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《Nature》盤點:2019 年度照片大賞

Curious曉白_96
・2020/01/02 ・3514字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 548 ・八年級
事件視界望遠鏡合作組織 (The Event Horizon Telescope collaboration) 於四月首次公開黑洞的事件視界影像。圖片來源:Nature@ETH Collaboration

2019 這一年,除了人類首次捕捉到黑洞影像外,也捕捉到了微觀世界中生物的新奇影像,以及氣候變遷的不祥跡象。《Nature》雜誌精選了十張令人印象深刻、值得反思的科學界及自然界照片,讓我們來一探這些照片背後述說的故事吧!

一、用科技模仿人體奧秘

圖片來源: Nature@Benoit Charlot/CNRS/IES Univ. Montpellier/Labex NUMEV

法國研究人員在矽晶圓上雕刻了一個微流控室的迷宮,以模仿循環網絡中的血液流動。 法國蒙彼利埃大學的生物物理學家 Benoît Charlot 使用掃描電子顯微鏡拍攝了此圖像。

二、細胞世界的相似相異

圖片來源:Nature@Carly Ziegler, Alex Shalek, Shaina Carroll (MIT) and Leslie Kean, Victor Tkachev and Lucrezia Colonna (Dana-Farber Cancer Institute)/Wellcome Photography Prize 2019

圖片圓圈中的每個小點代表恆河猴的一個細胞,而此處有 100,000 個細胞。具有相似性狀的細胞聚集在一起,每種顏色代表不同的組織,如胸腺和淋巴結(藍色)、骨髓(紅色)。

三、世界上最小號的「喇叭」

圖片來源:Nature@Dr. Igor Siwanowicz

喇叭蟲 (Stentors) 為單細胞淡水原生動物。 這張照片是霍華德·休斯醫學研究所 (Howard Hughes Medical Institute) 的研究員 Igor Siwanowicz 的作品,她將影像放大了 40 倍,並藉此獲得 2019 年 Nikon 小型世界顯微攝影大賽二等獎。

四、地球正如履薄冰

圖片來源:Nature@Florian Ledoux

攝影師 Florian Ledoux 使用無人機拍攝了東格陵蘭島海冰的空拍圖。冬季積雪少、春季熱浪來襲和陽光充沛的夏季,都導致格陵蘭島冰原正在大量融化。

五、相會在太空

圖片來源:Nature@Christina Koch/NASA

宇航員 Christina Koch 拍攝了聯盟號飛行器 (Soyuz spacecraft) 的畫面。當時飛行器載著她的 NASA 同事 Jessica Meir 接近國際太空站 ( International Space Station, ISS)。10 月 18 日,兩人進行了史上第一次只有女性的太空行走,以修復國際太空站上故障的電池。

六、龜殼內的身體探索

圖片來源:Nature@Teresa Zgoda & Teresa Kugler

這隻烏龜胚胎的螢光影像是 2019 年的 Nikon 小型世界顯微攝影大賽的獲勝者。顯微鏡專家 Teresa Zgoda 和 Teresa Kugler 攜手疊合了數百個約 2.5 厘米長的胚胎立體顯微鏡圖像,造就了這張唯美又令人驚嘆的烏龜胚胎照。

七、「振」出新視野

圖片來源:Nature@NASA

這幅合成的彩色圖像顯示了超音速美國 T-38 Talon 飛機發出的衝擊波。這是美國 NASA 的工作人員使用實驗技術從飛機上方所捕獲的視野,它展現了飛機行經造成的氣壓快速變化,會使人們聽到音爆。這些數據可幫助航空工程師設計更安靜的超音速飛機。

八、守護象群的女勇者

圖片來源:Nature@Brent Stirton/Getty

Petronella Chigumbura 是全女性反偷獵組織 Akashinga(可被譯做「勇者」)的成員。 她們在常發生盜獵大象事件的贊比西河谷 (Zambezi Valley) 的蓬蓬杜野生動物保護區 (Zimbabwe’s Phundundu Wildlife Area) 巡邏。

九、何以為家?

圖片來源:Nature@Morgan Bennett-Smith

一隻小丑魚在紅海中探索白化的海葵。像珊瑚一樣,海葵與藻類會形成共生關係,當海洋溫度過高時,這樣的關係會被破壞,導致海葵將藻類排出而失去原有的顏色。

十、一滴油脂識酒種

圖片來源:Nature@Stuart J. Williams

圖中這種網狀紋路來自於研究人員蒸發掉 1 微升 (μl,10-6 l) 波本威士忌後,其中的油脂所形成的紋路。 脂肪會溶解在高酒精濃度的烈酒中,但是加水稀釋後會使酒變渾濁。不同的威士忌酒種由於製程不同,會留下獨特的脂肪紋路。

加碼《Nature》編輯群私心推薦照片

在整理今年令人驚嘆的科學照片集同時,《Nature》雜誌的編輯們也各自私心推薦令他們印象深刻的畫面。以下是他們對這些照片的心得。

沉睡的海豹

圖片來源:Nature@Ralf Schneider

Jessica Hallett (《Nature》媒體助理編輯): 「在倫敦自然歷史博物館舉辦本年度的野生動物攝影師競賽中,我最喜歡的照片是『像威德爾一樣睡著』( ‘Sleeping like a Weddell’)。 在今年觀看了成千上萬幅令人心碎的氣候變化、破壞和心靈重創的圖像之後,這張捕獲了和平與純真的威德爾海豹 (Leptonychotes weddellii) 照片是一口清新的空氣。它重新激發我對自然世界的熱情。」

懸崖採蜜人

圖片來源:Nature@Kevin Frayer/Getty

Lizzy Brown(《Nature》媒體執行編輯): 「採集野生蜂蜜的人垂吊繩索在懸崖搖晃,周圍環繞著蜜蜂和煙霧,吸引了我的目光。 這些採蜜人是居住在中國南部的傈僳族人,冒著生命危險收集蜂蜜。儘管他們謹慎地避免一次收穫過多的蜂蜜,然而殺蟲劑濫用和全球暖化導致的蜂群數量下降,仍舊威脅了這個傳統。」

受傷的猩猩寶寶

圖片來源:Nature@Sumatran Orangutan Conservation via ZUMA

Nisha Gaind(《Nature》歐洲分部總編):「這是手臂骨折的小蘇門答臘猩猩 (Pongo abelii) Brenda 的 X 光顯像。保育工作者從印度尼西亞島的村莊中救出了她,據說被非法飼養為寵物。作為編輯,我們看過許多保育相關的照片,但是這幅圖片出於許多原因令我十分震驚:不僅是 Brenda 的骨骼形狀非常『人性化』,她的無辜與保育中心的盡心盡力,趨使外科醫生(而非獸醫)為她進行了手術。蘇門答臘猩猩高度瀕臨滅絕,並因棕櫚油種植的擴張而受到威脅。」

著火的樹

圖片來源:Nature@Philip Pacheco/AFP/Getty

Tom Houghton(《Nature》媒體編輯):「 這張長時間曝光的照片描繪了十月份遍及加州的野火,一棵正被野火肆虐的樹幹殘骸。破壞中蘊含抽象的美麗,讓我想起了 2010 年冰島伊亞菲亞德拉山火山爆發時的畫面。」

鯨魚監獄

圖片來源:Nature@ITAR-TASS News Agency/Alamy

Amelia Hennighausen(《Nature》美國媒體編輯):「當野生動物被囚禁時,結局往往會很殘酷。這些白鯨 (Delphinapterus leucas) 和虎鯨於在 2018 年俄羅斯的無人機攝影中被發現。預計將被販售給中國的娛樂水族館,並且很可能縮短牠們的壽命。這些畫面促使國際社會呼籲釋放這些動物,並引起了俄羅斯政府最高層的關注。 2019 年 11 月,最後一批動物從『鯨魚監獄』獲釋,經過專家檢查後釋放回海中。多年來,我一直在查看動物走私、棲息地遭到破壞和物種滅絕的圖像,但是這個故事重啟我的希望,改變是會發生的。」

水滴裡的青蛙

圖片來源:Nature@Navesh Chitrakar/Reuters

Agnese Abrusci(《Nature》媒體編輯):「尼泊爾荷葉上一隻青蛙的影像是『蓮花效應』的絕佳例子。 蓮花效應指的是由於蓮花表面的奈米結構使其具有抗水、自我清潔的特性;小顆粒(在這種情況下為整隻青蛙 XD)會被水滴捕獲。在 1970 年代科學家就首次描述了蓮花效應,此後已有許多應用。 對我而言,這張圖再次闡述,模仿自然是人類進步最好的策略之一。」

本文編譯自:The best science images of the year: 2019 in pictures Nature 576, 354-359 (2019)

 

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Curious曉白_96
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對於科學新知充滿好奇心,對於一切新知都想通曉明白,期許自己有一天能成為有所貢獻於社會的曉曉科學家!


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如何從茫茫大海中,找到戰爭遺留的深水炸彈?——海底掃雷行動

Else Production
・2022/01/19 ・2597字 ・閱讀時間約 5 分鐘

對於年輕人來說,我相信「深水炸彈」一詞並不會陌生,因為這近乎是每一個狂歡派對裡的必需品。但對於埋藏在深海裡的炸彈,大家又有沒有想過我們如何找出來?

這些未爆炸的軍備,我們稱之為 Unexploded Ordnance(簡稱 UXO),有可能是水雷,有可能是深水炸彈,也有可能是導彈。它們多數是第一次或第二次世界大戰遺留下來的產品,受到多年來沉積(即水流在流速減慢時,所挾帶的砂石、塵土等沉淀堆積起來)的影響,令它們埋藏在海床以下的地方。跟據 Euronews 的估計,單單在波羅的海亦有超過 30 萬的 UXO 埋在那裡。

二戰期間,桑德蘭水上飛機掛載的深水炸彈,圖/維基百科

你也許會問,既然都已經埋藏了,何況我們仍然要處理他們?這是因為我們會在海底裡鋪設電欖、水管、天然氣輸送管等輸送系統,假如鑽探過程中不小心觸碰了它們已產生意外,或是在完成工程某一天突然爆炸而令輸電系統中斷,後果可真是不堪設想。因此,最理想的方法便是把他們全部找出來並繞道而行,或是安排專家把他們處理。

真正的大海撈針:用磁場把 UXO 吸出來!

要找到這些 UXO,最容易的方法便是使用金屬探測的方法,但由於普遍的金屬探測器的探測範圍是不超過 2 公尺的,我們很難把探測器貼近凹凸不平的水底前行(這大大增加了磨損探測器的風險),因此我們會選擇較間接的方法:磁強計(Magnetometer)。由於大部份的彈藥外層是用鐵形成的,而鐵是對磁非常敏感的,因此我們能夠在較遠的範圍便能察覺他們的存在。當在外勤工作,我們會以兩個磁強計為一組去作探測,令我們更準備知道其實際位置及大小。讓我們看看以下例子:

圖 1:磁強計的探測結果

在圖 1 裡,假設我們知道標記「1」是一個 UXO 的位置,上圖的平行線為磁強計由左至右的移動路線,下圖為磁場沿路的變化。我們可以看見,當若果沒有任何金屬物件存在的話,兩個磁強計量度的數是相近的,亦即是該環境本身的磁場。但在 UXO 的附近,我們可以看到明顯的變化。藍色線代表航行路線的左方磁強計的量度值,燈色線代表右方,由於磁場強度會隨著距離而減少,因此很明顯這一個 UXO 的位置更接近藍色線,亦即是航線的上方。

我們可以透過兩者的差距估計其位置及大小,但為了確保其真實性,我們亦會在附近再次航行,假如也有磁場變異,這便是一個不會移動的金屬物品(撇除了船、飄浮中的海洋垃圾等的可能性)。

排除法:用側掃聲納窺探看不見的海底!

正如上文提要,磁場變異所告訴我們的,只是金屬物品的位置,但它亦有可能不是炸彈,也有可能不是埋在海床下,因此我們也會使用其他科學方法去驗證。其中一個便是側掃聲納(Side Scan Sonar) ,透過聲波反射的原理,我們可以看到海床的影像。假如海床是乾淨的,聲波傳送及接收的時間是一樣的,因此我們可以看到連續的晝面。但假如有異物在水中間或海床上,聲波便會被折射而形成黑影。讓我們看看以下例子:

圖2: 側掃聲納 圖片,紅色箭咀範圍代表沒有反射的區域,綠色箭頭範圖代表船與海底的距離 (圖片來源:Grothues et al., 2017)

看看圖 2。燈色的部份是海床的晝面,中間白色的部份是船的航道,亦是側掃聲納的盲點,而黑色的部份則是有物件在海床上方而形成的聲波折射,讓我們能夠清楚看見它們的形狀。有時候我們亦會看到一些海洋垃圾,如車胎、單車等,而在上圖的左上方,我們相信是一些棄置的工業廢料。

當然你也可以爭論,在圖左上方的物件有機會不是死物,而是一種未知海洋生物,因此我們也會進行多次的側掃聲納,如果在同一位置並不能再看到它,那麼這是生物的機率便很高。假如在磁場異變的位置側掃聲納沒有探測到任何物件,這進一步證明其 UXO 的可能性。但假如有黑影在上方,我們也會透過黑影分析其大小是否吻合,並會憑經驗分析該物品會否存在金屬。

此外,在看側掃聲納,我們也很重視在磁場異變的位置附近有沒有刮痕,因為形成刮痕的原因多數是船上作業頻繁的地方,有機會是漁船拖網的地點,也有機會是大船拋錨起錨的地方,而這些動作均有機會接觸或移動了這些潛在的 UXO,產生危機。因此,這些地方都會是我們首要處理的地方。

筆者按:假如大家想看看其他用側掃聲納發現的東西,如沉船、飛機等,可以到這裡觀看

萬無一失:Mission Completed !

當然,在取得數據時,我們也要儘可能減低人為因素而形成的影響。舉個例子,我們要確保磁強計遠離測量船,以免船上的儀器影響了磁強計。因此,我們並不會把磁強計綁在船底,而是把它們用纜索綁在船尾數十米以外的地方拖行。

另外,我們也要確保測量船要以均速航行,以確保所有數據都是一致的。最後,我們也要確保船上的 GPS 系統準確無誤,否則所有有可能是 UXO 的位置都是錯誤的。

完成以上的工序後,我們便會製作磁梯度圖(Magnetic Gradient Map),把剩餘下來的磁場變置點用其強度及大小表示出來,正如圖 3,再交給拆彈專家們處理。他們便會跟據他們的專業知識,加上該海岸的戰爭歷史,對比當時有可能參戰的國家、使用的武器及其金屬含量以找出存在的炸彈來處理。

要知道這些 UXO,單單在 2015 年在世界各地亦奪去了超過 6000 人的性命,因此這個科學命題可真是不容忽視!

圖 3:磁梯度圖。左邊是潛在 UXO 的位置而右邊則是它們的磁場強度的改變。(圖片來源:Salem et al., 2005)

延伸閱讀:

參考資料:

  1. Salem, A., Hamada, T., Asahina, J. K., & Ushijima, K. (2005). Detection of unexploded ordnance (UXO) using marine magnetic gradiometer data. Exploration Geophysics, 36(1), 97–103.  
  2. Han, S., Rong, X., Bian, L., Zhong, M., & Zhang, L. (2019). The application of magnetometers and electromagnetic induction sensors in UXO detection. E3S Web of Conferences, 131, 01045.
  3. Image scans gallery. EdgeTech. (n.d.). Retrieved January 5, 2022, from https://www.edgetech.com/underwater-technology-gallery/ 
  4. Grothues, T. M., Newhall, A. E., Lynch, J. F., Vogel, K. S., & Gawarkiewicz, G. G. (2017). High-frequency side-scan sonar fish reconnaissance by autonomous underwater vehicles. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 74(2), 240–255.

本文亦刊載於作者部落格 Else Production ,歡迎查閱及留言

 

Else Production
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馬朗生,見習地球物理工程師,英國材料與礦冶學會成員,主力擔任海上測量工作,包括海床勘探、泥土分析、聲波探測等。