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發現元素鎝、砈與「反質子」──塞格雷誕辰|科學史上的今天:2/1

張瑞棋_96
・2015/02/01 ・799字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 586 ・九年級

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1931 年,狄拉克首次預言了反物質的存在。根據他三年前提出的狄拉克方程式,大自然應該存在電子的反粒子──質量、自旋與電荷等數值都與電子一模一樣,只除了它的電荷與電子相反,是正電。第二年,美國物理學家安德森 (Carl D. Anderson) 果真從宇宙射線中發現它的蹤跡,並命名為「正子」 (Positron) 。這個發現鼓舞了科學家尋找另一個反物質──質子的反粒子,然而許多年過去,卻始終沒有反質子的跡象,許多人開始懷疑也許並沒有反質子⋯⋯。

埃米利奧.塞格雷。圖/wikimedia

狄拉克方程式問世那年,義大利物理學家塞格雷 (Emilio Segrè) 才剛從費米手中取得博士學位。然後在 1936 年,也就是安德森因為發現正子而獲得諾貝爾物理獎這一年,塞格雷因為來到美國加州大學柏克萊分校訪問,而因緣際會在幾個月後發現週期表上第一個由人工製造出來的元素鎝 (technetium) 。

同樣這一年,他與相識三年的女友結婚了。當年她因害怕納粹迫害猶太人而自德國移民來義大利,塞格雷沒料到兩年多後,自己也要面臨同樣的處境,因為墨索里尼也頒布命令禁止猶太人在大學任職。於是他在 1938 年底與妻子一起離開義大利,於次年輾轉來到柏克萊。在這裡,他又陸續與不同同事合作,發現了新元素砈 (Astatine) ,以及同位素氙-135鈽-239;這兩個同位素分別成為核反應爐與核子武器必要的重要元素,塞格雷自然也被徵召加入曼哈頓計畫。

1955 年,他與歐文・張伯倫 (Owen Chamberlain) 終於利用粒子加速器發現了反質子,兩人因而共同獲得 1959 年的諾貝爾物理獎。1974 年,塞格雷還是趕在法定退休年齡前一年回到羅馬大學任教,彌補當年被迫離開教職與家鄉的遺憾。這位發現反質子與那麼多新元素的物理學家最後還是溯本追源,從此在祖國定居,也如願安眠於此。

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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 ・ 951 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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做一顆原子彈有多困難?《奧本海默》背後的細節!原子彈究竟是文明之火,還是毀滅之火?
PanSci_96
・2023/08/27 ・6337字 ・閱讀時間約 13 分鐘

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人類史上第一顆核武器 The Gadget 試爆。圖/wikimedia

1945 年 7 月 16 日美國時間早上五點三十分,在新墨西哥州的托立尼提沙漠內,人類史上第一顆核武器 The Gadget 引爆,爆炸溫度 7 千萬 K,三位一體核試驗宣告成功。這次爆炸不僅留下 80 公尺寬的核彈坑,徹底打開了潘朵拉之盒。

知名導演克里斯多福.諾蘭的電影「奧本海默」,用鏡頭為我們帶來奧本海默這位偉大科學家波瀾壯闊的一生,從他為人類取來核武器火種以威懾納粹,但意識到自己帶來的不是文明之光,而是毀滅之火。最後拒絕繼續參與氫彈的開發,卻捲入共產思想疑雲的政治風暴之中。

奧本海默的精彩故事,歡迎大家進電影院好好體會,但在進戲院之前,我們先來了解,這位原子彈之父,是怎麼做出原子彈的。為何曼哈頓計畫需要召集如此多的科學家,甚至招募多達 13 萬名員工來完成這項壯舉?預告片中出現的這個球體,是如何改變人類的歷史?

電影《奧本海默》預告片中出現的這個球體,是如何改變人類的歷史?圖/奧本海默電影預告

原子彈如何被製造?

1945 年 8 月 6 日與 8 月 9 日,兩枚原子彈小男孩與胖子分別在廣島與長崎的 550 公尺上空引爆,雖然終結了第二次世界大戰,但造成的直接與間接死傷,更震撼了全世界。

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雖然兩顆笨重的原子彈重量超過 4 公噸,但真正的核燃料核心在原子彈小男孩中只占了 50 公斤,而且經過計算,實際參與反應的可能只有其中 1 公斤。另一個原子彈胖子的核心更小,只有 6.2 公斤,是個直徑約 10 公分的球體,實際參與反應的部分大約是 1.2 公斤。

根據愛因斯坦著名的質能等價公式 E=mc^2,我們可以計算出在反應中損失 1g 質量,會產生大約 90 兆焦耳的能量,相當於 2 萬噸 TNT 的能量。1g 質量換 2 萬噸 TNT,難怪不論哪個陣營都想盡快開發出這恐怖的炸彈。預告片裡面也提到,許多科學家都擔心「如果我們不現在加緊研發,被納粹先做出來了怎麼辦」,而推動了這足以毀滅人類的軍武競賽。

但是,就算有了質能等價公式,卻還是無法憑空造出原子彈。我們過去在討論核能的影片中提過,核反應要持續,需要靠連鎖反應。一個反應堆中,每吸收一個中子就會釋放一個中子,讓反應穩定進行下去,稱為臨界狀態,也是一般核能發電廠希望達到的狀態。如果吸收一個中子,卻釋放不到一個中子呢?,那就稱為次臨界。所有沒在反應的燃料棒都應該處於這個狀態。原子彈呢,當然是希望吸收一個中子,釋放出超過一個中子,讓反應快速連鎖下去,在極短時間釋放巨大能量。這個狀態稱為超臨界或是過臨界狀態。

這邊提個物理學家間的有趣討論,預告片中,由麥特戴蒙飾演的格羅夫斯少將問奧本海默,在 The Gadget 試爆的瞬間,世界有沒有可能就此毀滅,奧本海默回答「機率幾乎是零」。這件事其實是出自奧本海默與另一位物理學家康普頓的討論,他們想到,大氣中有許多氫氣、氦氣、氮氣等輕元素,核爆瞬間可能會因為高溫在大氣中引發核融合,甚至產生連鎖反應,連海水中的氫都發生爆炸,讓地球化為太陽,世界終結。奧本海默和其他科學家還實際嚴密計算,確認機率幾乎是零。

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預告片中,格羅夫斯少將問奧本海默,在 The Gadget 試爆的瞬間,世界有沒有可能就此毀滅。圖/奧本海默電影預告

雖然核融合與核分裂的條件不相同,這個假設放在現在可能覺得太過誇張,但這也說明要讓核反應連續下去並不簡單。

在核分裂中,要達成超臨界狀態並不容易。在理想條件下,鈾 235 每吸收一顆熱中子,會產出 2.06 個中子,吸收快中子則會產出 2.5 個中子。另一個原子彈核燃料鈽 239,則在吸收熱中子和快中子兩種不同能量的中子後,分別產出 2.1 和 3 個中子。然而實際上,中子往四面八方移動,並不是所有的中子都會被原子核捕獲。加上未濃縮的燃料中含有大量其他元素,例如鈾 238,導致燃料堆很難進入超臨界狀態,大幅降低炸彈的效果。等等,既然如此,曼哈頓計畫是怎麼克服這件事的呢?

如何讓原子彈進入超臨界狀態?

電影預告中的芝加哥 1 號堆 CP-1。圖/奧本海默電影預告

1942 年 12 月 2 日,人類史上第一個核反應堆-芝加哥 1 號堆 CP-1,在物理學家費米的主持下,初次達到臨界狀態,曼哈頓計畫成功踏出第一步,人類正式進入原子能時代。預告中一閃而過的這個結構,就是 CP-1,由 4 萬多個作為中子減速劑的石墨塊組成,裡面塞著一顆顆的鈾塊。

很難想像的是,在當時,控制臨界狀態的控制棒竟然是讓人用手抓著的,反應堆的位置還在芝加哥大學的足球場底下 (Stagg Field)。

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人類史上第一個核反應堆-芝加哥 1 號堆 CP-1,可以看見控制臨界狀態的控制棒是讓人用手抓著的。圖/wikimedia

在這之後,曼哈頓計畫進入下一個階段,洛斯阿拉莫斯國家實驗室 LANL(也就是電影預告中的小鎮)成立,奧本海默擔任首任主任,並聚集了當時幾乎所有能找到的物理、化學、工程學專家。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室 LANL。圖/奧本海默電影預告

為了讓原子彈能順利進入超臨界狀態,科學家的第一步,就是要濃縮鈾。將天然鈾礦中佔 0.7% 的鈾 235,濃縮到將近 100%。這不簡單,首先,鈾的沸點是攝氏 4000 度,因此要先與氟反應成沸點只有攝氏 57 度的六氟化鈾,接著利用兩者質量的些微差異,使用氣體擴散法或是離心法分離。

以氣體擴散法為例,氣體通過過濾材料的能力,正比於分子量的平方根,然而六氟化鈾 235 和六氟化鈾 238 的分子量分別是 349 和 352,只差了 0.85%。實際上兩者穿越過濾膜的能力大約是 1 比上 1.003,也就是經過一次濃縮,濃度會從 0.7%,變成 0.7021%,經過 100 次濃縮,濃度才會從 0.7% 變成 0.945%,要濃縮到接近 100%,非常耗時又耗力!雖然後來還有發展熱擴散法、透過雷射游離後分離的方法,或是結合質譜儀與迴旋加速器磁鐵的電磁分離法,但不論哪個,不是技術要求極高,就是需要重複多次,有些方法還會有臨界事故的風險,選項其實也不多。

但積沙成塔,聚少成多,只要肯花時間與人力,遲早都能得到濃縮鈾。有了寶貴的濃縮鈾,和來自中子照射鈾 238 產生的鈽 239,終於,原子彈可以登場了。

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原子彈如何運作的?

原子彈是如何運作的呢?我們先從「小男孩」開始說起。

原子彈小男孩採用的是槍式結構,裡面有四個重要構造:核心、起爆劑、反射體、和起動物。在炸彈尚未引爆時,含有高濃度鈾的核心會先被分為左右兩塊。爆炸時再透過起爆劑讓兩塊核心撞在一起,進入超臨界狀態。

原子彈小男孩的槍式結構。圖/wikimedia

為什麼兩塊併為一塊就會進入超臨界?這是因為在連鎖反應時,中子會不斷從核心的表面逃脫,變成無效的中子,減緩連鎖反應。對於核心這種球體來說,表面積與體積的比值,會與直徑成反比。也就是當球體越大,表面逃逸的中子對於整體的影響就越小,內部就能有更強的連鎖反應,直到臨界狀態。此時核心的質量,就稱為臨界質量。

也就是當球體越大,表面逃逸的中子對於整體的影響就越小,內部就能有更強的連鎖反應,直到臨界狀態。圖/wikimedia

在小男孩中,被拆成兩半的核心各自都未達到臨界質量,直到兩塊撞在一起,才進入臨界甚至超臨界狀態。這時,旁邊以鈾為材料的反射體,則負責將溢出的中子反射回核心,進一步觸發更強烈的連鎖反應。

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最後,為了讓反應在核心撞在一起的瞬間,就以最激烈的方式進行,核心通常會設有「起動物」,由鈹-9 和釙-210 組成。釙 210 會因為自然衰變,不斷產生 α 射線,鈹則會在吸收 α 射線後產生中子,作為整個連鎖反應的開頭。在原子彈爆炸前,鈹和釙會跟著分成兩半的核心分別放在兩側,隨著核心碰撞的瞬間產生反應,釋出大量中子。

但槍式構造的反應方式效率十分低下,原子彈小男孩中實際參與反應的燃料,根據事後計算,大約只有五十分之一。而且,槍式結構也無法使用連鎖反應更強的鈽作為燃料。

因此,電影中球型的內爆式原子彈就登場了。

球形的內爆式原子彈。圖/奧本海默電影預告

什麼是內爆式原子彈?

胖子原子彈的燃料使用率大約是 1/5,是小男孩的十倍,這是因為它採用了內爆式結構。

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回頭說一下,小男孩的槍式結構雖然效率不高,但結構簡單不易出錯,因此甚至沒有測試過就被投入實戰。

而內爆式的胖子因為容錯率低,因此前面才有三位一體試驗中原子彈 The Gadget 的試爆。

內爆式結構複雜在哪呢?在內爆式結構中,最內層一樣是用金屬層隔開的起動物鈹-9 和釙-210,外面是由鈾和鈽組成的混合氧化物核燃料 MOX,更外圈是用來反射中子的反射體。在反射體外面,占整顆炸彈體積最大的,是一般的炸藥。作用是在起爆時,將核心用力往內擠壓,將核心推向超臨界狀態,讓起動物的金屬隔層破裂,誘發中子釋放。在原子彈誘爆初期,因為外頭炸藥的擠壓,中子會在反射層內快速反彈,大大增加燃料的使用率。

內爆式結構示意圖。圖/wikimedia

在預告畫面中的球體,就是標準的內爆式原子彈。在結構正中央的圓形物體,其實是反射層,核心和起爆物都被包裹起來,在看不見的更裡頭。而外面一塊塊的多邊形結構,其實都是炸藥,負責擠壓核心,但如何在內爆時讓核心維持完美球形,不會因為壓力不均而從某側破裂,卻是一項巨大挑戰。

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內爆式原子彈。圖/奧本海默電影預告

為了確保達到預期效果,原子彈中含有爆炸速度快與慢的兩種炸藥,透過時間差,讓反射層在壓縮核心時能維持對稱的圓形。為了解決這個艱鉅的挑戰,數學家約翰.馮紐曼發展了 ZND 模型,用來計算火藥與震波的模型,成功計算出快、慢火藥的比例與配置。沒錯,就是那位提出電腦馮紐曼架構的那位馮紐曼。

橘色是「慢速火藥」,黃色是「快速火藥」,另外 Detonator 為「雷管」。圖/PanSci YouTube
放置炸藥引信。圖/奧本海默電影預告

更進一步,為了達到計算的效果,32 塊炸藥需要在千萬分之一秒內同時引爆,然而當時的雷管引爆誤差可能有 1/10 秒以上。這時,另一位物理學家阿爾瓦雷茨出馬了,他開發出 EBW 式雷管,解決了問題。這種雷管允許大電流通過,但同時也需要總重量一公噸的電池和電容器才能運作。預告片這句「起爆器已充電」指的應該就是這些電池與電容。

雷管允許大電流通過,但同時也需要總重量一公噸的電池和電容器才能運作。圖/奧本海默電影預告
雷管。圖/wikimedia

至此,濃縮燃料、內爆式結構和啟爆裝置都就緒了,接下來的故事大家都知道了。1945 年 7 月 16 日早上五點三十分,刺眼的火球照亮整個沙漠(聽說只有費曼裸眼看了這場人類核彈首爆秀),人類在核武器的發展上已經無法停下腳步。

人類在核武器的發展上已經無法停下腳步。圖/奧本海默電影預告

導演克里斯多福.諾蘭的最新大作《奧本海默》,改編自這本獲得普林斯頓獎的傳記「American prometheus The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer 」,《奧本海默的真相與悲劇》,並冠上副標 American prometheus 美國普羅米修斯,象徵為人類取來原子之火。

三位一體核試驗成功的 20 年後,奧本海默回憶到:「我們知道世界自此就不再一樣了。有的人笑,有的人哭,但大部分人沉默無言。我想起了印度教古典《薄伽梵譚》中,毗濕奴對阿周那王子所說:『我現在成了死神,世界的毀滅者。』我想,我們大家都多多少少是這樣想的。」

奧本海默的回憶。圖/atomicarchive.com

兩顆原子彈在日本被投下的隔年,奧本海默拒絕參與第四次核試驗,也拒絕杜魯門總統邀請的氫彈計畫。從此,這位原子彈之父人生出現重大轉變。小勞勃道尼飾演的原子能委員會主席,路易斯.史特勞斯,也將為奧本海默的人生帶來許多風雨。

電影原作書籍的兩位作者 Kai Bird 和 Martin J. Sherwin,雖然不是奧本海默的好友,但兩位都是歷史學家,也是政治、核武和冷戰的研究專家。書中從奧本海默小時候的成長與求學開始、講到他參與曼哈頓計畫與擔任洛斯阿拉莫斯國家實驗室主任、成為原子彈之父、受到政治迫害,最後獲得平反,鉅細靡遺地介紹了他的一生與心境變化。整本書花了 25 年完成,蒐集了成千上萬份收藏於美國國會圖書館,來自奧本海默的文件、以及 FBI 超過 25 年累積了數千頁的監控紀錄、還採訪了將近一百位熟悉奧本海默的密友、親戚與同事。光是聽以上的說明,就已經能想像其豐富又崎嶇的生活歷程了。

歷時 25 年,蒐集了成千上萬份資料完成的電影原作書籍。出自原文書第xii頁,中文版第6頁。

關於這些科學家之間的互動與理念的碰撞,我們就等著進電影院,看諾蘭大師如何透過鏡頭,介紹這段人類的重要歷史吧!

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PanSci_96
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如果整個地球由質子構成,月球由電子構成,那會怎樣?——《如果這樣,會怎樣?2》
天下文化_96
・2023/04/26 ・2141字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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如果整個地球都由質子構成,而整個月球都由電子構成,那會怎樣?
——諾亞.威廉斯(Noah Williams)

質子地球,電子月球

這可能是我寫過最具破壞性的假設情境。

你可能會想像電子月球繞著質子地球運行,有點像是巨大的氫原子。某方面來說,這還有點道理;畢竟,電子繞著質子運行,而衛星繞著行星運行。事實上,原子的行星模型曾流行一時(不過,拿來解釋原子竟然不太管用)。

如果你把兩個電子放在一起,它們會想要分開。電子帶負電,而來自電荷的排斥力比將它們拉在一起的重力強了大約 20 個數量級。

如果你把 1052 個電子放在一起(構成月球),它們會劇烈的互相排斥,以致每個電子會被大到不可思議的能量推開。

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事實證明,對諾亞假設的「質子地球和電子月球」情境來說,行星模型更是大錯特錯。月球不會繞著地球運行,因為它們根本沒有機會影響彼此;使兩者各自分別炸開的力量,會遠大於兩者之間的任何吸引力。

如果暫時忽略廣義相對論(等一下會回來談),我們可以算出,來自這些電子相互排斥的能量,足以使它們向外加速到接近光速。將粒子加速到那樣的速率並不少見;桌上型粒子加速器(例如映像管螢幕)可以將電子加速到光速的相當比例。

但是,諾亞月球的電子所攜帶的能量,會遠遠大於普通加速器中的電子所攜帶的能量。它們的能量會超過普朗克能量的數量級,普朗克能量本身則是比最大的加速器中,所能達到的能量又大了很多數量級。換句話說,諾亞的問題遠遠超出普通物理學的程度,帶我們進入到量子重力與弦理論之類的高等理論領域。

所以我聯繫了尼爾斯.波耳研究所(Niels Bohr Institute)的弦理論科學家基勒博士(Dr. Cindy Keeler),請教她關於諾亞的假設情境。

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基勒博士同意,我們不應該信賴任何涉及「在每個電子中放這麼多能量」的計算,因為這遠遠超出加速器測試的能力範圍。「我不相信粒子能量超過普朗克尺度的任何事情,」她說。「我們實際觀測到的最大能量存在於宇宙射線中;我認為比大型強子對撞機大了差不多 106,但還是離普朗克能量很遠。身為弦理論科學家,我很想說會發生什麼關於弦理論的事情——但說老實話,我們也不知道。」

幸好,故事還沒結束。還記得我們先前決定忽略廣義相對論嗎?嗯,這是「帶入廣義相對論反而使問題更容易解決」的罕見情況之一。

在這種情境下,存在巨大的位能——使所有這些電子遠離彼此的能量。這樣的能量會扭曲空間和時間,和質量一樣。結果證明,電子月球中的能量大約等於整個可見宇宙的質量與能量總和。

相當於整個宇宙的質能集中在(相對較小的)月球的空間裡,會使時空強烈扭曲,甚至會比那 1052 個電子的排斥力還要強。

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基勒博士斷言:「沒錯,黑洞。」但這可不是普通的黑洞,而是帶有大量電荷的黑洞。為此,你需要一組不同的方程式——不是標準的史瓦西(Schwarzschild)方程式,而是萊斯納—諾德斯特洛姆(Reissner-Nordström)方程式。

萊斯納—諾德斯特洛姆方程式比較了向外的電荷作用力和向內的重力之間的平衡。如果來自電荷的向外推力夠大,黑洞周圍的事件視界可能會完全消失。那樣會留下密度無限大的物體,光可以從中逸出——這就是所謂的裸奇點(naked singularity)。

一旦有了裸奇點,物理學就會開始分崩離析。

量子力學和廣義相對論給出荒謬的答案,甚至是不同的荒謬答案。有人認為,物理定律根本不容許出現這種情況。正如基勒博士所言,「沒有人喜歡裸奇點。」

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以電子月球的例子來說,來自所有這些電子互相排斥的能量會非常大,以致重力會獲勝,而奇點會形成正常的黑洞。至少,某方面來說是「正常的」;它會是和可觀測宇宙一樣大的黑洞。這個黑洞會導致宇宙塌縮嗎?很難說。答案取決於暗能量是怎麼回事,沒有人知道暗能量是怎麼回事。

但就目前而言,至少附近的星系是安全的。由於黑洞的重力影響只能以光速向外擴展,因此我們周圍的大部分宇宙仍會天下太平,對我們荒謬的電子實驗毫不知情。

——本文摘自《如果這樣,會怎樣?2:千奇百怪的問題 嚴肅精確的回答》,2023 年 3 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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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。