東北亞也有颱風？三十年來強度變更高

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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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！