葛利格里誕辰｜科學史上的今天：11/6

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。

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？

濾水技術：從霍亂危機到高效濾芯

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。

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

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。

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。

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。

濾水技術：不僅是進步，更是守護未來

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。

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

• 文／邵思齊，現就讀臺大地質科學系，著迷於大自然的鬼斧神工。

現代的人們生活在充滿明亮人造光源的城鎮中，難以想像純粹的夜空是什麼樣子。對宇宙中天體的印象，多半來自各地天文台與太空望遠鏡所捕捉的絢麗星雲、星團、星系。但這些影像中的顏色是真實的嗎？如果我們能夠用肉眼看到這些天體，它們的顏色真能如影像中如此的五彩繽紛嗎？

色彩的起源：為什麼人眼能看到顏色？

電磁波跨越各種尺度的波段，有波長遠小於 1 奈米的伽瑪射線，也有波長數百公里長的無線電波。但人類眼睛中的的感光細胞僅能感測到波長介於 400-700 奈米之間的電磁波，也就是僅有這段電磁波能夠以紅到紫的色彩出現在人類的視野當中，所以我們對外界的認知就受限於這小一段稱為可見光（Visible Light）的視窗。人之所以能夠辨識不同的顏色，靠的是人眼中的視錐細胞。視錐細胞分成 S、M、L 三種，分別代表 short, medium, long，其感測到的不同波長的光，大致可對應到藍色、綠色、紅色。

肉眼可以，那相機呢？

在還沒有電子感光元件的時代，紀錄影像的方法是透過讓底片中的銀離子曝光、沖洗後，變成不透光的金屬銀（負片），但這樣只能呈現出黑白影像。於是，歷經長時間的研究與測試，有著三層感光層的彩色底片誕生了。它的原理是在不同感光層之間加上遮色片，讓三層感光片能夠分別接收到各自顏色的光線。最常使用的遮色片是藍、綠、紅三色。進入數位時代，電子感光元件同樣遇到了只有明暗黑白、無法分辨色彩的問題，但這次，因為感光元件無法透光，不能像底片一樣分層感光，工程師們只好另闢蹊徑。

於是專為相機感光元件量身打造的拜爾濾色鏡（Bayer Filter）誕生了，也就是由紅色、綠色、藍色三種方形濾光片相間排列成的馬賽克狀濾鏡，每一格只會讓一種顏色通過，如此一來，底下的感光元件就只會接收到一種顏色的光。接著，再把相鄰的像素數值相互內插計算，就可以得到一張彩色影像。由於人的視錐細胞對綠色特別敏感，因此拜爾濾色鏡的設計中，綠色濾光片的數量是其他顏色的兩倍。

這種讓各個像素接收不同顏色資訊的做法，雖然方便快速，卻需要好幾個像素才能還原一個區塊的顏色，因此會大幅降低影像解析度。這對寸解析度寸金的天文研究來說，非常划不來，畢竟我們既想得知每個像素接收到的原始顏色，又想獲得以像素為解析單位的最佳畫質，盡可能不要損失任何資訊。

要怎麼讓每個像素都能獨立呈現接收到的光子，而且還能夠完整得到顏色的資訊呢？最好的方法就是在整塊感光元件前加上一塊單色的濾色鏡，然後輪流更換不同的濾色鏡，一次只記錄一種顏色的強度。然後，依照濾鏡的波段賦予影像顏色，進行疊合，得到一張還原真實顏色的照片。如此一來，我們就能用較長的拍攝時間，來換取最完整的資訊量。以天文研究來說，這種做法更加划算。

另外，由於視錐細胞並不是只對單一波長的光敏感，而是能夠接收波長範圍大約數百奈米寬的光，因此若是要還原真實顏色的影像，人們通常會使用寬頻濾鏡（Broadband filter），也就是波段跨足數百奈米的濾鏡進行拍攝。

美麗之外？濾鏡的科學妙用

雖然還原天體的真實顏色是個相當直覺的作法，但既然我們有能力分開不同的顏色，當然就有各式各樣的應用方法。當電子從高能階躍遷回到低能階，就會釋放能量，也就是放出固定波長的電磁波。若是受到激發的元素不同，電子躍遷時放出的電磁波波長也會隨之改變，呈現出不同顏色的光。

如果我們在拍攝時，可以只捕捉這些特定波長的光，那我們拍出的照片，就代表著該元素在宇宙中的分佈位置。對天文學家來說，這是相當重要的資訊。因此，我們也常使用所謂的窄頻濾鏡（Narrowband filter），只接收目標波段周圍數十甚至數個奈米寬的波長範圍。常見的窄頻濾鏡有氫（H）、氦（He）、氮（N）、氧（O）、硫（S）等等。

有時候，按照原本的顏色疊合一組元素影像並不是那麼妥當，例如 H-alpha（氫原子）和 N II（氮離子）這兩條譜線，同樣都是波長 600 多奈米的紅色光，但如果按照它們原本的波長，在合成影像時都用紅色表示，就很難分辨氫和氮的分布狀態。這時候，天文學家們會按照各個元素之間的相對波長來配製顏色。

以底下的氣泡星雲（Bubble Nebula, NGC7635）為例，波長比較長的 N II 會被調成紅色，相對短一點的 H-alpha 就會調成綠色，而原本是綠色的 O III 氧離子則會被調成藍色。如此一來，我們就可以相對輕鬆地在畫面中分辨各個元素出現的位置。缺點是，如果我們真的用肉眼觀測這些天體，看到的顏色就會跟圖中大不相同。

當然，這種人工配製顏色的方法也可以用來呈現可見光以外的電磁波，例如紅外線、紫外線等。舉哈伯太空望遠鏡的代表作「創生之柱」為例，他們使用了兩個近紅外線波段，比較長波的 F160W 在 1400~1700nm，比較短的 F110W在900~1400nm，分別就被調成了黃色和藍色。星點發出的紅外光穿越了創生之柱的塵埃，與可見光疊合的影像比較，各有各的獨特之處。

望遠鏡接收來自千萬光年外的天體光線，一顆一顆的光子累積成影像上的點點像素，經過科學家們的巧手，成為烙印在人們記憶中的壯麗影像。有些天體按照他們原始的顏色重組，讓我們有如身歷其境，親眼見證它們的存在；有些影像雖然經過調製，並非原汁原味，卻調和了肉眼所不能見的波段，讓我們得以一窺它們背後的故事。

• 本文編譯自《Parker Solar Probe imaging of the night side of Venus》

在天文觀測中，自古以來就有許多關於金星的紀錄。從 1960 年代起，蘇聯、美國太空總署（NASA）、歐洲太空總署（ESA）和日本也都相繼發射探測器，執行不同類型的太空任務，希望能夠更認識金星。

2020 年，NASA 的派克太陽探測器（Parker Solar Probe，簡稱「派克號」）首次在太空中以可見光拍攝金星表面，並在 2021 年 2 月再次拍攝一系列可見光照片後，將他們的分析成果公諸於世。

本篇文章將依序介紹金星探測史、派克號的探測方法、可見光照片的分析成果，以及金星探測的未來展望。現在，就讓我們從頭認識這位閃閃發亮的鄰居吧！

始於科學革命的金星之旅

對地球上的我們來說，月亮是夜空中最亮的天體，但你知道最亮的「行星」是哪一顆嗎？那就是本篇文章的主角——金星！金星的平均視星等，也就是肉眼所看到的平均星體亮度，大約是 -4.14，僅次於月亮的 -12.74 與太陽的 -26.74（數字越小就越亮）^[1]，不只是地球夜空中最亮的行星，更是太陽系第三明亮的星體。

有個這麼耀眼的酷東西掛在天上，想必科學家絕不會輕易放過！就在科學革命（1543–1687 年）期間，天文學領域突飛猛進——哥白尼提倡日心說、牛頓發現萬有引力、克卜勒導出行星運動定律等等。同時期的知名科學家還有伽利略，他改良望遠鏡，透過觀測金星相位（圖一），也就是金星表面的光照變化，得知金星並不是繞著地球運行，進而推翻當時蔚為盛行的地心說。

此後，眾多業餘天文學家和天文愛好者也都一窩蜂利用望遠鏡觀測金星。有許多人聲稱在背光側看見了微弱的灰白色光芒，並將其稱作「灰光」（Ashen light）。

有些人認為是灰光是金星上的閃電，有些人則認為是紫外線穿透金星大氣時，氧離子游離而輻射出的暗綠色光芒（類似地球上的極光現象），可是沒有人能夠確實拍照紀錄，因此當時普遍認為灰光只是一種視錯覺。時至今日，這些假設也都還沒有確切的科學根據。^[2]

不斷演進的金星探測技術

時間來到 1960 年代，繼水手 2 號（Mariner 2）在 1962 年掠過金星後，金星 4 號（Venera 4） 在 1967 年進入金星大氣層進行分析，結果顯示金星大氣約含有 90-93% 二氧化碳、7% 氮氣，以及少許氧氣和水蒸氣。^[3] 緊接著在 1975 年，金星 9 號（Venera 9）測出表面溫度約 485 °C、雲層厚度約 30–40 公里。除此之外，還拍下金星表面的 180 度全景照片（圖二），是史上第一個將金星照片傳回地球的探測器。^[4]

金星大氣層布滿厚厚的硫酸雲，不僅反射了大約 75% 的陽光，也阻擋了來自金星表面的大部分可見光。因此，科學家決定改用雷達儀器測繪金星表面。1990 年代，麥哲倫（Magellan）多次以雷達測繪金星表面的火山和隕石坑等地貌結構，其清晰程度與可見光測繪不相上下，可說是目前最詳細的金星地圖（圖三）。^[5]

此後，科學家進一步利用近紅外線（NIR）觀測金星背光面，因為近紅外線（波長 0.75–1.5 μm）有利於影像在低光環境下生成，而這個波段恰好也是大氣透明度最高的範圍，可以更清楚地看見金星表面。1998 年，卡西尼號（Cassini）以 0.85 μm 的波段觀測金星，可惜這種方法在技術上難以突破，因為輻射強度會隨著波長變短而迅速下降。直到 2020 年，派克號才終於以更短的波長捕捉到金星表面的輻射。

飛越金星七次的「派克號」

2018 年 8 月，派克號發射升空，飛往太陽（圖四）。為了在這漫長的旅途中節省燃料，派克號總共得進行七次重力輔助飛越（VGA），利用金星的引力逐步修正飛行軌道，最終在 2025 年抵達距離太陽中心 10 個太陽半徑（約 690 萬公里）的地方，進行日冕和太陽風的測量任務。

七次重力輔助飛越（VGA）的時程分別如下^[6]：

• VGA1：2018 年 10 月 3 日
• VGA2：2019 年 12 月 26 日
• VGA3：2020 年 7 月 11 日
• VGA4：2021 年 2 月 20 日
• VGA5：2021 年 10 月 16 日
• VGA6：2023 年 8 月 21 日
• VGA7：2024 年 11 月 6 日

截至目前（2022 年 3 月），派克號順利完成了前 5 次 VGA。在 VGA1 和 VGA2 期間，派克號都沒有任何動作。

後來，科學家認為可以利用其搭載的 WISPR 望遠鏡（Wide-Field Imager for Parker Solar Probe）觀測金星雲層。WISPR 可說是派克號的靈魂之窗，但它並不只是一座望遠鏡，而是兩座寬頻光學望遠鏡—— WISPR-I（Inner）和 WISPR-O（Outer），兩者配備的濾光片都只能讓可見光（波長 0.5–0.8 μm）通過。

於是，在 VGA3 和 VGA4 期間，科學家突發奇想，讓 WISPR 對準金星的向光面和背光面，分別拍下照片，想藉此測量雲的速度。沒想到 WISPR 竟然直接穿透了厚重的雲層，以可見光拍攝到明暗不一的表面，同時達成「以光學望遠鏡觀測金星表面」和「從太空拍攝金星表面的可見光照片」兩項創舉。

這時候，問題來了！WISPR 的最短曝光時間是 2 秒，但金星的向光面太亮了，拍出來的照片張張過曝、過飽和，還產生假影，使得原圖和電腦重組照片有所誤差。為了避免這樣的問題，科學家只好放棄拍攝向光面，改以背光面的照片作為研究材料。

WISPR 拍攝的可見光照片

VGA3 期間拍攝的照片只有兩張可以用，其中一張如下（圖五，黑白部分）。在這張照片長達 18.4 秒的曝光期間，派克號不斷被宇宙塵埃（漂浮在太空中的小顆粒）撞擊，造成隔熱罩上的材料燒毀，留下許多水平方向的刮痕。若是忽略刮痕，可以清楚看到明暗不一致的區域，而造成顏色深淺不一的主要原因就是金星的地形特徵。

藉由比對 WISPR 照片與麥哲倫的雷達地形圖（圖五，彩色部分），科學家得以了解溫度如何隨高度變化。圖中黑色（紅色）部分是金星最大的高地區域，位於阿芙蘿黛蒂高地（Aphrodite Terra）西邊的奧瓦達區（Ovda Regio）——越接近白色的區塊越熱，是低海拔地形；越接近黑色的區塊則越冷，是高海拔地形。

有了 VGA3 的失敗經驗後，VGA4 的照片就沒有出現刮痕了，而且還從不同的角度拍到了金星表面（圖六）。在 VGA3 期間，派克號是從金星後方飛越，因此 WISPR 拍到的是金星的東側邊緣；在 VGA4 期間，派克號則是從金星前方飛越，因此 WISPR 拍到的是金星的西側邊緣——這讓科學家能夠更細微、更全面地觀察金星的背光面。

金星探測的未來展望

雖然金星、地球和火星都是在同一時間形成，現在卻大不相同——火星的大氣層非常稀薄，而金星的大氣層非常厚重。為了解開這個謎團，NASA 和 ESA 在 2021 年 6 月宣布了 3 項全新的金星探測任務，分別是 VERITAS^[7]、DAVINCI^[8] 和 EnVision^[9]。這些任務將進一步探測金星的大氣、地質和其他條件，瞭解這顆星球是否曾經宜居，又是如何演變成現在的樣貌。

• 延伸閱讀：為什麼我們住在地球而不是金星？
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至於派克號，不幸的消息是，2021 年 10 月的 VGA5 不利於背光面拍攝，而 2023 年 8 月的 VGA6 也將是如此。如果你也和我一樣想看更多 WISPR 拍攝的可見光照片，就讓我們期待 2024 年 11 月的最後一次飛越（VGA7）吧！

註解

1. Apparent magnitude – Wikipedia
2. Ashen light – Wikipedia
3. Venera 4 – Wikipedia
4. Venera 9 – Wikipedia
5. Magellan (spacecraft) – Wikipedia
6. Parker Solar Probe: The Mission
7. In Depth | Veritas – NASA Solar System Exploration
8. DAVINCI Homepage – Probe and Flyby Mission to Venus Atmosphere
9. EnVision: a mission for understanding planets everywhere

• Wood, B. E., Hess, P., Lustig-Yaeger, J., Gallagher, B., Korwan, D., Rich, N., et al. (2021). Parker Solar Probe imaging of the night side of Venus. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL096302. https://doi.org/10.1029/2021GL096302
• First visible light images of venus’ surface from space captured by parker solar probe
• We finally know why Venus is absolutely radiant
• Galileo’s Phases of Venus and Other Planets
• Venus – NASA Solar System Exploration
• NSSDCA Photo Gallery: Venus
• Atmosphere of Venus – Wikipedia
• List of missions to Venus – Wikipedia
• Parker Solar Probe: Humanity’s First Visit to a Star
• NASA’s New Views of Venus’ Surface From Space