0

8
6

文字

分享

0
8
6

假如核彈來襲,你需要逃多遠才能活下來?

Heidi_96
・2022/03/15 ・3486字 ・閱讀時間約 7 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

核彈與它們的產地

1945 年 8 月,美軍在日本廣島和長崎投下 2 顆原子彈,造成數十萬人死亡,終結了第二次世界大戰,卻也對當地民眾的健康造成嚴重的長期影響[1]。此後,再也沒有任何國家或地區在戰爭中動用核武器,但這不代表核武器就此消失。據估計,全球各國現今約有 12,705 枚核彈頭庫存,而美國和俄羅斯擁有其中的 89.7%[2]

美國和俄羅斯擁有全世界 89.7% 的核彈頭庫存。圖/Federation of American Scientists

假如核彈來襲……

那麼,假設核武器再次登上戰爭舞台,究竟會發生什麼事呢?本篇文章將以 AsapSCIENCE 製作的科普動畫《What If We Have A Nuclear War?》為基礎,帶你瞭解核彈引爆前後的情況。

但首先,必須澄清沒有一種明確的方法可以估計核彈爆炸所帶來的影響,因為這取決於眾多因素,包括天候、時間點、地理環境、核彈設計,以及引爆地點(空中、地表、地下)。等等,先別急著跳回上一頁!即使沒有這些確切的條件,我們還是可以瞭解大致上的情況。

一、閃盲

約有 35% 的核爆能量是以熱輻射的形式釋放。熱輻射是一種電磁輻射,不需要介質就能傳遞能量,因此在真空中的傳播速度等同光速(3×108m/s)。就算不是處在真空環境,傳播速度也相當接近光速,而且溫度越高,速度就越快。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

總而言之,在爆炸波抵達前幾秒,你就能感受到一陣極為強烈的光和熱。此時,如果你不巧在爆炸現場附近,這種程度的強光將造成閃盲(flash blindness),可以讓你在接下來的幾分鐘眼前一片漆黑,什麼都看不見。

所以,要距離爆炸多遠,才能避開這種暫時性失明呢?以一枚百萬噸級的核彈(廣島原子彈的 80 倍重,但是遠輕於多數現代核彈)為例:如果是在晴朗的白天,大概要躲到 21 公里以外;在晴朗的夜晚,甚至得躲到 85 公里以外,才能確保不受閃盲影響。

核爆發出的強光會造成暫時性失明。圖/《What If We Have A Nuclear War?

二、燒傷

上一段提到,熱輻射除了產生強光之外,還會產生極高溫的熱;也就是說,如果你真的不巧出現在核彈爆炸現場附近,除了閃盲以外,還有可能遭受不同程度的燒傷。

同樣以百萬噸級的核彈為例:待在爆炸中心方圓 11 公里內,將造成一級燒傷,只要再往前 1 公里,就會變成二級燒傷,而待在方圓 8 公里內的人,都將受三級燒傷所害。這種程度的燒傷能夠徹底破壞細胞,使皮膚呈現焦黑色。若沒有立刻施行急救,覆蓋全身超過 24% 面積的三級燒傷將導致死亡。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
待在核彈爆炸中心方圓 11 公里內,將遭受不同程度的燒傷。圖/《What If We Have A Nuclear War?

然而,正如文章開頭所說,沒有一種明確的方法可以估計核彈爆炸所帶來的影響,所以這個數字僅供參考,實際情況將取決於天氣和你當下所穿的衣服,比如白色的衣服可以反射少許熱能,黑色的衣服則會吸收更多熱能。可是,對於處在爆炸中心的人來說,不管穿什麼顏色的衣服都不會有任何差別。

根據科學家估計,廣島核爆中心的溫度約有 30 萬 ºC,比一般火化爐的溫度高出 300 倍,足以讓人體在一瞬間就蒸發殆盡。

三、爆炸風

除了燒傷之外,爆炸風(blast)也是不可輕忽的殺手。核爆釋放的能量會產生衝擊波,而衝擊波會驅散空氣,造成氣壓急遽變化,粉碎沿途經過的建築物。

再次以百萬噸級的核彈為例:爆炸中心方圓 12 公里內的爆炸風時速約為 255 公里,可以對建築物外牆造成 180 公噸的力量;方圓 2 公里內的爆炸風時速是 756 公里,對建築物施加的壓力則是 4 倍,約為 720 公噸。理論上,大部分的人都會被倒塌的建築物活埋或砸死。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
核爆產生的衝擊波會粉碎沿途經過的建築物。圖/《What If We Have A Nuclear War?

四、核輻射

假如你幸運地逃過閃盲、燒傷和爆炸風,下一個要擔心的就是核輻射。我們每天都會接觸到不同形式的輻射,包括你正在使用的手機或電腦,但這類「非游離輻射」的能量很小,不足以改變 DNA 結構。就算是醫學影像檢查,比如 X 光或斷層掃描,也都是低劑量的安全輻射,對人體的影響微乎其微。

問題是,核輻射可不一樣!雖然確切的輻射劑量取決於你所在的地點是否有建築物保護,而建築材料又是什麼,但無論如何,若暴露輻射劑量超過 6000 毫西弗(mSv),死亡率就高達 90%;即使只有 4500 毫西弗,也有 50% 的死亡率,而活下來的那 50% 必須和後遺症共存,因為輻射破壞了他們體內的 DNA 鍵結,不僅需要時間修復,也可能會有更高的罹癌率和基因突變率。

五、輻射塵

另一個與輻射有關的影響是「輻射塵」(fallout)。試想一枚核彈在地表附近爆炸,地表會發生什麼事?最明顯的就是衝擊波會造成彈坑,然後彈坑裡的沉積物(塵埃、泥土、砂石等等)會汽化到空中,形成你我熟悉的蕈狀雲。

蕈狀雲充滿具有放射性的輻射塵,在冷卻回到地表的過程中,可以飄到數百公里遠的地方,也可以順著爆炸產生的上升氣流融入雲層,再形成「黑雨」落下。好消息是輻射塵的衰變非常快,只要 2 星期,就能降到初始輻射劑量的 1%。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
彈坑裡的沉積物汽化後形成蕈狀雲。圖/《What If We Have A Nuclear War?

不只是戰爭,也將伴隨氣候危機

那假如核彈不只有 1 枚,而是 100 枚呢?近期,有一項研究模擬印度和巴基斯坦開戰,引爆 100 枚和廣島原子彈尺寸相近的彈頭。結果顯示,重達 5 百萬噸的灰燼和輻射塵將進到大氣層,使全球氣溫下降,並且減少 9% 的年降雨量,連帶造成農作物欠收與饑荒。另一項研究顯示,若是真有這種投下 100 枚核彈的戰爭,全球約有 20 億人將因此陷入饑荒[3]

除此之外,核戰對地球的影響或許比我們想像的更深遠。2019 年發表的一項模擬研究發現,要是美國和俄羅斯動用所有核武資源開戰,輻射塵將在 2 週內覆蓋整個地球,使地球接收到的光照強度大幅下降,至少需要 3 年才能恢復到正常光照強度的 40%[4]。同年,還有另一項研究發現,在世界最深的馬里亞納海溝(Mariana Trench)裡,還有著來自冷戰時期核武試驗的輻射殘留物[5]

全球核武器發展與現況

1968 年至今,世界上多數國家都簽訂了《核武禁擴條約》(Treaty on the Non-Proliferation of Nuclear Weapons),其中包括美國和俄羅斯。這項條約禁止擁核國家轉讓或援助核武給非核國家,禁止非核國家製造核武,甚至推動核裁軍,全面停止核軍備競賽。

如果想瞭解全球核武器的發展與現況,可以進一步參考《原子科學家公報》(Bulletin of the Atomic Scientists)的 Nuclear Notebook

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
全球核彈頭庫存總量於 1986 年達到高峰(64,099 枚),直到 2017 年為 9,220 枚。圖/Bulletin of the Atomic Scientists

註解

  1. Hiroshima and Nagasaki: The Long Term Health Effects
  2. Status of World Nuclear Forces
  3. Helfand. (2013). Nuclear Famine: Two Billion People at Risk—Global Impacts of Limited Nuclear War on Agriculture, Food Supplies, and Human Nutrition. International Physicians for the Prevention of Nuclear War.
  4. Coupe, J., Bardeen, C. G., Robock, A., & Toon, O. B. (2019). Nuclear winter responses to nuclear war between the United States and Russia in the Whole Atmosphere Community Climate Model Version 4 and the Goddard Institute for Space Studies ModelE. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 124, 8522– 8543.
  5. Wang, N., Shen, C., Sun, W., Ding, P., Zhu, S., Yi, W., et al. (2019). Penetration of bomb 14C into the deepest ocean trench. Geophysical Research Letters, 46, 5413– 5419.

參考資料

文章難易度
Heidi_96
7 篇文章 ・ 13 位粉絲
PanSci 編輯部角落生物|外語系畢業,潛心於翻譯與教學,試圖淡化語言與知識的隔閡。

0

4
0

文字

分享

0
4
0
快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
193 篇文章 ・ 297 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

1
1

文字

分享

0
1
1
從火海中重返生活,對抗疤痕攣縮的復健之路:陽光社會福利基金會林靜嫄職能治療師專訪——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/29 ・5048字 ・閱讀時間約 10 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 採訪報導|張樂妍/本刊主編
  • Take Home Message
    • 燒燙傷的傷友在生理修復過程必須經過疤痕增生及攣縮,且需要長時間的復健治療,使他們重建原有生活的身心歷程艱辛又漫長。
    • 身體將傷口迅速補好的過程會產生疤痕增生,快速增生的細胞還形成向心收縮的拉力造成疤痕攣縮,導致身體無法伸展。
    • 為抵抗疤痕攣縮,復健過程會不停重覆將疤痕展開的疼痛與挫折。而治療師會為他們找到復健目標,陪伴他們重建基本生活到完成復建。
圖為職能治療師林靜嫄。圖/張樂妍拍攝

本文採訪陽光社會福利基金會的代理復建督導——林靜嫄職能治療師,她向我們分享了燒燙傷病患皮膚修復的生理機制、在復健過程的原理、身心理歷程,以及職能治療師在此過程中的角色。

陽光社會福利基金會以提升顏損及燒傷者的生活品質與自我價值、促進健康、安全及平權的社會環境為宗旨,藉由社會關懷的力量和專業服務,陪伴協助顏面損傷及燒傷朋友勇敢踏上艱辛漫長的重建路程。

2015 年熱夏,新北市八仙樂園發生塵燃事件,導致 499 人燒燙傷、15 人死亡。這場意外不僅震驚全臺,當年臺灣全民健保共花費 7.65 億臺幣醫治這些燒燙傷傷友。2016 年 4 月,士林地方法院在判詞中描述倖存者的身心經歷:

「⋯⋯多數被害人亦因二度至三度大面積燒傷,歷經清創、換藥、植皮手術,承受生不如死之疼痛,且隨著疤痕增生攣縮,需進行多次皮膚修整重建手術,每日復健更需忍受皮膚拉扯之疼痛,治療及復健過程極其艱辛漫長,又燒傷部位無法排汗,痛癢難耐,承受諸此種種生理層面難以忍受的煎熬。」

「⋯⋯關節及手指、腳趾之原有機能,亦難以完全治癒而回復正常,影響日常生活自理能力,不僅無法過正常生活,對未來求學、工作就業均產生極大之困難與障礙,信心低落;長期穿著壓力衣及疤痕外觀更需面對外界異樣眼光⋯⋯」

燒燙傷的治療不像是一般傷口的生理修復過程,其中必須經歷的疤痕增生及攣縮,需要長時間的復健治療。對於燒燙傷傷友而言,這趟回到正常生活的過程,宛如一場永無止盡的夢靨。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

疤痕保護傷口,卻阻礙了生活

讓我們回到傷害形成的當下,將鏡頭拉近到細胞層級的皮膚組織。皮膚從外到內可分為表皮、真皮、皮下組織三個部分,而表皮又可分成五層細胞結構。表皮中最裡面的基底層具有增生表皮細胞的功能,與真皮乳突層的膠原纖維和彈性蛋白相接,並以網釘狀的結構穩定表皮與真皮間的連接處。當燒燙傷發生,如果只傷害到基底層以上的表皮,基底層會長出新的細胞恢復表皮狀態,例如曬傷導致的脫皮,表皮可自動修復為原來的狀態,此狀況屬於第一度燒燙傷。

但是當基底層被破壞,也就是傷害波及到真皮層時,表皮與真皮之間的穩定度不足而互相剝離,便容易產生組織積液(水泡)。同時表皮層的破壞使真皮層中的神經末梢暴露,此時的傷口會比一度燒傷更加疼痛。這樣的情況是第二度燒燙傷,依傷口深度又可分為淺二度和深二度,淺二度約 14 天可恢復,深二度則需約21天的修復時間。淺二度的傷口在修復且疤痕成熟後,外觀及顏色上會與原本皮膚有些許差異(例如暗沉淺棕色);深二度以上的傷口即使在完全癒合且疤痕成熟或相關治療後,仍會在傷者身上留下明顯的瘢痕印記,例如被滾水或排氣管燙到而留下的疤痕。若傷口已接近皮下組織、真皮層幾乎被破壞殆盡,則進入第三度燒燙傷。此時的皮膚已完全失去再生能力,須以植皮手術盡快關閉傷口,三度以上的大面積傷者也可能有傷口感染及敗血症的高度風險;更嚴重者是傷及皮下組織的第四度燒燙傷,不僅血液循環系統遭破壞,在組織壞死的情況下甚至有截肢的可能。

人體的皮膚結構與燒燙傷等級

圖/Adobe Stock

在一道新的傷口出現後,血小板會快速聚集以凝血,白血球等免疫細胞負責吞噬細菌抵禦外敵,使傷口周遭開始出現紅、腫、熱、痛等發炎反應,並從基底層開始修復。治療師林靜嫄比喻這時的皮膚狀態:「皮膚出現傷口時就像房子門戶大開,當有僵屍(細菌)入侵,身體會想要趕快把門窗堵好、磚頭堆好,此時真皮層的膠原母細胞所分泌的膠原纖維,就是我們封閉門窗的木板和磚頭,它可以讓組織向心收縮、使傷口縮小,加速傷口的癒合。但在情急之下,當然就會填補得很亂(膠原纖維排列混亂)。即使傷口癒合之後,身體還是會擔心外敵入侵,持續堆疊加固的過程會使組織向外凸起,這段過程就是疤痕的增生期。」她繼續解釋,此時的身體讓膠原細胞不停增生、堆疊,雖然可以將傷口迅速補好,但也會產生突起的疤痕;而且因疤痕組織的排列結構既不穩固彈性又差,限制皮膚延展性的同時又容易反覆出現新傷口,導致復健之路困難重重。

初生的疤痕呈現紅、凸、硬、緊的樣貌,要經歷數年的時間才能完全成熟——「成熟的過程就像身體把原本混亂排列的木板磚頭(膠原纖維)拆掉,再重新排好蓋新的取代,慢慢替換成比較穩定的結構,也將突起的組織逐漸化為平整。」林靜嫄說道。然而,即使突起的組織可以等身體自主代謝分解或以雷射等方式淡化消去,但組織修復所產生的疤痕卻會持續影響傷友的生活機能。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

阻止疤痕攣縮

你在趕路時會選最短路線嗎?皮膚在修補時又急又緊張,建構新組織時也會選擇最短路徑,快速增生的細胞還形成了一股向心收縮的拉力,這樣的現象被稱作「疤痕攣縮」。當疤痕攣縮發生在大面積或關節處時,身體的伸展就會出問題。

舉例來說,當手肘外側受傷,疤痕增生時手臂若保持伸直,因皮膚依最短路徑去修補傷口,沒有恢復關節處原有的皺褶,手臂就會變得無法彎曲。在皮膚原有的彈性和皺褶面積無法重建的情況下,活動時就會拉扯到才剛修復的皮膚,如果沒有在疤痕攣縮時進行復健,疤痕處甚至可能無法動彈。由於全身的皮膚緊密相連,不論身體哪個部位發生疤痕攣縮,都可能影響到全身的活動及傷友的日常生活。

為了不讓疤痕影響身體動作,肢體必須擺放在正確的位置,而且一定要適當的活動,才能展開收縮的地方。如果我們將疤痕放大到組織層級觀察,在經常拉開疤痕的動作中,組織被慢性地施加機械應力,讓細胞間出現空隙後,便能夠促成細胞、血管、表皮等組織的再生。這種軟組織結構的變化過程被稱作生物潛變(biological creep)。除此之外,對疤痕加壓也是重要的復健步驟,「就像在跟疤痕說『OK 了!不用再長囉!』,原本紅紅的疤痕要壓到呈現泛白的情況,才有效果。」林靜嫄說道,適當的壓力可以阻擋血流量,以減少養分送達,便能減緩組織大量增生的速度,還可以促進組織纖維的正常排列。

可利用復健模具幫助面部的加壓。圖/張樂妍拍攝

當疤痕組織的合成與分解反應達到平衡、不再增生,肥厚、鮮紅又緊繃的外觀變得平緩、暗沉且柔軟,疤痕便結束上述成熟的過程,來到成熟期。這時疤痕的攣縮力道微乎其微,而達到較穩定的狀態。只不過上述過程都是科學上的變化過程,實際情況將涉及更多不可控的因素,處處阻撓著傷友回歸到正常生活。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

看不見盡頭的復健之路

實際上傷友在抵抗疤痕攣縮的過程,可能有以下幾點因素會增加他們在復健上時的困難:

1. 疤痕攣縮不分日夜

「我們人只有在白天活動啊!」林靜嫄說道。但晚上的疤痕仍在不停生長,因此傷友會需要許多道具協助,例如壓力衣,可以持續提供疤痕穩定的壓力值,並促進疤痕成熟。另外睡覺時的姿勢也很重要,各種副木或支架及彈力繃帶便是最佳幫手。

2. 復健過程的不適

將疤痕拉扯、伸展開來的撕裂感十分疼痛。受傷面積涵蓋各部位的傷友就更加辛苦,例如傷口同時在膝蓋的外、內側,站久了便不能坐下,坐久了就站不起來;在手臂的大面積疤痕,即使沒有覆蓋關節處,疤痕攣縮仍可能讓手肘和手腕無法活動。當組織及神經在修復時,還會有刺痛、麻、搔癢的感覺。

3. 傷友還在成長階段

新生兒或兒童的生長速度快,皮膚修復也較快,但也因為還在發育,即使疤痕成熟仍必須長期觀察。成熟的疤痕雖具有一些延展性,不過一定不比一般皮膚好,如果延展性跟不上身體成長速度,傷友就可能需要另外的手術治療。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

4. 如果傷友需要工作

林靜嫄分享過去的傷友案例中,需要久站的工作者十分不易。因傷處微血管循環的改變,可能使得傷友的肢體血液循環不良,在肢體垂放或久站的情況下出現血液鬱積(充血)反應。此時肢體會彷彿有一群螞蟻在啃咬般難受,因此工作中需要固定姿勢或維持動作時,傷友較容易感到不適。此外,傷友在返回職場前除了要克服肢體活動的問題之外,還要面臨體能及動作流暢度不如過往、工作中主管及同事的關心或質疑、外觀改變的適應問題等,「大多還是期望可以返回原職場與原職位,但在一些限制下,部分傷友會選擇在原職場轉換為內勤工作,或是藉由職涯探索與職訓安排,轉換工作的跑道。」林靜嫄說道。

5. 復健成效及所需時間都無法預估

傷燙傷面積和位置是決定復健所需時間的關鍵,然而每個人的復原狀況都不相同,受傷程度也有大有小,更何況疤痕攣縮可能影響全身肢體的活動。因此即使有數據表示,疤痕成熟通常需要花費 1~2 年,實際的復健成效及所需時間仍無法準確評估。

壓力衣可以持續提供疤痕穩定的壓力值並促進疤痕成熟。圖/張樂妍拍攝

對於燒燙傷傷友,抵抗疤痕攣縮就是它們時時刻刻且長期要面對的課題。治療師及陽光社會福利基金會的角色便是協助他們的復健過程,幫助他們重新恢復自主生活的能力。

從燃燒的身心歷程裡畢業

除了身體上的疤痕之外,傷友心中的疤痕也是非常需要被關注的議題。林靜嫄說道,重建生活最首要的便是吃飯、走路、上廁所,而這三件事也緊扣人們的自尊心。當這三件事情需要他人協助時,人們常會覺得自己是一個失能的人,沒有任何用處。而更加令人感到痛苦的是,復健是一段需要不停重覆的歷程。疤痕會一直維持向心收縮的狀態,如果傷友今天把疤痕拉開,隔天可能又會縮合回原狀;今天練習時,能順利將杯子從架子上拿起來放到桌上,明天卻有可能連杯子都碰不到。這樣反覆的過程將使得傷友懷疑自己努力及疼痛的意義,偌大的沮喪感讓復健的過程因此變得難上加難。還有更多的情況包含在火災中失去家園、龐大的經濟壓力,甚至失去身體的某些部分,都讓他們距離原來的生活更加遙不可及。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「我們會努力去找到傷友每一天與前一天不一樣的地方。讓他們知道:『你今天也移動了一公分,這是很重要的一大步!』只要每一天都能找到進步的證據,對他們來說就是很大的意義。」林靜嫄分享她的工作經歷,他們為每個復健中的人們找到復健的目標,可能是回到職場、回到健身房,或是再次為了家人煮飯、做到自己喜歡的興趣等,再為他們設下階段性的小目標。從重建基本生活自理開始,逐步完成一個個小目標,讓傷友們看得見自己的進步過程。「讓他接受現在的狀態,了解我們要一起經過的復健歷程,最重要的是找到動機、有了前進的方向與動力。而我們會溫柔的接住傷友與家屬們。」林靜嫄表示,只要每天確實累積,復健的功效就會在某個時機顯現。而動機與彼此陪伴的能量,就是傷友最大的助力。

從傷口形成到疤痕攣縮,再從復健開始到達成目標,這段路有長有短,但許許多多的傷友們最後都還是努力地回到原本的生活當中。林靜嫄說他們把這段歷程的結束,也就是離開復健中心,稱之為畢業。每個人都有自己的生命故事與歷程,都可能經過傷痛帶來的課題。或許每一種傷痛都不盡相同,或許難以感同身受,但我們可以一起試著理解、一起相伴走過。最後,期許我們都能從傷痛這堂課裡畢業。

  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 12 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

討論功能關閉中。

科學月刊_96
249 篇文章 ・ 3349 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

3

10
2

文字

分享

3
10
2
水面艦如何找到潛水艇?潛水艇如何隱藏自己?——潛艦與反潛的捉迷藏
PanSci_96
・2023/11/25 ・5953字 ・閱讀時間約 12 分鐘

潛水艇到底有多重要?

最近關於潛水艇的新聞可不少,首艘國造潛艦「海鯤號」下水典禮、中國 093 潛艇「疑似」失事、前陣子還有烏克蘭使用導彈與無人機成功襲擊俄羅斯基洛級潛艇的新聞,潛水艇的關注度一時間高了不少。

但是你一定好奇,潛水艇對國防來說,真的很重要嗎?還有,現代觀測技術那麼發達,在這些儀器的眼皮之下,潛艇真的還能保持隱形嗎?

反潛方怎麼找到藏匿海中的潛艦?

潛水艇以安靜、隱蔽著稱,有著極重要的戰略價值,不僅可以水下布雷、隱蔽投送兵力與物資;它難以被發現的特性,更是打擊水面艦的刺客,往往能讓敵人不敢越雷池一步。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

當然,要造一艘能潛在水下的潛艇肯定不簡單,畢竟如果在水面下出事了,很難立即取得救援,安全的要求遠高於其他載具。另一方面,以隱蔽為最高原則的潛艦,從引擎、外型、武器到主動聲納,都需要新科技的改進,來讓自己發出的聲音降到最低。

但潛艦與反潛就像臥虎捉藏龍,如果能隨時掌握這隻水中蛟龍的動向,潛艦的威懾力就會大幅降低,甚至能將其一網打盡。因此相對地,隱蔽的技術進步時,反潛的技術也有所突破,透過光學、聲學、磁場等技術,要讓潛艦原形畢露。

潛艦與反潛就像臥虎捉藏龍。圖/imdb

既然我們知道潛艦的隱蔽性是最高考量,現在我們就站在反潛方,來看看如何抓出一艘潛水艇。
主動偵查其實跟「通訊」很像,都是傳送一個訊息到目標物,再接收傳回來的訊號。只是通訊的訊號是對方主動回傳回來的。主動偵查呢,則是訊號碰到目標物再反射回來被我們接收。沒錯,這跟蝙蝠的回聲定位很像,只是一個在水面上,一個在水裡。

為什麼水中使用的是「聲納」而非「雷達」?

現代遠距無線傳輸的方式主要有兩種,電磁波通訊與聲波通訊。在水面以上,我們通常以電磁波傳輸,因為在空氣中這麼做最有效率,因此不論是無線通訊還是手機微波訊號,多是以電磁波的形式在傳輸。
可惜這個方法到水中就不管用了,為什麼呢?電磁波穿過水的時候會因為兩個原因,讓強度快速衰減。一是電磁波容易被水吸收,二是電磁波與水分子碰撞會產生散射,舉例來說,太陽光也是電磁波的一種,而太陽光就會因為在海水中散射,而讓海看起來是藍色。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
太陽光就會因為在海水中散射,而讓海看起來是藍色。圖/unsplash

這種電磁波衰減的程度有多少呢?具體來說,在最清澈的海水中,可見光每前進 1 公尺,亮度就會衰減 4% 。如果想使用無線電通訊,以一個頻率 1000 赫茲的電磁波來說,每向前進一千碼(大約 900 公尺),訊號強度就會減少 1300 分貝。這邊說明一下,「分貝 dB 」不只是聲音音量的單位,而是可以用在各種需要表達強度比例的單位。

電磁波每減少 10 分貝,就意味能量減小 10 倍。圖/PanSci YouTube

舉例來說,電磁波每減少 10 分貝,就意味能量減小 10 倍。在前進一千碼時減少 1300 分貝,就意味能量會衰退 10 的 130 次方倍,小到等於沒有。在實務上,通常電磁波的極限穿透距離就只有幾十到幾百公尺而已。相比之下,如果從電磁波換成低頻聲波,每一千碼的損失約為 0.01 分貝,跟電磁波相比起來可以說是幾乎沒有損失。

通常電磁波的極限穿透距離就只有幾十到幾百公尺而已。相比之下,低頻聲波可以說是幾乎沒有損失。圖/PanSci YouTube

因此在水中,大家聽到的不會是什麼「雷達」,因為雷達(RADAR)的全名是 Radio Detection and Ranging ,是使用電磁波偵查的技術。在水裡我們用的是「聲納」,是利用聲音當傳輸訊息與探知物體的手段。

此時蝙蝠的回聲定位使漆黑水底頓時明亮起來,聲波在海裡的傳播速度約為每秒 1500 公尺,只要計算我們發出的聲波與接收到聲波的時間差,我們就能辨別物體的距離。例如我們在聲波發出後的 10 秒後接收到反彈的訊號,就代表聲波來回走了 10 秒共 1 萬 5 千公尺的距離,我們和目標物就是這個距離的一半,也就是 7 千 5 百公尺。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

聲納裝載潛水艇上可以成為潛水艇的眼睛,裝在水面艦上,可以成為抓出潛水艇的掃描儀。潛水艇沒有聲納,姑且可以靠海圖小心航行,水面艦沒有聲納,面對潛水艇就只能海底撈針。

潛艦與反潛技術的發展

潛水艇在第一次世界大戰中開始展現出重要的戰略價值,其中最著名的潛艇戰就是德國的 U 艇和德國實施的「無限制潛艇戰」。當時德國的對手英國是個島國,因此便想到利用潛艦封鎖英國,無論是軍艦或商船一律擊沉,希望能拖垮英國的經濟。雖然德國最後未取得戰爭勝利,但潛水艇也確實擊沉了多艘協約國的船艦,立下的戰績是有目共睹。

最著名的潛艇戰就是德國的 U 艇和德國實施的「無限制潛艇戰」。圖/wikipedia

有鑑於此,反潛聲納的技術由此萌芽。第一個主動式聲納在第一次世界大戰期間,被著名物理學家朗之萬發明。 1915 年,第一個潛艇探測器「ASDIC」開始在英國海軍的艦艇上被運用。 1931 年,美國也發明了潛艇偵測裝置,並稱它為「SONAR」,顯然這名字取得比較好,也成為現在最常稱呼這種技術的名稱,聲納。

第一個主動式聲納在第一次世界大戰期間,被著名物理學家朗之萬發明。圖/PanSci YouTube

至此,水面艦就像開了白眼一樣,潛水艇終於無所遁形⋯⋯真的嗎?聲納既然已經發明了百年,為何潛水艇至今似乎仍保有隱蔽優勢呢?在科技發達的現代,聲納為何還是無法抓出所有潛艇?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

很可惜,事情沒有那麼簡單。當大家帶著最新科技和設備準備挑戰潛水艇這個可敬對手,卻突然被隱藏 BOSS 跳出來狠狠地打了臉,他就是:物理。

什麼是「陰影區」?潛艦能夠躲藏的位置?

讓我們回到大家都做過的實驗,準備一個透明杯子裝水,把筷子插入水中。因為光線在穿過不同介質的介面時,會因為速度改變而轉彎,所以筷子插到水杯中會出現偏折,水面上跟下呈現不同角度,看起來就像是被折彎了。

光線在穿過不同介質的介面時,會因為速度改變而轉彎,聲音也是。圖/wikipedia

聲音跟光一樣都是「波」的一種,因此在穿過不同密度的介質時也會產生折射,路徑出現偏折。你說道理我都懂,但海裡面只有水,哪來的不同介質?

還真的有,那就是隨著經緯度與深度變化,鹽分、水溫、密度都不同的海水。鹽分、水溫、密度的升高,都會導致聲速變快。而這三者在海中的各處都不會是固定的。例如在不同深度的海水中,深度 1000 公尺內上層海域的斜溫層,當深度越深離海面越遠,海水越得不到太陽的加溫,因此海溫快速驟減,而海溫的降低也會導致聲速降低。深度超過 1000 公尺以後的深海等溫層,溫度、鹽分的變化趨緩,此時壓力會隨著深度增加而增加,海水密度開始小幅度上升,因此聲速緩慢增加。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
每一處海水根據鹽分、水溫、密度不同,都會影響聲速。圖/PanSci YouTube

每一層有不同聲速的海水,就等於是不同的介質,聲波會在不同層的海水之間產生折射。類似的現象也發生在空氣中。在炙熱的沙漠或是天氣熱的柏油路面,偶而會因為空氣的密度分布不均,光線在不同密度的空氣間產生偏折,出現影像在空中出現的錯覺,也就是海市蜃樓的現象。

重點來了,在海裡的折射會是怎麼樣的呢?假設我們有一艘潛的足夠深的潛艇,海面附近的聲納發出一道聲音斜向海洋深處前進,根據決定折射角度的斯乃爾定律,當聲速上升,聲音會偏離介面的法線,偏向兩個液體的交界面。在海中的實際表現,就是聲音產生偏折,漸漸與海平面平行,當偏折的角度超過 90 度,最後甚至會向上偏折,產生全反射。

而斯乃爾定律也告訴我們,偏折的程度跟入射角有關,當角度超過臨界角時,才會產生全反射。根據這些聲波行進路線畫出來的圖,可以看到一塊聲波永遠到達不了的地方,這就是陰影區(shadow zone)。如果潛艇躲藏在這個位置,那麼水面上的敵人就永遠也無法透過主動聲納發現你。

根據這些聲波行進路線畫出來的圖,可以看到一塊聲波永遠到達不了的地方,這就是陰影區(shadow zone)。圖/PanSci YouTube

除此之外,從聲納路徑圖可以看得出來,在水中聲納走的路徑像是 U 字型一樣,會不斷在海面反射,在海中全反射。而線與線之間的空白處,是聲波不會經過的地方,也屬於陰影區。因此實際從水面偵測潛艦時,只有在碰到這些線的時候會收到該點的訊號,如果要抓出敵人,就要在獲知訊號時抓緊時間。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如何減少陰影區範圍?

為了減少這些陰影區死角的範圍,也有一些有趣但複雜的想法,例如使用拖曳式陣列聲納,一個點不夠,那我就拉一排,減少盲區。或是透過小角度的海底反射,來覆蓋近距離內的更多範圍。然而這也不會只是畫一張圖那麼簡單,平常聲納就要過濾來自自身引擎的噪音,或是因為海底等非目標物的環境反射。多一次反射,就意味會多一道訊號反射到聲納中,要如何將這些訊號區分開來,判斷哪些是海床訊號,哪些是敵艦訊號,就各憑本事。

沒錯,就算有了聲納系統還不夠,海底資訊的掌握度和後期運算更是兵家相爭的關鍵。你想想,就算你知道聲音會隨著密度轉彎,但你知道眼前海域每個深度的實際密度嗎?如果你不知道這些資料,就算接收到訊號,你真的算得出敵艦的位置嗎?

舉例來說,冬天和夏天的海溫不同,聲音偏折的角度不同,能探查的範圍與死角就不相同。當你在不同緯度,不同海域作戰時,所需要的資料也不相同。

冬天和夏天的海溫不同,聲音偏折的角度不同,能探查的範圍與死角就不相同。圖/PanSci YouTube

台灣冬夏兩季分別受東北季風與西南季風吹拂,周圍又有黑潮、中國沿岸流等洋流影響,各層水溫隨季節變化影響劇烈,台灣海峽又因地形原因海流複雜,被稱為黑水溝。在此之上,能掌握好周圍的海流活動,除了能兼顧潛艦的航行安全外,也有助於提升潛艦的隱蔽性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

潛艦與反潛的無數過招?

海洋的複雜性,構成了潛艦至今仍能維持隱蔽優勢的原因。而這場臥虎捉藏龍的對決到此還沒有結束,我們只介紹了第一招,後面大概還有 99 種招式等待要過招。例如潛艦關掉主動聲納後,如何靠被動聲納安全航行並鎖定目標?

除了透過聲納,搭載磁性探測儀的反潛機怎麼從異常磁場訊號中辨別海底的金屬潛艇?又或是水面上的聲納會被全反射,那麼改變深度的話是不是就能解決了?實際上,既然在海面上聽不見,反過來把聲納放進海中,放在海水密度最低的「深海聲道通道軸」這個如同光纖般的區域,就能清楚聽到來自遠方的聲音。

諸如此類的軍事科技對弈,就像其他科技一樣,對決永遠不會結束。如果你還有那些想了解的面向,不論是潛艦或是其他軍事科技,也歡迎留言告訴我們。

最後也想問問大家,你覺得潛水艇最大的戰略價值是什麼呢?

  1. 多一種隱蔽武器,多一種威嚇,提升敵人的作戰成本
  2. 突破封鎖線,在關鍵時刻打擊敵人的大型艦艇
  3. 間諜作戰,深入敵後蒐集電訊號與艦艇聲譜特徵,偷偷獲取情報

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

參考資料

所有討論 3
PanSci_96
1214 篇文章 ・ 2071 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。