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有沒有不破的泡沫

科學松鼠會_96
・2013/01/09 ・2075字 ・閱讀時間約 4 分鐘

吹肥皂泡大概是多數小朋友喜歡的活動。本來是無色的液體,吹成泡沫就變得五顏六色。有的很快就破了,有的卻可以「存活」很長時間,甚至掉到了頭上都不會立刻破開。這,是為什麼呢?有沒有辦法讓泡沫永遠不破呢?

水之所以形成泡泡,其中的「表面活性劑」居功至偉。表面活性劑是一類結構特別的分子,一頭喜歡水(稱為「親水端」),一頭喜歡空氣(叫做「疏水端」)。當我們吹出一個泡泡,構成泡泡的水膜就形成了兩個表面,外面與大氣相連,而裡面則與泡泡內的空氣相接。水中的表面活性劑會很快地跑到空氣和水的表 面上,親水端呆在水中,疏水端伸到空氣裡。在兩個表面上各自堆積了一層表面活性劑,就像兩層磚牆一樣。「磚牆」的中間,就是一層水。一個泡泡,就是由表面 活性劑組成的雙層「磚牆」夾著一層水組成。

跟普通磚牆不一樣的是,其中的水是流動的。所謂水往低處走,水膜中的水也不例外。流動的結果,泡泡頂端的水越來越少,下面的水越來越多,水膜就變得 上面薄下面厚,就像物理實驗的棱鏡一樣。而且,因為那兩層「磚牆」不堅固,很容易受到周圍空氣的擾動而改變厚度。當光線穿過這樣的一個「水棱鏡」,就被分解成各色的光,還會發生光學上的「干涉」現象,於是我們就看到了五顏六色的泡泡。

隨著泡泡上方水膜中的水逐漸流走,水膜越來越薄。這時候如果遇到一點擾動,水膜就破開了,泡泡也就「爆炸」了。

所以,要想泡泡「存活」得更久,一種方式就是讓膜中的水流得慢一些。水流的速度跟水的粘度密切相關。越粘的液體,就會流得越慢。增加粘度的物質叫做「增稠劑」。所以,在肥皂水中加入增稠劑之後,吹出的泡泡就能存活得更久

另一種則是讓兩層「磚牆」更加堅固,不容易破裂。一般的表面活性劑是小分子,到了水和空氣的表面也是「有組織,無紀律」,一盤散沙,所以容易破裂。如果是一些大分子,比如蛋白質也具有親水和疏水的部位,也可以跑到表面上。到了表面之後,不同分子之間還會「手拉手、肩並肩」,形成堅固地城牆。受到 外界的擾動,也可以互相支援,從而不容易破裂。

不過,蛋白質分子個頭太大,從水中跑到表面上的速度比較慢。如果用蛋白質水來吹泡泡的話,還等不及蛋白質分子們跑到表面上形成「分子牆」,泡泡就已經破了。

雖然這樣的蛋白質水溶液用來吹泡泡不是個好主意,它們在飲料中卻可以大顯身手。有一種咖啡叫「卡布其諾」,表面上有一層泡沫。這層泡沫需要在相當長的時間內——至少在喝完的這段時間裡——保持著潔白細膩的外觀,所以表面活性劑產生的那種大而短命的泡沫就派不上用場。實際上用的是牛奶,其中的牛奶蛋白 具有很好的表面活性。當高溫的水蒸氣通入牛奶中,就產生了細密的泡泡。牛奶蛋白的分子在高溫下伸展開來,到了空氣和水的表面上,更容易互相連接起來,形成穩定的「城牆」,使得泡泡很難破裂。

比卡布其諾的泡沫更加穩定的是打發奶油。打發奶油是用奶油形成的泡沫。只是因為泡泡太細小,憑肉眼難以看出它跟通常的泡沫有相似之處。除了其中的蛋 白質可以形成穩定的「磚牆」外,奶油中的水含量很低,液體的粘度很大。被打發起來之後,「牆」中的水流動極為緩慢,過了很長的時間水膜還是那麼厚。此外, 奶油中有大量的脂肪顆粒,在「打發」過程中,這些顆粒接觸的地方互相融合 ,形成了像糖葫蘆那樣的連接狀態;而且一個接一個,形成了「糖葫蘆網」,把產生的泡泡固定在其中,就更增加了不同的泡泡接觸融合的難度。一方面是泡泡被隔開難以變薄,另一方面是水膜兩側的「牆」非常穩固,所以奶油的泡沫比起卡布其諾的泡沫來,簡直可以用「長壽」來形容。

跟打發奶油相比,冰淇淋更是登峰造極。除了奶油中的泡泡難以破裂的那些因素,冰淇淋在攪拌降溫的過程中還會形成大量的小冰粒。這些冰渣也有助於把泡 泡和脂肪可以「支撐起來」,不許它們互相靠近,所以也就可以存活下去。不過,冰淇淋的這種「長壽」狀態只能在冷凍條件下存在。一旦溫度升高,冰粒融化,形成「糖葫蘆網」的脂肪顆粒也會徹底融合,就無法再凍回去了。明白了這些過程,也就不難理解為什麼冰淇淋一旦化了,再凍上之後口感也完全不同。

所有液體的泡沫都注定要破滅,除非它們在破滅之前被「固化」下來。在食物中,最經典的例子是蛋糕。蛋糕的「蜂窩」來自於雞蛋白形成的泡沫。這樣的泡沫被混合到蛋糕的其他原料中,然後送入烤爐。泡沫水膜中的液體往下流,周圍的溫度迅速升高。雞蛋白有個很特別的地方,是極為怕熱——達到六十多度,它們就頂不住「化作了山脈」。在烤蛋糕的時候,蛋白泡沫中的水還來不及流下,就已經隨著蛋白變成了固體,永遠失去了流動的能力。

有很多其他的蛋白質也可以產生很好的泡沫。但常見的食用蛋白中,沒有哪種可以像雞蛋白(或者鴨蛋鵝蛋等各種鳥蛋的蛋白),在很低的溫度下就會固化。 其他的蛋白產生了很好的泡沫,送進去了烤爐,卻極為頑強——泡泡們都已經四零八落,它們卻還沒有變成固體,也就無法支撐起蛋糕的綿軟結構。所以,那些「無蛋蛋糕」,只能通過加入其他成膠的成分,讓泡沫們在覆滅之前,變成固體而永垂不朽。

轉載自 科學松鼠會,作者:

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科學松鼠會_96
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科學松鼠會是中國一個致力於在大眾文化層面傳播科學的非營利機構,成立於2008年4月。松鼠會匯聚了當代最優秀的一批華語青年科學傳播者,旨在「剝開科學的堅果,幫助人們領略科學之美妙」。願景:讓科學流行起來;價值觀:嚴謹有容,獨立客觀

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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