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不只有瑪麗·居禮:元素週期表背後的女性科學家

活躍星系核_96
・2019/12/07 ・5806字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

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  • 原文作者:Brigitte Van Tiggelen 和 Annette Lykknes ,他們蒐集整理了在發現元素和探索元素特性過程中那些重要卻常常被忽視的女性研究人員的故事。原文以 Celebrate the women behind the periodic table 為標題,發佈在 2019 年 1 月 28 日《自然》評論上。由 施普林格·自然上海辦公室翻譯。

將幾十種化學元素集中到元素週期表上的功勞並無法歸結到一個人或是一個時間點上。無論是在門德列夫於 1869 年提出元素週期表雛形之前還是之後,科學家們都在不斷對化學元素進行分類和預測,還有更多科研人員努力尋找和解釋這些新的物質。惰性氣體、放射性、同位素、次原子粒子1和量子力學這些概念在十九世紀中葉都還未問世。

德國化學家伊達.諾達克(Ida Noddack)放棄了化工行業的工作,而投入進尋找新元素的研究,最終與他人共同發現了錸。圖/魯汶大學檔案館

在這裡,我們將介紹那些徹底改變我們對元素理解的女性科學家們。瑪麗.居禮(Marie Curie,亦常稱為居禮夫人)是最著名的,她因為研究放射性以及發現了釙和鐳而兩次獲得諾貝爾獎,而其他女性則悄無聲息地隱入了幕後。同樣被忽略的還有她們的研究與人格特質 ,譬如不斷開展實驗、仔細篩選數據、重新評估理論的那種堅韌和勤奮。

要證明一種新元素的發現非常困難。首先,要發現不同尋常的特性——不能歸因於已知元素的化學行為或物理性質,例如無法解釋的放射性輻射或光譜線。其次,必須分離出足夠量的該種元素或其化合物,以便對其進行稱重、測試並說服他人。

找尋與梳理元素的科學家們

1897 年,瑪麗.居禮開始攻讀博士學位,她對「鈾射線」進行研究的時候並沒有要尋找新的元素。她想探索的是 1896 年亨利.貝可勒爾(Henri Becquerel)剛剛發現的放射性這一概念。她發現瀝青鈾礦的放射性之大無法單單用鈾來解釋,於是推測是否存在其他元素,並找來了她的丈夫皮埃爾幫忙。

1898年,他們確定了兩種新元素——鐳和釙的光譜線。然後他們花了三年多的時間研磨、溶解、煮沸、過濾、結晶數噸礦石,才提取了 0.1 克鐳化合物。(他們也試圖分離釙,但實在過於困難,因為它的半衰期太短了。)1903 年,居禮夫婦和貝可勒爾因為發現放射性而共同獲得了諾貝爾獎;1911 年,瑪麗.居禮因為發現鐳和釙,並成功對鐳進行分離和研究而再次獲得諾貝爾獎。

要確定一種元素在元素週期表中的位置,主要依據的是其原子量和化學性質。像是鐳的化學行為與鋇很接近,並且原子質量比鋇更重,因此在元素週期表中剛好排在鋇後面。但確定原子量非常困難,因為必須要通過純物質進行測定。

具有相似原子量和特性的元素很難被區分。就在門德列夫製作好元素週期表之後,俄羅斯化學家朱莉婭.勒蒙託娃(Julia Lermontov)接受了這一挑戰——也可能是在門德列夫的要求下——對鉑族金屬(釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑)的分離過程進行改良。這是幫它們排列順序的先決條件。(據我們所知)關於勒蒙託娃工作唯一的記載只有在門德列夫的檔案以及他們聯繫來往的信件當中。勒蒙託娃在德國海德堡學習化學,師從羅伯特.本生(Robert Bunsen,1860年與古斯塔夫.基爾霍夫(Gustav Kirchhoff)使用他們新發明的光譜儀發現了銫和銣)。1874 年,勒蒙託娃成為了德國歷史上第一位獲得化學博士學位的女性。

精確測量原子量的值對於計算放射性衰變系*,以及區分現有的新元素和已知元素的未知變體——同位素也是至關重要的。同位素的概念解決了一個重大問題:似乎有許多新元素突然湧現出來,但元素週期表中並沒有那麼多位置。雖然同位素這個概念是由英國化學家弗雷德裏克.索迪(Frederick Soddy)在 1913 年提出來的,但是這一術語(在希臘文中意為「同一個地方」)最早是瑪格麗特.託德(Margaret Todd)醫生在一次晚宴上提出的。

波蘭猶太化學家斯蒂芬妮.霍洛維茨(Stefanie Horovitz)很快就提供了同位素的實驗證據。她在維也納的鐳研究所工作,她證明即使像鉛這樣常見的元素也可能具有不同的原子量,具體取決於它是由鈾還是釷的放射性衰變而來。

1914 年,波蘭猶太化學家斯蒂芬妮.霍洛維茨在維也納鐳研究所工作期間用實驗證明了同位素的存在。圖/奧地利中央物理圖書館

另一個問題便是鐳的「放射物」的本質是什麼,是顆粒還是氣體?加拿大物理學研究生哈麗特.布魯克斯(Harriet Brooks)在加拿大麥吉爾大學與她的老師歐內斯特.盧瑟福(Ernest Rutherford)一起解決了這個問題。布魯克斯和盧瑟福在 1901 年提出放射物的擴散就如同厚重的氣體,這是證明放射性衰變過程可能產生新元素的第一個證據。1907 年,威廉.拉姆齊(William Ramsay)認為這種後來被命名為氡的氣體屬於「氦元素族」——現在被稱為惰性氣體。

1902 年,盧瑟福和索迪宣佈了他們的放射性衰變理論:原子在發出放射線的同時自發地衰變成新的原子。盧瑟福因其研究成果獲得了 1908 年的諾貝爾化學獎。布魯克斯發現氡是第一步,也是至關重要的一步,但人們卻很少記得她。雖然第一篇論文是由布魯克斯和盧瑟福共同寫作的,但後來發表在《自然》上的另一篇論文就只有盧瑟福的名字了——僅僅註明布魯克斯為盧瑟福提供了協助。布魯克斯發現她作為一名女性很難獲得長期職位(特別是結婚後),和進行穩定深入的研究。

進一步探索和歸納元素的科學家們

有關原子核物理特性的新見解持續不斷地湧現出來。1917-1918 年,物理學家莉澤.邁特納(Lise Meitner)和化學家奧托.哈恩(Otto Hahn)在柏林發現了第 91 號元素——鏷。邁特納是奧地利人,在獲得博士學位後前往德國尋找更好的職業發展機會。1907 年,她被柏林大學化學系的哈恩錄用,成為其無償合作者。她不得不在地下室工作——因為女性不應該被看到。1913 年,在哈恩調任至柏林-達勒姆的威廉大帝化學研究所(Kaiser-Wilhelm Institute for Chemistry)後,她成為該研究所的「合夥人」。

哈恩和邁特納在放射性衰變系中尋找錒的「母物質」(mother substance)時,發現了鏷。當時尋找新元素的競爭十分激烈,因此有關孰先孰後的糾紛不可避免地隨之而來。哈恩和邁特納最終被認定為是第一個發現鏷的團體,因為他們收集的物質量更多且對該物質特性的研究比其競爭對手更為完整。

另一個元素,第 75 號元素錸,於 1925 年由德國化學家伊達.諾達克(Ida Noddack)和她的丈夫沃爾特.諾達克(Walter Noddack)在柏林發現,與他們合作的還有電氣工程公司 Siemens-Halske(後來併入Siemens 子公司)的奧托.伯格(Otto Berg)。伊達.諾達克原本是一名化學工程師,但是她放棄了化工行業的工作而去尋找新元素。1925 年,她開始在柏林的帝國物理和技術研究所擔任無償客座研究員,當時沃爾特在那裡擔任化學實驗室的負責人。諾達克夫婦努力製備了可稱量的錸——以萊茵河命名;錸是地球上最稀有的元素之一,不具有放射性。

諾達克夫婦還宣稱找到了第 43 號元素,他們稱之為鎷(以波蘭馬蘇里亞命名)。但他們從未成功地再現其光譜線或分離出這種物質。事實上,使用「濕化學2」方法研究這種元素是沒有用的。1937 年,第 43 號元素成為第一個人工製備而成的元素,被命名為鍀。

瑪麗.居禮因為其自己的研究成果而得到認可,並在皮埃爾去世後接替了他在巴黎大學的職位。但伊達.諾達克不同,她在她丈夫的實驗室以客座研究員的身份工作了大半輩子。這也是 1934 年她提出原子核可分裂理論時沒有得到重視的原因之一,現在這個原子核分裂的過程被稱為核裂變。

1932 年中子的發現和與之引領出的 1934 年放射性的發現開闢了一個全新的研究領域——在實驗室中通過用粒子轟擊原子來製造新的元素。1934 年,物理學家恩里科.費米(Enrico Fermi)及其羅馬大學的同事宣佈,他們通過用中子撞擊鈾製造出了第 93 號和第 94 號元素。伊達.諾達克在《應用化學》(Angewandte Chemie)上發文指出,費米未能證明撞擊沒有產生其他化學元素,包括一些原子質量較輕的元素。「可以想象,」她説,「原子核會分裂成幾個大的碎片。」但物理學家們忽略了她的聲音。

1938 年,邁特納和哈恩意識到費米制造的其中一種元素是鋇,並且鈾原子核的確已經分裂了。那時正處於第二次世界大戰前夕,身為猶太人的邁特納已逃往瑞典。雖然是她的計算讓哈恩相信鈾原子核的確分裂了,但哈恩在 1939 年發表研究結果時並未提到邁特納的名字,也沒有在 1945 年接受 1944 年的諾貝爾化學獎時將這件事澄清。

1930 年,鈁的發現者瑪格麗特.佩裏(Marcerite Perey,左)和她的同事索尼婭.科特爾(Sonia Cotelle)在巴黎鐳研究所。圖/居禮博物館/ACJC

這些女性先驅大多與男性研究人員合作,因此很難區分他們的貢獻。瑪格麗特.佩裏(Marcerite Perey)是一個例外:這位法國物理學家被認為在 1939 年獨立發現了第 87 號元素——鈁。佩裏在 19 歲時加入瑪麗.居禮的巴黎研究所,擔任實驗室技術員,由伊雷娜.約里奧-居里(Irène Joliot-Curie)和安德烈.德比埃爾內(André Debierne)提供指導。兩人分別要求她計算同位素錒-227 的精確半衰期,這是一個精細的技術過程,就在這期間佩裏發現了新元素鈁。因為當時伊雷娜.約里奧-居里和安德烈.德比埃爾內無法就佩裏究竟為誰工作達成共識,所以他們都無法説明自己在這一發現中所發揮的作用。後來佩裏成為了斯特拉斯堡大學核化學系的負責人,並於 1962 年成為第一位當選法國科學院院士的女性——擔任通訊院士(corresponding member)。(雖然沒有反對女性獲選的規定,但直到 1979 年才有第一位女性當選為正式院士 (full member)。)

鈁是在自然界中最後發現的元素。放在今天,這樣的發現需要有大型研究團隊、粒子加速器和龐大的預算才行。化學元素的含義已經發生了改變,從門德列夫認為的穩定而不可轉換的物質變成了到僅能存在幾毫秒的同位素。

20 世紀 70 年代初,美國化學家達蓮娜.霍夫曼(Darleane Hoffman)利用相關技術實現了跨越性的突破。她證明同位素鐨-257 可以自發裂變——不僅僅是在被中子轟擊之後。霍夫曼是第一位擔任洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學部門負責人的女性,她還在自然界中發現了鈽-244。她培養了幾代女科學家。其中一位是道恩.沙內西(Dawn Shaughnessy),她現在是勞倫斯利佛摩國家實驗室的重元素項目(以及其他幾個項目)的首席研究員,該項目幫助發現了六個新元素(113-118)。

1979年,霍夫曼成為了第一位擔任洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學部門負責人的女性。圖/Roy Kaltschmidt / 勞倫斯柏克萊國家實驗室

將元素物盡其用的科學家們

在探索元素的道路上還有很多其他女性的身影。1886 年,法國化學家亨利.莫瓦桑(Henri Moissan)分離出了氟。之後在 20 世紀 20 年代到 30 年代初期,一支女性團隊(特別是卡門.布魯格.羅曼(Carmen Brugger Romaní)和特立尼達.薩利納斯.費雷爾(Trinidad Salinas Ferrer))與馬德里大學的何塞.卡薩雷斯.吉爾(José Casares Gil)展開合作,共同研究氟對健康的影響及礦泉水中的氟含量。1936 年 – 1939 年西班牙內戰後,她們不得不退出研究,她們的工作成果便歸入了卡薩雷斯的名下。

化學家裏塔.克拉克.金(Reatha Clark King)是第一位在華盛頓特區國家標準局工作的非洲裔美國女科學家。20 世紀 60 年代,她研究了氟氧氫氣體混合物的燃燒:氟的高反應性意味著其可用於火箭推進劑。有的混合物爆炸性過強,因此需要特殊的設備和技術。NASA 採用的正是金的設計。

20 世紀 10 年代,美國醫生和研究員艾麗斯.漢密爾頓(Alice Hamilton)證明了鉛的毒性及其對公眾和金屬行業從業人員的危害。她迫使保險公司和製造商採取安全措施並對受影響的人進行賠償。她還組織了社會運動,讓大家認識到汞等其他重金屬可能給從業人員造成的疾病傷害。1919 年,她成為了哈佛大學的第一位女性教師。早在 1925 年,她就明確反對在汽油中添加鉛。

日裔美籍技術人員 Toshiko ‘Tosh’ Mayeda 在 20 世紀 50 年代就掌握了氧的放射性同位素的測量方法。起初她在芝加哥大學哈羅德.尤里(Harold C. Urey)實驗室裡清洗玻璃器皿,不久便成為了質譜儀的負責人。她協助測定了貝殼化石中氧同位素的含量,用以推斷史前海洋的溫度,並將這種方法推廣到了隕石中。

像所有日裔美國人一樣,1941 年 12 月 7 日珍珠港事件發生後,Mayeda 被送往拘留營並遭到歧視。Mayeda 只擁有化學學士學位,本來或許會成為那些做出重大貢獻卻不為世人所知的眾多女性技術人員之一。但是,好在 Mayeda 得到了上司的支持,她的名字與那些博士和教授一併出現在了期刊論文中。

元素週期表的背後

與研究發現一樣,蒐集整理這些女性科學家的故事也需要團隊的合作,非常感謝以下各位所做的努力和貢獻,他們是:Gisela Boeck, John Hudson, Claire Murray, Jessica Wade, Mary Mark Ockerbloom, Marelene Rayner-Canham, Geoffrey Rayner-Canham, XavierRoqué, Matt Shindell 和 Ignacio Suay-Matallana。

追蹤瞭解化學研究史上的女性角色,從無償的助手和技術人員到傑出實驗室的負責人,我們更全面地瞭解了這群在科學發現道路上不懈努力的人。今年(2019年)是元素週期表誕生150週年,我們必須認識到在它的建立和發展背後是許許多多科研人的個人努力和合作。

備註:

  1. 次原子粒子是指比原子還小的粒子。資料來源:維基百科
  2. 濕化學為在液態環境下進行化學分析的傳統方法。資料來源:維基百科

References:

  • 1.Quinn, S. Marie Curie: A Life (Perseus, 1995).
  • 2.Rayner-Canham, M. F. & Rayner-Canham, G. W. Women in Chemistry: Their Changing Roles from Alchemical Times to the Mid-Twentieth Century 61–63 (American Chemical Society & Chemical Heritage Foundation, 2001).
  • 3.Rentetzi, M. Trafficking Materials and Gendered Experimental Practices: Radium Research in Early Twentieth Century Vienna (Columbia Univ. Press, 2009)
  • 4.Rayner-Canham, M. F. & Rayner-Canham, G. W. Harriet Brooks: Pioneer Nuclear Scientist (McGill–Queen’s Univ. Press, 1992).
  • 5.Ramsay, W. Nature 76, 269 (1907).
  • 6.Rutherford, E. & Brooks, H. T. Trans. R. Soc. Can. (Ser. 2, Sec. III) 7, 21–25 (1901).
  • 7.Rutherford, E. Nature 64, 157–158 (1901).
  • 8.Sime, R. L. Lise Meitner. A Life in Physics (Univ. California Press, 1996).
  • 9.Van Tiggelen, B. in Chemical Sciences in the 20th Century: Bridging Boundaries (ed. Reinhardt, C.) 131–145 (Wiley, 2001).
  • 10.Noddack, I. Angew. Chem. 47, 653–656 (1934).
  • 11.Lykknes, A., Opitz, D. & Van Tiggelen, B. (eds) For Better or For Worse? Collaborative Couples in the Sciences (Springer, 2012).
  • 12.Adloff, J.-P. & Kauffman, G. B. Chem. Educ. 10, 378–386 (2005).
  • 13.Hoffman, D. C., Ghiorso, A. & Seaborg, G. T. The Transuranium People (Imperial Coll. Press, 2000).
  • 14.Brown, J. E. African American Women Chemists 115–123 (Oxford Univ. Press, 2012).
  • 15.Hamilton, A. Exploring the Dangerous Trades: The Autobiography of Alice Hamilton, M.D. (Northeastern Univ. Press, 1943).
  • 16.Shindell, M. The Life and Science of Harold C. Urey (Univ. Chicago Press, in the press).
  • 版權聲明:
    本文由施普林格.自然上海辦公室負責翻譯。中文內容僅供參考,一切內容以英文原版為準。歡迎轉發,如需轉載,請email至China@nature.com。未經授權的翻譯是侵權行為,版權方將保留追究法律責任的權利。
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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月娘你從哪裡來?月亮形成的新線索!關鍵就在隕石中?
linjunJR_96
・2022/09/07 ・2467字 ・閱讀時間約 5 分鐘

作為我們宇宙中的鄰居,以及夜空中最明亮的一盞燈,月亮自古以來便讓人類心生著迷。古人望向滿月的同時,想起了遠方的至親;天文學家望向滿月時,心中卻出現了另外一個問題:「月亮為什麼在那裡?」

月亮是從地球這邊「飛出去」的嗎? 圖/GIPHY

月球作為繞地球運轉的衛星,並不是和太陽系的其他行星一同形成。目前最受歡迎的月球起源說是所謂的「大碰撞」(The Giant Impact)。今年八月,在中秋節即將到臨之際,科學家在月球隕石中找到了來自地球內部的原生惰性氣體,為大碰撞事件的始末提供了全新的線索。

大碰撞起源:月球是從地球分出去的?

大碰撞學說認為月球是地球遭到撞擊的產物。

一顆與火星差不多大的天體和古代地球斜向碰撞,把地球撞得團團轉的同時,撞擊產生的巨大能量也將大量地殼與地函物質融化、蒸發、向外噴出。這些殘骸碎屑繞著地球高速旋轉,形成一個甜甜圈狀的雲狀區域。月亮便是由這團高溫物質互相吸引聚集而成。

大碰撞學說中,月亮形成的過程。圖/wikipedia

聽起來或許十分異想天開,但這個猜想可是經歷了許多實證考驗。

首先,一個最簡單的觀察是:現今月球公轉的和地球自轉方向一致。這是擦撞過程中「甩」出去的殘骸形成月球會有的現象。據我們所知,月球的公轉方向和轉速自形成後,便沒有太大改變。大碰撞學說通過了第一關!

在化學成分方面,同位素比例提供了有力的證據。同位素比例是指某種元素的同位素(例如氧元素可以分為氧 16、氧 17、氧 18)在物質中各占多少比例。這些同位素形成穩定的化合物後便不會變動,因此成為科學家追本溯源的重要工具。

也因此在天體地質研究中,地層中的同位素比例是每顆星體獨一無二的指紋,太陽系中每顆星體都有相當不同的氧同位素比例。不過,科學家在二十世紀初期,檢驗了阿波羅十三號帶回的月球岩石樣本。其中,氧同位素比例竟然和地球一模一樣,強力暗示了月球物質和地球有著神聖不可分割的淵源。

除此之外,許多地質證據顯示月球在形成初期,表面是高溫的熔融態,符合大碰撞的說法。類似的撞擊事件也曾經在其他星系被觀測到。

種種證據使大碰撞學說成為最受歡迎的月亮起源說。 圖/wikipedia

六個月球隕石,可能解開月球原生惰性氣體之謎

如今,月球物質是來自古代地球這件事已被廣為接受,但詳細的形成過程究竟是如何,仍持續隨著觀測證據的增加而不斷地修正討論。目前的一個疑點是揮發性物質的存在。

大碰撞時的高溫理應讓大部分的揮發性物質(例如水和二氧化碳)揮發殆盡,但在月球深處的原始岩層中找到的水樣本,和地球地函中的水有同樣的氫同位素指紋,表示這些水或許是「原生」的,在撞擊形成時便一直留存至今,而不是來自外部的隕石。

要研究揮發性物質的源頭,氦或氖這類的惰性氣體的同位素指紋,便是重要的追蹤工具,可惜我們一直未能在月球礦物中找到惰性氣體。由於月球大氣層十分稀薄,外來的小行星以及富含氫氦原子的太陽風持續轟炸月球表面。想對原生惰性氣體進行研究,還得先排除這些外來汙染的可能。

蘇黎世聯邦理工學院的 Patrizia Will 所帶領的研究團隊,以南極拾獲的六個月球隕石作為研究對象。這六顆隕石皆為玄武岩材質;也就是說,它們是由月球內部的岩漿快速凝結而成。形成後,它們受到更上層的岩層保護,免於宇宙射線和太陽風的高能輻射。這六塊岩石很可能是在某次大型隕石撞擊中,才從月球的岩漿流中被撞擊而出,並在漫長的旅途後抵達地球。

光學顯微鏡下,含有原生惰性氣體的月球玄武岩隕石 LAP 02436。圖/ETH

要取得隕石的同位素指紋資訊,需要用到質譜儀。這份研究使用的質譜儀靈敏度極高。實驗室人員曾經為了防止外界振動干擾,將它懸掛在天花板上,並為它取名為「Tom Dooley」。Tom Dooley 是美國內戰時期民謠中因謀殺被判處絞刑的人物。

儘管取名的來由十分詭譎,但是這座 Tom Dooley 質譜儀威力十足。它是世界上唯一能夠測量如此微量惰性氣體的儀器,也曾負責分析地球上最古老的物質——高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

目前發現地球上最古老的物質,高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

研究團隊將隕石中的黑色玻璃微粒用 Tom Dooley 進行分析,嘗試找出當中各種同位素的比例。它們在玻璃微粒中發現了存量遠高於預期的氦和氖。從岩石的形成歷史以及同位素特徵中,他們排除了太陽風或小行星汙染的可能,而氖同位素的比例則和地球地函的深處不謀而合。

這些證據表示這些惰性氣體是直接來自地球的地函。這是首次在月球內部礦物中發現地球原生的惰性氣體,研究結果發表在 Science Advances 期刊中。

這次的發現為大碰撞學說再添一筆證據。往後的研究將繼續挑戰較難測量的氪和氙元素,以及其他容易揮發的鹵素元素等等,藉此追蹤揮發性物質在月球形成的歷史中,究竟是如何存活下來。

美麗的月亮,神奇的月亮,還有許多問題待我們繼續發掘。 圖/GIPHY

參考資料

  1. Will, P., Busemann, H., Riebe, M., & Maden, C. (2022). Indigenous noble gases in the Moon’s interior. Science advances8(32), eabl4920.
  2. One more clue to the Moon’s origin
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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精準預測氣象的「掩星技術」,讓你知道颱風放不放假!
科技大觀園_96
・2021/11/16 ・2380字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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新颱風生成後,大家最關心的就是颱風的路徑、帶來的風雨大不大,以及——到底放不放颱風假?要能預測和評估颱風的走向影響,可靠的氣象觀測資料是不可或缺的。這就不得不提,在我們頭頂上認真執行觀測任務的人造衛星,以及它們身懷測知氣象變化的絕技!

每次颱風來襲,大家都關心會不會放颱風假。圖/pixabay

貢獻全球氣象資料,福爾摩沙衛星功不可沒

過去福爾摩沙衛星三號(福三)執勤十年,為全世界多個氣象中心與研究單位提供無以計數的資料,可謂台灣在國際氣象上的外交大使,於減少天氣預報誤差的貢獻度上,更曾被評為全球前五。福三榮退後,接棒的福爾摩沙衛星七號(福七)也在今年二月完成任務軌道的全部部署。福三和福七都不只有一枚衛星,而是由各 6 枚衛星組成的衛星星系(constellation)。每一枚衛星就像在不同位置巡守、收集氣象情報並互相通報的將士,使得觀測範圍可以覆蓋地球各個區域,提供即時而完整的三維觀測數據。

福衛七號結構示意圖。圖/國家太空中心

但福七與行經南北極的「繞極衛星」福三不同的是,它在南北緯 50 度間軌道繞行,主攻台灣、赤道與中低緯度颱風盛行區的觀測。因此福七可以提供密集度更高、更多的溫度、壓力、水氣等氣象資料。國家太空中心推估,它可提升氣象預報準度 10% ——以颱風為例,可以讓 72 小時的路徑誤差改善 10%,協助我們更精準地評估氣象變化與預防災害。

每日可提供 4000 點大氣垂直剖線資料、大幅提升全球氣象預報準確度的福七,究竟是怎麽辦到的?答案就是掩星技術 (Radio Occultation) 。

掩星技術,讓衛星成為太空中最精準的溫度計!

在天文學上,「掩星」指的是一個天體,在另一個天體與觀測者之間通過,產生的遮蔽現象。但英文中的「Occultation」,也可以指前景中的物體,阻擋遮蔽背景中任何物體的情形。而所謂的「掩星技術」,就是利用電磁波訊號在經過大氣層時,會因穿透不同溫度、壓力或濕度的空氣層,被「遮蔽」而產生轉向、變慢、減弱等的特性,來反演出地球上空之溫度、氣壓和濕度。

衛星與衛星之間,本來因為地球的阻隔看不到彼此,但可以接受來自彼此的電磁波訊號。福七的主要酬載儀器——全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」(TGRS),可以接受美國全球定位系統(GPS) 和俄羅斯全球導航衛星系統(GLONASS)全球定位衛星通過大氣與電離層的折射訊號。接著,通過計算電波訊號的偏折程度,就可以反演出大氣與電離層中的溫度、水氣、壓力、電子密度等數據。

掩星技術在 1995 年才開始投入應用,而從 2006 年的福三,到如今福七計劃中積累的研究經驗,使台灣成為這項新穎技術領域的佼佼者。掩星技術所得到的資料具備高準確度和解析度,也擁有不需要大量接收訊號的衛星,就可以得到大範圍數據、降低成本的優勢,不僅可以用作氣象預報,更能幫助我們監控和增進對氣候變遷的瞭解。

衛星加上同位素的助攻,可以使天氣預報更精準

另一方面,除了改善觀測一般氣象資料如溫度、濕度、大氣壓力等參數的準確度,在氣象觀測中新增測定不一樣的參數——如大氣水分子的同位素,也可以讓我們的天氣預報更精準!

過去礙於資料的取得有限,同位素分析在氣象觀測與預報中常被忽略。但近年來人造衛星技術的發展,為氣象科學推開新的一扇窗。來自歐洲太空總署、搭載光譜分析儀的衛星 IASI ( Infrared Atmospheric Sounding Interferometer ),讓東京大學的研究團隊,可以利用其所搜集到的大氣水氣資訊,在氣象預報的模型中,第一次嘗試納入同位素資訊的考量來做分析。

我們都知道,擁有相同質子數、不同中子數的氫與氧元素之同位素,會讓個別水分子的重量變得更重或輕一些。水分子同位素對氣相和液相轉換相當敏感,與一般的水分子 H2O 相比,較重的水分子如 H2HO 或H218O 會更傾向於凝結成水珠,或更難蒸發。因此蒸發與降雨過程等大氣運動,便會影響不同同位素水氣分子的分佈。追蹤它們的行跡,能增進我們對氣象系統的瞭解。

研究團隊以 2013 年在日本發生的低壓事件作為參照,發現納入同位素的數據之後,氣象模型能更好地模擬這次事件的整體氣壓情形。而在全球的尺度,尤其是中緯度及北半球地區,融合同位素資訊後,氣象預報如氣溫及濕度預測的準確度,也都有所提高。雖然這只是初步的探究,但科學家期許,未來進一步完善氣象觀測衛星對同位素資料的收集,能使人類更往精準氣象預測的目標邁進。

人造衛星就像是科學家的千里眼,能觀測千里之外的風雲變化。發展衛星技術,不僅能讓我們更精準預測氣象,在全球化的現代,也能在國際上發揮「Taiwan Can Help」及互助的精神;各國對航太技術的投入與數據資源共享,更是科研工作與人類社會的一大福音。

福爾摩沙衛星拍攝的美麗福爾摩沙島。圖/國家太空中心

參考文獻

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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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這杯重水喝起來甜甜的,我可以再來一杯嗎?
羅夏_96
・2021/05/04 ・2848字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

水是我們賴以生存的重要物質,想必大家都對水的化學式 H2O 不陌生。不過從技術上來說,地球上的水並非都是由 H2O 組成。普通水 H2O 也稱為「輕水」,但除了輕水之外,自然界還有「重水」。近期有研究指出,雖然輕水和重水的外觀都是透明無色,但人可以分辨出重水的味道,因為它嚐起來有些許甜味[1]

輕水和重水的外觀都是透明無色,但人可以分辨出重水的味道。圖/Pexels

氫的同位素

要說明「重水」之前,得先聊聊同位素。同位素是指同一種化學元素中,具有不同質量數的原子(質子數相同,但中子數不同)。

氫有三個同位素,分別是氕(元素符號 H)、氘(元素符號 D)和氚(元素符號 T)。氕是最常見的氫,由 1 個質子形成的原子核,周圍有 1 個電子包圍;氘是以 1 個質子和 1 個中子形成原子核,周圍覆著 1 個電子;氚則是 1 個質子和 2 個中子形成原子核,周圍覆蓋 1 個電子。

氫的三種同位素。圖/Heavy Water Ice Cubes Do Not Float

普通水由氕構成,就是最常見的 H2O。若由氘構成的水,化學式為 D2O。氘由於質量較氕重,讓 D2O 的質量也 H2O 重,因此 D2O 又被稱做重水。D2O 在化學性質上與 H2O 基本沒有差異,但氘也因質量較重,讓重水的物理性質如密度比正常水高約 10%,其凝固點和沸點也比正常水略高一點點[2]。另外比起正常水,D2O 的氫鍵註1較強一點點。

輕水和重水的化學式。圖/Heavy Water Ice Cubes Do Not Float

重水對人體有影響嗎?

重水在自然界的含量是正常水的 6,400 分之一,因此人每天都會攝入微量的重水。少量的重水對我們的健康無害,但如果你想長期飲用純重水,可能就不是甚麼好主意了。

動物實驗顯示,當大鼠長期飲用純重水使體內的重水含量達到 50% 時,其細胞分裂會被抑制,這使得需要快速細胞增生的組織出現壞死,最終導致大鼠死亡。

重水喝起來不一樣?

重水在 1930 年代被發現後,就一直有個有趣的傳聞:重水和一般水味道不同,有些許甜味。而由以色列的兩位生化學家 Natalie Ben Abu 和 Philip E. Mason 所領導的研究團隊,就對這個傳聞展開探討。

研究團隊首先找來 28 位志願者,想了解他們是否能區分重水和普通水。研究人員將買來的商業重水純化後,給予受試者兩滴重水和一滴普通水(或者反過來),然後請他們分別以嗅覺和味覺來辨別這三滴水是否有異。

在嗅覺測試中,25 人中只有 9 人能辨識重水。但在味覺測試中,28 人中有 22 人能辨識出重水(受試者表示有淡淡的甜味)。而在塞住鼻子的味覺測試中,超過一半的人能辨識出重水,這顯示舌頭上的味覺受體確實能捕捉到重水的微妙甜味。接著研究人員發現,隨著普通水混入重水的比例增加,受試者品嘗到的「甜味」也會增加。另外,重水也能增加其他甘味劑如葡萄糖的甜味。

(a) 重水的比例越多,受試者能嚐到的甜味也越多。(b) 重水能增加葡萄糖的甜味。圖/參考資料 1

研究人員接著想了解,小鼠是否也能分辨重水。儘管小鼠喜歡喝糖水,但牠們飲用普通水和重水的量是一樣的。這顯示小鼠並不像人,能感知到重水產生的甜味。不過研究團隊表示不感意外,畢竟有些甘味劑如阿斯巴甜,人類可以嚐出甜味,但小鼠不能。

(a) 小鼠喝普通水和重水的量沒有差異。(b) 小鼠喝糖水的量比普通水高。圖/參考資料 1

甜味與甜味受體

既然講到甜味,那得先簡單聊聊人類的味覺是怎麼產生的。

味覺是舌頭上的味蕾接受到食物的刺激後,將刺激轉換為神經訊號並傳至大腦所產生的一種感覺。味蕾是由味覺細胞、基底細胞和支持細胞組成。味覺細胞的頂端有許多纖毛,毛上則分布很多味覺受體。當特定的味覺受體與特定的分子結合後,味覺細胞會產生訊號,讓連接著味蕾的神經將此訊號傳至大腦,進而產生不同味覺。

味蕾的構造。圖/維基百科

目前研究發現,人類的甜味受體由兩種蛋白質共同形成,其中一種是 TAS1R2,另一種是 TAS1R3。能與甜味受體結合並讓味覺細胞產生訊號的物質,則被稱為甘味劑。

重水能活化甜味受體

回到這篇研究,根據上面的結果,研究團隊推測重水可以刺激味覺細胞中的甜味受體,讓人嚐到甜味。

為了驗證這個想法,研究團隊設計出能表現甜味受體 TAS1R2/TAS1R3 的細胞,並觀察重水是否能刺激甜味受體。結果顯示重水確實能刺激 TAS1R2/TAS1R3。另外,加入甜味受體的抑制劑,也確實能封鎖重水對 TAS1R2/TAS1R3 所產生的刺激。這顯示重水確實能與甜味受體結合並刺激其產生訊號,讓人嚐到甜味。

重水能刺激甜味受體,而這個刺激會被甜味受體抑制劑 (lactisole) 封鎖。圖/參考資料 1

研究團隊根據分子動力學模型,發現甜味受體和正常水與重水之間的相互作用有輕微的差異,而正是這個差異,讓重水能刺激甜味受體。研究團隊推測造成這種差異的原因在於,重水的氫鍵比普通水略強。不過他們也表示需要更深入的研究,才能確認重水之於甜味受體的結合部位和作用機制。

雖然我們現在知道重水也能產生甜味,但重水顯然不是實用的甘味劑。不過當我們更了解重水與甜味受體的作用後,或許能提供甜味分子更廣闊的可能,甚至能以此設計出新型的人工甘味劑!

最後,文章雖沒對超重水進行實驗(畢竟要純化超重水的成本極高!)。然而若重水的甜味真的是源於氫鍵較強,那麼超重水的氫鍵也比普通水強,或許也帶有淡淡的甜味。照這樣說,近期沸沸揚揚的福島核廢水,若經淨化後只帶有氚水(超重水),或許嚐來是甜的?不過我想,恐怕不會有人想嘗試吧~

註釋

  1. 氫鍵:氫鍵是一種分子間偶極 – 偶極作用力,或者說其實是一種特殊的靜電作用。氫鍵是由兩個陰電性大的原子與處在其中間作為橋樑的氫原子所組成。氫鍵對於生物高分子尤其重要,蛋白質的二、三和四級結構和 DNA 的雙股螺旋結構,氫鍵都是穩定這些結構的重要原因。

參考資料

  1. Ben Abu, N., Mason, P.E., Klein, H. et al. Sweet taste of heavy water. Commun Biol. 4, 440(2021). 
  2. 重水
  3. Heavy Water Ice Cubes Do Not Float. mathscinotes. 2014/2/23
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羅夏_96
52 篇文章 ・ 488 位粉絲
同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟