第一條海底電纜｜科學史上的今天：11/13

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

每個人都有自己的特長，有些人擅長理工科，有些人則有著藝術天份。但擅長一件事並不僅僅取決於天賦，還可能與個性、興趣或生活經歷有關。今天我們要介紹的主角就是一個很好的例子。他不僅是電報的發明家，消除了空間的隔閡，讓遠方的人們能瞬間被拉近，從這個角度來看，他是一位科學家、工程師。但其實他還有另一個身分，是一位偉大的畫家。沒錯，他就是山謬．摩斯（Samuel Morse）。

摩斯發明了電報，徹底改變了通信的速度，將全世界緊緊地拉在一起。不只如此，就像現在流行短影音，大家就會想辦法把內容擠在很短的時間內說出來。電報發明後，為了要讓訊息能有效被傳遞出去，人們的溝通方式也因此轉變。史學家 Garry Will 就認為電報因為不能傳太多字，這種強制性的簡潔，影響了林肯的演說風格，他著名的《蓋茲堡演說》簡潔有力，就是一個最好的例子。

一個偉大的發明，連副作用都這麼強大，改變了人們的溝通習慣。摩斯的成就不僅是在科技領域，更是在影響人們的文化和溝通方式上留下了深遠的影響。

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• 林祖慰／中央氣象局地震測報中心。

海嘯，是一種具有強大破壞力的海浪。當地震發生於海底，因震波動力而引起海水劇烈起伏，形成強大波浪向前推進，進而將淹沒沿海地帶。因著海底及海岸地形的不同，所引發的海嘯也有所不同，所以，檢視地形、地理位置與海底觀測，便成防範海嘯一重要課題。

臺灣地處菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊碰撞擠壓交界區域，地震活動頻繁且常造成社會大眾生命財產的威脅，其中芮氏規模 6 以上的中大規模地震，有將近 70％分布於東部海域（下圖）。

東部海域的地震不僅威脅臺灣的安全，過去也曾發生數起宜蘭、花蓮雖未致災，卻在臺北盆地發生傷亡災情的地震事件，例如 1986 年 11 月 15 日芮氏規模 6.8 的地震，造成當時臺北縣中和市華陽市場坍塌、2002 年 3 月 31 日芮氏規模 6.8 的地震，造成當時正在興建中的台北101（TAIPEI 101）大樓頂樓大型塔式起重機吊臂斷裂砸落等案例。

臺灣會發生海嘯嗎？

此外，地震伴隨著海嘯的發生，2004 年南亞大海嘯與 2011 年東日本大地震海嘯均造成嚴重傷亡與財產損失。而臺灣所在的環太平洋「火環帶（Ring of fire）」，是全球 90％ 地震的發生地，過去也有文獻記載，臺灣及附近區域疑似因大規模地震或海底山崩引發海嘯衝擊，例如 1867 年臺灣北部基隆地區海嘯災害、1771 年鄰近的日本石垣島發生 85 公尺高海嘯災害，都顯示臺灣近海地區有災害性海嘯發生的可能性。

因此，科技部也曾針對臺灣鄰近地區的海溝型大地震引發海嘯侵襲的可能情境進行模擬分析，顯示臺灣西南方馬尼拉海溝（Manila Trench）、太平洋中的亞普海溝與花蓮外海（琉球海溝）是引發高海嘯災害潛勢的可能地震源。因此，如何防範東部海域大規模地震與可能的海嘯威脅，成為臺灣所需面臨的重要課題。

海上沒有地震測站

地震海嘯防災工作的最重要基石是地震速報系統，而速報作業的主要關鍵包括測站分布、即時傳輸與維運管理。在 2011 年之前，交通部中央氣象局地震觀測網的測站均設置在本島與離島陸地範圍，對於發生於周圍海域的地震，偵測能力與計算精度都受到限制。

如果能在臺灣東部海域設置地震海嘯海纜觀測系統，就能將海域地震納入臺灣地震網觀測範圍之內，既彌補陸上地震測站的不足，也能有效改善海域和近岸的地震定位問題。如此一來，也能強化氣象局地震觀測網強震即時警報系統的正確性和可信度，提供更準確的即時防救災資訊。

以同樣處於環太平洋地震帶的日本為例，日本的東部與南部海域也面臨地震海嘯的威脅，為此日本政府耗費鉅資建造「地球號」鑽井船，於日本南海海槽（Naikai Trough）作深部地殼鑽探，研究板塊聚合帶巨大地震的孕震機制。

同時，日本於周圍海域也建立 10 餘條海纜系統，裝置數十座地震與海嘯觀測站，嚴密監測海域的地震活動。2011 年 3 月 11 日芮氏規模 9.1 東日本大地震發生後，更投入超過日圓 230 億日圓，於日本東部海域建置全長超過 5600 公里的海纜觀測系統，並設置 150 座以上的地震海嘯觀測站。

海底的地震警報烽火台

在政府預算經費的支持下，氣象局於 2007 年起開始進行東部海纜觀測系統的設置，將地震海嘯監測的衛哨由陸域向外拓展到東部海域。這個海纜觀測系統就像是古代示警的烽火，在偵測到地震、海嘯時能迅速將資訊傳進地震偵測網。每個即時觀測站就是一座烽火台，由一個能抵抗海水壓力的長條型圓柱桶構成，內部封裝著各式偵測儀器，包含加速度型地震儀、速度型地震儀、傾斜儀、海嘯壓力計與水下聽音計等儀器。

這些儀器就像烽火台上拿著火把的衛兵，一看情況不對就點燃烽火台，將警告訊息傳遞出去。而一個個圓柱桶會被橫放於海床上，並透過光纖海底電纜纜線進行電力供應與觀測資料傳輸。由於海纜系統資料傳輸速度近乎即時，結合氣象局既有陸上地震監測網測站進行海陸聯合觀測，面對臺灣東部海域中大型災害地震與海嘯的威脅，預期將可縮短強震即時警報系統的偵測時間，也能提高預警的效益。

氣象局於 2011 年 11 月完成第 1 期海纜系統，由宜蘭頭城陸上站往東南外海舖設 45 公里海纜，尾端設置 1 座即時觀測站。又在 2017 年 10 月完成第 2 期海纜系統擴建，將海纜長度延長 70 公里，總長 115 公里，並增設 2 座即時觀測站，將監測範圍擴展至和平海盆與南澳海盆鄰近區域。

氣象局目前正在辦理第 3 期海纜系統的建置作業，規劃由第 2 期海纜系統尾端，向東南方穿過耶雅瑪海脊至加瓜海脊西側，再往西穿過呂宋島弧，轉向南邊繞經恆春半島外海至屏東枋山登陸，第 3 期計畫預計增建海纜 580 公里及新增 6 座即時觀測站，規劃於 2020 年底完成。

海纜系統怎麼維護？

過去所架設的海底電纜，最大的困境是遭外力破壞損毀。舉例來說，在海底坡度較陡之處，可能會因地震或颱風等因素而發生海底山崩。2006 年 12 月 26 日芮氏規模 6.7 的恆春地震，就曾造成臺灣南方多條國際電信電纜斷裂，而嚴重影響亞洲網路傳輸。除此之外，因漁業活動致電纜損壞而中斷網路傳輸的例子，也時有所聞。

針對上述情況，海底電纜本身可考量鋪設沿線的地質狀況，選擇不同類型鎧甲防護纜線，以降低自然因素或人為外力造成斷纜的風險。自然環境條件可藉由海底地形與地質調查分析、鑽井岩心採樣與洋流觀測資料，協助判斷最適宜的鋪設路線。

海纜觀測系統主要有嵌入式（in-line）與節點式（Node）兩種架構系統，嵌入式是將纜線與內含觀測儀器的即時觀測站採一體成型方式製作，其優點是體型相對較小且可掩埋，較不易受外力損毀，缺點是個別觀測站儀器不能擴充；節點式系統則透過纜線連接節點，再由節點連接觀測儀器設備，其優點是可以自由擴充與更新儀器設備，但缺點為即時觀測站體稍大且因設置於海床上而較易受外力損毀。

因此，在第 2 期海纜系統擴建時，便選用嵌入式的即時觀測站型態，同時也盡可能將站體設置於較深水域，分別為945、1114 與 2732 公尺，且系統沿線水深淺於 600 公尺的海纜需掩埋 1.5 公尺，以降低天然與人為破壞。

除了前述提到的即時觀測站及電纜纜線，海纜觀測系統中還有一個位於陸地的陸上監控站。其所扮演的角色是海纜傳輸訊號「登陸」的機電與通訊控制端。在海纜觀測系統出現故障時，首先會透過陸上監控站來嘗試排除故障，當狀況無法解除，就只有海上作業一途。如果要維修水下的線路與站體，就需要利用特殊船隻與儀器協助，例如透過無人水下載具（remotely operated vehicle, ROV）進行攝影巡視，查看海纜觀測系統的情況，排除可能威脅，降低海纜故障風險。

而海纜與漁業活動如何和平共存，還需要更多的溝通與互信體諒。第 1、2 期海纜系統建置完成後，氣象局均彙整海纜路由點位資訊，請海軍大氣海洋局協助進行長期航船布告。而第 3 期海纜系統擴建，也在作業開始前拜會相關漁會進行說明，並請漁會協助向漁民宣導，以降低施工風險。

作業期間，於每航次亦將事先備妥舖設作業區域圖、作業期程、作業船舶及人員名冊等資訊，請內政部、行政院農業委員會漁業署和相關漁會等機關單位協助宣導與溝通；另備妥舖設作業區域圖請海軍大氣海洋局協助發布航船布告，提醒航行作業船隻注意避讓。以上作為，皆是為了盡可能減少對漁業活動影響的措施。

氣象局海纜觀測系統已納入實際地震海嘯監測作業，2017 年 10 月 18 日至 2018 年 10 月 17 日這1年間，就在宜花海域監測 73 個芮氏規模 3 以上的地震事件。如果把海纜系統的監測結果納入強震即時警報自動定位的案例進行分析，發現這 3 座海底即時觀測站平均可提升地震定位準確度約 8.59％，相當於水平與深度綜合定位誤差由 12.45 降低至 11.38 公里。另外，也能增加預警時效約 7.9％，相當於預警報告產製時間由 20.52 秒降低至 18.90 秒。由於氣象局在發布強震即時警報或海嘯警報時，皆須依據震央位置與地震規模推估各地的S波到時與預估震度大小，因此提升震源參數的準確性後，可以增加警報的可靠性。

地震海嘯海纜觀測系統持續建置中

臺灣四周環海，不僅地震與海嘯的防災作業非常重要，其他海域資源有關民生經濟的發展，亦需仰賴前瞻性的探勘研究與水下技術，因此需要海洋領域人才的培育與經費的投入。以海纜觀測系統建置為例，相關專業知識與技術門檻實屬困難，目前臺灣水下技術尚在起步發展階段，專業人才仍屬不足，短期內須仰賴國外專業廠商協助，所幸已有國家級海洋研究機構與部分民間業者投入人力物資開發研究，期待將來能累積更多實務經驗，厚植海洋科技發展。而氣象局仍將持續推動與建置地震海嘯海纜觀測系統，結合強震即時警報系統，發揮地震測報與災防預警效能。

本文摘自《科學月刊 09 月號/2019 第 597 期：正視震知識》，科學月刊社出版。