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地球的氣息從哪裡吹來?在《超凡地球》上,生命與非生命的絕妙互動

PanSci_96
・2018/04/24 ・2045字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

本文由 國家地理 合作企劃,泛科學共同執行

  • 文/陳柏成,持續在自然科學領域探索的研究生。

仰望宇宙在千萬數不盡的星星之中,地球的存在非常獨特。其中最重要的,在於它孕育了千千萬萬的生命。

在茫茫宇宙之中,地球十分獨特。圖/國家地理提供

如果有幸能從太空看見這顆美麗的藍色星球,你會發現到,支持生命的大氣,在整顆星球比例上,還不及蘋果皮厚度的薄薄一層。大氣中有近五分之一的成分為氧氣,眾生仰賴呼吸,而這在其他星球上還不曾被發現過。地球上存在了怎樣的魔力,讓這顆星球上的氣息如此與眾不同?大氣層又如何受到其間孕育的生命所影響、改變?

亞馬遜雨林的樹木供應了很多氧氣?事情沒有那麼簡單

有「地球之肺」美名的亞馬遜雨林,便是塑造大氣成分功不可沒的一個重要角色。

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有趣的是,亞馬遜雨林之所以重要,並非在於眾多的樹木行光合作用,為整個世界提供了足夠的氧氣;因為當雨林提供氧氣之時,整個雨林系統同時也消耗了氧氣,因此並不會有足夠多餘的氧供給到整個地球1 2

廣大生命世界賴以生存的氧氣,是怎麼來的?圖/國家地理提供

那麼亞馬遜雨林還有什麼方式,可以幫助地球帶來氧氣?關鍵便在於其大量蒸散釋放的水氣。

雨林的植物們透過蒸散作用,將大量的水氣逸散至空中,會使雨林上空形成一片廣大的流動「雲河」;當這些流動的雲河撞擊安地斯山脈後,受地形作用抬升凝結成雨滴,迅速留下山坡後回到亞馬遜盆地。而在這移動的過程中,藉由侵蝕岩石,將其化為沉積物後沖入海洋,成為海中矽藻(Diatom)的最佳養分(包含氮、鋅、磷、二氧化矽等來源)。

亞馬遜雨林一景。豐富的生態,孕育了形形色色的物種。 圖/wikipedia

所以矽藻,才是主要供給地球氧氣的角色之一3 !矽藻為地球貢獻了約 20-40% 氧氣。

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從這樣的例子,我們便可以發現在地球上,看似不相干的生態系統之間,其實往往存在比我們想像更深的關聯。

在地球上,看似毫不相關的系統也充滿了關聯。圖/國家地理提供

對地球生態敲~重要的矽藻,還有哪些任務呢?

值得一提的是,矽藻對於地球整體生態的穩定來說,佔有十分重要的地位;一來在於地球上有超過 20% 的二氧化碳固定是由矽藻提供4 5,同時它也供給了超過 40% 的海洋初級生產力6 。沒有了矽藻,那麼我們的地球就會如同褪色的衣裳,不再亮麗。

矽藻存有多種不同的樣貌。 圖/wikipedia

要知道,矽藻普遍存在於各海域之中。那麼那些存活在遠離熱帶雨林地區水域的矽藻,還可以從哪裡獲得養分?其中一個例子便是來自於冰河的崩解。每當冰河崩解一次,就會有數千噸的冰掉進水裡,其中冰河沿途攜帶的那些岩石碎屑,就是矽藻最棒的食物來源。

當矽藻獲得的養分耗盡之後,假若沒有持續穩定的供給,矽藻便會漸漸凋零死亡,並堆積在海底。經過數百萬年後,海床上升、海平面下降,原本的海底就會變成一片富含鹽的沙漠。而當風將這些富含矽藻殼的塵土吹到雨林,便又成為了促進雨林生長的養分。事實上,現生亞馬遜雨林重要的養分來源之一,就是來自非洲沙漠的塵土。

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冰河崩解掉落水裡,裡頭所攜帶的岩石碎屑,成為了矽藻最棒的一餐。 圖/wikipedia

由雨林到海洋矽藻,再由矽藻到大氣中的氧氣。讓我們看到了地球上的生命與環境間的互動是如此的息息相關。

獨一無二的地球,生命與非生命的互動

當我們仔細探索地球,就會發覺地球上的每一個生命的存在都必須藉由彼此,才能共存於這片土地之上。在這宇宙之中,也唯有地球,是目前科學家發現存有如此多樣生命的地方;因為這裡富含氧氣、水分,具備了各式生物所需的必要元素。再加上生命之間、與環境間細緻而多樣的互動,才得以孕育出這個,充滿變換、令人震撼的世界。

快來和我們一起探索這個美麗的地球吧!圖/國家地理提供

編按:希望繼續了解地球生命與非生命的超凡互動嗎?國家地理雜誌 2018 年最新節目《超凡地球》邀你一同繼續探索共屬我們的這顆,美麗的星球。

參考資料:

  1. National Geographic.(2018). World’s ‘largest river’ is actually in the sky – as biggest myth about Amazon Rainforest dispelled in new documentary. Mirror
  2. Geraldo Lino.(1993). Myths surrounding the Amazon region. Executive Intelligence Review
  3. Andrew Alverson.(2014). The Air You’re Breathing? A Diatom Made That. Live Science
  4. Falkowski, P. G., Barber, R. T., and Smetacek, V. V. (1998) Biogeochemical Controls and Feedbacks on Ocean Primary Production. Science 281, 200-207
  5. Field, C. B., Behrenfeld, M. J., Randerson, J. T., and Falkowski, P. (1998) Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components. Science 281, 237-240
  6. Sarthou, G., Timmermans, K., Blain, S., and Treguer, P. (2005) Growth physiology and fate of diatoms in the ocean: a review. J Sea Res 53, 25-42
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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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華勒斯的演化論與生物地理學,源自亞馬遜的燦爛之火
寒波_96
・2023/02/22 ・3721字 ・閱讀時間約 7 分鐘

公元 1823 年華勒斯在英國誕生,於 1913 年以 90 歲高壽去世,今年 2023 年是他誕生 200 年。我們懷念他是因為,他曾經和達爾文聯名發表演化觀點,以及提出解釋東南亞海島間生物分佈差異的「華勒斯線」。

Alfred Russel Wallace 在台灣常翻譯為華萊士,不過如威廉華勒斯等等 Wallace 都翻譯作華勒斯,本文就統一作華勒斯。

達爾文會提出演化論,深受他知名的小獵犬號之行影響。華勒斯的東南亞考察也給予他不少啟示,一如達爾文的加拉巴哥群島等地;然而在此之前,華勒斯已經在亞馬遜有 4 年經歷。為了紀念華勒斯兩百歲生辰,Nature 期刊 2023 年初刊登兩篇文章,緬懷他的亞馬遜之旅。

華勒斯 1860 年代的畫像,當時 40 歲左右。圖/Mondadori Portfolio via Getty

與強者朋友一起前進亞馬遜,然後分道揚鑣

和前輩達爾文相比,華勒斯的家境普通,也沒有受過正規的學術研究訓練。所幸身處文化發達的大英帝國,有志青年仍有不少學習和出人頭地的機會。何況他爸爸是學過法律的自耕農,文化資本其實不算低。

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成年後喜歡生物的華勒斯在 1844 年,21 歲之際遇見小他 2 歲的貝茲(Henry Walter Bates),兩人志同道合;華勒斯也從一般愛好者,升級為有系統的標本搜集者,可謂一隻腳踏入研究領域的門檻。

1848 年,華勒斯 25 歲之際與貝茲一同航向大西洋對岸的亞馬遜。不過兩人大部分時候分開行動,貝茲在亞馬遜南部,華勒斯在北部的尼格羅河(Rio Negro)一帶。

華勒斯年輕時在談笑無鴻儒,往來皆白丁的階段,我猜朋友大概不會只有貝茲一位。不過貝茲後來提出的貝氏擬態(Batesian mimicry)沿用至今,可謂華勒斯的強者我朋友,事後諸葛的我們建構歷史敘事時,也就津津樂道兩人的友誼。

英國病人碰上船難,買保險很重要!

離家萬里的華勒斯,依然透過經紀人與國內保持聯繫,郵寄異鄉產品回英國賺錢。在亞馬遜待了 4 年後他決定返鄉,期間一直被疾病威脅生命,可謂現實意義上的英國病人(The English Patient)。

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最慘的是他弟弟 1849 年遠渡重洋來照顧他,卻自己也感染黃熱病,返國途中不幸病逝。而華勒斯要等到幾個月後才收到消息。

1852 年華勒斯搭乘海倫號(Helen)貨船返國,沒想到出海三個星期後火燒船,使他漂浮在大西洋海面上,眼睜睜看著攜帶的行李大多損毀。最後他耗費 80 天返回英國,比起與貝茲的去程 29 天漫長得多。好在經紀人有買保險,讓華勒斯獲得部分補償,不至於血本無歸。

返回英國的海倫號火燒船事件後,沒有損毀的少數紀錄。圖/The Natural History Museum/Alamy

回到英國的華勒斯將近 30 歲,闖出一些名號,卻沒有受到太多重視。所幸保住生命加上幾年累積的知識,賦予他東山再起的契機。1854 年他得到前往東南亞的機會,1858 年 35 歲時就和達爾文聯名發表歷史巨作。

從亞馬遜參透生命的奧秘:生物地理學

華勒斯僅管在亞馬遜一直生病,也淬煉出不侷限於觀察的科學眼光,從船難撿回一條命回到英國後,展露學術鋒芒。1852 年 12 月 14 日,他在倫敦的動物學會發表研究亞馬遜猴子的論文,主張亞馬遜各地的猴子款式,受到大河形成的地理障礙強烈影響。

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當時華勒斯受到一些批判,後來證明他的論點無誤,而且是生態分佈的普遍現象。現在我們知道更多:亞馬遜的河道歷史上改道多次,導致生物的分佈範圍持續變化。

用現代標準看,前往亞馬遜考察的 4 年差不多等同華勒斯的博士班修行,回國後發表的報告則是他的博士論文。這篇博士級論文中還觸及一個要點,所謂的「亞馬遜雨林」內部其實差異不小,他是首先有意識提及此事的研究者。

華勒斯觀察到亞馬遜的不同地區,物種組成不太一樣。他劃分 4 大區域:幾內亞、厄瓜多、秘魯、巴西,由其間的亞馬遜河、尼格羅河、馬德拉河(Madeira)這些大河分割出不同地區的地理障礙。如今所知更多,還可以切得更細。

具體是觀察到有幾條河分割出幾塊地,超乎其上普世性的生物學道理是,由於地理環境的阻隔,各地會形成不同的「特有種(endemism)」。華勒斯領悟地理障礙會影響生物分佈,可謂生物地理學的先驅。

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華勒斯 1853 年出版書籍中的亞馬遜地圖。圖/Mary Evans/Natural History Museum

自學成才的英國洞觀者

現在的人可能覺得上述觀點都是些普通常識。可是華勒斯是在 1852 年提出,那時演化論尚未問世,跟他同齡的孟德爾,當時也尚未開始種植豌豆。

一百多年後的常識,首度問世時常常是驚天動地的新突破!

年輕的華勒斯沒有受過正規學術訓練,還是需要持續賣標本換錢的月光族,提出的研究成果竟有如此理論性。由此可知亞馬遜之行,確實讓華勒斯從所謂的集郵者,蛻變為具備洞察力的科學家。

法國詩人韓波(Arthur Rimbaud)認為,詩人必需是能看穿事物表面,有洞察力的洞觀者(voyant),我想這也是頂級科學家必需配備的能力,亞馬遜的神秘力量加持過後,華勒斯可謂成功通靈。

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這類自學成才的科學家,當時英國不只華勒斯一位。以時代來說,那時的英國社會有點厲害。後來華勒斯沈迷於「唯靈論(spiritualism )」就是另一個故事了……

華勒斯年輕的南美洲經歷,讓人聯想到更早將近一百年的洪堡(活到很老,1859 年 90 歲時去世)。身為晚輩,華勒斯讀過洪堡作品,他站在洪堡巨人的肩上,觸及到更高的思想境界。

許多人覺得遺憾,遺傳、演化並稱,但是孟德爾提出遺傳學法則後被埋沒超過 30 年,等到 1900 年代才重現於世,因此 1882 年去世的達爾文沒有機會知悉。這方面華勒斯比較幸運,他年紀比孟德爾小半歲,又一直活到 90 歲,有機會見證遺傳學的發揚光大。

華勒斯 1853 年出版書籍中提到的「黑暗中一團燦爛之火(sitting amidst the gloom, shining out like a mass of brilliant flame)」圭亞那動冠傘鳥。圖/Hein Nouwens/Getty

燦爛之火多年以後依舊燃燒

多年在亞馬遜、東南亞走跳的華勒斯,有不少接觸原住民的機會。照文字紀錄看來,他年輕時的思想應該和同時期的普通英國人差距不大,沒有特別進步或反動;不過相比於同時代人,他更尊重在地知識,這也有助於他的成功。

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亞馬遜的生物多樣性如今依然天下第一,世界卻變化不少。尼格羅河盆地的原住民,在華勒斯時代是被觀察者,類似實驗動物的角色,現在漸漸變成主動的研究者,他們用源自不同文化的手法探索自己的世界,成為現代知識體系的一份子。

然而,曾經啟發華勒斯的尼格羅河盆地,至今仍缺乏一流的研究機構,無法培育本土的研究人才,本地學子必需離鄉背井。科學從華勒斯到現代突飛猛進,仍有不少進步空間。

上圖是華勒斯描述為「黑暗中一團燦爛之火」的圭亞那動冠傘鳥(Guianan cock-of-the-rock ,學名 Rupicola rupicola),目前沒有滅團危機,依然在華勒斯探索過的雨林中飛翔。希望燦爛之火永不熄滅,但是不要變成失控的森林大火。

延伸閱讀

參考資料

  1. Alfred Russel Wallace’s first expedition ended in flames
  2. Escaping Darwin’s shadow: how Alfred Russel Wallace inspires Indigenous researchers
  3. Evolution’s red-hot radical

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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現實中的「沙丘行星」:為何火星上有颳不完的塵暴?——《穿越 4.7 億公里的拜訪》
三民書局_96
・2021/11/27 ・3042字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 作者/前NASA太空任務科學家 李傑信

從南極巨大冰帽逃逸出來的大量氣體,在日夜劇烈溫差的牽動下,經常引起大規模的塵暴,情況嚴重時,可覆蓋火星全球,掩遮一切地表,就如「水手九號」初臨火星時一樣,塵暴肆虐,地表深藏,一兩個月後才得平息。

塵暴來襲時,能見度極低,難以觀察地貌。圖/Pixabay

當火星塵埃滿天時,大氣吸熱能力增加,可提高火星大氣溫度攝氏 20~30 度。揚起灰塵的總量,有 7 億多立方公尺,可覆蓋火星全球地表 1/10 頭髮厚度。在地面望遠鏡觀測時代,常看到火星隔夜「山河變色」,都是因為塵暴攜帶大量灰塵所致。塵暴平息後,灰塵重新分布,大規模改變了地表顏色,面積有時可達半個美國大陸的大小。

塵暴的另一巨大功能,是對地表進行風蝕作用。「維京人號」登陸之時,科學家不但要憂慮高低不平的隕石坑,和經隕石撞擊而散落在各處的岩塊,還要憂慮火星亙古的風蝕作用,可能已把所有岩石揉成細沙,甚或流沙,可能會將登陸艇吞沒。

所以,當「維京人號」安全落地,發現腳下是堅實的土地,並還有許多大小不一的岩塊樣品留下時,對我們來說,是一個意外的驚喜。

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「維京人一號」軌道衛星,在 1976 年為「維京人二號」登陸小艇尋找登陸地點時,在北半球攝得一張所謂「火星人面像」(Face on Mars,圖 6-1)。照片中央的人面約 1,500 公尺大小,太陽由左上方以20度角射入。其他各類散布的岩塊,都有明顯風化跡象。「火星人面像」可能就是由塵暴「雕塑」成的。

圖 6-1:1976 年由「維京人一號」軌道衛星攝得之「火星人面像」。圖/NASA

「火星人面像」公布後,引起「八卦族」密切關懷,認為是「火星人」的藝術作品,對美國航太總署不肯說「實話」公布「詳情」大表不滿,紛紛提出媒體控訴,熱鬧了好一陣子。

「火星人面像」被媒體炒作 30 年後,美國航太總署在 2007 年,特別以新一代「火星勘測軌道飛行器」(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO) 上的「高解析度成像科學設備」(High Resolution Imaging Science Experiment, HiRISE),取得一張解析度為 90 公分的高鑑別率照片(圖 6-2),秋毫畢露地呈現出「火星人面像」的確是由塵暴「雕塑」而成的礫丘。美國航太總署耐心地等候了 30 餘年的時間,認真處理了一般老百姓熱衷的火星八卦事件,「火星人面像」至此完全謝幕。

圖 6-2:美國航太總署在 2007 年 4 月 5 日取得一張高鑑別率「火星人面像」。圖/NASA

火星塵暴的確產生了大規模的風化作用,造成了包圍在北極四周的巨大沙漠和零星散布在各地的沙丘區 (sand dunes field)。比較起來,北半球受風蝕情況較為嚴重,沙礫常將隕石坑埋住,形成平坦的地表。南半球隕石坑滿布,銳利鮮明,似乎沒受到什麼塵暴的蹂躪,間或,一些構造特殊的沙丘零散其間。

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1999 年 5 月 5 日,「火星全球勘測衛星」在赫歇爾隕石坑(Herschel Crater,南緯 15 度,西經 229 度)內東側,發現一類奇怪的沙丘(圖 6-3)。沙丘中夾雜著一些深刻的紋路 (grooved),紋路中的沙子好像被強風吹走,沙丘表面猶如被膠水黏住,很像是水滲透沙丘後整體被凝固造成的效果,但真實原因仍不清楚。

圖 6-3:火星塵暴產生了大規模的沙丘。圖/Malin Space Science Systems,NASA

基準面

火星沒有海洋,沒有海平面,地勢起伏以人為規定的基準面 (Datum Surface) 為準。基準面是火星地表大氣壓為 610.7 帕的高度,在這個氣壓下,水的沸點為攝氏 0 度。火星高地,氣壓比基準面低;火星盆地、窪地,氣壓則比基準面高,概念上與地球以一大氣壓(1.013×105 帕)為海平面高度類似。

宏觀上,火星南半球地勢比基準面高,尤其在南緯 25~75 度之間,可高出基準面 2.5 公里至 6.5 公里不等;相反地,北半球地勢低窪,平均在基準面下 2 公里多,唯有連綿 4,000 公里的塔西斯高地高出基準面有 5 公里之多。

但沒人知道火星的南、北兩半球地勢差形成的原因。

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塔西斯高地,包括西北方的奧林帕斯山,組成了太陽系第一火山群奇觀。發育不良的火星可謂卯足了勁,噴出了太陽系最偉大的火山,爭取到人類對它的尊敬和讚嘆。

從塔西斯高地往東南方望過去,在赤道南邊,有一條 4,500 公里長、寬 250 公里、深 8 公里的水手號谷。在地球上,美國大峽谷長 450 公里、寬 25 公里、深 1.5 公里,可輕易裝入水手號谷支谷裡。東非大裂谷,長可略比,但寬、深不及。從火星軌道上觀看,水手號谷像是被刀子刮出一道深深的傷痕,中間寬,近圓形,兩邊以錐形向東、西方向射出。小個兒火星,又創出另一個太陽系奇觀。除搶眼的水手號谷和巨大的火山口外,圖 6-4上還有一條由南向北長達 4,000 多公里的凱西谷 (Kasei Valles),構成塔西斯高地的東緣,如地球的長江大河,清晰可見,是火星上最大的一條乾涸河道。

圖 6-4:火星赤道南邊的水手號谷。圖/NASA,USGS

雖然地質學家目前還搞不清楚塔西斯高地形成的原因,但水手號谷可能是它闖出的禍。原因是造高地需要材料,從地下吸,會引起在水手號谷處塌方。另一個理論認為,水手號谷是火星初期的板塊運動撕出的裂谷,但火星比地球小很多,散熱快,內部熔融的地函迅速凝固,板塊運動早已胎死腹中,未能繼續發展。

在多次去加州噴射推進實驗室出差期間,有一張奇特的水手號谷照片引起了作者極大的興趣。這是一張由東(南緯 12 度,西經 65 度)朝西向水手號谷中央(南緯 8 度,西經 75 度)望去,非常接近火星地表的俯瞰圖片(圖 6-5),谷壁結構清晰,支谷錯綜複雜,天地交接處,谷景開闊,氣勢磅礴。谷外地形平坦,隕石坑零星分布。這張照片有很多標題,作者最喜歡的是:「如身臨其境」(The next best thing to being there.)。

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圖 6-5:由東朝西向水手號谷中央望去的俯瞰圖片。圖/NASA/JPL/ USGS/ 李佩芸

作者託同事打聽,找到了這張照片的作者,是當今在噴射推進實驗室工作的李佩芸,加州理工學院電腦博士,是一位傑出的電腦模擬科技領導人才。她和她的工作小組成員使用「維京人號」原始高空照片,在電腦上轉換成低角度俯視,並增加谷深 5 倍,共用了 842 百萬位元組。這些成果被美國地質觀測所 (U.S. Geological Survey, USGS) 採納,製成低空飛越水手號谷的錄影帶,供大眾觀賞。

「火星全球勘測衛星」於 1998 年 1 月 1 日傍晚,在繞火星第 80 圈時,攝得一幅鑑別率高達 6 公尺的水手號谷中一個小谷脊照片,涵蓋了 9.8 公里×17.3公里的面積(圖 6-6)。照片中央為平坦的小谷脊,最寬處近 6 公里,兩邊斜坡陡峻,呈束狀,向北(圖上方)、南(圖下方)兩方向滑去。岩石結構多層次,由數公尺到數十公尺不等。在地球上,這類地形可能由沉積而成,如亞利桑那州的大峽谷,或由火山形成,如夏威夷考艾島(Kauai)上的威美亞山谷 (Waimea Canyon)。這些層次分明、厚實的岩石結構,說明了火星地質成因有著豐富和活躍的歷史背景。

若由水手號谷大膽朝南方高緯度方向邁出,最終會抵達南極。

圖 6-6:水手號谷中一個高鑑別率的小谷脊照片。圖/NASA,USGS

——本文摘自《穿越4.7億公里的拜訪:追尋跟著水走的火星生命》,2021 年 7 月,三民

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