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白努利誕辰|科學史上的今天:2/8

張瑞棋_96
・2015/02/08 ・1204字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

他不明白擁抱父親為何如此困難?不,應該說為何得到父親的擁抱竟如此困難?!34 歲的丹尼爾・白努利 (Daniel Bernoulli) 內心痛苦地吶喊著。去年他才從待了八年的俄國回來瑞士;在聖彼得堡八年的執教生活並不愉快,好不容易終於有機會回來巴塞爾大學 (University of Basel) 任教,誰知回到家鄉才一年就被父親約翰・白努利 (Johann Bernoulli) 逐出家門!

並非他為非做歹有辱家風,反倒是因為他表現太過優異!他參加巴黎大學舉辦的科學競賽,結果與父親兩人並列第一,沒想到父親並未以他為榮,反而一怒之下將他趕出家門。他不願相信是父親過於自大,無法忍受兒子追上自己──雖然人們說父親當年也是如此忌妒伯父雅各・白努利 (Jakob I. Bernoulli),他寧可相信父親只是氣他冥頑不靈,執意走上數學家之路。

雖然父親自己就是歐陸首屈一指的數學家,卻以不利生計為由堅決反對他走上這條路,而要他經商。最後妥協的結果就是丹尼爾必須念醫學院,換取父親私下教他數學,但只能做為閒暇興趣;啊,他多麼羨慕成為父親學生的歐拉 (Leonhard Euler) 啊!24 歲那年,他發表了一本數學著作,因而受邀前往聖彼得堡擔任數學教授,終究還是違背了父親的期望。在聖彼得堡這段時間,除了數學,他還研究機率與保險、天文、流體力學,以及系統的震盪現象,證明了樂器上弦的運動是由無數個簡諧振動疊加而成。但這些顯然都不被父親看在眼裡,反而最後造成父親與他決裂。如今,他也只能拼命向前了。

1738 年,丹尼爾發表論文解答「聖彼得堡悖論」。這個悖論源自一個丟硬幣遊戲:出現正面可得 2 元,下次又是正面則獎金加倍,以此類推,直到出現反面為止。那麼你願意花多少錢參加這個遊戲?若按期望值來算,其期望值是無限大( 2*½ + 4*¼ + 8*1/8 + …… ),但顯然沒有人願意掏出幾十元來玩這遊戲;這個矛盾如何解釋?丹尼爾用「邊際效用遞減原理」與「最大效用原理」做出合理的解釋,成為現代經濟學的基礎。

他也在同一年出版了他最重要的著作《流體力學》(Hydrodynamique),著名的「白努利定律」──流體的流速增加時,流體的壓力或位能將減少──即是在此提出。為了向父親示好,他特地在卷首的作者名寫上:「丹尼爾・白努利,約翰之子」,孰知約翰・白努利竟然在第二年也出了一本《水力學》(Hydraulica),不但剽竊兒子的著作內容,還捏造出版日期為更早之前的 1732 年。

丹尼爾仍然未對父親惡言相向,他只是默默地繼續從事各天文與洋流、航海的研究,並在十八年間繼續獲得巴黎大學科學競賽九次首獎。不過,自從他的父親於 1748 年過世後,丹尼爾就逐漸將研究重心轉向生理學,或許他內心深處仍然渴望獲得父親在天之靈的肯定,才以此表示他最終還是順從其意,回歸當初要他念的醫學吧!

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 396 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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每人要種多少棵樹,才能抵銷一年所排放的二氧化碳?大約 20 棵

ntucase_96
・2022/01/02 ・2822字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文轉載自 CASE 科學報你一年的碳排放量,要用幾棵樹來抵?單木材積及固碳量計算

氣候變遷是近年最受重視的議題之一,十九世紀以來,由於工業化的開展,人類製造的二氧化碳量年年攀升,造成地球氣候的劇烈改變。你知道你一年當中,上廁所、煮飯,上網搜尋資料,還有雙十一和黑色星期五的網購和外送,以及其他所有日常行為,共排放多少二氧化碳嗎?

根據行政院環保署的報告,2019 年台灣每人每年平均排放二氧化碳當量約為 10.96 公噸/人[1]。十公噸大約等於一台大卡車的重量,聽起來相當驚悚,不過,你有沒有想過,要種多少棵樹,才能抵銷你排放的二氧化碳業障呢?

圖/Pexels

計算一棵樹的材積量

將碳排放量換算成樹木材積,並不是一件太難的事情,但需要一些計算步驟。你可能會覺得,一棵樹的材積量有什麼難的?阿不就一根長長圓柱體,底面積乘上樹高就打完收工了。

如果抱著這樣的想法,那就大錯特錯了!因為樹幹不是圓柱體,而是類似圓錐的形狀,並且可以切分成轆轤體、圓柱體、拋物線體和圓錐體四個部分計算(圖 1),如果用圓柱體計算,會出現很大的誤差!

(圖 1)單木縱剖面圖。 圖/Case 科學報

為了盡可能計算出正確的材積,林業領域有一套特定的計算方式。根據行政院農業委員會辦理國有林林產物處分作業要點,材積式的公式如下:

立木材積=(胸高直徑)2×0.79×樹高×形數

上面的算式中,胸高直徑、樹高為測量值,0.79為固定數,而形數指的是「立木材積形態常數」,下面用更白話的方式說明專有名詞所代表的涵意。

  • 胸高直徑(DBH , diameter at breast height,後簡稱胸徑)是林木測量時,最重要的測量值,它不但與樹幹材積的關係相關,且測量容易、誤差也較少,因此是調查時相當重要的一項參數。顧名思義,胸高直徑指的是人類站立時,胸高位置處,該處樹圍的直徑長,臺灣胸高直徑位置,指的是距離地面 1.3 公尺處,與歐洲各國相同。
  • 樹高,很直觀,就是樹的高度。測量樹高的方式不少,有直接測量、三角測量法等,雖然觀念簡單,但實際上測量作業卻相當不容易,一棵樹動輒十幾公尺,知名的【撞到月亮的樹】台灣杉(Taiwania cryptomerioides),甚至可以高達 70 公尺。因此,測量樹高遠比測量胸徑要花更多時間和力氣[2]
  • 立木材積形態常數,是考慮前述樹幹並非圓柱體的狀態,將計算值乘以此常數,使材積數值趨近於真實的情況。形數可藉由查閱「臺灣林產處分調查用立木材積表」(簡稱立木材積表)得知,若想要測量的樹種類形並沒有列在立木材積表上,則形數以 0.45 計算。
台灣杉(Taiwania cryptomerioides)。圖/iNaturalist

現在,假設我們要測量路邊一棵行道樹的材積,我們需要先測量它的胸徑、樹高。一棵胸徑 47 公分,樹高 11.01 公尺的行道樹[3],材積為:

(0.47)2×0.79×11.01×0.45≒0.8646(m3)

也就是說,這棵行道樹的材積量為 0.8646 立方公尺。[4]

如何換算碳儲存量?

一棵活生生的樹木跟人一樣,含有許多水分,且並非通通由碳所構成,所以單位材積同樣要經過換算,才能知道這棵樹到底含有多少公斤的碳。材積換算成固碳量的算式如下:

固碳能力 = 材積×絕乾比重×碳含量比例

絕乾比重,指的是木材經過烘乾,水分完全蒸發後,剩下的重量比例,而碳量百分比代表絕乾狀態的木材中,所含有碳的比例。如果要從頭算起,需要花不少的時間,不過這裡提到的兩個數據,都有現成的文獻可以參考(表 1)[5]

(表 1)臺灣常見造林樹種絕乾比重、碳含量百分比及轉換係數。
學名依照TaiCOL網站紀載,註記 * 號者,代表與原文獻不同。 圖/Case 科學報

因此,假設剛剛我們量的那棵行道樹為樟樹(Cinnamomum camphora),那麼,絕乾比重為 0.37,含碳量為 47%,那麼,這棵樹所含的碳重為:

0.8646×0.37×0.47 ≒ 0.150(t) = 150(kg)

也就是說,今天路邊一棵胸徑 47 公分,樹高 11 公尺左右的樟樹,它的固碳量僅有 150 公斤(而已)。

答案揭曉啦!

到這邊,你每年燒掉的樹木數量,已經呼之欲出了,1 公斤的碳,完全燃燒後約會產生 3.67 公斤的二氧化碳[6],讓我們繼續沿用那棵樟樹的數據,一棵樹可以儲存 150 公斤的碳量,則燃燒一棵樹,可以產生 550.5 公斤的二氧化碳。

一開始提到,台灣人每年平均排放 10.96 公噸的二氧化碳,因此:

10.96×1000÷550.5≒19.91(棵)

也就是說,你一年的碳排放量,大約等於燒掉 20 棵一個人無法合抱的大樟樹。當然,環保署的報告是將全台灣工業、製造業排放量都一起平均,對於小老百姓來說,可能有點不公平,不過不可否認,這樣的數字仍然很驚人。

一棵樹能長成大樹,需要花很多的時間,相當不容易,所以,還是不免俗的呼籲大家,減少垃圾排放,落實永續生活,並且,有機會就多種樹,對地球、環境來說,才是更友善的做法!

註解

  1. 行政院環境保護署(2001)我國國家溫室氣體排放清冊報告
  2. 外業調查中,因為逐棵測量樹高過於花費時間和人力成本,所以會使用胸徑與樹高間的換算公式,讓測量人員只要量胸徑,就可以推斷出樹的高度,此函式即稱為樹高曲線式。樹高曲線式的函式不只一種,藉由量測樣區內樣木的胸徑及樹高資料,配適(fit)若干個樹高曲線式,再用其他樣區的資料,找出預測表現最好的樹高曲線式,接下來的調查,就可用胸徑量測值推估樹高。
  3. 此數值參照台北市行道路燈資訊網,樹籍編碼 DA0070211149 之行道樹。https://geopkl.gov.taipei/
  4. 算式中的胸徑單位為公尺(0.47 公尺 = 47 公分)
  5. 林裕仁(1998)森林減碳能力之推算方法。《農政與農情》第 193 期。https://www.coa.gov.tw/ws.php?id=17871&print=Y
  6. 1 莫耳的純碳重量為 12 克,1 莫耳的二氧化碳重量為 44 克,比例為 44÷12≒3.67

參考文獻:

  1. 中華民國國家溫室氣體排放清冊報告
  2. 中興大學森林系空間資訊研究室彙編講義-林木測計學 第五章 立木測計
  3. 行政院農業委員會辦理國有林林產物處分作業要點
  4. 森林減碳能力之推算方法
  5. 攀上70公尺高「撞到月亮的樹」 澳洲團隊首度為台灣杉攝下「等身照」——環境資訊中心
  6. 臺灣物種名錄

ntucase_96
141 篇文章 ・ 21 位粉絲
CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。