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「休士頓,我們發霉了!」NASA的最低個人衛生實驗—《打包去火星》

貓頭鷹出版社_96
・2012/08/14 ・3298字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 494 ・六年級

洛威最出名的身分是阿波羅十三號的指揮官,就是出問題的那個太空人。就像湯姆漢克斯演的電影那樣,一個氧氣槽在前往月球的途中爆炸,切斷指揮模組的電力,迫使洛威和兩位隊員必須在氧氣、飲水和熱能都有限的情況下,在登月艇裡蹲四天。四十年來,大家都一直和洛威說:「我的天哪,你們真悲慘。」我也這麼跟他說,但我指的不是阿波羅十三號的意外,而是雙子星七號。在這次任務中,兩個大男人共處了兩周,都沒洗澡,也沒換過內衣。他們穿著壓力裝,待在一個小到洛威連腿都伸不直的座艙裡。

雙子星七號在 1965 年 12 月 4 日升空,是為了阿波羅登月計畫進行的醫學演習。從月球來回需要兩周時間,但沒有太空人曾在零重力下待過這麼長的時間(NASA 當時的紀錄是 8 天)。如果有任何醫療緊急事故可能會在飛行的過程中發生,譬如說第 13 天之類的,飛行醫師寧願在太空人離地球三百公里的時候就知道可能發生的狀況,而不是等他們到了三十萬公里外才發現。

穿著太空裝擠在金龜車前座大小的空間裡兩周也令人憂心,因為這可能是無法忍受的狀況。凡事小心翼翼的 NASA 提議讓洛威和他的隊員鮑曼在雙子星七號的模擬艙裡進行即時模擬——為了演習做的演習。鮑曼在NASA 的口述歷史中說:「直挺挺地坐在地球上一張噴射椅上十四天?我們馬上就將這個提議打了回票*。」

  • *注:鮑曼有時候很容易生氣。根據洛威的說法:「不管在哪裡,和鮑曼相處兩周都是一種試煉。」

事實上,這麼愚蠢的事根本不用做,因為俄亥俄州的萊特派德森空軍基地已經在進行類似的蠢事了。從 1964 年 1 月到 1965 年 11 月,航太醫學研究實驗室利用八二四號大樓裡的鋁製太空艙模擬器,進行了九項「最低個人衛生」的實驗,其中就包括兩周的雙子星七號模擬。航太醫學研究室的人不會亂來。他們最低的定義是「不洗澡、不用海綿擦身體、不刮鬍子、不修剪頭髮和指甲……不換衣服和床單、不合格的口腔衛生、非到必要不擦拭」,持續時間依照實驗要求從兩周到六周不等。有一組受試者穿著太空裝、戴著頭盔,生活與睡覺四周。他們的內衣和襪子全毀了,要全部換掉才行。「因為體臭太噁心,受試者丙必須在戴頭盔不到十小時的時候,把頭盔先拿下來。受試者甲和乙在這之前早就把頭盔拿下來了。」結果沒有用。拿下頭盔後,體臭「無法遏止地從太空裝的頸部飄散出來」,根據乙在第四天的形容,整個情況「恐怖極了」。這解釋了為什麼鮑曼在雙子星七號第二天的任務紀錄裡,問洛威有沒有衣夾。因為他打算拉開太空裝的拉鍊了。(他對困惑的洛威解釋:「夾你的鼻子用的。」)

另外一組受試者所在環境的溫度被調高到攝氏三十三度左右。雙子星七號的模擬團隊不僅得日夜穿著太空裝兩周,還同樣必須和太空船上的廢棄物收集系統奮戰,洛威和鮑曼很快就會吃到這個系統的苦頭。

為了將骯髒的程度量化,空軍基地科學家會帶這些人——大部分是附近帝騰大學的學生——去活動式淋浴間輪流淋浴,收集流出來的水做分析。布朗是負責模擬太空艙的主管。模擬太空艙的正式名稱是「維生系統評估所」,一般稱為「那個房間」。奇怪的是,布朗記得大家對於淋浴的抱怨最多,因為水不夠熱。他說:「他們不想讓熱水把皮屑煮熟了。」他說的這幾個字聽起來怎麼都不像應該連在一起講。

這個計畫對於受試者來說這麼難受,對研究人員來說也不像玫瑰花瓣那麼浪漫。多虧了他們反覆地嗅聞,才能找出結論:「體味最重的是腋下、鼠蹊部,以及雙腳。」

腋下(胳肢窩)和鼠蹊部能拿到前兩名是因為那裡是身體內分泌汗腺分布的部位。使身體冷卻的外分泌汗腺主要分泌水分,但內分泌汗腺會產生混濁黏稠的分泌物,被細菌分解後就會產生所謂的狐臭。我不知道該怎麼說,或是這對我有什麼啟發,但我從來沒有在陰部發現狐臭。當然是有氣味,但不是狐臭。我問賓州大學的皮膚科醫生兼體味研究員萊登這件事,他證實鼠蹊部有分泌腺體的說法,並且堅持那邊也有類似的味道:「只是沒有那麼容易發現,因為那裡距離感覺器官很遠。」所以我決定就隨他去吧。

內分泌腺體和自律神經系統是一國的,所以恐懼、憤怒和緊張時都會引發大量的分泌物。(測試除臭劑的公司稱之為「情緒汗」,藉此和因為氣溫所誘發的汗液做出區別*。)被綁在升空的火箭上,應該就是萊登口中會「讓這些腺體鞠躬盡瘁發揮所長」的情況。我在電話中問洛威,他記不記得在他們海中降落後,打開雙子星七號艙門的蛙人說了什麼。

  • *注:這就是為什麼有些除臭劑和止汗劑的效果測試會包括「情緒採集」。一群受試者坐著,腋下夾著吸收分泌物的墊子,然後他們會被迫在大家前面唱卡拉OK或說話。接著這些墊子會被拿去秤重,並由專業的氣味評審將腋下的氣味評分。我曾經為了寫體味的文章而受邀參加擔任客座評審。有人跟我說:「用力湊過去聞啊。」

他說:「你研究的是太空飛行裡很不尋常的層面。」他不記得蛙人說了什麼,但他倒是記得打開阿波羅艙門的人說:「太空艙裡有一陣風吹出來,聞起來……」此時洛威發揮了他的優雅本能:「和外面的新鮮海風不一樣。」

腋下的汗水是細菌的食物,也是寄宿的位置。外分泌的汗水大部分是水分,提供細菌生存所需的滋潤。蛋白質豐富的腺體分泌物則是細菌二十四小時的餐廳。(雖然外分泌的汗水不是細菌的食物,但當中的元素分解後也是萊登所謂「大餐的一部分,如果你接受的話。」只是汗水的比較淡,像是更衣室的味道。)

腋下其實也不如看起來的那樣是細菌天堂。汗水具有天然的抗菌特質,雖然它們不是讓皮膚無菌,但至少會抑制細菌生長。這可能是為什麼空軍基地那些男孩子的臭味會到達高原期,而不是會隨著時間愈來愈嚴重。技術報告說明人的體味在七到十天時會「達到最高峰」,接著開始消退。用高度來描述氣味感覺是很奇怪的特性,但在這個情況下,你也很容易想像氣味具有一些物理性質,會愈來愈高,可能還會長出頭、四肢,還有羽毛。

蘇聯太空生物學家切尼高夫斯基在 1969 年自己進行了限制淋浴的實驗,而且還計算了細菌群落。受試者腋下與鼠蹊部的細菌數量大約在第二到第三周左右達到高原期,此時大約是剛洗完澡的皮膚上群落數的三倍左右(除了腳*和屁股,這兩個地方大約是七到十二倍)。海軍研究也有類似的結果,其中有些受試者的細菌數甚至在兩周後開始下滑。

  • *注:腳底和腳指間是細菌的麥加聖地,因為所有的汗水和死皮(繭皮)——數量多,樣式也多。有一種專吃死皮的細菌叫做短乳酸桿菌,會分泌聞起來像熟成乳酪的化合物。不過應該說一些熟成乳酪聞起來像臭腳一樣比較準確。做乳酪的人會固定為他們的作品注射短乳酸桿菌。

另外一種氣味高原期的解釋是,因為人類的體味已經重到沒有人可以判斷臭味是否增加。韋伯定律可以解釋。偵測特定氣味(或聲音或感知)改變的門檻會依照背景氣味(或聲音或感知)的強度而有所不同。假設你在一間吵鬧的餐廳裡,如果噪音程度上升幾分貝,你是無法分辨的;假設這個房間一直很安靜,那你很容易就發現變吵了。如果有人的腋下已經吼了好幾天,你就很難判斷他們是不是又吼得更大聲了。萊登舉他目前在大學擔任划船手的兒子為例。有一年,划船隊決定一直穿著同樣的划船制服,直到他們輸了比賽為止。

「結果他們是那一年的全國冠軍。你根本無法接近那艘船,那裡的氣味可能已經達到高原期,但對我來說就是一直非常可怕。」

到了最後,腦袋會停止追蹤身體的氣味。用萊登的話來說,「有點像『我已經不用提醒你了』。」對於參加航太醫學研究實驗室二十天不洗澡的阿波羅模擬測試的受試者來說,這個臨界點很不幸地直到第八天才出現。

NASA 如果把體味嗅覺喪失列入太空人必須具備的特質之一,應該會很不錯。組成狐臭的重要分子是三甲基二己烯酸與雄烯酮,有些人天生就聞不到其中之一,或是兩種都聞不到(也就是嗅覺喪失)。萊登說:「你有沒有這種經驗:和某人搭乘電梯時,你心想:『他怎麼會臭成這樣?』那可能是因為他對自己的氣味喪失了嗅覺。如果你沒有這種經驗,你可能就是走進電梯裡,被人家懷疑的那個人。」

《打包去火星》太空衛生篇

(全文未完)


 

摘自《打包去火星:太空生活背後的古怪科學》第十章 〈休士頓,我們發霉了——太空衛生與為了科學不洗澡的男人〉。本書由貓頭鷹出版社出版,獲2012年8月PanSci選書推薦

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貓頭鷹出版社_96
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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。

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一見如故,其實是一「聞」如故?「氣味」相投有科學根據,原來我們會用嗅覺交朋友!
Bonnie_96
・2022/07/18 ・2712字 ・閱讀時間約 5 分鐘

有想過人跟人到底是如何變得親近,甚至變成朋友嗎?或許,你會猜可能是有共同話題、類似的喜好等。但最近發表在《Science Advances》的研究[1] 就指出,人更有可能和自己「氣味」類似的人建立關係。

難道科學根據真的可以應證「氣味相投」?

阿寶與他最好的朋友老皮。圖/GIPHY

任何有遛過狗勾的人就知道,狗通常在遠處就可判斷出接近的狗是朋友還是敵人。如果還是有點猶疑的話,它們也會在遇到彼此時,停下腳步、更仔細地聞對方,再決定是要主動示好一起玩,還是對著彼此狂吠。

不只是狗狗,目前也有越來越多的證據發現,人類也會不斷地去聞自己[2][3] 和彼此[4] 的體味。而聞到朋友的體味和自己的體味會引發相似的大腦活動模式,但如果是聞到陌生人的體味,則會引發邊緣恐懼型大腦反應[5] (limbic fear–type brain response)。

為什麼有些人明明認識不久,卻可以一拍即合?

一般來說,在生活中常見的友誼型態有:

  • 隨著時間推移,彼此變得更熟悉、感情也變得更穩固的「多年好友」。
  • 偶爾,還是會出現那種見不到幾次面,但是一聊就很投緣、「一拍即合的朋友」。
美國情境喜劇《六人行》(Friends),劇情圍繞著六個好友在紐約曼哈頓的日常生活。圖/IMDb

除了共同話題、共同朋友等,能讓彼此在不是很熟悉的狀況下就能一拍即合外,還有哪些其他因素在悄悄影響我們嗎?這成為魏茨曼科學研究所(Weizmann Institute of Science)的研究人員 Inbal Ravreby 最感興趣的問題。

即便大家都知道,人們傾向選擇與自己外表、背景、價值觀,甚至在大腦活動等指標上與自己比較相似的人,進一步發展成為朋友。Inbal Ravreby 過去在研究上觀察的結果發現,人會不斷地聞自己,儘管大部份是下意識的,而且不只會聞自己的,也會下意識地去聞別人身上的氣味。

她提出假說:比起多年好友的關係,「氣味」在一拍即合的友誼中作用可能更加明顯。

當人下意識地聞到自己和他人的體味,並且比較這兩種味道後,接著將被那些氣味和自己類似的人所吸引。也就是說,研究者提出「人在體味的相似性,可能有助於快速建立友誼」的假說。

看到目前為止是不是覺得有夠神奇的!所以,下次要認識新朋友之前,雙方要花個幾分鐘來聞一下彼此的味道,再決定要不要當朋友,或是大腦會響起「以後別做朋友」的警鈴。(歪)

事不宜遲,直接切入實驗

為了驗證假說,研究者招募了一群「一拍即合成為同性朋友」的參與者,在他們身上蒐集了體味樣本,並進行了一系列實驗,把將這些體味樣本和隨機從不同人中蒐集而來的樣本,進行比較。

在一項實驗中,研究者想知道一拍即合的朋友間,體味是否存在化學上的相似性。於是,他們找來 20 位一拍即合同性朋友的參與者,為了讓他們身上的氣味不受其他因素影響。

實驗者要求參與者都要使用同款沒有香味的肥皂,而且要穿著至少 6 個小時的襯衫。其間,要避免使用乳液,除臭劑,止汗劑,香水,古龍水等,也不能吃會影響氣味的食物,像是咖哩、大蒜等。甚至,還要防止其他人或寵物和參與者一起睡等。

隔天再把穿過的衣服放在夾鏈袋中密封,就是為了避免和其他氣味接觸。之後再透過類似電子鼻(eNose)的設備 ,來評估氣味的化學特徵,並預測完全陌生個體間的社交互動品質。

PEN3 eNose 電子鼻用於測量罐中上衣累積的揮發物。圖/參考資料 1

不只檢測氣味的化學相似性,研究者也會請參與者聞過 40 種體味(20 種來自一拍即合朋友的氣味;另外 20 種則是來自隨機個體),並且按照視覺類比量表(Visual Analogue Scale,簡稱 VAS)對「愉悅」、「性吸引力」等面向進行評分。以及,按照這些氣味從「不同」到「相似」進行評分。

在這兩種實驗就發現,一拍即合朋友的氣味明顯比隨機陌生人比起來會更相似。對此,這有三種解釋的方式,第一是可能和假說一致,也就是這種相似性可能和友誼建立的原因有關。

或者,這種相似性可能某程度上是長期友誼的結果,像是生活在同一地區、飲食習慣等都很相近。最後,我們承認這種相似性可能和一些獨立且未知的因素有關,這樣的未知因素也可能反過來推動友誼。

接著,研究者想要排除具有體味相似性是一拍即合朋友的結果,像是朋友有類似的飲食習慣,也就可能形塑出類似的體味。

即使不說話,你也可以「聞」到朋友

為了解決這樣的問題,研究者進行了一組額外的實驗,她透過 eNose 讓彼此完全陌生的參與者,要求他們成對進行鏡子遊戲。這個遊戲不能透過語言,只能透過肢體的方式,模仿出對方的動作。

受試者在進行鏡子遊戲期間,桌子上的隱藏攝影機會拍攝記錄。圖/參考資料 1

以鏡子遊戲來形成對對方的印象,只透過非語言互動,不容易受到聲音、對話內容等因素影響。在非語言的互動結束後,參與者被要求評估對另一個人的喜歡程度,以及和他們變成朋友的可能。

隨後分析表明,具有更多積極互動的參與者聞起來的味道更像彼此。

事實上, Inbal Ravreby 和統計學家 Kobi Snitz 博士以 eNose 數據輸入計算模型後,就有高達 71% 的準確率,能預測雙方會否出現正向的社會互動。換句話說,體味的分析似乎可以預測陌生人之間社交互動的品質。

這篇研究蠻有趣地打破我們習以為常地認為共同話題、興趣等是建立關係的關鍵,但其實體味、氣味在建立一拍即合的友誼上扮演重要角色。

但在現實生活中,不管是使用洗髮精、沐浴乳等所帶有的香味,甚至是香水等,都可能影響人的體味,這會不會改變人與人建立關係的可能性,或許也是未來值得探討的議題。

圖/GIPHY

參考資料

  1. Ravreby, I., Snitz, K., & Sobel, N. (2022). There is chemistry in social chemistry. Science advances, 8(25), eabn0154. https://doi.org/10.1126/sciadv.abn0154
  2. O. Perl, E. Mishor, A. Ravia, I. Ravreby, N. Sobel, Are humans constantly but subconsciously smelling themselves? Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 375, 20190372 (2020).
  3. S. C. Roberts, J. Havlíček, B. Schaal, Human olfactory communication: Current challenges and future prospects. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 375, 20190258 (2020).
  4. I. Frumin, O. Perl, Y. Endevelt-Shapira, A. Eisen, N. Eshel, I. Heller, M. Shemesh, A. Ravia, L. Sela, A. Arzi, N. Sobel, A social chemosignaling function for human handsinging function.eLife 4, e05154 (2015).
  5. J. N. Lundström, J. A. Boyle, R. J. Zatorre, M. Jones-Gotman, Functional neuronal processing of body odors differs from that of similar common odors. Cereb. Cortex 18, 1466–1474 (2008).
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看不見的歐若拉——物理學家解釋火星上極光的成因
Ash_96
・2022/07/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

極光。圖/envato elements

形成極光的要素有三,其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場,可以在兩極地區生成北極光和南極光;然而,火星沒有覆蓋全球的磁場,因此火星上的極光並非出現在兩極,只能在特定區域生成。

近期,愛荷華大學領導的研究團隊,根據美國航空暨太空總署(NASA)火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器的數據,確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成

極光三要素:大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前,讓我們先把鏡頭轉到地球,談談地球上的極光在哪裡形成,以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區(auroral oval),涵蓋北極與南極地區,但並非以兩極為中心;換句話說,極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外,極光橢圓區的寬度與延伸範圍,會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引,沿著磁力線加速往高緯度地區移動,最後和大氣中的原子碰撞時,就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述,可以得知極光的三個要素是:大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」,若屬於可見光波段,就能用肉眼觀測,並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍,綠色區域則為極光橢圓區。圖/National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前,得先介紹它的幕後推手——行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)。IMF就是太陽風產生的磁場,在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化,並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢?當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播,會同時拖曳太陽的磁力線一起離開;太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子,讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話,太陽就像是在轉盤上的蛋糕,太陽風粒子就是擠花裝飾;而當蛋糕一邊以固定速度自轉,擠花逐漸向外擴散的同時,就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

因為太陽一邊自轉,一邊拋射太陽風的關係,IMF的磁力線會扭曲呈現如圖的螺旋狀。圖/維基百科
蛋糕的螺旋狀擠花。影片/Youyube

對太陽風和 IMF 有基本認識之後,讓我們把鏡頭轉向火星,談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說,火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層,強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態,導致大氣層的散失;該過程稱作濺射(sputtering),發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一,在 IMF 的作用之下,部分的離子會環繞磁力線運動,隨著 IMF 移動而被帶離火星;另外一部份的離子則像撞球一般,撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子,引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明,根據團隊研究的成果,太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離,並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素(質子數相同,但是質量不同的元素)以氬-38 以及氬-36 為主,後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比,Jakosky 的團隊推估火星約有 65% 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形;其中又以二氧化碳為焦點,畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在,而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

火星的大氣層因為太陽風的濺射效應逐漸被剝離。圖/NASA

接著,讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢?這要先從行星發電機理論開始說起,該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例,地核內部保留了地球形成初始的熱能,約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵,因為密度下降而上升至地核頂端,接觸到地函時,這些液體會喪失部分熱能而冷卻,因為溫度比周圍環境低,密度變高而下沉;如此不斷的熱對流循環下,讓帶有磁力的流體不斷運動,進而形成電磁感應。另外,科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向,產生螺旋狀的流動效果,有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示,火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關,在火星形成之初散熱較快,造成火星外核液態鐵短時間內就凝固,無法像地球一樣,保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化,不斷從地核深處上升至地函,再冷卻下降,持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力,導致火星內部的發電機幾乎停止運轉,無法形成全球的磁場。話雖如此,火星仍然具備小區塊的磁場,主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

行星發電機理論中科氏力影響行星地核內熱對流的導電流體偏向。圖/Wikipedia

磁層與大氣層相互依存,火星在太陽風不斷吹襲之下,大氣層愈趨稀薄;火星內部又缺乏發電機的動力,無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護,就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢,因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣,看似缺乏極光形成要素的火星,又是如何形成極光的呢?

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護,但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡,磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用,滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」,與地球上常見的極光不同,有些發生在人眼看不見的波段(比如紫外線),所以也更加提升了觀測難度。

那麼,研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢?那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀(Imaging Ultraviolet Spectrograph,IUVS)!

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家,他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果,比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場(IMF)強度、時鐘角和錐角[註 1] 以及火星上極光的紫外線,發現在磁場較強的地殼區域內,極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向;反之,區域外的極光發生率則與太陽風動壓(Solar Wind Dynamic Pressure)關聯較高,但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到,在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內,當 IMF 的時鐘角呈現負值,如果正逢火星的傍晚時刻,較容易觀測到離散極光;也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯(Magnetic Reconnection)——意即磁場斷開重新連接後,剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量(如動能、熱能等)加以釋放,例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向:移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關,而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料,也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果,主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光;以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想,火星是目前人類圓夢的最佳選擇;但是在執行火星移民計畫之前,火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護,生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果,科學家們將發掘新的突破點;期許在不久的將來,我們能找到火星適居的鑰匙。

  • 註1:IMF 的時鐘角(Clock Angle)與錐角(Cone Angle)

如何判定 IMF 的角度呢?因為磁場空間是立體的關係,我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念,來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上,IMF 方向與 Z 軸的夾角;而錐角則是在 X、Y 平面上,IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

IMF 時鐘角和錐角示意圖。圖/ResearchGate

參考資料

  1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
  2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
  3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
  4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
  5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
  6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫
  7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的?物理學家有新發現,帶你揭秘
  8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平
  9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的? 科學家解謎
  10. BBC News 中文。北極光:美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理
  11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風
  12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖,證實火星有磁場。科技新報。
  13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集
  14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
  15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
  16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.
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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!
椀濘_96
・2022/05/04 ・3086字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?
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椀濘_96
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