Loading [MathJax]/extensions/tex2jax.js

2

7
2

文字

分享

2
7
2

什麼是「視差」?為何它讓古天文學家以為地球不會動?——天文學中的距離(二)

ntucase_96
・2021/10/08 ・2728字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星

「視差(parallax)」是天文學家常用來量測距離的好工具。藉由視差,我們得以精準的量測地球到太陽的距離,再更進一步量測周遭恆星的距離。目前直接量測距離的方法中,視差是能量測最遠的一種,目前的極限大約是 1 萬光年。天文學家利用視差的概念已經很久了。然而在中古世紀,視差量測的結果卻讓當代的天文學家得出了「地球不會動」的結論……

圖/Pixabay 

太陽的距離:金星凌日、視差法

前作〈天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽〉提到,我們可以在金星凌日的時候,藉由「視差(parallax)」來量測地球與金星的距離,並間接得到太陽的距離。「視差」就是「因為觀察位置不同,讓看到位置也不同」的現象。讀者們可以試試看,伸出一隻手指頭比個「1」、放在眼前大約 50 公分左右的地方。接著兩眼輪流交替閉上。如果讀者們真的有照做的話,應該會發現手指頭相較於背景來回大幅度地跳動。仔細觀察的話,會發現背景並不是不動,只是幅度很小而已。

圖 1:視差示意圖。隨著觀察位置的不同,不同距離的物件看起來相對位置會不同。近距離的物件差異會比較大。圖/維基百科

從這個實驗我們得到幾個結論:(1)從不同的眼睛看出去,看到的物品位置會不同。這個現象就是視差;以及(2)距離愈近的東西,這個差異會愈大,也就是視差愈明顯(如圖 1)。我們可以根據這個視差的效果,來推算出物體的距離。

其實這也就是我們的眼睛判斷距離的方法!每個不同距離的物品從我們的左右眼看出去的位置差異不同。這兩個影像經過大腦判斷後,我們就可以得到距離的資訊。這也是 VR 實境立體畫面的原理。開發者先計算出每個物件在各自的距離下,兩眼會看到的視差效果。接著根據計算結果給予兩隻眼睛看到不一樣的畫面,我們的大腦就會自動合成出立體的圖像!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「兩個觀察位置的距離」稱為「基線(baseline)」,會影響視差的效果。一般而言,基線愈長,看到的視差就愈明顯。前面說到:「距離愈近的物品,視差會愈明顯。」換句話說,距離太遠的東西,視差就愈不容易觀察到。天文學家盡可能的把基線拉大,在兩個相距很遠的地方觀察天體,才能更精確的得到這些天體的距離。金星凌日發生的時候,科學家就是在地球找兩個相距很遠的地點做觀測,才有辦法測量出較為精確的金星視差,換算成金星的距離,最後計算出地球至太陽的距離。

鄰近恆星的距離:視差法……?

恆星當然也有視差了。提到量測恆星的視差,一定要提到 16 世紀著名的丹麥天文學家第谷.拉赫(Tycho Brahe)。當時還是個在爭論「地心說」、「日心說」的時代。他想利用恆星的時差來推論「地球到底會不會動」。如果「日心說」是對的,那麼隨著地球位置的不同,應該要看到恆星的視差。如果「地心說」才是對的,那麼因為地球的位置不變,不管怎麼觀察,恆星都不會出現視差。

在「日心說」的假設下,最遠的兩個觀察點是哪裡呢?可不是地球的兩端,而是「相隔 6 個月的地球」!可以想像,如果地球繞著太陽每一年繞轉一圈的話,那麼相隔 6 個月的地球會在太陽的兩端,這個間距可比地球的兩端大多了(見圖 2)!既然兩個觀測點是地球在太陽兩端,就代表基線(兩個觀測點間距)就是 2 倍的「日-地距(地球到太陽距離)」。用前面的方法得到的「日-地距」愈精確,那麼藉由視差法測出來到恆星的距離就能愈準。

圖 2。圖/網路天文館

為了精密的量測恆星的位置,必須要有非常良好的天文台。第谷可是丹麥的貴族啊!他直接花錢蓋了一棟天文台來量測、紀錄星星的位置,卻發現怎麼樣都量測不出恆星的視差。這代表了兩個可能性,一個是「地球不動」,另一個可能性就是「恆星太遠」。第谷認為,如果恆星真的這麼遠,而我們在地球上還是看得到的話,這些恆星未免太大了!他認為這不太可能,因此認定「地球不動」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

那到底哪裡出錯了呢?用一個簡單的例子來說明:「拿捲尺去量一張紙的厚度,當然怎麼量厚度都是 0 公分啊!」其實第谷的推論完全合理,量測不到恆星視差的原因真的就是因為「恆星太遠」,所以視差太小而無法看到。從現代的數據我們可以回推他當時的情況,太陽以外最近的一顆恆星是位於「半人馬座」裡的「比鄰星(Proxima Centauri)」,距離是 4.22 光年。產生的視差比第谷使用的天文台精密度還要更小了好幾倍!他所推估這些恆星的大小從現在眼光來看也非不合理,只是真的難以想像。

現在的我們有了更良好的儀器,已經可以靠視差來推算恆星的距離了。不過視差法曠日費時,倒也不難理解,畢竟要有好的基線要等半年啊……而且儀器的辨識率也是有極限的,目前視差法的極限差不多是 10 微角秒(1 角秒為 1/360 度) [2],相當於十億分之一度!換算成能量測到的距離極限,差不多是 1 萬 6 千光年左右。聽起來很多嗎?銀河系的直徑約 10 萬至 18 萬光年,這個距離極限連銀河系都看不穿。所以視差法雖然好用,但只能拿來測量鄰近恆星的距離(見圖 3)。

圖 3:哈伯太空望遠鏡所能精準定位距離的恆星範圍。內層是過去的極限約1,600光年,外圈是現在的極限,約10,000光年。雖然已經很厲害了,但其實連銀河系都還看不穿。圖/改自 NASA, ESA, A. Feild (STScI), A. Riess (JHU/STScI), S. Casertano (STScI/JHU), J. Anderson and J. MacKenty (STScI), and A. Filippenko (University of California, Berkeley)

視差法是直接量測距離的盡頭了。想要把銀河系看穿、想要知道銀河系中其他成員們的距離,我們得開始「間接量測」。先做出一些物理學上的假設,才能夠「猜」出距離。想要知道更遙遠的距離,則需要更多的假設,這個概念叫做「宇宙距離階梯(cosmic distance ladder)」。下一篇文章中,我們將帶大家進行恆星的「人口普查」,並且利用普查結果來得到更遙遠的距離。

  1. pixabay / martinklass
  2. wiki / Parallax
  3. 網路天文館 / 恆星的距離測量


本系列其它文章
天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
所有討論 2
ntucase_96
30 篇文章 ・ 1517 位粉絲
CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
環境共生的牆:冠軍磁磚如何幫建築降溫
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/08/29 ・4556字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文與 冠軍磁磚 合作,泛科學企劃執行

夏天早已不是可以輕忽的季節巨獸,就連位於中高緯度的歐洲也深受其威脅。然而,在德國漢堡,有一棟建築不僅不用付電費,還能自行發電,同時維持室內恆溫。它的秘密武器,不是屋頂上的太陽能板,而是長在牆壁上的「太陽能葉片」(SolarLeaf)

這面牆不是冰冷的水泥,而是一片片富有生命力的綠色面板,正式名稱是「光合生物反應器」。它由四層玻璃製成,僅 2 公分寬的玻璃空腔內,充填著 24 公升的微藻培養液。為了讓藻類保持活力,系統會定時從底部打入回收自鄰近設施的二氧化碳。產生的大量氣泡不僅提供光合作用所需的原料,還產生「氣舉效應」(airlift effect):向上浮力會帶動周圍的液體一起向上運動,產生液體流動、持續攪動培養液,就像為藻類進行 SPA 按摩,確保每顆藻都能均勻曬到陽光。

產生的大量氣泡不僅提供光合作用所需的原料,還產生「氣舉效應」(airlift effect)/ 照片:© Colt International、Arup Deutschland、SSC GmbH

在這過程中,微藻吸收日光,提供了動態的遮陽效果,並透過光合作用將能量轉化為可儲存的生物質。與僅能吸熱的水泥牆不同,這片牆真正「存住」了太陽能,同時避免城市熱島效應。更重要的是,這些反應器還能蒐集住家與周邊建築燃燒或煮菜所排放的二氧化碳,將其迅速封存於藻類體內。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

聽起來像科幻小說?別急,這才只是今天要介紹的第一種前衛建築。接下來,還有用真菌「種」出來的隔熱磚、會隨太陽軌跡跳舞的窗花,以及在台灣就能落實的降溫磁磚設計。在這些千變萬化的創新方法中,總有一款會讓你眼睛一亮。它們不僅節能省錢,更代表一種與環境共生的全新可能。

不只種藻,還能「種磚」

要讓建築自我降溫,科學家的靈感往往向自然界取經。前面提到的 SolarLeaf 是極致案例,但如果不想大動工程,也可以從「建材本身」著手。最常見的方法是鋪設隔熱磚,而有些科學家則做出更環保的版本,不是培養微藻,而是「種真菌」。

作法是先將稻殼、稻草、鋸末或紙漿廢料滅菌,去除雜菌後再將這些基材混入菌種,灌入特定形狀的模具。接著在攝氏 20~25 度、濕度控制良好的條件下,菌絲體便會自行生長,像一種有生命的「超級膠水」,分泌酵素分解廢料當作養分。並將它細長的纖維網絡穿透、包裹、纏繞所有廢棄物顆粒,把所有廢棄物緊緊地固化成一塊緻密的隔熱板 。整個過程約需 5 至 21 天。

這種材料的熱傳導係數介於 0.03~0.07 W/m·K之間,性能已能與常見的保麗龍板或礦棉相媲美。原因在於菌絲體本身是由真菌生長出的細長纖維所構成,纖維之間會自動交織形成一個三維網絡。當它「吃掉」農業廢料並填滿模具後,就會生成密實卻輕盈的纖維結構,材質類似「天然泡棉」,但更為堅固。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

想像一座由菌絲長出的「無限城」:熱能被困在層層彎曲的通道裡,難以迅速穿過。熱走得越慢,隔熱效果就越好。這種材料最大的優勢在於生命週期完整,它以廢棄物為食、生產過程低耗能,最後還能完全被生物分解,回歸大地。

菌絲體本身是由真菌生長出的細長纖維所構成,纖維之間會自動交織形成一個三維網絡/ 照片:©https://ecovative.com/

目前這項技術最成熟的應用來自美國 Ecovative Design 公司,他們利用大麻稈或玉米莖等農業廢棄物培養菌絲。2024 年,該公司啟動「鳳凰計劃」(The Phoenix),在加州奧克蘭打造一個含有三百間住宅的社區,外牆便採用這種菌絲材料。由於原料取得容易,只要有農業廢棄物與菌種,就能培養出建材,應用範圍從建築延伸到日常使用的包裝材料,潛力無窮。

生物混凝土:讓苔蘚在牆上自然降溫

藻類、真菌還不夠?那就再「種」苔蘚。

西班牙加泰隆尼亞理工大學的研究團隊開發出一種名為 「生物混凝土」 的創新材料,其設計宗旨在於支持苔蘚、地衣等微生物的生長。

這種材料是一個多層系統:第一層是結構層,也就是標準混凝土,負責承重;第二層是防水層,保護內部結構不受水分侵蝕;第三層則是最外面的生物層,經特殊處理的外層,其孔隙率和表面粗糙度經過調整,利於捕捉和保持雨水,為微生物的定殖提供一個理想的生活環境。 

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這個「活的」表面帶來多重效益:植被層本身形成了一層隔熱層,更關鍵的是,其保水能力使其可以透過蒸發冷卻(evaporative cooling)來主動降低牆體表面溫度,從而顯著減少建築的熱增益 。   

不過,從藻類到真菌,再到苔蘚,這樣住個房子還要考慮陽光、空氣、水,難道沒有更方便的方法嗎?

外牆乾掛系統:利用空氣與模組化磁磚實現隔熱

如果不想「種生物」,也可以透過工程手法和巧妙設計來降溫,那就是第四種方法「外牆乾掛系統」

它的原理,其實就是用了最便宜的隔熱材料:空氣。傳統牆壁中,磁磚是用水泥直接黏死,但乾掛系統透過金屬骨架,將外層飾面板「掛」在建築結構外,中間刻意留出一個連續的空氣腔。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
傳統牆壁中,磁磚是用水泥直接黏死,但乾掛系統透過金屬骨架,將外層飾面板「掛」在建築結構外,中間刻意留出一個連續的空氣腔 / 圖片來源:冠軍建材

為什麼有效?普通水泥的導熱係數約在 1.5–2.0 W/(m·K),而靜止空氣在標準條件下約 0.025 W/m·K,兩者相差了 70 倍。也就是說,傳統水泥建築在太陽照射下,熱量會直接傳入室內;而使用外牆乾掛系統的建築,就像多了一層隔熱盾,從一開始就將大部分熱量隔絕在外。這種方法的最大優勢,是不需研發複雜的新材料或製程,關鍵在於將瓷磚模組化,只要能安裝到外牆乾掛系統上,磁磚的樣式、顏色和種類也可以一樣多元。

在台灣,磁磚龍頭「冠軍建材」便推出了應用這原理的系統。該公司委託成功大學實驗室進行隔熱試驗,結果顯示:2 公分厚磚搭配特定乾掛工法,熱傳透率(U 值)可達 1.66 W/m²K,符合高性能綠建材 U 值需低於 1.8 的標準。這不僅能讓室內降溫約 4°C,空調用電還可減少 24–36%

屋頂同樣是最曬重災區。全球建築師常用屋頂綠化或太陽能板降低陽光的熱吸收,而冠軍建材提供更簡單的方法:將屋頂磁磚架高。他們的架高節能工法,採用義大利 ETERNOIVICA 架高器,將磁磚架高 15 公分。別小看這 15 公分,就能阻絕 90% 的熱傳導,並讓樓板降溫 15°C

這種降溫方式不影響美觀與安全性。冠軍建材推出了大理石、石紋等多種質感的磁磚,價格約為天然石材的 3 到 5 成。同時,其外牆乾掛節能工法也通過了17級風雨試驗、50 公斤多次撞擊測試,即便在地震、颱風頻繁的台灣,也能安心使用。產品具高抗折強度、低吸水率,可抵抗酸雨、風化等問題引起的剝落風險,並兼具耐火、防水、耐磨、防滑及易保養等優點。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
冠軍建材推出了大理石、石紋等多種質感的磁磚,其外牆乾掛節能工法也通過了17級風雨試驗、50 公斤多次撞擊測試。/ 圖片來源:冠軍建材

雖然不是生物建材,但冠軍製造的建材仍符合廢棄物減量(Reduce)、再利用(Reuse)及再循環(Recycle)的3R原則。他們在生產中使用廢陶瓷粒料、無機污泥及非有害廢集塵灰等回收料,並與大型建設公司合作回收工地廢磚。產品運至工地後,切割產生的邊角料亦會回收再利用。冠軍建材將永續理念融入生產,產品使用了50%的生產循環回收料、6.5%的廢陶瓷粒料與43.5%的天然原料,有效減少了廢棄物並降低碳排。

顛覆想像:三大建築降溫策略

到這裡,我們介紹的都是利用被動方式將熱量隔絕在外的方法。接下來,來看看幾種由工程師顛覆傳統想像、腦洞大開的「讓建築主動降溫的策略」。

1. 水源熱泵:讓水域成為建築的低耗電恆溫空調

第一個方法,是用更大尺度的環境系統來調節建築溫度—水源熱泵(Water‑Source Heat Pump, WSHP)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

想像一台超大的冷氣機,冷媒在密閉管路裡吸收室內的熱量後蒸發,再進入壓縮機被壓縮後凝結,並釋放熱量。依照熱力學定律,熱總是從高溫流向低溫,如果想要讓熱量逆向流動,就需要消耗能量。也就是說,當室外空氣溫度越高,要再把熱量搬到空氣中,就需要耗費更多電力。

工程師們想到,比起氣溫會隨季節劇烈起伏,水體的溫度相對穩定,冬暖夏涼。像河川、湖泊,甚至城市污水系統,都能當作一個大型的「散熱水冷排」。如果熱量不是排進空氣中,而是排進溫度較低的水中,需要消耗的電力就可以下降。

研究顯示,空氣源熱泵的性能係數(COP)約為 2.33,每消耗 1 焦耳的電力,可搬運 2.33 焦耳的熱能;而使用水作為冷卻源的水源熱泵的平均 COP 可穩定在 3.9左右,比空氣源熱泵高出 67%。更棒的是,水源熱泵不只在夏天吹冷氣省電,只要反過來運作,讓熱泵把熱量從室外搬到室內,也能在冬天開暖氣時幫你省電。等於整個水域都是我家的低耗電恆溫空調。

2. 動態遮陽外牆:讓建築自己追著太陽動

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

第二個方法,是讓建築的外牆自己能動起來。位於阿布達比的 Al Bahar Towers,它的整個外牆被超過1000個獨立的、傘狀的六角形遮陽單元所覆蓋,這些單元的設計靈感來自傳統伊斯蘭窗花「Mashrabiya」。

位於阿布達比的 Al Bahar Towers,它的整個外牆被超過1000個獨立的、傘狀的六角形遮陽單元所覆蓋 / 圖片來源:shutterstock

每個單元由 PTFE(聚四氟乙烯)面板構成,並由線性致動器驅動,整個系統由電腦集中控制,程式會追蹤太陽軌跡,在東、南、西向立面上,於最需要遮陽的時刻與位置提供蔭蔽。系統還配備感測器,在強風或陰天時自動收回遮陽單元以保護結構。

這套動態系統可減少超過 50% 的太陽熱增益,顯著降低空調負荷,使整體空調設備規模減少 20%,資本成本降低 15%,冷氣負載下降 15%,每年更能減少超過1750公噸的二氧化碳排放。

3. 電致變色智慧玻璃:光與熱量隨心控制

最後,概念相同但更簡潔的方法,那就是「電致變色智慧玻璃」(EC Glass)。這種內部,有一層由氧化鎢製成的電致變色層 。只需施加 3–5 伏特微弱電壓,玻璃中的鋰離子就會開始移動,改變材料的光學特性,讓玻璃從透明變成深色,進而阻擋陽光與熱量 。

它最大的優點,就是只有在「切換顏色」的那一瞬間才耗電,一旦固定在透明或深色狀態,耗電量就是零 。研究顯示,在炎熱氣候下,這種玻璃可以節省10%-58%的空調耗能 。

結語

從會呼吸的藻類牆、運用大地熱能的水源熱泵,到巧妙駕馭空氣流動的通風帷幕,以及能追蹤太陽軌跡的智慧窗花,我們可以看到,未來建築的趨勢已不再只是「遮風避雨」,而是一個個高度整合、能與環境互動的複雜系統。

展望未來,建築不太可能依賴單一技術主宰,而更可能透過多種技術的智慧整合,創造出更高效、可持續且環境友善的建築方案。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

0

7
2

文字

分享

0
7
2
水是從哪裡來的?改寫宇宙謎團:科學家揭露地球水源的真正來源!——《你的身體怎麼來的?》
商周出版_96
・2025/01/25 ・2808字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

彗星送水論?地球的水是從哪來?

想知道古地球如何得到水的行星科學家將矛頭指向大泥球。似乎數十億年前曾有彗星雨落下,為我們帶來大量的水。

但,彗星又來自何方?

科學家長期認為彗星誕生於比火星更遠的寒冷區域。一九九〇年代,學者更進一步認定大部分彗星已經被日益成長的行星吸收。然而荷蘭天文學家揚.歐特(Jan Oort)提出不同見解,主張可以有數以兆計的彗星在太陽系邊緣存活,它們距離行星太遠所以沒被重力拉扯,最終圍繞太陽系形成巨大球形外殼,現在將該區域稱為歐特雲。歐特雲的大量彗星可以填滿地球海洋,問題是它們太遠,是地日距離的數千倍,實在不大可能到得了。

揚·歐特認為彗星圍繞太陽系形成遠距離的歐特雲,雖然數量足夠填滿地球的海洋,但距離遠到不易抵達地球。圖 / unplash

於是又有研究者懷疑部分彗星在太陽系較內側存活,或許是土星軌道外,這樣也比歐特雲近了一千倍。然而僅僅停留在臆測,因為想要在那麼遠的地方找到直徑不過數十英里或更小的彗星太困難,大家沒有傻到去做這種嘗試。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

唯二例外是年輕的麻省理工學院教授戴夫.朱維特(Dave Jewitt)和他的研究生盧珍(Jane Luu)。裘伊特頭頂高聳,笑容可掬,性格充滿英國式幽默,父母是倫敦的工廠工人和電話操作員。童年時偶然在夜空看見流星勾起他對天文學的迷戀。

從天文學觀測到重水比例:揭開水的宇宙密碼

一九八五年,他突發奇想將新的數位型光感測器 CCD(譯按:感光耦合元件)連接到望遠鏡,藉此在太陽系遙遠角落尋找彗星這種小天體。朱維特認為我們看不見不代表不存在,但研究需要資金,只可惜多數人都不相信,所以計畫案一次一次被拒絕。三十多年後,回憶起當初遭受的輕蔑他依舊義憤填膺。「最常得到的回答是『無法證明計畫裡的測量實際可行』,」他說:「我的天,這是什麼蠢邏輯?整個計畫的意義就是去做一些以前沒做過的嘗試。就算最後真的不可行又怎麼樣呢,重點不就是得試試看嗎?」批判他的人可能陷入了「現有工具檢測不到就代表不存在」的認知偏誤,習慣性地假設科學家尚未找到就代表目標處什麼也沒有。

朱維特和盧珍拒絕放棄,偷偷從其他研究案借用望遠鏡時間尋找數十億英里外可疑的微小物體。

很長時間毫無收穫。一年又一年,然後四年五年六年。直到一九九二年夏夜,他們在夏威夷大島茂納凱亞天文臺工作。那時候他們心灰意冷,覺得五年多光陰白費了,卻沒想到忽然發現了非常微弱的光點。察覺這個點微微移動時,朱維特還暗忖「不可能是真的」,但它確實存在。兩人找到的天體位於海王星外的軌道,後來進一步證實那邊還有數百萬顆彗星。該區域被命名為古柏帶,淵源是最早提出此概念的荷蘭天文學家30,他在一九五〇年代就探討了這個可能(諷刺的是他本人不相信)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

科學家在古柏帶找到大量彗星,人體內的水看似已經確定來源。地球形成後不久,彗星從古柏帶,或許一部分從更遠的歐特雲抵達,送來覆蓋這顆行星表面的水。彗星堪稱飛行的冰山,攜帶的水量確實足以填滿地球海洋。理論很快得到多數人接納及傳播,謎題終於得到解答。

科學家認為古柏帶與歐特雲彗星攜帶的水,可能就是地球水源的來源。圖 / unplash

小行星的貢獻:來自太空岩石的生命之源

真的嗎?一九九五年,波瀾再起。亞利桑那州鳳凰城附近一場觀星派對上,輪到混凝土供應公司零件經理湯瑪斯.博普(Thomas Bopp)借用朋友的望遠鏡,他留意到視野角落有個模糊光點。同一天晚上,新墨西哥州克勞德克羅夫特村天文學家艾倫.海爾在家中發現同樣物體。這顆新發現的彗星,是有史以來見過最亮的,命名為稱為海爾─博普彗星。

翌年,戴夫.朱維特隨學者團隊返回茂納凱亞觀測站,這次以強大的電波望遠鏡觀測海爾─博普彗星。他們在海拔一萬四千英尺(約四千兩百六十七公尺)的稀薄空氣中每十三至十六小時輪班一次測量夜間光譜,試圖比較彗星中一種罕見的水形式比例是否與地球海洋相符。

或許有些人還不知道其實水分子有不同形式。大部分水由氫原子組成,核心只有一個質子。但還有別種水存在,由於重量多出一成所以稱為重水,其氫原子是同位素,核心除質子外還包含一個中子。重水很罕見,在地球海洋中每六千四百個水分子只有一個是重水。因此,茂納凱亞團隊準備測量海爾─博普彗星時原本很有信心會找到相同比例的重水,畢竟地球的水應該來自彗星。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

然而觀測結果並非如此。海爾─博普彗星重水含量是地球海洋兩倍。這就麻煩了,先前天文學家在哈雷彗星發現類似的高比例重水,當初只視為異常案例,然而後來在百武二號彗星又測量到相同數據。三次觀測結果一致成為難以忽視的證據,顯示彗星並不吻合地球海洋的水分子組成。

「天文學家對海爾─博普的觀測結果作何反應?」我問。

「嚇壞了。」朱維特的意思是指數據背後的涵義:「有點像新時代運動31的意識覺醒之類。」他笑了笑又說:「好像不該說這種話才對。」但顯而易見,學界頗受震撼,一夕間又不能靠融化彗星形成海洋了。雖然惠普爾沒說錯,彗星確實充滿水,但海洋來自太陽系其他地方。具體究竟是哪兒?

朱維特和其他許多學者一樣,注意力轉向飄浮在太空中的巨大岩石,即所謂小行星。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

從石頭榨水,乍聽很無稽,但事實上有些岩石確實可以。如果加熱隕石,也就是從小行星落到地球的碎片,困在晶體結構內的水分子就能變成水蒸氣。多年前科學家已經知道小行星含水,這些岩石含水量差異很大。多數靠近太陽形成的小行星幾乎不含水,但在火星之外冰冷區域形成者水分含量則可高達百分之十三。

朱維特等人的想法是:如果撞擊地球的小行星夠大就會帶來豐沛的水。此外,天文學家還知道火星木星之間軌道上有一大群小行星,並將該區域稱為小行星帶。而且,小行星中重水與彗星不同,吻合地球海洋和人體。各種線索指向我們這兒的水應該來自宇宙岩石。

感覺好像結案了,但其實小行星帶距離地球三億英里遠。從那種距離要一桿進洞得有多高明的技術?有足夠數量的小行星算準角度飛向地球以水覆蓋地表,這個現象發生機率有多高?人類又如何進一步理解?

——本文摘自《你的身體怎麼來的?從大霹靂到昨日晚餐,解密人體原子的故事》,2025 年 01 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

商周出版_96
123 篇文章 ・ 364 位粉絲
閱讀商周,一手掌握趨勢,感受愜意生活!商周出版為專業的商業書籍出版公司,期望為社會推動基礎商業知識和教育。

0

2
0

文字

分享

0
2
0
地震之島的生存法則!921地震教育園區揭開台灣的防災祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/20 ・4553字 ・閱讀時間約 9 分鐘

為什麼台灣會像坐在搖搖椅上,總是時不時地晃動?這個問題或許有些令人不安,但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計,台灣每年有 40,000 次以上的地震,其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日,花蓮的大地震發生後,台灣就經歷了超過 1,000 次餘震,這些數據被視覺化後形成的圖像,宛如台北101大樓般高聳穿雲,再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後,許多外國媒體擔心半導體產業會受影響,但更讓他們稱奇的是,台灣竟然能在這麼大的地震之下,將傷害降到這麼低,並迅速恢復。不禁讓人想問,自從 25 年前的 921大地震以來,台灣經歷了哪些改變?哪些地方可能再發生大地震?如果只是遲早,我們該如何做好更萬全的準備?

要找到這些問題的答案,最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館:國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

圖:跑道捕捉了地震的瞬間 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

下一個大地震在哪、何時?先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分,台灣發生了一場規模7.3的大地震,震央在南投縣集集鎮,全台 5 萬棟房子遭震垮,罹難人數超過 2,400 人。其中,台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過,地面隆起2.6公尺,多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區,保留這段震撼人心的歷史,並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

車籠埔斷層保存館建於原操場位置,為了保存地表破裂及巨大抬升,所以整體設計不採用樑柱結構,而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成,外觀為曲線造型,技術難度極高,屬國內外首見,並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍,讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力,進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館,透過互動展示,讓參觀者親手操作,學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示,面積上,台灣是一個狹長的小島,卻擁有高達近4000公尺的山脈,彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史,從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震,到1999年的921大地震,都發生在台灣西部,與西部的活動斷層有密切關聯,震源位於淺層,加上人口密度較高,因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域,地震震源分佈更廣。與西部相比,雖然東部地震更頻繁,但由於人口密度相對較低,災情相對較少。此外,台灣東北部和外海也是地震多發區,尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶,至沖繩海槽向北延伸,甚至可能影響到台北下方,發生直下型地震,這種地震因震源位於城市正下方,危害特別大,加上台北市房屋非常老舊,若發生直下型地震,災情將非常嚴重。

除了台北市,蔣正興博士指出在台灣西部,我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響,該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外,我們也需要留意西南部的地震風險,如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部,因為存在眾多活動斷層,當然也需要持續注意。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

我們之所以擔心某些斷層,是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量,一旦達到臨界點,就會釋放,進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘,尋找過去地震的證據,如受構造擾動沉積物的變化,然後透過定年技術來確定地震發生的時間點,估算出斷層的地震週期,然而,這些數字的計算過程非常複雜,需要綜合大量數據。

挑戰在於,有些斷層的活動時間非常久遠,要找到活動證據並不容易。例如,1906年的梅山地震,即使不算久遠,但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難,更不用說那些數百年才活動一次的斷層,如台北的山腳斷層,因為上頭覆蓋了大量沉積物,要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動,我們仍然可以預先對這些構造做風險評估,從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區,就是那個可以發現應變之道的地方。

圖:北棟教室毀損區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員,常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後,台灣進行的六大改革。制定災害防救法,取代了總統緊急命令。修訂了建築法規,推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍,在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產,增設了歷史建築類別,確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

最後,則是推行防災教育。黃英哲表示,除了在學校定期進行防災演練,提升防災意識外,更建立了921地震教育園區,不僅作為教育場所,也是跨部門合作的平台,例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作,進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址,讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力,最具可看性;然而除此之外,園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地,為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老,在園區服務將近 19 年,主要負責日語解說工作的陳婉茹認為,園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化,如抬升的操場和毀壞的教室場景,讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力,尤其是對於年輕的小朋友,即使他們沒有親身經歷過,也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶,之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀,原本小朋友並不認真聽講,到處跑來跑去,但當他看到隆起的操場,立刻大聲說這他在課本看過,後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

圖:陳婉茹在第一線負責解說工作 / 圖片來源:921地震教育園區

除了每看必震撼的地景,園區也透過持續更新策展,邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到,去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生,當時她儘管驚恐,依舊背著腿軟的學姊下樓,讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在地震體驗平臺的設計中,黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力,更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作,一樓展示區採用了時光機的概念,運用輕鬆、童趣的風格,希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片,讓遊客真實感受921地震的情境。她強調,這次展覽的目標是全民,設計上避免了血腥和悲傷的元素,旨在讓觀眾帶著正向的感受離開,並重視防災意識。

圖:地震體驗劇場 / 圖片來源:921地震教育園區

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始,九月完成,為了迅速而有效地與設計師溝通,黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具,來加快與設計師溝通的過程。

圖:黃惠瑛與設計師於文件中討論設計/ 圖片來源:921地震教育園區

蔣正興博士說,當初學界建議在此設立地震教育園區,其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生,這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後,安朔葉教授立刻趕到台灣,認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點,建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年,在斷層館的展示更新中,便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外,作為 20 週年的相關活動,今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄(MOU),強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀,感謝他不遺餘力,長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
右圖:法國巴黎居禮大學安朔葉教授。左圖:兵庫縣立人與自然博物館主任研究員加藤茂弘
/ 圖片來源:921地震教育園區

前事不忘,後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍,只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示,921地震發生在車籠埔斷層,其錯動形式成為全球地質研究的典範,尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示,距離車籠埔斷層約100公尺內,住在上盤的罹難率約為1%,而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近,特別是上盤,是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動,這一數據清楚告訴我們,在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後,政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長,全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性,但台灣不同,斷層活動十分頻繁。例如 1951 年,米崙斷層造成縱谷地震,規模達 7.3,僅隔 67 年後,在 2018 年再次發生花蓮地震,這在全球是罕見的,也因此 2016 年劃設的地質敏感區,在 2018 年的地震中便發現,的確更容易發生地表破裂與建築受損,驗證了地質敏感區劃設的有效性。

圖:黃英哲表示曾來園區參訪的兒童寄來的問候信,是他認真工作的動力 / 圖片來源:921地震教育園區

在過去的20年裡,921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步,也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡,每一項展示,都在默默提醒我們,那段傷痛歷史並未走遠。然而,我們對抗自然的力量,並非源自恐懼,而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區,感受那因地震而隆起的操場,或是走過曾經遭受重創的教室,你會發現,這不僅僅是歷史的展示,更是我們每一個人的責任與使命。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

來吧,今年九月,走進921地震教育園區,一起在這裡找尋對未來的啓示,為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

圖:今年九月,走進921地震教育園區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

延伸閱讀:
高風險? 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟!」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇-霧峰九二一地震教育園區|天下雜誌

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。