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「光纖之父」高錕誕辰|科學史上的今天:11/4

張瑞棋_96
・2015/11/04 ・1093字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

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編按:高錕已於2018年9月23日於香港辭世,享壽84歲。

今天網路已成為現代人日常生活中習以為常的一部分,我們瀏覽網頁、聊天、上傳相片、購物、聽音樂、看影片、……等等,而不會留意到這些內容都是化作0與1的數位訊號,經由以光纖為骨幹的基礎網路傳遞。沒有光纖,就沒有如此蓬勃發展的網際網路與各種應用,而發明光纖技術,讓這一切成為可能的就是被稱為「光纖之父」的華裔科學家高錕。

進行早期光纖實驗的高錕。圖片來源:nobelprize

高錕出生於上海,自幼就展現發明家的特質,曾自製煙火、泥土炸彈、收音機。上中學時因國共內戰而全家遷來台灣,後再移居香港。在英國念完大學後,就進入國際電話電報公司(ITT),一邊工作一邊攻讀博士學位。就在取得博士學位後的第二年,高錕於1966年發表改變通訊方式的關鍵論文《介電波導管的光波傳送》,從此開啟了光纖網路的新紀元。

其實光纖並非新玩意兒,但因為衰減過快,行進20公尺後就只剩 1%,因此都只拿來當裝飾品或內視鏡之用。當時普遍認為「光在玻璃中會嚴重衰減」是理所當然的現象,但高錕卻不以為然。經過幾年研究後,他證明只要去除玻璃的雜質,就能將光的衰減幅度改善到與銅線相當,行進一公里才剩 1%,因此可以做為長距離通訊的線路。高錕深知在實驗室的成功還不夠,因此還實際設計出如何製造極低雜質之石英玻璃的製程。

不過通訊業界對此論文仍抱著半信半疑的態度,高錕還得努力向業界推銷光纖的可行性與優勢。最後終於由美國康寧(Corning)公司於1970年成功量產出來,到了1982年更開發出衰減幅度改善百倍的光纖。光纖比銅線傳輸距離更長、直徑更細,加上同一條光纖可以允許不同波長的光同時傳輸,頻寬是銅線的萬倍以上,自此海底電纜完全改由光纖取代,全球通訊進入光纖時代。

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然而網際網路的盛行要等到二十一世紀了,光纖對人類文明的重要性至此才明顯浮現,因此直到2009年,高錕才終於獲得諾貝爾物理獎。只是此時他已罹患阿茲海默症六年,已不知光纖為何物,更不記得自己就是發明人。

從瑞典國王(右)手上接過諾貝爾物理學獎獎章的高錕(左)。圖片來源:nobelprize

到了諾貝爾獎頒獎典禮那天,瑞典國王打破慣例,主動走到高錕的座位前頒獎給他,讓他無須行禮如儀,像其他得獎人那樣走到舞台中央鞠躬領獎。高錕起身站得挺直,笑容純真燦爛,因為他仍沒忘記這是科學家的最高榮譽……。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 1027 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 BRITA 合作,泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎?

如果你回到兩百年前,試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水,可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐,氣味刺鼻,甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」,當時的人們雖然知道水不乾淨,但卻無力改變,導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

幸運的是,現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物,但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰,哪些技術真正有效?

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19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展,面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊,甚至未經處理的地下水,導致傳染病肆虐。

1854 年,英國醫生約翰·斯諾(John Snow)透過流行病學調查,發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關,這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度,促使公衛政策改革,加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初,英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒,成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率,這一技術迅速普及,成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾,尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後,惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年,後藤新平出任民政長官,他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設,對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題,他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓(William Kinnimond Burton) 來台,規劃現代化的供水設施。在雙方合作下,台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年,全台已有 16 座現代水廠,有效改善公共衛生,為台灣城市化奠定關鍵基礎。

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圖片來源/BRITA

進入 20 世紀,人們已經可以喝到看起來乾淨的水,但問題真的解決了嗎? 科學家如今發現,水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物,甚至微量的內分泌干擾物,這些看不見、嚐不出的隱形污染,正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此,濾水技術迎來了一波科技革新,活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透(RO)等技術相繼問世,各有其專長:

活性碳吸附:去除氯氣、異味與部分有機污染物

離子交換樹脂:軟化水質,去除鈣鎂離子,減少水垢

微濾技術逆滲透(RO)技術:攔截細菌與部分微生物,過濾重金屬與污染物等

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這些技術相互搭配,能夠大幅提升飲水安全,然而,無論技術如何進步,濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯,決定了水質能否真正被淨化,而現代濾水器的競爭,正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是,最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能?

濾芯的壽命與更換頻率:濾水效能的關鍵時刻濾芯,雖然是濾水器中看不見的內部構件,卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例,其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂,能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質,並過濾鉛、銅等重金屬,同時軟化水質,提升口感。

然而,隨著市場需求的增長,非原廠濾芯也悄然湧現,這不僅影響濾水效果,更可能帶來健康風險。據消費者反映,同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯,顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全,建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯,避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙,正面則可看到 BRITA 商標,以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計,底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節,才能確保濾芯發揮最佳過濾效果,讓每一口水都能保證潔淨安全。

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濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計 (圖片來源 / BRITA)

不過,即便是正品濾芯,其效能也非永久不變。隨著使用時間增加,濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞,導致過濾效果減弱,濾水速度也可能變慢。而且,濾芯在拆封後便接觸到空氣,潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯,不僅會影響過濾效能,還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質,形成「過濾器悖論」(Filter Paradox):本應淨化水質的裝置,反而成為污染源。為此,BRITA 建議每四週更換一次濾芯,以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題,BRITA 推出了三大智慧提醒機制,確保濾芯不會因過期使用而影響水質:

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈:即時監測濾芯狀況,顯示剩餘效能,讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒:掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間,自動提醒何時該更換,減少遺漏。

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3. LINE 官方帳號自動通知:透過 LINE 推送更換提醒,確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天,濾芯已不僅僅是過濾裝置,更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備,成為了健康生活的關鍵。

人類對潔淨飲用水的追求,從未停止。19世紀,隨著城市化與工業化發展,水污染問題加劇並引發霍亂等疾病,促使濾水技術迅速發展。20世紀,氯消毒技術普及,進一步保障了水質安全。隨著科技進步,現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術,去除水中的污染物,讓每一口水更加潔淨與安全。

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(圖片來源 / BRITA)

今天,消費者不再單純依賴公共供水系統,而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如,BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求,從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題,去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%,並通過 SGS 檢測,通過國家標準水質檢測「可生飲」,讓消費者能安心直飲。

然而,隨著環境污染問題的加劇,真正的挑戰在於如何減少水污染,並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具,更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備,它象徵著人類與自然的對話,提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利,更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源,且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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極權國家網軍來襲!「資訊獨裁」的雙重手法:網路審查 x 散播假消息
研之有物│中央研究院_96
・2021/10/18 ・5288字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|龔雋幃
  • 美術設計|林洵安

網路是對抗極權的利器,還是政府監控之眼?

上個世紀末,網際網路甫萌芽,彼時正是自由無垠的代名詞。但不過十數年,獨裁政體已導入新技術,建置網路審查系統與防火牆,奪回資訊掌控權,甚至發動跨國資訊戰。當台灣成為境外假訊息的投放目標,我們又該怎麼面對資訊攻擊?「研之有物」專訪中研院社會學研究所林宗弘研究員,他與廈門大學政治學系張鈞智副教授合作,運用 153 國資料,分析國家網路審查與公民社會能量的交互關係。

自由的網路世界,讓我們集結革命!

跨入千禧年之時,傳言中國將著手建置防火長城,全面管制網路資訊流通,時任美國總統的柯林頓(Bill Cliton)嘴角淺淺上揚地微笑說,「祝他們好運。那就像是要把果凍釘在牆上。」

大約 10 年過後,透過社群平台的迅速串連,從網路點燃的燎原怒火,果真在 2010 年底掀起北非、中東地區的「阿拉伯之春」(Arab Spring)革命浪潮!一時之間,網路儼然成為組織動員的新興反抗支點,藉由虛擬世界的合縱連橫,便得以撐起更好未來的想像,動手打造屬於人民的明天。

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「從阿拉伯之春、佔領華爾街到太陽花運動,那時候主流的觀點是,網際網路有助於年輕人集結抗爭,或是獲得社會資本。」中研院社會所研究員林宗弘說。

2010 年底突尼西亞爆發茉莉花革命,甫崛起的行動網路與社群媒體成為助力,民眾透過手機迅速串連,分享圖片、資訊,掀起北非與中東地區一連串的民主抗爭運動,多國獨裁政權垮台,被稱為「阿拉伯之春」。圖為 2011 年埃及街頭抗議民眾。圖/iStock

「數位烏托邦」的夢起夢醒:技術決定論 vs 獨裁進化論

阿拉伯之春的浪潮下,「數位烏托邦主義」(Cyber-Utopianism)蔚為風行,人們相信隨著數位科技愈成熟、使用人口愈多,公民社會就能擁有愈大力量。

烏托邦論者立基於技術決定論,樂觀地相信網際網路的崛起,得以打破威權政體的資訊高牆,鬆動原先被政府一手掌控的單向訊息來源。人民不再只能被動接受資訊餵養,得以透過網路自由地共享資訊、迅速串連,召喚出集體行動。對於公民社會,網路無疑是成本更低、效率更高的賦權工具。

然而,當革命時刻的激昂褪去後,那些威權國家卻沒有被掃出歷史舞台,原先瑰麗的網路烏托邦想像反倒轉眼成空。

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短短幾年,威權國家管控、壓制、操弄資訊的技術全面進化來說,乃至於發展出一整套資訊政治經濟學戰略。換言之,如今果凍不只牢牢地被釘在牆上,甚至連呈現在牆上的大小、形狀和樣態,也幾乎被資訊獨裁國家玩弄於股掌之間!

由此,另一套對立論述應運而生:面對新科技的突破,獨裁國家已重新再進化,運用新工具反制網際網路帶來的自由衝擊,透過高度的網路審查監控,再次壓制公民社會的力量。

網路再翻轉,成為威權政體的鞏固工具

原先普遍樂觀的烏托邦期待,究竟是如何走向宛如老大哥夢魘般的非預期結果?

林宗弘指出,2010 年前後為關鍵分水嶺。在此之前,網路的崛起確實帶來強烈衝擊,因此多數威權國家的網路覆蓋率遠低於民主國家,即是因政體感受到數位科技的威脅,從源頭限制人民使用。

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但是阿拉伯之春爆發後幾年,威權國家的網路覆蓋率卻迅速攀升,不僅超過全球平均值,最後更越過了民主國家。

林宗弘研究發現,這項飛躍性成長並非偶然,而是當權者有意為之的反制性操作。

過去,政府的反制是限制人民上網、抑制網路擴散,但大約 2012 年以後,威權度較高的國家,包括中國、伊朗、埃及、土耳其、俄羅斯,以及近年的泰國和馬來西亞,已陸續建置了網路審查系統(internet censorship),形塑出強大的維穩防火牆,得以遮蔽並扭曲訊息。換言之,國家已重新奪回資訊掌控權。因此即便網路更普及,但實則被套上重重枷鎖,甚至轉而成為國家打壓監控的有力工具。

例如,埃及在 2011 年示威運動期間,曾採取全國斷網手段,用來防止示威者串聯。但之後,政府大量投注科技資源以監控網路,限網、斷網就不再是政府採取的手段。

圖為全球 153 個國家的網路、手機覆蓋率趨勢。2010 年前,威權政體的網路、手機比例還遠低於民主國家,其後迅速增加,分別在 2013、2010 年超過民主國家。圖/研之有物(資料來源/林宗弘)

林宗弘指出,國家如何介入且建構出一整套資訊政治體制,過往研究始終較為貧瘠。雖然有宣傳學、傳播理論可援引,但缺少系統性的資訊政治經濟學理論。 2019 年,Sergei Guriev 和 Daniel Treisman 兩位政治經濟學者才提出「資訊獨裁論」。他們研究發現,威權國家在資訊審查、政治宣傳上的投資愈大,政權的存活率愈高,愈不容易被推翻,也會減少流血暴力鎮壓的機率。這便構成了一個簡潔的理論架構,明確解釋威權國家加強資訊審查操弄的動機。

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國家網路審查:壓制公民社會的黑手

不過林宗弘認為,現有研究多半集中在資訊審查如何影響政治轉型,聚焦於宏觀的變遷過程,卻忽略了中介影響機制,例如對公民社會的活躍性打壓。因此林宗弘與廈門大學政治學系副教授張鈞智合作,援引瑞典哥德堡大學 V-Dem 資料庫(Varieties of Democracy)的大型跨國調查,取得全球 153 個國家的資料(1995-2018 年),探究網路審查對於公民社會的影響。

研究進一步以互動固定效應模型(interactive fixed-effects model),檢視 2011 至 2018 年網路審查成長超過 10 %的 34 個國家。以 2017 年為例,網路審查的效力削弱了核心公民社會指數約 8%,清楚呈現出兩者的相關性。研究發現國家的網路審查,確實是降低公民參與的關鍵因素。

「我們的研究發現,網路覆蓋率已經跟公民社會的活力脫鉤,也跟政治體制脫鉤。」林宗弘分析,在威權國家底下,網路科技是推進新興經濟、科技產業的工具,但同時也是澆熄公民社會的武器。

2011-2018 年全球網路審查提高了 5.6 %,中國、伊朗、土耳其、埃及為審查成長最快的四個國家,轉折關鍵大約在 2010-2011 年阿拉伯之春以後,諸如茉莉花革命等關鍵字會遭到屏蔽。圖/研之有物(資料來源/林宗弘)
網路審查與公民社會指數的關係呈 U 型,網路審查迅速增高的國家,公民社會指數也明顯下滑(如土耳其的公民能量大幅衰退,與政府建置了審查技術密切相關)。此外,研究也透過模型運算,顯示網路審查確實能削弱公民社會,特別在專制政體。圖/研之有物(資料來源/林宗弘)

林宗弘直言,過往的比較研究,大多聚焦於網路對政治轉型的影響,普遍忽略了威權國家運用科技針對公民社會展開操弄與反動員(demobiliztion)的策略。

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網路的快速發展最初雖為威權國家帶來了空前挑戰,然而這些政體很快展現其韌性,已學會靈活地運用科技手段,有效壓制公民社會持續壯大,化解潛在的政治風險。

以中國為例,習近平上任後成立「中央網絡安全和信息化領導小組」,大力強化網路審查技術與訊息防火牆。一般人可以透過網路表達個人意見、商業交易、聯繫親友等等,甚至可以批評政策,但絕不能用於發動社會抗爭。背後嚴密的審查機制,包含特定關鍵字,緊盯著使用者的一舉一動,防範集體集結行動的火苗於未然。

哈佛大學政治學者 Gary King 等人曾提出經典解釋:中國進行網路審查的重點不在於阻止一般人批評政府,而是要防堵、阻絕動員的可能,也就是禁止那些會集結群眾發動連署、陳情、抗爭或更激烈政治行動的內容。

資訊操弄的兩手策略:減少訊息、增加訊息

林宗弘進一步分析,威權國家進行網路審查的兩種策略。

首要是減法。簡單來說,如同前述的刪文、斷網與關鍵字屏蔽等,皆是威權國家常見的審查手段,關鍵在於「減少訊息」,隔絕封鎖踩到政體紅線的新聞與討論。但這只是資訊操弄的其中一個面向。

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另一個手段則是加法,即「增加訊息」。包括散播假訊息,選擇性釋出足以歪曲、遮蔽原先焦點的訊息,又或是刻意放送溫暖正面的心靈雞湯,目的皆在於奪取民眾的注意力。根據 Gary King 等人的另一篇研究指出,中國網軍的操作並非直接反擊不利於政府的訊息,而是帶風向、貼歪樓,使用反諷、嘲弄、抹黑對方的手法轉移焦點,讓原先的議題力道被削弱。

威權國家正是同時運用減少訊息、增加訊息兩套手法,導引操弄社會可獲得的資訊,達到統治目的。

讓假訊息飛!資訊戰可能群體免疫嗎?

不過林宗弘提醒,類似的操作不只侷限國內。威權國家也會對外投射,特別是針對潛在敵對或競爭關係的民主國家,包括病毒攻擊、癱瘓伺服器造成斷網,同時也投放大量的假訊息,以此讓目標國內部分化,製造情緒爭端,使社會陷入認知癱瘓。

林宗弘解釋,這種干擾模式有其特殊性。「我們另一個研究已系統性發現,只要周邊存在一個領土爭議的威權政體,民主政體被攻擊的頻率就會大幅上升;但是相對地,威權政體並沒有同樣被大幅攻擊。」換句話說,

這個攻擊是單向、非對稱的,來自於威權政體。資訊戰已被當作攻擊武器,使用在國際關係中。

一旦國家與鄰國沒有領土爭議,或四周都是民主政體,國內被投放假訊息的比例就大為降低。

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被攻擊國的另一特色是選舉時期。2017 年法國總統大選,選前最後一刻出現重傷馬克宏的假新聞,由大量境外假帳號散布。同樣情形,也出現在 2017 年川普與希拉蕊的總統大選,來自馬其頓的境外網軍製造大量假新聞發動攻擊。圖/Wikipedia

但民主國家內訊息原本即多元殊異,資訊戰攻擊是否真的會造成實質威脅?或者,社會其實終將形成「群體免疫」,無需過度擔憂?

林宗弘不同意這類觀點,他正在進行的研究發現,根據 2020 年資料,一國的假訊息量愈大,該國的疫情愈嚴重。近期英國研究也顯示,假訊息會降低接種疫苗的意願。「如果資訊戰確實會產生效果,造成社會傷害,又怎麼達到群體免疫呢?」

迄今,林宗弘已大致拼湊出理論圖像,希望更完整理解資訊操弄背後的整體面貌,但仍有許多亟待突破的環節。包括在民主、威權不同政體下,哪些更容易被操弄?運作結構與結果有何殊異?以及,它對哪個社會階層更有利?都是未來待持續梳理的部分。

台灣為境外網攻密集目標!跨國假訊息攻防戰

根據 V-Dem 跨國研究,在 2018 年全球 179 個國家「遭受境外假資訊攻擊」的調查中,台灣高居世界第一!面對威權國家的步步進逼,林宗弘雖不再如過去的數位烏托邦論者樂觀,但也不致絕望。

「我們看到的是一個循環結束:公民社會因為網路而崛起;接著國家掌控愈來愈多資源,投資審查技術,把公民社會壓制下去。這表示原先樂天看法是錯的,但未來的科技突破還會有進展,下一個循環還是可能出現。」

但他強調,我們不應該僅單憑烏托邦或反烏托邦的想像來面對。「人一定要介入科技發展,它是權力鬥爭的一部分,民主的一部分。不投入,當作搭便車,最後就是被宰制。」

2018 年瑞典 V-Dem 遭受外國假資訊攻擊的跨國調查, 0-4(淺至深)為嚴重程度,0(淺色)代表散布最為頻繁,台灣在 179 個國家中名列第一。圖/digital society of project

具體而言可以怎麼做?林宗弘提出三點建議。

根據 2019 年台灣民主基金會的調查,65.7% 民眾認為假訊息對台灣民主危害很大,這顯示資訊戰的威脅感已深入大眾。政府應該在基礎研究與資料情報蒐集上,提供更多挹注,才能依據實證研究成果建立防護體系。

其次,主動揭露調查結果。除了專業的事實查核機構,公民社會內部也可以自我動員組織,譬如醫師公會若發現錯誤的醫療流言,即主動澄清、提供正確資訊。

第三,假訊息攻擊的受害者具共同特徵,包括和外在社會接觸較少、資訊獲取管道不足。因此政府應該找出方法彌平數位落差,協助更多弱勢者培養資訊識讀的能力。

身處在資訊紛雜的年代,真假難辨已成日常。林宗弘總結,當假訊息的類型、來源愈趨五花八門,國家、公民社會、研究者都需要持續尋找各種政策工具,完成這幅複雜的拼圖,而不應寄望可能存在一個快速解決的萬靈丹。

延伸閱讀

  • Chang, Chun-Chih and Thung-Hong Lin, 2020, “Autocracy login: internet censorship and civil society in the digital age”, DEMOCRATIZATION, 27(5):874-895
  • 林宗弘,2019,〈數位貧窮與天災風險資訊來源:來自台灣傳播調查的證據〉,《新聞學研究》,第 138  期,頁 131-162
  • Sergei Guriev,Daniel Treisman,2020, “A Theory of Informational Autocracy”,Journal of Public Economics, vol. 186, issue C
  • 林宗弘個人網頁
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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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2021 諾貝爾物理獎得主真鍋淑郎——地表模型開山始祖,研究地表模式都要引用他的論文
Y.-S. Lu
・2021/10/14 ・2990字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 作者|盧彥森,目前任職於 德國于利希研究中心 能源與氣候研究所

第一個地表模型的開發者——真鍋淑郎

在大氣科學領域中,有一部份專業領域統稱為「氣象模擬」,其中,有一門名為「地表模式」的領域,是專門算地表上各種物理、化學、生物作用的行為。

在做這些模擬的研究者中,有個很有名的日本名字,叫做 Manabe,他的論文會一直出現在大家眼前,也就是(只有我們在乎的)《 Manabe 1969, CLIMATE AND THE OCEAN CIRCULATION I : THE ATMOSPHERIC CIRCULATION AND THE HYDROLOGY OF THE EARTH’S SURFACE 》[1]最近因為大量的報導,我才知道原來他名字的漢字是——真鍋淑郎,也就是第一個地表模型的開發者,而在 2021 年時,他拿下了諾貝爾獎。

真鍋淑郎,2021年諾貝爾物理學獎得主之一。圖/維基百科

地表模式(Land Surface Model)在大氣模擬中有舉足輕重的地位,可以算地面是怎麼跟大氣作反應的,像是降水是怎麼被樹冠層截流、土壤水是怎麼變成地表逕流跟地下水、水是怎麼靠蒸散發回到大氣中;還有太陽光怎麼被地面或葉面吸收、能量怎麼被蒸散發作用給吸收、地面上的溫度增加或減少了多少,還有太陽輻射是有多少返回大氣層。

而真鍋淑郎的地表模式,則涵蓋了一大部份的物理反應,供美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)的 Geophysical Fluid Dynamics Laboratory 的全球大氣模型使用。

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Geophysical Fluid Dynamics Laboratory 圖/Geophysical Fluid Dynamics Laboratory

不過學界是殘酷的。在那個電腦比房子貴的年代(房價在 1960 年的中位數約為$11,900,CNBC報導),真鍋順便背了個學界的鍋,像是:你的模型是不夠真實的、你的土壤濕度估算不夠物理……等因為電腦計算跟理論發展還不夠成熟,所以尚未發展的物理與計算方法。

後來的論文也會稱真鍋的地表模式是水桶模型(因為其計算土壤濕度的方法宛如水桶一樣,滿了就去除,而非經土壤中水流方法流走的)。但無論如何,第一個地表模型,基本上就是真鍋與他在普林斯頓的好夥伴們發展出來的。因此,真鍋的地表模型也在後來的論文中,尊稱為第一代的地表模式,建立起祖師爺等級的封號(Sellers et al., 1997)。

水桶模型後,百家爭鳴的地表模式大戰

雖然第一代的地表模式,土壤當做水桶,地上也沒有植物,更不要說可以進行光合作用或是碳排放來研究二氧化碳是怎麼搞壞我們的人生,但也讓後續的第二代地表模型有了出發點。

1980年後,在個人電腦逐漸普及後,地表模式也開始百家爭鳴,其中真鍋的身影也就只存在各家論文的引用中了。後來再出現時,則是在地表模式大戰——PILPS(Project for the Intercomparison of Land-surface Parametrization Schemes)[2]。這個計畫中,以水桶模型這個稱號出現。基本上始於 1995 年的 PILPS 計畫,就是利用荷蘭的 Cabauw 量測站測到的氣象狀況,來驗證各家第二代的地表模式中,誰才是最強的。

荷蘭 Cabauw 村莊。圖/維基百科

當然結果就是,沒有誰家最強。

更重要的是,雖然地表模式都比真鍋的模型更複雜了一點,但是有個東西是沒有人考慮到的:光合作用

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當時各家的蒸散發公式,主要都是用Jarvis的葉面氣孔參數化公式做考量[3],所以也沒有真的考慮到二氧化碳、水、太陽之間的直接關聯。而做出這個關連性主要公式——Farquhar等人[4] 的二氧化碳同化作用公式,才在 1980 年時正式發表,離他同事 Berry 拿去演化成植物氣孔跟光合作用的連動公式[5],還有七年。而在地表模型大戰中發表的模型,其實都長得 87% 像。

在 1997 年時,NASA 的 Sellers等人[6],與多位同樣是地表模式的作者與植物氣孔模擬專家,在《Science》期刊中,登高一呼:我們要有能夠計算生態跟複雜物理的模型!畢竟在 PILPS 的大戰中,沒有真正的勝者,也沒有真正的輸家,甚至我們的真鍋大哥在水文計算上也沒有輸[2]

所以在 2003 年,集合了 PILPS 大戰中和解的部份朋友們,第一支集眾人之力誕生的通用地表模式(Common Land Model)上線了[7],這支從 1998 年開始寫的程式,過了近五年後才發表,算是第三代地表模式的代表作

而這個第三代中,植物終於開始有了它的意義,這植物的葉子終於可以隨四季生長了,也會行光合作用了,土壤也增厚到兩公尺多了,土壤也會依不飽和水流公式往下滲流,也可以計算堆雪了。其中最重要的,就是那光合作用公式的應用。

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持續再精進與貢獻

之後的地表模式,就一直著重在地面植物的改良,讓植物越來越真,從一開始的沒有植物,到會蒸發水,再到會跟二氧化碳互動,以及跟氮交互作用,計算植物的農作產出,一步步朝著更精細的方向前進。

當然地表模式也有很多需要改良的地方,首先是地表模型是假設地表跟大氣是一維方向的互動,而土壤中水流也是只會向下滲流,如果要計算真正的水流,就必須要進行三維的地下水流動,這就是另外一個耗資源的計算。另外植物也不是真的植物,植物被假設只有四片葉子,還只有一層。

英國的「JULES」模型曾報告說他們做了個多層葉冠層的模型,最後只能淡淡的說因為計算資源耗太兇,所以沒算完 [8]。更甚者,地底下的根是「死」的,一年四季,不生不滅、不垢不淨,持續地在只有兩公尺厚的土裡,把水吸到植物中行光合作用(Pitman, 2003)[9]

所以無論如何,地表模型不僅不死,其勢更烈,因為有太多的東西可以靠地表模式來計算,像是人類對地球表面的影響、化合物排放,也都可以靠地表模式計算其對大氣的影響,就連地下水模型也都要拜託地表模式處理複雜的地表水文狀況[10]

從 1969 年到 2021 年,無數的改良與改版,還有兩次的超級地表模式大戰(第二次利用 Rhône 流域量測結果[11]),都增加了人們對大氣系統的了解,並且一步步改善天氣預報的準確度,而其中的功臣之一,當然是真鍋博士在 1969 年,比 Unix 更早發表的地式模型,所以的確功不可沒,而現在地球科學的眾多估算中,地表模式解決了很多的水文與能量問題,更遑論對氣候變遷的計算,才能在1975年提出二氧化碳加劇溫度上升的研究[12]。拿下諾貝爾獎,不僅僅是贊同真鍋博士的功勞,更是對大氣模擬界的慰勞吧。

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參考資料

  1. Manabe S. (1969). CLIMATE AND THE OCEAN CIRCULATION 1: I. THE ATMOSPHERIC CIRCULATION AND THE HYDROLOGY OF THE EARTH’S SURFACE. Mon. Weather Rev. 97:739–774.
  2. Pitman, A. J., Henderson-Sellers, A., Desborough, C. E., Yang, Z. L., Abramopoulos, F., Boone, A., … & Xue, Y. (1999). Key results and implications from phase 1 (c) of the Project for Intercomparison of Land-surface Parametrization Schemes. Climate Dynamics, 15(9), 673-684.
  3. Jarvis PG. (1976). The Interpretation of the Variations in Leaf Water Potential and Stomatal Conductance Found in Canopies in the Field. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 273:593–610.
  4. Farquhar, G. D., von Caemmerer, S. V., & Berry, J. A. (1980). A biochemical model of photosynthetic CO 2 assimilation in leaves of C 3 species. Planta, 149(1), 78-90.
  5. Ball JT., Woodrow IE., Berry JA. (1987). A model predicting stomatal conductance and its contribution to the control of photosynthesis under different environmental conditions. In: Progress in photosynthesis research. Springer, 221–224.
  6. Sellers PJ., Dickinson RE., Randall DA., Betts AK., Hall FG., Berry JA., Collatz GJ., Denning AS., Mooney HA., Nobre CA., Sato N., Field CB., Henderson-Sellers A. (1997). Modeling the Exchanges of Energy, Water, and Carbon Between Continents and the Atmosphere. Science 275:502–509
  7. Dai Y., Zeng X., Dickinson RE., Baker I., Bonan GB., Bosilovich MG., Denning AS., Dirmeyer PA., Houser PR., Niu G. (2003). The common land model. Bull. Am. Meteorol. Soc. 84.
  8. Best MJ., Pryor M., Clark DB., Rooney GG., Essery RLH., Ménard CB., Edwards JM., Hendry MA., Porson A., Gedney N., Mercado LM., Sitch S., Blyth E., Boucher O., Cox PM., Grimmond CSB., Harding RJ. (2011). The Joint UK Land Environment Simulator (JULES), model description – Part 1: Energy and water fluxes. Geosci Model Dev 4:677–699
  9. Pitman AJ. (2003). The evolution of, and revolution in, land surface schemes designed for climate models. Int J Clim. 23:479–510.
  10. Kollet SJ., Maxwell RM. (2006). Integrated surface-groundwater flow modeling: A free-surface overland flow boundary condition in a parallel groundwater flow model. 29:945–958.
  11. Boone A., Habets F., Noilhan J., Clark D., Dirmeyer P., Fox S., Gusev Y., Haddeland I., Koster R., Lohmann D. 2004. The Rhone-Aggregation land surface scheme intercomparison project: An overview. J. Clim. 17:187–208.
  12. Manabe, S., & Wetherald, R. T. (1975). The effects of doubling the CO2 concentration on the climate of a general circulation model. Journal of Atmospheric Sciences, 32(1), 3-15.


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Y.-S. Lu
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自從來到學界後,便展開了一段從土木人到氣象人的水文之旅。主要專業是地球系統數值模擬,地下水與地表模式的耦合系統,以及大氣氣象模擬。目前是于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich GmbH)超級電腦中心的博士後研究員。