大驚訝！NASA IBEX探測器在太陽系外緣並沒找到弓形衝擊波

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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為什麼要研究「風力發電」與「氣候」的關係？

台灣擁有得天獨厚的風力資源，但要把風力運用於生產能源，「可預測性」是極其重要的條件。中研院應科中心郭志禹副研究員，將氣象預報所使用的 WRF 模型，比對在風場實際測得的天候數據，再把得到的結果應用於風力發電的效能預測上。對於能源政策的擬定、資源配置、機械設備維運時程安排等，都提供非常重要的參考。

風是什麼顏色？迪士尼電影《風中奇緣》裡的寶嘉康蒂公主，問了這個難解的問題。但對郭志禹來說，這問題一點也不難。

風，是綠色的。

唯有抓得住風，綠電發展才有著落

人類利用風力的歷史非常悠久，從文藝復興時代就開始了。到了 1970 年代，北歐掀起了一股研發再生能源的熱潮，開始使用幾十層樓高的大風車，從看不見的風中，攫取能源。

台灣海峽的兩側，就是目前全球最佳的風場之一，此處的冬季季風，堪稱世界上名列前茅的優質風力資源，讓風力成為台灣擁有的穩定再生能源，僅次於水力、更勝太陽能。有如此出色的風能條件，需要有好的學術研究來輔助。

以往，台灣綠能產業界關注的是如何製造效率更好的發電設備，然後外銷獲利。但既然台灣訂下了廢核的長期目標，又要同時減少碳排放，再生能源這個領域，就需要轉個彎，從「使用者」的角度來思考問題。

對風力發電的「使用者」來說，最重要的，就是風力的「可預測性」。

這就是郭志禹研究最初的問題意識。透過風力，今天可以發多少電？明天、後天、下週又是多少？這攸關如何調配各種發電方式的基載配置，是使用者必須知道的答案。為了解答這些問題，郭志禹沒有氣象學的背景，卻一頭埋進了天氣的預測模型裡面。

看天吃飯也要靠傢伙，WRF 為你掌握局部地區天氣

風力發電可以算是一門「看天吃飯」的生意，要懂得「看天」，氣象預報就是一門必修學分。 WRF 模式（The Weather Research and Forecasting Model），是由美國數個科研機構在 2000 年開發成功、氣象學界用來預測「局部地區」天候狀況的模型。郭志禹的研究團隊，也是採用這套模型做為研究基礎，並且選定風力條件極佳的彰化沿海「福海電場」作為研究場域。

彰濱一帶，整個冬天都吹著強勁的東北季風，平均風速可以達到每秒 12 公尺以上（相當於六級風），這是福海雀屏中選成為研究場域的原因之一；另一個原因，則是郭志禹研究團隊和經營此地風場的永傳能源公司，有十分愉快的合作研究經驗。永傳在此架設的測風塔，提供了很珍貴的研究數據。

「雖然測風塔是很傳統的工具，但那些頂尖科技，不管是衛星影像、雷達回波等等，還是需要它的數據來進行校準，是非常重要的設備。」郭志禹形容著科技「反璞歸真」那一面。

於是，在把 WRF 的模擬資料和場域的真實數據比對之後，郭志禹的團隊發現，兩者相當吻合，足見 WRF 模型對於福海風場一帶的氣候狀況，有不錯的預測能力。

到底是誰扯後腿？原來是斷不開的「尾流」

在掌握 WRF 模式的預測能力之後，郭志禹團隊的挑戰才正要開始。台灣的風力資源固然全球數一數二，但面積上卻不如北歐的北海風場那樣遼闊。因此，「地狹機稠」成了在地風場的特殊現象。可能每隔 10 公里就有一處風場，讓台灣海峽像是風場的集合住宅，空間一擁擠，鄰居之間難免容易有糾紛。

風場與風場之間，會不會相互干擾影響呢？這是郭志禹企圖解答的下一個問題。「尾流」，就是這個問題中的關鍵因素。

三十層樓高的風機，轉動著巨大的葉片，就好像是矗立在海中的一支支巨大打蛋器，雖然不至於把大氣攪成一鍋蛋花湯，但的確會改變風場中大氣的混合機制，連帶對於水氣凝結、降水的分布，以及熱傳導的物理系統，都會造成影響。

「尾流」對於風力發電影響最鉅的，就是減弱風速。

風機的扇葉從空氣中汲取了動能，那風的速度自然會隨之下降，下降的程度，會隨著距離慢慢遞減。郭志禹的研究團隊，分析大量的數據之後發現，風通過風機之後，風速下降超過 1 公尺（每秒）的區域，面積竟然廣達 100 平方公里左右。

速度下降 1 公尺（每秒），有那麼嚴重嗎？別小看這 1 公尺，請看這張圖表：

從圖中曲線可以發現，風速大約在 12（m/s）以上時，可以進入最佳的發電效率。彰濱一帶的季風平均風速，正好就落在這個區間。然而，若風速受上游風場影響稍稍下降，來到 9～10（m/s）左右，發電效率衰退會非常明顯。在這個範圍裡，差 1 公尺，即可能造成二到三成發電效率損失。

再加上前面提及的，台灣風場如此密集，上風處的第一台風機，可以當頭好壯壯的領頭羊，下風處的第二台就沒那麼好運，第三台、第四台……尾流效應依序疊加，最後會產生巨大的影響。除了發電效率之外，尾流導致忽快忽慢的風速，也會減損下游風機的使用壽命，連維運成本和時程都要重新估計。

郭志禹團隊的這個發現，對風力發電產業來說彌足珍貴。未來將可以據此，把天候及尾流因素納入考慮，提出更佳的規劃，甚至建立精準的預測模型。

「就像漁民看電視會看漁業氣象，我們要做的就是風力發電產業可以看的『風電氣象』！」郭志禹笑著說。

台灣風電失落的一角：跨領域的合作發展

話鋒一轉，郭志禹提到了自己在學術之外的興趣，是潛水。國內外許多海底勝景，都是他探訪的目標。在幾次潛水的過程中，他看到了海底的沉船、或是人工魚礁，裡面豐富的海洋生態，讓他印象深刻。

從那時起他就深信，「人為改變」並不一定會對於環境產生傷害，重要的是人類要在與環境的共存方式之中，取得「環境保護」和「經濟開發」的平衡。環評，只是起點，後續對於環境的監測更重要。講到這，郭志禹對於當前的風力發電政策規劃，提出了重要的意見：

台灣要發展風力發電產業，真正關鍵的該是土木營建與海洋工程技術。

此言一出，讓採訪的我們有些意外，畢竟土木並不是他的學術領域，跟這份研究的問題意識與成果也並不相關。

但郭志禹表示，在外海架設風機，風場地質會影響風機基礎。彰濱海底的沉積地質太過鬆軟，對於常常會因風向而「側向受力」的風機來說十分不利，風力從迎風面不斷推拔風機。要克服這個因素以及在離岸環境下施工，土木營建與海洋工程技術才是關鍵。

郭志禹認為，外國的風機相關機電與系統整合科技領先台灣許多，與其競逐利潤日低的風機製造外銷的產業模式，不如正視利用在地的優勢，強化風機基礎與支撐結構設計與工法，累積具參考價值的珍貴數據資料，再拿來和外國進行技術交流。

這一段，雖然不屬於他的直接研究範疇，但述說時，郭志禹表情中蘊含的積極熱切仍未絲毫減少。或許是因為對他來說，做研究從來就不只是做研究。怎麼幫助這塊土地、這個世界更好，才是他心中不曾動搖的想望。

延伸閱讀：

• 郭志禹的個人網頁
• 郭志禹 (2017 年 1 月 13 日) 。 An Application of the Weather Prediction Model in Wind Farm Development, 2016 【演講資料】。

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本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位