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聽見極光

臺北天文館_96
・2013/06/14 ・2453字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 505 ・六年級

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極光會發出聲音嗎?在天文迷之間早已是不陌生的趣味話題,有些人不以為然。當然,大多數的普通人,是絕不可能從自己耳朵直接聽得到極光聲音的,不過如果想挑戰這件不可能的事,一個小小的手持式「超低頻接收器」(VLF)就能幫你實現。下次碰到極光,別忘了親自體驗看看。

聽見極光的標準配備是:空曠地區、一臺VLF(超低頻接收器),耐心等,極光。Credit: Bob King
電子和質子高速擦過地球電磁層時,會發出特低頻電波伴隨嘶嘶聲,在VLF電波接收器輔助下,人耳可聽得見這種聲音。Credit: Bob King

根據本文原作者Bob King目睹極光不下數百次的豐富經驗,他還從來沒有聽到過有些人所說的吱吱喳喳聲或嘶嘶聲。但是,證據顯示,在電聲傳導效應(electrophonic transduction)下,極光所釋放出的特低頻電波訊號,的確能經由一些周圍環境裡的換能體(transducer)被轉換為聲波。根據NASA實驗室結果,金屬框眼鏡、草地或捲捲頭的頭髮,很多東西都能扮演「換能體」的角色,而只要是任何會讓物體發生震動的VLF,也都能被轉換成聲波。此外,在流星觀測時也有紀錄顯示聽到過類似聲音,其中原理可能也相同。

人們「聽得到」極光?原因還有一個,就是:「想像力」。經驗法則上,凡是會移動的東西都會發出聲音。當頭頂上有壯觀的光在舞動,它會欺騙你的大腦,讓大腦自動它配上「音樂」。事實上,極光發生在距地面80公里以上的高空,那裏空氣稀薄到根本無法將任何微弱聲波傳達至你耳中。

像你我這樣正常的人,本來是享受不到聽見極光之「聲」這種特殊樂趣的,不過,或許一臺小小的超低頻接收器,並在耳機孔上插一付耳機,就能幫個大忙,改造我們成為擁有能「聽見光」的超級順風耳!這手掌大的裝置能將太陽所發出的電子和質子在與地球磁場交互作用下所產生的「超低頻電磁波」轉換成聲波。

我們所習慣看得到的光,是種非常短的電磁波,大約只有一公分的幾萬分之一。瞳孔裡的色素(pigments)會將四周環境裡的這種電磁波轉換成看得見的影像。極光和自然界其他的電波能量,譬如閃電或者極光,波長大約有30公里甚至3000公里長,將它們轉換成人耳可聽得見的範圍,需要一支轉換器。轉換器的構造很簡單,基本元件可由現成的WR-3改造,加上個金屬的機構殼,裝上鞭形天線和供應9伏特電力的電池,就可算大功告成。

地球磁層像大泡泡一樣包覆著我們的星球,是太陽風(黃色線條)和地球磁場交互作用的結果。磁層能保護我們免於太空輻射帶來的傷害。地球的磁場線在此以紫色的同心橢圓形顯示,面向太陽的那一面狀似受擠壓,背向太陽的那一面則形狀被拉長。Credit: NASA

除了極光之聲以外,像這樣一支改裝過的接收器同時會收到很多其他由非自然界所製造的電波聲音,譬如來自電線或家裡的任何電器產品。在家裡的話,你可以試試看,保證會收聽到很多這種雜訊。所以,要想聽見地球本身所發出的微弱而天然的電波聲音,必須遠離人工產生的電磁波源至少400公尺。

閃電帶來許多天然的電波音效–天電聲、吱聲、電嘯,透過VLF接收機可聽得到。 Credit: Bob King

想試試看怎麼偵測特低頻電波嗎?你得先找到一個電波寧靜(radio quiet)的空曠野外地區,接下來,把天線舉向天空,記得不要站在樹底下。因為樹會吸掉很多超低頻電波。你聽得到的一些聲音,應該會如以下所介紹,點一下連結,附有聲音檔:

  • 天電聲 Sferic從遙遠地方傳來的天電(sferics)聲。這首先傳入耳中的是一陣劈哩啪啦爆音嘯聲,就和雷雨交加的天氣裡,調幅收音機會收到的雜訊聲差不多。
  • 吱吱聲 Tweeks在電磁波頻譜裡位於波長較長那一端的閃電,釋放出大量能量。當這種能量穿過距離地面數千公里的地球大氣層上層的電離層時,會發出吱吱聲。聽來令人聯想到Star Wars裡的雷射槍。連續一串急促的吱吱聲,幾乎已經具有像彈鋼琴時琴弦所發出的美妙的樂音等級。
  • 電嘯 Whistlers 及Whistler Clusters雷電的電波進入地球磁層、碰撞了磁層裡的粒子的話,來來回回循環在南北極的磁極點之間的旅程可長達幾萬公里,並製造出這種「電嘯聲」。這聲音聽起來有點陰森空靈。由於長途旅行後,較高頻的電波會比低頻的電波早一點抵達,因此也形成這樣的一長系列,調子越來越低的聲音。既像蜂炮,也像戰爭片裡轟炸機丟下炸彈的呼嘯聲音。這和前一類的tweaks聲不一樣,tweaks的吱聲非常簡短,電嘯聲則有1/2秒甚或4秒更長。
  • 晨噪 Dawn Chorus有時你會聽到電嘯成群蜂擁而至。但在最理想條件下,VLF接收器會收得到一些因極光而產生、從磁層「泡泡」傳來的陣陣騷動「聒噪聲」,姑且叫它「晨噪」(dawn chorus)吧。文謅謅的,是嗎?明明是古詩古詞裡蹦出來的兩個字!的確,誰會想得到,因為太陽朝我們丟過來一些電子,沿著地球電磁線螺旋而入、闖進大氣層,竟然還能發出蛙鳴晨噪之類的樂音?嗯,還真的是有…
  • 更多晨噪在一個極光願意現身的佳夜良宵,聽到一首磁層交響樂的機會可就來了。雷電交加的暴風雨雖遠在千里之外,不過,有了雷嘯和吱吱爆裂聲作為背景音,這樣的音樂,層次感就還挺豐富的。仔細聽的話,甚至隱約還有那個如蛙鳴聲一般的「呱呱呱」,配合著極光的起落,似乎,極光還是會呼吸的生命體喲。

(Lauren譯)

這張照片攝於去年七月,有雙星伴月,佐以極光之舞。地點在美國明尼蘇達州。根據太空氣象預報,2013年太陽極大期會在秋季,屆時的極光活動,將更令人期待。 Credit: Bob King

資料來源:Put The Aurora Borealis In Your Ear[2013.05.20]

轉載自網路天文館

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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看不見的歐若拉——物理學家解釋火星上極光的成因
Ash_96
・2022/07/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

極光。圖/envato elements

形成極光的要素有三,其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場,可以在兩極地區生成北極光和南極光;然而,火星沒有覆蓋全球的磁場,因此火星上的極光並非出現在兩極,只能在特定區域生成。

近期,愛荷華大學領導的研究團隊,根據美國航空暨太空總署(NASA)火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器的數據,確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成

極光三要素:大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前,讓我們先把鏡頭轉到地球,談談地球上的極光在哪裡形成,以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區(auroral oval),涵蓋北極與南極地區,但並非以兩極為中心;換句話說,極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外,極光橢圓區的寬度與延伸範圍,會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

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當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引,沿著磁力線加速往高緯度地區移動,最後和大氣中的原子碰撞時,就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述,可以得知極光的三個要素是:大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」,若屬於可見光波段,就能用肉眼觀測,並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍,綠色區域則為極光橢圓區。圖/National Park Service

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火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前,得先介紹它的幕後推手——行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)。IMF就是太陽風產生的磁場,在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化,並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢?當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播,會同時拖曳太陽的磁力線一起離開;太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子,讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話,太陽就像是在轉盤上的蛋糕,太陽風粒子就是擠花裝飾;而當蛋糕一邊以固定速度自轉,擠花逐漸向外擴散的同時,就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

因為太陽一邊自轉,一邊拋射太陽風的關係,IMF的磁力線會扭曲呈現如圖的螺旋狀。圖/維基百科
蛋糕的螺旋狀擠花。影片/Youyube

對太陽風和 IMF 有基本認識之後,讓我們把鏡頭轉向火星,談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

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相較地球來說,火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層,強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態,導致大氣層的散失;該過程稱作濺射(sputtering),發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一,在 IMF 的作用之下,部分的離子會環繞磁力線運動,隨著 IMF 移動而被帶離火星;另外一部份的離子則像撞球一般,撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子,引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明,根據團隊研究的成果,太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離,並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素(質子數相同,但是質量不同的元素)以氬-38 以及氬-36 為主,後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比,Jakosky 的團隊推估火星約有 65% 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形;其中又以二氧化碳為焦點,畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在,而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

火星的大氣層因為太陽風的濺射效應逐漸被剝離。圖/NASA

接著,讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢?這要先從行星發電機理論開始說起,該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

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以地球為例,地核內部保留了地球形成初始的熱能,約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵,因為密度下降而上升至地核頂端,接觸到地函時,這些液體會喪失部分熱能而冷卻,因為溫度比周圍環境低,密度變高而下沉;如此不斷的熱對流循環下,讓帶有磁力的流體不斷運動,進而形成電磁感應。另外,科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向,產生螺旋狀的流動效果,有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示,火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關,在火星形成之初散熱較快,造成火星外核液態鐵短時間內就凝固,無法像地球一樣,保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化,不斷從地核深處上升至地函,再冷卻下降,持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力,導致火星內部的發電機幾乎停止運轉,無法形成全球的磁場。話雖如此,火星仍然具備小區塊的磁場,主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

行星發電機理論中科氏力影響行星地核內熱對流的導電流體偏向。圖/Wikipedia

磁層與大氣層相互依存,火星在太陽風不斷吹襲之下,大氣層愈趨稀薄;火星內部又缺乏發電機的動力,無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護,就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢,因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

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既然這樣,看似缺乏極光形成要素的火星,又是如何形成極光的呢?

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護,但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡,磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用,滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」,與地球上常見的極光不同,有些發生在人眼看不見的波段(比如紫外線),所以也更加提升了觀測難度。

那麼,研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢?那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀(Imaging Ultraviolet Spectrograph,IUVS)!

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家,他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

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火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果,比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場(IMF)強度、時鐘角和錐角[註 1] 以及火星上極光的紫外線,發現在磁場較強的地殼區域內,極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向;反之,區域外的極光發生率則與太陽風動壓(Solar Wind Dynamic Pressure)關聯較高,但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到,在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內,當 IMF 的時鐘角呈現負值,如果正逢火星的傍晚時刻,較容易觀測到離散極光;也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯(Magnetic Reconnection)——意即磁場斷開重新連接後,剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量(如動能、熱能等)加以釋放,例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向:移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關,而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料,也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果,主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光;以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想,火星是目前人類圓夢的最佳選擇;但是在執行火星移民計畫之前,火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護,生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果,科學家們將發掘新的突破點;期許在不久的將來,我們能找到火星適居的鑰匙。

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  • 註1:IMF 的時鐘角(Clock Angle)與錐角(Cone Angle)

如何判定 IMF 的角度呢?因為磁場空間是立體的關係,我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念,來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上,IMF 方向與 Z 軸的夾角;而錐角則是在 X、Y 平面上,IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

IMF 時鐘角和錐角示意圖。圖/ResearchGate

參考資料

  1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
  2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
  3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
  4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
  5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
  6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫
  7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的?物理學家有新發現,帶你揭秘
  8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平
  9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的? 科學家解謎
  10. BBC News 中文。北極光:美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理
  11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風
  12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖,證實火星有磁場。科技新報。
  13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集
  14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
  15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
  16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.
Ash_96
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外交系畢業,很多人看成外文(是不是又回頭看一次? ) 常常在外向與保守的極端之間擺盪;借用朋友說的詞彙,我屬於營業式外向。 喜歡踩點甜點店和咖啡廳,大概是嚮往那種文青都會女子的感覺,或是純粹愛吃。 喜歡k-pop ,跳舞的時候會自動設定為開演唱會模式,自我催眠現在我最帥。

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科學寶可夢 #25 皮卡丘:小智身旁的不定時炸彈
Rock Sun
・2016/10/20 ・2600字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

身為一名訓練師,你真的了解你的寶貝們嗎?寶可夢圖鑑讀熟了沒?

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔!國外玩家建立了這個 Scientific Pokedex 網站,來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。

每個星期跟著 R 編一起來上一門訓練師的科學課吧!

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超來電小倉鼠  #25 皮卡丘

皮卡丘之於寶可夢世界就像米老鼠之於迪士尼(乁~都是老鼠?),身為圖鑑上第一隻遇到的電氣系神奇寶貝,牠的內容可說是煥然一新,充滿各種對「電」特別敘述和幻想。例如:

幾隻皮卡丘湊在一起可以造成閃電風暴」(紅、藍、葉綠版)

靠牠的尾巴偵測四周,閃電有時候會打到尾巴」(銀、魂銀、X 版)

很聰明,會用電烤熟漿果讓它更好吃」(金、心金版)

看起來任何一個圖鑑中的敘述,都是真實世界的電、磁真的有可能辦到的事(註1)。在寶可夢世界中,皮卡丘能夠控制從微弱到強大的電力,但與我們的主人翁小智日常生活最相關的大概是這個敘述:

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兩頰儲存電力,當睡覺的時候會充電,起來時昏昏沉沉有時候會有電力釋放」(註2)。

我沒記錯的話,皮卡丘似乎都是在小智的懷中(或附近)睡覺的,如果牠平時就電力超群,而且特別在這種時候無法控制電力釋放的話,小智有沒有可能有生命危險呢?

(圖/Giphy)
那這會不會是便秘的時候……。圖/Giphy

擁有儲存電力功能的物品,如皮卡丘的臉頰,被稱為電容器,在現在的電路系統中很常見。討論一個電容器的電容率大小,類似於討論彈簧的彈性係數會因為彈簧本身材質等條件而有不同,電容大小也會因電容器而異,跟材料、填充率、兩片電極之間遠近都有關。

電容(C)單位為法拉,1 法拉的電容器,在正常操作範圍內,每增加 1 伏特的電壓可以多儲存 1 庫侖的電荷。電容可由以下得知

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C = q/V (q 為電極板上的電荷,單位為庫侖;V 為之間的電壓,單位為伏特)(註3)

要計算皮卡丘的電容,現在我們需要知道的是該以牠的哪個放電現象做為最強的基準?

在綠寶石版的圖鑑中有這麼一句話:「皮卡丘臉頰儲存的電力可以依程度放出來,差不多等於閃電的電力。」好~那我們就把閃電的強度當作基準吧!

在空氣中,一公尺內產生 100 萬伏特以上的電場時,就會開始產生電弧(electric arc),大氣中的連續釋放的強大電弧就是閃電(註4)

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(圖/http://www.lightningsafety.noaa.gov/)
閃電伴隨導閃打下來的狀況。圖/NOAA

如果皮卡丘釋放的就是整串的電弧,所需時間跟閃電一樣僅 0.2 秒,一般的閃電電量為 15 庫倫,較強力的閃電甚至可以達到 350 庫倫(註5),而電壓介於 1000 萬到 1 億伏特,如果我們取最強的閃電數據,帶入上面的公式做計算。

假設皮卡丘的臉頰純存了最強大的閃電,他的電容將為 3.5 (10-6法拉

這其實算是相當合理的數字,一般常見或時常使用的電路中,電容大小通常都是在微法拉的範圍內,所以皮卡丘並沒有特別誇張。硬要比較的話,人體的電容為 400 微微(10-12)法拉

圖鑑中表示皮卡丘藉由睡覺來充電,在這樣的情況下能充電的來源只有一個——靜電,就像用氣球摩擦頭髮一樣,甚至閃電本身就是大氣中的靜電釋放。

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靜電力的釋放,也就是皮卡丘的大部分絕招可以用一下公式得到

E = C V2/2(E 為能量,單位為焦耳)

如果要使出名副其實的閃電,能量將為 35,000,000,000 焦耳(350 億焦耳)。

(圖/ Bulbapedia)
圖/ Bulbapedia

雖然圖鑑上說大部分的皮卡丘可以控制自己的電流釋放,不過如果這電力屬實,那一隻皮卡丘就相當危險了,350 億焦耳的能量差不多等於 8.37 噸黃色炸藥,如果幾隻皮卡丘聚在一起別說閃電風暴了,大概森林都沒了。(註6)

想來每一個晚上小智抱著皮卡丘睡覺時,一定心裡在默默祈禱,希望他的好夥伴有一個好夢,要不然明天早上地上不是一具焦屍,就是一個巨大的彈坑……

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(圖/http://www.aircraftsp.com)
我不能睡~圖/http://www.aircraftsp.com

編註:

  1. 和其他討論過的神奇寶貝相比,皮卡丘的圖鑑內容獨特性真的很高,22 個圖鑑版本中有 11 種不同的敘述。其他很有趣的還有紅寶石版「當皮卡丘遇上新東西時,先用電流電一下再說。如果你看到焦黑的漿果,表示有皮卡丘沒拿捏好電力」;白金、黑、白版「可以幫其他身體虛弱的皮卡丘充電」……等,但還是比較多聚焦在他們的臉頰上,如生氣會放電、如果有火花你要小心之類的,我還是很想知道為什麼要是紅色的?
  2. 這讓我很好奇,如果皮卡丘睡覺抽筋會怎樣?抽筋有時是身體內神經傳導電流稍微短路,使肌肉不正常收縮的現象,如果皮卡丘睡覺睡到抽筋,他們會不會開始亂放電一通?如果顏面麻痺呢?真好奇~
  3. 這裡 Scientific Pokemon 是用兩個導體間的自電容來做計算,但從觀察來看,皮卡丘的電容器就是牠的臉頰,這形狀應該是比較接近球形或圓盤。
  4. 閃電打下來前,會經由一個叫做 Step Leader 的導閃引導,整個過程可以想像成一個直徑 60 公尺的大圓球在大氣中不斷偵測有接地或耗能最少的傳導途徑,等確定位置之後閃電再循著路徑打下來,整過過程到命中地上(或是其他東西)在幾毫秒內就會完成。
  5. 若導線中載有 1 安培的穩定電流,在 1 秒內通過導線橫截面積的電量為 1 庫侖({\displaystyle 1C=1A\cdot s}),一般我們摩擦東西產生靜電的電量只有微庫倫尺度而已,所以皮卡丘應該要睡很~久才能達到文章中的程度。
  6. 如果這個能量能用在能源上不知道會如何?有興趣的人可以參考 PTT 的「要多少隻皮卡丘才能供應台灣所有電力?

參考資料:

  1. Scientific Pokemon
  2. National Weather Service Lightning Safety Home Page
  3. Wikipedia (電容庫倫閃電炸藥當量
  4. Pokemon Database
Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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聽見極光
臺北天文館_96
・2013/06/14 ・2453字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 505 ・六年級

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極光會發出聲音嗎?在天文迷之間早已是不陌生的趣味話題,有些人不以為然。當然,大多數的普通人,是絕不可能從自己耳朵直接聽得到極光聲音的,不過如果想挑戰這件不可能的事,一個小小的手持式「超低頻接收器」(VLF)就能幫你實現。下次碰到極光,別忘了親自體驗看看。

聽見極光的標準配備是:空曠地區、一臺VLF(超低頻接收器),耐心等,極光。Credit: Bob King

電子和質子高速擦過地球電磁層時,會發出特低頻電波伴隨嘶嘶聲,在VLF電波接收器輔助下,人耳可聽得見這種聲音。Credit: Bob King

根據本文原作者Bob King目睹極光不下數百次的豐富經驗,他還從來沒有聽到過有些人所說的吱吱喳喳聲或嘶嘶聲。但是,證據顯示,在電聲傳導效應(electrophonic transduction)下,極光所釋放出的特低頻電波訊號,的確能經由一些周圍環境裡的換能體(transducer)被轉換為聲波。根據NASA實驗室結果,金屬框眼鏡、草地或捲捲頭的頭髮,很多東西都能扮演「換能體」的角色,而只要是任何會讓物體發生震動的VLF,也都能被轉換成聲波。此外,在流星觀測時也有紀錄顯示聽到過類似聲音,其中原理可能也相同。

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人們「聽得到」極光?原因還有一個,就是:「想像力」。經驗法則上,凡是會移動的東西都會發出聲音。當頭頂上有壯觀的光在舞動,它會欺騙你的大腦,讓大腦自動它配上「音樂」。事實上,極光發生在距地面80公里以上的高空,那裏空氣稀薄到根本無法將任何微弱聲波傳達至你耳中。

像你我這樣正常的人,本來是享受不到聽見極光之「聲」這種特殊樂趣的,不過,或許一臺小小的超低頻接收器,並在耳機孔上插一付耳機,就能幫個大忙,改造我們成為擁有能「聽見光」的超級順風耳!這手掌大的裝置能將太陽所發出的電子和質子在與地球磁場交互作用下所產生的「超低頻電磁波」轉換成聲波。

我們所習慣看得到的光,是種非常短的電磁波,大約只有一公分的幾萬分之一。瞳孔裡的色素(pigments)會將四周環境裡的這種電磁波轉換成看得見的影像。極光和自然界其他的電波能量,譬如閃電或者極光,波長大約有30公里甚至3000公里長,將它們轉換成人耳可聽得見的範圍,需要一支轉換器。轉換器的構造很簡單,基本元件可由現成的WR-3改造,加上個金屬的機構殼,裝上鞭形天線和供應9伏特電力的電池,就可算大功告成。

地球磁層像大泡泡一樣包覆著我們的星球,是太陽風(黃色線條)和地球磁場交互作用的結果。磁層能保護我們免於太空輻射帶來的傷害。地球的磁場線在此以紫色的同心橢圓形顯示,面向太陽的那一面狀似受擠壓,背向太陽的那一面則形狀被拉長。Credit: NASA

除了極光之聲以外,像這樣一支改裝過的接收器同時會收到很多其他由非自然界所製造的電波聲音,譬如來自電線或家裡的任何電器產品。在家裡的話,你可以試試看,保證會收聽到很多這種雜訊。所以,要想聽見地球本身所發出的微弱而天然的電波聲音,必須遠離人工產生的電磁波源至少400公尺。

閃電帶來許多天然的電波音效–天電聲、吱聲、電嘯,透過VLF接收機可聽得到。 Credit: Bob King

想試試看怎麼偵測特低頻電波嗎?你得先找到一個電波寧靜(radio quiet)的空曠野外地區,接下來,把天線舉向天空,記得不要站在樹底下。因為樹會吸掉很多超低頻電波。你聽得到的一些聲音,應該會如以下所介紹,點一下連結,附有聲音檔:

  • 天電聲 Sferic從遙遠地方傳來的天電(sferics)聲。這首先傳入耳中的是一陣劈哩啪啦爆音嘯聲,就和雷雨交加的天氣裡,調幅收音機會收到的雜訊聲差不多。
  • 吱吱聲 Tweeks在電磁波頻譜裡位於波長較長那一端的閃電,釋放出大量能量。當這種能量穿過距離地面數千公里的地球大氣層上層的電離層時,會發出吱吱聲。聽來令人聯想到Star Wars裡的雷射槍。連續一串急促的吱吱聲,幾乎已經具有像彈鋼琴時琴弦所發出的美妙的樂音等級。
  • 電嘯 Whistlers 及Whistler Clusters雷電的電波進入地球磁層、碰撞了磁層裡的粒子的話,來來回回循環在南北極的磁極點之間的旅程可長達幾萬公里,並製造出這種「電嘯聲」。這聲音聽起來有點陰森空靈。由於長途旅行後,較高頻的電波會比低頻的電波早一點抵達,因此也形成這樣的一長系列,調子越來越低的聲音。既像蜂炮,也像戰爭片裡轟炸機丟下炸彈的呼嘯聲音。這和前一類的tweaks聲不一樣,tweaks的吱聲非常簡短,電嘯聲則有1/2秒甚或4秒更長。
  • 晨噪 Dawn Chorus有時你會聽到電嘯成群蜂擁而至。但在最理想條件下,VLF接收器會收得到一些因極光而產生、從磁層「泡泡」傳來的陣陣騷動「聒噪聲」,姑且叫它「晨噪」(dawn chorus)吧。文謅謅的,是嗎?明明是古詩古詞裡蹦出來的兩個字!的確,誰會想得到,因為太陽朝我們丟過來一些電子,沿著地球電磁線螺旋而入、闖進大氣層,竟然還能發出蛙鳴晨噪之類的樂音?嗯,還真的是有…
  • 更多晨噪在一個極光願意現身的佳夜良宵,聽到一首磁層交響樂的機會可就來了。雷電交加的暴風雨雖遠在千里之外,不過,有了雷嘯和吱吱爆裂聲作為背景音,這樣的音樂,層次感就還挺豐富的。仔細聽的話,甚至隱約還有那個如蛙鳴聲一般的「呱呱呱」,配合著極光的起落,似乎,極光還是會呼吸的生命體喲。

(Lauren譯)

這張照片攝於去年七月,有雙星伴月,佐以極光之舞。地點在美國明尼蘇達州。根據太空氣象預報,2013年太陽極大期會在秋季,屆時的極光活動,將更令人期待。 Credit: Bob King

資料來源:Put The Aurora Borealis In Your Ear[2013.05.20]

轉載自網路天文館

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