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太空科技和巧克力慕斯蛋糕有啥關係?

臺北天文館_96
・2012/07/20 ・988字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

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所有甜點主廚都知道:完美的巧克力慕斯,得靠部分科學和部分藝術才能完成。歐洲太空總署(ESA)微重力(microgravity)研究的課題之一,是協助食品工業瞭解藏在多種泡沫狀食物或飲料中的科學,例如:法式蛋白酥皮(meringue)和咖啡等,以達到客戶的期望與需求。

食品製作過程中產生的泡沫並非都相同。顧客期望他們從賣場購買的巧克力慕斯蛋糕到回家進冰箱之前都能保持原來的形狀和風味;但某些飲料上泡沫如果沒有在幾分鐘內消失的話,則會覺得很奇怪。所以,能製造出需要的泡沫型態,可就是製造商或主廚們的功力問題了。在地球上,液態流體會因重力而自然向下流,泡沫則會被作用在泡泡上的重力拉扯而被破壞掉。

在無重力環境中研究泡沫 比較容易,這是因為氣泡會均勻散佈,而不會像在地表上,比較大的氣泡會浮在小氣泡之上。ESA從1980年代開始研究泡沫,研究成果約在10年前引起雀巢食品公司(Nestlé)的注意。

雀巢研究中心科學家Cécile Gehin-Delval表示:如果能對泡沫多瞭解一點,或許能協助改善產品質地。巧克力慕斯裡穩定的泡沫可讓人嚐起來有乳脂般的感受。而好的咖啡泡沫,則需要製造不那麼穩定的泡泡,這樣才會讓泡泡比較輕而類似乳脂的口感。

在微重力環境中製造泡沫可不簡單,科學家現在只對地球上泡沫如何產生比較瞭解。在經過數次實驗之後,科學家終於能在太空中,藉由電磁動力活塞不斷拍打液體的方式來產生泡沫。

雀巢食品公司利用ESA拋物線飛機飛行(parabolic flight)的方式來進行研究,在飛機從上升過渡為下降的轉折點這接近20秒幾近無重力狀態的短瞬間,測試這套儀器,並藉此觀察牛奶中的蛋白質。

拋物線飛行只是科學家研究「零重力(zero-gravity)」環境下各種現象的方式之一;探空火箭(sounding rocket)可以提供約6分鐘左右的無重力狀態;而一直繞地球飛行的國際太空站(International Space Station,ISS)則是目前唯一的微重力常設實驗室。

透過拋物線飛行測試並改善泡沫產生裝置,並分析其所產生的泡沫後,這些科學家計畫下一步就是登上ISS去繼續他們的泡沫研究大計。

ESA的Olivier Minster解釋:一般人家裡冰箱內的食品,約有半數左右是泡沫狀或乳狀。如果我們可以無須增加原料就能製造出更穩定的泡沫,將可改善這些食品的保存期限。

不幸的是,科學家只需要少量食品就能進行實驗,所以太空站裡的太空人根本沒機會品嚐成果。

資料來源:Space for dessert?[2012.07.09]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!

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狂吐白沫的竟是雨後的尤加利樹,而非飲鴆止渴的無尾熊?!
胡中行_96
・2022/07/21 ・3095字 ・閱讀時間約 6 分鐘

在 2019 年 7 月到 2020 年 3 月的「黑色夏季」森林大火的期間,[1] 有天澳大利亞東岸的新南威爾斯州,突然迎來了一場傾盆大雨。知名觀光區 Bondi [註1] 海灘一帶的尤加利樹,喜逢久旱甘霖,竟開始源源不絕地吐出雪白的泡沫!為安撫驚慌失措,擔憂行道樹被化學物質汙染的市民,當地的 Waverley 市政府即時發佈臉書貼文:「冷知識星期五:有沒有注意到今天我們的尤加利樹哪裡怪?嗯,那些從樹幹上沖刷下來的泡沫,不是香皂、清潔劑或阻燃劑,而是…」[2]

  

一起來看雨後的樹木冒泡泡~。oO。oO 。oOO 來源:Megabattie on YouTube

  

天然皂素

尤加利樹的葉子和樹皮裡,本來就有天然皂素(saponin,又稱「皂苷」),[3],是由親脂性配醣基(aglycone,又名「皂元」)與親水性配醣體(glycoside,又叫「醣苷」)結合而成 [4, 5] ,用來抵禦外侮。[6] 皂素有起泡的特性,[5] 經過滂沱大雨的洗滌和溶解,便自然產生反應。如果之前長期缺乏降水,使得樹木有時間囤積庫存,雨後湧出的泡沫量就更是一發不可收拾。[6]

  

含有皂素的食物

許多常見的經濟作物,都含有微量皂素,例如:燕麥、甜菜、藜麥、碗豆、黃豆、綠豆、紫花苜蓿、四季豆、蠶豆、番茄、馬鈴薯、大蒜、韮蔥、洋蔥、細香蔥、山藥、菠菜、蘆筍和茶樹。人類的腸道菌落可以破壞皂素,所以適量食用,並不會嘔吐、腹瀉。[5]

不同的是尤加利樹不僅有皂素,還配備別的一樣也能對抗微生物、昆蟲與草食動物的化學毒素,[5-8] 避免負責呼吸的葉子都被吃光。[7] 然而就在它幾乎要自認天下無敵的時候,無尾熊以與生俱來的天賦從容面對。世間一物剋一物,無尾熊一天啃上 500 公克的尤加利葉不嫌多,有機會的話,還順道豪飲尤加利茶![7]

  

無尾熊品茶特寫。圖/參考資料 6(CC BY 4.0 license):Echidna Walkabout and Koala Clancy Foundation 提供。

  

無尾熊舔尤加利樹的莖流

無尾熊的英文「koala」,源自澳洲原住民語,意思是「不喝水」。 [9] 長期以來,科學家也一直為牠們憨傻慵懶的外表所騙,想說整天窩在樹上的無尾熊,就只知道吃和睡,連水都不喝。出乎意料的是, 2006 年至 2019 年期間,無尾熊於澳洲各地,被觀察到 46 次喝「茶」的紀錄。雖然以牠們缺乏活力的天性,無法自己起身泡茶,但仍非常認命地坐在原位狂舔樹幹。[7]

沿樹幹流下,摻入眾多雜質的雨水,稱為「莖流」(stemflow);[7, 10] 而穿過枝葉,落到地上的,則叫做「穿透流」(throughfall)。[10] 莖流一旦開始,可以維持數個小時。生活閒適悠哉的無尾熊,就在那裏跟它耗。一次喝上 15 到 30 分鐘左右,每秒約能舔樹幹 2 下。某次的紀錄甚至顯示,有隻無尾熊連續舔了 34 分鐘,休息 2 分鐘後,馬上又繼續,[7] 簡直就是飲鴆止渴馬拉松。

  

無尾熊品茶側錄。來源:Frontiers on YouTube

  

人類不該口服尤加利油

臺諺說得好,做人千萬不要「無彼號尻川(屁股),想欲食彼號瀉藥」。[11] 咱們不是無尾熊,就別胡亂品嚐這款有機茶。澳洲某水利公司專文警告,尤加利落葉和樹皮若是掉入水塔,會引發類似冷泡茶的現象,影響飲水安全,而且一旦化學物質混進自來水中,就連專業人員也無法將之濾淨。嚴重的話,得把整個水塔的水都放掉,清洗消毒,然後重新儲水,相當大費周章。[3] 此外,儘管從尤加利油萃取出來的桉油醇(Eucalyptol),能增添食物風味,且每天攝取少量,長達 12 週也應該不會出事;尤加利油本身卻是絕對喝不得的。後者光 3.5 毫升便足以致命,[12] 其餘誤食的症狀,還包括:腹痛、嘔吐、腹瀉、癲癇、昏迷、中樞神經系統異常、肌肉無力,以及吸入性肺炎等。 [12, 13]

  

尤加利產品、肥皂樹及客澳氏合歡

目前澳大利亞常見的尤加利樹相關產品,以精油和消毒、清潔用品為主,其中有些也外銷臺灣。(可惜廠商沒有贊助本文,所以在此略過品牌評比。)早在尤加利樹被商業化行銷之前,澳洲原住民就已經拿它的汁液來當藥水。[14] 有趣的是,在介紹部落植物運用的資料裡,常被提及的傳統清潔劑,卻非偶爾會冒泡泡的尤加利樹,而是其他也含有皂素的植物,例如:肥皂樹(soap tree、red ash,學名Alphitonia excelsa) [15]客澳氏合歡 [註2] (Cole’s wattle [16],學名Acacia colei [17])等。最後,就讓我們來看澳洲人示範怎麼用植物洗手吧!

  

摘肥皂樹的葉子,加水搓揉洗手。來源:ApiaGoodLife on YouTube
將客澳氏合歡的果莢,加水搓出泡沫。來源:Questacon on YouTube

  

備註

【註1】可能是因為拼字的關係,「Bondi」常被誤譯為「邦迪」,但實際上澳洲人都唸「邦黛」。根據新南威爾斯州立圖書館的介紹,該地名源自原住民語的詞彙「Boondi」,意思是「海潮的聲音」。[18]

【註2】澳洲的Coles超市在臺灣自稱「客澳市」,所以筆者把網路上查不到中文譯名的Cole’s Wattle,索性翻成「客澳氏合歡」。

  

參考資料

  1. Bushfires – Black Summer (Australian Disaster Resilience Knowledge Hub, 2020)
  2. Fun fact Friday: Notice something strange today about our eucalyptus trees? (Waverley Council on Facebook, 2020)
  3. Tannis and Saponins from Eucalyptus leaves can contaminate your Water Tanks (Pristine Water Systems, 2021)
  4. Saponins (Cornell University, 2019)
  5. 食品中植物性天然毒素技術報告(國家衛生研究院,2017)
  6. Mystery over why hundreds of trees are ‘foaming’ in heavy rain (Yahoo News Australia, 2020)
  7. Mella V and Van Stan II J. (2021) ‘Koalas Give Tree Bark a Licking’. Frontiers for Young Minds.
  8. Naidoo S, Külheim C, Zwart L, et al. (2014) ‘Uncovering the defence responses of Eucalyptus to pests and pathogens in the genomics age’. Tree Physiology, 4, 9, pp. 931–943.
  9. Koala facts (Queensland Government – Department of Environment and Science, 2022)
  10. 樹木於土壤容洪能力的省思(水利署電子報,2018)
  11. 無彼號尻川,想欲食彼號瀉藥。(教育部臺灣閩南語常用辭典,2011)
  12. Eucalyptus (MedlinePlus, 2021)
  13. Lee K, Harnett JE, and Cairns R. (2019) ‘Essential oil exposures in Australia: analysis of cases reported to the NSW Poisons Information Centre.’ The Medical Journal of Australia, 212, 3, pp. 132-133.
  14. Indigenous Plant Use (The Clean Air and Urban Landscapes Hub, 2020)
  15. Soap Tree (Toohey Forest Environmental Education Centre, 2020)
  16. Australian Trees and Shrubs: Species for Land Rehabilitation and Farm Planting in the Tropics (Australian Centre for International Agricultural Research, 1997)
  17. IY2019: Making soap with bush science (Australian Government – Department of Infrastructure, Transport, Regional Development, Communications and the Arts, 2019)
  18. Word Of the Week: Boondi (State Library of NSW, 2015)
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義
EASY天文地科小站_96
・2022/07/14 ・4350字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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  • 作者:林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星

萬眾矚目的詹姆士韋伯太空望遠鏡,在經過半年的校準與測試後,終於公開了它拍攝到的第一批成果。這些五彩斑斕、美麗絕倫的照片究竟是什麼樣的天體,照片的背後又有哪些深藏的意義?就讓我們一起深入解密,韋伯的第一批照片吧!

韋伯望遠鏡是什麼?

詹姆士.韋伯太空望遠鏡是美國、歐洲與加拿大太空總署合作開發的新一代旗艦級紅外線太空望遠鏡,也是無數天文學家夢寐以求、能幫助人類破解許多未解天文迷團的利器。

韋伯的研發其實早從 1996 年就已經開始,但是由於開發時遇到諸多困難,導致嚴重的預算超支與進度延宕,這台耗資上百億美金的超級望遠鏡,直到去年年底才終於從法屬圭亞那發射中心,用一枚亞利安 5 號運載火箭發射升空,前往距離地球 150 萬公里的日地第二拉格朗日點。

拉格朗日點是什麼?

日地拉格朗日點一共有五個。當物體在這些點上,其受到來自太陽與地球的重力恰到好處,因此太空船只需要少量的燃料,就可以長期與地球和太陽保持穩定的相對位置,可謂是地球軌道附近的風水寶地。

而韋伯繞行的,是位於地球後方的第二拉格朗日點,簡稱 L2。之所以選擇這裡,是因為只有 L2 的位置剛好會讓地球、太陽、月亮都在同一側,而這三個星體正是天文望遠鏡的主要紅外線光害來源。位在 L2 的韋伯,就可以用它的遮陽帆一次把三顆星體全部擋住,認真凝望遠方而不受干擾,因此 L2 可以說是觀測宇宙的絕佳地點。升空的幾個月之間,韋伯已經完成一系列的儀器校準工作,一步步把望遠鏡調整到最佳狀態。

相比知名前輩「哈伯太空望遠鏡」,韋伯的優勢不只是擁有比哈伯大六倍的鏡面,更重要的是它是以紅外線為主力觀測波段。宇宙膨脹造成嚴重紅移,但哈伯望遠鏡的守備範圍主要是可見光,波長範圍是 90 – 2500 奈米,可說是鞭長莫及啊。

這時換上以波長 600 – 28500 奈米的紅外線為守備範圍的韋伯,就可以讓我們看到更遙遠、更古老的宇宙。此外,同一個天體在可見光和紅外線看起來,往往長得相當不一樣。這個強大的紅外線觀測能力,正是韋伯最引以為傲的武器。

作為深具儀式感的第一批科學影像,韋伯這次公布的影像分別對應四個主要科學主題:早期宇宙星系演化恆星的生命循環系外行星

1. 早期宇宙—— 星系團 SMACS 0723 與重力透鏡效應

星系團 SMACS 0723。圖/Webb Space Telescope

畫面中心黃白色的天體,是由成百上千的星系共同組成的星系團 SMACS 0723。在韋伯之前,哈伯太空望遠鏡就曾經花費數個禮拜的時間拍攝這個星系團。然而擁有更大鏡面、更精良儀器的韋伯,僅用了 12.5 個小時就拍出了解析度更高、畫面品質更好的照片,讓我們看到許多以前難以辨識的黯淡星系。可見哈伯與韋伯在觀測能力上的差距。

對天文學家來說,圖中最令人興奮的其實不是前景壯闊的星系團,而是後方這些經過重力透鏡扭曲和放大的小小星系們。星系團龐大的質量扭曲了周圍的時空,讓整個星系團好像一塊巨大的放大鏡一樣,可以偏折和聚焦通過的星光,稱為「重力透鏡效應」。

當星系團後方更遙遠、更古老的星系發出的光線通過星系團時,就會被星系團的重力透鏡效應偏折和聚焦,形成而圖中無數弧形的扭曲影像。

紅圈為照片上受重力透鏡影響的區域之一,可以看到星系被拉長。

這些仍在襁褓中的小小星系,往往正在快速的孕育新的恆星,或是互相合併,因此有著混沌不規則的形狀。離我們越遠的星體發出的光,需要越長的時間才能到達我們的眼中。因此研究這些遙遠且古老的星系,能幫助天文學家理解宇宙早期的模樣。

2. 星系演化——史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)

上一張照片讓我們認識星系的起源,這張「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」則可以讓天文學家更仔細地研究星系內的複雜結構,以及星系與星系之間的交互作用。

史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)。圖/Webb Scape Telescope

正如其名,「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」是由五個視覺上相當靠近的星系所組成。但其實最左邊的這個星系(NGC7320)與另外四者並無關聯,只是從地球上看剛好位在天空中差不多的位置而已。

圖片中偏向黃白色,感覺如絲綢般順滑的部分是在近紅外線波段拍攝,主要顯示的是星系中恆星的分布;而醒目的橘紅色,則是來自中紅外波段的資料,展示的是星系中的高溫塵埃,以及星系中的氣體高速對撞時產生的震波(Shock wave)。

除了影像,韋伯還使用光譜儀仔細檢視了影像中右上方的星系(NGC 7319)中心,因為那裏有一顆比太陽重 2400 萬倍的超大質量黑洞,正在吸食周遭的氣體,並在過程中釋放巨大的能量。

藉由觀察光譜的細節,韋伯可以分辨出像是氬離子、氖離子或是氫分子等等化學組成,甚至知道氣體的溫度、運動速度這些從一般照片難以辨識的資訊。

史蒂芬五重奏就像一個天然的實驗場,讓天文學家研究星系演化的詳細過程。

3. 系外行星——WASP-96 b 的大氣光譜

這一張照片可能是整批影像中,視覺上最不起眼的一張,它是系外行星 WASP-96 b 的大氣光譜。

WASP-96 b 的大氣光譜。圖/Webb Scape Telescope

最近 20 多年來,人類對太陽系以外行星的認識越來越多。截至今日,人類已經發現超過 5000 顆系外行星。然而,以現有的觀測技術,天文學家通常只能用一些間接的方法,測量它們的質量、半徑、軌道週期等粗略的特性。想知道這個行星是否適合生命生存,就不能少了行星大氣層的化學組成和溫度資訊。

那要怎麼取得行星的大氣資訊呢?當行星通過恆星跟地球中間時,恆星的一部分星光將會通過行星的大氣層,並被行星的大氣吸收。吸收的多寡和波段,取決於行星大氣層的溫度和化學組成等特性。此時,天文學家就可以藉由分析光譜中的各種特徵,去回推行星大氣層的性質。

圖片中的白點,即是韋伯實際觀測 WASP-96 b 時取得的光譜資訊。而藍色的線,則是天文學家認為最貼合觀測數據的理論模型。

根據這個觀測結果,天文學家計算出 WASP-96 b 的大氣溫度約為 725°C,大氣中明顯有著水氣,並推測可能還有雲和霾存在。未來進一步的分析和觀測,將為世人揭開更多系外行星的神祕面紗。

4. 恆星的生命循環——「南環狀星雲」與「船底座大星雲(Carina)」

最後兩張照片都與恆星的生命循環有關。正如人會有生老病死,恆星也是一樣。

恆星一般誕生在巨大分子雲中,氣體在重力吸引下逐漸塌縮、升溫並點燃核融合,成為一顆恆星。

當小質量的恆星步入晚年,其結構容易變得不穩定,最終將自己的外層氣體拋射出去,形成美麗的行星狀星雲,也將氣體吐回到星際空間中,成為下一代恆星的養分。氣體都拋射完之後留下的核心,就是白矮星。

各位現在看到的,是暱稱「南環狀星雲」的行星狀星雲,左右兩張圖分別於近紅外線與中紅外線拍攝。

南環狀星雲。圖/Webb Scape Telescope

我們可以看到,左圖中的影像比右圖要更清晰一些,這是因為在相同的望遠鏡口徑下,波長越短所能達到的理論解析度就越高。

有趣的是,在左圖中看起來位於星雲中心的明亮恆星,其實並不是行星狀星雲的核心。真正的核心其實是在其左下方,一顆被塵埃包裹著的黯淡白矮星。在近紅外線波段的影像中,這顆白矮星幾乎淹沒在隔壁恆星的炙烈星芒之中。

但在中紅外波段,由於恆星的亮度相對降低,包裹著白矮星的塵埃發出的光就變得清晰可見。再次展示即使是同一個天體,使用不同的波段進行觀測,往往可以看到不同的東西。

最後這片壯麗的宇宙山崖,則是位於「船底座大星雲 Carina」西北角的 NGC3324 恆星形成區。在這裡,源自星雲中無數初生恆星所發出的炙烈輻射、恆星風與噴流,吹散、游離了星雲中原有的濃密氣體與塵埃。交織出這片壯闊而複雜的結構。

船底座大星雲(Carina)。圖/Webb Scape Telescope

這張照片一共結合了這六個不同的濾鏡的影像拍攝而成。每個濾鏡涵蓋的波段各不相同,代表的物理意義也不一樣。比如(F090W、F200W、F444W)這三個寬帶濾鏡,分別在影像中按照波長順序,以藍色、綠色和紅色這三原色呈現,為照片打下骨幹。而在此之上,照片的製作團隊又疊上青色代表氫原子的(F187N)濾鏡影像,以黃色代表氫分子的(F470N)濾鏡影像,以及用橘色代表甲烷和多環芳香烴的 (F335M) 濾鏡影像,為照片再添更多的細節。

想要將這麼多個波段的影像全部結合起來,仔細調整讓細節更加突出,最終呈現出一張如此絢麗又震撼的照片,是非常不容易的。這展示了韋伯太空望遠鏡不僅在科學上相當重要,在藝術上也價值非凡。

最後別忘了,以上只挑選介紹了第一批資料中最具代表性的幾張,更多關於五個目標的照片和光譜,可以在韋伯的官網上找到。而這批照片,又只是韋伯未來二十年服役生涯中,前兩個月的小試牛刀而已。韋伯的時代,才剛剛要開始!

EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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為什麼在下雨天時,你不會被雨滴狠狠痛扁?
若芽_96
・2022/04/21 ・5518字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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下雨天的時候走在路上,天氣涼涼的,聽著雨聲的感覺非常好。但是你有沒有想過,為什麼雨滴會從天上掉下來?

「啊!就像蘋果會掉到地面一樣,會受到重力的作用嗎?」你可能會這麼說。

好,那我們這邊就來帶大家算一下,一滴雨從高空落到地面,純粹只有受到重力時,應該是什麼樣子的感覺吧!

只有受到重力作用雨滴的運動分析

當不考慮空氣阻力時,由高空落下的物體全程會受到重力加速度值 g 的作用,而因為地表的重力加速度約為定值,以海平面且緯度 45º 為標準,其數值為 9.8m/s2 [1]。因此雨滴從高空落下時,可以視為一個單純的等加速度運動,而這個運動我們又稱之為自由落體

假設雨滴是靜止落下且受到重力加速度值 g 作用,即可根據等加速度運動公式,求得雨滴從高度 h 自由落下時的末速度值:

然而,在探討雨滴落下的末速度之前,我們必須對於雲的分類以及大致上的高度有一個基本的了解,才能比較明確地知道我們要探討的雨滴大概是從什麼樣的高度落下來的。

氣象學家 Luke Howard 於 1803 年中的著作《論雲的變形》(The Essay on the Modification of Clouds)中,按照不同雲的形狀、組成、形成原因,將雲分為 10 大雲屬,並且將這 10 大雲屬劃為三個雲族,分別為:位於距地表 6,000 至 7,000 公尺的高雲族,位於距地表 2,000 至 6,000 公尺的中雲族,以及位於距地表 0 至 2,000 公尺的低雲族[2]。另外,則還有橫跨了三個不同雲族高度的直展雲族,常常造成短暫但是相當豐沛的降雨量[3]

國際氣象組織所提供的基本雲的分類標準對照圖。圖/世界氣象組織[2]

按照國際氣象組織所提供的分類,以及 Luke Howard 的定義,天空中主要的降雨來源為積雨雲(cumulonimbus)以及雨層雲(nimbostratus),降雨來源以雨層雲較為常見,且其雲底多為 1,200 公尺以下。故我們這邊計算雨滴的高度時,便以 1,200 公尺作為高度的參考依據。

因此,當一滴雨從高空落下,代入前述自由落體公式,即可計算出雨滴理論上應該要有的末速度:

根據上述的計算式子可以知道,當雨滴從高處落下時,如果沒有任何的空氣阻力,雨滴落到地面的速度大約會是 153 m/s。

對於這個數字沒有感覺嗎?那這邊簡單地計算給你看一下,讓你有點 fu。但是在這個計算之前,首先我們要先對於雨滴的大小有個概念。

依照 2009 年的相關研究[4]顯示,小雨滴在降落時幾乎是圓形,可是隨著體積越大,就會變得越扁平,受到空氣的影響也會越明顯。當雨滴達到特定的大小時,就會被切割為較小的雨滴,也因此最大的雨滴直徑會被限制在 6 mm 左右。

而按照另一個研究[5]對於雨滴粒徑的分布探討,發現雨滴的直徑多數是落在 0.5 mm 至 4 mm 之間,也就是半徑 0.25 mm 至 2 mm 之間。

不同大小的雨滴受到空氣影響的形變研究示意圖。圖/Wikipedia [6]

這邊先姑且不論雨滴本身的化學成分所帶來的密度差異,以及落下過程中的密度和質量變化。因此我們可以簡單的利用密度、質量和體積的關係式,假設有一顆雨滴的成分皆為水,密度為 1 g/cm3,半徑 2 mm,且為均勻球體的情況下,計算這顆雨滴的質量如下:

接著,我們利用牛頓第二運動定律動量衝量的概念,來計算平均一顆雨滴所造成的衝擊力大小。這邊,我們假設你是淋雨的狀態,雨滴跟你的腦袋接觸的時間大約為 0.001 秒,且雨滴最後會完全靜止在你的腦袋上,也就是末速度為 0。

此時,造成雨滴會有速度變化的作用力有二,一為雨滴所受到的重力、二為腦袋給雨滴的正向力。根據牛頓第三運動定律,腦袋給雨滴的作用力,與雨滴給腦袋的作用力,為「作用力與反作用力」之間的關係。

那我們要怎麼知道雨滴對於腦袋的衝擊力有多少呢?

根據前面的假設,我們假設腦袋給雨滴的作用力使用變項為 N,可以列式如下:

雖然我們前面說,在計算正向力 N 時,應該要將重力納入考量,不過實際計算後會發現雨滴本身重量也不算大,相較之下,後面的重力項是可以忽略的,因此計算出來的衝擊力約為 0.52 kgw。

嗯?你說你還是沒有感覺嗎?再說白話一點好了,這個重量就差不多是一瓶 500 ml 的礦泉水壓在你身上的感覺。這只是單一顆雨滴,平常在下雨的時候絕對不可能只有一顆雨滴。一瓶礦泉水壓在身上其實是有感覺的,那很多雨滴下在身上,等同於很多很多瓶礦泉水壓在身上,那肯定也是非常有感。

修但幾勒,這個結論跟我們平常淋雨的感覺完全不同吧!那到底問題出在哪裡?

其實雨滴不只受到重力的作用

雨雲本身存在於大氣層的對流層內,而對流層內充滿很多空氣分子。當雨滴在這些空氣分子所形成的「流體」裡面移動的時候,會使得雨滴本身除了受到重力以外,還會額外受到空氣阻力(drag force)的作用。

在流體動力學中,在流體中移動的物體會受到一個和運動方向相反的阻力。這個阻力來自流體,會存在於兩個流體層之間,或者是流體與固體之間。可是,這和以往我們所學的固體和固體之間的摩擦力不同,因為物體在流體中受到的阻力其實是和物體移動的速度有關[7][8]

物體在流體中所受到的阻力,會受到物體大小、形狀、特性,以及流體性質的影響。阻力方程式(drag equation)概括了這些因素,描述如下[7]

其中,ρ 為流體的密度(如果是在空氣中,則是空氣的平均密度)、A 為物體在流體中的有效面積、v 為物體在流體中之速度;CD 則是阻尼係數,是一個沒有因次的數字,一般來說會跟物體的形狀以及雷諾數(Reynolds number)有關。

而雷諾數則是在流體動力學之中,流體慣性力(inertial force)和黏性力(viscous force)的比值,用來預測流體狀態的無因次物理量。對於不同的流體來說,雷諾數會有很多不同的表達方式,但一般來說都會包含流體的密度(density)、黏滯性(viscosity)、流體的流速,以及特徵長度或尺寸。

最基本的雷諾數可以表示如下[9]

其中,ρ 為流體的密度,v 為流體的平均流速、D 為特徵長度,而 μ 則為流體的黏滯性。

雷諾數低的時候,流體會呈現層流(laminar flow)的狀態。流體分子會在每一層中平順流動,相鄰層之間就像堆疊的紙牌,鮮少或甚至幾乎沒有混合,當然也不會產生漩渦[10]

相反地,在雷諾數高的時候,流體則是會呈現紊流(turbulent flow)的狀態,流體的流速跟壓力沒有一定的變化規律,流體分子也沒有明顯的平行層,很常會互相混合在一起[11]

圖 a 為層流的流線示意圖,而圖 b 則為紊流的流線示意圖。圖/SimScale [12]
黏滯力是一種流體受到外來作用力所產生的阻力,來源為液體內部的摩擦力。黏度較高的流體比較不容易流動,黏度較低的流體反之。本圖為不同黏性的流體所呈現出來的狀態模擬。左邊為黏性低的流體、右邊則為黏性高的流體。圖/Wikipedia [13]

扯遠了扯遠了,我們還是繼續回到原本的阻力方程式。

根據實驗觀察,在雷諾數較高,也就是流體的密度較大、流速較快,而且黏滯性較小時,阻力係數可以幾乎視為定值。此時,阻力就會跟流體流速的平方成正比,公式如下:

而在雷諾數低,也就是流體密度較小、流速較慢且黏滯性較大時,阻力係數會和雷諾數的倒數成正比,因此我們結合雷諾數本身的定義以及阻力方程式,就可以知道「在雷諾數較低時,阻力與流速之間的關係為線性關係」,公式如下:

依照前面講過的阻力方程式和流速之間關係的背景知識,讓我們回到最一開始遇到的雨滴問題。

之前在分析雨滴的受力時,只有考慮到重力的作用,計算出雨滴自 1200 m 高的雨雲雲底落到頭上時,速度約為 153 m/s。在考慮到空氣阻力時,由於阻力與雨滴的運動方向恆相反,因此我們可以將雨滴的質量先以 m 作為變項,假設雨滴為正球形且半徑為 R,繪製雨滴所受到的力圖如下:

雨滴所受到的力。圖/筆者親繪

因為空氣阻力恆與物體運動的速度反向,而雨滴在落下的時候,速度一定是向下的,加速度也向下,故空氣阻力會向上。

阻力方程式中的 A 是投影的等效面積,在球形的雨滴中,即為上圖斜線部分,可以用半徑 R 和圓面積的公式來計算。此時,我們利用牛頓第二運動定律計算雨滴運動過程中所受到的加速度量值,來觀察雨滴運動的情形:

如果今天的流體狀況是屬於高雷諾數的情況(流體的密度較大、流速較快且黏滯性較小)時,則前述的式子可以下表示,並計算出加速度的關係式:

反之,如果是低雷諾數的情形(流體的密度較小、流速較慢且黏滯性較大),則前述的式子可以下表示,也順手計算出加速度的關係式:

從前面的兩條化簡式子,可以看出雨滴掉落時,不論雷諾數如何,速度漸大都將造成阻力漸大,並使得加速度漸小。當達到一定的速度時,雨滴就不再會有加速度,而是改以等速度的方式落下。此時,雨滴所具有的速度即終端速度(terminal velocity, vt)。在終端速度時,我們可以知道雨滴所受到的重力與拖曳力達到力平衡,因此可以根據不同的雷諾數而列式。高雷諾數的情況下所計算出的終端速度如下:

低雷諾數的情況下所計算出的終端速度如下:

我們這邊以高雷諾數的流體情形來考量大氣中的情況,與前面的條件相同假設,也就是雨滴為半徑是 2 mm 的正球體,雨滴密度主要成分為水,因此密度為 1000 kg/m3,而阻尼係數這邊我們根據雨滴的形狀和經驗公式簡單取 0.6 來概略估算[14]

利用高雷諾數的情況計算終端速度實際值時,會需要流體的密度。在這裡,我們討論的對象是空氣中的雨滴,故理想上(當然,這是很理想的情況下)可以使用理想氣體方程式來求出於 1 大氣壓、20ºC 時候的空氣密度,來代入終端速度的公式。

代入我們目前空氣的條件,也就是 1 大氣壓、20ºC 的情形,而這邊務必將所有單位都轉為 SI 制,加上理想氣體常數,此時使用的是 8.314。其中,M 為空氣的分子量,我們這邊使用 28.97 g 配合以上的條件代入計算[15]

將前述所得到的空氣密度數值,結合前面的其他條件,代入高雷諾數情況的終端速度公式,即可計算終端速度:

由計算結果可以知道,當考慮到空氣阻力時,雨滴會以 8.52 m/s 的終端速度落下,比起之前純粹考慮重力時,求出的 153 m/s 來說小了非常多,是原本的二十分之一。按照牛頓第二運動定律,這樣的雨滴打到腦袋時,對於腦袋瓜的正向力也會減為原本的二十分之一。如此一來,就比較像我們平常淋雨的情況了。

由前面的計算過程,我們可以明白從高空落下的雨滴不只有受到重力。能夠讓我們下雨天走在路上不被雨滴狠狠槌死的最重要因素,其實就是空氣阻力的功勞。同時,我們可以知道,造成雨滴落下的運動過程並非等加速度,而是變加速度運動。利用牛頓第二運動定律得出加速度的關係式後,也知道速度越來越大,加速度就會越來越小。在加速度為 0 時,則會以終端速度等速落下。

最後,讓我們來感謝空氣阻力,讓每一個人在下雨天的時候都能安心走在路上。

註解

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若芽_96
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因為人生想要追求知識跟技能樹的全開,而遊走在物理、法律、職業安全衛生、數位行銷、數據分析等各種不同領域的人。下一個領域會去哪呢?我也不知道,不過持續不停向前這是絕對必要的。個人網站:https://wakame.tw