東北亞也有颱風？三十年來強度變更高

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

你有沒有想過，如果台灣比我們想像的大很多，那麼世界會因此而改變嗎？答案是，會！而且影響的層面非常的廣。近日這個熱門話題起源於PTT論壇上一位網友的問卦，而其他厲害的網友們也紛紛作出分析，甚至拍成影片，告訴我們若存在想像中的臺灣洲，究竟會發生哪些有趣的事。

不過你可知道，如果「大臺灣」真的存在的話，改變的將不只是島內生態與文明，甚至包含我們看待某些氣候的方式，其中聖嬰現象就是一個例子。這次就讓我們來思考一下，如果臺灣這麼大，對聖嬰現象將會造成什麼影響。

何謂聖嬰現象？

在說明「大臺灣」如何影響我們看待聖嬰之前，先來初步認識這個有趣的大尺度氣候。聖嬰現象（El Niño），從字面上來看，我們可以容易聯想到與耶穌基督的關聯。事實上，在早年位於祕魯地區的漁民們，便發現每當聖誕節前後，都會捕不太到魚，且海水相對平時來的溫暖，而後便將這樣的氣候變化，以西班牙語稱之為「聖嬰」（El Niño）。那麼為甚麼當這樣的現象發生時，當地的魚群會減少呢？其中關鍵原因便在於湧升流（upwelling）。

湧升流如圖二所示，為受到表層風的吹拂，進而產生由下向上的水流。對於魚群來說，湧升流的存在，可以幫助牠們獲取不少來自深水的營養物質，而這些營養物的來源，主要來自於海表面有機物的沉降，並進一步分解成硝酸鹽及磷酸鹽分布於深水層。因此，湧升流的存在便可將這些營養帶至表面，最後形成富饒的漁場供漁民捕獲。

可是，當聖嬰現象發生時，漁民發現捕不太到魚了，其理由在於湧升流效應減弱，造成魚群缺乏食物來源而難以聚集成漁場。那麼為甚麼湧升流會減弱呢？其中一個關鍵原因便在於東風減弱。

東風的減弱與太平洋東西兩側壓力場變化有所關聯，同時也與海洋的交互作用密不可分。從圖三我們可以注意到，當聖嬰現象發生時，暖池(Warm pool)[1]有往太平洋東側移動的趨勢，太平洋兩側高低壓會發生變化(東側降低西側升高)，並且海洋中斜溫層(Thermocline)[2]的存在深度也會有所改變。

註[1]：一般指的是熱帶西太平洋及印度洋東部多年平均海表溫度在28℃以上的暖海區。

註[2]：水溫在水體內部沿垂直線方向下變化幅度劇烈的水層。

如果臺灣變超大會怎樣？

接下來就是有意思的部分：通常要了解聖嬰現象是否發生，我們可以依據量測氣壓變化，或是海表溫度（Sea Surface Temperature, SST）來一窺究竟；然而這些方法，都將會因為臺灣變成超大而受到影響。

首先是量測壓力的部分，一般科學家常以南方震盪指數(Southern Oscillation Index, SOI)來表示，概念為將大溪地（Tahiti）月平均的地表氣壓減掉達爾文（Darwin）的地表氣壓。所以當聖嬰現象發生時，由於太平洋東側氣壓降低，西側升高，我們便可以發現SOI指數會比平時來得低。

那如果……台灣變成巨無霸大洲。注意到了嗎？ 大溪地整個被臺灣吃掉了！也因此原本的南方震盪指數將無法計算，除非我們在臺灣洲的台東國架站，才有辦法彌補原本大溪地的觀測位置。

既然量測氣壓走不通，下一個可以嘗試的便是利用海表溫度變化。根據定義，科學家將赤道太平洋Niño3.4(170°W~120°W, 5°S~5°N)範圍內的海表面溫度距平值進行五個月的移動平均與標準化，當連續六個月以上超過0.4°C的話，便可判斷為聖嬰年，反之低於0.4°C即為反聖嬰年。

不免俗的，讓我們再次看看臺灣巨大化之後會碰上甚麼麻煩。從圖五中我們可以注意到，臺灣洲根本佔據了指標區域的一半以上，也就是說，科學家將無法透過海表溫度的變化對聖嬰進行觀測。

很遺憾的，在受到臺灣劇烈膨脹後，兩個主要的聖嬰觀測指標便失去效力，也就是說，我們將難以透過量化的方式來了解聖嬰現象。

那麼聖嬰現象還是否會發生？

本質上，依據觀測及理論，聖嬰現象為一個大氣與海洋的交互現象，且發生位置主要位於熱帶太平洋海域；也因此，一旦這個巨大化的臺灣影響到大氣、太平洋或是之間的耦合機制，都將足以影響聖嬰現象的存在。

首先我們從海洋的角度來看。膨脹的臺灣就如同將太平洋一刀兩斷，也就是無論洋流走向或是大尺度的海洋波動（例如Kevin wave）等，都將受到很大程度的影響，而這些都和聖嬰現象背後的動力機制密不可分；而若以大氣的角度來看，考慮巨大臺灣洲是等比例放大的臺灣，那麼中央山脈將會是一道非常宏觀的高牆，甚至足以抵擋信風的吹拂。一旦海洋上空大尺度範圍的風場受到影響，便意味著大氣環流會進而有所改變，這一些都極有可能影響聖嬰現象的產生。若我們從定義的角度，由於先前量化聖嬰的指標，無論是SOI或是ONI，在受到大臺灣的影響下都已失去效力，因此在無法量化的條件下，除非我們再發展一套新的指標，否則就無法評估聖嬰現象是否發生。

不過無論如何，巨大臺灣洲畢竟只是一個想像。事實上，若今日的臺灣有如此龐大，無論是島上物種或是人類文化演變，都將是前所未有的新樣貌；若再思考「大臺灣」的形成，我們甚至要改寫教科書對於全球板塊分布的描述，地球歷史也將會是個嶄新的故事。

當然啦，若該故事成真，最先抗議的民族應該就是夏威夷人了，畢竟夏威夷島可就再也不會出現在這個世界上了！

參考資料

1. [問卦] 如果台灣是這個大小 會變怎樣？
2. El Niño & La Niña (El Niño-Southern Oscillation)
3. Southern Oscillation Index (SOI)
4. Oceanic Niño Index (ONI)
5. Trade winds
6. 聖嬰奧秘
   

最近全台水情拉警報，但是去年夏天南部地區才因為豪雨停班停課。這些極端降雨是最近幾年才出現的嗎？成功大學生命科學研究所的碩士生陳信豪，利用紅檜樹輪中的穩定氧同位素，重建了台灣過去480年來的降雨。他的研究結果顯示，與歷史氣候相比我們正面對長期乾旱的挑戰。

科學家一直想知道，近年來的極端氣候在長期尺度中是否屬於「正常範圍」，但是人類有系統地記錄氣象也不過200年歷史，台灣更是在20世紀後才開始累積長期的氣象資料。因此，重建古氣候就是許多科學家努力的目標。

2015年的動物行為暨生態學研討會中，陳信豪發表了他如何利用紅檜樹輪的穩定氧同位素，來重建台灣過去五百年的降雨。樹輪有很高的時間解析度，很適合作為重建古氣候的材料。紅檜是台灣霧林帶的代表性樹種，霧林帶則是台灣主要的生態系之一，高度依賴穩定的水氣條件，更是中低海拔的重要水資源庫，因此雲霧森林長期的氣候變動具有重要的生態意涵。

陳信豪在台東中海拔山區鑽取了72棵紅檜共106根樹芯，每根樹芯在處理之後於顯微鏡下鑑定年份。接著再取下部分樣本送至名古屋大學，測定氧同位素（δO）的比值。一般來說，水分子中的氧多為δ¹⁶O，只有少部分是較重的同位素δ¹⁸O。樹輪中δ¹⁸O比值取決於根部吸收的水分以及植物的蒸散作用。氣候乾旱時，來源水的δ¹⁸O比值變重、植物蒸散作用加強，植物體內的δ¹⁸O比值就越重；當年輪中δ¹⁸O比值較重就表示當時降水較少，環境較乾，因此能根據氧同位素的比值推斷出過去每年紅檜生長季－4月至9月的氣候變化。

處理樣本得長時間在顯微鏡底下操作，很需要耐心與細心，不過陳信豪提到，最喜歡的就是上山採樣，「可以充分享受林野生活，看到了不少野生動物水鹿、黃喉貂等等。」因為也不是一己之力能夠完成，所以也很感謝一起分工的夥伴。

在比對氣候因子後陳信豪發現，樹輪氧同位素比例的變化與近50年來台灣4月至9月的降雨記錄非常相關，再以此建立模型推估過去480年來台灣的降雨。比照世界氣象組織（WMO）以30年間距統計氣候變化，陳信豪指出「近30年是過去五百年來，平均降雨量最少且極端事件最多的時段！」綜觀過去五百年，極端乾旱或降雨不是沒有發生過，但是連續又相對的乾旱狀態卻很罕見，「我們的霧林帶生態系正面臨極大的壓力！」

此外，陳信豪進一步指出，同位素比例與東太平洋海水表面溫度有顯著相關，意味著聖嬰現象顯著影響台灣的降雨。台灣的地形變化大、氣候分區明顯，亞洲季風、聖嬰現象、甚至颱風或梅雨等氣象對區域氣候的影響不同，重建台灣不同氣候區的歷史氣候也是未來的研究方向。

文 / 陳妤寧

2014年1月，(IOPscience) 刊載了韓國首爾大學3位教授的一份研究，這份研究指出這三十年來襲擊中國沿岸、日本和韓國的颱風強度有顯著的增加，由於海洋表面升溫和大氣環流模式在沿海的變化，使得颱風更能夠從南海循海岸而上，這意味著在它們抵達東北亞時，它們已經累積了較過去更多的能量，成為了更具威力的大型颱風。

這份研究囊括了5組從 1977 年到 2010 年之間橫跨西北太平洋的熱帶氣旋演進資料，研究發現颱風開始在南海非常靠近沿岸的地區生成，使得它們積聚了超乎以往的巨大能量。研究者也發現了在東南亞地區，例如越南和台灣，颱風強度在過去三十年來則沒有顯著的改變。

除了西太平洋海表在過去三十年有顯著升溫之外，這份研究也將颱風強度的變化歸因於沃克環流（Walker circulation） – 太平洋上的一股和聖嬰現象息息相關的大氣環流。近赤道的太平洋海表溫度並不平均，西太平洋較東太平洋為暖。沃克環流在這三十年來增強了西太平洋和東太平洋間的海表溫度差異，氣壓差異進一步形成了信風帶，最後間接促使熱帶氣旋往東北亞前進。

雖然這份研究只計算了自然的變數，包含了海表升溫和沃克環流三十年來的演變，但這份研究也預言由人類引發的氣候變遷同樣會強化侵襲東亞的颱風強度。首爾大學的教授何昌熙（Chang-Hoi Ho）表示：「在全球顯著增加的溫室氣體同樣會提昇海表溫度，並且改變西北太平洋上的大氣環流，這些因素會以同樣的方式增強侵襲東亞的颱風強度。未來恐怕會有更多災難性的強颱侵襲東亞地區。」

何昌熙教授也表示，研究的下一個階段目標是以氣候模型來預測未來颱風在這些地區登陸時的強度。

（本文由科技部補助｢新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣｣執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威｜元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊，也有臉書喔！