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比太陽還老的水

臺北天文館_96
・2014/10/11 ・1156字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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水是地球生命生存的關鍵要素之一,也是評估其他行星上會否有生命的重要標準之一。而識別出地球上的水的原始來源,有助於讓科學家瞭解地球如何演化出適合培育生命的環境,以及如何在其他星球上尋找類似的環境。來自卡內基研究所(Carnegie)的Conel Alexander等人發現:太陽系中有許多水源自在星際空間形成的冰。

並不僅有地球上有水,其實整個太陽系都有水的蹤跡,如冰質彗星、冰質衛星,甚至水星表面陽光照不到的隕坑陰影中;而科學家也在來自月球和火星的隕石中發現水的蹤跡。尤其是由太陽系初始物質組成的彗星和小行星等,彷彿時光膠囊般,封存了太陽系早期的狀態的記憶。它們所含有的冰可以告訴科學家關於太陽誕生之後,環繞太陽周邊的冰究竟源自何處,這個問題已經困擾科學家很久了。

在太陽很年輕的時候,周圍有太陽星雲(solar nebula)形成太陽之後的殘留物質所構成的原行星盤(protoplanetary disk),行星就是從這個原行星盤中誕生。然而,科學家不清楚原行星盤中的冰,究竟是來自太陽星雲所屬的星際分子雲(interstellar molecular cloud)本身?還是原始星際分子雲中的冰已經被摧毀,而後又在太陽星雲中因為某種化學反應而再度形成冰?

這個問題之所以重要,是因為太陽系早期的水如果是承襲自星際空間的冰,那麼按理來說,在年輕太陽周圍原行星盤內,絕大多數地方,或甚至所有原行星盤內的冰和無生物期有機物質(prebiotic organic matter)應該不僅都是類似的型態,而且含量頗豐。但是如果水冰是在太陽正在形成過程中經由局部區域化學反應重新製造出來的,那麼在正在形成行星的原行星盤各處,不同地點的水含量是不相同的,如此一來,顯然生命也可能出現在地球以外的太陽系他處。

密西根大學(University of Michigan)L. Ilsedore Cleeves等人是以氫原子和它的同位素氘原子來進行太陽系水冰史的研究。氘原子比氫原子多了一個中子,兩者間的質量差異導致它們的化學反應行為也有微小的差異。如此一來。水分子中的氫氘比就可以讓科學家瞭解這個分子是在什麼條件下形成的。

例如:星際水冰的氘相對於氫的比例比較高,這是因為它們是在極低溫環境下形成的。到目前為止,科學家並不確定在太陽誕生過程中,究竟有多少這樣的氘被化學反應給弄沒了,也不清楚光憑新生的太陽系自個兒能製造多少富氘的水冰。

因此,Cleeves等人設計了一套電腦程式,模擬原行星盤中所有來自星際冰的氘都被化學過程消滅了,爾後在約長達100萬年的時間,太陽系啟動自行製造機制以產生新的氘元素。他們希望藉由這樣的模擬看看能否達到目前從隕石樣本、地球海洋和彗星中實際偵測到的氘氫比,結果發現都不相符,這顯示太陽系裡的水至少有一部份是源自太陽誕生之前的星際空間,比太陽的年齡還要老!而這也意味著或許在所有年輕行星系統中都能發現大量富含有機質的星際冰呢!

資料來源:Earth’s Water is Older than the Sun. Carnegie Science [September 25, 2014]

本文轉載自網路天文館

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臺北天文館_96
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為什麼壁虎能飛簷走壁?壁虎之「爪」所藏有的秘密!——《黏黏滑滑》
晨星出版
・2023/01/08 ・3040字 ・閱讀時間約 6 分鐘

潮濕環境中就算是壁虎也會腳滑?

這引我走上另一條路徑。有鑑於凡得瓦力靠得是兩個平面之間緊密接觸,如果是像史塔克教授提到的大溪地雨林那樣潮溼的環境,會發生什麼狀況呢?有水是否會改變壁虎的抓力?或者,如我假裝專業問她的問題,潮溼的壁虎可以黏在物體上嗎?

史塔克是討論這個問題的絕佳人選。為了更透徹理解真實世界的環境如何運作,她與研究夥伴一起花了好幾年時間探究表層水對壁虎黏附力的影響。她一開始先測量大壁虎在三種玻璃樣本上的黏附力—乾燥、用水滴稍微沾濕,以及完全浸泡在水中。

壁虎被放置在各個表面上,再用小型電動吊帶輕輕往後拖(沒錯,你沒看錯),直到牠們的四足全都移動。這能讓研究人員測量克服壁虎黏性所需的力量—稱為最大剪切黏附力(shearadhesion force)。

他們發現壁虎在潮溼的玻璃表面上,黏附力會明顯下降。

「這讓我們很吃驚,尤其是有那麼多種壁虎生活在高濕度、高降雨量的環境中,」史塔克說。

「我們測量了四足完全泡在水中時的最低黏附力,這時候水絕對會干擾以凡得瓦力為基礎的黏附力所需的密切接觸。」但她承認,這個狀況在野外大概沒那麼普遍。

「實際而言,相較於走進暴雨之中並踩入深水坑,壁虎更有可能接觸到僅稍微沾濕的表面。」即使如此,史塔克在稍微沾濕的表面測得的力量,還是比足趾乾燥走過乾燥玻璃的壁虎還低(或比較不黏)。

大多數情況下,牠們依然有剛剛好的抓力可以承受自己的體重,但是當環境變得潮溼,壁虎的黏附力就會開始減弱。其中發生了什麼事?

壁虎腳趾的「疏水」特性

回到第一章,我們得知液體黏附於表面的能力關乎表面能和可濕性。壁虎趾墊極度疏水。它們會有效地排斥水,所以當蜥蜴把足部伸入水坑,會在足趾周圍形成微小的氣囊;水被推開,保持足趾乾燥。但是這項除水的能力有其限制,取決於壁虎最後踩上的表面。

壁虎的足趾具有極高的疏水性。圖/envatoelements

在史塔克的研究中,她著重在玻璃表面,這是因為玻璃具有親水性,會吸水。當壁虎的足部接觸到潮溼的玻璃,牠無法完全把水推開,如史塔克的解釋,這會中斷提供壁虎大部分抓力的凡得瓦力。

此外,壁虎的足部泡在水中過了 30 分鐘後,牠們的足趾似乎會暫時失去傑出的防潑水能力。水會湧入皮瓣,更進一步減弱牠們的抓力,使得玻璃似乎更滑。

但是如果表面本身就具疏水性,那一切對壁虎來說就簡單多了。在那樣的情況下,其足部和表面都會排斥水,因此兩者接觸時也會很乾燥。那對壁虎而言是理想的狀況—沒有水,其剛毛和匙突都能用來黏附。

這也反映出許多物種在野外會遇到的環境:從有蠟的樹葉到樹幹,疏水性表面在自然界中不足為奇。重要的是,壁虎奔跑的頻率高於行走,史塔克之後證實,這有助於牠們更有效率地甩掉足趾上的水。

鐵弗龍攀爬實驗

體悟到可濕性是壁虎抓力的關鍵因子,促使許多研究團體開始探究壁虎碰到工程性疏水表面會發生什麼事—最有名的研究是壁虎與鐵弗龍的比賽,首次討論在 1960 年代晚期開始。

德國科學家烏維.希勒(Uwe Hiller)發表的實驗指出,疏水性、表面能偏低的材料(如鐵弗龍),對壁虎而言太滑了,爬不上去。即使他用帶電粒子撞擊鐵弗龍以增加表面能,他的實驗壁虎依然難以爬得更遠。針對單一剛毛的實驗也得到一樣的結果。

所以我們也許能理解,史塔克沒有很想在 2013 年再次測試該材料的原因。「不過我的本科學生非常好奇會發生什麼狀況,所以我最後還是同意了。」他們發現的結果讓所有人都大吃一驚。根據他們的結果,活壁虎可以爬上鐵弗龍,但只有在有水的情況下才辦得到。

「就是那些罕見的發現既讓我們困惑,但也證實我們在野外所見的狀況,」史塔克說。

「我們知道壁虎可以毫不費力地爬上最滑的樹木和植物,即使在大洪水過後也一樣,所以水顯然對牠們來說不是大問題。但是我們的模型就是沒預測到在鐵弗龍的結果。」

壁虎能輕易爬上最滑的樹木和植物。圖/envatoelements

另一個結果就沒那麼令人意外—在中度可濕的材料上,水似乎沒造成什麼差異。壁虎在潮溼和乾燥表面上都能緊緊抓附。

但是超級疏水的鐵弗龍則是異數—與我們對以凡得瓦力為基礎的黏附力的認知相反,水似乎增進了壁虎的黏附表現。

研究人員表示,這個結果並不能類推到更多的材料上,而是只特定於鐵弗龍。在那篇論文中,他們歸咎於鐵弗龍的粗糙度。乾燥時,這個粗糙度可以造成空氣隙(air gap),減少表面與壁虎匙突之間的接觸區域。潮溼時,粗糙度好像有點被消除,讓足趾可以充分地緊密接觸,獲得凡得瓦吸力。

老實說,這個解釋無法說服我,而史塔克在電話中似乎也同意我的看法。我們單純無法解釋我們的結果,或為何鐵弗龍與其他材料如此不同。在之後的實驗中,我們擾亂它的粗糙度和氟化作用(一種表面加工),以檢視有無任何變化。我們發現後者對黏附力有比較大的影響。我們懷疑靜電可能也有關係,但是還無法肯定。

壁虎黏附系統的未解謎題

壁虎黏附力的主要機制來自凡得瓦力,這似乎毫無疑問,但是我與研究人員對談,加上讀了多於我想承認的期刊論文後,我愈來愈認為不只如此。儘管我們不斷又相當密集地進行研究,我們可能還未揭露壁虎黏附系統的所有秘密。

例如,我們依然還沒全面釐清潮溼環境下的角蛋白剛毛發生什麼事。人體的毛髮極容易受濕度影響,主要是因為水有助於α- 角蛋白的鄰近股之間形成暫時的氫鍵。雖然它跟壁虎的β- 角蛋白之間有一些化學差異,但水似乎也有可能也會對其機械性特質產生作用。

歐騰毫無疑問相信這件事。他在 2011 年發表的一篇文章中,發現濕度提升得愈高,剛毛會變得愈軟,但是我們不知道在「整隻動物」規模時會怎麼運作。還有許多細胞生物學家認為角蛋白毛髮有額外的功能—蛋白質表面自然產生的正電荷似乎會進一步增強凡得瓦效應。最後, 2011 年,在一間黑暗的研究實驗室中,發現了一些神祕的壁虎腳印。

「我們發表那篇論文時並不太受歡迎」當我問起這篇論文時,史塔克笑著說。「大家都說壁虎使用的是無殘膠、乾淨的黏附系統,但是如果是這樣的話,這些腳印是哪裡來的?牠們留下了一些東西,我們從未在其他地方看到相關報告。」

史塔克跟她的研究夥伴發現殘留物含有脂質—這是通常在像蠟和油這種「滑溜」物質會發現的化合物。她也指出,這些脂質集中並環繞著剛毛,讓她認為這與角蛋白有關。但是她承認,他們還無法解釋出現這些脂質的原因,或它們究竟是哪裡來的。

「我們就是沒有答案,雖然我們懷疑那跟快速切換黏性和快速移動有關。可能就是這些脂質有助於剛毛和匙突潔淨又無塵。或是脂質可能與毛髮的結構有關聯。不管是哪個原因,都讓我們知道目前以β- 角蛋白均質柱狀物為基礎的模式並不完整。」

這些尚待解答的問題,只會讓壁虎的黏附系統更加迷人和值得研究。其性能也使其成為工程和材料科學界源源不斷的靈感來源。

——本文摘自《黏黏滑滑》,2022 年 11 月,晨星出版,未經同意請勿轉載

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數學有多好用?從種馬鈴薯到上太空,那些我們沒發現的數學——《大自然的數學遊戲》
天下文化_96
・2022/12/25 ・2278字 ・閱讀時間約 4 分鐘

數學的共振系統存在於太陽系中

太陽系的動力系統充滿了共振。

月球的自轉由於受到其他天體的攝動(perturbation),因而有輕微的起伏,不過它的自轉週期與它環繞地球的公轉週期相同,這是自轉週期與軌道週期的「一:一」共振。因此,我們在地球上總是看到月球的同一側,從來無法看到月球的「背面」。

水星每隔五十八.六五日自轉一周,每隔八十七.九七日公轉太陽一周。二乘八十七.九七等於一七五.九四,而三乘五十八.六五等於一七五.九五,因此水星的自轉週期與軌道週期是一個「二:三」共振。事實上,長久以來,天文學家一直以為兩者構成「一:一」共振,以為兩個週期大約都是八十八日。

因為想要觀察像水星這麼接近太陽的行星,實在是一件很困難的事情。這使得天文學家相信,水星的一側熱得不可思議,而另一側則冷得不可思議,最後卻發現事實並非如此。不過共振還是存在,而且比單純的「一:一」更有意思。

在火星與木星之間,有一個寬闊的小行星帶(asteroid belt),其中包含了數千個微小的天體。這些小行星的分布並不均勻,在某些與太陽距離固定的軌道上,我們發現還有些「小行星子帶」,在其他距離上則幾乎找不到它們的蹤跡。這兩者都得歸因於與木星的共振。

火星與木星間的小行星帶。圖/wikipedia

希耳達群(Hilda group)小行星就位在小行星子帶,它們與木星形成「二:三」共振。也就是說,這群小行星所處的位置,剛好使它們在木星公轉兩圈的時間中環繞太陽三圈。而最有名的小行星帶隙(gap of asteroid),則是「一:二」、「一:三」、「一:四」、「二:五」與「二:七」的共振。

各位讀者也許有些擔心,為什麼共振同時能夠解釋小行星帶的叢聚與間隙呢? 答案是每一個共振都具有本身的動力學特徵,某些會造成叢聚效應,某些的作用則剛好相反,全都由共振比例數字來決定。

用數學來預測未來

數學的另一項功能是進行預測。

在了解天體的運動之後,天文學家便能預測月食、日食,以及彗星的回歸等等。他們知道應該將望遠鏡對準何處,才能重新發現運行到太陽背面、暫時無法觀測的小行星。由於潮汐主要是由日、月與地球的相對位置所控制,所以他們也能預測許多年後的潮汐。

(但這種預測的主要困難並非來自天文學,而是大陸的形狀與海底的地形,它們都能使某個高潮提前或延後。然而,即使過了一個世紀,這些地理因素也幾乎不會有什麼改變,因此一旦了解它們造成的效應之後,將這些效應考慮在內只是例行公事。)

反之,想要預測天氣則困難無數倍。對於控制天氣的數學,我們知道的跟控制潮汐的數學一樣多,可是天氣天生就有一種不可預測性。縱使如此,氣象學家仍能做出有效的短期預測,比方說三、四天以後的天氣。不過,天氣的不可預測性與隨機性毫無關聯。在第八章中,當我們討論到混沌概念的時候,將會詳加探討這個題目。

數學所能做的遠不止於預測。一旦了解某個系統如何運作,我們就不必再做個被動的觀察者了。我們可以試圖控制這個系統,讓它照我們的意思行事。可是最好不要野心太大,例如天氣控制就仍處於嬰兒期,我們還無法隨心所欲地造雨,即使天上有一大團現成的雨雲。

控制系統的例子不勝枚舉,從保持汽鍋溫度固定的恆溫器(thermostat)到中世紀式的造林。還有,假如沒有精妙的數學控制系統,太空梭就會在空中橫衝直撞,因為任何太空人絕對沒有足夠迅速的反應,可矯正它固有的不穩定性。至於使用電子式心律調節器幫助心臟病患者,則是控制的另一項實例。

這些例子,讓我們看到數學最為實際的一面,也就是它的實際應用:數學如何造福人群。

隱身文化幕後的數學工具

我們的世界奠立在數學基礎上,數學不可避免地深植於全球文化中。我們並非總能夠了解數學對我們的生活有多大影響,理由是它被人盡可能藏在幕後。

這是很合理的,譬如您找旅行社安排一次度假旅遊時,不必了解設計電腦或電話線的數學與物理理論,也不必了解使某座機場能起降最多架次飛機的最佳化(optimization)程式,或是為駕駛員提供正確雷達影像的信號處理方法。

當您收看電視節目的時候,也不必了解在螢幕上製造特殊效果的三維幾何、藉由衛星傳送電視訊號的編碼方式、解出衛星軌道運動方程式的數學技巧,以及在製造可將衛星送到定位的太空的各個零組件時,每個步驟所應用的數千種不同的數學工具。

還有,農夫在種植新品種的馬鈴薯時,也不必知道遺傳學統計理論,不必知道這理論如何幫助育種學家找出何種基因使這品種具有抗病性。

然而,以前一定有人了解這一切,否則飛機、電視、太空船、抗病性的馬鈴薯都不可能發明出來。現在也需要有人了解這一切,否則它們就不會繼續運作。而將來也需要有人發明新的數學,以便解決新出現的或迄今尚未有解的難題,否則當我們面對某種改變,必須解決新的問題,或是舊問題需要新的解答時,我們的社會便會崩潰。

假如數學以及所有植基其上的發展,突然之間從我們的世界消失,人類社會將在瞬間四分五裂。又假如數學從此停滯不前,再也不會向前邁出一步,我們的文明便會很快開始倒退。

——本文摘自《大自然的數學遊戲 》,2022 年 11 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
116 篇文章 ・ 600 位粉絲
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。

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為何人類對火星如此執著?火星曾有過生命嗎?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/24 ・1975字 ・閱讀時間約 4 分鐘

火星 vs. 地球

長久以來,人類對火星充滿好奇,火星上有沒有水?那裡住著火星人嗎?這些未知,讓人類發射各種探測器和太空船前往火星,希望一探火星的奧秘!

超級巨大火山

奧林帕斯山是太陽系裡最高的火山,它比地球上最大的茂納開亞火山(MaunaKea)還巨大,如果從火山底部算起,奧林帕斯山大約是茂納開亞火山高度的兩倍半!火星的直徑大約只有地球的一半,為什麼火星上的火山卻可以長得比地球上的還高大呢?

夏威夷大島上的茂納開亞火山屬於熱點(hotspot)火山,這類火山的岩漿來自地函,熱點的岩漿從地函往上穿出地殼形成火山。因為板塊運動,地球的地殼會移動,這造成熱點穿出地殼的位置改變,時間久後,會形成一長串的火山,其中最有名的例子是夏威夷火山群島。

夏威夷群島的大島上有幾座活火山,目前大島就位在熱點上,夏威夷群島的其他火山年齡都比大島上的老,而且離大島愈遠愈老。

地函熱點往上冒出地殼會形成火山,因為板塊運動,熱點穿出地殼的位置會改變,所以地球上會形成一長串的火山島鏈。火星上沒有板塊運動,熱點冒出的岩漿不斷在地殼上重複累積,形成比地球上高大的火山。圖/麥浩斯出版

地球上因為板塊運動,熱點火山不會長得太大,長到一定程度,就會因為板塊運動移開熱點,沒有熱點提供岩漿,火山就會停止長高、長大。

火星跟地球不同,火星沒有板塊運動,地函的岩漿會在地殼上同一個熱點冒出,岩漿在同一熱點一直堆積長高,所以火星上的火山才會比地球上的巨大。

磁場很重要

根據科學家研究,火星早期有較厚的大氣,溫度適中,甚至表面有河川流水,跟目前的地球很類似。那為什麼火星現在會變成乾燥無水、充滿紅色沙塵的行星呢?

火星早期曾經有磁場,後來磁場消失,讓火星大氣失去防護,漸漸被太陽風剝離吹散。火星大氣壓力變小,地面上的液態水都變成大氣中的水蒸氣,大氣中的水蒸氣被太陽紫外線分解成氫和氧,流失到外太空,最後水漸漸從火星表面消失。目前火星地表的大氣壓力大約只剩地球的百分之一,而且還持續流失中!

科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,有一種說法認為可能跟火星比較小有關。它的核心更小,所以散熱較快,造成外核的液態鐵凝固。外核的液態鐵凝固讓火星的磁場消失。

從火星的研究和認識,我們才明白地球原來如此特別!

真的有火星人嗎?

人類對火星上有沒有生命充滿想像,其中最有名的可能是帕西瓦爾.羅威爾(Percival Lowell)「看見」火星運河。

羅威爾是一位美國富豪,對火星非常著迷。1890 年代,他用自己建造的天文台觀看火星,並將透過望遠鏡看到的火星描繪下來。羅威爾認為他看見火星上有許多運河,建造運河是為了把南北兩極的冰運送到乾涸的赤道,這是火星有智慧生物存在的證據。

目前火星的表面沒有穩定流動的水,不過火星上的水可能在地底下,科學家推測火星生命可能潛藏在地底。圖/麥浩斯出版

1965 年,美國的水手 4 號太空船飛掠火星,發現火星表面一片荒蕪,根本沒有羅威爾宣稱的運河和火星生命。不過,火星有生命存在的想法太吸引人,人類還是不斷用各種方式探索火星,尋找生命。

為什麼我們對火星這麼執著呢?一方面是科學上的原因,希望找到地球外的生命形態,不管這種生命形態是不是跟地球一樣,都是非常重大的發現;另一方面可能是情感上的因素,不希望地球是宇宙中唯一有生命的地方,孤單僅有的存在。

依據地球上的經驗,只要有水的地方幾乎都找得到生命,水成為生命的重要指標。火星早期比較溫暖,地表有水流動,所以火星過去可能有生命存在。科學家認為火星上最可能出現的生命是微生物,因為水存在火星表面的時間並不長,無法演化出太複雜的生命形態。

目前火星表面已經沒有穩定流動的水,不過水還是有可能存在地表下,所以,生命有可能還在火星地底存在著。人類不斷探索火星,不久的將來人類也會登上火星,到時候火星有沒有生命的問題,可能就會有答案。

──本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版