藏在樹木年輪裡的太陽爆發

作為我們宇宙中的鄰居，以及夜空中最明亮的一盞燈，月亮自古以來便讓人類心生著迷。古人望向滿月的同時，想起了遠方的至親；天文學家望向滿月時，心中卻出現了另外一個問題：「月亮為什麼在那裡？」

月球作為繞地球運轉的衛星，並不是和太陽系的其他行星一同形成。目前最受歡迎的月球起源說是所謂的「大碰撞」（The Giant Impact）。今年八月，在中秋節即將到臨之際，科學家在月球隕石中找到了來自地球內部的原生惰性氣體，為大碰撞事件的始末提供了全新的線索。

大碰撞起源：月球是從地球分出去的？

大碰撞學說認為月球是地球遭到撞擊的產物。

一顆與火星差不多大的天體和古代地球斜向碰撞，把地球撞得團團轉的同時，撞擊產生的巨大能量也將大量地殼與地函物質融化、蒸發、向外噴出。這些殘骸碎屑繞著地球高速旋轉，形成一個甜甜圈狀的雲狀區域。月亮便是由這團高溫物質互相吸引聚集而成。

聽起來或許十分異想天開，但這個猜想可是經歷了許多實證考驗。

首先，一個最簡單的觀察是：現今月球公轉的和地球自轉方向一致。這是擦撞過程中「甩」出去的殘骸形成月球會有的現象。據我們所知，月球的公轉方向和轉速自形成後，便沒有太大改變。大碰撞學說通過了第一關！

在化學成分方面，同位素比例提供了有力的證據。同位素比例是指某種元素的同位素（例如氧元素可以分為氧 16、氧 17、氧 18）在物質中各占多少比例。這些同位素形成穩定的化合物後便不會變動，因此成為科學家追本溯源的重要工具。

也因此在天體地質研究中，地層中的同位素比例是每顆星體獨一無二的指紋，太陽系中每顆星體都有相當不同的氧同位素比例。不過，科學家在二十世紀初期，檢驗了阿波羅十三號帶回的月球岩石樣本。其中，氧同位素比例竟然和地球一模一樣，強力暗示了月球物質和地球有著神聖不可分割的淵源。

除此之外，許多地質證據顯示月球在形成初期，表面是高溫的熔融態，符合大碰撞的說法。類似的撞擊事件也曾經在其他星系被觀測到。

六個月球隕石，可能解開月球原生惰性氣體之謎

如今，月球物質是來自古代地球這件事已被廣為接受，但詳細的形成過程究竟是如何，仍持續隨著觀測證據的增加而不斷地修正討論。目前的一個疑點是揮發性物質的存在。

大碰撞時的高溫理應讓大部分的揮發性物質（例如水和二氧化碳）揮發殆盡，但在月球深處的原始岩層中找到的水樣本，和地球地函中的水有同樣的氫同位素指紋，表示這些水或許是「原生」的，在撞擊形成時便一直留存至今，而不是來自外部的隕石。

要研究揮發性物質的源頭，氦或氖這類的惰性氣體的同位素指紋，便是重要的追蹤工具，可惜我們一直未能在月球礦物中找到惰性氣體。由於月球大氣層十分稀薄，外來的小行星以及富含氫氦原子的太陽風持續轟炸月球表面。想對原生惰性氣體進行研究，還得先排除這些外來汙染的可能。

蘇黎世聯邦理工學院的 Patrizia Will 所帶領的研究團隊，以南極拾獲的六個月球隕石作為研究對象。這六顆隕石皆為玄武岩材質；也就是說，它們是由月球內部的岩漿快速凝結而成。形成後，它們受到更上層的岩層保護，免於宇宙射線和太陽風的高能輻射。這六塊岩石很可能是在某次大型隕石撞擊中，才從月球的岩漿流中被撞擊而出，並在漫長的旅途後抵達地球。

要取得隕石的同位素指紋資訊，需要用到質譜儀。這份研究使用的質譜儀靈敏度極高。實驗室人員曾經為了防止外界振動干擾，將它懸掛在天花板上，並為它取名為「Tom Dooley」。Tom Dooley 是美國內戰時期民謠中因謀殺被判處絞刑的人物。

儘管取名的來由十分詭譎，但是這座 Tom Dooley 質譜儀威力十足。它是世界上唯一能夠測量如此微量惰性氣體的儀器，也曾負責分析地球上最古老的物質——高齡七十億年的默奇森隕石（Murchison meteorite）。

研究團隊將隕石中的黑色玻璃微粒用 Tom Dooley 進行分析，嘗試找出當中各種同位素的比例。它們在玻璃微粒中發現了存量遠高於預期的氦和氖。從岩石的形成歷史以及同位素特徵中，他們排除了太陽風或小行星汙染的可能，而氖同位素的比例則和地球地函的深處不謀而合。

這些證據表示這些惰性氣體是直接來自地球的地函。這是首次在月球內部礦物中發現地球原生的惰性氣體，研究結果發表在 Science Advances 期刊中。

這次的發現為大碰撞學說再添一筆證據。往後的研究將繼續挑戰較難測量的氪和氙元素，以及其他容易揮發的鹵素元素等等，藉此追蹤揮發性物質在月球形成的歷史中，究竟是如何存活下來。

1. Will, P., Busemann, H., Riebe, M., & Maden, C. (2022). Indigenous noble gases in the Moon’s interior. Science advances, 8(32), eabl4920.
2. One more clue to the Moon’s origin

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《放不放颱風假就看它！——幫助衛星精準氣象預測的「掩星技術」》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜曾繁安

新颱風生成後，大家最關心的就是颱風的路徑、帶來的風雨大不大，以及——到底放不放颱風假？要能預測和評估颱風的走向影響，可靠的氣象觀測資料是不可或缺的。這就不得不提，在我們頭頂上認真執行觀測任務的人造衛星，以及它們身懷測知氣象變化的絕技！

貢獻全球氣象資料，福爾摩沙衛星功不可沒

過去福爾摩沙衛星三號（福三）執勤十年，為全世界多個氣象中心與研究單位提供無以計數的資料，可謂台灣在國際氣象上的外交大使，於減少天氣預報誤差的貢獻度上，更曾被評為全球前五。福三榮退後，接棒的福爾摩沙衛星七號（福七）也在今年二月完成任務軌道的全部部署。福三和福七都不只有一枚衛星，而是由各 6 枚衛星組成的衛星星系（constellation）。每一枚衛星就像在不同位置巡守、收集氣象情報並互相通報的將士，使得觀測範圍可以覆蓋地球各個區域，提供即時而完整的三維觀測數據。

但福七與行經南北極的「繞極衛星」福三不同的是，它在南北緯 50 度間軌道繞行，主攻台灣、赤道與中低緯度颱風盛行區的觀測。因此福七可以提供密集度更高、更多的溫度、壓力、水氣等氣象資料。國家太空中心推估，它可提升氣象預報準度 10% ——以颱風為例，可以讓 72 小時的路徑誤差改善 10%，協助我們更精準地評估氣象變化與預防災害。

每日可提供 4000 點大氣垂直剖線資料、大幅提升全球氣象預報準確度的福七，究竟是怎麽辦到的？答案就是掩星技術 (Radio Occultation) 。

掩星技術，讓衛星成為太空中最精準的溫度計！

在天文學上，「掩星」指的是一個天體，在另一個天體與觀測者之間通過，產生的遮蔽現象。但英文中的「Occultation」，也可以指前景中的物體，阻擋遮蔽背景中任何物體的情形。而所謂的「掩星技術」，就是利用電磁波訊號在經過大氣層時，會因穿透不同溫度、壓力或濕度的空氣層，被「遮蔽」而產生轉向、變慢、減弱等的特性，來反演出地球上空之溫度、氣壓和濕度。

衛星與衛星之間，本來因為地球的阻隔看不到彼此，但可以接受來自彼此的電磁波訊號。福七的主要酬載儀器——全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」（TGRS），可以接受美國全球定位系統（GPS） 和俄羅斯全球導航衛星系統（GLONASS）全球定位衛星通過大氣與電離層的折射訊號。接著，通過計算電波訊號的偏折程度，就可以反演出大氣與電離層中的溫度、水氣、壓力、電子密度等數據。

掩星技術在 1995 年才開始投入應用，而從 2006 年的福三，到如今福七計劃中積累的研究經驗，使台灣成為這項新穎技術領域的佼佼者。掩星技術所得到的資料具備高準確度和解析度，也擁有不需要大量接收訊號的衛星，就可以得到大範圍數據、降低成本的優勢，不僅可以用作氣象預報，更能幫助我們監控和增進對氣候變遷的瞭解。

衛星加上同位素的助攻，可以使天氣預報更精準

另一方面，除了改善觀測一般氣象資料如溫度、濕度、大氣壓力等參數的準確度，在氣象觀測中新增測定不一樣的參數——如大氣水分子的同位素，也可以讓我們的天氣預報更精準！

過去礙於資料的取得有限，同位素分析在氣象觀測與預報中常被忽略。但近年來人造衛星技術的發展，為氣象科學推開新的一扇窗。來自歐洲太空總署、搭載光譜分析儀的衛星 IASI ( Infrared Atmospheric Sounding Interferometer )，讓東京大學的研究團隊，可以利用其所搜集到的大氣水氣資訊，在氣象預報的模型中，第一次嘗試納入同位素資訊的考量來做分析。

我們都知道，擁有相同質子數、不同中子數的氫與氧元素之同位素，會讓個別水分子的重量變得更重或輕一些。水分子同位素對氣相和液相轉換相當敏感，與一般的水分子 H₂O 相比，較重的水分子如 H²HO 或H₂¹⁸O 會更傾向於凝結成水珠，或更難蒸發。因此蒸發與降雨過程等大氣運動，便會影響不同同位素水氣分子的分佈。追蹤它們的行跡，能增進我們對氣象系統的瞭解。

研究團隊以 2013 年在日本發生的低壓事件作為參照，發現納入同位素的數據之後，氣象模型能更好地模擬這次事件的整體氣壓情形。而在全球的尺度，尤其是中緯度及北半球地區，融合同位素資訊後，氣象預報如氣溫及濕度預測的準確度，也都有所提高。雖然這只是初步的探究，但科學家期許，未來進一步完善氣象觀測衛星對同位素資料的收集，能使人類更往精準氣象預測的目標邁進。

人造衛星就像是科學家的千里眼，能觀測千里之外的風雲變化。發展衛星技術，不僅能讓我們更精準預測氣象，在全球化的現代，也能在國際上發揮「Taiwan Can Help」及互助的精神；各國對航太技術的投入與數據資源共享，更是科研工作與人類社會的一大福音。

參考文獻

• 福衛七號星系佈署完成
• Wikipedia-Radio occultation
• 掩星觀測簡述
• 福衛七號／何謂掩星技術？這裡一次解答
• 台灣太空科技扎根30年 未來1年1衛星發射
• Better weather forecasting through satellite isotope data assimilation
• IASI data product profile

水是我們賴以生存的重要物質，想必大家都對水的化學式 H₂O 不陌生。不過從技術上來說，地球上的水並非都是由 H₂O 組成。普通水 H₂O 也稱為「輕水」，但除了輕水之外，自然界還有「重水」。近期有研究指出，雖然輕水和重水的外觀都是透明無色，但人可以分辨出重水的味道，因為它嚐起來有些許甜味^[1]。

氫的同位素

要說明「重水」之前，得先聊聊同位素。同位素是指同一種化學元素中，具有不同質量數的原子（質子數相同，但中子數不同）。

氫有三個同位素，分別是氕（元素符號 H）、氘（元素符號 D）和氚（元素符號 T）。氕是最常見的氫，由 1 個質子形成的原子核，周圍有 1 個電子包圍；氘是以 1 個質子和 1 個中子形成原子核，周圍覆著 1 個電子；氚則是 1 個質子和 2 個中子形成原子核，周圍覆蓋 1 個電子。

普通水由氕構成，就是最常見的 H₂O。若由氘構成的水，化學式為 D₂O。氘由於質量較氕重，讓 D₂O 的質量也 H₂O 重，因此 D₂O 又被稱做重水。D₂O 在化學性質上與 H₂O 基本沒有差異，但氘也因質量較重，讓重水的物理性質如密度比正常水高約 10%，其凝固點和沸點也比正常水略高一點點^[2]。另外比起正常水，D₂O 的氫鍵^註1較強一點點。

重水對人體有影響嗎？

重水在自然界的含量是正常水的 6,400 分之一，因此人每天都會攝入微量的重水。少量的重水對我們的健康無害，但如果你想長期飲用純重水，可能就不是甚麼好主意了。

動物實驗顯示，當大鼠長期飲用純重水使體內的重水含量達到 50% 時，其細胞分裂會被抑制，這使得需要快速細胞增生的組織出現壞死，最終導致大鼠死亡。

重水喝起來不一樣？

重水在 1930 年代被發現後，就一直有個有趣的傳聞：重水和一般水味道不同，有些許甜味。而由以色列的兩位生化學家 Natalie Ben Abu 和 Philip E. Mason 所領導的研究團隊，就對這個傳聞展開探討。

研究團隊首先找來 28 位志願者，想了解他們是否能區分重水和普通水。研究人員將買來的商業重水純化後，給予受試者兩滴重水和一滴普通水（或者反過來），然後請他們分別以嗅覺和味覺來辨別這三滴水是否有異。

在嗅覺測試中，25 人中只有 9 人能辨識重水。但在味覺測試中，28 人中有 22 人能辨識出重水（受試者表示有淡淡的甜味）。而在塞住鼻子的味覺測試中，超過一半的人能辨識出重水，這顯示舌頭上的味覺受體確實能捕捉到重水的微妙甜味。接著研究人員發現，隨著普通水混入重水的比例增加，受試者品嘗到的「甜味」也會增加。另外，重水也能增加其他甘味劑如葡萄糖的甜味。

研究人員接著想了解，小鼠是否也能分辨重水。儘管小鼠喜歡喝糖水，但牠們飲用普通水和重水的量是一樣的。這顯示小鼠並不像人，能感知到重水產生的甜味。不過研究團隊表示不感意外，畢竟有些甘味劑如阿斯巴甜，人類可以嚐出甜味，但小鼠不能。

甜味與甜味受體

既然講到甜味，那得先簡單聊聊人類的味覺是怎麼產生的。

味覺是舌頭上的味蕾接受到食物的刺激後，將刺激轉換為神經訊號並傳至大腦所產生的一種感覺。味蕾是由味覺細胞、基底細胞和支持細胞組成。味覺細胞的頂端有許多纖毛，毛上則分布很多味覺受體。當特定的味覺受體與特定的分子結合後，味覺細胞會產生訊號，讓連接著味蕾的神經將此訊號傳至大腦，進而產生不同味覺。

目前研究發現，人類的甜味受體由兩種蛋白質共同形成，其中一種是 TAS1R2，另一種是 TAS1R3。能與甜味受體結合並讓味覺細胞產生訊號的物質，則被稱為甘味劑。

重水能活化甜味受體

回到這篇研究，根據上面的結果，研究團隊推測重水可以刺激味覺細胞中的甜味受體，讓人嚐到甜味。

為了驗證這個想法，研究團隊設計出能表現甜味受體 TAS1R2／TAS1R3 的細胞，並觀察重水是否能刺激甜味受體。結果顯示重水確實能刺激 TAS1R2／TAS1R3。另外，加入甜味受體的抑制劑，也確實能封鎖重水對 TAS1R2／TAS1R3 所產生的刺激。這顯示重水確實能與甜味受體結合並刺激其產生訊號，讓人嚐到甜味。

研究團隊根據分子動力學模型，發現甜味受體和正常水與重水之間的相互作用有輕微的差異，而正是這個差異，讓重水能刺激甜味受體。研究團隊推測造成這種差異的原因在於，重水的氫鍵比普通水略強。不過他們也表示需要更深入的研究，才能確認重水之於甜味受體的結合部位和作用機制。

雖然我們現在知道重水也能產生甜味，但重水顯然不是實用的甘味劑。不過當我們更了解重水與甜味受體的作用後，或許能提供甜味分子更廣闊的可能，甚至能以此設計出新型的人工甘味劑！

最後，文章雖沒對超重水進行實驗（畢竟要純化超重水的成本極高！）。然而若重水的甜味真的是源於氫鍵較強，那麼超重水的氫鍵也比普通水強，或許也帶有淡淡的甜味。照這樣說，近期沸沸揚揚的福島核廢水，若經淨化後只帶有氚水（超重水），或許嚐來是甜的？不過我想，恐怕不會有人想嘗試吧～

註釋

1. 氫鍵：氫鍵是一種分子間偶極 – 偶極作用力，或者說其實是一種特殊的靜電作用。氫鍵是由兩個陰電性大的原子與處在其中間作為橋樑的氫原子所組成。氫鍵對於生物高分子尤其重要，蛋白質的二、三和四級結構和 DNA 的雙股螺旋結構，氫鍵都是穩定這些結構的重要原因。

1. Ben Abu, N., Mason, P.E., Klein, H. et al. Sweet taste of heavy water. Commun Biol. 4, 440(2021). 
2. 重水
3. Heavy Water Ice Cubes Do Not Float. mathscinotes. 2014/2/23