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以離子風冷卻電腦晶片

科景_96
・2011/02/10 ・548字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 577 ・九年級

Original publish date:Aug 19, 2007

編輯 HCC 報導

美國普渡大學機械系與英特爾公司合作,研發了可以冷卻電腦晶片的微型離子風引擎,此技術有助於大幅提升電腦的計算能力。

傳統上電腦是採用小風扇對晶片進行冷卻,不過當風扇旋轉葉片吹送空氣拂過晶片表面時,最接近晶片的空氣分子會困住,停滯不前,因而阻礙了冷卻效果。

普渡大學的實驗型離子風引擎則採用迥然不同的工程邏輯,讓流通晶片表面的離子風進行冷卻。原型離子風引擎附著在一片模擬的電腦晶片上,引擎元件內部有相距1公分的正負電極,施加電壓後,陰極釋放出電子,流向正極的電子撞擊空氣分子,產生了正離子,並被拖往陰極,造成穩定的離子風(ionic wind)。

相較於傳統風扇,離子風引擎冷卻速率較高,依據普渡大學機械系Suresh Garimella教授的說法,此種技術增加熱傳導係數,冷卻速率增加了2.5倍。

普渡研究人員未來擬將離子風引擎元件尺寸從毫米級降至微米級,如此有助於應用於電腦與消費性電子產品上,讓元件能以更低的電壓操作,同時能冷卻小的熱點。

詳細的研究報告預期刊登於九月份的Journal of Applied Physics,作者為普渡大學機械系博士班學生David Go,機械系助理教授 Timothy Fisher以及英特爾公司研究工程師 Rajiv Mongia。

參考來源:

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科景_96
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Sciscape成立於1999年4月,為一非營利的專業科學新聞網站。

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夏天真的「熱死」人!奪命熱浪無法擋?——《氣候緊急時代來了》
天下雜誌出版_96
・2020/07/03 ・2718字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

  • 作者/大衛‧華勒斯—威爾斯 (David Wallace-Wells);譯者/張靖之

人類和所有哺乳動物一樣,是一台發熱機,要活命就必須不停散熱。而要散熱,氣溫須夠低,皮膚上的熱才能被空氣帶走,身體才能順利運作。

氣溫須夠低,皮膚上的熱才能被空氣帶走。圖/giphy

如果地球升溫 7 度,在赤道和熱帶地區,尤其是高溼度的悶熱地方,人體根本無法正常散熱,只需幾個小時,就會因為內外交迫的高溫而死。如果升溫 11 或 12 度,以現今的全球人口分布來說,將有一半的人會活活熱死。地球可能變得這麼熱嗎?如果我們不減碳,有氣候模型顯示,地球有可能在幾百年後漸漸升溫到這個程度。

其實,只要升溫 5 度,根據某些估算,地球有許多地區就會讓人類活不下去:夏天的密西西比河谷下游地區,會從清晨六點就無法從事任何勞力工作;住在美國洛磯山脈以東的人所須忍受的高溫之苦,更甚於目前世界上任何地方的居民,紐約市會比現在的巴林還要熱,而巴林這個目前全球最熱的地方之一,更會熱得「連人在睡夢中都會出現過熱症狀」。

地球在 2100 年前還不太可能升溫 5 或 6 度,但假如我們不改變目前的碳排放速度,聯合國 IPCC 提出的中位數預測是升溫 4 度以上。這已足以帶來難以想像的衝擊,例如野火將在美國西部肆虐,面積是現在的 16 倍;幾百個城市將被大水淹沒;從印度到中東,現在有幾百萬人口的城市,夏天一到都將熱得連踏出戶外都有生命危險。

其實這種情況會更早到來,地球升溫 2 度就是讓地球變得不再宜居的臨界點。你根本不用去考慮最糟結果,就已讓人頭皮發麻了。

最熱的十年剛過,但未來會更糟

直接的熱感有個關鍵因素,叫做溼球溫度,也測量溼度。方法很簡單:溫度計包在溼布套裡,再放到空氣中擺盪,測量出來的溫度就是溼球溫度。

目前,大多數地區的最高溼球溫度是攝氏 26 或 27 度,適宜人居的警戒線是 35 度,一旦超過,人會開始因高溫而死亡。我們還剩 8 度之差,但到達警戒線前,所謂的熱應力(heat stress)早已出現。

越來越熱的天氣,連出門都是問題。圖/giphy

從 1980 年以來,地球發生致命熱浪的次數逐年增加,如今更是當年的 50 倍,未來會更頻繁發生。歐洲從 1500 年至今最熱的五個夏天,都出現在 2002 年以後,聯合國 IPCC 已提出警告,未來部分地區每到夏天從事戶外工作都會變得有害健康。

就算我們順利達成巴黎協定的減排目標,喀拉蚩和加爾各答這些城市仍然每年都要面對像 2015 年那樣的致命熱浪。那次熱浪在印度和巴基斯坦造成幾千人喪生。

如果升溫 4 度,歐洲 2003 年那次致命熱浪會變成夏天的常態,那是歐洲大陸有史以來最糟糕的氣候事件,單日最高死亡人數達到 2,000 人,總計有 35,000 人死亡,其中法國就有 14,000 人。

美國通訊記者蘭格韋許(William Langewiesche)曾指出一個詭異的現象,在這次熱浪中,死者多半是身體硬朗的老人,體弱年長者反而較少,因為體弱老人大多在養老院或醫院裡受到照護。而那些受害的健康老人中,有不少是因家人去避暑而獨自留在家中,當家人在幾個星期後回來,才發現他們的屍體在屋內已腐爛多時。

情況肯定會愈來愈糟。如果「一切照常不減排」,根據科菲爾(Ethan Coffel)的研究小組在 2017 年的計算,到 2080 年以前,比目前全年最高溫還要熱的天數,會是現在的 100 倍,甚至可能達到 250 倍。科菲爾用的計算單位是人日數,結合受影響的人數和天數。屆時,每年會有 150 萬到 750 萬人日的溼球溫度等同於今天最嚴重的致命熱浪;另有 100 萬人日的溼球溫度超出人體所能承受。

致命熱浪不斷來襲,還越來越嚴峻

我…快…要…不…行…了…。圖/giphy

世界銀行估計,到了本世紀末,南美洲、非洲和太平洋熱帶地區的最涼爽月份,應該會比 20 世紀末的最熱月份還要熱。

20 世紀末也有致命熱浪。

  • 1998 年夏天,印度因熱浪致死人數有 2,500 人。

近年來,熱浪的溫度飆得更高了。

  • 2010 年,俄羅斯熱浪奪走 55,000 條人命,在這段期間莫斯科每天有 700 人熱死。
  • 2016 年,中東熱浪持續了好幾個月,伊拉克的 5 月高溫突破攝氏 40 度、6 月突破 45 度、7 月突破 50 度。大多數時候,只有到了夜晚,溫度才會降到 40 度以下(根據《華爾街日報》報導,一位來自納傑夫的什葉派神職人員宣稱,熱浪是由美國對伊拉克發動的電磁攻擊所造成,竟然有些伊拉克氣象學者也支持這種說法)。
  • 2018 年,巴基斯坦東南部又出現有紀錄以來最高的 4 月氣溫。

天氣熱,開空調就好了?

在印度,每個超過攝氏 35 度的熱天都會讓年度死亡率增加 0.75 個百分點,而在 2016 年 5 月就連續好幾天出現攝氏 50 度以上高溫。沙烏地阿拉伯的夏天經常出現這種高溫,因此夏季時每一天都要燒掉 70 萬桶石油,主要用在空調的供電。

我需要那個很 cool 的東西。圖/giphy

空調當然可以使人涼快一些,可是空調和電扇已占全球用電量 10%。預估到 2050 年前,需求還會增加到現在的 3 倍,甚至 4 倍。有預測顯示,到 2030 年以前,全球的冷氣機會再增加 7 億台;另一項研究則估計,到 2050 年以前,全世界會有超過 90 億台不同形式的冷卻設備。

撇開阿拉伯聯合大公國那些恆溫調控的購物商場不說,把冷氣機大批賣到地球上最熱、大部分還是最窮的地區,既不符合經濟效益,更遑論環保。

事實上,中東和波斯灣將會是氣候危機最嚴峻的地方之一。當地在 2015 年的熱指數錄得攝氏 73 度的高溫,最快再過幾十年,目前每年有 200 萬穆斯林參加的麥加朝覲,將會超出許多穆斯林身體所能承受的。

每年都有許多穆斯林前往麥加參與朝覲活動。圖/pixabay

不只是麥加的朝覲,在薩爾瓦多的甘蔗產區,有多達 20% 的人口(或 25% 的男性人口)會因為在甘蔗田工作,長期處於脫水狀態而導致腎衰竭;才不過短短二十年前,這些甘蔗田的氣候還很宜人。如果能夠洗腎,腎病患者大約可以活五年,但洗腎很貴,要是沒有經濟能力,患者的平均餘命只有幾個星期。

當然,熱應力會造成的身體傷害絕不僅止於腎臟。就在我寫下這句話的時候,在 2018 年 6 月中旬的加州沙漠裡,我家門外的溫度是攝氏 49 度,而這還不是最高紀錄。聯合國世界氣象組織指出,2010 年至 2019 年是有紀錄以來溫度最高的十年,並警告高溫將在未來助長更多極端氣候發生。

這就是為什麼宇宙學家會針對某個地球以外的星球說:宇宙中沒有任何一種像人類這樣的高等智慧生命,可以在像這樣不宜生命存活的環境裡演化成功。而每一個不宜居的星球都在提醒我們,需要有多麼獨特的一組條件,才有可能創造出足以供養生命的氣候環境。

——本文摘自《氣候緊急時代來了》,2020 年 4 月,天下雜誌

天下雜誌出版_96
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法國男人陰囊的溫度,左右不對稱?——2019年搞笑諾貝爾解剖學獎
miss9_96
・2019/09/17 ・1543字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

左邊,熱熱的

科學家的好奇心總是令人敬畏,早在 70 年代時,就有勇者開始量測男人的陰囊溫度1。然而,隨著儀器靈敏度的提升,學者開始發現:「咦?左邊,總是比較熱」。

法國的郵差(圖非實驗者本人XD)source:Julie Kertesz

於是追求科學之美的學者 B. Bengoudifa(法國土魯斯第三大學,Université ToulouseIII)團隊,找了一般人、郵差、巴士司機等法國男子,研究在「不同姿勢」、「裸體與否」等情況下,陰囊的溫度變化(喔喔喔 (≧w≦ヾ))1, 2。更棒的是,該研究榮獲了2019年的搞笑諾貝爾解剖學獎。

下圖以巴士司機為例子,顯示了他們的實驗統計結果。

裸體和著褲的陰囊,在不同姿勢下的溫度變化。中文資訊為本文作者標註。圖/B. Bengoudifa, R. Mieusset (2007) Thermal asymmetry of the human scrotum. Human Reproduction. 22. 2178-2182.

關鍵幾度 ℃,精蟲歸去來兮

所以從這些實驗裡,我們可以知道些啥呢?

研究發現,不論裸體、姿勢、工作與否,左側陰囊的溫度都比右側高。

穿褲子的(嘖)司機工作 1.5 小時之陰囊溫度變化。中文資訊為本文作者標註。圖/B. Bengoudifa, R. Mieusset (2007) Thermal asymmetry of the human scrotum. Human Reproduction. 22. 2178-2182.

其原因仍屬未知,法國團隊推測可能是多數男人(約 89%)的陰莖偏左,高溫的陰莖加熱了陰囊。亦有可能是未知的血管散熱結構、熱受器等,導致「左邊熱熱的」。

BUT,這研究有什麼貢獻呢?(誰說一定要有貢獻啊,做實驗爽就好了啊)

精子發育的適合溫度為 33-35℃ 〔註 1 〕,而過往的研究早已證實,過高的溫度將導致睪丸細胞凋亡、精子受損,甚至不孕4。因此設計優秀的散熱裝置,是太空、航天、採礦科技等環境工程下甚為重視的一環5。甚至早在近四十年前,美國人就已發明了「水冷式睪丸散熱器」6,臨床試驗證明有效改善男性的不孕症。

AW Zorgniotti團隊發明的「水冷式睪丸散熱器」,受試者需每日配戴16小時、為期約3-4個月。水冷液體為水或水、酒精混合物,實驗發現可降低約2℃左右。From: 參考文獻6

逆轉少子化:空調.裸體裙子.救精子!

如此重要的研究,怎麼能沒有亞洲學者的參與呢?2008 年的《國際男性生理醫學期刊, International Journal of Andrology》,刊出一篇由韓國學者團隊的研究:他們研究了室內空調(18℃ 和 26℃)與椅墊高度(0-8 公分)對於陰囊溫度的關係 3。結果發現陰囊溫度和椅墊高度無關,但和室內空調溫度有關(衛福部快修法天天開冷氣啊!)

韓國學者設計的實驗裝置與結果。圖/Gook‐Sup Song, Wonwoo Kim, Ju Tae Seo (2008) Effect of air conditioning and chair cushion on scrotal temperature. International Journal of Andrology. 31. 418-426.

而德國學者們也不甘落於法國人後,他們研究了「裸體」、「寬鬆褲」和「貼身褲」對於陰囊溫度的影響7。結果不出所料,陰囊的溫度以「裸體」最低,而「貼身褲」在靜坐或行走時都會使陰囊溫度顯著上升。

德國學者設計的實驗結果。From: 參考文獻7

所以為了台灣的生育率,讓我們大聲呼籲「空調.裸體裙子.救精子!」吧!

參考文獻:

  • 註 1:另其他的文獻認為應低於核心體溫 1-2℃,請見參考文獻 7
  1. B. Bengoudifa, R. Mieusset (2007) Thermal asymmetry of the human scrotum. Human Reproduction. 22. 2178-2182.
  2. Winners of the Ig® Nobel Prize. (搞笑諾貝爾官方網頁)
  3. Gook‐Sup Song, Wonwoo Kim, Ju Tae Seo (2008) Effect of air conditioning and chair cushion on scrotal temperature. International Journal of Andrology. 31. 418-426.
  4. Koji Shiraishi, Hiroshi Takihara, Hideyasu Matsuyama (2009) Elevated scrotal temperature, but not varicocele grade, reflects testicular oxidative stress-mediated apoptosis. World Journal of Urology. 28. 359-364.
  5. Nunneley, Sarah A. (1994) Personal cooling systems: Possibilities and limitations. NASA Technical Reports Server. NASA. Johnson Space Center, Seventh Annual Workshop on Space Operations Applications and Research (SOAR 1993), Volume 2; p. p 559
  6. AW Zorgniotti, AI Sealfon, A Toth (1982) Further clinical experience with testis hypothermia for infertility due to poor semen. Urology. 636-640
  7. A. Jung, F. Leonhardt, W.-B. Schill, H.-C. Schuppe. (2005) Influence of the type of undertrousers and physical activity on scrotal temperature. Human Reproduction. 20. 1022-1027.
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蔣維倫。很喜歡貓貓。曾意外地收集到台、清、交三間學校的畢業證書。泛科學作家、科學月刊作家、故事作家、udn鳴人堂作家、前國衛院衛生福利政策研究學者。 商業邀稿:miss9ch@gmail.com 文章作品:http://pansci.asia/archives/author/miss9

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日頭赤炎炎,隨鳥顧性命–織巢鳥如何在沙漠保持涼爽體溫?
活躍星系核_96
・2015/08/04 ・1560字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

source:natureofanimals
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作者:劉鎮 臺大森林環境暨資源學系研究助理

剛過完端午,臺灣的戶外氣溫就不斷的扶搖直上。新聞報導不斷刷新最高溫的記錄。上班通勤時走在路上10分鐘總是會讓襯衫濕透,中午吃飯時都渴望要買個搖搖杯,最好加點檸檬和冰塊,才可以消除我心頭之火。「這一定是全球暖化!」,每天facebook的塗鴉牆上都有人如此哀嚎著。

你或許可以用冷氣、冰品和啤酒熬過炎炎夏日的悶熱,那在沙漠中的小鳥該怎麼辦?

美國新墨西哥大學的生物學家布萊爾.沃夫(Blair Wolf)教授和南非茨瓦内大學的安德魯·麥基奇尼(Andrew MCKechnie)教授對鳥兒喘氣散熱的行為提出新的疑問,生長在沙漠的小鳥耐熱的極限大概是幾度?生長在沙漠的小鳥又是用哪種行為或生理機制保持體溫低於環境溫度?鳥類的體型是否會和耐熱的能力有所關連?

於是研究團隊抵達了非洲的格拉哈里沙漠(Kalahari Desert)。小心翼翼的繫放捕捉三種生長在沙漠的織布文鳥科(Ploceidae)鳥類。分別為鱗額編織雀Sporopipes squamifrons, scaly-feathered weaver,大約重10公克),群織雀Philetairus socius, sociable weaver,大約重25公克),和紋胸織布鳥Philetairus socius, white-browed sparrow-weaver,大約重39公克)。

由左至右依序為scaly-feathered weaver、sociable weaver、white-browed sparrow-weaver。
由左至右依序為鱗額編織雀群織雀紋胸織布鳥

為了回答以上問題,研究團隊在三種織巢鳥的腹部置入記錄器,以記錄體溫、代謝率和體內水分蒸發率。然後把三種小鳥放在放置在人工的環境中,將室溫從攝氏25度升高至54度,測量三個數值的變化情形。除此之外,為了保護小鳥不要熱成烤小鳥,當小鳥出現異常狀況時,研究人員會馬上用冷氣和酒精幫小鳥降溫。

在經過一番冷熱三溫暖後,研究團隊發現紋胸織巢鳥耐高溫的極限是攝氏54度,群織雀耐高溫的極限是攝氏52度。當三種織巢鳥在極限高溫的時候,會開始劇烈的喘氣,增加代謝能力和體內的水份蒸發。喘氣時鱗額編織雀蒸發的水份增為平常的10.8倍;群織雀蒸發的水份增為平常的18.4倍;紋胸織布鳥蒸發的水份增為平常的16倍。

最神奇的地方是,雖然高代謝率產生出的熱量比平常更多,但是利用喘氣蒸發體內水份的方式卻更有效率的帶走代謝體內產生的溫度,可以帶走正常代謝產生熱量的41-122%。所以喘氣提高代謝率不會讓織布鳥更熱,反而讓織布鳥可以在高溫環境中保持低溫。

生存在熱帶的沙漠環境中,保持低溫可是保命的首要關鍵。有研究指出,氣候變遷使沙漠熱浪頻率增高,嚴重讓小鳥的死亡率增高[3]。在炎熱的天氣下,若小鳥無法從環境與食物中攝取足夠的水份,小鳥就會開始降低活動力,也會開始顯得虛弱[4.5]。太熱的天氣也會降低取得水份的效率,讓小鳥在找水的過程中喪失更多的水份。所以在熱天中讓適當的覓食更加困難[5]。麥基奇尼的研究團隊在最新的發表中指出,在乾燥的沙漠與半沙漠環境中生活的紋胸織布鳥即使觀察起來和平常無異,但事實上體內缺水的風險也較大[6]。

了解了織巢鳥保持涼爽的原理後,我開始羨慕織巢鳥的特異功能。如果人類在酷熱的盛夏可以用喘氣來降溫,就不需要耗費大量的電力與金錢在製造冷氣上,或許人類活動對生態的衝擊會變小一點。而在沙漠的小鳥們,也希望熱浪不要一直來啊!

參考資料:

  1. Hot birds pant to keep cooler than air》 The journal of experimental biology
  2. Whitfield, M. C., Smit, B., McKechnie, A. E., & Wolf, B. O. (2015). Avian thermoregulation in the heat: scaling of heat tolerance and evaporative cooling capacity in three southern African arid-zone passerines. The Journal of experimental biology, 218(11), 1705-1714.
  3. McKechnie, A. E., & Wolf, B. O. (2009). Climate change increases the likelihood of catastrophic avian mortality events during extreme heat waves. Biology Letters, rsbl20090702.
  4. Bartholomew, G. A., & Cade, T. J. (1956). Water consumption of house finches. Condor, 406-412.
  5. du Plessis, K. L., Martin, R. O., Hockey, P. A., Cunningham, S. J., & Ridley, A. R. (2012). The costs of keeping cool in a warming world: implications of high temperatures for foraging, thermoregulation and body condition of an arid‐zone bird. Global Change Biology, 18(10), 3063-3070.
  6. Smit, B., & MCKechnie, A. E. (2015). Water and energy fluxes during summer in an arid‐zone passerine bird. Ibis.
活躍星系核_96
754 篇文章 ・ 93 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia