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海水怎麼是鹹的——從郵輪游泳池回溯到原始海洋│環球科學札記(5)

張之傑_96
・2020/12/16 ・1618字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 501 ・六年級

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  • 文/張之傑

和平號只有三萬五千噸,是艘平民化的小型郵輪,和動輒七、八萬噸的豪華郵輪不能相比。舉例來說,和平號沒有舞廳、賭場和劇院,除了三餐,平時不供應飲食。以游泳池來說,差異就更大了。

豪華郵輪的游泳池通常十米,露天的甚至可達二十五米,池裡的水通常是淡水。和平號的八樓、九樓甲板上各有一座游泳池,長度僅約五米,裡面的水是抽上來的海水。

當船友告訴我,游泳池裡的水是海水時,我還半信半疑,伸手撈點池水舔一下,果然鹹得發苦。由於池子太小,又是海水,我們雖帶了泳裝和泳帽、泳鏡,但從沒下去過。

和平號十樓甲板上的小游泳池,水是從海裡抽上來的海水。作者攝

游泳池可以使用海水,烹飪、洗浴卻非淡水不可。和平號雖然是艘小型郵輪,也有約一千名乘客、近四百名工作人員,每日消耗的淡水量可觀。

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日本人特別喜歡吃生菜,早餐至少有四種生菜,午餐至少有六種,都洗得乾乾淨淨,這也需要很多淡水啊!和平號並沒有海水淡化設備,淡水是靠岸時補給的。我們從檳城到埃及賽得港,在海上搖晃了足足十四天,可見船上有很大的儲水空間。

為甚麼海水是鹹的?水蒸發了,鹽分卻留了下來!

我當過老師,又喜歡發表議論,常有些船友問東問西。有次在九樓露天餐廳吃飯,旁邊就是游泳池,有人問我:「下去游過嗎?」我說:「沒有,池子太小,又是海水,豈不等於在鹹菜缸裡洗澡。」引得同桌的人都笑了。有位仁兄忽然提問:「海水為什麼是鹹的?」

這個問題看似簡單,回答起來還真不容易。怎麼說呢,大約四十六億年前,太空中的一團雲氣(含氫、氦、塵埃等)因重力而收縮,中央的部分成為太陽,剩餘的部分凝聚成直徑只有幾公里的「微行星」,它們互相碰撞,進而凝聚成行星,地球就是其中一員。

微行星互相碰撞,產生高溫,因而原始地球溫度甚高,呈熔融狀態,於是較重的元素如鐵、鈷、鎳等沉向球心,較輕的元素如矽、鋁等則浮在表面,更輕的氫、氮、氧、碳等則分佈在外圍。當溫度繼續下降,地殼變冷,於是所有的水蒸氣都降下來,這場雨一下就是好幾個世紀!地面開始積水,大水匯積形成原始海洋。

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原始海洋即便有點鹽份,也很低。然而,隨著風化和侵蝕作用,岩石中的鹽類(礦物質)進入海洋。雨水含有少量從空氣來的二氧化碳,帶點酸性。當雨水降至地面,會溶解岩石中的鹽類,跟著水份進入溪流、河川,最後匯注大海。

海洋應經過長時間的累積和更替成為現在的樣貌。圖:PEXELS

隨著氣象因素引起的水循環,從海洋蒸發的水幾乎是純水,鹽類留下來,更多的鹽類繼續流入海裡,可是鹽類仍保持在百分之三點五左右,其中百分之九十以上是氯化鈉,也就是狹義的鹽。那麼過多鹽類往哪兒去了?

生物會吸收鹽類,例如珊瑚蟲、軟體動物和甲殼類會吸收碳酸鈣,矽藻會吸收二氧化矽,魚類會吸收碳酸鈣、磷酸鈣等。生物體內的鹽類終究會以屍體或糞便的形式沉到海底,成為沉積岩的一部份。地殼的板塊運動,可以使得海陸易位,所謂滄海桑田不僅僅只是個形容詞而已。如此這般,鹽類在海陸之間循環,使得海水的鹽類一直維持在百分之三點五左右。

海水的含鹽量並不平均。舉例來說,地中海是個半封閉的水域,因為蒸發的關係,含鹽量較高。紅海兩岸熱帶沙漠夾峙,降水量又少,含鹽量就更高了。孤立的水域只要注入的淡水不足,就可能會因為蒸發作用變得愈來愈鹹,死海就是最著名的例子。

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死海南端,約旦和以色列的曬鹽池,中央堤防為兩國疆界。
2001年3月間,美國太空梭STS102號乘員所攝。NASA公佈圖片。圖:Wikipedia
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張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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海和天為什麼是藍的?——水的散射│環球科學札記(25)
張之傑_96
・2021/05/05 ・1588字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 440 ・四年級

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  • 作者 / 張之傑

我們這趟環球之旅,很少遇到陰雨天氣,特別是在紅海和地中海期間,晴空無雲,天藍得透亮,沒有一點兒雜質;海藍得像面鏡子,閃耀著藍寶石似的光影。

若干年長或行動不便的乘客,喜歡鎮日坐在八樓長廊的沙發上,望著舷窗外的碧海藍天打發時光。我常帶著筆電在八樓長廊寫作,累了就眺望著海天一色的海平線。由於地球是圓的,海平線以一個很大的弧度中消失在視線中。

海和天為什麼是藍色的?這和散射有關。陽光射到地球,會碰到空氣和懸浮在空中的小水珠(雲),使得天空的顏色經常展現變化。晴天的時候,射到地球上的光線碰到空氣中的氮分子或氧分子,就會引起散射作用,藍光的波長較紅光短,散射得較厲害,看在我們眼裡,天空就成為藍色的。

這個道理看起來好像很簡單,但是人類明白這個道理是十九世紀末葉的事。一八七三年,英國物理學家瑞利(Lord Rayleigh)是第一位看天看出名堂的人。他的散射理論——瑞利散射,使我們了解了天色的秘密。

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瑞利像。圖/wikipedia

在陽光的七種色光中,紅、橙、黃光的波長較長,藍、靛、紫光的波長較短。所謂波長,就是兩個波峯間的距離;而波峯,是指物質振動最大的地方。舉個例子,當我們扔一塊石頭到水裡,會激起一圈圈漣漪。兩圈漣漪間的距離就是波長。當然啦,光波的波長比漣漪的波長小得多了,波長最長的紅光,不過十萬分之七、八公分,藍光不過十萬分之四、五公分而已。

瑞利發現,散射不會改變射入光的波長,只會改變射入光的方向。那麼散射又怎麼會造成天空的各種顏色呢?原來散射的作用截面,既與散射粒子的大小有關,也與被散射光的波長有關。空氣中的氧分子、氮分子,大小恰好可以散射波長較短的藍光,藍光散了一天,天空當然呈藍色的。

到了傍晚,夕陽西下,陽光打斜裡射過來,較接近地面,而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵,粒子比氧分子、氮分子大得多,較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光,艷麗的晚霞就是這樣散射出來的。

如果天上水浮著小水滴,也就是雲,那又是另一種景象。小水滴比灰塵大得多,各種波長的色光都能被它散射,結果,雲就成了白色的。如果雲層較厚較密,陽光穿不過去,就變成了灰色或黑色。白雲蒼狗,不過是陽光玩的把戲而已!

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當雲聚成雨滴的時候,顆粒就更大了,大得具有稜鏡的作用。倘若一邊已經出太陽,一邊還在下雨,陽光穿過雨滴,就會形成我們看到的虹。噴泉和瀑布上也可以出現虹,原理是一樣的。此次環球之旅,我們看到過幾次彩虹,印象最深刻的一次是在復活節島。公路靠海的一側,忽然出現拱門似的彩虹,距離我們目測不到五十公尺。站在彩虹下照相,宛如置身彩虹之下呢!

陽光照到水裡,又是一番景況。較深的水都是藍色的。水原本透明無色,水分子的大小可讓波長較長的紅色繞過去,而波長較短的藍光被散射,所以較深的水莫不是藍色的。水愈深,散射、反射的藍光就愈多,看起來就愈藍了。

同樣是水,為什麼海是藍的,而浪花卻是白的?為什麼驚濤拍岸,會捲起千堆雪?道理很簡單,所謂浪花,其實就是小水滴,可以散射各種波長的光,所以浪花就和白雲一樣,變成白色的了。

就像看天一樣,人類真正懂得看海也是晚近的事。印度物理學家拉曼(Sir Chandrasekhara Raman),從印度搭船去英國。天連海、海連天的景況,使他悟出海水和天空的顏色,都是光線散射所造成的。一九二一年,拉曼在英國《自然》上發表了一篇論文,提出他的散射理論,題目是〈海的顏色〉。古今中外,多少人有過「看海的日子」,卻只有拉曼獨具智眼,看出別人看不出的道理。

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拉曼像。圖/wikipedia
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沒有颱風的七月!颱風為何銷聲匿跡?——《科學月刊》
科學月刊_96
・2020/09/11 ・1882字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

〈本文選自《科學月刊》2020年9月號〉

  • 賈新興/臺灣大學大氣科學系博士,前中央氣象局長期預報課課長,現職為天氣風險管理公司總監。

夏季是颱風出現的季節,往年的 7 月平均會有 3~4 個颱風生成。但今(2020)年 7 月卻罕見地無颱風生成,主要原因是季風槽受太平洋高壓,以及較大的垂直風切所導致。

夏天是颱風的好發季節。圖:Pexels

颱風消失了?生成條件大盤點

每年的 7 月是颱風開始活躍的月份,平均而言,7 月都有 3~4 個颱風生成,從 1951 年以來的颱風生成資料顯示,歷年 7 月最少都有 1 個颱風生成,最多則有 8 個颱風生成,分別是 1971 年 7 月和 2017 年 7 月。

然而今年的 7 月,整個西北太平洋海域卻靜悄悄的,沒有半個颱風生成,到底是發生了什麼事,讓 7 月颱風銷聲匿跡了呢?就讓我們一一檢視颱風生成的條件。

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生成條件一:溫暖的洋面

颱風生成在海面上,廣大的洋面能提供足夠水氣,當水氣蒸發釋放潛熱時,就可以讓颱風有足夠的能量成長。

一般來說,當海水溫度超過 26°C 時,才會產生足夠的水氣。而西北太平洋地區,每月氣候平均的海溫都在 27°C 以上,其中 2 月的平均海水溫度也有 27°C(圖一)。

圖為東經120度~160度,與北緯5度~20度之間的區域,即西北太平洋區域平均每月海溫值。通常海水溫度高於26℃時可以產生足夠的水氣,而往年7月的平均海溫都超過27℃,是颱風形成的重要條件之一。

因此,西北太平洋溫暖的海域,時時刻刻都有足夠的水氣提供颱風生成所需的能量。從西北太平洋區域今年 7 月平均的海水溫度分布圖發現,整個西北太平洋的海溫至少都超過 29°C(圖二)。

溫暖的洋面,雖然提供了足夠的能量,但為什麼颱風仍舊長不出來呢?讓我們再檢視其它颱風生成的動力條件!

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條件二:活躍的季風槽

颱風是個逆時針旋轉的低壓中心。夏季時,當北半球的西南季風,和太平洋高壓所帶來的東風或東北風相遇,兩者所造成的輻合作用,會使低氣壓的漩渦繼續加深,讓風速增強。

當低氣壓的近地面最大風速到達或超過每小時 62 公里或每秒 17.2 公尺時,我們就將它稱為颱風。這個伴隨西南季風和太平洋高壓南側的東風或東北風相遇的地方,通常稱作季風槽,或是俗稱颱風生長的故鄉。

從 7 月大氣低空風場的氣候平均圖,可以看到西南季風和太平洋高壓南側的東風形成的季風槽,從東經 120 度往東南方向延伸至東經 160 度。比較今年 7 月的大氣低空風場(圖三)可以發現,整個季風槽不見了,原來應該是季風槽所在的區域,一整個都被太平洋高壓的東風所佔據了。

而太平洋高壓是個穩定且下沉的空氣,但颱風是個垂直發展的低氣壓,因此,偏強的太平洋高壓讓今年的西南季風無法深入至西北太平洋區域,剷平了颱風的家,也就讓颱風長不起來了。

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條件三:垂直風切不能太大

另外,颱風垂直發展的高度至少可以達到對流層頂的高度,因此當高空風和低空風的風向差異太大時,也就是一般我們所說的垂直風切太大時,就無法讓水氣凝結所釋放出的潛熱更有效地提供颱風發展,造成颱風的垂直發展不好,颱風就不容易生成。

根據7月氣候上的垂直風切分布顯示,在西北太平洋區域的風切平均介於 -10~5之間。但今年 7 月的垂直風切,則介於 -10~10 之間,明顯比氣候平均值高,因此不利於颱風的垂直發展。

都是高壓和垂直風切惹的禍!

從以上颱風的生成條件來看,今年 7 月雖然有足夠的水氣提供的能量來源,但要讓颱風旋轉起來的季風槽,因為太平洋高壓太強,使得季風槽無法向東推進到西北太平洋區域;偏強的太平洋高壓帶來穩定的下沉空氣,連帶的也讓垂直風切太大,颱風更是長不起來!

今年 7 月的太平洋高壓太強,不但讓颱風長不起來,連帶的也是造成臺北創下自 1897 年以來的最高溫紀錄 39.7°C 的原因之一!至於為什麼今年的太平洋高壓如此強大,就是另一篇故事了。

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圖二(上):以往的7月氣候平均海溫分布和大氣 850 百帕(hPa)流線圖,圖中粗黑線為季風槽,此在正常的氣候條件下是有利於颱風生成的。圖三(下):今年7月平均海溫分布和大氣850百帕流線圖。讀者可以發現,今年的海溫分布雖較以往高,有利於颱風出現,但原先的季風槽位置卻被太平洋高壓所佔據,造成颱風無法生成。

〈本文選自《科學月刊》2020年9月號〉

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