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以衛星資訊解析 921地殼岩石變形,掌握更多地震動態

PanSci_96
・2019/04/10 ・1321字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 581 ・九年級
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  • 921地震教育園區內被震毀的操場,車籠埔斷層切過此處。圖/wikimedia

還記得 1999 年 9 月 21 日,凌晨一點四十七分,你在做什麼嗎?這個夜晚,臺灣面臨了一場驚天動魄的地震,地震之後,接連而來的是超乎想像的傷亡。

921大地震迄今已十九年,這些年來,為了解地震孕震過程、評估地震災害風險,以達到地震防災與減災的目的,包括中央研究院在內的許多研究機構,在全台佈設密集且連續的全球衛星觀測定位系統(GPS),長期監測地殼變形行為。

中研院地球科學研究所許雅儒研究員帶領的研究團隊,透過衛星資料,解析集集地震後地殼岩石強度的時空變化。此研究以衛星資料直接探測造山帶岩石圈流變特性,為全球首例。

地震產生的原因

許雅儒解釋,地殼岩石變形的速率,與地震周期應力(物體如果受了外力作用,為平衡外力,物體內部產生抵抗力來平衡外力)累積的過程息息相關。

地震前,斷層帶淺部通常呈現鎖定狀態,隨著溫度升高,斷層帶深部的岩石的變形特徵,轉為塑性變形。受到深部岩石變形影響,斷層帶淺層持續累積應力,承受不住時斷層便破裂而引發地震。

研究團隊也發現,集集地震後十數年的觀測資料無法由單一的線性來解釋地殼岩石變形,應力和應變之變形速率呈現非線性關係,且很有可能涉及地殼因短期受力後產生的暫態變形,以及後續的非線性變形。此結果暗示著岩石的強弱在地質時間尺度上有顯著的變化,而大地震過後短期內大量及快速的變形對臺灣造山運動亦有顯著的貢獻。

研究及分析方式

震後14年的累積地表位移。圖/中研院提供
  1. 透過衞星量測地表測站的座標,由測站座標隨時間的變化計算地表震後位移量,推測地底斷層與岩石的變形,直接解析集集地震後岩石圈強度的時空演化。
  2. 透過結合衛星量測的地表位移量,開發演算方法來計算地殼應變(物體受力後,單位長度或單位體積產生之變形量)分布。
  3. 為了解臺灣造山帶的變形,採用實驗室岩石試驗測量到的岩石參數計算地溫梯度。

衛星資料彌合實驗室與現實之間的差異

許雅儒指出,研究方式中〈採用實驗室岩石試驗測量到的岩石參數計算地溫梯度〉,對於研究臺灣山脈隆升的歷程十分重要,從臺灣西部平原到中央山脈的地溫梯度,大致由20°C/km向東遞增為30°C/km,與過去利用地質與地球物理方法所推算的數值相去不遠。這項發現說明:

雖然實驗室環境與大自然之間在時間與空間尺度上存在巨大的落差,岩石的流變特性似乎並沒有因為尺度差異的影響,而產生大幅度的偏差。

換言之,大地測量資料有可能彌合實驗室以及岩石圈尺度之間的差異,未來可研究地殼流變學和大地構造的演化過程,估算合適的物理參數以建立模型,作為地球動力學研究的參考依據,為地震孕震過程及臺灣造山運動提供新的見解與思維。

  • 本研究成果已於108年2月27日刊登於美國科學發展協會下的學術期刊《科學前緣》(Science Advances),文章標題為:「利用集集地震探討臺灣造山帶之下部地殼流變性質及地溫梯度」。(Tang, C.-H., Y.-J. Hsu, S. Barbot, J. D. P. Moore, W.-L. Chang, (2019), Lower-crustal rheology and thermal gradient in the Taiwan orogenic belt illuminated by the 1999 Chi-Chi earthquake, Sci. Adv., 5, eaav3287.)
  • 本文部分改寫自中央研究院地球科學研究所新聞稿,原標題為〈觀測921地震後地殼岩石變形 中研院率先以衛星資料解析〉
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PanSci_96
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傷口需要長期消毒?自帶消炎藥的人工蜘蛛絲繃帶來啦
valerie hung
・2017/01/15 ・935字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 578 ・九年級
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當專攻蜘蛛的生命科學家與化學家相遇,「碰!」全新功效的蜘蛛絲敷料誕生啦!英國諾丁漢大學(University of Nottingham)的跨學科團隊經過五年的努力,開發出一種人工蜘蛛絲材料,不但能做到傳統敷料「蓋在開放性傷口,降低感染風險」的工作,還能釋放藥物、治療傷口,促進新組織再生。

蜘蛛絲強韌且可生物分解,不易引起過敏或發炎反應,研究團隊指出,相關的應用最早可追溯到古希臘與羅馬時期,傳說當時的軍人會混合蜂蜜與醋消毒深度的傷口,然後把揉成一團的蜘蛛網蓋在傷口止血。連莎士比亞的《仲夏夜之夢》都提過割到手指要用蜘蛛網。

圖片來源:University of Nottingham
圖片來源:University of Nottingham

這種新合成蜘蛛絲的製造者,並不是任何一種蜘蛛,而是實驗室裡的大腸桿菌(E. coli),研究團隊再透過點擊/鍵擊化學(Click Chemistry),把抗生素及螢光染料等分子「點」在蜘蛛絲結構上,打造出全新功能的繃帶。

點擊化學最早於 2001 年被提出,可將兩種有機小分子快速且有效銜接,又只生成少少的副產物,主要可用於有機合成以及新藥開發。透過這種技術,不論在可溶絲蛋白( silk protein)形成纖維的前後階段,科學家都能輕鬆為絲線裝上很多種不同的分子。

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一串蜘蛛絲接了很多小分子,感覺會像耶誕燈泡一樣(誤)

諾丁漢生物分子科學中心實驗室的研究團隊就是這樣開發出接著各式各樣小分子的蜘蛛絲,他們還展示帶著抗生素「左氧氟沙星」(levofloxacin)分子的絲纖維如何緩慢釋放消炎成分,維持至少五天的抗菌效果。這種對傷口容易潰爛的糖尿病患者,將有很大的幫助。

「透過我們的技術,具有生物相容性的單或多功能絲結構被快速被運用在更多元的領域上,特別是組織工程學或生醫。」

這個研究由英國生物技術暨生物科學研究委員會(BBSRC)贊助的研究 2016 年 12 月 28 日刊登在期刊《先進材料》(Advanced Materials)上

 

參考資料:

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嗡嗡嗡!無人機也能像蜜蜂一樣授粉
valerie hung
・2017/02/23 ・842字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 477 ・五年級
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  • 圖/Eijiro miyako

當蜜蜂嗡嗡嗡地在花叢間辛勤採蜜時,身上會沾到大量雄蕊(stamens)的花粉,然後在移動間將把花粉傳遞到別朵花的雌蕊(pistils)上,幫植物完成授粉與繁衍後代。

除了自花授粉外,許多有花植物都需要借助風,或是蜜蜂等昆蟲或動物幫忙異花授粉(cross-pollination)。但隨著氣候變遷、農藥與疾病等原因,全球各地傳出蜂群大量減少的情況,連帶讓植物發生沒「蜂」上門光顧與自然授粉,無法結果的「斷後」危機。一旦植物數量減少,就可能會連環衝擊整個生態系統的平衡。

因此現在有科學家想研發可模擬授粉行為的迷你無「蜂」機,如果蜂群數量再減少,至少能有這群微型機器人幫忙分攤工作。

透過底部的馬毛氈黏花粉以達到授粉的微型無人機。圖/Eijiro miyako

日本產業技術總合研究所(AIST)奈米材料研究所(Nanomaterial Research Institute)的化學家都英次郎(Eijiro Miyako)與他的同事設計了一台可遠端操控的小型無人機,寬 4 公分,重僅 15 公克,底部有一塊沾著特殊黏膠的柔軟馬鬃毛,不會傷到花朵本身。

從底下的實驗影片可以看出,無人機快速飛過百合花時,能黏起一朵花的花粉,再撒到另一朵上。都英次郎表示接下來的目標,是設計出能靠著 GPS、高畫素相機與人工智慧,進行自動化授粉的微型無人機,不過想真正在野外或農田看到它們工作的身影,當然要還得等上好一段時間。

也有人覺得「靠無人機彌補蜜蜂工作量」的點子不太實際,因為光是一棵果樹可能就有上千到上萬株花,整座山頭的果園要靠多少無人機才能完成授粉?還不如少灑農藥以保護蜂群、多種可自花授粉的作物或使用能大規模噴灑花粉的機器較實在。

無論如何,還是希望蜜蜂不要真的消失在這個世界上,未來田裡只剩忙碌工作的「機械小蜜蜂」的一天到來啊!

 

原始論文:

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科技基本法修正:科研計畫預算應編列科普經費
廖英凱
・2016/12/29 ・1368字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 511 ・六年級
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2016年12月29日下午,於立法院第9屆第2會期教育及文化委員會第18次全體委員會議中,審議「科學技術基本法部分條文修正草案」。在今天的審議中,除了討論關於開放放寬公立大學教職人員可兼任業界董事等條文,由立法委員黃國書等19人所提案的「科學技術基本法第十三條」的「科普保障入法」相關條文,也在委員會中經過討論後修正通過,於科技基本法中宣示政府在科研經費編列上重視科普規劃的精神,也是科普首次入法的創舉。

科學技術基本法(簡稱:科技基本法)」訂定於民國八十七年,目的在確保提升科學技術以增強國家競爭力的法源依據。時至今日,中研院、國內各公私立大學與工研院等法人的研究經費,均來自此法的規範與保障。

然而,既有科技基本法的設計比較著重於研發層面的保障,雖然該法第22條明訂「為加強國民對科學技術知識之關心與認識,政府應持續推展學校與社會之科學技術教育,以提升國民科學技術之素養。」但實務上,在許多大學與機構中,科學普及或科學教育往往為一獨立部門或計畫,缺乏與科學研究者的密切合作。且仍無法解決縱然台灣的科學科技發展具有一定實力,但一般大眾普遍缺乏科學素養與基礎科學知識,在面對爭議議題及複雜事件時無法以科學作為判斷依據的情形。

而在其他國家,如中國大陸的「中华人民共和国科学技术普及法」,則宣揚科普是全體社會的共同責任,並明訂政府各級機關、學校與科研機構、媒體、企業與基層社團組織,均有發展科普的責任,並給予科普工作,法規與資源上的優惠保障

美國白宮發表的聯邦科學教育計畫中,預計在2017年挹注6300萬美元推動進階非正式科技學習計畫(Advancing Informal STEM Learning);提供美國國家太空總署2500萬美元設計適合各年齡層的科學教育方案;並支持國家海洋和大氣總署(NOAA)推動超過65項公民科學計畫

對此,在本日教育及文化委員會中,立法委員黃國書等19人提出了「科學技術基本法第十三條條文修正草案」,欲修訂科研計畫編列時,應納入科普規劃的法規設計。且針對預算破億的科研計畫,科普經費不得低於千分之五。其精神類似公共藝術經費編列應佔建物經費百分之一的概念。

立法委員黃國書等19人,針對科技基本法第十三條修正提案。
立法委員黃國書等19人,針對科技基本法第十三條修正提案。

最終經委員會審議討論後,決定新增修訂為:「前項基金運用,應編列一定比例之經費推廣科學知識普及化,其執行辦法由中央科技主管機關定之」,相信此法案的修訂,得以保障發展科普的資源,以提升國人科學素養的軟實力。

但除經費保障挹注外,科普的發展仍仰賴全體科學社群的協力,與公私部門合理合適的協作方式。中研院史語所王道還研究員認為:「科普是科學社群承擔社會責任的實踐」。期許本次的修法,能加速科學研究、科學普及與科學素養橫向聯繫的建立。

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