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水下滑翔機 Seaglider 帶回精細水文資料,發現黑潮結構跟千層糕很像

科技大觀園_96
・2021/07/10 ・2636字 ・閱讀時間約 5 分鐘
Seaglider(水下滑翔機)是臺灣新引進的水下研究設備,一台售價超過 650 萬,沒有動力裝置卻能潛入 1,000 公尺的深海中,帶回寶貴的水文資料。圖/臺大海洋所提供

在科技部補助下,臺灣大學海洋研究所在 2016 年購入全臺第一台 Seaglider ,沿東部海域進行黑潮斷面量測,傳回水文(海水溫度、鹽度)、溶氧量、螢光(可換算葉綠素濃度)、光背散射(藉由光散射的狀況推估海水的濁度)等參數資料,發現黑潮洋流底下「水團層疊」的特殊現象。研究成果 2019 年發表於 Nature 系列期刊《Scientific Reports》,是黑潮研究的重大里程碑。

臺大海洋所所長詹森表示, Seaglider 是以鋁製壓力殼幫浦將油灌入尾部的囊袋、增加體積與浮力來控制機體上浮;並藉由內部電池的移動來調控重心,當電池向前後左右移動時,便能改變 Seaglider 俯仰和滾動角度,使之順著海流滑翔。

Seaglider 調控浮力的機制,是藉由油囊來調整機體的體積。圖/臺大海洋所提供

Seaglider 會依指令起伏遊走於表面到 1,000 公尺深的海域,並在下潛和上浮的過程中,收集海水的各種參數資料,然後在浮上水面時,透過衛星傳輸水文剖面資料和接收指示。一天約可起伏四至五次,每次橫跨大約 5 公里的水平距離。

Seaglider 第一次在東部海域進行黑潮觀測的路徑圖。圖/臺大海洋所提供

三年前 Seaglider 第一次出勤,在 87 天內跑了 2,095 公里,下潛至 1,000 公尺的次數達 434 次,傳回密集且詳細的水文等海洋剖面資料。詹森表示,以往海研船無法進行這麼多點測量,因此觀測站之間的狀況僅能推估。 Seaglider 能補充觀測站之間的數據,協助研究團隊剖析黑潮精細的水文結構,進而清楚描繪 500 – 800 公尺深的黑潮裡水團層疊的現象

海研船(上圖)與 Seaglider(下圖)觀測鹽度的解析度差異,從左上跟下圖上方的黑點可看出海研船的觀測點比 Seaglider 少很多,鹽度分布的解析度也差很多。圖/臺大海洋所提供

攪不開的水——黑潮千層糕的秘密

一般認為兩個水團相遇,應該會馬上攪和在一起,成為新的水團後密度變大而下沈,這叫「混合增密」現象。但黑潮裡的情況不全然是這樣,詹森表示,研究團隊發現黑潮中密度相同的高溫高鹽水和低溫低鹽水相遇,會產生不同水團交錯層疊的情形,也就是低鹽水與高鹽水層上下交錯出現,如同「千層糕」一樣,每層最厚大約 50 公尺,水平範圍大約 10 – 100 公里。

紅圈處為黑潮裡不同鹽度的水互相層疊的狀況,可以看到深淺顏色夾雜在一起,每層水最厚達 50 公尺,最大範圍可達 100 公里。黑色曲線是 Seaglider 記錄的鹽度變化,顏色代表鹽度分布。圖/臺大海洋所提供

千層糕在學術上稱為「interleaving」(層疊現象),詹森解釋,發生這種現象的環境大都是在海水擾動不劇烈,且兩團密度相似但溫度和鹽度不同的水交會,黑潮匯聚南海、北赤道洋流、菲律賓海等三種水團的海水,由於成分複雜,常有各種水團相遇的狀況。 發生層疊現象的原因,是因為物理上溫度擴散比較快,使得兩團水的溫度先混合,但鹽度尚未混和,高溫高鹽水溫度下降、密度提高而跑到低溫低鹽水下面,出現水層互相穿插的現象,是一種以「雙擴散」為主造成的現象。

產生千層糕水文結構的示意圖,當溫度混合比鹽度快時,高溫高鹽水因溫度下降,密度提高而發生「鹽指現象」,造而圖中的初始擾動向左右兩方成長,進而導致黑潮中層水有千層糕的水文結構。圖/臺大海洋所提供

黑潮的千層糕並不平整,會視對流狀況不同而偏向不同方向。在一般人眼中千層糕或許只是個有趣的現象,但水層結構變化對黑潮中層水的環境影響大,連帶會影響營養鹽分布、生物生長和氮氧磷等化學物質合成和分解,是一環扣著一環呢!

千層糕的另一個貢獻在於「校驗數值模型」,詹森解釋,研究氣候變遷或海洋生地化反應都要奠基於準確的觀測數據,透過 Seaglider 直接量測的資料,可跟其他預報資料比較,確認預報資料的準確度。

越深入研究,越無法確認黑潮位置

「黑潮的變化比想像中大太多!」詹森表示, 2012 年以前臺灣未長期、系統性的觀測黑潮,起初他也只是抱持著「擴增資料庫」的心情,蒐集相關黑潮相關數據,但研究下去,才發現黑潮的樣貌和變動跟教科書描繪的很不一樣。 

黑潮並不是一條由南而北的穩定洋流,它的流速、方向和鹽度變化很大。以往我們認為黑潮冬季離臺灣東岸較近,但其實有時也會出現黑潮離岸較遠的狀況,且每一年的情形都不同,很難找出一個模式來完整解釋它的變化。

Seaglider 幫助研究人員探索黑潮。圖/fatcat11 繪

造就黑潮捉摸不定的是太平洋裡的「中尺度渦旋」,我們可將中尺度渦旋視為風力和直徑比颱風小的渦旋,有逆時針轉和順時針轉。以人造衛星看海平面高度,再輔以數值模型推算,可看到渦旋常常在中太平洋長出來,然後向西移動撞向臺灣東岸,這一撞誰是黑潮、誰是渦旋就搞不清楚了! 

「黑潮的變動量說不定可以達到其長時間平均值的一半以上!訊雜比這麼高,難怪做得越多,看到現象越多,困擾也越多。」詹森苦笑著說,未來還有許多黑潮之謎值得去解開。

Seaglider 是海洋研究的利器。圖/臺大海洋所提供

「 Seaglider 是海洋研究的利器,對長期和深海的資料蒐集相當有幫助。」詹森表示,水文、溶氧量等資料用 Seaglider 觀測的 CP 值很高,海研一號出船一天需要新臺幣 40 萬元的人事費與油錢,且每次的船期少有兩週以上,由此可知,能在海中長期觀測的 Seaglider 所帶來的研究效益極大。 

他建議,海洋研究可以考慮添購 Seaglider 。臺大海洋所團隊 2019 年加入「國際合作全球海洋邊界流觀測網」(BOON),計畫每年以兩台 Seaglider 接力從墾丁外海出發游到呂宋島北方海域,再朝北以「之」字型航線來回橫過黑潮往下游跑,觀測期長達三至四個月。相信 Seaglider 可以帶回更加豐富的資料,充實我國的海洋研究內容與深度,並與全球海洋研究接軌。


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科技大觀園_96
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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 ・3083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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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)