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【極光片語】為火箭升空鋪路——If you cannot fight it, join it

雷漢欣
・2014/10/24 ・3645字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

 

李世光老師。攝影/林梳雲
李世光老師。攝影/林梳雲

任教於臺大應力所的李世光老師,不止在專業領域上受人景仰,他的幽默風趣也在江湖上廣為流傳,據悉李老師辦公室裡有著千奇百怪的小玩意兒,每一項小玩意兒的背後都有精彩故事。泛科學特別來臺大應力所直擊現場,聽李老師跟大家分享他珍藏的科學故事。那天的陽光讓臺大校園充滿活力,我們提早到辦公室等候李老師,還沒見到人影,就聽到走廊上傳來他爽朗的笑聲,李老師走進門,熱情的招呼我們這群小粉絲後,從辦公桌後方的展示架上拿出兩顆石頭說:「這兩顆石頭有很多故事可講呢!」

獲選為超級世光大道第一集主角的這兩顆卵石,只有半個拳頭大,一顆純白,一顆血紅,表面有點粗糙,看起不過是平凡的石頭,其實來自佛羅里達甘迺迪太空中心的履帶車道,它們有什麼樣的魔力,能讓李老師二十多年來仍愛不釋手、津津樂道?

鋪在甘迺迪太空中心履帶車道上的卵石。攝影/林梳雲
鋪在甘迺迪太空中心履帶車道上的卵石。攝影/林梳雲

故事要從很多年前說起,當時李老師在朋友的邀請下,去佛羅里達州的甘迺迪太空中心參加了特別參訪團,到一般遊客不能進入的棚廠,近距離欣賞承載全人類太空夢的太空梭,了解太空梭的製作和維修等過程。結束了棚廠的參訪,李老師被帶到戶外前往參觀履帶車道,當時他心想:「我大老遠跑來太空中心參加特別參訪團,在佛羅里達的豔陽下,竟然要我們去看一條石頭路?究竟有什麼特別的?」聽過履帶車道的介紹後,李老師心中的疑惑由此解開,也才知道這一條看似簡單的石頭路,其實是項偉大工程。

太空中心每一次的任務,都是經過龐大團隊最嚴謹、最縝密規劃產生的心血結晶,當太空梭通過最後一道檢查,工程師終於豎起大拇指轉身向大家露出微笑,太空梭就會離開棚廠,乘坐專車——履帶運輸車——前往遠處的發射台,準備飛向宇宙,浩瀚無垠!承載太空梭的履帶運輸車無疑是條硬漢,這重達270噸、有一個籃球場大的巨無霸機械馱獸,以時速1.6公里的速度,穩重地乘著農神五號火箭(Saturn V)、太空梭、發射臍塔(launcher-umbilical tower)和移動式發射台,走完阿波羅計劃的最後一段路,前往5.5公里外的發射平台。

承載太空船前往發射台的履帶車。照片來源:NASA
承載太空船前往發射台的履帶車。照片來源:NASA

要平穩地走完這段5.5公里長的路還真是不容易。雖然履帶運輸車有非常精密的水平校儀可以維持平衡,但若地面不平,履帶車開過地上的凸起或窟窿,經過這麼一震、車身一歪、太空梭一倒,這損失可是不堪設想,所以太空中心必須重視履帶車道的路平專案。既然路平這麼重要,為什麼他們要在地上鋪石頭呢?難道太空中心沒有錢鋪柏油嗎?

讓我們從材料說起。製作車子的履帶不能用一般輪胎用的橡膠,因為橡膠無法負荷車子本身以及太空梭的重量。選擇履帶材料時,我們可以從載重量跟履帶面積計算出履帶會承受的壓力,再去找可以承受這個強度的材料,於是工程師選擇鋼來製作履帶,完成後必須配合履帶為車子製作適合的道路。要讓這個重量級馱獸在上面行走,路面肯定也要很耐操對吧?那我們可以鋪鋼在地板上嗎?李老師說:「不行噢!如果地面也用強度大的鋼作為材料,那履帶跟地面都很容易磨損,還可能會黏在一起。兩個互相接觸的材料是不能隨便選擇的。這中間牽扯到的是材料間的摩潤學(Tribology)。」

舉例來說,修過車的人都知道,鋼鐵的火星塞裝進鋁製的引擎時,要先用手輕輕的旋,之後才能用板手,因為火星塞比較硬,鋁比較軟,若直接用板手轉,會不自覺地為引擎口開新的火星塞螺牙。選擇長期磨潤的兩個材料,必須考慮到強度,同時還要避免兩者在摩擦時的高溫高壓下互相融合。考慮鋼鐵、柏油、混凝土等常見的地面材料,我們可以用這些簡單的原理來判斷哪個比較適合。

若使用鋼作為車道的材料,在履帶車行走的過程中,可能會產生高壓、高溫導致車道跟履帶互相融合,車子跟地板黏在一起的話,要怎麼將它們分離呢?車子在柏油路上行走,剎車擠壓的過程中會造成路面的褶皺(corrugation),履帶車在路面上移動時,若重心稍微偏移,壓力集中在某個地方,那裡的地面就會塌陷,太空梭可能因此傾斜,甚至倒塌,後果不堪設想。而混凝土的拉力強度只有壓力的十分之一,雖然能抗壓,卻不能夠抵抗張力,也就是不耐拉,所以當履帶車走在上面,混凝土鋪成的地面會裂開,也不適合作為車道的材料。

在5.5公里長的履帶車道上,履帶式運輸裝置正在運輸移動式發射台,前往畫面左前方的39A發射台。來源:NASA.
在5.5公里長的履帶車道上,履帶式運輸裝置正在運輸移動式發射台,前往畫面左前方的39A發射台。來源:NASA.

淘汰了三組候選材料,哪裡還有強度夠又不會磨耗履帶的材料呢?工程師心想:「既然我們的材料都無法維持車道的完整,不如做一條受壓時會均勻破碎,又能隨時推平的路吧……石頭或許是好選擇!」我們想像的石頭路可能很顛簸,但相較於車子的履帶,由一顆顆卵石鋪成的地面其實是平坦的,工程師希望履帶車的壓力能均勻分佈在石道上,磨潤到某個程度或壓力改變時,石頭也能像安全玻璃一樣均勻地粉碎。

決定了材料的方向後,工程師的下一個目標就是尋找這種有均勻破碎性質的石頭。他們在美國境內到處搜集卵石,帶回來一一做實驗,最後終於選出一種符合磨耗均勻,且受壓時破壞均勻等條件的完美石頭,可以運來太空中心,鋪成兩公尺深的履帶車道。這些身負重大使命的石頭來自阿拉巴馬的「某條河」,不過究竟是哪條河呢?李老師嘿嘿的笑:「我也不知道,這是國家機密!」

從堅硬的鋼鐵到碎裂的卵石,工程師在履帶車道的選材之路上最大的轉折,就是從尋找「強」的材料,改選會破碎的石頭,「如同『If you cannot fight it, join it』這句話,如果地面不能抵抗履帶車的壓力,那就讓它粉碎吧。」李老師說。

李世光老師在解釋材料的磨潤。攝影:林梳雲
李世光老師在解釋材料的磨潤。攝影:林梳雲

除了尋找履帶車道材料,「If you cannot fight it, join it」這個想法也曾啟發其他工程師嗎?李老師說:「其實這句話在工程上有很多例子,例如龍江路上的華航大樓。華航大樓是三十年前土木領域中很重要的建築,我們念土木的都會去參觀。」過去蓋大樓的概念是,越高的樓要打越深的基礎,但經過日本東京大地震,工程師發現基礎深的結構在地震時比較容易倒塌,改而發展「筏式建築」的概念,把建築物看成浮在土上的船,以大面積的鋼筋混凝土作為基礎,抗震力會比較高。華航大樓就是筏式建築的代表。

除了高聳的大樓,華航大樓旁邊有一大片停車場,那也是建築物的一部份,所以整個華航大樓是由一高一低的大樓和停車場組成。樓體很重,停車場很輕,若以筏式建築的概念來看,就像一艘左重右輕的船,若兩者之間連接處的結構是硬的,兩邊受到不一樣的力,就會像在折筷子一樣,導致高樓和停車場之間的結構斷掉。

該怎麼解決這個問題呢?這時土木工程師的耳邊響起了謎之聲:「If you cannot fight it, join it !」若建築之間連接的鋼條不夠強,無法承受兩端重力差造成的力,不如讓連接處變成「軟」的,彎矩(Moment)不能傳遞,就不會斷掉啦。想像一根又長又硬的打狗棒在激烈的打鬥中應聲斷裂,若能將長棍分作兩段做成靈活的雙截棍,就不會像棍棒那麼容易斷掉了。同樣的道理,工程師讓華航大樓這樣的建築物從一艘載重不均勻的大船分成兩段,變成一條大船拖著小船,兩者連接在一起又各自平衡,就解決了結構斷裂的問題。雖然這樣一來大樓跟停車場在土壤上的沈降可能不一樣,但比起應力太大導致材料降服(變形),這只是個小case。

位於臺北龍江路上的華航大樓是筏式基礎的建築,大樓與旁邊的停車場有相連的基礎。照片來源:Google Maps
位於臺北龍江路上的華航大樓是筏式基礎的建築,大樓與旁邊的停車場有相連的基礎。照片來源:Google Maps

回憶起那時去佛羅里達拜訪甘迺迪太空中心,繞過排隊人潮,直接由專車接送去參觀太空梭,之後卻在大熱天下被帶去看條石子路,李老師原本以為無趣的石道漫步行程,卻因為這一串精彩的研發故事,成為最難忘的回憶,朋友親自從履帶車道上撿起送給李老師的普通石子,也因為這特別的意義成為最珍貴的禮物。

履帶車道跟華航大樓的故事告訴我們,工程師跳脫原本的思維,為問題找到解答,而除了「if you cannot fight it, join it」這種思路,工程上還有很多種意想不到的重大突破,還記得前文提到柏油路的corrugation嗎?這個在鄉間小路、紅綠燈前馬路上常見的地面褶皺,不僅是柏油無法用來做履帶車道的原因,竟然還是磁碟機進展的重要關鍵!預知詳情,請待下回分曉~

【極光片語】專欄收錄李世光老師的訪談,每一段小故事、小物件的背後,都有饒富趣味的科學道理。吉光片羽比喻殘存的珍貴文物,象徵李世光老師在科學研發的高昂志氣和人生智慧;傳說見到極光會帶給人一輩子的好運,期待讀者在本專欄得到的啟發,都能像看見極光般感動。


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雷漢欣
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PanSci的菜菜實習編輯,來自溫馨的動科系,心情好的時候喜歡說「你知道嗎!?」小故事,即使常得到「誰不知道阿.......」的冷眼回應,也不改其志。


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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)