你知道「地圈」嗎？承載無數生命的「地圈」是如何形成與變動的？——《丈量人類世》

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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東晉的葛洪，號抱朴子，是位道家人物，也是位醫藥學家、博物學家。

他寫過一本《神仙傳》，書中介紹女神仙麻姑，說她壽命極長：

「已見東海三為桑田」（已三度見到東海變成桑田）。

這就是成語「滄海桑田」的由來。

滄海桑田，字面的意思是：大海變成桑田，桑田變成大海。桑田，泛指農田。這個成語比喻環境變遷，人事無常，讓我們造個句吧。

• 新北市五股區一帶，原有大片沼澤，現已消失殆盡，不免有滄海桑田之嘆。
• 滄海桑田，有時我們有生之年就能看到，新竹香山的海埔新生地就是個例子。

知道了成語滄海桑田的含意，也學會了怎麼使用這個成語，接下去要談談它的科學意義了。小朋友首先得了解，滄海桑田確有其事，不僅僅只是個形容詞而已。

當年章老師在國中任教時，曾帶領學生到山上採集昆蟲標本。在山路一側的崖壁上，無意中看到貝類化石。細看之下，有牡蠣、貽貝、蛤蜊、海扇等，還有棘皮動物類的海膽。牠們可都是海洋生物，怎會跑到山上？章老師趁機給同學們上了一堂地球科學課程。

地球從地表到地心，明顯分成三層：地殼、地函和地核。地殼由板塊拼合而成，可說是「浮」在地函上。約 600 萬年前，菲律賓海板塊向北移動，撞向歐亞板塊，將中國大陸東南沿海的大陸斜坡抬高，逐漸形成一座島嶼——就是我們台灣啊！到 300 萬年前，大致已成為今天的樣貌。

既然台灣島是大陸斜坡隆起形成的，我們在山上找到海洋生物化石也就不足為奇了。菲律賓海板塊撞向歐亞板塊，這一造山運動迄今仍在進行，中央山脈每年仍升高約 3 公分呢！

台灣海峽很淺，大部份不到 100 公尺。冰河時期，大量的水變成冰，堆積在南北極和高緯度地，造成海水減少，海面下降，這時台灣海峽就露出海面。冰河期結束，大地回暖，海面上升，台灣和大陸再次隔海相望。自從台灣島形成以來，已不知分合多少次了。

最近的一次冰河期，發生在距今 2.5～1.8 萬年前，海面較現今約低 130 公尺，台灣海峽變成陸地，許多動物從大陸徒步遷徙到台灣，包括大象、犀牛和古人類（左鎮人）。左鎮人距今約 1 萬年，和北京周口店發現的山頂洞人差不多同一時期。

我們能想像台灣島是從海中隆起的嗎？我們能想像台灣海峽曾經乾涸成陸地嗎？滄海桑田豈只是個形容詞而已！

今年 2 月 6 日，土耳其大地震的影像，透過國際媒體、社群網路不斷轉發，讓世人再次感受到大自然的無情，也讓身處地震帶上的台灣，重燃關於地震的防災意識。

而同樣身處地震帶上的我們，對於地震又理解多少呢？

這次土耳其的地震規模有多大？

今年２月 6 號，土耳其當地時間凌晨四點，發生了地震矩規模（Mw） 7.8 的強震（美國地質調查局 USGS 的測定數據）；震央位於土耳其南部與敘利亞接壤，有著 170 萬人口的加濟安泰普省，震源深度僅僅只有 17.9 公里，屬於極淺層地震。

不幸的是，大約 9 小時之後，距離震央東北方不到 100 公里的地方，再度發生規模 7.5 的地震，深度甚至只有 10 公里，最大震度甚至高達麥卡利震度的 Ｘ 度，相當於台灣的 7 級地震。

光是在土耳其境內，強震造成四萬一千多人死亡、十萬多人受傷，是土耳其百多年來死亡人數最多的地震。

土耳其為什麼會發生大地震？

地球表面包含地殼和一小部分的地函質地剛硬的地方，被稱為「岩石圈」，它並不是完整的一塊，而是分裂許多個「板塊」。中洋脊新生的海洋地殼會推著兩側的板塊不斷向外擴，最終在海溝下沉回到地函，完成循環。

然而，這些板塊彼此運動的速度和方向並不一致，彼此之間會有碰撞、擠壓、摩擦、分離等等的相對運動，形成相互碰撞的「聚合型板塊邊界」、相互分離的「分離型板塊邊界」以及水平錯動的「轉形型板塊邊界」（Transformation Fault，臺灣中學課本常翻作「錯動型板塊邊界」）。

實際攤開地圖，土耳其大部分區域都位在高原上；但在腳底下，土耳其的土地正不偏不倚的落在四個板塊的交界處：北邊的歐亞板塊、南方有阿拉伯板塊、西南方是非洲板塊，大部分國土則位於安納托利亞板塊上。

這些板塊相互推擠，創造了土耳其豐富的高原地貌，也造就了頻繁的地震。

地震發生的原因不只是因為板塊碰撞

我們常以「板塊的碰撞」作為地震的原因，雖然板塊運動確實會伴隨地震發生，卻不能直接解釋地震發生的機制。

板塊新生及重回地函的地方，構成了板塊的交界，它可以是中洋脊、海溝，如果該二板塊交界處的兩側都是陸地，則可能擠壓形成山脈。

就像拿兩塊吐司互相擠壓，會變形的，不是只有接觸面而已，整塊吐司都會因為兩側施加的壓力，在各處形成變形、甚至破裂。而這個破裂面，就是斷層；斷層錯動的瞬間，就會引發地震。

因此，斷層不一定要位於板塊交界上，而是只要岩層有受力的地方，就有可能產生斷層，它可以位在板塊交界的「附近」，也可以是位在遠離板塊交界的地方。

當然，因板塊的相對運動容易讓應力累積在板塊交界處，在板塊交界附近的斷層數量也就比較多。

這次土耳其錯動的斷層是？

前面提到，土耳其剛好就位於安納托利亞板塊、歐亞板塊阿拉伯板塊與非洲板塊的交界處。由於阿拉伯板塊長年向北運動，又受到北方歐亞板塊的阻擋，因此被迫轉向西北方推擠安納托利亞板塊，使得土耳其國土被逆時針擠出。

在四個板塊的相互推擠下，土耳其境內形成兩條較大的岩層破裂帶，一條是東南方的「東安納托利亞斷層系統（EAF）」，另一條則是橫貫整個國境北部「北安納托利亞斷層系統（NAF）」。

這次土耳其大地震的事發地「東安納托利亞斷層」，形成的主要原因正是阿拉伯板塊長年向西北推擠安納托利亞板塊所產生的應力，使得岩層沿著板塊邊界，以東北西南的方向破裂。除此之外，在這條斷層的北側也發展出好幾條東西方向延伸的破裂面，形成東安納托利亞斷層的分支，也是這次大地震第二次主震發生的位置。

根據美國地質調查所的紀錄，這些破裂面，已經超過一百年沒有明顯的地震發生，表示這附近的岩層，已經長期處在應力累積、沒有宣洩的狀態。在阿拉伯板塊持續向北推擠的形況下，岩層終究無法承受，並沿著「東安納托利亞斷層系統」的數條破裂面發生水平方向的錯動，造成了這次的地震。

根據歐洲的人造衛星影像結果，這次錯動的程度之驚人，第一次主震發生的地方，地層左右位移了六公尺，第二次主震更到達八公尺。

為何地震為何總是突然發生，
而不是緩慢的釋放應力？

現在最廣為人知的地震理論，是在 1906 年舊金山大地震時，美國的地質學家李德，觀察加州的畜牧農場的圍籬在地震後發生的錯位情形，並於 1911 年提出了「彈性回跳理論」；其認為斷層附近的岩層先是受到某種外力而發生變形，當斷層面的摩擦力最終無法抵抗外力時，岩層將沿著斷層面一口氣錯動、釋放累積的能量，就產生了地震。

有了這個理論，我們還能推測，已經存在的斷層因為本身就是岩層破裂的地方，結構較為脆弱，當岩層繼續受到外力擠壓變形，就容易再次沿著斷層方向錯動。就像是一片玻璃摔過之後，裡面產生微小的裂痕，雖然玻璃沒有碎掉，但可以預期，如果這塊玻璃再摔到一次，這些微小的裂痕可能就變成了破口，甚至徹底碎裂。

至於讓斷層附近的岩層變形的「外力」除了板塊運動外，地表的侵蝕作用、火山活動等，都是可能的原因。

台灣為什麼有許多斷層？

回頭看，位於板塊交界帶上的台灣，在菲律賓海板塊與歐亞板塊的擠壓下，從北到南遍布了大大小小的斷層。根據經濟部地質調查所在 2021 年公佈的數據，台灣共有 36 條活動斷層。

至於板塊交界處則是在花東縱谷。菲律賓海板塊與歐亞板塊的邊界，從北方的琉球海溝劃過台灣的下方，向南延伸到馬尼拉海溝；在地表上，這條邊界一路從花蓮北端貫穿整個花東縱谷平原。

從一千五百萬年前開始，菲律賓海板塊就不斷地朝西北方向推擠，如今仍以每年 7～8 公分的速度，向著歐亞板塊邁進，海岸山脈也因此不斷衝向中央山脈。

我們可以將台灣岩盤的變形狀況想像成是推土機推雪：海岸山脈是推土機，中央山脈則是雪堆。當推土機推著雪堆向前行時，雪堆前、後和底部的變形最強烈。在海岸山脈的推擠下，變形量最高的地方集中在西部平原、花東縱谷以及中央山脈的底部。由於中央山脈底部岩層溫度過高，只會產生變形；而西部平原、花東縱谷則成為了斷層最密集、地震好發的地方。

和土耳其一樣身處地震帶的我們，除了讚嘆大自然的鬼斧神工之外，具備更健全的地震知識、學習如何與地震災害共處，並盡可能降低地震帶來的傷害，成了我們每個人的重要課題。

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