當寒暑成災：導言

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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• 作者 / 林子平

太陽射出短波，加熱物質使表面升溫、釋放長波。

不只是太陽，任何物體皆會發出熱輻射，當表面溫度愈高，釋放的熱輻射就愈強。太陽表面溫度極高，會釋放出能量較強的熱輻射，我們稱為太陽輻射，因其波長較短也稱為短波輻射；當太陽照射在地表或物體上後，地表及物體材料會吸收短波並使表面溫度上升，釋放出能量較弱的長波輻射。因短波含有可見光，所以人眼能夠看得到太陽投射到地上的日光，而長波只有蝙蝠和蛇類等少數動物才看得到。

從房間來了解熱輻射理論

想像一個有大面天窗的房間中，太陽短波輻射穿透了玻璃投射到室內地面，有一部分短波會被反射，繼續以短波的形式前進，再度穿透玻璃返回天空，或碰到天花板再次反射回地面。其餘短波則會在房間內的地板、牆面、天花板之間來回反射並且被室內的不同材料吸收，使表面溫度上升。

而室內較高溫的地板，會放射出較多能量的長波，並在室內進行多次的吸收及放射現象。值得一提的是，短波來自太陽，只有在白天的時候才有，而長波來自所有的材料表面，不論白天或夜間都會釋放。

材料與波的特性，對熱環境有極大的影響

短波具有方向性，就像手電筒光線投射到鏡子一樣，反射光會和入射光角度相同，且反射後其性質不變，仍是短波。材料對於短波入射及反射的比例稱為反射率（有些領域亦稱反照率），很黑的材料反射率接近 0，鏡子的反射率則接近 1，數值愈高代表材料反射短波的比例愈高。如果是不透明材料，那麼材料對短波的吸收率加上反射率等於 1，這代表進入材料的短波被反射後的剩餘部分，會完全被物體吸收。也就是說，當材料反射率愈低，就會吸收愈多太陽熱量，造成高溫化問題。

長波則無方向性，就像石頭掉入水面產生漣漪一樣，長波會由物體表面往四面八方放射。我們以放射率來定義材料在特定波長及溫度下輻射放射的效率，數值愈高代表放射效率愈好。但比較特殊的是，材料對特定波長的吸收率恰等於放射率，也就是物體對長波吸收效率愈好，其放射的效率也愈好。標準的黑體其放射率為 1，代表 100% 地吸收及放射輻射。地球上除了少數表面光滑的物體之外，大部分物質的放射率都在 0.9 至 0.95 左右，差異不大。

長波輻射會加熱空氣使氣溫上升

短波與長波對表面溫度及空氣溫度的影響也截然不同。短波能量很強，被物體吸收後表面溫度會快速上升，然而，它的特性是幾乎不會加熱空氣，如果能在第一時間被高反射材料反射回天空，對都市蓄熱的影響其實不大。相反的，長波能量雖弱，對表面溫度的增加並不明顯，但它的問題便是會加熱空氣，使空氣溫度上升，不能輕忽。

讓我們再回到前面說的房間，看看長短波輻射如何聯手影響表面及空氣溫度。在這個房間的天窗下方因為有太陽短波抵達，這些短波會在室內複雜的地面、牆面、屋頂、傢俱之間來回吸收及反射，提高材料表面溫度。材料溫度上升後會放射長波，並在材料之間來回吸收及放射大量長波輻射，並加熱空氣，使空氣溫度也持續上升。相對的，陰影區因為有不透光屋頂面的阻擋，或天窗上遮陽板及戶外植栽的遮蔽，所以接收到的短波極少，使得表面溫度較低而減少了長波輻射，空氣溫度會比較低，由此可知，陰影對於表面溫度及空氣溫度降低十分重要！

地球熱輻射與溫室效應

如果把地球想像成前述房間的延伸，這個大房間的隱型屋頂及牆壁——即大氣層中的氣體（氮、氧、二氧化碳⋯⋯）、液體（雲、雨）、固體（粉塵、懸浮微粒）等，再加上它變化萬千的地板——即冰層、陸地、森林、海洋、河川等，決定了輻射在大氣層內的穿透、反射、吸收、放射等變化。

太陽輻射進到大氣層後，對於生物危害較大、波長最短的一部分紫外線，會被氧氣及臭氣吸收，抵達地表的短波包含其它紫外線、可見光，以及紅外線三個部分。在到達地表的過程中，雲就像地球這個大房間的高反射窗簾，可將大量的短波反射回到外太空。如果我們將太陽進入大氣層的全年平均輻射能量當作 100%，其中大約有 22% 的短波會被大氣反射回外太空。短波輻射繼續往下到達地面時，會受到不同地表材料的反射率影響，大約有 7% 的短波會被地表反射回外太空。合計有 29% 的短波被大氣及地表反射。

而剩餘的 71% 短波輻射則被大氣和地表合力吸收，如同小房間的牆面、地板接收到短波後表面溫度會上升一樣，地球的大氣及地表也會升溫並釋放長波輻射量。這些長波輻射中，10^-4 奈米以上的長波輻射幾乎都會被水蒸氣吸收，其它像二氧化碳、甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、臭氧等也都會吸收特定波長的長波輻射。然而，就像之前小房間提到地板與牆面之間重複的吸收及放射長波過程一樣，這些氣體吸收了長波輻射後還會再向地表放射長波輻射，亦即逆輻射。這種大氣和地表之間輻射能量的重複應用，是十分高效率的能量循環，可讓地球氣溫提升，這個現象就稱為溫室效應，而上述這些氣體我們就稱為溫室氣體。溫室效應使地表的氣溫維持在 15℃，若沒有大氣，地表溫度將會是 -18℃。也就是說，溫室效應的存在，讓地球保持一個生物能生存的環境，具有其重要性。

然而，隨著工業化發展，人為排放的溫室氣體急劇增加，也強化了上述大氣和地表之間輻射能量循環。IPCC 氣候變遷的報告也指出，人類活動排放的溫室氣體是造成當前地球暖化之主因。這顯示出，溫室效應原本是讓生物得以生存在地球的利器，如今卻轉變為造成環境衝擊的殺手。這對於都市熱島這個議題，具有兩種意義。首先，隨著都市熱島問題的惡化，包含地貌改變造成地表反射率降低，以及人工發熱增加時也可能連帶使溫室氣體排放增加，這都會增加地球暖化的問題。再者，地球暖化可能造成未來市區與郊區的溫差更大，也可能使市區與郊區的整體溫度都上升，這都將使都市熱島的問題更加複雜及惡化。由此可見，都市熱島與全球暖化是緊密相依的議題，當我們解決都市熱島問題的同時，也有助於全球暖化的減緩。

• 作者 / 林子平

比氣候變遷更早被發現的「都市熱島」

「都市熱島」這種市區氣溫比郊區高的現象，可不是最近才被注意到的，它被發現的時間甚至比我們耳熟能詳的「氣候變遷」、「全球暖化」都還要早！在距今 200 年前的 1818 年，英國的盧克．霍華德就已指出都市空氣溫度高於郊區的現象，他發現倫敦市中心在夜間的氣溫，比郊區足足高了約 2.1℃，當時大家對這個現象及造成的原因都很好奇，霍華德則是把這個現象主要歸因於倫敦市區嚴重的煙霧（smog）——這是個結合了煙（smoke）和霧（fog）兩個字所產生的新字。

霍華德是個傳奇的人物，他的本職其實是位製藥學家，氣象雖只是他業餘的興趣，但他被公認是都市氣候研究的先驅。而他在氣象領域中最廣為人知的貢獻，是將雲分類並命名的第一人，這個分類系統一直沿用至今。很多人稱他為雲之教父，德國文學家哥德甚至還寫了一首詩，讚揚他為捉摸不定的雲起了各種名字呢！

從霍華德第一次發現都市熱島現象迄今，200 年來世界各地有許多學者針對不同都市的熱島現象、成因、對策進行探索。尤其近年來熱島現象在氣候變遷、全球暖化的影響下，惡化的速度更是急劇加速，建立大眾對都市熱島議題的認識和思考，已是刻不容緩的任務。

都市熱島急劇惡化程度高於氣候變遷

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在歷次的評估報告中指出，人類活動為影響氣候變遷的主要成因，2016 年聯合國成員國也簽署了《巴黎氣候協定》，協定的其中一個目標是要將地球的上升溫度控制在 2℃ 以內，並致力於限制到 1.5℃ 以內。在一些網路上的影片中，我們可以看到北極的冰山因為暖化問題正逐漸融解，北極熊必須要長途跋涉，游更長的距離去尋找食物。看著瘦弱不堪的北極熊，愈來愈多人願意改變對於環境及資源的使用方式，也改變自己的生活模式，來減少二氧化碳的排放。

但其實早在 200 年前倫敦市區的氣溫就比郊區高了 2℃ 以上，2008 年一個倫敦研究更指出，市區及郊區的溫差已經到了令人難以置信的 8.6℃，遠高於《巴黎氣候協定》對世紀末溫度控制的目標。當我們試圖做出努力，減少全球溫度升高，解救北極熊的同時，是否曾經想過，享受著現代都市生活種種好處的自己，其實也正付出相對的代價，承受著前所未有的高溫化衝擊。

一座飄忽不定但影響甚巨的「島」

你可能會好奇，為什麼要用「島」這個字來描述都市高溫的現象呢？這是因為都市的氣溫有高低起伏的變化，若畫出等溫度線圖，可以發現它看來很像島嶼的等高線圖。在這個虛擬的島上，高溫區像是島上的山峰，而且往往不只一座；而低溫區則如島上的平原，也可能是兩個山峰之間的山谷。都市在同一時間下最高溫區及最低溫區的氣溫差異，即是「都市熱島強度」。

隨時變化且不易定義的都市熱島強度

都市熱島強度可以用來描述熱島的嚴重性，例如上一節提到倫敦市區及市郊的溫差在 1818 年是 2.1℃，到了 2008 年溫差則達到 8.6℃，我們可以說倫敦的都市熱島強度在這 200 年間劇烈地升高了，代表這個都市高溫化的問題愈來愈嚴重。

都市熱島強度的定義看來很單純，就是把都市中的最高溫及最低溫相減，但實際上，這可比計算一個都市的海拔高差複雜多了！首先是都市中最高溫及最低溫的地點及數值，並不像山川、平原地形一樣，位於固定位置，有固定的高度，它會隨著不同年度、季節、時段一直在改變。以台南為例，白天最高溫常出現在東南側的內陸區，而夜間最高溫卻是位於西北側的沿海區。另外，都市最高溫區很容易指認，通常是在車站、市中心，或發展密集的區域，但低溫位置卻很難定義。低溫區應該選擇在都市開發密度高低變化的邊界處，且海拔高度應與高溫區接近較為合理，例如台北市的低溫區若選擇海拔高、氣溫低的陽明山，那就不夠客觀。