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太陽上的超級龍捲風

臺北天文館_96
・2012/04/11 ・667字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

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英國阿伯瑞特威斯大學太陽物理學家李醒(Xing Li)等人,從太陽動力觀測衛星(Solar Dynamic Observatory,SDO)的大氣成像裝置望遠鏡( Atmospheric Imaging Assembly telescope,AIA)所拍攝的影像中,發現一個寬約數倍地球大小的超級太陽龍捲風。雖然SOHO之前也曾觀測到過其他規模稍小些的太陽龍捲風,但從沒直接拍到影像,所以這次可能是天文學家首度拍到規模如此龐大的太陽龍捲風影像。這些天文學家認為,如此獨特的太陽龍捲風,必定對觸發太陽全球風暴一事扮演著重要的角色。

AIA望遠鏡於2011年9月25日時,觀測到溫度高達50,000K~2,000,000K的過熱氣體從日珥這樣稠密結構的根部被捲起,沿螺旋狀軌跡向上攀升了200,000 公里,進入太陽的高層大氣中,整個事件持續了至少3小時。這道龍捲風中的熾熱氣體的運動速度高達每小時300,000公里,與地球上的龍捲風風速頂多達每小時150公里相較之下,簡直是小巫見大巫。

太陽龍捲風通常發生在龐大的日冕物質噴發( coronal mass ejection,CME)的根部。若CME剛好朝向地球衝來,會引起地球太空環境、衛星或電力網受到嚴重損害。太陽龍捲風會將捲曲纏繞磁場和電流拖入太陽高層大氣中,很可能這個磁場和電流場就是驅使CME發生的關鍵。

SDO於2010年2月發射升空,以圓形同步軌道繞行地球,距離地表約36,000公里,常態性監測太陽的變化,讓科學家們不僅能瞭解太陽變化的原因,更能持續改善未來的太空氣象預測能力,以期將可能引起的損害降至最低。

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更多照片與動畫,可參考http://users.aber.ac.uk/xxl/tornado.htm網站。

資料來源:Huge sun tornado discovered [2012.03.29]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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那天下了一場「動物雨」!!
胡中行_96
・2023/03/13 ・2173字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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澳大利亞北領地的 Tanami 沙漠,有一個叫做 Lajamanu 的偏遠小鎮。2023 年 2 月 19 日晚間,突然下起驟雨。[1]直至隔天早晨,累積了 61.4 毫米的雨量。[2, 3]降雨期間,魚群也跟著從天上落下。[1]

19 世紀英國畫家 George Cruikshank 描繪俚語「raining cats and dogs」的概念。圖/參考資料 5(Public Domain)

動物雨的種類

英文俚語「raining cats and dogs」,以「降下貓狗」形容大雨滂沱[4]19 世紀的英國畫家 George Cruikshank,還拿這個比喻當題材,創作虛構作品(上圖),抱怨糟糕的天氣。[5]事實上回顧歷史,其他動物比較常由空中砸下來。早在西元前 1 世紀,羅馬博物學者老普林尼(Pliny the Elder)就曾記錄,隨著暴風雨墜落。文藝復興時期開始,更不時有版畫描繪此類事件(下圖)。除了與上述雷同的情形,也有的個案。 [6]19世紀以降的文獻,則增加了蜘蛛螞蟻蝸牛淡菜(貽貝)、寄居蟹,以及各色蠕蟲等千奇百怪的案例。[7]

16 世紀版畫:天空降「魚」。圖/參考資料 6,Figure 2(Public Domain)
17 世紀版畫:天上掉下大量的蛇(左)和鼠(右)。圖/參考資料 6,Figure 3(Public Domain)

許多動物雨的紀錄,要不是歷史悠久,死無對證;就是鄉民口述,人微言輕。信者恆信;質疑者則當是鄉野奇談,嗤之以鼻。然而,若有科學家挺身背書,那就不一樣了。1947 年 10 月 23 日,美國路易斯安那州野生動物與漁業局的生物學家 A.D. Bajkov,在該州的 Marksville,親身體驗奇妙的自然現象。他事後撰文,投稿《科學》(Science)期刊,[8, 9]興奮之情躍然紙上:

「那天早上 7、8 點之間,2 到 9 英吋(約 5 到 23 公分)的魚落在樹梢和院子裡」,使這個南方小鎮的居民困惑之餘,群情激昂。當時他和妻子正在餐廳裡享用早餐,一聽服務生說魚群從天而降,便立刻跑去蒐集。Marksville 銀行的總裁 J.M. Barham 表示,起床就發現數以百計的魚落在自家院子裏,鄰居太太家也是。7 點 45 分,1 名該銀行的員工和 2 個商人的路途,則遭魚群阻斷。[8]

「離餐廳半個街區外的銀行附近,平均每平方碼(約 0.84 平方米)就有一條魚。」有的慘遭車輛輾壓;有些則落在房子的屋頂上。「牠們屬於在地的淡水魚類…」這名生物學家如數家珍地,列舉了一堆名字。然後說他將撿來的魚,全部裝成一罐,泡福馬林,要「分送數個博物館」。[8]

水龍捲

根據美國國會圖書館的介紹,動物雨的肇因或許不只一種:許多科學家將矛頭指向,形成於陸地,並行經水域的水龍捲(waterspouts)。其最高風速為每小時 100 英里(約 161 公里),中央低壓渦漩(vortex),會像吸塵器般,吸入周圍的水、空氣,以及包含生物在內的小東西。水龍捲移動的過程中,因為逐漸失去能量,沿路容易掉東掉西,造成動物雨等現象。美國普渡大學的 Ernest Agee 教授,「曾見過小池子的水,整個被路過的龍捲風淨空」,所以覺得天上要是砸下幾隻蛙,也算頗為合理。[10]不過,如果水龍捲夾帶的,不是動物,而是石頭,就可能變成危險的石頭雨。這種情形,有時會被誤認為來自外太空的隕石雨。[6]

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上升氣流

南伊利諾大學的 Doc Horsley 教授等科學家,認為上升氣流(updrafts),也會導致動物雨:暖空氣由地表高壓處,向上升到較冷的低壓處。在暴風雨中,能超過每小時 60 英里(約 97 公里),幾乎與中等水龍捲相當,所以擄走小動物的潛力,也不遑多讓。[10]

一起掉落的物種

水龍捲和上升氣流,都是從路經之處,任意搜刮。既然被帶走的東西包羅萬象,為何同時落於一處的,卻是相近的物種?美國華盛頓大學的 William Hayden Smith 教授解釋:當風力漸減,重的東西,會比輕的先掉下來。於是,尺寸和重量雷同的個體,便一起墜落。[10]

魚還活著…

講了半天,所以那些澳洲沙漠裡的魚,後來怎麼了?當地的議員 Andrew Johnson Japanangka,告訴 ABC 新聞臺,有些魚落地後倖存。「被孩子們撿起來,保存於瓶罐裡。」同樣的事件在 1974、2004 和 2010 年,亦曾發生過,部份居民甚至記得當年的情景。總之,這在該小鎮,雖然罕見,但算是正常。[1]

  

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參考資料

  1. Allison C, Trevaskis L, Barwick A. (21 FEB 2023) ‘Fish ‘rained from the sky’, outback community says, in freak weather event’. ABC News.
  2. Lajamanu, Northern Territory – February 2023 Daily Weather Observations’. Australian Bureau of Meteorology. (Accessed on 24 FEB 2023)
  3. Notes to accompany Daily Weather Observations’. Australian Bureau of Meteorology. (Accessed on 24 FEB 2023)
  4. Cambridge University Press. ‘It’s raining cats and dogs!’ Cambridge Dictionary. (Accessed on 23 FEB 2023)
  5. George Cruikshank. ‘Very Unpleasant Weather, or, the Old Saying Verified “Raining Cats, Dogs, & Pitchforks.”!!!’. Yale Center of British Art. (Accessed on 23 FEB 2023)
  6. Franza A, Morelli M, Faggi D, et al. (2021) ‘To be or not to be, that is the question: The Marsala meteorite (Italy, 1834) and the role of the doubtful meteorites in the history of meteoritics’. Meteoritics & Planetary Science, 56(5): 922-943.
  7. Berenbaum MR. (2015) ‘Who’ll Stomp the Rain?’. American Entomologist, 61(3): 133–135.
  8. Bajkov AD. (1949) ‘Do Fish Fall from the Sky?’. Science, 109(2834): 402
  9. Dennis J. (2013) ‘6. It’s Raining Frogs and Fishes’. In: It’s Raining Frogs and Fishes: Four Seasons of Natural Phenomena and Oddities of the Sky. Diversion Books.
  10. Science Reference Section. (19 NOV 2019) ‘Can it rain frogs, fish, and other objects?’. U.S. Library of Congress.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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將陽光轉變成電能的太陽能電池:太陽能電池不是電池——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/23 ・2778字 ・閱讀時間約 5 分鐘

備受關注的再生能源

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。圖/pexels

太陽能電池是太陽能發電的關鍵裝置,這是用半導體將陽光的能量直接轉變成電能的裝置。雖然有「電池」這個名稱,但不像乾電池那樣可以儲存電能。所以「太陽能電池」這個稱呼其實並不洽當,應該稱其為「太陽光發電元件」才對。

太陽能電池會利用到第 1 章 1-2 節提到的半導體光電效應(將光轉變成電能的現象)。不過,僅僅只透過照光,並不能從半導體中抽取出電能。要將光能轉變成電能,必須使用 pn 接面二極體(參考第 1 章 1-8 節)才行。

pn 接面二極體。圖/東販

圖 5-1(a) 為 pn 接面二極體,p 型半導體有許多電洞做為載子,n 型半導體內則有許多電子做為載子。這個 p 型與 n 型半導體接合後,接合面附近的電洞會往 n 型移動擴散,電子則會往 p 型移動擴散,如圖 5-1(b) 所示。

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移動擴散之後,接面附近的電子與電洞會彼此結合,使載子消滅,這個過程稱為複合。結果會得到圖 5-1(c) 般,沒有任何載子存在的區域,這個區域就稱為空乏層。

接面附近的空乏層中,n 型半導體的帶負電電子不足,故會帶正電;另一方面,p 型半導體的帶正電電洞不足,故會帶負電(圖 5-1(d))。

因此,n 型與 p 型半導體之間的空乏層會產生名為內建電位的電位差,在接面部分形成電場。這個電場可以阻擋從 n 型半導體流出的電子,與電子從 n 型流向 p 型的力達到平衡,故可保持穩定狀態。

這種狀態為熱平衡狀態,放著不管也不會發生任何事。也就是說,接面上有內建電位差之壁,不管是電子還是電洞,都無法穿過這道牆壁。

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用光發電的機制。圖/東販

在這種狀態下,如果陽光照入空乏層,半導體就會在光能下產生新的電子與電洞,如圖 5-2 所示。此時,新的電子會因為內建電場所產生的力而往 n 型半導體移動,新的電洞則往 p 型半導體移動(圖 5-2(a))。於是,電子便會在外部電路產生推動電流的力,稱為電動勢。

在光照射半導體的同時,電動勢會一直持續發生,愈來愈多電子被擠入外部電路,於外部電路供應電力。被擠出至外部電路的電子會再回到 p 型半導體,與電洞結合(圖 5-2(b))。我們可以觀察到這個過程所產生的電流。

太陽能電池的結構。圖/東販

目前太陽能電池的大部分都是由 Si 半導體製成。以 Si 結晶製成的太陽能電池結構如圖 5-3 所示。

為方便理解,前面的示意圖中,都是以細長型的 pn 接面半導體為例。但實際上,太陽能電池所產生的電流大小,與 pn 接面二極體的接面面積成正比。所以 pn 接面的面積做得愈廣愈好,就像圖 5-3 那樣呈薄型平板狀。

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前面的說明提到,陽光可產生新的載子,這裡讓我們再進一步說明其原理。

pn 接面二極體的電子狀態。圖/東販

圖 5-4 為 Si 原子之電子組態的示意圖(亦可參考第 38 頁圖 1-11)。Si 原子最外層的軌道與相鄰 Si 原子以共價鍵結合,故 Si 結晶的軌道填滿了電子,沒有空位(圖 5-4(a))。

若摻雜雜質磷(P)或砷(As)等 15 族(Ⅴ族)元素,形成 n 型半導體,便會多出 1 個電子。這個電子會填入最外層電子殼層的最外側軌道(圖 5-4(b)),與共價鍵無關,故能以自由電子的狀態在結晶內自由移動。

由於電子軌道離原子核愈遠,電子的能量愈高,所以位於最外側軌道的電子擁有最高的能量(參考第 57 頁,第 1 章的專欄)。最外側軌道與最外層電子殼層的能量差,稱為能隙。

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另一方面,如果是摻雜鎵(Ga)或銦(In)等 13 族(Ⅲ族)元素的 p 型半導體,會少 1 個電子,形成電洞。這個電洞位於最外層電子殼層,能量比自由電子還要低(圖 5-4(c))。

空乏層不存在自由電子或電洞等載子,此處原子的電子組態皆如圖 5-4(a) 所示。

陽光照進這個狀態下的空乏層區域時,原子的電子會獲得光能飛出,轉移到能量較高的外側軌道(圖 5-4(d))。此時的重點在於,電子從光那裡獲得的能量必須大於能隙。如果光能比能隙小的話,電子就無法移動到外側軌道。

光的能量由波長決定,波長愈短,光的能量愈高(參考第 217 頁,第 5 章專欄)。光能 E(單位為電子伏特eV)與波長 λ(單位為 nm)有以下關係。

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E[eV]=1240/λ[nm]

抵達地表的陽光光譜。圖/東販

另一方面,抵達地表的陽光由許多種波長的光組成,各個波長的光強度如圖 5-5 所示。

由圖可以看出,可見光範圍內的陽光強度很強。陽光中約有52%的能量由可見光貢獻,紅外線約佔 42%,剩下的 5~6% 則是紫外線。

若能吸收所有波長的光,將它們全部轉換成電能的話,轉換效率可達到最高。不過半導體可吸收的光波長是固定的,無法吸收所有波長的光。

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Si結晶的能隙為 1.12eV,對應光波長約為 1100nm,位於紅外線區域。也就是說,用 Si 結晶製造的太陽能電池,只能吸收波長小於 1100nm 的光,並將其轉換成電能。

不過,就像我們在圖 5-5 中看到的,就算只吸收波長比 1100nm 還短的光,也能吸收到幾乎所有的陽光能量。

光是看以上說明,可能會讓人覺得,如果半導體的能隙較小,應該有利於吸收波長較長的光才對。不過,並不只有能隙會影響到發電效率,圖 5-6 提到的光的吸收係數也會大幅影響發電效率。光的吸收係數代表半導體能吸收多少光,可以產生多少載子。

有幾種材料的光吸收係數特別高,譬如 Ⅲ—Ⅴ 族的砷化鎵(GaAs)。GaAs 的能隙為 1.42eV,轉換成光波長後為 870nm,可吸收的光波長範圍比 Si 還要狹窄。但因為吸收係數較高,所以用砷化鎵製作的太陽能電池的效率也比較高。

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總之,GaAs 是效率相當高的太陽能電池材料。然而成本較高是它的缺點,只能用於人造衛星等特殊用途上。即使如此,研究人員們仍在努力開發出成本更低、效率更好,以化合物半導體製成的太陽能電池。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

台灣東販
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