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碳14測定法│科學史上的今天:5/30

張瑞棋_96
・2015/05/30 ・957字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

(本報訊)2011 年底於馬祖亮島島尾I遺址出土的人骨,經碳14 年代測定為距今 8,200 年的人骨遺骸,並命名為「亮島人」1 號。2012 年 7 月間又在同地點發現「亮島人」2 號,測定為距今 7,590 至 7,530 年。

是的,我們常看到考古學家用碳14 測定法判斷出土骨骸或文物的年代。事實上,除了考古學,包括地質學、生物學,乃至鑑定藝術品真偽都可能用到碳14 測定法。這項神通廣大的工具乃起源於美國化學家李比(Willard F. Libby, 1908-1980)於 1947 年 5 月 30 日在《科學》雜誌上所發表的論文〈來自宇宙輻射的放射性碳〉

一般我們所稱的碳元素有 6 個質子與 6 個中子,又稱碳 12;而碳 14 則多了 2 個中子,但它可不是由碳 12 變來的。事實上,地球上所有的碳 14 都是來自於宇宙射線中的中子束與大氣層中的氮原子撞擊後的產物。碳14產生後很快就與大氣中的氧原子結合成二氧化碳,因此大氣中的二氧化碳所含的碳原子除了碳 12,還有少量是由碳 14 組成。

碳12 是極為穩定的原子,但碳14 是種放射性元素,它會自動衰變回氮原子。每個碳14 原子衰變的時間都不一定,但一大堆碳14的平均衰變時間就很固定了;這就像學校裡每個學生的跑步速度都不一樣,但是每一班的平均速度都差不多。平均而言,過了 5,730 年碳14 原子就會有一半衰變成氮原子,這 5,730 年就是碳14 的半衰期。而科學家發現碳14 生成與衰變的速率差不多,所以亙古以來,地球上的碳14 與碳12 都維持一定的比例,大約是 1.3 兆分之一沒有改變。

二氧化碳被植物吸收,其中的碳原子經食物鏈進入動物體內後也是維持這樣的比例不變,直到這生物死亡為止。生物死亡之後,體內的碳12 數量維持不變,但碳14 卻會逐漸衰變而越來越少,因此只要測出骨骸中這兩者的比例,就能反推計算出此生物已經死了多少年。這就是李比提出的碳14 測定法,他也因此獲得 1960 年的諾貝爾化學獎。

不過碳14 測定法也有其侷限。如前面所說,碳14 的正常比例只有 1.3兆分之一,經過十次半衰期就只剩一千三百兆分之一,這大約就是現代測量儀器的極限了。因此年份在六萬年以下的生物或物體才適用碳14 測定法,超過六萬年以上的就得利用其它半衰期更長的放射性元素了。所以下次你如果看到電視或電影中說某物品經碳14 測定有數十萬年歷史,就可以好好嘲笑它了。

 

 

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 ・ 665 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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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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地磁四萬年前曾逆轉,引發了劇烈氣候變化
安比西林_96
・2021/04/07 ・2730字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

科幻作品中,導致世界毀滅原因的榜單上,總少不了「地磁逆轉」。這樣的情節並不只是科幻的危言聳聽,地球磁場就像地球的 AT 力場,可以阻擋來自太空的高能量粒子長驅直入,保護地球上的生靈。

地層中有些礦物可以記錄地磁方向,過去科學家由此得知地球誕生的這 45 億年以來,早已發生過好幾百次的地磁方向南北倒轉。雖然人類沒有紀錄、世界也沒有因此毀滅,但地磁逆轉對當時的生物而言,依然是一場可怕的大浩劫。

最近一次的地磁逆轉,發生在 42000 年前,新的研究告訴我們,當時還有太陽活動的改變,在這樣的共同影響下,引發一連串如末日電影情節的災難性事件:臭氧層被破壞、雷暴肆虐熱帶地區、太陽風產生壯觀的極光、北極冷空氣吹掃北美、冰蓋與冰川蔓延,造成氣候劇烈變化。

搖擺不定的地球磁極

電腦模擬下,非逆轉時期(左)與逆轉時期(右)的地球磁場示意圖。圖/wikipedia

雖然人類以指南針指引南北,但指南針指向的地磁北極,並非乖乖不變的一個定點。因地核運動的緣故,地磁北極會在地理北極——即地球自轉的軸心附近來回搖擺。地球磁極有時會發生更劇烈的變動,即前面所提的「地磁逆轉」,箇中原因科學家未有定論。  

人類首次發現地磁逆轉,就是前述發生在 42000 年前的「拉尚事件」(Laschamps event),也是被研究得最透徹的地磁逆轉。拉尚事件存在的證據散佈世界各地,最新來自澳洲塔斯馬尼亞一個天然冰河湖的沉積物岩芯。但地磁逆轉的發生,究竟會對地球的氣候與生態造成多大程度的影響,一直是科學上待釐清的疑問。來自澳洲新南威爾斯大學 (University of New South Wales) 與南澳博物館 (South Australian Museum) 的科學團隊最新的研究發現,地磁逆轉對地球帶來的衝擊比過去所想象的來得大,其影響範圍遍佈全球。 

解密地磁逆轉的羅塞塔石碑——紐西蘭貝殼杉

 世界上的最好木材之一、可以生長逾千年的紐西蘭貝殼杉Agathis australis),又名考裏松(毛利語稱為 Kauri),在紐西蘭北部的泥潭沼澤中沉睡超過四萬年也不會腐朽,成為研究拉尚地磁逆轉事件最佳的實驗材料。

研究人員利用碳 14 定年法,分析紐西蘭貝殼杉年輪中的碳 14 比值,重現過去地球大氣層變化的高解析度時間軸。地球上所有的碳 14,都是大氣層中的氮原子,被宇宙輻射中的中子束撞擊後的產物。地球磁場會使宇宙輻射發生偏折,減少來到大氣層的宇宙輻射。因此磁場減弱時,更多的碳 14 就會誕生。結果顯示,過去研究中磁場强度的最低點、地磁逆轉之時,正好與貝殼杉記錄到的大氣層碳 14 高峰相吻合。這一發現幫助科學家建立更精準的新時間軸,突破過去待確定的疑問。

生長千年、萬年不朽的紐西蘭貝殼杉成為研究地磁逆轉的關鍵實驗材料。

「紐西蘭貝殼杉就像羅塞塔石碑[註],幫助我們將世界各地其他洞穴、冰芯和沼澤地所留存的環境變化記錄,連接起來。」領導這項研究計劃的 Alan Cooper 博士如此説道。

貝殼杉碳 14 的記錄,成為一個很好的校正基準,確定各個關鍵事件的時間點。地球發生的許多重大變化,如熱帶輻合帶(Intertropical Convergence Zone)和盛行西風帶(South Hemisphere Westerlies)在地磁逆轉時,突然同時改向兩極移動,為部分地區如澳洲帶來乾旱,導致一波古代巨獸的滅絕潮。而在北方,廣袤的勞倫斯冰蓋席捲如今的美國西部和加拿大地區,而歐洲的尼安德塔人也走向滅亡。

從紐西蘭 Ngāwhā 取得的古老紐西蘭貝殼杉原木。圖/Nelson Parker

建構氣候模型,還原末日時刻

為探究大大弱化的地球磁場,對大氣的電離作用、化學與動態變化之影響,研究團隊也建構了全球尺度的化學與氣候變化關係之模型,同時調查太陽能量的改變。

當時地球磁場的强度減弱到今天的 6% 以下,是羅盤也會找不着北的程度。因此近乎失去磁場的地球,就像在充滿危險高能量粒子的太空中衣不蔽體,宇宙輻射可直接到達大氣層。而與此同時,太陽正經歷好幾次的太陽活動極小期(Grand Solar Minimum),儘管總體而言這時期的太陽活動較不頻繁,但也更不穩定,常常噴發巨大的太陽耀斑,使更强大的宇宙射線襲向地球。模型顯示,更禍不單行的是來自太空和太陽耀斑的宇宙射線,穿透大氣層上層使空氣中的分子帶電,造成一系列的化學反應,讓平流層的臭氧也流失慘重。此時期的地球表面,磁場與臭氧層的保護同時被削弱,對生物有害的宇宙輻射與紫外光比以往更強烈。

向宇宙神秘數字 42 致敬的亞當斯事件

模型所模擬的結果,與在各地觀察到自然氣候與環境改變的歷史記錄一致。氣候劇變下的末日,生物曝露在高强度的紫外線中,尼安德塔人和巨獸被無情淘汰,人類的祖先智人則躲入洞穴中。這也能解釋史前洞穴壁畫,為什麼會在四萬年前突然蓬勃出現。

地磁逆轉造成的極端氣候變遷,與太陽活動極小期,都剛好在 42000 年前同時發生。為紀念和宇宙神秘數字 42 的巧合,研究團隊將這段時間稱為「亞當斯事件」(Adams Event),以向提出這個數字的經典科幻作品《銀河便車指南》作者道格拉斯·亞當斯(Douglas Adams)致敬。數字 42 被喻為指向生命、宇宙和一切的終極答案。這真的是巧合嗎?沒有人知道。

有關「亞當斯事件」的有趣小短片

註解

羅塞塔石碑:製作於公元前 196 年,由於刻有古埃及法老王詔書內容的三種不同語言版本(古埃及象形文、埃及草書、古希臘文),讓考古學家得以有機會解讀出失傳千年的埃及象形文字,因此也被喻為破解謎題的關鍵。

參考資料

  1. Earth’s magnetic field broke down 42,000 years ago and caused massive sudden climate change
  2. Cooper, A., Turney, C. S., Palmer, J., Hogg, A., McGlone, M., Wilmshurst, J., … & Zech, R. (2021). A global environmental crisis 42,000 years ago. Science, 371(6531), 811-818.
  3. Radiocarbon dating considerations

延伸閲讀

  1. 地球磁場即將反轉?
  2. 跨年夜的捷運改變了地球磁場?那真是比萬磁王還要狂啊!
  3. 地球磁場倒轉到底多快?洞穴石筍古地磁紀錄大解密
  4.  地磁逆轉與太陽閃焰殺手
安比西林_96
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本職為生態環境領域的可撥煙酒生。 不定時掉落科普文章。 大家一起嗑科科(❍ᴥ❍ʋ)

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放射性廢棄物如何處理?廢爐需要大家共同思考——《福島第一核電廠廢爐全紀錄》
臉譜出版_96
・2019/04/16 ・2117字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

  • 文/吉川彰浩

廢棄物問題將延續 50 年以上

圖/wikipedia

放射性物質是危險的東西,這是眾所皆知的事,而我們選擇遠離那裡,可以的話,完全不想有任何牽扯,因此對於放射性廢棄物的處理,亦即廢爐一事,只有消極負面的印象而已,這是目前大家都有的感覺吧?

相信也有很多人是因為核電廠事故才這麼想,但若追溯歷史,其實這並不是今天才開始的事。

日本第一座核能發電廠是建於一九六三年十月二十六日、茨城縣東海村的 JPDR(Japan Power Demonstration Reactor)。在這座核電廠開始運轉的同時,如何處理放射性廢棄物的問題也就隨之展開,這可以說是從五十多年前就應該開始思考的問題。

我們經常聽到放射性廢棄物無法進行任何處理的說法。

放射性物質的性質,就是依照種類的不同,只要經過一段時間(= 半衰期)後,量就會剩下一半,變成不會釋出幅射的穩定狀態,達到「無害化」的結果。

雖說放射性物質具有放著不管就會「無害化」的性質,但有一點需要知道的是,半衰期長短依種類不同而有所差異。舉例而言,碘 131 的半衰期約為 8 天, 銫 137 約為 30 年, 鈽 239 約為 2.41 萬年,鈾 238 約為 45 億年。要等到鈽或鈾完全無害,需要極長的時間。核燃料之所以被說成最麻煩的廢棄物,也是因為它是由半衰期長的鈽與鈾所構成。

鈽的電子殼層。圖/wikipedia

若從無害化是需要時間的角度來看,「高階放射性廢棄物無法進行任何處理」的說法可以說是正確的。不過,「雖然很難達到真正的無害化,但可以設法在盡量接近無害的狀態下進行保管」,而且「正因為是難以處理的東西,所以更要採取避免繼續增加的對策」,這就是目前核電廠在廢棄物處理上的原則。

無害化狀態下的保管技術已經確立

青森縣六所村有高階放射性廢棄物管理中心與低階放射性廢棄物管理中心這兩個放射性廢棄物的最終處置場。

前者有可以穩定保管用過核燃料的設備,是一種叫玻璃固化體的容器,可於穩定狀態下長時間保管高階輻射廢棄物,貯存量可達二八八〇支玻璃固化體。後者則是將高階放射性廢棄物以外的東西放入大型鋼桶裡保管,貯存量為四十萬個兩百公升的鋼桶,未來預計增加到六十萬個。

或許有人會想,既然已經有最終處置場,技術上又能夠保管,那不就沒有問題了嗎?但是最大的瓶頸是「這邊可以代為貯存,但請先處理成可以被接受的狀態再帶過來」。

各位也是自己做垃圾分類,然後裝到袋子裡拿去丟的吧?這是丟垃圾的人被要求遵守的規定;同理,核電廠也有丟棄放射性廢棄物的規定。如果是用過核燃料的話,就裝在一種叫護箱的容器裡,其他則必須裝在鋼桶裡才能拿去丟棄。

核廢料桶。圖/wikipedia

簡單講是裝在鋼桶裡送過去,實際上並沒有這麼單純。因為是放射性物質,所以必須在穩定的狀態下運送才行,例如運送高濃度污水時,要分成水與放射性物質,放射性物質還要經過乾燥處理以減少體積(減容化),粉狀物要用水泥或塑膠等固著成穩定的狀態(固化),才能裝入鋼桶裡運送,必須經過這樣的加工處理才行。

此處的問題是加工的難度,當中也有輻射強度高到人類不宜靠近、沒辦法輕易運送的高階放射性廢棄物。因此才會稍微轉換思考方式,採取暫時保管在發電廠內的作法。

1F 廢爐作業所產生的放射性廢棄物之所以一直保管在廠區內,主要原因就是無法加工到得以安全運出廠外。目前也持續在討論廢棄物適合運輸的狀態為何、該帶到哪,又該如何進行保管。

雖然可能有人會認為,那不是東京電力或核電業界的問題嗎?但考量到半衰期等因素,放射性廢棄物確實也是一個會遺留給下一代的問題。

思考大家都能接受的處理方式

在國外核能相關設施的廢爐用語中,有一個字叫「legacy」,就是「遺產」之意。

正如本文一開始所述,這是一個約從五十年前就開始的問題,令人不禁感嘆我們究竟留下多麼棘手的東西啊,而我們的下一代應該也會有同感吧。

圖/wikimedia

另外,前文也介紹到青森縣六所村的最終處置場,但六所村的居民們是否樂意在當地見到這些設施呢?

在核電廠事故後展開的除污事業中,除污廢棄物的輻射強度雖然大幅低於福島第一核電廠的廢棄物,但包含最終保管方式在內,也引起眾多討論。若將廢爐定位在放射性廢棄物的處理,並將處分方法也納入考量範圍的話,那對我們而言是「切身相關的問題」。然而,明明是切身相關的問題,我們卻始終避之唯恐不及,同時我們也與廢爐現場保持距離。

解決這個問題所需要的並不是技術,真正需要的應該是由投身廢爐工作的人、生活在周圍的我們、地方政府機構、核能相關管制當局等,所有人共同討論並確立一套大家都能夠接受的處理方法。「大家」一起思考並執行有關廢爐的方法,是我們必須留下的遺產。

 

 

 

 

本文摘自《福島第一核電廠廢爐全紀錄》,臉譜出版,2018 年 9 月出版。

臉譜出版_96
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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。