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土衛二下的雨,落在土星上

臺北天文館_96
・2011/08/12 ・916字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 500 ・六年級

根據赫歇爾太空望遠鏡(Herschel space observatory) 的觀測資料,土星的冰衛星土衛二(Enceladus)所噴出的水,居然在土星周圍形成一圈巨大的水蒸氣圈。這個發現,解決了懸疑了14年、土星上層大氣 中水的來源之謎;而且,這個發現讓土衛二成為整個太陽系中,唯一已知會反過來影響其母行星化學組成的衛星。

Herschel, the largest infrared space telescope, is stationed at the second Lagrange point of the Sun-Earth system. Its 3.5-metre diameter collects long-wavelength infrared radiation from some of the coolest and most distant objects in the Universe. Herschel covers a wide range of wavelengths, from far-infrared to sub-millimetre. The longest of these wavelengths have not been covered before. The satellite was launched on 14 May 2009 with ESA Planck microwave observatory, on board an Ariane 5 from Europe Spaceport in Kourou, French Guiana. Credits: ESA – D. Ducros, 2009根據觀測結果,土衛二南極虎紋裂隙(Tiger Stripe)的冰泉每秒向外拋出250公斤的水蒸氣。這些水蒸氣進入太空後,在土星周圍逐漸形成一圈如同甜甜圈一樣的水蒸氣圈,這個水蒸氣圈寬達土星半 徑的10倍以上,不過厚度僅約1倍土星半徑。土衛二軌道與土星中心的距離約為4倍土星半徑。雖然這個水蒸氣圈非常龐大,但由於水蒸氣對可見光波段而言幾乎 是透明的,換言之,一般光學望遠鏡或偵測器無法「看」到這些水蒸氣,直到赫歇爾太空望遠鏡利用紅外波段進行觀測,這才發現了這個水蒸氣圈。

科學家已知土星大氣較深層之處有微量水蒸氣,但對於土星比較高層的大氣中出現水的蹤跡則覺得有點匪夷所思。土星高層大氣有水蒸氣蹤跡的最初報告,是 1997年利用歐洲太空總署(ESA)紅外太空觀測站(Infrared Space Observatory)觀測到的,但從彼時至今,科學家始終無法解釋土星高層大氣中的水蒸氣來源。而德國普朗課研究所(Max-Planck- Institut für Sonnensystemforschung)Paul Hartogh等人利用電腦模擬赫歇爾最新觀測資料後,顯示土衛二噴出的水,大約有3-5%最後會落到土星表面。在地球上可看不到這樣的景象,這是土星獨 享的事件。

雖然土衛二噴出的水蒸氣,最後絕大部分的水蒸氣都消失在太空中,或是凍結在土星環裡或土星其他衛星的表面,但僅這小小的比例,就已足夠解釋土星高層大 氣中的水蒸氣來源,甚至可用以解釋土星大氣中那些含氧化合物,如二氧化碳等的來源。之後,這些水逐漸沈降並聚集到土星較低層大氣中,不過含量仍然很少,不 足以形成可觀測得到的雲朵。

資料來源:Enceladus rains water onto Saturn [26 July 2011]

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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從羅馬帝國的浴池,到中古歐洲的隨地大小便:「水」如何影響都市衛生和疾病?——《世界史是由化學寫成的》
圓神出版‧書是活的_96
・2023/05/16 ・2009字 ・閱讀時間約 4 分鐘

羅馬浴場:帝國先進的水利設施

水與都市衛生也有很大的關係。人類總是居住在河川、湖泊、湧泉等可以立刻取得乾淨水源的地方。但隨著文明的發展,人口集中的都市日漸發達,水源也因此逐漸短缺,於是發展出可大量供應乾淨水資源的設備——上水道

所謂的上水道,指的是透過建造溝渠等方式,將水從郊外的湖泊或河川上游引進城市。

最早大規模建設上水道的是古羅馬人。他們不但整頓了上下水道、做出用水沖刷排泄物的馬桶,更驚人的是,他們甚至建造了公共廁所——考古學家曾在一處遺址裡挖掘出一千六百座馬桶。

在奧斯提亞安提卡挖掘到的羅馬公共廁所。圖/wikipedia

從西元前三一二年至西元三世紀左右,古羅馬建設了許多上水道,從數十公里遠處將乾淨的水引進都市。當時以建造地下管線為主,不過也會用石材和磚塊建造拱型的水道橋;而且為了保持水質,還沿著主要管線設置蓄水池和過濾池。這些運送到市區的水,會分配至公共浴池、宅邸、公共設施,以及讓民眾汲水的噴泉。

圖/《世界史是化學寫成的

古羅馬的公共浴池規模龐大,內部裝潢也十分豪華。一般來說,每座城市至少都有一座公共浴池,做為重要的社交場所。裡面設有專用的房間,由專人在身上抹油,並用木製或骨製刮板將身上的汙垢連同油脂一起刮除,以及不同水溫的浴池、蒸氣烤箱、健身房、圖書室等,民眾還可以在公共浴池內的講堂談論哲學和藝術。

高跟鞋、斗篷和香水 衛生觀念的倒退

然而,隨著羅馬帝國覆滅,大部分的上水道也遭到破壞。一直到中世紀晚期,不但上下水道長期不見天日,連公共廁所也消失了。當時的基督教教義認為,所有肉體欲望都要盡可能節制,裸體入浴是深重的罪孽。公共浴池就別提了,連自家也未設置洗浴設備,可說完全不具備衛生觀念。

這麼一來,城鎮會變成什麼樣子呢?

民眾在道路和廣場上隨意大小便。只能隨便處理的結果,使得排泄物滲入地下,導致病原菌汙染水源。

貴婦們身穿下襬寬大的長裙,就是為了方便隨地排泄;十七世紀初問世的高跟鞋,則是為了避免街上的糞尿泥濘弄髒腳而設計出來的——所以當時的高跟鞋不只是鞋跟,連鞋尖也會墊高。據說,當時甚至有鞋底高達六十公分的超級高跟鞋⋯⋯

另外,民眾會從二樓或三樓的窗口,將尿壺裡的排泄物直接往路上傾倒,所以外出時需要穿上斗篷,以遮擋這些「天上掉下來的禮物」。由於危險有可能隨時從天而降,當時的紳士才會養成護衛淑女走在道路正中央的習慣。

英國版畫家霍加思(William Hogarth)筆下的倫敦街頭:當街傾倒糞便的場景。圖/wikipedia

當時的人不太洗衣服,也完全不泡澡或沖澡。為了掩蓋體臭,有錢人會噴上大量的香水,香水工業發達的背後,其實是這個緣故。

乖乖照規定,才叫有禮貌

當時的人一旦感覺到便意,根本不在乎時間、地點,直接公然在外排泄。就連十七世紀的法國代表性建築凡爾賽宮,在早期的建設工程中,根本不包含廁所用和浴室用的水道設備。

宮殿裡,像是太陽王路易十四和著名的瑪麗.安東尼王后,他們所使用的都是坐式馬桶——臀部挖空的椅型便器,而排泄物就積放在下方用來承接的盆子內。當然,國王的馬桶不但鋪上了天鵝絨,還以金銀刺繡做為裝飾,是非常豪華的設計。

這個時代的凡爾賽宮,包含王公貴族、僕人在內,推測約有四千人住在裡頭,但宮中的坐式馬桶僅有不到兩百八十具,數量嚴重不足。因此,在宮中舉辦豪華絢麗的舞會時,愛乾淨的人還會帶著攜帶式便座,再由僕人負責將桶內的排泄物倒進庭園裡;當然,宮中的排泄物也一樣倒在這裡。至於未自備便器的人,則會直接在走廊、房間角落、庭園草叢裡大小便。結果,以美麗聞名的庭園處處充滿糞便,散發出嚴重的惡臭。

宮殿的庭園造景師見狀,非常憤怒,便在庭園裡插了一座「禁止進入」的牌子。一開始大家還不放在眼裡,直到路易十四下令要遵守立牌的指示,賓客才開始守法。

事實上,法語「禮儀」(uiquette)的原義就是「立牌」——最基本的禮貌,其實就是遵守既有的規定。而從這段軼事中,我們也可以預見,惡劣的衛生條件,必然為生命帶來重大威脅。

——本文摘自《世界史是化學寫成的:從玻璃到手機,從肥料到炸藥,保證有趣的化學入門》,2022 年 2 月,究竟出版,未經同意請勿轉載。

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探索自然知識的先行者:古希臘哲學家如何看待萬物的基本組成?——《世界史是由化學寫成的》
圓神出版‧書是活的_96
・2023/05/15 ・1970字 ・閱讀時間約 4 分鐘

古希臘哲學家中,不乏能精準測量天體位置的人,還有能運用幾何學知識來丈量土地的人。儘管他們尚未發展出「實驗」這項科學方法,但相對的,他們非常仔細觀察自然界發生的變化,並思考形形色色的問題,成為自然界和社會的知識探索者。

萬物皆由水組成

古希臘最早深入探索「萬物根源」的人是泰利斯(Thales)。他是個生意做很大的貿易商,曾搭船經由地中海,到埃及推銷橄欖油,是個見多識廣的人。

某天,泰利斯開始萌生疑惑:

世界上有數之不盡的萬象事物,都是由物質所構成的,而且物質的變化方式多得令人驚奇。雖說物質會不斷變化,卻並非無中生有,存在的東西也不可能完全消失;由此可知,物質是不生不滅的。無數物質不斷變化,但為什麼大家都是不生不滅的?

古希臘哲學家泰利斯(Thales of Miletus)。圖/wikipedia

泰利斯認為,所有物質必然是由唯一的「本原」所組成的,而他得到的答案就是水:

水遇冷後凝結成冰,加溫之後就會恢復原狀;溫度繼續升高的水會成為水蒸氣,再冷卻後又會形成水滴。河川、海洋和地表的水,都會變成水蒸氣上升到空中、形成雲朵,雲又會降水成為雨和雪。水能如此千變萬化,不論怎麼變也不會消失殆盡。話說回來,金屬的變化、生物形體的變化,不也都和水一樣嗎?

泰利斯推論,這些物質的型態和外形不論再怎麼變化,也不會完全消失,應該是因為所有物質都是由某個「本原」所組成的——不論構成的是金屬或生物。

後來泰利斯便把構成所有物質的「本原」命名為「水」。

值得注意的是,泰利斯所說的「水」,並不是指現代科學做為研究對象、做為物質的水,而是將變化不歇、變換型態後生成其他物質,並能再度回歸原初型態的萬物本原稱為「水」而已。這種思考的背景,可能來自於他曾到東方旅行,聽聞流傳在美索不達米亞的世界起源傳說、得知其故事中心就是「水」,才深受影響。

泰利斯的「水」,促使眾多學者開始思考萬物的「本原」(元素)為何。有人認為本原是「空氣」,經過壓縮和稀釋,分別形成水、土和火,進一步創造了自然界;也有人認為本原就是「火」,並將自然界比喻為「燃起、消失,無時無刻都在活動的火」。

微粒組成萬物

對於「萬物根源」是什麼的問題,德謨克利特(Democritus)提出了名為「原子論」的主張。

和泰利斯一樣,德謨克利特曾周遊地中海沿岸,徒步觀察風土、歷史和文化迥異的各個國家裡,有什麼樣的自然環境與人民,並學習各國的學問和技術。他認為,創造萬物的「本原」存在於無數微粒中,而且這一顆顆粒子永遠不會毀滅。他將這些無法再分解得更小的微粒,以希臘語中意指「不可分割之物」「atomos」(原子)來命名。

德謨克利特還思考了另一項觀點,也就是「虛空」(什麼都沒有的空間),若改用現代科學的用語來說,就是「真空」。因為原子會占據空間、四處活動,所以必須要有提供給原子活動的「虛空」。

簡單來說,德謨克利特的原子論就是「萬物是由原子和真空所構成的,除此之外別無其他」。

古希臘哲學家德謨克利特(Democritus)。圖/wikipedia

德謨克利特認為,無數原子在除了原子以外什麼都沒有的空間裡,激烈且毫不停歇地四處活動,互相撞擊、形成漩渦。有的原子雖然會和其他原子相連成一團,但這團東西總有一天會分解,恢復成原本四散的原子。只要改變原子的排列方式和組合,就能製造出不同種類的物質。萬物是藉由原子的組合而形成,就連火、氣、水、土也不例外。

據說德謨克利特寫了一系列共七十多部鉅著,但沒有一本流傳下來。由於他大膽主張,人類的靈魂也是由輕盈、活潑好動的原子組成,不會遵從神的指示,而是跟隨控制原子運動的自然定律;只要構成人類肉體的原子瓦解分散,人類的靈魂就會消失。也就是說,神並不存在。他因此遭到統治階層指控「試圖抹滅神的存在」,並飽受攻擊,與他有關的書籍全數遭到銷毀。我們之所以能認識德謨克利特的事蹟,主要是由於反對原子論的哲學家們,將他的思想記錄在自己的著作之故。

——本文摘自《世界史是化學寫成的:從玻璃到手機,從肥料到炸藥,保證有趣的化學入門》,2022 年 2 月,究竟出版,未經同意請勿轉載。

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「口渴」的感覺在大腦中是如何運作的?為什麼某些東西會越喝越渴?——《超級感官》
天下文化_96
・2023/04/21 ・2056字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 艾瑪.楊恩(Emma Young)/著
  • 鄧子衿/譯

如果「相信你的直覺」是有科學根據的古老智慧,那麼「我們每天應該喝兩公升的水」這種說法是否也算呢?有數不清的文章指出,每天喝兩公升的水,能讓體重減輕、皺紋減少、精神集中。這個說法有多真實?

若要追根究柢,我們得先瞭解到「」這種感覺的運作方式。

人不像是駱駝,演化出能夠保留住體內水分的異常方式,因此需要常常喝水。有一條著名的求生法則是:人可以三個星期不吃東西,但是不喝水只能撐三天。實際上能夠撐幾天,當然取決於有多少水分經由流汗與呼吸排出,或是有沒有嘔吐或腹瀉,這兩種狀況都會讓死亡的速度加快。

人體從頭到腳大部分都是「水」

在身體的表面之下就有水分,而且體內到處都是水分。1945年,美國伊利諾大學的一群頂尖生理學家,指出了身體中的水有多少,以及分布的狀況。

研究團隊的任務是分析一位剛去世的三十五歲男子的身體化學組成。該名男子 70 公斤重、183 公分高,比現在活著的美國男性平均數字要輕一點與高一點,但是他的生命要素統計數字現在依然受到引用,因為研究團隊在分析的時候,把所有的器官翻了個遍,並且把身體組成澈底分解。分析的結果是:人類的身體中,蛋白質占 14.39%,鈣占 1.596%,磷占 0.771%,而水分占了 67.85%。

伊利諾團隊可怕的分析表格中,指出了那名男性心臟的含水量是 74%,腦部和脊髓也是。腎臟的含水量最高,為 79.74%,骨骼中水的重量幾乎占 33%。就算是牙齒,水也有 5%。

人的體內(包括各種器官)到處都是水分。圖/USGS

比較晚近的研究指出:成年人的體重中,水占了67%。這個數字是正常範圍內的高標。如果你整個人的水分被吸乾,體重肯定會減少一半——如果你的肌肉很多,減少的體重會多一些。如果你身體中有很多脂肪,那麼留下的體重會明顯較多。

大腦的調節與水分偵測器

所有重要的身體功能都需要水:血液要把氧氣傳遞到全身,身體要藉由尿液和糞便排除廢物,要保護腦部免於撞擊造成的損傷,要流汗以調節體溫。

因此毫不意外,我們對於血液中溶解的化合物與礦物質濃度非常敏感,這些成分的濃度就等同於代表了血液中的含水量。如果濃度高,代表失水,是個需要馬上解決的問題,因為那代表細胞的含水量不足以維持正常功能的運行。

七十多年以來,生理學家知道腦部不只調節體液中的水分含量,也能直接偵測到。主掌恆定作用的下視丘中,有細胞直接偵測體液溶解成分的濃度,特別是血液中的鈉(來自食鹽)濃度。如果鈉濃度就只稍微偏離了那極度狹窄的可容許範圍,馬上就會啟動調整措施。其中之一是要腎臟不要排那麼多水,這樣血液中保留的水分就比較多。另一個方法是讓人覺得口渴,想去喝水。

大腦調節水份濃度的其中一種措施是讓人覺得口渴,想去喝水(示意圖)。圖/envatoelements

「口渴」的感覺來自哪裡?

很久以來,大家都認為腦部偵測血液中的含水量,就是口渴感覺來源的全部了。但是一些生理學家對此有意見。畢竟喝了水要十分鐘以後,血液的濃度才會改變。但是我們都知道,一口氣灌下大量冷飲後,口渴馬上就消失的感覺。

2019 年,加州大學舊金山分校的研究團隊提供了解釋。他們以小鼠當作研究對象,發現小鼠開始喝水時,從嘴部和喉嚨的感覺訊息,會讓下視丘口渴神經元的活動暫時停止。這種「快速」訊息在喝冷飲時,特別容易產生出來,同時也能追蹤喝下的液體分量。

但這還不是全貌。在小鼠身上的進一步研究發現:就算是喝鹽水,也會讓口渴神經元的開關關閉,但不會關上太久。身體某個部位顯然探知到那不是能提供水分的液體,並且推翻「已解渴」這個決定。也是在 2019 年,這支研究團隊報告說:那個部位是第二階段的感測器,可能位於小腸的開端,可以偵測飲料(或是某些食物)中實際上是否能提供水分,以及能提供多少水分。

這支研究團隊甚至還探究了小鼠腦部對於缺水和飲水、飢餓與飲食的反應,而且精細到找出個別負責的細胞。領導這項研究的神經科學家奈特(Zachary Knight)說:

這是首次我們能夠即時看到,單一個神經元接受了來自身體其他部位的訊息,以控制飲水這樣的行為。這開啟了一扇窗,讓人能夠研究這些訊息的交互作用,例如壓力和體溫如何影響了口渴和食慾。

——本文摘自《超級感官:人類的32種感覺和運用技巧》,2023 年 3 月,下文化出版,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。