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以 GPS 測知氣象資料,未來颱風假提早預報?來認識福衛七號獨特的「掩星觀測技術」

Suzuki
・2019/06/24 ・3502字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

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6 月 25 日六顆福爾摩沙衛星七號將搭乘 SpaceX 獵鷹重型火箭,前往太空接替老兵福衛三號,成為「太空中精準溫度計2.0」,提供即時、可靠的氣象觀測資料。

國家太空中心推估福七可提升氣象預報準度 10%,這個 10% 聽起來好像還好,實際上卻能為災害防範爭取許多時間。以颱風預報來說,提升 10% 等於是將原本三天後颱風預報,往前推 7.2 小時的精準度,也就是在颱風尚未接近陸地前,就能比原先更早預測它接近的影響狀況。假若氣象預報準確度提高,颱風假或許能提早確定呢~(敲碗!)

福七在太空中心整測廠房內,完成振動、熱真空測試、電磁相容等許多測試後,準備前往美國。圖/太空中心提供

全世界對福七會如此有信心,主要是因為福三對數值氣象預報的貢獻。2012 年著名氣象機構歐洲中期預報中心就指出,福三在減少天氣預報誤差的貢獻度是全球前五,台灣許多研究也指出,福三改善了豪雨預報與颱風路徑預報的準度。

使用福衛三號資料的尼伯特颱風預報路徑(REF綠色和BND粉色線),和實際路徑(BEST黑色線)的誤差明顯較小。(圖片提供/太空中心

GPS不只可以導航,福衛七號還靠它收集氣象資料

「掩星觀測技術」扮演超級重要角色,而 GPS 全球衛星定位系統在這之中可是幫了大忙。

沒錯!就是你開 google 地圖會協助導航的 GPS。我們常接觸的是美國 GPS 系統,目前有 31 顆衛星在兩萬公里高空軌道上繞行地球,當地面訊號站能同時接觸到四顆以上衛星訊號時,便能以三角測量原理協助定位。

而福七正是靠著 GPS 來達成掩星觀測,得到氣象資料的喔!福三計畫主持人、福七計畫副主持人方振洲博士表示,常見的氣象觀測,都是垂直觀測大氣狀況。探空氣球是搭載儀器升空測量,地球同步氣象衛星則靠著感應地表、陸地與海洋所反射的電磁波能量,計算處理後得到衛星雲圖。

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但是福七的掩星觀測技術不同,它並不是直接量測大氣層資料,而是靠著它的主要酬載儀器「全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」(TGRS),橫向接收 GPS 衛星穿入和穿出大氣層所產生的電磁波訊號。電磁波在穿越不同濕度、溫度、壓力的大氣環境時,會產生偏折,藉由觀測訊號轉向、減弱或變慢,便能反推大氣層中濕度、壓力與溫度對訊號的影響,得到氣象數值預報所需的資料。

福三利用 GPS 無線電波掩星量測原理,利用福三所接收的 GPS 訊號折射角度變化,推演相對應的大氣溫度、氣壓和水氣以及電離層電子密度的垂直分佈。圖/太空中心提供

福七最後所接收到的,是經過無數偏折後的訊號,因此若要回推影響某一點的溫度,則必須像剝洋蔥般,由電離層一層層剖析到大氣層,運用大氣密度隨高度上升變小、電磁波訊號折射角變小的原理,根據每一層溫度和折射角變化,慢慢推算出那點的資料。

全世界的定位系統有四種,包括:美國 GPS、俄羅斯 GLONASS、歐洲 Galileo 和中國北斗。福七 TGRS 能同時接收美國 GPS 和俄羅斯 GLONASS 兩系統共 55 顆定位衛星的訊號,比福三僅能接收單一系統的資料量多,每天可提供 4000 筆掩星觀測資料。再加上福七是在南北緯 50 度間軌道繞行,以台灣、赤道與低緯度颱風盛行區的觀測為主,不像福三以高緯度軌道全球繞行。因此福七觀測資料密集度更高、資料量更大,必能提升氣象預報的準確度。

除了TGRS外,其他兩個酬載在做什麼呢?

兩片圓圓太陽板的福三小巧可愛僅 62 公斤,相較之下,福七掛著像魚尾般的太陽能板,則像隻巨無霸鯨魚有 300 公斤。福七比起福三多了備份系統,身上酬載儀器也更先進。

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福七除了搭載掩星觀測的 TGRS外,還背了 IVM(離子速度儀)與 RFB(無線電射頻信標儀),兩者都是校正 GPS 訊號與輔佐掩星觀測的重要儀器!

因為 GPS 衛星位在兩萬多公尺的高空,它的訊號會穿過大氣層、電離層傳給福七,而電離層會干擾訊號傳送,因此需要透過 IVM 量測電離層離子速度與密度,根據相關數值校正通過電離層的 GPS 訊號。

RFB 是藉由福七發射三種無線電頻段(UHF/L /S + P)至地面站,來量測電離層閃爍,並判定電離層電子密度差異,以便校正 GPS 訊號穿過電離層的誤差。

掌握電離層結構,除了提高 GPS 訊號的精準度、提升掩星觀測的品質,電離層變化也影響太空氣象與電信通訊,近來也有不少研究也在討論電離層變化與地震發生的相關性。福七將繼福三後,成為全球電離層觀測資料的貢獻者

太空中最精準「溫度計」

為什麼福七被稱為太空中最精準「溫度計」,而不是氣象預報員呢?

太空中心整合測試組組長陳維鈞表示,衛星不能做氣象預報,只能提供觀測資料給氣象局做預測。福七能測得氣象預報所需的重要資料,包括:溫度、濕度與壓力,而它所測得的溫度是不需要以標準溫度去校正的,因此擁有「最精準溫度計」的稱號。

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由於福七無法測得風向資料,所以太空中心打造自主研發衛星「獵風者」,最快 2020 年底、2021 年初升空。「獵風者的測量方式更玄!」它是接收海洋所反射的 GPS 訊號,靠著量測海浪速度和高度,來推算海上的風向與風速。屆時獵風者號可攜手福七,提供全球更多氣象預報所需的資料。

獵風者號構型圖。圖/太空中心提供獵風者號構型圖。圖/太空中心提供

因緣際會,成為「掩星技術」的專家

「福三在的那幾年,真的是台灣氣象預報最準的時候!」方振洲談到福三就於有榮焉,福三可說是全球第一批成功以「無線電掩星技術」來觀測氣象的衛星星系,服役十多年後將要榮退,由福七接手任務。

方振洲說道,無線電掩星觀測很早就有了,像是 NASA 的行星任務,就是用無線電訊號變化,回推行星氣體的資料,美國大學大氣研究聯盟(UCAR)便想將這個技術運用在氣象觀測上。那時無線電掩星技術並不是主流的氣象觀測方式,也沒什麼人相信它會成功,當 UCAR 去找 NASA 時,NASA 說「這是爛計畫!」後來 UCAR 找了台灣當合作夥伴,台灣就開始跟美國優秀科學家合作,打造福衛三號。

「沒想到,福三升空八個月觀測資料就被歐洲中期預報中心納入預報系統,後來美國也納入。」福三證實無線電掩星氣象觀測是可行的。

從 2006 年福三到 2019 年福七計畫,台灣已累積近 15 年的研究能量與衛星操控經驗,陳維鈞表示,這是今日台灣能處在世界領先地位的原因。十多年前,台灣需要倚賴國外系統來操控福三;但到了福七時,台灣已使用自行研發的衛星操控中心,甚至將技術輸出到泰國,協助他們建操控中心。

太空中心衛星操控中心。圖/太空中心提供

福三與福七都是台美合作計畫,美國主要提供酬載儀器,台灣強項則在軟硬體系統整合與衛星操控。福三到福七不僅是觀測精準度提升,即時處理資料能力的速度加快,台灣太空計畫團隊也跟著精進。

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未來十年:一年一衛星!

福七是繼福一、福二、福三與福五後第五顆台灣研發的衛星,台灣自 1992 年開始投入太空計畫,至今也不過 26 年多的光景,在遙測衛星與氣象掩星衛星都有卓越成就。下一步台灣將以帶動國內太空產業鏈為目標,朝「一年一衛星」邁進。

不過,你或許會納悶光學遙測衛星福二 2004 年發射至 2016 年除役,執勤 12 年才由福五接替,福三 2006 年升空至今仍等待福七交班,台灣衛星普遍工作到最後一刻,才有另一批衛星接替,因此科技部部長陳良基說「未來十年,每年發射一顆衛星」會不會太好高騖遠呢?

國家研究院院長王永和坦言「國家太空中心只有 200 人,要做到這樣的計畫很辛苦!」過往許多衛星關鍵零組件,台灣都要自行開發,雖然提升了太空發展的難度,但也給予挑戰的機會。太空中心原則上已規劃十顆衛星,有八枚類似福五的光學遙測衛星,兩枚合成孔徑雷達衛星。合成孔徑雷達衛星能夠做環境和災害預測,在取像上不受天候影響。

國家太空中心副主任余憲政表示,明年初預計有顆 1.5 U(15cm x 15cm x 15cm)小型實驗立方衛星升空,執行船隻和飛機的定位,而立方衛星也是太空中心想發展的項目之一,因此未來每年可能不只有一顆,可能一年有兩顆以上喔!

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2019 年太空三期計畫實施,搭配一年一衛星的願景,將帶動國內太空產業。以福五為例,福五是台灣完全自主研發的衛星開端,從投入經費比例來看,它的自主元件比例為 70-75%,而預計在 2021 發射的獵風者衛星更「台」,自主元件比例高達 87%。密集衛星計畫提高太空元件自製率,有助於本土電機與電子業跨足太空領域,並創造更多國際合作機會,讓世界看到台灣的實力。

  • 註解:福衛三號星系中多數的衛星目前已無法傳送資訊予地面站了。

想了解更多有關福爾摩沙衛星的各種小知識嗎?請見下篇:關於福衛七號的幾個問與答

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Suzuki
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超純社會組學生,對未知的一切感到好奇,意外掉入科技與科學領域,希望在猛點頭汲取知識的同時,也能將箇中妙趣分享給大家。

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純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 BRITA 合作,泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎?

如果你回到兩百年前,試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水,可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐,氣味刺鼻,甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」,當時的人們雖然知道水不乾淨,但卻無力改變,導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

幸運的是,現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物,但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰,哪些技術真正有效?

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19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展,面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊,甚至未經處理的地下水,導致傳染病肆虐。

1854 年,英國醫生約翰·斯諾(John Snow)透過流行病學調查,發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關,這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度,促使公衛政策改革,加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初,英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒,成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率,這一技術迅速普及,成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾,尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後,惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年,後藤新平出任民政長官,他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設,對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題,他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓(William Kinnimond Burton) 來台,規劃現代化的供水設施。在雙方合作下,台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年,全台已有 16 座現代水廠,有效改善公共衛生,為台灣城市化奠定關鍵基礎。

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圖片來源/BRITA

進入 20 世紀,人們已經可以喝到看起來乾淨的水,但問題真的解決了嗎? 科學家如今發現,水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物,甚至微量的內分泌干擾物,這些看不見、嚐不出的隱形污染,正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此,濾水技術迎來了一波科技革新,活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透(RO)等技術相繼問世,各有其專長:

活性碳吸附:去除氯氣、異味與部分有機污染物

離子交換樹脂:軟化水質,去除鈣鎂離子,減少水垢

微濾技術逆滲透(RO)技術:攔截細菌與部分微生物,過濾重金屬與污染物等

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這些技術相互搭配,能夠大幅提升飲水安全,然而,無論技術如何進步,濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯,決定了水質能否真正被淨化,而現代濾水器的競爭,正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是,最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能?

濾芯的壽命與更換頻率:濾水效能的關鍵時刻濾芯,雖然是濾水器中看不見的內部構件,卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例,其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂,能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質,並過濾鉛、銅等重金屬,同時軟化水質,提升口感。

然而,隨著市場需求的增長,非原廠濾芯也悄然湧現,這不僅影響濾水效果,更可能帶來健康風險。據消費者反映,同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯,顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全,建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯,避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙,正面則可看到 BRITA 商標,以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計,底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節,才能確保濾芯發揮最佳過濾效果,讓每一口水都能保證潔淨安全。

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濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計 (圖片來源 / BRITA)

不過,即便是正品濾芯,其效能也非永久不變。隨著使用時間增加,濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞,導致過濾效果減弱,濾水速度也可能變慢。而且,濾芯在拆封後便接觸到空氣,潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯,不僅會影響過濾效能,還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質,形成「過濾器悖論」(Filter Paradox):本應淨化水質的裝置,反而成為污染源。為此,BRITA 建議每四週更換一次濾芯,以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題,BRITA 推出了三大智慧提醒機制,確保濾芯不會因過期使用而影響水質:

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈:即時監測濾芯狀況,顯示剩餘效能,讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒:掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間,自動提醒何時該更換,減少遺漏。

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3. LINE 官方帳號自動通知:透過 LINE 推送更換提醒,確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天,濾芯已不僅僅是過濾裝置,更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備,成為了健康生活的關鍵。

人類對潔淨飲用水的追求,從未停止。19世紀,隨著城市化與工業化發展,水污染問題加劇並引發霍亂等疾病,促使濾水技術迅速發展。20世紀,氯消毒技術普及,進一步保障了水質安全。隨著科技進步,現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術,去除水中的污染物,讓每一口水更加潔淨與安全。

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(圖片來源 / BRITA)

今天,消費者不再單純依賴公共供水系統,而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如,BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求,從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題,去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%,並通過 SGS 檢測,通過國家標準水質檢測「可生飲」,讓消費者能安心直飲。

然而,隨著環境污染問題的加劇,真正的挑戰在於如何減少水污染,並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具,更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備,它象徵著人類與自然的對話,提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利,更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源,且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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一年有幾週?背後竟隱藏著宗教、政治與天文觀測的紛爭?為何決定一年有幾週如此大費周章?
F 編_96
・2025/01/06 ・3256字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

每到歲末或年初時,大家常會打開新的行事曆,做新一年的計畫。從直覺來看,我們常以「一年有 365 天」或「閏年 366 天」的概念衡量時間。如果將 365 天除以 7(每週 7 天),得到的答案約是 52 週又 1 天;若遇到閏年(366 天),則是 52 週又 2 天。換句話說,無論是一般年還是閏年,一年都不可能整除,剛好 52 週,總要多出 1 或 2 天。

對多數人而言,這種「約 52 週加 1 天」似乎是再自然不過的事。然而,實際上人類在訂定「一年幾天」與「多久閏一次」的規則上,一路走來經歷了漫長探索與爭議。自古以來,不同文明先後採用依太陽或月亮運行週期為基準的曆法;儘管最終各國大多轉而採行以太陽週期為主的格里高利曆(Gregorian calendar),但並非一蹴可幾,而是一段包含宗教、政治、天文觀測的故事。

一年感覺很長,其實也就 52 週(+1 或 +2 天)。 圖/unsplash

從洪荒到曆法:人類如何決定時間單位

追溯人類對時間的測量,可遠至一萬多年前:考古發現顯示,澳洲原住民或新石器時代的部落,便會根據太陽、星象的移動,來推算季節變遷與祭典進行。後來,隨著農業興起,區分一年四季並掌握耕作節氣成了首要需求,日曆的概念亦逐漸成型。

  • 宗教推力:古埃及與蘇美等文明常需要在特定時刻進行祭祀或儀式,故對晝夜長短、月相週期乃至每年太陽位置頗為講究。
  • 日月曆法之爭:有些文明依月亮週期(約 29.5 天)為月數基礎,稱「陰曆」;也有採納太陽年度(約 365 日)稱「陽曆」,或折衷稱「陰陽合曆」。

就週數而言,古人或許更關注「每個月有幾天」與「一年有幾個月」,而非「一年到底可以分成幾週」。然而,週的概念在很多宗教與文化裡同樣重要,如猶太教及後來的基督宗教都強調「七天」一週之體系,用於安息日或祈禱輪替。因此,當今的一年分成「52 週多幾天」,也綜合了宗教傳統與太陽年的計算。

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朱利安曆失準?教宗格里高利的關鍵校正

現行國際普及的格里高利曆,最早源自於古羅馬朱利安曆(Julian calendar)。公元前 46 年,凱撒大帝(Julius Caesar)在天文學家蘇西根尼斯(Sosigenes)建議下,設定一年 365.25 天,並每四年加一天作閏年。看似精妙,但實際上太陽年長度約是 365.2422 天,每年多出的 0.0078 天、也就是大約 11 分鐘,雖然聽來微乎其微,卻在一段世紀之後累積成巨大的誤差。

對天主教而言,耶穌受難與復活日期影響了整年眾多教會節日。若曆法逐漸偏移,像復活節等慶典便逐年脫節了季節原意。至 16 世紀末時,朱利安曆已誤差累積多達 10 天。教宗格里高利十三世遂在 1582 年宣佈大刀闊斧改革:10 月 4 日的次日直接跳到 10 月 15 日,並規定「百年年份如若非 400 整除,則不列為閏年」。如此,將一年的平均時長微調至更貼近 365.2422 天。

一些國家如法國、西班牙和義大利等迅速採納「新曆」,但英國則因宗教立場等因素拖延至 1752 年才肯切換。中國雖在 1912 年起算是「正式認可」,但廣泛實施延至 1929 年。這樣因曆制修整所產生的「失落日子」,在各國各時期都曾引發不小民眾抗議與混亂,但如今我們所熟知的「一年 365(或 366)天、每週 7 天」全球大體一致,正是拜此改革所賜。

教宗格里高利十三世的改革,成了日後我們熟知的「一年 365(或 366)天、每週 7 天」。圖/unsplash

一年是 52 週又幾天?

回到主題:基於現在格里高利曆的「年」長度,一般年 365 天,閏年 366 天。因此只要把 365 ÷ 7 = 52 餘 1,或 366 ÷ 7 = 52 餘 2。這樣看來,52 週是某種近似值,再加上 1 或 2 天則填補了週數的縫隙。有趣的是,人們日常生活中往往不深究這些「多一天」會落在哪裡,反而透過各國法定假期、節日分布或企業排班,來靈活因應。

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不管日曆如何安排,七天一週與太陽一年的 365.2422 天本質上不會整除。因而實際執行層面,才衍生「一月有 4 週多幾天」或「一年 52 週多幾天」。而根據格里高利曆規範,每 4 年遇到 2、6 結尾者時通常加閏日;再以百年刪除閏日,唯獨 400 年倍數的百年不刪。如此 400 年中有 97 個閏年,非 100 次,年均值約 365.2425 天,與真實太陽年極為貼近。

再度修正:米蘭科維奇曆與東正教的調整

與此同時,一些東正教教會或科學家,仍曾嘗試做更精準的校調。例如 1923 年出現的「米蘭科維奇曆」,由塞爾維亞天文學家米蘭科維奇(Milutin Milanković)提出:

  • 改進閏年規則:如果該年不是 100 的倍數,則正常計算;若是 100 的倍數,就得看除以 900 所餘下的數是否為 200 或 600,若是,則跳過閏年。
  • 應用範圍:此一方案被視為更貼近天文年,但只有部分東正教教會接納實施,對全球世俗時間並未產生重大影響。

有趣的是,若米蘭科維奇曆被大規模推廣,平均一年長度會更符合真實太陽年,但世界各國基礎已扎根於格里高利曆,也不太可能再冒然重新改革。畢竟,每次曆改都會使官方紀錄、民間活動和宗教節慶產生協調難題,且大眾的社會慣性早已落實在現行制度裡。

時間計算背後宗教、政治與科學的糾纏

我們眼中的「一年 52 週又 1~2 天」其實是長期政治、宗教、科學交互影響的產物。數世紀以來,不同文明為祭祀、政令或貿易往來而反覆調整曆制;伴隨天文觀測與數學演算的精進,人們才一步步從古老的朱利安曆轉到格里高利曆,避免每年多出一些看似微不足道的分鐘數量,卻逐漸累積成整天的時差。在這些爭論、改革中,週數雖非爭議焦點,但它一同被帶入今日世界,最終定型為「一年 = 52 週 +1(或 2)天」。

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儘管目前的曆法存在些許時差,但已是目前全球通用的計日方式。圖/unsplash

另一方面,有些文化或地區在現代仍維持傳統的陰曆、陰陽曆搭配格里高利曆,如中國農曆可見節氣和月相紀錄;穆斯林世界則使用純陰曆,並以其方法計算齋戒月、開齋節等。全球一體化雖使格里高利曆成為主流,但不代表其他紀年方式就此消失。在各種曆法交錯下,「一週幾天,一年多少週」或許並非普世絕對,卻是人類根植於宗教、科學與經濟行為下逐漸形成的共識。

踏入 21 世紀,隨著全球高度互聯與商業活動頻繁,幾乎所有國際公約、金融市場、交通規劃都以格里高利曆為基準。此種高度一致有利經貿往來與跨國協作,但究其根源,私底下仍有一種「不完美但通用」的妥協性質。時至今日,要再度大規模推行新的曆制(比如米蘭科維奇曆)的機率微乎其微。

也許未來某天?

不管你是否每天翻開行事曆查看日期,或是習慣智慧型手機提醒,在全球主流價值裡,「一年 52 週又 1 或 2 天」已成幾乎不容置疑的常識。

也許未來仍有理論家建議以更精準的曆法取代格里高利曆,讓一年日數更貼合天文常數。然而,歷史經驗告訴我們,此種改革勢必付出巨大社會成本,還要面對全球龐雜的政治協調。最終,我們大概仍會安於現在這個略有瑕疵卻普及度最高的制度,繼續說著「一年有 52 週」,並在每年最後那 1 或 2 天裡,慶祝跨年、增添慶典。

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不論如何,時間的運行永不止息;地球仍舊繞著太陽旋轉,帶給我們四季遞嬗與新的挑戰。或許最重要的並非究竟一年「整除」了多少週,而是我們如何在這既定框架下規劃生活,在有限的時間裡,拓展出新的生活軌跡。

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從門得列夫到 118 種元素:元素週期表是怎麼出現的?
F 編_96
・2025/01/04 ・2302字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

「氫鋰鈉鉀銣銫砝、铍鎂鈣鍶鋇镭…」相信很多人離開高中很多年,都還朗朗上口。

列著 118 種已知化學元素的「元素週期表」(Periodic Table),雖然唸起來像咒文,但有了它之後便能夠快速查詢原子序(proton number)、價電子(valence electrons)數量,以及元素可能的化學性質,成為各領域科學家與工程師設計實驗、預測物質反應必不可少的工具。

有趣的是,元素週期表並非一蹴可及。縱觀歷史,化學家們歷經數世紀的摸索、爭論與資料整理,才在 19 世紀後半葉逐漸確立。

我們現在看到的元素週期表,是在 19 世紀後半才逐漸確定。 圖/unsplash

週期表之父:門得列夫的突破

19 世紀中葉,已知的化學元素約有 63 種,許多化學家嘗試找出元素間的共同點,卻苦無系統性整理。當時能區分「金屬」與「非金屬」,或利用價電子概念將一些元素歸類,但要涵蓋大多數元素仍顯不足。俄國化學家門得列夫在撰寫《化學原理》教科書時,因接觸各元素的資料而產生新思路。他索性把已知元素各種性質寫在紙卡上,再一一比對它們的原子量(類似當今的原子量或原子序概念)與化學性質。

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確切的靈光乍現時刻,如今已無從完全重現,但我們知道門得列夫最後觀察到:「如果按照原子量(或後來的原子序)由小到大排列,某些化學性質就會呈週期性重複。」進一步來看,元素的價電子數量通常也會對應到表格的「欄位」或「族群」。於是,在 1869 年,他將研究結果發表,提出了第一版週期表的雛形,更大膽預言了尚未被發現的元素「eka-aluminium」(後來證實即鎵 gallium)及其他四種元素的性質。

讀懂週期表:原子序、符號與原子量

今日的週期表之所以能快速讓人獲得豐富資訊,關鍵在於三個核心欄位:

  1. 原子序(Atomic Number)
    代表該元素核內所含質子數。如果一原子核有 6 顆質子,就必定是碳(C),無論其他中子或電子數如何。此序號由上而下、由左而右遞增,貫穿整張表格。
  2. 元素符號(Atomic Symbol)
    多為一至兩字母縮寫,如碳(C)、氫(H)、氧(O)。但也有如鎢(W,因「Wolfram」得名)或金(Au,取自拉丁文「Aurum」)等較不直覺的符號。
  3. 原子量(Atomic Mass)
    表示該元素在自然界中各同位素的加權平均值,故通常是帶小數的數字。對合成元素則標示最常見或最穩定同位素的質量,但由於這些元素壽命極短,數值往往會被不斷修正。

舉例來說,硒(Se)在週期表中顯示原子序 34,屬於第 4 週期、第 6A 族,表示它有四層電子軌域,其中最外層(價電子層)有 6 顆電子。有了這些資訊,科學家可快速判斷硒的化學傾向、可形成何種化合物,乃至於在生物或工業應用中可能扮演的角色。

週期表的內部結構:週期、族與軌域

門得列夫最初按照原子量遞增排列元素,現代則依靠原子序(即質子數)來分類。橫向稱為「週期」(Period),從第 1 週期到第 7 週期;縱向稱為「族」(Group),目前總共有 18 組。週期數量在於顯示該元素電子軌域有幾層;而同一族則代表外層價電子數相同,故有相似化學性質。

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例如,第 18 族常被稱作「貴氣體」或「惰性氣體」,如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)等皆不易與其他元素起反應。另一個顯著群體是位於第一族的鹼金屬(Alkali Metals),如鋰(Li)、鈉(Na)等,因外層只有 1 顆電子,極容易失去該電子而形成帶 +1 價的陽離子,故與水猛烈反應。

此外,在表格中央有一塊「過渡元素」(Transition Metals)區域,包括鐵(Fe)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)等。它們具有部分填充的 d 軌域,使得該區域的元素呈現多樣性質,例如具有金屬光澤、可塑性或導電性等,被廣泛應用於工業及工程領域。

同一族的外層價電子數相同,因此大多有著相似化學性質。圖/unsplash

再進化:從 63 種到 118 種

當門得列夫在 1869 年發表週期表時,已知元素只有 63 種,表格中甚至留有空白以預留「未來或存在尚未發現的元素」。他果然預測到了鎵(Ga)以及日後證實的日耳曼ium(Ge)等新元素性質,贏得舉世矚目。隨後,有越來越多元素透過科學發展,尤其是光譜分析與放射性研究而被發現,例如鐳(Ra)和氡(Rn)等。

到 20 世紀後期,隨著粒子加速器的誕生,人類可以合成更重的超鈾元素(Atomic Number > 92)。這些人工合成元素往往極度不穩定,壽命僅能以毫秒或微秒計,但仍證實存在、並填補週期表後段空白。如今,週期表已收錄到第 118 號元素「鿆(Og,Oganesson)」,但科學家預測或許還能繼續向上延伸;只要能合成更重、更穩定的原子核,我們就能拓展週期表的新邊境。

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一般認為,隨原子序遞增,原子核內部的質子數目激增,原子愈趨不穩,往往在極短時間內衰變成較輕元素。然而,一些理論物理學家提出「島狀穩定性」(Island of Stability)的概念:也許在某特定質子與中子數量組合下,能出現意外長壽的「穩定」重元素。

是否真能在表格上方再增添「第八週期」甚至更高週期的列,仍有待更多實驗來驗證。但無法否認的是,週期表一直是科學家檢驗自然規律的試驗場,也見證了人類探索未知的無盡熱情。

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F 編_96
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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃