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海豚網絡-《大黃蜂飛得比波音747還快》

時報出版_96
・2014/03/17 ・2219字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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鯨類動物啟發(公共版權,NOAA)
鯨類動物啟發(公共版權,NOAA)

海豚與鼠海豚(體型較小的海豚,或稱鈍吻海豚)是全球人見人愛的海洋生物,從四英尺長的毛伊海豚(Maui dolphin)到三十英尺長的虎鯨,四十種海豚和六種鼠海豚在所有熟悉牠們的文化所流傳的神話中都代表了正面象徵。曾經分不清海豚與鼠海豚之間的差異嗎?鼠海豚有較扁的牙齒和較短的吻部(鼻子),這些特徵也是經由牠們英文名字的由來,「porpoises」源自中古拉丁文「porcopiscis」,意思是「豬魚」。

耐人尋味的是,海豚與鼠海豚一般並不被視為食物來源,唯一的例外是在日本和祕魯,每年被捕殺的數量多達四十萬隻。以絕頂聰明、愛玩天性和願意與人類互動聞名的牠們,甚至在許多民間故事中幾乎被認為是具有神奇力量的。牠們的游泳速度、滑稽動作和用作回音定位的可愛唧唧叫聲都深受全世界的泳客、衝浪客和潛水客們的喜愛。事實上,海豚以噴水孔正下方的氣囊發出的哨音、脈波和嘎吱聲是所有海洋動物製造的聲音中最響亮的。賓州大學資訊通信科技研究中心(Center for Information and Communications Technology Research)的一位科學家分析了這些海底訊息,不過目的不是為了瞭解訊息的意思,而是希望找到讓我們的無線訊號能更能有效傳遞的線索。

凱夫拉德博士(Dr. Mohsen Kavehrad)利用摹仿海豚嘎吱聲的多頻超短雷射脈衝,製造出了更能夠穿透濃霧、雲層和其惡劣他天氣狀態的無線訊號。海豚聲音的多頻脈衝特性增加了訊號通過周圍水中障礙物的機會。同樣地,凱夫拉德博士擬真的海豚嘎吱聲也提高了訊號通過周圍濃霧或雲雨中小水珠這類障礙的機會。這個方法可以擴充光纖頻寬,能夠同時輸送更大量的資訊。這種應用技術可以使空中和地面交通工具之間、醫院病房、校園大樓、緊急救援小組之間和市內網絡的通訊更臻完善。

從另一個方向利用海豚聲音,德國一家進化邏輯公司(EvoLogics)在經過八年研究海豚溝通的物理特性後,研發設計並製造了水中聲音數據機(acoustic modem)。這項通訊技術即使在惡劣天氣條件下仍可傳送聲音訊號,因為它是利用以海豚叫聲的特殊頻率進行傳送,聲波可以持續很長的距離。進化邏輯公司表示,這些應用範圍可以包含從船艦引航到地震區域監控的裝置,費用大約是一萬兩千美元左右,已經有十多個國家安裝。

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如果你看過海豚自在優游於船頭或破浪而出,肯定很清楚牠們的動作多麼優雅、迅速又敏捷。有些品種的海豚能夠達到游速每小時三十三英里,屏住呼吸二十分鐘,下潛至一千四百英尺深。想欣賞海豚展現高級流體動力學的曼妙泳姿,到網路上搜尋關鍵字「海豚吹泡泡」或「海豚圈圈」,就可以找到影片觀看牠們又拋又旋轉著銀色圈圈在玩。這些圈圈是牠們從噴氣孔吹氣製造出來的,當牠們用頭或吻部頂著這些氣泡圈圈玩耍時,看起來就像水底玩呼拉圈一樣。

海豚和鯨魚一樣需要絕佳機動性來有效獵物,不過不同於鯨魚的是,海豚的吻部可以用來改變角度,讓牠們更能控制身體與周圍海水的互動。雖然一九七○年代的協和號(Concorde)超速飛機未詳細記載它的外型設計靈感來源,但是工程師一眼就看出飛機創新的下垂吻部造型幾乎是海豚提高遨遊水中和躍出水面能力的吻部翻版。

海豚很有力量的尾巴啟發了工程師暨發明家泰德•夏米羅(Ted Ciamillo),他發明了一種重量二.五磅、寬度四十二英寸的單鰭,稱為鯨月(Lunocet)。當奧運獎牌得主,如麥可•菲爾普斯(Michael Phelps)在游泳表現最高峰的時候,也只能將四%的雙腳和雙臂的划動能量轉換成身體的前進動力。海豚則有辦法將八○%的擺動能量轉換成前進動力。戴上仿生鰭,夏米羅的速度比菲爾普斯最佳成績還快了兩倍。他的仿生鰭不僅刺激了相互較勁的自由潛水選手們的胃口,它的優勢也沒有逃過美國美軍陸戰隊兩棲單位的慧眼。

另一位仿生學家鮑勃•埃文斯(Bob Evans)在觀察海豚與鮪魚多年之後,設計出了一種小型潛水蛙鞋,稱為威力鰭(ForceFins)。這種威力鰭可以提供強力的衝刺而且不讓潛水者感到疲勞,現在世界各地的業餘和職業潛水者都在使用。這種靈敏輕便的游泳裝備看起來就像真的魚鰭,甚至曾於紐約現代藝術博物館(Museum of Modern Art)中展示。美國海軍在四年的研究測試中發現,穿上威力鰭的潛水者消耗的氧氣比穿上競爭對手暢銷品牌的蛙鞋還少。當時參與的兩百名潛水者被要求預測哪種蛙鞋會有最好的表現,而且最不會讓他們感到疲勞,結果證實我們的想法會讓我做出錯誤選擇,所有參與者都預測最堅硬又最長的蛙鞋會有最好的表現,但其實比較小又比較有彈性的威力鰭才是最後的贏家。

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大黃蜂飛得比波音747還快_全書封_M一直到現在,人類都一直將自然界視為用之不盡取之不竭的資源。無論是鯨魚或鯊魚、海豹或水獺,我們基本上都是想得到海洋動物身上的皮肉。雖然現在使用了塑膠和合成潤滑油來取代鯨鬚和鯨油,但是仍然繼續不當地大量獵殺鯨魚與其他海洋生物。不過地球上進化至今的動物和植物確實提供了取之不竭的資源,可以為我們創造新的全球經濟,實際上更提供了創造財富與問題解決永無止盡的機會。這是企業家的夢想。光是本章提出的範例鯊魚和鯨類動物—只是成百上千種海洋生物之二—就代表了價值數十億美元的新產品商機和節省的數十億公噸化石燃料。就像伊芳•維爾克、法蘭克•費雪、史蒂芬•杜瓦爾、凱夫拉德博士和布倫南博士一樣,科學家和企業家們探索開發這些新機會還大有時間,我相信這些只是一小部分,還有絕大部分具有高價值而且永續的新領域尚未被開發—很多人相信那是人類未來生存的唯一之道。

 

摘錄於PanSci 2014年3月選書《大黃蜂飛得比波音747還快》,由時報出版。

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時報出版_96
174 篇文章 ・ 35 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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為什麼臺灣也需要替鯨豚設立海洋保護區?
黑潮海洋文教基金會_96
・2025/03/24 ・3281字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  •  楊善宇|黑潮海洋文教基金會 實習生 2024.07.26
圖一、海洋綠洲計畫調查航班柯氏喙鯨(Ziphius cavirostris)驚喜現身

隨著人類活動對海洋環境的負面影響日益增加,海洋生物生存的狀況令人擔憂。近年生物多樣性下降、大量珊瑚白化、漁具纏繞及船隻撞擊海洋生物等問題層出不窮,這些事件就像是海洋在向我們求救般,而人類要如何減緩我們對海洋的影響呢?

設立海洋保護區是目前國際間共同努力的方向之一。在眾多海洋保育行動中,劃設海洋保護區被認為是成效較為顯著的方式。可以透過劃設大範圍的海洋保護區降低人類活動對於海洋環境的干擾,從而保護海洋生物的棲息地和整體的生物多樣性¹。本篇文章將帶領讀者認識加拿大「Gully 海洋保護區」,Gully 一詞代表沖溝,這個保護區內居住著多達 16 種不同的鯨豚種類。此外,我們將同時探討其中值得臺灣借鑒的經驗與做法,希望此案例能為未來黑潮海洋綠洲計畫在申請「海洋哺乳動物重要棲息地」(Important Marine Mammal Areas)時,提供一些實質的參考。

加拿大位於大西洋地區的第一個海洋保護區——Gully 海洋保護區

圖二、黃框處為 Gully 海洋保護區地理位置(圖片來源:加拿大政府官網)

約在 15 萬至 45 萬年前,由於大量冰川移動與融水侵蝕,在加拿大東海岸斯科舍大陸棚(Scotian shelf)邊緣形成了一個大型海底峽谷——Gully,最深處的深度超過 2,500 公尺,也是北大西洋至今最大的海底峽谷。Gully 地區生物多樣性極為豐富,不但孕育了 30 種冷水珊瑚(Cold-water corals),目前也已累積了 16 種鯨豚的目擊紀錄,包含北瓶鼻鯨(Hyperoodon ampullatus)、藍鯨(Balaenoptera musculus)、索氏中喙鲸(Mesoplodon bidens)等種類。

圖三、北瓶鼻鯨(攝影:Hilary Moors-Murphy,圖片來源:加拿大政府官網)

其中,北瓶鼻鯨於 1997 年被加拿大瀕危野生動植物狀況委員會(Committee on the Status of Endangered Wildlife in Canada)列為易危物種(Vulnerable)。然而,當時 Gully 地區正面臨石油和天然氣開發工程,導致當地鯨豚長期受到船隻撞擊及工程噪音傷害,使牠們生存遭受嚴重威脅。因此,加拿大政府於西元 2004 年設立 Gully 海洋保護區,以保護瀕臨滅絕的北瓶鼻鯨及當地其他珍貴的海洋生物。

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保護區設立前如何評估該棲地重要性呢?

倘若要保護某區域的生物多樣性,保護整個棲地相較於保護單一物種,才是最直接的治本方法。但是,要如何知道劃設的區域是否已納入鯨豚們生存所需的棲息環境呢?我們可以透過海上目視調查及被動聲學監測²等方式,進一步了解鯨豚在該區域出現的位置、時間與頻率等資訊,藉此評估劃設的面積及界線該如何設立。

圖四、無法律效力的鯨豚保護區(斜線區域)及學者們建議的鯨豚保護區範圍(深灰色區域)比較(圖片來源:Hooker, S. K., 1999)

其實 Gully 保護區在設立之前,政府及學者們對當地鯨豚也做了初步的評估及研究。1994 年,加拿大漁業及海洋部在 Gully 設立了一個無法律效力的鯨魚保護區(Whale sanctuary),簡單來說就是先建立一個示範區測試成效,範圍是圖四中有畫斜線的區域。該單位向海上來往的船家宣導該區域在生態保育上的重要性,並提供了指導方針,教導船長們在穿越該地區時如何減少對鯨豚的威脅,希望盡可能降低船隻與北瓶鼻鯨撞擊的風險。與此同時,當地的學者們也積極地研究鯨豚在 Gully 的分布範圍與族群量。

研究學者透過 1988 至 1996 年間的鯨豚目擊資料,包括種類、數量及目擊經緯度,結合不同的環境因子,如海洋表面溫度、海底深度及坡度等環境資訊做分析,結果發現鯨豚出沒位置與深度有高度的關聯性。Gully 周遭的鯨豚大多棲息在海底峽谷 200 至 2,000 公尺深處,因此學者們建議政府應根據 200 公尺等深線建立一個核心區邊界,並在周遭設立緩衝區,以全面保護 Gully 地區的鯨豚免於受到石油開發和航運的影響。

加拿大政府如何管理 Gully 海洋保護區?

經過長期的調查後,加拿大終於在 2004 年正式成立 Gully 海洋保護區條例《The Gully MPA Regulations》,並在條例中公告了 Gully 海洋保護區邊界。除了法規內允許的特定活動³外,嚴格禁止在  Gully 保護區內「干擾、損害或摧毀任何生物或其棲息地的任何部分,或從中移除任何生物」,包括海床下15公尺深的底土,亦不允許傾倒、拋棄或排放任何物質的行為發生。

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圖五、Gully 海洋保護區管理範圍依照深度劃分三區(圖片來源:加拿大政府官網)

此外,加拿大政府也將保護區依照水深劃分成三個管理區,如圖五中的 Zone 1、Zone 2 及 Zone 3。每個管理區有其獨特的生態環境,在管理上的限制也有些微差異,在 Zone 1,也就是鯨豚棲息的核心海域內,是完全禁止漁撈行為的,而在 Zone 2 和  Zone 3 則可進行商業性垂釣,可釣大比目魚、鮪魚、鯊魚和劍旗魚。

成功劃設海洋保護區後,就結束了嗎?

不只保護區設立前需要長期的調查累積數據,設立後仍需持續監測保護區效力。加拿大學者在 Gully 保護區設立 7 年後調查了北瓶鼻鯨的族群動態,他們估計斯科舍大陸棚海域的北瓶鼻鯨約有 143 隻,且發現族群量和性別比自 1988 年起一直保持穩定的狀態,雖然族群量沒有明顯改變,但顯示了海洋保護區的設置確實讓牠們在沒有人為開發衝擊下,族群可以維持穩定。

圖六、索氏中喙鯨 (攝影: Catalina Gomez, 圖片來源:  加拿大政府官網)

除了主要保護標的物種外,Gully 地區其他鯨豚也有些微變化。學者觀察到 1988 至 2011 年間,部分鯨豚種類的單位努力量目擊群次下降而部分上升,其中的變化趨勢可能與環境或食物資源改變有關。但值得注意的是另外一種喙鯨「索氏中喙鯨」(Mesoplodon bidens)單位努力量目擊群次4在保護區設立後大幅增加(每年增長21%)。由於缺乏深海鯨豚物種食物量數據的支持,科學家認為較合理的推測是:保護區的存在讓人為干擾減少。船隻與其他噪音的降低,使Gully保護區成為對聲音敏感的喙鯨的棲地之一。儘管保護區的設立已改善喙鯨的棲息環境,但仍需持續進行長期監測,以確保保護區管理有效並及時調整以應對環境變化。

Gully 保護區曾目擊 16 種鯨豚,花蓮海域更高達 20 種!

圖七、1998-2023年花蓮海域鯨豚物種多樣性圖
圖七、1998-2023 年花蓮海域鯨豚物種多樣性圖

加拿大 Gully 保護區目前有 16 種鯨豚目擊紀錄,根據黑潮在過去 20 多年賞鯨航程所累積的鯨豚目擊資料統計,花蓮鯨豚種類更高達 20 種!物種多樣性更高!然而,我們發現花蓮常見的花紋海豚身上除了自然的傷疤外,有時也會出現人為因素所造成的傷疤,因此我們在 2023 年做了花紋海豚體表傷疤分析,結果顯示在 50 隻花紋海豚中有 19 隻(38%)身上有出現疑似人為活動所造成的傷疤。臺灣東部海域出沒的鯨豚種類繁多,若遲遲未能提供一片安全的海洋綠洲供他們成長、育幼,只怕未來的日子裡人們無法再跨坐在船頭,在享受海風的同時還能欣賞花蓮鯨豚的美。

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加拿大 Gully 保護區成立已滿 20 週年,可作為臺灣未來建立鯨豚保護區的借鏡。而黑潮也持續努力著,透過「海洋綠洲:東海岸鯨類保育計畫」,旨在將臺灣東部海域列為國際認可的海洋哺乳動物重要棲息地,希望未來在與政府相關機關溝通保育政策時,能有更完整的背景資料。

註解

  1. 生物多樣性是由基因、物種和生態系多樣性三者所構成,就像一個穩定而巧妙的金字塔。
  2. 被動聲學監測為一種使用錄音機記錄自然環境中各種聲音的技術。
  3. 法規內允許的特定活動如下:
    ● 在 Zone 2 和  Zone 3 得進行商業性垂釣,可釣大比目魚、鮪魚、鯊魚和劍旗魚。
    ● 船隻過境(須遵守加拿大航運法)。
    ● 搜索和救援、環境緊急應對和清理。
    ● 與國家安全、主權和公共安全相關的活動。
  4. 單位努力量目擊群次(Sightings per unit effort, SPUE)=目擊群次數 / 調查努力量。
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黑潮海洋文教基金會_96
5 篇文章 ・ 2 位粉絲
  黑潮海洋文教基金會,1998年於花蓮成立,是臺灣第一個為「鯨豚與海洋」發聲的民間非營利組織。最初以鯨豚調查為開端,多年來深耕於海洋議題、環境教育與科學調查,如同一股陸地上的黑潮洋流溫暖而堅定,期許每個臺灣人的心中都有一片海洋。

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如何確保訊息無誤?錯誤更正碼大揭密
數感實驗室_96
・2024/07/03 ・476字 ・閱讀時間少於 1 分鐘

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你有沒有想過,當我們用手機打電話、發簡訊,或者用電腦上網時,訊息是如何在短短幾秒鐘內傳遞到世界的另一端?這背後有一個重要的技術,叫做編碼與調變。

簡單來說,編碼是把我們的資訊轉換成適合傳輸的格式,而調變則是把這些編碼訊號載入到傳輸介質中,無論是電波、光纖還是其他方式。透過這兩項技術,我們才能在繁忙的城市街道上、偏遠的山區裡,甚至是高空中的飛機上,隨時隨地進行無縫的溝通。

在這過程中,錯誤更正碼可以起到哪些幫助呢?

這些技術雖然複雜,但它們在我們日常生活中的應用卻是無處不在的。如果你對這些內容感興趣,未來還有更多的通訊技術值得探討,例如量子通信、光通信和毫米波通信等。這些新興技術將如何改變我們的世界,又會帶來哪些前所未見的便利和挑戰呢?

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數感實驗室_96
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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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通信三本柱:通信模型大解密
數感實驗室_96
・2024/06/30 ・654字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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想像一下,你和朋友在咖啡廳聊天。這看似簡單的互動,其實包含一個基本的通信模型喔。你是傳輸端(transmitter),朋友是接收端(receiver),而環境中的其他聲音則構成了通道(channel)。這三者共同組成了基本的通信模型。在接下來的文章中,我們將深入探討這個模型的每一個部分,並了解它們如何影響我們日常的通信體驗。

以上就是數位通信系統的三大支柱:傳輸端、通道和接收端的簡單介紹。實際上,它們的功能遠不止於此,整個通信系統的複雜程度超乎想像。除了數位物理層的演算法和電路設計外,還涉及類比電路、網路層等不同面向,真的是一門博大精深的領域。

通信技術致力於解決全球數十億人每天遇到的實際問題。如果你對於挑戰高難度的數學、物理、演算法問題感興趣,這將是一個充滿寶藏的領域。成功解決這些挑戰,不僅具備巨大的商業價值,更能推動通信科技的進步,提升全人類的通信體驗。你是否已經躍躍欲試了呢?

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