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手汗能當炸彈用?爆豪勝己的個性到底有多扯!——我的英雄學院科學科

Rock Sun
・2019/05/19 ・4686字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

「動漫”我的英雄學院”中誰最強呢?」這是去年某一次泛科學直播的主題,老實說最後好像沒有結論,但是直播中y編感嘆這部動漫中好多空想科學可以寫啊。而人在聊天室潛水,平常其實比較喜歡遊戲和電影的R編就默默地把自己推進這個坑了~

沒辦法…..剛好有看嘛呵呵

(來源/bokunoheroacademia.fandom)

第一位,因為個人興趣~我們就先跳過單純一拳超人式的主角綠谷和All Might,來看看第二男主角–爆豪勝己吧。

你手上流的到底是什麼啦?

一個認真的動漫,都會有嚴謹(?)的角色介紹和能力設定。在漫畫中,爆豪的特殊能力(或者說~個性):爆破,是從手上分泌「具有硝化甘油特性」的汗水,然後引爆(注1)。

爆豪你這手汗的量是怎麼回事。source:IMDb

哇!!硬要從人的身上擠出炸藥的話,明明還有其他分泌物可以大做文章,為什麼要挑汗水呢?

正常人類的汗水組成有98~99%都是水,剩下的就是一些鹽類、乳酸和尿素,其中鹽類包括鈉(0.9 g/L)、鉀(0.2 g/L)、鈣 (0.015 g/L)、鎂 (0.0013 g/L)…等化合物,其實只要是人類體內會出現的元素,身為人類排泄大功臣的汗水一樣都不會少,甚至包括一些微量元素,所以只要不是放射性物質,汗裡面幾乎都有,只是多或少的問題而已。

「sweating meme」的圖片搜尋結果
要爆了..(來源/meme generator)

而且最重要的一點是~~汗水裡面有尿素和胺這類含氮的物質喔(注2)!因為有很多的炸藥都是碳、氫、氧以及氮的化合物,所以如果你真的要從普通人的汗水裡蒐集到所有可以製備爆裂物的元素是有可能的,只要有正確的化學反應或是奇異的身體代謝,說不定還真的能成功喔~

如果我們假設爆豪的汗水是我們真實世界存在的爆裂物好了,我們需要其滿足幾個條件:

  1. 必須要具有爆裂性。
    廢話~~
  2. 成分要是汗裡面有的元素。
    這個容易
  3. 是液體。
    我們可從來沒看過他用手上的鹽粒或結晶引爆過啊~
  4. 像硝化甘油。
    我們就假設做身體檢查的醫生知道不是硝化甘油才這麼說了,硝化甘油是個廣為人知的物質,會用來類比也可以理解。

前兩個條件基本上沒什麼問題,但是滿足第三個條件的爆裂物其實就不多了~ 目前現在已知且比較有資料的的液態炸藥並沒有太多種,以下列出幾個比較有名如:

硝基甲烷化學式CH3NO2

硝酸甲酯化學式:CH3NO3

過氧化丁酮化學式C4H10O4

這幾個化合物(注3)基本上完美的符合了以上三個條件:常溫下都是液體、基本上組成都是汗裡面有的元素、或多或少具有爆裂性那麼爆豪的汗水應該較是這其中一個其中的化合物囉……等一下……

這幾個化合物全部有毒!!!

「explosion toxic」的圖片搜尋結果
甚至有一些是爆炸後還會有有害物質的,所以化學工廠的火一定得特別小心(來源/The Independent)
  • 硝基甲烷是一種殺蟲劑的原料之一,如果人吸入或接觸了輕而科嗽、暈眩、嘔吐、刺激皮膚眼睛;重而肝腎功能損傷或發生高鐵血紅蛋白症、造成呼吸困難。
  • 誤食硝酸甲酯會造成頭痛,而且一樣會有高鐵血紅蛋白症。
  • 過氧化丁酮除了會引發上述狀況外,還有機會發生腸胃道損傷、橫紋肌溶解……等症狀。

就算我們把範圍拉大,把連中文翻譯都沒有的液態爆裂物也考慮進來的話,這之中最沒毒性的……對人體也是有刺激性的。

如果爆豪不小心汗流進眼睛裡怎麼辦??就算他本人免疫好了,今天其他同學跟他握了手,沒洗乾淨的情況下就吃東西會不會就直接送醫啊??但是既然爆豪能如此安心的使用他的汗水當作爆裂物,身邊的同班同學都安然無恙,想必是非常安全無毒的炸藥吧~~

如果我們能夠穿越動漫時空勢必要把配方找出來,這會是人類的一大工具。

少年啊…你要不要喝點水?

那暫時把汗的成分放在一邊,就先假設在我的英雄學院的世界觀之中有一種未知的液態爆裂物從這個國中生身上流出來好了…但他的汗夠嗎?

「你們這是在懷疑我的能力嗎!(設計對白)」Source:IMDb

要知道爆豪的汗夠不夠,我們得先假設出一個他使用能力的情境,估算這次爆炸所需的能量,然後轉換成爆裂物。既然我們放棄判斷他的汗是什麼成分,這裡為了方便起見,我們就先假設他的汗與硝化甘油有一樣的特性好了。

如果今天爆豪使用他的個性,憤怒的破壞掉1立方公尺的水泥塊,這需要用掉大概200克的 TNT炸藥,也就是84萬焦耳的能量。

在炸藥的世界中為了衡量 TNT 之於其他炸藥的強度,我們發明了相對應有效指數(或稱RE指數,Relative effectiveness factor ),是爆炸所需 TNT 的質量與其他爆裂物所需質量的比值,例如1公克的A炸藥產生的能量等於2公克的 TNT,那這個A炸藥的RE指數就是2,也就是比 TNT 強2倍。

在這個尺度中,TNT 固然是1,而硝化甘油是1.54。換句話說,1.54克的 TNT炸藥=1克硝化甘油產生的能量。

「Nitroglycerin liquid」的圖片搜尋結果
這就是硝化甘油。source:chm.bris

而現在我們需要以硝化甘油來取代200克的 TNT 的話,就是200/1.54=130 克……換句話說,如果今天爆豪想要炸掉1立方公尺的水泥塊,他的汗水需要含有大概130克的硝化甘油,如果靠慮到硝化甘油的密度的話,就是大概81立方公分(毫升)

聽起來不多…你倒出來在杯子裡真的不多,但是我們在談得是汗水。

一般成年人1小時全身排汗量最高只有2~4公升,也就是每分鐘只會有33~66毫升的汗水被排出,而且其中有98~99%的成分都是水。而我們的爆豪只不過是用出一個小爆炸就需要81毫升的硝化甘油,雖然爆豪是個血氣方剛的青春期少年,但怎麼看都不夠啊(注5)!!

如果我們堅持使用硝化甘油、在1分鐘內發功的話,爆豪手掌1分鐘的出汗量需要高達6.5公斤,才有足夠的硝化甘油產生威力這麼強的爆炸…..但是漫畫裡爆豪產生爆炸多半速度很快、火球又更大,所以這個數字一定會更誇張。

而且爆炸誇張不是問題,問題是你要產生這麼大量的汗,你就需要大量的水。假設爆豪的體重是65公斤,只要損失體重2%的水—也就是1.3公斤—就是非常嚴重的脫水現象了,現在這位仁兄要在1分鐘內擠出6.5公斤的汗,裡面有將近6.4公斤是水,不送醫才怪咧~~

尤其是這些硝化甘油都需要集中在手掌上,手掌又不是最會產生汗水的地方。經過統計,正常狀況下每小時手掌上流出的汗水最多不過才0.4克而已,如果你劇烈出汗甚至有多汗症的話,這個數字只不過多了幾倍,變成2.3克而已,怎麼看都差太多了(注6)。

「hand Perspiration」的圖片搜尋結果
你的手大概需要想這樣才能流這麼多汗(來源/SweatBlock.com)

看來如果他要在這麼少量的汗水裡達到200克 TNT 一樣效果的話,我們勢必要拋棄硝化甘油的想法,重新找出汗水爆裂物的性質。

如果我們用手汗的極端狀況來考量…1小時2.3克的汗換算成每分鐘0.0383克,扣除掉98%的水,只剩下大概0.038克是其他物質,假設在爆豪的案例裡這些其他物質全部都是炸藥好了,要滿足84萬焦耳的門檻,這種炸藥的RE指數會高達5263!!!

我的老天爺啊!!這已經無法用正常的炸藥來類比了,在炸藥當量表裡,這已經是核子武器的範疇了。舉個例子,二戰時美國使用的「胖子」原子彈,它的RE指數只有4500…..這位少年啊….你火氣太大了喔……

「explosion」的圖片搜尋結果
我手上有點汗,快忍受不住了(來源/wikipedia)

 這麼大聲你不怕嗎?

不過既然都說是超能力了,我們就別計較和的產生方式和威力啦!!一定是一種完全獨特的生理機能,產生出一種對人體無害的又具有爆裂性的液態炸藥,威力雖然比擬核子武器,但從汗水產生畢竟還是不多,爆豪的身體又撐得住,一切順順利利~~爆炸就在爆豪手中唾手可得……

但是有有個問題了……爆炸和火焰傷不了爆豪就算了,但是爆炸伴隨而來的另一種東西,我們很常忽略了……那就是聲音

雄英有一位老師是以講話大聲聞名的 你在大聲什麼啦,在漫畫中所有的學生都對他的大聲公有所反應,所以大家的聽力都是正常的嗎~

但是爆豪的爆炸為什麼大家就選擇性失聰了?找到了一張分貝表,其中有列出許多包含爆炸等誇張情況的分貝數,其中有列出:「距離1磅(450克)的TNT爆炸5公尺左右聽到的分貝數是180分貝」、「在手榴彈爆炸中心聽到的分貝數是191分貝」。

人類只要待在100分貝左右的地方15分鐘聽力就會受損,而120分貝左右的聲音別說聽個幾分鐘了,建議你最好馬上離開。而我們這裡的180分貝不要說聽力受損了,你可能就直接昏倒了,但爆豪還跟1年A班的同學們生活在一起、在運動會上跟其他學生彼此較勁、甚至在這麼近的距離對御茶子同學使出這麼多爆炸,我看大家的耳朵都不保了吧……

爆豪的汗水可能對其他人有毒、聲音又大、爆炸又用的這麼頻繁,真的是「最不想當他同學」第一名啊!!

這真的對耳朵不好喔~  Source:Discovery頻道

注:

  1. 在漫畫中,爆豪爸媽的個性設定分別是酸化汗」及「甘油」。而硝化甘油的製備則是由甘油與濃硝酸:濃硫酸體積比1:3的混合液體加在一起硝化而得。雖說媽媽很火爆沒錯,但爸爸的個性更可怕吧… 濃硝酸和濃硫酸耶…你們洞房花燭夜真的沒問題嗎??
  2. 為什麼要挑汗水呢?其他人體產生的物體中,口水成分基本上沒有什麼生成炸藥的必要物質,而如果要含氮物質的話,大便其實更多,但應該沒人會想看吧…如果有的話我也不想研究(這篇文章寫於研究薩諾斯肛門之前)。
  3. 我這裡先挑的其實是有找到足夠中文翻譯和介紹的物質。其實還有一個四硝基甲烷,但它其實是強氧化劑而已,跟其他物質混和很危險沒錯,但本身不會爆炸。
  4. 在英文維基液態炸藥頁面扣掉混和化合物的話裡面有14種物質,裡面唯一沒有毒性標示、只會有刺激反應的物質是硝酸異丙酯(?)Isopropyl nitrate (2-propyl nitrate,C3H7NO3),是一種算是安全的爆裂物,常用來當火箭燃料,要不是之後實在找不到這個化合物爆炸產生的能量資料,不然可能會繼續用下去…吧
  5. 在漫畫裡,對爆豪而言破壞掉1立方公尺的水泥我相信只是小Case,運動會時的大爆炸、執照考試時的表現畫面上都比這個強多了。
  6. 以下來自於榮民總醫院的資料:多汗症是病態的排汗異常現象,不應該流汗卻莫名奇妙地汗流不止,造成生活上的諸多困擾。多汗的原因可分原發性及繼發性兩種;原發性多汗佔大多數,其原因主要是因為交感神經反射的亢進而引起異常排汗。發生最多的是在手、心、腳底及腋窩這些汗腺分佈較多的地方。繼發性多汗的原因包括身體系統性疾病﹐如糖尿病、低血糖、甲狀腺疾病等。中樞神經系統疾病,有時也會引起多汗情形。爆豪你還是去看醫生好了

參考資料:

文章難易度
Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者


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如何幫畜牧業減排溫室氣體?——教會小奶牛上廁所,可有效降低「一氧化二氮」排放!

阿咏_96
・2021/10/17 ・2612字 ・閱讀時間約 5 分鐘

近年來,大眾對於「氣候變遷」這個詞越來越不陌生,國際間也會簽訂不同協議與政策,來減緩溫室氣體的排放,講到這邊,我們通常會想到化石燃料的使用,但較少被人們注意到的是,畜牧業也是排放甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等溫室氣體的大宗,甚至會造成水污染及空氣污染。

最近由心理學家團隊發表的研究,提出一種可能的解決方案,以減少畜牧業對環境的影響,也就是——「教小奶牛上廁所」!

看到這邊一定頭上冒出好幾個問號,為什麼畜牧業會對氣候變遷造成影響?是哪方面的影響?為什麼教奶牛尿尿可能可以減緩對環境的衝擊呢?要怎麼教?

圖/Pixabay

畜牧業和氣候變遷到底有什麼關係?

首先,根據聯合國糧食與農業組織 (FAO) 的報告,全球畜牧業每年約排放 7.1 兆噸的二氧化碳,大約是人為排放溫室氣體的 14.5%,其中,牛是排放量最大的物種,佔畜牧業排放量的 65 %,而大約來自於腸道發酵、糞便儲存與加工、飼料生產過程、其他能源使用等活動,FAO 也提出了目前評估可實行的減緩方案,其中一項便是提高奶牛的飼料開發以及飼養技術,來減少消化過程中和分解糞便時產生的甲烷 (CH4) 與一氧化二氮 (N2O) 。

而這篇研究的主角之一就是一氧化二氮 (N2O) ,雖然它只佔全球溫室氣體總排放量的 5% ,但它把熱留在地球的能力卻將近是二氧化碳的 300 倍!除此之外,每次排放的一氧化二氮 (N2O) 都會停留在大氣中超過一世紀,可以說是一種「長壽」的溫室氣體。從 1990 年起,紐西蘭的一氧化二氮排放量增加了五成,主要是來自乳製品業擴展以及氮肥使用,因此紐西蘭政府制定了一個目標,要在 2050 年之前將一氧化二氮的排放減少到淨零。

但這和牛有什麼關係呢?

紐西蘭的一氧化二氮排放量增加與乳製品業擴展有關。 圖/Pixabay

從「牛尿尿」開始的氮旅程

原因是牛尿液中氮含量很高,而動物尿液中的氮來源主要是尿素  (CH₄N₂O),在紐西蘭和澳洲,通常將牛飼養在戶外,牠們排尿之後,就開始一趟名為「氮循環」的旅程,首先尿素會迅速在土壤裡被水解成銨鹽 (NH4+) ,再經過微生物「亞硝化菌」氧化成亞硝酸根 (No2),接著,另外一群微生物「硝化菌」,將亞硝酸鹽 (No2) 再氧化成硝酸根 (NO3),以上的過程稱為「硝化作用 (Nitrification) 」。

當然,旅程還沒有結束,另一群稱作「脱硝菌」或「脫氮菌」的微生物會將硝酸鹽還原成氮氣 (N2),叫做「去硝化作用」或「脫氮作用」,而一氧化二氮 (N2O) 是反應的中間產物,會直接被釋放到大氣中。

難道把牛飼養在牛舍裡就沒有問題了嗎?

代誌不是憨人想得這麼簡單!當牛尿液中的氮和地板上的糞便混在一起時,會產生另一種空氣污染物——氨 (NH4)。

File:Nitrogen Cycle 2.svg
生態環境中的氮循環系統。細菌在其中扮演了關鍵角色,將氮源轉換為各種化合物,能夠被生物利用。圖/WIKIPEDIA

所以,如果牛的尿液可以被收集處理,裡面所含的氮就可以被轉換,減緩對環境的衝擊,但是要怎麼收集牛的尿液呢?

最直接的方式就是,教小牛到「廁所」裡尿尿。

要怎麼教會小牛尿尿?獎勵和拆解步驟是關鍵

研究團隊利用行為心理學的原理,訓練小牛到特定的地方排尿,這個原理便稱為「操作制約 (Operant Conditioning)」,由美國哈佛大學心理學教授史金納 (B.F. Skinner) 於 1938 年提出,當時有個著名的動物實驗稱為「史金納箱 (Skinner Box)」,將飢餓的小白鼠放在箱子裡,內有電動裝置紀錄動物的正確反應次數和頻率,因飢餓不安而活動的小白鼠,偶然壓到槓桿就會得到少量食物,當以後小白鼠看到槓桿,再去壓桿的頻率就會比以前高。對小白鼠來說,因反應而出現的食物是「強化物」,對壓桿這個「操作性反應」產生了強化作用。

除此之外,他們還運用訓練小孩上廁所,一種叫做「反向鏈接技術 (Backward Chaining Technique) 」的方式,將目標拆解成小步驟,從最後一步開始訓練到第一步。

首先,小牛被限制在圍欄設置成的廁所區域裡,當小牛排尿後再給予牠們喜歡的食物進行強化。然後,把小牛帶到圍欄外的一條走廊上,並再次強化進去廁所裡尿尿的行為,如果小牛在走廊上就排尿,便會用讓牠稍微不開心的噴水阻止牠。

經過幾次強化訓練,他們訓練的八頭小牛中,有七隻學會了在廁所尿尿,而且學習的速度和人類小孩差不多快!牠們大約只受了 15 天的訓練,大部分的小牛在 20 至 25 次排尿後學會了整套,比三到四歲的人類小孩還快。

小奶牛在廁所尿尿的影片。資料來源/參考資料 1

由此,研究團隊得到了兩個結論,第一是牛能夠學會注意自己的排尿反射,在準備尿尿時會移動到廁所裡;第二,在可以得到獎勵的情況下,牠們學會先憋尿,除非到了正確的地方。

牛牛學會了,然後呢?

在知道可以訓練牛牛到廁所排尿後,下一步要怎麼做才能夠離減排溫室氣體的目標越來越近呢?

作者認為希望未來可以優化廁所裝置,自動檢測排尿以及給予獎勵,就像是放大版的史金納箱一樣。除技術層面外,像是紐西蘭、澳洲等地的畜牧業,大多將牛飼養在開放的圍場,應該要把廁所設在哪裡,或者牛願意走多遠過來上廁所,都是需要進一步了解的問題,也才能夠將這項技術真正運用在不同國家的畜牧業,實際做到減緩畜牧業對氣候變遷的影響。

參考資料

  1. Dirksen, N., Langbein, J., Schrader, L., Puppe, B., Elliffe, D., Siebert, K., … & Matthews, L. (2021). Learned control of urinary reflexes in cattle to help reduce greenhouse gas emissions. Current Biology, 31(17), R1033-R1034.
  2. Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., … & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: a global assessment of emissions and mitigation opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
  3. 張春興(民80)。教育心理學:三化取向的理論與實踐。台灣東華書局。
  4. Backward Chaining Technique
  5. 全國法規資料庫:空氣污染防治法施行細則
  6. The science of nitrous oxide

阿咏_96
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