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用大砲打小鳥

timd_huang
・2011/06/06 ・7900字 ・閱讀時間約 16 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

「用大砲打小鳥」這句成語,大家都聽過,它和「殺雞用牛刀」,略有一些共同的味道,都是指著使用太過龐大的工具,進行細小的工作,顯得不是那麼恰當,甚至有些礙手礙腳,糗狀百出,在正常人的狀況,應該盡量避開,免得招惹旁人的笑話;不過,人生的無奈,有時候明明知道,可是卻不得不如此,在此就是一個例子,寫下來作為「我也幹過此等傻事」的人生記錄;按:本文內用諸多如「啥鳥蛋」的字詞,絕無任何壞念頭,請不要想歪了,哈哈。

言歸正傳,為何我這次真的是「用大砲打小鳥」呢?簡單來說,我用了應該是全國最大的儀器裝置,在新竹的國家同步輻射研究中心的設備,透過它諸多的先進儀器,分析研究我手頭上的一些有趣的化石,探討這些大約兩億和六億年前古生物化石的奧祕;有關國家同步輻射研究中心的簡介,我從他們網站抄錄這些介紹:

同步加速器光源是二十世紀以來科技研究最重要的光源之一,已廣泛應用在材料、生物、醫藥、物理、化學、化工、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等基礎與應用科學研究,因而被稱為現代的「科學神燈」。目前全球供實驗用的同步加速器光源設施超過七十座,同步加速器光源設施的建造已成為各國高科技能力的指標之一。

台灣的科學神燈–國家同步輻射研究中心位於新竹科學工業園區內,設立的宗旨為有效運轉及利用同步加速器光源設施,執行相關尖端基礎與應用研究,提升我國科學研究之水準及國際地位。本中心的同步加速器由國人設計建造完成,於 1993 年 10 月正式啟用,為亞洲第一座完成的第三代同步輻射設施。自 1994 年 4 月起開放光源供國內外學術科技界使用,隨著近幾年周邊實驗設施逐漸興建完成,國內外研究人員使用本中心光源的人次快速增加,研究成果在質與量上亦呈現大幅成長,各領域已做出數量可觀的世界一流科學實驗。

電子束由電子槍產生後,經過直線加速器加速至能量為五千萬電子伏特,電子束進入周長為七十二 (72) 公尺的增能環後,繼續增加能量至十五億電子伏特,速度非常接近光速(0.99999995 倍 );注射器產生的電子束經由傳輸線進入儲存環,傳輸線的長度為七十 (70) 公尺。

電子束進入六邊形設計、周長為一百二十 (120) 公尺的儲存環後,環內一系列磁鐵導引電子束偏轉並維持在軌道上,如此一來,電子束便能於每一圈的運行中在偏轉磁鐵切線方向或插件磁鐵下游放出同步輻射光。由於電子會因輻射而損失能量,因此環內裝置高頻系統,用來補充電子的能量。

請注意官網所描述的同步輻射器的大小,最前端有個 72 公尺的增能環,透過 70 公尺的傳輸線,進入 120 公尺的儲存環,最後才把光束分到各個工作站,總共跑了 262 公尺;如此龐大的設備,難道還不足以稱之為「大砲」嗎?絕對是的。

每單次掃描所得的照片,請注意看左下角尺標。

在每工作站所分析的標靶面積,實在小得不能再小,每次的掃描範圍,所能「看」到的地方,以我所用到的來說,只有 16×16 μm2 而已,這麼丁點大的面積,或說 16 μm 到底有多小?我們一般尋常百姓人家,往往難以想像體會,拿我們凡人生活中的實例來說:10 張 80 磅影印紙堆起來的厚度,大約為 1.2 mm,也就是說每一張紙的厚度為 0.12 mm,換算成為 120 μm,亦即,每一張紙的厚度,是每次掃描長度或寬度的 7.5 倍,一張我們認為是已經很薄很薄的紙,在此還是厚如泰山,它的厚度方向,必須分成 8 次掃描才能完成;也就是說,拿這邊的設備來看我們的化石,可以看到非常非常小的細微結構;當今有些恐龍學者說,恐龍就是鳥,鳥也是恐龍(兩者的關係很密切難分),故此,把我要做的恐龍稱之為「小鳥」、恐龍蛋叫做「鳥蛋」,也沒有過份到那裡去;我用同步輻射的設備來看很小的小恐龍–世界上最古老、1.92 億年前還沒有孵化出來的恐龍胚胎,總稱之為「用大砲打小鳥」並不離譜,絕對不誇張,哈哈!

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好了,既然我手中有「小鳥」等化石,也有機會利用國家「大砲」級的研究儀器,當然就不能客氣,就該好好「用大砲打小鳥」,如果還打不出什麼名堂來,真的應該好好打屁股了,沒有任何推托的藉口;於是,當被通知先去做樣本的準備切割之前,我就花了一番心思和時間,把想要做的 24 個幾類項目確定下來,選好每一類的化石樣本,還遵照宋博士所教導的,先把樣本埋在環氧樹脂(俗稱 AB 膠、哥倆好)、直徑約 2~3 公分的餅塊中,以便切割機切成所需要的薄片(厚度 30μm 以下),然後花了幾天的時間,從新店家到新竹去「上班」,開始進行來日用大砲打小鳥的樣本準備(Sample Preparation) 切片。

5x5張單次掃描所組成的一張馬賽克。

為了切割機能精密的切出所要的厚度,化石樣本必須先用環氧樹脂包起來,我還特地買了一公斤裝大罐的 AB 膠,又買了好多小朋友吃的果凍,勉強逼自己把那時候不知道有沒有含有毒塑化劑的果凍吃掉,拿果凍塑膠殼來當模子;這部份操作不算困難,只要抓住幾個要點:混和均勻、手腳快、抓好硬化時間只有五分鐘,把化石包埋起來,不算大問題;不過,在後來的切割中,發現當樣本要切得這麼薄的時候,如果環氧樹脂當中有氣泡,會嚴重地破壞切割效果,所以啊,以後我會在環氧樹脂硬化的過程中,用家裡的吸塵器加以抽真空,把樹脂起化學反應過程中所產生的氣泡消吸掉–不經一事,不長一智。

哼,不要以為上面短短幾句話的描述,說起來那麼簡單,實際做起來,卻是有些麻煩,最主要的關鍵是,每個切片的厚度要切到 30μm 以下,也就是說只是影印紙厚度的四分之一,要控制每個樣本都如此,真不容易;加上在這麼薄的情況下,當初用環氧樹脂時,沒想到裡面有好些小氣泡,切片時會捲起來,把那麼薄的樣本撕裂成無數的碎塊,要得到一片可用的樣本,可真是個大考驗;不過,在看著珍貴樣本在眼前粉碎成塵、心痛一兩次之後,馬上就想起了一個救急的方法,馬上在樣本上方,塗一點三秒膠,等三秒膠硬化之後,靠著三秒膠把樣本固著起來(其實貼上防水膠布也可以)–但是,如果樣本要拿去做有機分析(如弗立業轉換紅外線光譜,FTIR),用這些有機的膠水來包裹固定化石樣本,那就會自討苦吃。

總之,忙了一兩天,終於有了幾片勉強可用的,接下來,我們所申請的光束時間 (Beam Time) 還沒輪到,幸好,宋博士剛好有一點點空檔先給我,就把幾個樣本,先轉換到有如古代的銅錢(外園內方)的樣本框裡面,約略估計所要掃描的位置,放到樣本夾內,樣本夾中間有一條長度約 2 cm 的開縫,只有 1mm 寬度,圓心正中央的地方,有個 2mm 的圓孔,所要掃描的樣本,要大略對準樣本夾開縫的位置,並先在樣本準備室裡的定位儀拍照、測定出所要掃描的位置數據,然後放進 X 光透視顯微鏡 (TXM, Transmisstion X-ray Microscope) 去掃描;這些和接下來作業過程,承蒙該中心的宋、王兩博士的協助,衷心感激,沒有多久之後,在電腦螢幕上,就開始看到掃描的影像了,真是令人興奮。

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前面說過,實際每單次掃描的區域,只有 16×16 μm2 而已,實在是很(太)小,所以通常會做相鄰的 5×5(或 5×15)次範圍的馬賽克 (Mosaic);即便如此,整個畫面影像的範圍,也只是 80×80 μm2 而已,以前面紙張的厚度來說,80 μm 只有 2/3 的紙張厚度!雖然一張馬賽克大小有 80×80 μm2,畢竟還是太小,所以,經常需要往上往下或往左往右,掃描多張馬賽克,以拼湊出較大範圍的影像:如此一來,時間很快地飛逝過去,幾個小時,算得什麼一回事情,一抬頭,已夜深人靜,匆忙趕著最後的一班車回家,累得呼呼大睡。

次日,把幾張相鄰的馬賽克拼在一起,成為一張比較大的照片,整體看看,發現似乎先前所做的樣本切片,並沒有切得夠薄,除了邊邊的一小區域之外,大部份地方的影像,並不是很清楚,所以,為了做三維的掃描,只能挑選樣本最邊邊,而且有明顯突出之處,也就是尖尖的地方,剛開始的時候,我搞不懂,為何要挑最尖凸出的地方,以此樣本來說,有這麼明顯的稜角,就是典型的方解石結晶形狀,正好是我所不想做成三維模型之處,我要看的是化石裡面的組織細胞結構,而不是礦物方解石的填充,那有啥好看的?

3x3張(5X5)馬賽克所組成的大照片,大小為240X240µm2。

宋博士很耐心地解釋說,一則這個樣本做得太厚,大部份區域的影像已經不是很清楚了,想要做成三維模型,效果會更糟糕,再者,這個設備做三維掃描的方式,和一般的電腦斷層掃描不一樣,它是以平面影像的縱軸為中心,把樣本往左和往右旋轉,最多到 90度,然後透過專用的軟體,把這些照片(最多 181 張)組合成為三維模型,也是因為它需要做如此的旋轉,哈!我終於明白了,為什麼樣本夾中央會有那一條開口,就是要讓 X 光能打到樣本上,也瞭解了想做成三維模型的部位,為何需要挑選尖端凸出之處,而非任何想要的部位,要不然,當樣本旋轉到大角度的時候,標靶兩邊的樣本部份,就會遮住標靶區,無法得到所要的相片;〔按:一般的電腦斷層掃描,是平行式的,有如用刀子切小黃瓜片。〕

哼!這一下子,以後就必須好好考慮如何做樣本的準備,不只是把樣本切磨得夠薄,也必須找出方法,能把從前端掃描看到想做三維模型的部份切下來,安裝在玻璃針尖上,避免被鄰近區域擋住;在實際的操作上來說,這有相當的高困難度,因為所要的樣本大小,必須小於16 μm2,想把這麼小的東西好好切下來,實際操作上非常困難,到底要用什麼樣的切割工具?在什麼樣的顯微放大之下才能做到?在在都是問題,接下來,把所切下的微米樣本安裝到針尖上,功夫可沒那麼簡單;當然,有一招碰運氣,我把它戲稱之為「散彈打鳥法」,以時間換取空間的「偷吃步」,那就是把樣本研磨成粉狀,在高倍光學顯微鏡之下,把一顆粉粒黏到一根針尖頂端,因為磨成粉之後,不知道那顆粉粒才是所要的,只能多多做一些樣本,一個個拿去掃描,米粒夠多的話,青瞑雞也會啄到米,把時間耗下去撒出天羅地網,總會找到一個可用的樣本,產生所要的三維模型。

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說到這裡,或許對於這篇文章的題目「用大砲打小鳥」,該有比較多的瞭解,至少知道我是拿 262 公尺、8-11 keV 的 X 光「大砲」,打只有 16×16 μm2 的「小鳥」﹔現在來算看看,到底放大的倍率有多少?我們就不拿 262 公尺與 16 μm 來算是多少倍,這樣子除出來的數字,沒有意思﹔所要的是,到底用如此龐大的設備拍攝,可以拍出多麼細小的東西,也就是說,它可解析到什麼程度(尺寸)?據宋博士告知,她們這台穿透式 X 光顯微鏡的成像器,縱橫兩個方向,各有 1,024 個像素,各涵蓋 16 μm,所以,每個感光成像像素,對應於 0.015625 μm2,也就是大約 16 nm2 (奈米)平方的拍攝範圍,所要看的物件,只要大於 16 奈米平方,就可以解析出來﹔當然,如果把影像列印出來,可以列印大一些,也可以列印小一些,要算到底放大了多少倍,就要看列印的尺寸了。

從原始相片做出來(假色)的三滴模型, 最底下那一大片平滑亮面,是方解石,不是所要的, 上方那些密密麻麻孔孔洞洞才是所要的,但是看不出啥鳥蛋。

話說另一頭,因為初次樣本製作不是很好,這次用大砲打小鳥的效果,有一點俗語說的「烏龜吃大麥,糟蹋糧食」,不管是二滴(平面)或是三滴(立體)的,都不是很清楚,再加上,我對於到底這個樣本裡面會有啥米碗糕,到底我要看啥「鳥」,自己也根本不知道,所以該中心的王博士幫我做出的三滴影片,和自己手中列印出來的二滴馬賽克相片等,看來看去, 一直都沒有看出啥「鳥蛋」,一堆麻麻花花的黑白點,真的有看沒有懂。

從四月底拿到這些原始數據之後,不知道花了多少時間和心神,想要看出這些二滴和三滴的照片裡面所隱藏的奧祕,明明就在我眼前,怎麼會有看沒有給我懂出來?在漫長的一個多月的時間內,我不知道花了多少時間和精力,反覆了多少遍,使用各種影像處理的軟體,有二滴的,也有三滴的,斟過來看過去,就是有看沒有懂,有看沒有出來,我用人家那麼先進的大砲,到底有沒有打到了什麼鳥蛋?如果有打到,那又是打到什麼東東?這些相片裡面,到底隱藏了什麼奧祕?一直解不開謎底,真是沮喪,無形的心理壓力,也逐日累增,幾乎要爆炸了,同時也覺得非常對不起人家那麼熱心幫忙,此時只能怪自己有眼無珠,恨自己笨蛋到極點。

花了好大的力氣,把原來的三滴檔案放到OsiriX上後製作, 所得到的結果,還是花花花,有看沒有懂。

不知道什麼原因,王博士在處理製作成三滴影片的過程中,就是無法除去(橫切面看)最外圍的那層假的圓圈殼,我請他將檔案轉換成醫學斷層掃描用的 DICOM 格式,然後我在麥金塔上用免費的電腦斷層掃描軟體 OsiriX 做進一步的後處理,終於把蒙蔽內部的那層假殼去除掉,也輸出了新的三滴模型為蘋果公司的快時虛擬實境 (QTVR, QuickTime Virtual Reality) 格式,以便我在(也是免費的)快時播放器 (QuickTime Player) 7 版中,可以隨心所欲把模型放大縮小旋轉到任何角度,讓我從各種不同的方位,好好瞧瞧﹔不過,花了那麼多的時間和心血之後,還是沒看出什麼鳥蛋,真是洩氣,晚上睡覺都會做惡夢。

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過了好幾個禮拜如此痛苦的日子,一直都得不到解決,這裡面的一個關鍵點在於:我真的不知道到底要看什麼?或說,我想要看的目標,到底長得什麼樣子,從來沒有人看過,也幾乎沒有人能請教,或找到相關的文獻參考,真是求助無門啊!這塊樣本是埃迪卡拉紀黃楊清蓮體終端的實體化石 (Body Fossil),據目前的資料顯示,到現在為止,我這埃迪卡拉紀實體化石的發現,乃為世界首見,全世界從未發現過,過去文獻上所發表的埃迪卡拉紀化石,都是鑄模 (Casts/Imprints) 化石,所以不可能看到埃迪卡拉紀生物體內已經變成化石的細胞結構﹔我面臨的窘況,用比喻來說就容易瞭解明白:醫學院的學生,無法拿灌鑄出來的人形公仔(銅像、石膏像)來做大體解剖實習,必須使用真人的屍體才可以﹔到我發現這些樣本之前,所有的埃迪卡拉紀化石,都是 5.4 億年(寒武紀)以前的「公仔」,研究學者無法探討這些古生物體內的結構奧祕–根本沒有適當的研究材料,想要做埃迪卡拉紀生物的大體解剖,只有我手頭上才有真正的埃迪卡拉紀生物屍體,這同時也就是說,從來沒有人看過埃迪卡拉紀生物的細胞結構,沒有人知道它們長得什麼樣子,再者,因為埃迪卡拉紀的生物分類(界門綱目科屬種),到目前為止它們到底屬於那個生物界 (Kingdom) 也還難以定論,所以這些細胞會比較類似於植物細胞、或動物細胞、或原核細胞、或真核細胞?誰也說不準,誰也不知道,搞不好,它們有另外一套遊戲規則,因為它們有可能是一個或多個已經完全滅絕的生物界。

說到這裡,我也不怕被人家笑,說我是自己被自己的幻想春藥灌醉了,七老八十了,還活在一個毫無經濟利益可言的虛幻世界﹔可是、如果、萬一、「不幸」、走狗屎運、…、死也不死,真的被我透過研究這些死傢伙,找到了已經滅絕五六億年、從來未曾被發現過的「新」生物界,給我機會對全世界宣告:The Lost Kingdom Found,人生不就很夠本了嗎?我們凡人一輩子,能有幾次如此的機會?

從M1-08單張照片(左)上,我把橢圓形的結構標示出來(右)。

5 月 20 日,對我來說,總統就職三週年,根本沒有任何的意義,只是尋常百姓人家很平凡的一天,不過,在我研究埃迪卡拉紀實體化石的過程中,這可是一個大日子,非常關鍵的一天﹔這一天下午三點多,我正忙著修理老爺摩托車,突然接到研究同僚謝博士的電話,他到台北來,即將搭高鐵回台南,希望能在火車站和我碰個面聊聊,討論研究進展,於是我匆忙地搭捷運趕過去,在捷運車上看人家美女打瞌睡很無聊,就把這些化石的馬賽克照片拿出來再斟酌,或許是車子搖晃,加上剛好的光線強度和角度,照片上面似乎「跳」出好多橢圓形的圈圈,這裡一個,那裡一個,到處都是,每一張馬賽克上面都滿滿地一大堆,它們的長軸直徑,大約都在 5~20μm(細胞大小)之間,哇塞!這些是啥玩意?摘下眼鏡,揉揉眼睛再看,果真到處都是橢圓圈圈耶!我沒有老人家眼花撩亂吧?打一下自己的頭,我沒有做白日夢啊!照著剛才電光石火剎那間的直覺,抓住了那個難以文字描述的要領,原來,雖然我先前的樣本準備不夠好,導致掃瞄出來的相片不是很清楚,花了這麼久的時間,都不得要領看不出眉目來,但在這一刻這一剎那,終於開始看到了一些「東西」了,謝謝謝博士喊我去碰面,要不是如此,這堆照片還可能要躺很久,至少要等到下一次的光束時間以較薄樣本重新掃描出來之後,或許,如果幸運的話,才能看出名堂來!在台北火車站短短的碰面中,我迫不急待地指給謝博士看,他終於也看出來,也同意這些 TXM 馬賽克照片裡面,的確有好多好多的橢圓圈圈,加上它們的長軸直徑 5~20μm,也符合細胞的直徑〔按:紅血球細胞直徑大約 10μm〕,尤力卡!

好了,既然在平面二滴的馬賽克相片上有看到不好計數的橢圓圈圈,如果以同樣的要訣重新檢驗那個三滴立體模型,理論上應該可以看到這些我認為是黃楊清蓮體細胞橢圓圈圈的三滴結構,也就是這個大約 5.65 億年前古生物的立體細胞形狀﹔於是乎,又歷經了好多輾轉反側難以入眠的夜晚,硬著頭皮好好用幾個免費從網路抓下來的醫學用立體渲染 (Volume Rendering) 應用軟體,如 OsiriX,VR-Render 等等,一面學,一面用,能做多少算多少,只要能讓我看出這些橢圓圈圈的三滴結構,在此階段,我就很滿足了。

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埃迪卡拉紀黃楊清蓮體終端的立體細胞結構。

我沒錢買專業用的軟體,只能從網路下載免費軟體(Freeware),經過無數次的程式撞毀 (Program Crash),心理早就有準備,程式撞毀是必然的結果,總之,跌跌撞撞,東搞搞西摸摸,終於「切入」了前面的三滴模型,從立體的角度看到這些細胞的結構:右邊這張圖很清楚的顯現,這些外型如橄欖球細胞的四分 (Quadrant) 形狀。

什麼?你還是看不出來?那裡有立體的細胞結構?一堆黃色棕色黑色的點罷了﹔好吧,送佛就要送到西天,好人做到底,接下來的這張,我把此立體柱狀體的幾個交界線(總共 12 條)用綠色的虛線標示(7 條,另有 5 條被擋住看不見)出來,再把兩個部份細胞的位置,再分別以白色和藍色線標示出來;這個白色線所標示的細胞,其實只有(大約)整個外形如橄欖球細胞的四分之一,也就是說,想像你拿個橄欖球,像剖西瓜那樣,沿著長軸一刀切下去,切成兩半,這時候,你會看到一個橢圓的圈圈,接著,再從垂直於此剖面、同時也垂直於橢圓長軸的方向又切一刀,就會得到類似如此的四分切片,穿越此白橢圓圈圈的綠色虛線,就是長方立體柱的交界線,這就是這張圖所顯示的;說了這麼清楚,你還看不出來,那就是你的眼睛該去檢查一下囉!

三滴的埃迪卡拉紀黃楊清蓮體終端標示圖。

最後,來做個小階段的檢討算帳:我「 用大砲打小鳥」,有沒有打到東西?答案絕對是肯定的;有沒有打到很多「 小鳥 」?有,打到很多,沒有好好去算有多少個,也不必去算;那麼,到底打到了什麼「鳥蛋」?嗯,這個,這個,(我講話開始啼啼吐吐了)目前只能說,應該是外型如橄欖球狀的細胞結構;能確定是細胞的形態嗎?嗚,嗚,應該是吧!整個結構的長度,也符合細胞的長度,在 5~20μm 之間;那麼,假設真的找到了 5.65 億年前埃迪卡拉紀黃楊清蓮體的細胞,這些細胞裡面的結構又如何?啊,啊,莫宰羊,從目前的相片和三滴模型,還不夠精確,加上我根本沒有細胞組織學 (Cellular Histology) 的訓練,實在沒辦法置一詞,只能等下次光束時間重新掃描,取得更好的解析效果,並找到在這方面專精的學者專家,如謝博士等人,一起來研究,我們團隊應該可以提出更詳盡的報告來。

順便一提:我這個研究課題,絕對很有趣,對於地球生命演化,絕對重要,在此,我廣發武林英雄帖,誠心邀請能者跳到擂台上來,加入我的團隊,讓我們一起來幹一件驚動武林轟動萬教傻事。

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現在,端午節到了,我要吃粽子去了!

本文同步發表於催眠恐龍[2011-06-06]

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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

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!

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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

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【2023 年搞笑諾貝爾化學與地質獎】舔石頭以外,猛獁象竟是海龜湯?
寒波_96
・2023/10/20 ・2211字 ・閱讀時間約 4 分鐘

搞笑諾貝爾獎每年都是新的開始,2023 年也不例外。今年「第 33 次第一屆搞笑諾貝爾獎」頒發十個獎項,「化學與地質獎」以看似獵奇的舔石頭博取不少眼球,不過得主揚.扎拉謝維奇( Jan Zalasiewicz)的文章中,其實還提到另一件知名的歷史公案。

1951 年晚宴真相,竟然是海龜湯?!圖/americanoceans

1951 年晚宴真相,竟然是海龜湯?!圖/americanoceans

文學史上用味覺帶出情節,最知名的案例之一是普魯斯特的小說《追憶似水年華》開頭,由瑪德蓮的味道切入,接著進入意識的海洋游泳。扎拉謝維奇的文章開頭,也從品嚐岩石的味道切入,自由切換不同的題材。

地質學家為什麼要舔石頭?《舌頭、石頭,迸出新滋味?科學家為什麼要舔石頭?——2023 搞笑諾貝爾獎》一文有精簡介紹。最主要的理由是,缺乏現代儀器之際,舌頭可謂方便的化學感應器,能提供有用的資訊。

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當然,即使有了現代儀器,舌頭還是很方便的工具。

處於意識流科學史中,扎拉謝維奇的文章從舌頭感應器,十分合理地切換到一場宴會。那場 1951 年的晚宴中,據說提供猛獁象肉製作的餐點。

這場晚宴由美國的「探險俱樂部(The Explorers Club)」舉行,主辦方宣稱當天有道菜,來自已經滅絕的動物大地懶(Megatherium)。但是幾天後有報紙披露,宴會中的奇珍異獸不是大地懶,而是來自阿留申群島,25 萬年久遠的猛獁象!

1951 年保存至今的晚餐。圖/取自 參考資料3

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奇妙的是,當天的餐點竟然有少量樣本被保留至今。當時沒有參加的豪威斯(Paul Griswold Howes)寫信要到一份樣本,一直保存到他去世為止。後來樣本輾轉來到耶魯大學的皮博迪自然史博物館(Yale Peabody Museum)。

那一餐到底是大地懶,還是猛獁象呢?2014 年,耶魯大學的研究生葛拉斯(Jessica Glass)等人成功由樣本中取得 DNA,結果在 2016 年發表。比對之下相當明顯,答案是綠蠵龜。

現今綠蠵龜是保育類動物,合法的狀況下沒有機會吃到。然而 1951 年那個時候,綠蠵龜尚未面臨滅團威脅,仍然是普遍的食材。

區區綠蠵龜製成的海龜湯,當然無法彰顯晚宴的尊絕不凡。不過俱樂部宣稱的大地懶,怎麼又會變成猛獁象?

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最可疑的是當天在場的俱樂部成員尼可斯(Herbert Bishop Nichols),他也是基督科學箴言報(The Christian Science Monitor)的科學編輯。可考的記錄中,他第一個對外提出相關描述,後來被視為吃猛獁象的證據。

海龜湯的幾位相關人猿。(A) 據說將食材從北極帶回的極區探險家 Father Bernard Rosecrans Hubbard。(B) 極區探險家 George Francis Kosco。(C) 晚宴主辦人 Wendell Phillips Dodge。(D) 保存樣本的 Paul Griswold Howes。圖/取自 參考資料3

如果真的是那道菜的材料,那麼狀況就是:俱樂部用綠蠵龜做菜,宣稱是大地懶,報紙以訛傳訛寫成猛獁象。

「吃猛獁象」之類的傳聞,雖然不是嚴謹的科學,卻因為有噱頭而容易引人注目。作為沒多少負面影響的玩笑,也沒有人想要特別澄清。使得這類事件的真相,往往不了了之。

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儘管沒有特別獲得搞笑諾貝爾獎關注,對於這道海龜湯的追根究底,倒是相當符合搞笑諾貝爾獎的精神。

海龜湯以後,扎拉謝維奇的文章意識又跳躍到另一種已經滅團的生物:貨幣蟲(Nummulites)。許多古生物,當初也是其他古生物的食物。儘管擁有堅硬的外殼保護,貨幣蟲這種生物依然有機會成為美食。

1912 年的時候,英國古生物學家庫克派崔克(Randolph Kirkpatrick)提出一個觀點:地球有一段時間存在非常大量的貨幣蟲,後來它們變成稱為「貨幣球(Nummulosphere)」的地層,是地殼岩石的源頭。

看起來很搞笑,可是庫克派崔克是認真的。所以他即使生在現代,應該也沒有獲得搞笑諾貝爾獎的機會。

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2023 年搞笑諾貝爾獎頒獎典禮影片(化學與地質獎從 10:18 開始):

延伸閱讀

參考資料

  1. The 33rd First Annual Ig Nobel Prizes
  2. Eating fossils
  3. Was Frozen Mammoth or Giant Ground Sloth Served for Dinner at The Explorers Club?
  4. Mammoth meat was never served at 1950s New York dinner, says researcher

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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【2023 年搞笑諾貝爾獎快訊】10 項怪奇獲獎研究出爐
PanSci_96
・2023/09/15 ・3874字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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一年一度、讓你廢到笑出來的搞笑諾貝爾獎,今年在美東時間 9 月 14 日下午 6 點準時直播。

今年的主題為「水」,這次 10 項獲獎都或多或少與「水」有關(但大部分是口水),現在就快讓我們一起來看看今年的得獎快訊,並一起期待後續的個別研究報導吧~

化學和地質獎:為什麼地質學家與古生物學家會舔化石

這是一封說明「過去」地質學家與古生物學家,為什麼會有舔化石習慣的「快訊」(發表在期刊上,但被歸類為快訊),這封快訊說了幾個故事,其中最讓我印象深刻的,是「義大利地質之父」的喬瓦尼·阿爾杜伊諾(Giovanni Arduino,1714-1795)用自己的舌頭「品嚐」這些化石,分類出可能是史上第一個「地質時期」

故事的亮點是引用了喬瓦尼·阿爾杜伊諾的研究紀錄,看起來就像是個美食家在品嚐化石。

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文學獎:重複寫字,直到感覺不對勁

A 編小學時,曾被老師罰抄生字 100 遍,寫到一半突然懷疑這個字是不是這樣寫,趕緊回頭看前面寫的字,還把課本翻出來看才確定自己沒有寫錯。

上述的情境,稱為「猶昧感」(Jamais Vu),「猶昧感」是「既視感」(Deja Vu)的反義詞,描述人們對熟悉的事物,突然感到陌生,也是這篇論文主要探討的主題。

這研究的笑點在於他的實驗,他們讓受試者一直重複寫同一個字,跟小學被老師罰抄生字一樣。

實驗中,約有三分之二的受試者體驗到「猶昧感」,這些受試者大約在重複 30 次或一分鐘後開始感到異狀。另外,研究也發現平常越容易發生「既視感」的人,也更容易發生「猶昧感」,未來「猶昧感」的相關研究,可能會加深我們對「既視感」的理解。

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  • 原文研究: “The The The The Induction of Jamais Vu in the Laboratory: Word Alienation and Semantic Satiation,” Chris J. A. Moulin, Nicole Bell, Merita Turunen, Arina Baharin, and Akira R. O’Connor, Memory, vol. 29, no. 7, 2021, pp. 933-942.  doi.org/10.1080/09658211.2020.1727519

機械工程獎:死靈機器蜘蛛

會招喚骷髏或操縱屍體的死靈法師稱為 Necromancer,而科學家再次中二病發作,把用液壓操控的蜘蛛屍體,稱作 Necrorobotics 死靈機器。

我跟同事討論這種死靈機器,算不算是一種仿生科技?他覺得是,我覺得不是,你們覺得呢?

  • 原文研究:“Necrobotics: Biotic Materials as Ready-to-Use Actuators,” Te Faye Yap, Zhen Liu, Anoop Rajappan, Trevor J. Shimokusu, and Daniel J. Preston, Advanced Science, vol. 9, no. 29, 2022, article 2201174.  doi.org/10.1002/advs.202201174
死靈機器蜘蛛。

公共醫學獎:斯坦福馬桶

恩,就是接上各種感應器的物聯網馬桶,能即時檢測使用者的糞便與尿液。這東西最酷的是能「肛門辨識」,只要坐到馬桶上,斯坦福馬桶就能透過肛門的型態,辨識出使用者!

因為這個獎項,我才知道原來每個人的肛門都長得不一樣……謝謝你,搞笑諾貝爾獎。

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  • 原文研究:
    •  “A Mountable Toilet System for Personalized Health Monitoring via the Analysis of Excreta,” Seung-min Park, Daeyoun D. Won, Brian J. Lee, Diego Escobedo, Andre Esteva, Amin Aalipour, T. Jessie Ge, et al., Nature Biomedical Engineering, vol. 4, no. 6, 2020, pp. 624-635.  doi.org/10.1038/s41551-020-0534-9
    • “Digital Biomarkers in Human Excreta,” Seung-min Park, T. Jessie Ge, Daeyoun D. Won, Jong Kyun Lee, and Joseph C. Liao, Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology, vol. 18, no. 8, 2021, pp. 521-522.  doi.org/10.1038/s41575-021-00462-0
    • “Smart Toilets for Monitoring COVID-19 Surges: Passive Diagnostics and Public Health,” T. Jessie Ge, Carmel T. Chan, Brian J. Lee, Joseph C. Liao, and Seung-min Park, NPJ Digital Medicine, vol. 5, no. 1, 2022, article 39.  doi.org/10.1038/s41746-022-00582-0
    • “Passive Monitoring by Smart Toilets for Precision Health,” T. Jessie Ge, Vasiliki Nataly Rahimzadeh, Kevin Mintz, Walter G. Park, Nicole Martinez-Martin, Joseph C. Liao, and Seung-min Park, Science Translational Medicine, vol. 15, no. 681, 2023, article eabk3489.  doi.org/10.1126/scitranslmed.abk3489

傳播獎:嗎話說著倒能你?

趣有超也獎學播傳,心擔別,的常正是來過反來起看子句得覺在現你!

你有試過快速把彩虹的顏色順序倒著背,或是把你說話中的每個名詞都倒過來講嗎?大家都知道這超難,但這份研究中的兩位受試著確有著超強「顛倒單字或語句」的能力。

研究對象以西班牙語為母語,他們能在對話中輕鬆地將 banana 念成 ananab,或是將「 basket is fun」念成「nuf si teksab」。研究著重在這兩位有著特殊能力的人,推理、記憶能力是否優於常人,以及大腦灰質、白質比例與一般人(對照組)是否有差別。

大腦如何組織語言一直都是個有趣的研究題目,像是為什麼中文的序順不會響影到閱讀,這也是 A 編跟大家都一樣好奇的。而了解大腦語言是如何形成的,也能推進對於失語症、癡呆症的症狀研究。

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  • 原文研究:“Neurocognitive Signatures of Phonemic Sequencing in Expert Backward Speakers,” María José Torres-Prioris, Diana López-Barroso, Estela Càmara, Sol Fittipaldi, Lucas Sedeño, Agustín Ibáñez, Marcelo L. Berthier, and Adolfo M. García, Scientific Reports, vol. 10, no. 10621, 2020.  doi.org/10.1038/s41598-020-67551-z

醫學獎:屍體兩個鼻孔的鼻毛數量是否一致?

俗稱鬼剃頭的「圓禿」(Alopecia areata)不只會頭髮脫落,同時睫毛、眉毛與鼻毛也會脫落,其中,鼻毛脫落會增加得到過敏、呼吸道感染的機率。

由於鼻毛的相關研究非常少,為此,研究者調查 20 具「遺體」的鼻毛數量與長度,並收集相關病史、死往原因…等數據,來評估正常人的鼻毛數量與長度。研究結果顯示,平均每個鼻孔的鼻毛數量約為 120~122 根,左右鼻孔並沒有顯著差異,鼻毛平均長度大約是 1 公分。

  • 原文研究:“The Quantification and Measurement of Nasal Hairs in a Cadaveric Population,” Christine Pham, Bobak Hedayati, Kiana Hashemi, Ella Csuka, Margit Juhasz, and Natasha Atanaskova Mesinkovska, Journal of The American Academy of Dermatology, vol. 83, no. 6, 2020, pp. AB202-AB202.  doi.org/10.1016/j.jaad.2020.06.902

營養獎:電流有一股「電味」

日本明治大學教授宮下芳明 (Homei Miyashita)與他的團隊,發現在筷子與吸管上附加微弱電流,會改變食物的味道。

他們發現微弱電流刺激舌頭時,會產生一股「電味」(論文上寫 Electric taste,你說我要怎麼翻比較好) 。這股「電味」味道如何呢?基本上沒有味道(不能啟動味覺細胞),但如果有其他味道存在,例如鹹味(氯化鈉)或鮮味(麩胺酸鈉),電味會讓食物吃起來更鹹或更鮮。

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接著,他們發明了連著電線的通電筷子與吸管(看起像整人玩具),證明了通電筷子與吸管確實能在不改變食物味道的情況下,讓人們吃進更少的鹽跟味精。

通電吸管構造
  • 原文研究:“Augmented Gustation Using Electricity,” Hiromi Nakamura and Homei Miyashita, Proceedings of the 2nd Augmented Human International Conference, March 2011, article 34.  doi.org/10.1145/1959826.1959860

教育獎:系統性研究課堂上感覺無聊的學生與老師

你覺得上課無聊嗎?多半人都會問答「是」,而這系列研究仔細分析了為什麼上課無聊,且越來越無聊的原因。

你可能會想:「那不就是老師上課很無聊啊,老師不有趣阿。」我只能說你們這樣太沒同理心了,搞不好老師也在想:「教你們真無聊!」

所以,研究者第一個想探討的問題是:「老師如果覺得無聊,會不會讓學生也覺得無聊。」先說結論,不會。

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雖然學生不會刻意去了解老師的心情。但如果學生明確感受到老師很無聊,像是死氣沉沉地念課文,學生就會覺得這堂課更無聊,進而影響學習動機與學習成效。某種程度上,研究還是印證了「老師不有趣覺得無聊」這件事,但老師是否在強顏歡笑,這就不得而知了。

另一個問題則是:「是不是想著上課很無聊,就會覺得更無聊?」沒錯,的確是這樣!只要上課前預期這堂課很無聊,那這堂課就會比你預期的還要更無聊!

  • 原文研究:
    • “Boredom Begets Boredom: An Experience Sampling Study on the Impact of Teacher Boredom on Student Boredom and Motivation,” Katy Y.Y. Tam, Cyanea Y. S. Poon, Victoria K.Y. Hui, Christy Y. F. Wong, Vivian W.Y. Kwong, Gigi W.C. Yuen, Christian S. Chan, British Journal of Educational Psychology, vol. 90, no. S1, June 2020, pp. 124-137.  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31342514/
    • “Whatever Will Bore, Will Bore: The Mere Anticipation of Boredom Exacerbates its Occurrence in Lectures,” Katy Y.Y. Tam, Wijnand A.P. Van Tilburg, Christian S. Chan, British Journal of Educational Psychology, epub 2022.   doi.org/10.1111/bjep.12549

心理學獎:你會跟著抬頭看天空嗎?

他們到底在看什麼?眼前一群人停下腳步抬頭看著上方,你一定會跟著將視線移向相同的地方,看看他們到底在看什麼。

沒錯,這就是著名的從眾效應,或稱做群聚效應、羊群效應。這個1969年進行的經典實驗,應該很多人也聽說過。Stanley Milgram、Leonard Bickman、Lawrence Berkowitz 三人組,在紐約的街道上測試要有多少人同時往上看,才能吸引其他人也駐足湊熱鬧。

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這個實驗能得獎感覺毫不意外,甚至覺得怎麼現在才得獎!

群聚效應引響甚遠,因為整個社會的運作都養類人與人之間的互動與連結。不管是跟風買東西、參與熱鬧的大型活動、政治意識型態的抉擇等等,都能看到群聚效應影響著人們的身影。

大家都有可能是羊群裡面的羊。

  • 原文研究:“Note on the Drawing Power of Crowds of Different Size,” Stanley Milgram, Leonard Bickman, and Lawrence Berkowitz, Journal of Personality and Social Psychology, vol. 13, no. 2, 1969, pp. 79-82. psycnet.apa.org/doi/10.1037/h0028070

物理學獎:一群鯷魚能影響海流?

一隻拍翅膀的蝴蝶能讓海的對面產生颶風,那一群在海中游泳的鯷魚呢?他們可能直接影響了洋流與海面的大氣流動。

如果要計算颱風能量或是海洋鹽分的變化,我們通常會考慮海面風速與氣壓,要不然就是洋流、海溫和密度的垂直梯度等等。但這份研究發現,我們或許忽視了大海居民造成的影響。

研究發現只要到了鯷魚的產卵季,當天晚上海面附近海水的垂直混合程度會增加10~100倍。也就是這群游動的小魚們,像是攪拌棒一樣攪混了上層海洋,程度相當於地球物理現象造成的影響,對海溫與營養鹽分布的作用可能比我們想像的還大。

  • 原文研究: “Intense Upper Ocean Mixing Due to Large Aggregations of Spawning Fish,” Bieito Fernández Castro, Marian Peña, Enrique Nogueira, Miguel Gilcoto, Esperanza Broullón, Antonio Comesaña, Damien Bouffard, Alberto C. Naveira Garabato, and Beatriz Mouriño-Carballido, Nature Geoscience, vol. 15, 2022, pp. 287–292.  doi.org/10.1038/s41561-022-00916-3
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