留區相繼設立，野生動物開始獲得了休養生息的契機。

野生動物們過得好嗎？透過自動相機一探究竟

所以，這些年來野生動物們過得好嗎？問題的答案從來就是個謎。
即便在國家公園裡面也只有零星、短期的動物相調查。

到底台灣的野生動物資源如何變化？保育工作是否有成效？就連生態學者也難以一窺全貌。2013 年，鼬獾狂犬病爆發，我們終於意識到，自己對於野生動物資源缺乏掌握。

原先，我們以為 1961 年後，台灣就已經沒有動物的狂犬病案例，那麼，2013 年的爆發，到底是新的境外移入疫情？還是代表其實這 50 年來，狂犬病在台灣從來沒有消失過？

​​​​​​雖然現在基因定序的技術非常成熟，但是我們沒有 50 年前的病毒基因可供比對，於是鼬獾的族群變化就成了最關鍵的答案。如果台灣的狂犬病從來沒有消失，則鼬獾應該已經適應與病毒共存，成為保毒宿主，族群不會有劇烈的變動；但如果這波爆發是新傳入的疫情，則鼬獾的族群勢必受到衝擊，會有非常明顯的減少。

可惜的是，台灣從來沒有針對任何野生動物做長期的監測，所以林務局與防檢局在狂犬病爆發後開始合作，在苗栗、南投、台東等三個狂犬病最早出現的縣市以自動相機監測鼬獾。之後由林務局逐步擴大規模至全台及蘭嶼、綠島，在林班地架設自動相機監測樣點，拍攝中大型的哺乳動物。

目前為止，台灣以及蘭嶼綠島共有將近 300 個自動相機的監測樣點持續運作中，且監測樣點的數量，也仍在持續增加中。

重新開始監測野生動物！

自動相機是目前野生動物監測方法中效率最高，且最廣泛被使用的調查工具（圖1），操作方法可以標準化、自動化且全年無休。這些相機由巡山員負責操作及回收資料，各林管處承辦人員辨識照片，屏東科技大學野生動物保育研究所、以及嘉義大學森林暨自然資源學系，負責訓練人員及確認資料正確性，之後進行分析及撰寫報告（參考資料1），而中央研究院的生物多樣性研究中心，則負責開發軟體、並建立「臺灣自動相機資訊系統」（圖2），提供照片資料倉儲、搜尋、統計分析等功能。

為了反應動物族群量的變化趨勢，所有照片資料都被轉換成「單位時間拍到的有效照片數」，概念上相當於「單位努力捕獲量」，國際上慣稱為相對豐度指標 (relative abundance index)，國內則慣稱為 OI 值(occurrence index)。

這個指標受到動物族群量和動物活動頻度的影響，兩個因子的變化都會改變指標，所以並無法直接用指標值換算出動物的實際族群量；也因為如此，我們通常將指標值稱為族群豐度或相對豐度，而不是實際族群量或族群密度。

但是根據許多研究，這個指標和實際的族群量呈高度的正相關，也就是動物數量增加的時候，指標也會上升，動物減少的時候指標，會隨之下降，因此很適合用於反應動物族群量的變化趨勢。目前的哺乳動物長期監測網，有將近 300 台相機持續運作當中，跨單位的合作，讓陸域中大型哺乳動物的監測邁向長期化、系統化、標準化、公開化的里程碑。

雖然過去我們曾錯過了數十年，但經過了這些年的監測，我們發現哺乳動物們除了石虎還需要我們再加把勁之外，其他物種其實都過得還不錯，而且無論是不是保育類都是如此（圖3）。山羌、山羊、水鹿豐度不斷上升，狩獵壓力不曾稍減的野豬趨勢持平，鼬獾似乎已經從狂犬病的侵襲中回穩，穿山甲也有穩健的表現。

台灣森林的樣貌正在演替

這樣看來，台灣的森林似乎再度欣欣向榮了？可惜，其實未必。

因為頂級掠食者的減少，目前草食獸正逐漸接手，主宰森林的演替方向。擁有登山經驗的朋友或許會發現，某些中高海拔森林中的芒草牆消失了，森林底層的植被比過去更稀疏甚至消失（圖4，圖5），從前需要砍草鑽行的苦日子不再，造林用的苗木，也因為被草食獸取食而導致造林失敗。

以水鹿為例，許多地區開始出現水鹿啃食樹皮的現象（圖6），像是知本森林遊樂區、塔塔加遊憩區（圖7）、南橫天池及沿線的登山步道等（圖8），連遊客都向國家公園表達關切。水鹿啃樹皮的時候還會挑選樹種，而且偏好啃食小樹。這種選擇性的啃食，正慢慢改變台灣的森林樹種組成，甚至是演替的方向，當然也陸續影響了共同生活在森林中，依賴這些植物的小型哺乳動物、鳥類和昆蟲等。

台灣的森林，正從鐘擺的一端——頂級掠食者主宰的世界，擺向另一端——草食獸決定的樣貌。

事實上，野生動物數量的改變不僅僅影響森林的樣貌，更回過頭來衝擊著人類的文化和對於保育的思考。因為野生動物的增加，獵人不再需要翻山越嶺追尋獵物的蹤影，狩獵範圍逐漸退縮到部落附近，甚至能夠當天來回。狩獵的技能、山林智慧的傳承，以及傳統領域的維護，都因此而面臨危機。

雖然狩獵活動未曾消失，但早已對野生動物不構成威脅，如同墾丁的梅花鹿，因為成功的復育而導致高位珊瑚礁森林及農作物受到危害，迫使墾丁國家公園必須逐步「回收」野放成功的鹿隻。未來，會不會有一天，水鹿將會從人們心目中的「森林吉祥物」，轉變為森林和農作物的害獸？

小結

過去，獵人們會注意動物的數量，而調整自己的狩獵頻度和地點，多的時候多打，少的時候就少打、或者換地方打，讓動物有休養生息的機會。換句話說，獵人其實就是自然資源的經營管理者，而狩獵文化，則是一種永續的資源利用模式。

而從野生動物經營管理的角度來看，野生動物是一種可再生資源，人類可對野生動物做合理的利用，並確保其永續生存。為了維護生物多樣性，物種間不平衡的現象可以由人類適度介入處理。

所以，從現狀來看，我們曾經勾勒的保育的美好願景，是不是遺漏了我們自己？

人類和野生動物都是生態系的一份子，彼此以有形無形的方式聯繫著​​。目前草食動物族群量上升主要是因為原有的捕食者幾乎消失，但捕食者消失，卻不是一個正常的生態系應有的現象。

草食動物對森林環境的衝擊，會影響到共域的其他物種，例如森林底層的昆蟲、鳥類、其他哺乳動物等，以及森林的發育和演替。如果任其發展，除了森林裡的動植物受衝擊，也會因為跟人類的接觸而引發疾病、交通安全、農損等問題，最後草食動物的族群，也會因為超出環境承載量而快速崩毀。

當我們忘了把自己加入願景的規劃中，就會讓好不容易回歸自然的梅花鹿轉眼變成害獸被回收，或者如獼猴面臨我們的危害防治手段；而當我們只考慮自己的時候，就會造成像流浪犬貓、被放生的外來種等等對環境和動物帶來的危害。​​​​食物鏈中雖然有掠食者和獵物之分，但沒有永遠的強弱和輸贏，兩者永遠互相依存。

• 本文編譯自《Physicists explain how type of aurora on Mars is formed》

形成極光的要素有三，其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場，可以在兩極地區生成北極光和南極光；然而，火星沒有覆蓋全球的磁場，因此火星上的極光並非出現在兩極，只能在特定區域生成。

近期，愛荷華大學領導的研究團隊，根據美國航空暨太空總署（NASA）火星大氣與揮發物演化任務（MAVEN）探測器的數據，確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成。

極光三要素：大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前，讓我們先把鏡頭轉到地球，談談地球上的極光在哪裡形成，以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區（auroral oval），涵蓋北極與南極地區，但並非以兩極為中心；換句話說，極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外，極光橢圓區的寬度與延伸範圍，會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引，沿著磁力線加速往高緯度地區移動，最後和大氣中的原子碰撞時，就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述，可以得知極光的三個要素是：大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」，若屬於可見光波段，就能用肉眼觀測，並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍，綠色區域則為極光橢圓區。圖／National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前，得先介紹它的幕後推手——行星際磁場（Interplanetary Magnetic Field，IMF）。IMF就是太陽風產生的磁場，在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化，並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢？當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播，會同時拖曳太陽的磁力線一起離開；太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子，讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話，太陽就像是在轉盤上的蛋糕，太陽風粒子就是擠花裝飾；而當蛋糕一邊以固定速度自轉，擠花逐漸向外擴散的同時，就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

對太陽風和 IMF 有基本認識之後，讓我們把鏡頭轉向火星，談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說，火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層，強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態，導致大氣層的散失；該過程稱作濺射（sputtering），發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一，在 IMF 的作用之下，部分的離子會環繞磁力線運動，隨著 IMF 移動而被帶離火星；另外一部份的離子則像撞球一般，撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子，引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明，根據團隊研究的成果，太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離，並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素（質子數相同，但是質量不同的元素）以氬-38 以及氬-36 為主，後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比，Jakosky 的團隊推估火星約有 65％ 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形；其中又以二氧化碳為焦點，畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在，而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

接著，讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢？這要先從行星發電機理論開始說起，該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例，地核內部保留了地球形成初始的熱能，約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵，因為密度下降而上升至地核頂端，接觸到地函時，這些液體會喪失部分熱能而冷卻，因為溫度比周圍環境低，密度變高而下沉；如此不斷的熱對流循環下，讓帶有磁力的流體不斷運動，進而形成電磁感應。另外，科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向，產生螺旋狀的流動效果，有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示，火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚，其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關，在火星形成之初散熱較快，造成火星外核液態鐵短時間內就凝固，無法像地球一樣，保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化，不斷從地核深處上升至地函，再冷卻下降，持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力，導致火星內部的發電機幾乎停止運轉，無法形成全球的磁場。話雖如此，火星仍然具備小區塊的磁場，主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

磁層與大氣層相互依存，火星在太陽風不斷吹襲之下，大氣層愈趨稀薄；火星內部又缺乏發電機的動力，無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護，就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢，因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣，看似缺乏極光形成要素的火星，又是如何形成極光的呢？

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護，但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡，磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用，滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」，與地球上常見的極光不同，有些發生在人眼看不見的波段（比如紫外線），所以也更加提升了觀測難度。

那麼，研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢？那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀（Imaging Ultraviolet Spectrograph，IUVS）！

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家，他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果，比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場（IMF）強度、時鐘角和錐角^{[註 1]} 以及火星上極光的紫外線，發現在磁場較強的地殼區域內，極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向；反之，區域外的極光發生率則與太陽風動壓（Solar Wind Dynamic Pressure）關聯較高，但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到，在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內，當 IMF 的時鐘角呈現負值，如果正逢火星的傍晚時刻，較容易觀測到離散極光；也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯（Magnetic Reconnection）——意即磁場斷開重新連接後，剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量（如動能、熱能等）加以釋放，例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向：移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關，而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料，也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果，主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光；以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想，火星是目前人類圓夢的最佳選擇；但是在執行火星移民計畫之前，火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護，生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果，科學家們將發掘新的突破點；期許在不久的將來，我們能找到火星適居的鑰匙。

• 註1：IMF 的時鐘角（Clock Angle）與錐角（Cone Angle）

如何判定 IMF 的角度呢？因為磁場空間是立體的關係，我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念，來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上，IMF 方向與 Z 軸的夾角；而錐角則是在 X、Y 平面上，IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

參考資料

1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫。
7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的？物理學家有新發現，帶你揭秘。
8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平。
9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的？ 科學家解謎。
10. BBC News 中文。北極光：美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理。
11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風。
12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖，證實火星有磁場。科技新報。
13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集。
14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.

火星 vs. 地球

長久以來，人類對火星充滿好奇，火星上有沒有水？那裡住著火星人嗎？這些未知，讓人類發射各種探測器和太空船前往火星，希望一探火星的奧秘！

超級巨大火山

奧林帕斯山是太陽系裡最高的火山，它比地球上最大的茂納開亞火山（MaunaKea）還巨大，如果從火山底部算起，奧林帕斯山大約是茂納開亞火山高度的兩倍半！火星的直徑大約只有地球的一半，為什麼火星上的火山卻可以長得比地球上的還高大呢？

夏威夷大島上的茂納開亞火山屬於熱點（hotspot）火山，這類火山的岩漿來自地函，熱點的岩漿從地函往上穿出地殼形成火山。因為板塊運動，地球的地殼會移動，這造成熱點穿出地殼的位置改變，時間久後，會形成一長串的火山，其中最有名的例子是夏威夷火山群島。

夏威夷群島的大島上有幾座活火山，目前大島就位在熱點上，夏威夷群島的其他火山年齡都比大島上的老，而且離大島愈遠愈老。

地球上因為板塊運動，熱點火山不會長得太大，長到一定程度，就會因為板塊運動移開熱點，沒有熱點提供岩漿，火山就會停止長高、長大。

火星跟地球不同，火星沒有板塊運動，地函的岩漿會在地殼上同一個熱點冒出，岩漿在同一熱點一直堆積長高，所以火星上的火山才會比地球上的巨大。

磁場很重要

根據科學家研究，火星早期有較厚的大氣，溫度適中，甚至表面有河川流水，跟目前的地球很類似。那為什麼火星現在會變成乾燥無水、充滿紅色沙塵的行星呢？

火星早期曾經有磁場，後來磁場消失，讓火星大氣失去防護，漸漸被太陽風剝離吹散。火星大氣壓力變小，地面上的液態水都變成大氣中的水蒸氣，大氣中的水蒸氣被太陽紫外線分解成氫和氧，流失到外太空，最後水漸漸從火星表面消失。目前火星地表的大氣壓力大約只剩地球的百分之一，而且還持續流失中！

科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚，有一種說法認為可能跟火星比較小有關。它的核心更小，所以散熱較快，造成外核的液態鐵凝固。外核的液態鐵凝固讓火星的磁場消失。

從火星的研究和認識，我們才明白地球原來如此特別！

真的有火星人嗎？

人類對火星上有沒有生命充滿想像，其中最有名的可能是帕西瓦爾．羅威爾（Percival Lowell）「看見」火星運河。

羅威爾是一位美國富豪，對火星非常著迷。1890 年代，他用自己建造的天文台觀看火星，並將透過望遠鏡看到的火星描繪下來。羅威爾認為他看見火星上有許多運河，建造運河是為了把南北兩極的冰運送到乾涸的赤道，這是火星有智慧生物存在的證據。

1965 年，美國的水手 4 號太空船飛掠火星，發現火星表面一片荒蕪，根本沒有羅威爾宣稱的運河和火星生命。不過，火星有生命存在的想法太吸引人，人類還是不斷用各種方式探索火星，尋找生命。

為什麼我們對火星這麼執著呢？一方面是科學上的原因，希望找到地球外的生命形態，不管這種生命形態是不是跟地球一樣，都是非常重大的發現；另一方面可能是情感上的因素，不希望地球是宇宙中唯一有生命的地方，孤單僅有的存在。

依據地球上的經驗，只要有水的地方幾乎都找得到生命，水成為生命的重要指標。火星早期比較溫暖，地表有水流動，所以火星過去可能有生命存在。科學家認為火星上最可能出現的生命是微生物，因為水存在火星表面的時間並不長，無法演化出太複雜的生命形態。

目前火星表面已經沒有穩定流動的水，不過水還是有可能存在地表下，所以，生命有可能還在火星地底存在著。人類不斷探索火星，不久的將來人類也會登上火星，到時候火星有沒有生命的問題，可能就會有答案。