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元旦驚現詭異「血月」,2021年注定是災難的一年?用科學打破凶兆預言!

Mia_96
・2021/01/08 ・3601字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 490 ・五年級

2021 年 1 月 1 日夜晚,有許多南部民眾看見一輪又圓又紅的月亮,甚至泛著血紅色的光,如此詭異的顏色讓許多民眾惶惶不安:「元旦當天出現血月,是不是預言 2021 年將是災難的一年呢?」

俗稱「血月」的天象,真的是引起災難的前兆嗎?

事實上,血月與俗稱「天狗食日」的日食一樣,都只是特殊的天文景象罷了,關於月亮的顏色迷思也不只有血月一種,甚至還有所謂的「藍月」。現在,就讓我們一起用地球科學解開血月、藍月的凶兆傳言吧!

那一顆又紅、又圓的血月

為什麼會有血月的發生呢?首先,當天的月相「圓月」,便是造成天上高掛血月的原因之一。

下圖為太陽、地球、月亮三者的相對位置,太陽與其所發出的太陽光來自圖的右側,地球則為在圖的正中間,而在地球外圈圍繞一圈的,即為地球的衛星——月球。

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太陽、地球、月亮的相對位置,以及我們所看見的月相。圖/Wikipedia

在地球外圍的第一個圓圈為「太陽照射到的月球表面」。

因太陽的體積相對於地球與月球十分龐大,而月球與地球之間的距離也比圖中來的更加遙遠,所以如果以讀者的方位看,太陽光永遠會照到月球的右側

有趣的是,因為月球的公轉速度與自轉速度相似,所以月球總以同一面面向地球,地球上的人們看到的月球永遠是同一面唷

最外圍的圓圈為在地球上的「人們抬頭所看到的月相」。

當這三顆星球的相對位置是「地、月、日」時,地球完全無法看到太陽光照亮月球的半面,故當天的月相便是我們時常聽到的「新月」、「朔月」(上圖 3 點鐘方向的月相),時間約在農曆初一前後。

而當它們是「月、地、日」時,地球人可以看到太陽光照亮月球的半面,看起來就是一顆圓圓的月亮,當天的月相即是我們說的「滿月」、「望月」(上圖 9 點鐘方向的月相),滿月的時間約在農曆十五前後。

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顏色逐漸變化的月亮。圖/wikipedia

重要的是,滿月時,因為這三顆星球的相對位置是「月、地、日」,所以大部分太陽光都會「先經過地球,再打到月球」。

民眾所拍下的血月,從月亮的圓缺可以知道當時應該在滿月前後,查閱日曆後,也可以確定元旦當天的農曆日期是十八號。

七彩繽紛的太陽光,由不同波長所組成

光,是電磁波的一種,每種天體都會輻射出不同波長長度的電磁波,當電磁波的波長落在「可見光」的波段時,我們就可以用肉眼看見這些光,而不同波長的光,會呈現出不同的顏色。

而太陽光主要放出的電磁波段就是可見光的波段,在可見光的波段中,包含了波長較長的紅光,到波長較短的紫光等七種顏色,也就是我們熟悉的彩虹七顏色。

可見光於電磁波波譜的位置。圖/wikipedia

當我們的眼睛接收到波長比較長的光時,看到的顏色就會偏向紅、橘色,反之短波長的光,即偏向藍、紫色。

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被大氣層「改造」的太陽光!

當陽光經過地球大氣層時,會被大氣層中的空氣分子吸收、散射,而不同波長被散射的程度不一樣,短波長(藍光)的電磁波段比較容易被散射,使得大量藍光散射到天空中,天空佈滿著被散射的藍光,才形成我們所看到的藍天。

以上此種空氣分子造成的散射現象稱為「瑞利散射」1

滿月時,因為許多陽光都會經過地球大氣再照射到月球表面,在這個過程中,大部分藍光都會散射於地球大氣層,剩下長波長的紅光繼續前進,最終剩下紅光折射到月球表面,就會使得月球表面看起來偏紅色。這,就是血月的成因。

由此可知其實每一次的滿月多多少少都會被比較多的紅光照射,只是在不同的情況下,有時紅色很明顯、有時又會不太明顯。

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例如,出現月全食時,因為幾乎所有的太陽光都會被地球擋住,只剩下波長較長的紅光可以從大氣層折射到月球表面,容易使月亮呈現明顯的紅色。

總而言之,血月並非災難要發生的前兆,而僅僅是正常的自然現象!

在本影區為月全食,地球會遮住所有來自太陽的直射光,出現只剩下紅光可以折射到月球表面,呈現紅色月亮;在半影區,只有部分的陽光被遮住,即為月偏食或半影月食。圖/wikipedia

不是滿月的血月、越來越紅的夕陽

雖然血月多出現在滿月、月食的時候,但仍有其他情況會影響月亮表面的顏色。

若月亮的仰角較低時,可見光會穿過更厚的大氣層,使藍光更容易散射到大氣中,便更有可能在地平面附近看到紅色的月球,抑或是當空氣中的微粒過多時,也有可能在天空中看到偏紅色的月亮,

但無論是哪一種情況,「散射」都是使月亮呈現紅色最主要的原因!

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平日看到的橙色夕陽也是差不多的道理!當太陽越來越接近地平線,陽光穿過的越大氣層也會更厚、散射更多藍光,使得陽光越靠近地平線而變得更紅了。

美麗的夕陽,也是來自散射!圖/Pixabay

如果當時的大氣中除了空氣粒子外,還有其他粒徑較小的微粒,較小微粒越多,散射作用越強烈,微粒大量反射紅光與橙光,也會使天空出現美麗的彩霞。

藍月才不是藍色的月亮!

除了血月,我們也偶爾會聽到「藍月」。

每當藍月出現,媒體或是社群網站都會爭相報導,並且在旁邊加上大大的藍色月亮照片,使不少民眾都會期待在天空看到藍色的月亮。

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殊不知,藍月根本就不是「藍色的月亮」!藍月指的是一個月當中連續出現「第二次滿月」的現象。

我們習慣將月球繞地球公轉一圈的時間視為一個月,大月有 31 天,小月有 30 天,但事實上,月球繞地球公轉一圈的週期是 29.5303 天,每個月完整的天數與實際天數的時間差大約為 0.5303 天。

隨著兩者的時間差逐漸累積,每隔 2 到 3 年後,便會使得某個月會多出一次滿月,而這額外多出現一次的滿月即稱做「藍月」。

火山爆發,讓你看見真正的藍色月亮

雖然平常新聞所報導的藍月並不是指「藍色的月亮」,但在很偶爾的偶爾,我們其實真的可以看到稍微偏藍色的月亮。

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在劇烈的火山噴發或是森林大火發生時,空氣會充滿火山或是大火產生的懸浮微粒,而這些懸浮微粒的粒徑較大、數量也比平時更多,當它們充滿大氣時,就會使波長較長的紅光、橙光、黃光產生大量散射,而我們稱這種散射稱為「米氏散射」2

聖海倫火山美國華盛頓州,曾於 1980 年 5 月 18 日爆發。圖/wikipedia

隨著長波長的光被大量散射,就會使當時的月亮呈現偏藍色,在 1980 年聖海倫火山與 1991 年皮納圖博火山噴發時,人們都在夜空中看到了真正的藍色月亮。

血月、藍月,有哪些特殊意涵?

無論是血月或是藍月,都因非常罕見而被人們賦予特殊的意義,不同的文化對於它們也有許多不同的詮釋。

多數文化都認為紅色月亮擁有著不祥的意義,認為當血月出現時,便會有血光之災發生,也因此當民眾看到血月高掛於天上時,才會將其與災難聯想在一起。

藍月出現的次數較為稀少,所以國外時常會以「Once in a blue moon」來形容較不容易或是不常發生的事件。

  • 編按:如果到 Google 搜尋「once in a blue moon」,會得到藍月出現的頻率: 1.16699016×10-8赫茲。
搜尋「once in a blue moon」的結果。

希望大家再聽到新聞提及血月或是藍月時,可以想起他們的真正成因,別再把人家醜化成凶兆和災難的象徵啦!讓我們的生活處處都充滿著地球科學吧!

備註

  1. 瑞利散射:當微粒粒徑小於 1/10 波長產生的散射現象,例如空氣分子與可見光波段。
  2. 米氏散射:當微粒粒徑等於或大於波長產生的散射現象,例如水滴、汙染物等與可見光波段。
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Mia_96
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師

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拆解邊緣AI熱潮:伺服器如何提供穩固的運算基石?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/05/21 ・5071字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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本文與 研華科技 合作,泛科學企劃執行。

每次 NVIDIA 執行長黃仁勳公開發言,總能牽動整個 AI 產業的神經。然而,我們不妨設想一個更深層的問題——如今的 AI 幾乎都倚賴網路連線,那如果哪天「網路斷了」,會發生什麼事?

想像你正在自駕車打個盹,系統突然警示:「網路連線中斷」,車輛開始偏離路線,而前方竟是萬丈深谷。又或者家庭機器人被駭,開始暴走跳舞,甚至舉起刀具向你走來。

這會是黃仁勳期待的未來嗎?當然不是!也因為如此,「邊緣 AI」成為業界關注重點。不靠雲端,AI 就能在現場即時反應,不只更安全、低延遲,還能讓數據當場變現,不再淪為沉沒成本。

什麼是邊緣 AI ?

邊緣 AI,乍聽之下,好像是「孤單站在角落的人工智慧」,但事實上,它正是我們身邊最可靠、最即時的親密數位夥伴呀。

當前,像是企業、醫院、學校內部的伺服器,個人電腦,甚至手機等裝置,都可以成為「邊緣節點」。當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。簡單來說,就是將原本集中在遠端資料中心的運算能力,「搬家」到更靠近數據源頭的地方。

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那麼,為什麼需要這樣做?資料放在雲端,集中管理不是更方便嗎?對,就是不好。

當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。/ 圖片來源:MotionArray

第一個不好是物理限制:「延遲」。
即使光速已經非常快,數據從你家旁邊的路口傳到幾千公里外的雲端機房,再把分析結果傳回來,中間還要經過各種網路節點轉來轉去…這樣一來一回,就算只是幾十毫秒的延遲,對於需要「即刻反應」的 AI 應用,比如說工廠裡要精密控制的機械手臂、或者自駕車要判斷路況時,每一毫秒都攸關安全與精度,這點延遲都是無法接受的!這是物理距離與網路架構先天上的限制,無法繞過去。

第二個挑戰,是資訊科學跟工程上的考量:「頻寬」與「成本」。
你可以想像網路頻寬就像水管的粗細。隨著高解析影像與感測器數據不斷來回傳送,湧入的資料數據量就像超級大的水流,一下子就把水管塞爆!要避免流量爆炸,你就要一直擴充水管,也就是擴增頻寬,然而這樣的基礎建設成本是很驚人的。如果能在邊緣就先處理,把重要資訊「濃縮」過後再傳回雲端,是不是就能減輕頻寬負擔,也能節省大量費用呢?

第三個挑戰:系統「可靠性」與「韌性」。
如果所有運算都仰賴遠端的雲端時,一旦網路不穩、甚至斷線,那怎麼辦?很多關鍵應用,像是公共安全監控或是重要設備的預警系統,可不能這樣「看天吃飯」啊!邊緣處理讓系統更獨立,就算暫時斷線,本地的 AI 還是能繼續運作與即時反應,這在工程上是非常重要的考量。

所以你看,邊緣運算不是科學家們沒事找事做,它是順應數據特性和實際應用需求,一個非常合理的科學與工程上的最佳化選擇,是我們想要抓住即時數據價值,非走不可的一條路!

邊緣 AI 的實戰魅力:從工廠到倉儲,再到你的工作桌

知道要把 AI 算力搬到邊緣了,接下來的問題就是─邊緣 AI 究竟強在哪裡呢?它強就強在能夠做到「深度感知(Deep Perception)」!

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所謂深度感知,並非僅僅是對數據進行簡單的加加減減,而是透過如深度神經網路這類複雜的 AI 模型,從原始數據裡面,去「理解」出更高層次、更具意義的資訊。

研華科技為例,旗下已有多項邊緣 AI 的實戰應用。以工業瑕疵檢測為例,利用物件偵測模型,快速將工業產品中的瑕疵挑出來,而且由於 AI 模型可以使用同一套參數去檢測,因此品管上能達到一致性,減少人為疏漏。尤其在高產能工廠中,檢測速度必須快、狠、準。研華這套 AI 系統每分鐘最高可處理 8,000 件產品,替工廠節省大量人力,同時確保品質穩定。這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。

這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。/ 圖片提供:研華科技

此外,在智慧倉儲場域,研華與威剛合作,研華與威剛聯手合作,在 MIC-732AO 伺服器上搭載輝達的 Nova Orin 開發平台,打造倉儲系統的 AMR(Autonomous Mobile Robot) 自走車。這跟過去在倉儲系統中使用的自動導引車 AGV 技術不一樣,AMR 不需要事先規劃好路線,靠著感測器偵測,就能輕鬆避開障礙物,識別路線,並且將貨物載到指定地點存放。

當然,還有語言模型的應用。例如結合檢索增強生成 ( RAG ) 跟上下文學習 ( in-context learning ),除了可以做備忘錄跟排程規劃以外,還能將實務上碰到的問題記錄下來,等到之後碰到類似的問題時,就能詢問 AI 並得到解答。

你或許會問,那為什麼不直接使用 ChatGPT 就好了?其實,對許多企業來說,內部資料往往具有高度機密性與商業價值,有些場域甚至連手機都禁止員工帶入,自然無法將資料上傳雲端。對於重視資安,又希望運用 AI 提升效率的企業與工廠而言,自行部署大型語言模型(self-hosted LLM)才是理想選擇。而這樣的應用,並不需要龐大的設備。研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。

但問題也接著浮現:要在這麼小的設備上跑大型 AI 模型,會不會太吃資源?這正是目前 AI 領域最前沿、最火熱的研究方向之一:如何幫 AI 模型進行「科學瘦身」,又不減智慧。接下來,我們就來看看科學家是怎麼幫 AI 減重的。

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語言模型瘦身術之一:量化(Quantization)—用更精簡的數位方式來表示知識

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。這其實跟圖片壓縮有點像:有些畫面細節我們肉眼根本看不出來,刪掉也不影響整體感覺,卻能大幅減少檔案大小。

模型量化的原理也是如此,只不過對象是模型裡面的參數。這些參數原先通常都是以「浮點數」表示,什麼是浮點數?其實就是你我都熟知的小數。舉例來說,圓周率是個無窮不循環小數,唸下去就會是3.141592653…但實際運算時,我們常常用 3.14 或甚至直接用 3,也能得到夠用的結果。降低模型參數中浮點數的精度就是這個意思! 

然而,量化並不是那麼容易的事情。而且實際上,降低精度多少還是會影響到模型表現的。因此在設計時,工程師會精密調整,確保效能在可接受範圍內,達成「瘦身不減智」的目標。

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。/ 圖片來源:MotionArray

模型剪枝(Model Pruning)—基於重要性的結構精簡

建立一個 AI 模型,其實就是在搭建一整套類神經網路系統,並訓練類神經元中彼此關聯的參數。然而,在這麼多參數中,總會有一些參數明明佔了一個位置,卻對整體模型沒有貢獻。既然如此,不如果斷將這些「冗餘」移除。

這就像種植作物的時候,總會雜草叢生,但這些雜草並不是我們想要的作物,這時候我們就會動手清理雜草。在語言模型中也會有這樣的雜草存在,而動手去清理這些不需要的連結參數或神經元的技術,就稱為 AI 模型的模型剪枝(Model Pruning)。

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模型剪枝的效果,大概能把100變成70這樣的程度,說多也不是太多。雖然這樣的縮減對於提升效率已具幫助,但若我們要的是一個更小幾個數量級的模型,僅靠剪枝仍不足以應對。最後還是需要從源頭著手,採取更治本的方法:一開始就打造一個很小的模型,並讓它去學習大模型的知識。這項技術被稱為「知識蒸餾」,是目前 AI 模型壓縮領域中最具潛力的方法之一。

知識蒸餾(Knowledge Distillation)—讓小模型學習大師的「精髓」

想像一下,一位經驗豐富、見多識廣的老師傅,就是那個龐大而強悍的 AI 模型。現在,他要培養一位年輕學徒—小型 AI 模型。與其只是告訴小型模型正確答案,老師傅 (大模型) 會更直接傳授他做判斷時的「思考過程」跟「眉角」,例如「為什麼我會這樣想?」、「其他選項的可能性有多少?」。這樣一來,小小的學徒模型,用它有限的「腦容量」,也能學到老師傅的「智慧精髓」,表現就能大幅提升!這是一種很高級的訓練技巧,跟遷移學習有關。

舉個例子,當大型語言模型在收到「晚餐:鳳梨」這組輸入時,它下一個會接的詞語跟機率分別為「炒飯:50%,蝦球:30%,披薩:15%,汁:5%」。在知識蒸餾的過程中,它可以把這套機率表一起教給小語言模型,讓小語言模型不必透過自己訓練,也能輕鬆得到這個推理過程。如今,許多高效的小型語言模型正是透過這項技術訓練而成,讓我們得以在資源有限的邊緣設備上,也能部署愈來愈強大的小模型 AI。

但是!即使模型經過了這些科學方法的優化,變得比較「苗條」了,要真正在邊緣環境中處理如潮水般湧現的資料,並且高速、即時、穩定地運作,仍然需要一個夠強的「引擎」來驅動它們。也就是說,要把這些經過科學千錘百鍊、但依然需要大量計算的 AI 模型,真正放到邊緣的現場去發揮作用,就需要一個強大的「硬體平台」來承載。

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邊緣 AI 的強心臟:SKY-602E3 的三大關鍵

像研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,就是扮演「邊緣 AI 引擎」的關鍵角色!那麼,它到底厲害在哪?

一、核心算力
它最多可安裝 4 張雙寬度 GPU 顯示卡。為什麼 GPU 這麼重要?因為 GPU 的設計,天生就擅長做「平行計算」,這正好就是 AI 模型裡面那種海量數學運算最需要的!

你想想看,那麼多數據要同時處理,就像要請一大堆人同時算數學一樣,GPU 就是那個最有效率的工具人!而且,有多張 GPU,代表可以同時跑更多不同的 AI 任務,或者處理更大流量的數據。這是確保那些科學研究成果,在邊緣能真正「跑起來」、「跑得快」、而且「能同時做更多事」的物理基礎!

二、工程適應性——塔式設計。
邊緣環境通常不是那種恆溫恆濕的標準機房,有時是在工廠角落、辦公室一隅、或某個研究實驗室。這種塔式的機箱設計,體積相對緊湊,散熱空間也比較好(這對高功耗的 GPU 很重要!),部署起來比傳統機架式伺服器更有彈性。這就是把高性能計算,進行「工程化」,讓它能適應台灣多樣化的邊緣應用場景。

三、可靠性
SKY-602E3 用的是伺服器等級的主機板、ECC 糾錯記憶體、還有備援電源供應器等等。這些聽起來很硬的規格,背後代表的是嚴謹的工程可靠性設計。畢竟在邊緣現場,系統穩定壓倒一切!你總不希望 AI 分析跑到一半就掛掉吧?這些設計確保了部署在現場的 AI 系統,能夠長時間、穩定地運作,把實驗室裡的科學成果,可靠地轉化成實際的應用價值。

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研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。/ 圖片提供:研華科技

台灣製造 × 在地智慧:打造專屬的邊緣 AI 解決方案

研華科技攜手八維智能,能幫助企業或機構提供客製化的AI解決方案。他們的技術能力涵蓋了自然語言處理、電腦視覺、預測性大數據分析、全端軟體開發與部署,及AI軟硬體整合。

無論是大小型語言模型的微調、工業瑕疵檢測的模型訓練、大數據分析,還是其他 AI 相關的服務,都能交給研華與八維智能來協助完成。他們甚至提供 GPU 與伺服器的租借服務,讓企業在啟動 AI 專案前,大幅降低前期投入門檻,靈活又實用。

台灣有著獨特的產業結構,從精密製造、城市交通管理,到因應高齡化社會的智慧醫療與公共安全,都是邊緣 AI 的理想應用場域。更重要的是,這些情境中許多關鍵資訊都具有高度的「時效性」。像是產線上的一處異常、道路上的突發狀況、醫療設備的即刻警示,這些都需要分秒必爭的即時回應。

如果我們還需要將數據送上雲端分析、再等待回傳結果,往往已經錯失最佳反應時機。這也是為什麼邊緣 AI,不只是一項技術創新,更是一條把尖端 AI 科學落地、真正發揮產業生產力與社會價值的關鍵路徑。讓數據在生成的那一刻、在事件發生的現場,就能被有效的「理解」與「利用」,是將數據垃圾變成數據黃金的賢者之石!

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米式散射:野火警訊與光子計算機
顯微觀點_96
・2024/06/10 ・4597字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自顯微觀點

野火懸浮粒子導致大量米氏散射現象

野火燭天的兩種散射

2020 年 9 月 8 日早晨,美國加州舊金山居民準備開始新的一天,他們拉開窗簾、打量天色,無不屏息失措。理應湛藍乾爽的天空,被染成濃厚的橘紅色,四下黯淡如黃昏,彷彿啟示錄降臨。

詭譎光景來自數百公里外的野火。猛烈擴散的山間火勢搭配風向,將懸浮微粒吹送到舊金山所在的灣區空中,進而散射陽光,改變天色。這片昏黃天空蘊藏的散射不只一種,其光學原理還能應用於精密的超解析顯微術和光子電腦。

Smoky Fires At Golden Gate Bridge
圖/Unsplash

平常人眼所見的藍天,並非陽光或空氣粒子本身的顏色,而是來自「散射(scattering)」:光子與粒子碰撞,改變行進方向。我們生活中接觸的散射大多為下列兩種:「瑞利散射(Rayleigh scattering)」與「米氏散射(Mie scattering)」。

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「瑞利散射」來自光照射直徑遠小於光波長的粒子(通常小於光波長的 1/10)。當光照射到這種小粒子,會向四面八方散射。光波長越短,向周遭散射強度越大。

如短波長的藍光,散射強度大於紅光。紫光的波長雖短於藍光,但人眼對紫光較為遲鈍,因此會看到蔚藍的天空。

陽光中的藍、紫光向四周散射消耗的程度較高,紅、黃光散射量較低,較能保留在原入射方向上。因此晨昏直視日頭時,會看見燦爛的橘黃色(實際上太陽發出的是白光)。

「米氏散射」則發生於光照射直徑接近或略大於光波長的粒子,主要散射方向會維持原本入射方向。不同於瑞利散射的是,米氏散射的強度與光波長沒有固定關係。

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但在粒子大小接近入射光波長時,會發生名為米氏共振(Mie resonance)的共振增強現象,沿著原方向散射的光線比入射光更強,而且是非線性的增強關係。

討論散射時,(顆粒)大小很重要

大氣層中的空氣分子大小約 1 奈米,遠小於可見光波長(360~760 奈米)。含有各種波長光線的陽光,進入大氣層、照射空氣分子,將發生瑞利散射:將光向四周散射。

單憑日常可見的瑞利散射,不足以造成籠罩加州天空的末世光景,還需要機緣巧合之下的米氏散射。

米氏散射的發生條件,是受照射粒子的直徑與入射光波長相近。

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野火懸浮微粒遠大於空氣分子,直徑可從 100 奈米分布至超過 2500 奈米。而直徑 300~1000 奈米的微粒能在大氣中懸浮最久,不易沉降或擴散離開大氣,具有從山野間長途飄盪至都會區的能力。

而可見光波長 360~760 奈米,恰好與都會上空的野火懸浮微粒直徑(300~1000 奈米)相近,達成米氏散射的恰當條件。

當懸浮微粒直徑與光波長相當時,米氏共振現象加強橘紅光向前散射,同時空氣分子的瑞利散射持續將藍綠光向周遭散射。因此在地面上的人們會看到更強的橘紅光、更少的藍綠光,在眼中交織出濃郁不祥的天色。

米氏共振的知識,不只能為我們驅除對橘紅天空的疑懼,還可能推進尖端科技發展。透過光與特定尺寸的粒子產生米氏共振,大幅散射/吸收光線,科學家得以操縱光學「非線性」,在訊號傳遞上超越既有科技。

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「非線性」的力量:米氏共振

「非線性」指輸入和輸出訊號之間的關係不呈線性。例如輸入訊號加倍,輸出訊號不變或暴增數十倍,都是非線性的表現。輸入和輸出訊號偏離線性關係的程度,就稱為非線性的大小。

具有非線性的媒介,經常成為資訊科技的核心元件。例如電晶體核心機制,就是透過電子訊號的「非線性」表現,來達到「以電控制電」的閘門效果。通常媒介的非線性愈大,作為閘門的效果會愈好。

臺大物理系教授朱士維團隊利用連續波雷射,測試不同材料、尺寸、形狀的奈米粒子,發現許多光學非線性現象,其中蘊含超乎預期地巨大的光學非線性。

朱士維團隊研究米氏共振與光熱光學效應(photo-thermo-optical effect)交織的情境,以操縱、擴大光學非線性。近十年來,他們已在自然通訊(Nature Communications)等重要期刊上發表多篇論文,領先國際。

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材料吸收入射光的能量,使溫度上升為光熱效應;材料的折射率因此改變,進而影響吸收或散射的程度則為光學效應。

米氏共振實驗則是操縱材料尺寸:高折射率材料縮小到約百奈米時,特定波長的入射光會因為共振效應,產生該材料原本不會發生的強吸收或強散射(即米氏散射),呈現新的光學特性。

金懸浮液的不同顏色大圖
不同尺寸金奈米粒子的懸浮液,發出從紫色到紅色的不同散射光。圖/Wikimedia

金、銀與電晶體中的矽,這些高折射率材料形成奈米結構後,不再呈現一般顏色。原本黃澄耀眼的黃金,以奈米結構照光,會呈現令人驚訝的紅或藍色光澤。

朱士維團隊發現,若以用矽製作成奈米方塊,可以透過長寬比例來調整米氏共振效果。某些尺寸的矽晶體會有特別強的吸收,光熱效應更加明顯,溫度劇烈上升,進而大幅改變折射率。

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單憑光熱效應,能提升奈米矽晶體的非線性 3 到 4 個數量級,透過米氏共振能夠再提升 3 到 5 個數量級。如此可以導致散射光頻率大幅偏離入射光,帶來巨大光學非線性。

如此一來,原本光學非線性微弱的矽,可以得到遠高於一般材料的光學非線性,而且僅需奈秒等級的反應時間,便能成為效率更勝電晶體的全光學開關(All-optical switch),在計算機中發揮光訊號閘門的功能。

儘管是半導體產業的最主要材料,矽製電晶體正面臨電路尺寸與運算速度的極限。若以光取代電子傳輸訊號,可能提升資料處理速度,縮減晶體尺寸,構成運算速度更快、體積更小的光子計算機。奈米矽晶體的光學性質是此實現趨勢的關鍵知識。

從扭曲中看見超解析影像:飽和激發顯微術(SAX)

光學非線性除了應用在全光學開關外,也可以應用在超解析顯微成像:飽和激發顯微術(SAturated eXcitation microscopy, SAX)。

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當雷射光聚焦掃描奈米粒子,其成像會呈現中心強周邊弱的高斯分佈。隨著雷射的強度升高,非線性現象會發生在散射光強度最高的中心位置,使映射出的影像扭曲變形。

光學非線性使觀測者無法看清顯微影像,但科學家找到了提升成像解析度的方法:辨別目標中心變形部分(非線性訊號)與周邊(線性訊號)的散射頻率差異。

SAX 顯微術的原理,是在入射光源中加上單一頻率 fm 的強度調變,若粒子與光之間只有線性效應,散射訊號將會展現出符合入射光的基頻 fm。

若非線性效應出現,散射訊號將會偏離線性、產生更高頻的諧頻訊號,經傅立葉頻譜轉換會出現 2fm、3fm 的高階諧頻。

若以「無線電波載送特定音頻」進行類比:入射光是無線電波,fm 是其載送的音頻。目標被此無線電波擊中後,散射出的音頻訊號頻率倍增;偵測此高頻訊號便能得知目標的位置。

在奈米層級,科學家藉由辨識基頻與高階諧頻的散射訊號,探測光學線性與非線性訊號的空間分布,將影像解析度提升到繞射極限以上。而且 SAX 顯微術毋須對樣本標記或染色,擺脫了多數當代超解析顯微技術的基礎需求。

Sax諧頻訊號可以大幅提升解析度
圖 1. 米氏共振說明。圖/朱士維博士

圖 1.(a) 中有兩顆金奈米粒子,其間距小於繞射極限,fm 訊號成像無法有效分辨兩者。SAX 的 2fm 高階諧頻成像,則可以分辨兩個奈米粒子的位置。而圖 1.(b) 呈現單顆矽奈米方塊,fm 基頻訊號成像較為模糊,SAX 的 2fm 成像縮小許多,解析度大幅提升。

光學技術新維度:移位共振

2023 年,朱士維與跨國學者合作,在米氏光學基礎上得到進一步發現:聚焦光斑(雷射聚焦形成的光點,laser focal spot)尺寸若與被照射的奈米粒子相近,調整光斑與奈米粒子的距離,會出現嶄新的共振型態,名為「移位共振」(displacement resonance)。

移位共振
圖 2. 移位共振說明。圖/朱士維博士

圖 2.(A) 展示了移位共振發生於立方粒子邊長(w)與移位(d)都接近聚焦光斑(FWHM)大小時。圖 2.(B) 則表現出寬度接近聚焦光斑大小的奈米矽粒子,會在距離粒子中心約一個雷射聚焦光斑寬度處,展現散射極大值。圖 2.(C) 以暗視野顯維術觀察奈米矽粒子,可以發現散射最強處位於粒子中心,符合米氏散射理論。若以高強度雷射掃描相同粒子,會發現最強散射位置在粒子周邊,得到如圖 2.(D) 的不同明暗分布,可以發展為光學開關的調控機制。

這一系列實驗以飽和激發(focused excitation)探索光學共振的新維度——移位(displacement)——以雷射光聚焦照射奈米粒子中心與其周邊,並觀察粒子與聚焦光斑尺寸、偏差距離的多種變化組合,探測產生新型共振的條件。

如前所述,光與奈米粒子的交互作用(吸收與散射)最強的配置,傳統認知上是以聚焦光斑對正奈米粒子中央,可以得到最明顯的散射。但是朱士維與合作團隊發現,特定大小的聚焦光斑與奈米粒子稍有偏差時,會檢測到意外的散射光極大值,而且散射位置並非粒子中心,而在偏移大約 100 奈米處!

利用「移位共振」的新現象,可以透過調整聚焦光斑,將光學開關從正向變成負向。利用百奈米的位移調整光學開關符號的可能性,是過往科學家從未想像的。

同時,實驗團隊也發現吸收效率也受移位共振影響,將聚焦光斑與奈米粒子中心錯開,可以得到最高效率的光熱效應。此知識將有助於加速奈米矽晶體的光學非線性反應速度。

從懸浮粒子帶來的奇幻天色、毋須螢光標記的飽和激發顯微術,到可能構成超快光子計算機的全光學開關;隨著實驗與材料製備技術的進步,光學脫離了「落伍物理學」的蒙塵櫥窗,再度為人類照亮科技進步的可能性。

  • 《物理雙月刊》:「用光控制光」:以奈米材料大幅增強光學非線性
  • SMC 資料庫:「森林大火為什麼會導致天空變成橘紅色?」專家 QA
  • Y.-L. Tang, T.-H. Yen, K. Nishida, C.-H. Li, Y.-C. Chen, T. Zhang, C.-K. Pai, K.-P. Chen, X. Li*, J. Takahara*, and S.-W. Chu, “Multipole engineering by displacement resonance: a new degree of freedom of Mie resonance” Nat. Comm. 14, 7213 (2023)
  • S.-W. Chu, T.-Y. Su, R. Oketani, Y.-T. Huang, H.-Y. Wu, Y. Yonemaru, M. Yamanaka, H. Lee, G.-Y. Zhuo, M.-Y. Lee, S. Kawata, and K. Fujita, “Measurement of a Saturated Emission of Optical Radiation from Gold Nanoparticles: Application to an Ultrahigh Resolution Microscope,” Phys. Rev. Lett. 112, 017402 (2014).

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顯微觀點_96
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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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