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蚯蚓下雨天爬出地表後就回不去了?

活躍星系核_96
・2015/04/22 ・3894字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

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文 / H

上次介紹了蚯蚓為什麼要在大雨過後爬出地表?這次要介紹的是為什麼蚯蚓爬出來不爬回去?其實依據我之前的觀察,部分的蚯蚓是會爬回去的,但部分的蚯蚓卻沒有在雨後爬回土中,有些蚯蚓看起來好像迷航了,邊爬邊試探的似乎要找到可以鑽回土壤的地方,有些蚯蚓卻是奄奄一息狀的癱軟在地面上或小水窪中,甚至死亡。由於現在的環境中柏油路或水泥地面佔了很大的總面積,所以爬出來的蚯蚓一旦爬上了柏油路或水泥地面就很難找到縫隙在鑽回土中,但那些癱軟的蚯蚓是怎麼一回事?

這現象達爾文認為是蚯蚓被寄生蟲寄生生病,所以爬出來後就死在地面上,Lankester(1921)認為蚯蚓爬出來就會死亡,原因可能與泡水泡太久有關,但我們將這些蚯蚓帶回實驗室飼養,發現牠們其實都可以存活,所以很明顯的不是泡水太久的原因。Merker and Brauning在1927年時提出了一個假設:是紫外線麻痺牠們,讓牠們沒辦法爬行,所以後來被曬死了,不過這假設延續了幾十年都沒有確實的證據。那麼紫外線到底是啥?可以厲害到把蚯蚓曬死?

太陽光的輻射波長範圍很廣,其中波長在400-730nm之間稱為可見光(visible),大於730nm稱為紅外光(infra-red) ,而小於400nm的波段稱為紫外線(ultra-violet),因為其波長較可見光中波長最短的紫色光更短而名之。紫外線又可依波長分為UV-A (320-400nm),UV-B (280-320nm),UV-C (280nm以下) 三種,地面觀測的太陽輻射多集中在可見光波段,紫外線只佔全部的10%,其中以UV-A為主,至UV-B時以指數方式急速下降,UV-C波段的能量則趨近於零,原因是因為UV-C對大氣層的穿透力極差,在高空就被吸收或反射。UV對生物有明顯的傷害,隨著波長越短傷害越大,UV-C對生物的殺傷力極大,但在自然狀態下無法到達地面,所以對地球上的生物影響不大。反之,UV-A及UV-B,因此對生物的影響反而較為顯著。

source:Philips
source:Philips

紫外線在醫學上被研究較為透徹,一大原因是會造成皮膚癌及黑色素腫瘤癌的發生機率增加,造成眼睛及免疫系統的傷害,一部份的原因是因為皮膚會產生較多的黑色素來抵禦紫外線的傷害,但這重要的防禦機制是女性的大敵~皮膚會變黑變鬆弛,還會產生黑班和暗沈!所以保養產品莫不提出防曬和美白效果來促進消費。

但UV真的只有傷害嗎?雖然目前因為臭氧層的破洞,使一般人談UV而色變,但是太陽紫外輻射其實有著許多好處,例如可以殺菌,將體表的細菌殺死,減少動物受細菌感染的機會,或應用於飲用水或養殖用水以殺死水中的細菌;紫外線是細胞製造維他命D3先質(pre-Vitamin D3)的必須因子,在心理上,曬曬太陽會使身體感覺較舒服;紫外線可以幫助昆蟲找尋獵物,也有助於深海蝦類的視覺功能,因為他們的複眼中有感測紫外線的視蛋白(UV-opsin),因此可藉由紫外線產生視覺;另外有些植物藉由對紫外線的反射引誘昆蟲過來受粉等等。

寫了這麼多,讓我們回到蚯蚓不爬回去的問題~真的是紫外線造成蚯蚓在爬出地面後無法爬回土壤中的原因嗎?所以還是要做一下實驗,證實到底是什麼原因,我們利用了UV-A和UV-B兩種不同波長的紫外線燈箱來進行實驗,第一部份的假設是紫外線會影響蚯蚓的爬行行為,所以我們設計了一個密度高度土壤性質相同的土盆,讓蚯蚓在照射紫外線前先爬行一次,測量牠完全爬回土中所需的時間,然後再將蚯蚓照射不同強度的紫外線,之後再讓蚯蚓爬行一次同樣的的土盆,計算前後兩次爬行所需的時間比,如果比值越高,就代表紫外線照射後讓牠們花費的時間越多,亦即爬行能力降低,我們所用的紫外線輻射量為500-1500J/m2,500J/m2相當於紫外線指數中5級(即陰天或清晨照射一小時)的強度,1500J/m2則相當於照射3小時的強度,相對陸生生物來說,這樣的輻射量接近正常環境會出現的狀況。

我們使用了3種蚯蚓Amynthas gracilis, Methphire posthumaPontoscolex corethrurus來實驗,A. gracilis是下雨後會爬出地表的種類,另外兩種則不會爬出地表,實驗結果中發現,Amynthas gracilis照射紫外線時會產生跳動及不正常的S形運動,隨著輻射量增加,這樣的行為就越明顯,而且體表還會分泌黃色的黏液在角質層下,而照射紫外線後這3種蚯蚓的爬行時間都增加,表示爬行行為明顯受到抑制。

(左圖是正常的A. gracilis,右圖是照射後的A. gracilis)
(左圖是正常的A. gracilis,右圖是照射後的A. gracilis)
(左圖為照射UV-A,右圖為照射UV-B)
(左圖為照射UV-A,右圖為照射UV-B)

第二部分,我們接著將這些蚯蚓放回培養箱中測量照射UV後的死亡率,確認紫外線是否會造成蚯蚓死亡,結果顯示照射UV-A的3種蚯蚓在接下來的一星期中,都沒有個體的死亡,表示UV-A雖然會造成爬行行為的減緩但並未有明顯的致死性,但照射UV-B的蚯蚓就不同了,P. corethrurus並沒有個體死亡,但A. gracilis則是低輻射量下有部分個體死亡,高輻射量下100%個體在48小時內死亡,而M. posthuma則是高輻射量的個體也會在72-120小時內死亡,顯示了UV-B有很明顯的殺傷力。

image_thumb[7]

第三部分由於蚯蚓是藉由濕潤的體表交換氣體和肌肉的收縮讓血液流動,因此,我們假設紫外線造成爬行能力的降低和一些體表的傷害會造成蚯蚓耗氧的降低,所以我們測量了蚯蚓的耗氧量發現,A. gracilis確實在照射UV-A 或UV-B後耗氧降低,而M. posthuma則是在照射UV-A後耗氧降低,顯示紫外線的照射會影響牠們的耗氧。

image_thumb[10]

所以總結來說,蚯蚓雖然生活在土壤中,不會輕易爬出地表,但在大雨過後的清晨常可看見許多蚯蚓在地上漫遊,並且有許多個體死亡,許多的學者提出了各種假設來解釋這個現象,但是他們通常會將”為什麼蚯蚓會爬出地表”和”為什麼之後蚯蚓會死亡”一起探討,但從野外觀察及實驗則認為這兩件事是不同的事件。牠們會從地表爬出可能是前文中提到由於土壤被雨水淹滿,造成土壤中的氣體流通變差,一旦土壤中的空氣及水中的溶氧用完,蚯蚓就必須到地表上來獲得更多的氧氣或是利用大量的水來進行含氮廢物的排泄或因為環境中的含氮廢物過高,所以出來躲避此種環境,然而,這些原因並不會造成蚯蚓的死亡,M. posthuma會在照射UV-B後出現尾巴捲起的現象,而A. gracilis則會出現非常劇烈的行為反應,牠們會出現S形爬行及跳動的行為,這些行為的出現表示蚯蚓的環肌及縱肌無法順利的協調。

正常蚯蚓的運動是依靠環肌與縱肌的收縮及舒張,環肌收縮時,縱肌舒張,反之亦然,因此體節會分段的伸長或縮短,使身體朝一個固定的方向前進,可稱為蠕動,然而在一些情況下,肌肉的收縮不會伴隨個體的移動,稱為fictive locomotion,這可以解釋蚯蚓的肌肉受到刺激無法作正常的收縮,因而出現S形爬行的行為。再者,A. gracilis在照射後一段時間,蚯蚓會癱軟而無法運動,如同肌肉強直後無力再做任何運動,這情形類似Merker and Brauning (1927)所假設的紫外線會麻痺蚯蚓一樣。

紫外線會造成的有害影響在許多生物中都被探討過,在這裡我們確定了紫外線確實會對蚯蚓產生危害:不管是UV-A或是UV-B的照射,蚯蚓都會出現不正常的行為反應或是體表組織的傷害,甚至死亡的情形,但是不同的紫外線輻射對不同種蚯蚓產生的效應並不相同。實驗結果可以得知相同輻射量的UV-B的傷害遠大於UV-A,不過由於相同輻射量的UV-A所含之能量較UV-B低10倍,因此相同輻射量下UV-A對生物的傷害也較低 ,但是正常環境中UV-A輻射量卻是UV-B的10倍,因此,若在自然環境中,UV-A可能對蚯蚓仍具有強烈的影響,我們曾以8,000 J/m2的UV-A照射A. gracilis發現如同照射UV-B 1,500 J/m2的黃色體液出現。

紫外線是太陽輻射之一,具有很高的能量,我們為了釐清蚯蚓會死亡的原因是紫外線本身照射所產生的傷害,還是紫外線造成溫度的升高,使蚯蚓受熱死亡,所以會控制環境溫度並事先用冰浴或事後冰敷的方式降低熱所可能產生的影響,發現蚯蚓的死亡率並不會因為冰浴或冰敷而有所改變,甚至冰敷過久反而造成蚯蚓更快死亡,顯示紫外線對蚯蚓產生的傷害,不是單純的溫度升高造成,而是可能紫外線的能量引起細胞內的反應而形成,雖然傷害的狀況很像灼傷,但其成因可能更複雜。

不同的蚯蚓對於紫外線的耐受力不同,從蚯蚓的爬行行為、體表的傷害到死亡率可以看出實驗中的三種蚯蚓,以A. gracilis對紫外線最為敏感,M. posthuma次之,P. corethrurus對紫外線的耐受性最佳。以UV-A或UV-B照射蚯蚓後發現,UV-A不會造成任何種類蚯蚓的死亡,但A. gracilisM. posthuma在照射UV-B後則會有個體死亡,顯示UV-B對蚯蚓致死的能力大於UV-A。

不同種類對UV-B的致死輻射量不同,可能包含了許多的生理意義,A. gracilis是三種實驗蚯蚓中體色最深的種類,色素是動物中常見用來保護體表組織的分子,但也有報告顯示,色素細胞中的chromophore在吸收過多紫外線下,會造成氧化壓力(oxidative stress)產生許多自由基(free radical),反而造成細胞的傷害,我們在另外的研究中也證實A. gracils 在照射UV-B後,體表會產生大量的脂質過氧化(lipid peroxidation)及氧化壓力的增加,而抗氧化酵素(anti-oxidant)則是會被紫外線破壞,所以紫外線造成的氧化壓力也是A. gracilis死亡的原因之一,有趣的問題是P. corethrurus幾乎沒有任何色素在其體表,但卻對紫外線有最大的耐受性,因此可能有一些未知的機制可以保護P. corethrurus

Cartoon A Day
source:Cartoon A Day

參考資料

  1. Chuang SC and Chen JH. 2013. Photooxidation and antioxidant responses in the earthworm Amynthas gracilis exposed to environmental levels of ultraviolet B radiation. Comp. Biochem. Physiol. A. Mol. Integr. Physiol. 164: 429-437.
  2. Chuang SC, Lai WS and Chen JH. 2006. Influence of ultraviolet radiation on selected physiological responses of earthworms. J. Exp. Biol. 209:4304-4312

本文轉載自作者部落格

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・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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將陽光轉變成電能的太陽能電池:太陽能電池不是電池——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/23 ・2778字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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備受關注的再生能源

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。圖/pexels

太陽能電池是太陽能發電的關鍵裝置,這是用半導體將陽光的能量直接轉變成電能的裝置。雖然有「電池」這個名稱,但不像乾電池那樣可以儲存電能。所以「太陽能電池」這個稱呼其實並不洽當,應該稱其為「太陽光發電元件」才對。

太陽能電池會利用到第 1 章 1-2 節提到的半導體光電效應(將光轉變成電能的現象)。不過,僅僅只透過照光,並不能從半導體中抽取出電能。要將光能轉變成電能,必須使用 pn 接面二極體(參考第 1 章 1-8 節)才行。

pn 接面二極體。圖/東販

圖 5-1(a) 為 pn 接面二極體,p 型半導體有許多電洞做為載子,n 型半導體內則有許多電子做為載子。這個 p 型與 n 型半導體接合後,接合面附近的電洞會往 n 型移動擴散,電子則會往 p 型移動擴散,如圖 5-1(b) 所示。

移動擴散之後,接面附近的電子與電洞會彼此結合,使載子消滅,這個過程稱為複合。結果會得到圖 5-1(c) 般,沒有任何載子存在的區域,這個區域就稱為空乏層。

接面附近的空乏層中,n 型半導體的帶負電電子不足,故會帶正電;另一方面,p 型半導體的帶正電電洞不足,故會帶負電(圖 5-1(d))。

因此,n 型與 p 型半導體之間的空乏層會產生名為內建電位的電位差,在接面部分形成電場。這個電場可以阻擋從 n 型半導體流出的電子,與電子從 n 型流向 p 型的力達到平衡,故可保持穩定狀態。

這種狀態為熱平衡狀態,放著不管也不會發生任何事。也就是說,接面上有內建電位差之壁,不管是電子還是電洞,都無法穿過這道牆壁。

用光發電的機制。圖/東販

在這種狀態下,如果陽光照入空乏層,半導體就會在光能下產生新的電子與電洞,如圖 5-2 所示。此時,新的電子會因為內建電場所產生的力而往 n 型半導體移動,新的電洞則往 p 型半導體移動(圖 5-2(a))。於是,電子便會在外部電路產生推動電流的力,稱為電動勢。

在光照射半導體的同時,電動勢會一直持續發生,愈來愈多電子被擠入外部電路,於外部電路供應電力。被擠出至外部電路的電子會再回到 p 型半導體,與電洞結合(圖 5-2(b))。我們可以觀察到這個過程所產生的電流。

太陽能電池的結構。圖/東販

目前太陽能電池的大部分都是由 Si 半導體製成。以 Si 結晶製成的太陽能電池結構如圖 5-3 所示。

為方便理解,前面的示意圖中,都是以細長型的 pn 接面半導體為例。但實際上,太陽能電池所產生的電流大小,與 pn 接面二極體的接面面積成正比。所以 pn 接面的面積做得愈廣愈好,就像圖 5-3 那樣呈薄型平板狀。

前面的說明提到,陽光可產生新的載子,這裡讓我們再進一步說明其原理。

pn 接面二極體的電子狀態。圖/東販

圖 5-4 為 Si 原子之電子組態的示意圖(亦可參考第 38 頁圖 1-11)。Si 原子最外層的軌道與相鄰 Si 原子以共價鍵結合,故 Si 結晶的軌道填滿了電子,沒有空位(圖 5-4(a))。

若摻雜雜質磷(P)或砷(As)等 15 族(Ⅴ族)元素,形成 n 型半導體,便會多出 1 個電子。這個電子會填入最外層電子殼層的最外側軌道(圖 5-4(b)),與共價鍵無關,故能以自由電子的狀態在結晶內自由移動。

由於電子軌道離原子核愈遠,電子的能量愈高,所以位於最外側軌道的電子擁有最高的能量(參考第 57 頁,第 1 章的專欄)。最外側軌道與最外層電子殼層的能量差,稱為能隙。

另一方面,如果是摻雜鎵(Ga)或銦(In)等 13 族(Ⅲ族)元素的 p 型半導體,會少 1 個電子,形成電洞。這個電洞位於最外層電子殼層,能量比自由電子還要低(圖 5-4(c))。

空乏層不存在自由電子或電洞等載子,此處原子的電子組態皆如圖 5-4(a) 所示。

陽光照進這個狀態下的空乏層區域時,原子的電子會獲得光能飛出,轉移到能量較高的外側軌道(圖 5-4(d))。此時的重點在於,電子從光那裡獲得的能量必須大於能隙。如果光能比能隙小的話,電子就無法移動到外側軌道。

光的能量由波長決定,波長愈短,光的能量愈高(參考第 217 頁,第 5 章專欄)。光能 E(單位為電子伏特eV)與波長 λ(單位為 nm)有以下關係。

E[eV]=1240/λ[nm]

抵達地表的陽光光譜。圖/東販

另一方面,抵達地表的陽光由許多種波長的光組成,各個波長的光強度如圖 5-5 所示。

由圖可以看出,可見光範圍內的陽光強度很強。陽光中約有52%的能量由可見光貢獻,紅外線約佔 42%,剩下的 5~6% 則是紫外線。

若能吸收所有波長的光,將它們全部轉換成電能的話,轉換效率可達到最高。不過半導體可吸收的光波長是固定的,無法吸收所有波長的光。

Si結晶的能隙為 1.12eV,對應光波長約為 1100nm,位於紅外線區域。也就是說,用 Si 結晶製造的太陽能電池,只能吸收波長小於 1100nm 的光,並將其轉換成電能。

不過,就像我們在圖 5-5 中看到的,就算只吸收波長比 1100nm 還短的光,也能吸收到幾乎所有的陽光能量。

光是看以上說明,可能會讓人覺得,如果半導體的能隙較小,應該有利於吸收波長較長的光才對。不過,並不只有能隙會影響到發電效率,圖 5-6 提到的光的吸收係數也會大幅影響發電效率。光的吸收係數代表半導體能吸收多少光,可以產生多少載子。

有幾種材料的光吸收係數特別高,譬如 Ⅲ—Ⅴ 族的砷化鎵(GaAs)。GaAs 的能隙為 1.42eV,轉換成光波長後為 870nm,可吸收的光波長範圍比 Si 還要狹窄。但因為吸收係數較高,所以用砷化鎵製作的太陽能電池的效率也比較高。

總之,GaAs 是效率相當高的太陽能電池材料。然而成本較高是它的缺點,只能用於人造衛星等特殊用途上。即使如此,研究人員們仍在努力開發出成本更低、效率更好,以化合物半導體製成的太陽能電池。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。

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18世紀的金星變形秀:行星凌日與黑滴效應
全國大學天文社聯盟
・2022/06/28 ・3216字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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1761 年 6 月 6 日,歐洲的天文學家們乘船抵達世界各地的天文台,爭相用最先進的儀器紀錄一個罕見的天文現象──金星凌日, 因為此天文現象可以幫助人們精確測算地球與太陽的距離。在英法七年戰爭的氛圍下,兩國的天文學家尤其較勁,都想要第一個量出日地距離,為天文學史畫下濃墨重彩的一筆。然而當大家拭目以待地望向剛與太陽重疊的金星時,卻都露出了驚訝的表情──金星變形了!

說到金星凌日,大家最有印象的或許是 2012 年的一次金星凌日,從天文學家到各個職業的人們都拿著減光濾鏡共襄盛舉,畢竟下一次的金星凌日要到 2117 年才會再發生。然而在過去,金星凌日並不只是歡樂的娛樂事件,也是非常嚴肅的科學事件。

在十八世紀時,多數天文學家都接受哥白尼的日心說,而克卜勒提出的行星運動三大定律,則可以推導出各行星軌道半徑與地球軌道半徑之間的相對長度,然而最大的問題是當時的人們並不知道地球軌道半徑(地球到太陽的平均距離)的絕對長度。為了解決這個問題,英國天文學家愛德蒙.哈雷於 1716 年提出了使用金星凌日來測量日地距離的方法。如圖一所示,金星凌日的軌跡長短與在地球上的何處觀測有關,在軌跡較長處金星凌日的時間較長,反之則較短,這是因為在地球上不同處觀測金星的視角不同造成的。

假設我們在地球上的 A 與 B 兩處量測金星凌日的時間,我們可以量出兩地觀測金星時的視角差,在知道 A 與 B 間距的前提下,我們可以用視差法量出地球到金星在金星凌日發生時的距離(見圖二)。最後根據克卜勒第三行星運動定律─行星公轉太陽週期平方與行星到太陽的平均距離立方成反比─可以得出金星到太陽的距離約為地球到太陽距離的 0.7 倍,我們也可以得知地球與金星在金星凌日時的距離是地球到太陽距離的0.3倍,由此可以推導出太陽與地球的距離。



圖一(左):金星凌日軌跡。圖二(右):視差法算金星與地球距離。

此方法在當時極大鼓舞了天文學家的士氣,大家都摩拳擦掌的為 1761 年的金星凌日作出準備,共一百多名天文學家乘船至世界各地以測量不同地方金星凌日的時長,其中較為著名的有英國派出的庫克船長於大溪地觀測金星凌日,以及荷蘭則派出的 Johan Maurits Moh 到歷史課本中提過的荷蘭東印度公司巴達維雅總部進行觀測(圖三)。

然而正當金星與太陽重疊時,大家卻不知道何時該按下碼表記錄金星凌日開始的時間,因為金星變形了。圖四是最早關於金星變形的紀錄,在金星靠近太陽的邊緣時金星的旁邊會出現黑色的陰影與太陽邊緣相連接,而這樣的陰影狀似水滴,因此這個現象也被稱作「黑滴現象」

圖三(左):巴達維雅總部,Johan Maurits Mohr 的私人天文台。
圖四(右):於1761年被Torbern Bergman 記錄之黑滴現象。

當時的天文學家們為黑滴現象提出了各種不同的解釋,有些天文學家認為黑色的陰影是金星大氣對太陽光的散射與折射造成的錯覺,也有人認為這是地球大氣擾動造成的現象,還有人認為是太陽光通過金星時繞射所造成的陰影。

前面兩種解釋在 1999 年 NASA 的 TRACE 太空望遠鏡對水星凌日的觀測後被否定,因為太空中沒有地球大氣干擾,水星上則沒有大氣可以散射或折射太陽的光線,而觀測的照片中卻仍出現黑滴效應(圖五)。光的繞射所能造成的影響則不足以產生黑滴現象(繞射影響在約 10^{-9} 角秒,可忽略[1])。

圖五:1999年水星凌日,攝於 NASA’s Transition Region and Explorer (TRACE) 太空船(Schneider, Pasachoff, and Golub/LMSAL and SAO/NASA)

關於黑滴現象的成因一直到 2004 年才得到令人信服的解釋,天文學家 Glenn Schneider 認為黑滴現象是由望遠鏡的點擴散函數(Point Spread Function, PSF)以及太陽的周邊減光造成的 [2]

為了簡單瞭解他所提出的概念,大家可以將大拇指與食指放在一光源之前漸漸靠近(直視強光源會傷害眼睛,請注意光源強度不可以太強),在兩指快要靠在一起時,可以看見兩指中間突然浮現出一段陰暗的橋將兩指相連(如圖六)。

這是因為非點光源會在兩指的邊緣製造出模糊的陰影,而人眼對模糊的陰影並不敏感,因此直到兩指特別靠近時,兩指的陰影重疊導致陰影變明顯才看得出來。圖七與圖八中的兩塊陰影可以幫助大家更好地破除這個錯覺,圖七單純顯示兩塊模糊的陰影,而圖八將陰影的等暗度線畫出來。比較兩圖我們可以發現雖然圖七中兩塊陰影像是連接在一起,然而實際上圖八卻顯示兩陰影並沒有連接在一起 [3]

圖六(左):大拇指與食指之間的暗橋。圖七(中):兩個模糊陰影 [3]。圖八(右):同中間圖,但是增加了等暗度線 [3]

金星凌日所產生的黑滴效應也是透過類似的方式產生的,不過金星模糊陰影與太陽邊緣模糊的成因不同。金星陰影在望遠鏡的觀測中,會因為望遠鏡的點擴散函數而在成像時顯得模糊。望遠鏡的點擴散函數,指的是一望遠鏡在觀測點光源時成像的樣子,不同望遠鏡的點擴散函數有所不同,但通常口徑小做工差的望遠鏡會有較大之點擴散函數,點光源被模糊化的程度也越高,看的也就越不清晰。

回到金星的陰影,當古代人們用做工差且口徑較小的望遠鏡觀測金星時,其陰影非常模糊、黑滴現象較現在的望遠鏡明顯的多,這也是為什麼各地回報黑滴現象的次數隨著望遠鏡的進步逐漸地減少 [4]

太陽邊緣的模糊則主要是因為太陽是一團沒有銳利邊緣的發光電漿。如圖九所示,假設每單位體積電漿能發出的光相同,我們可以看到往太陽邊緣的線上通過的電漿比往太陽中心的線上通過的電漿要少,這也代表著往太陽中心看去的光線較亮,而越往太陽邊緣看去亮度會逐漸減少。圖十是一個比較誇張的示意圖,圖中一模糊的黑影為金星,一模糊的白色邊緣則代表太陽邊緣,即便兩者的邊緣沒有接觸,我們仍能看到金星的邊緣伸出了黑影,與太陽邊緣相連接,這便是黑滴現象的由來。

圖九(左):太陽周邊減光成因示意圖。圖十(右):黑滴現象示意圖。

回到日地距離的問題上,難道在這兩百多年的時間中沒有其他方式能量測金星與地球的距離嗎?實際上在雷達與遙測技術的加持下,人們早在 1964 年就能夠以高精度量測地球到金星間的距離了,因此如今的日地距離測量早已與金星凌日無關。

不過黑滴現象這一歷史悠久的問題,仍在一代一代天文學家的不懈努力下被解決了;時至今日,我們仍面臨著宇宙的諸多未知,而我由衷的期待這些現在看似無解的問題,能在未來的某一天被解決,無論花上幾十年、幾百年的時間。

參考資料:

  1. The Transit of Venus and the Notorious Black Drop, Schaefer, B. E. (2000) https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2000AAS…197.0103S/abstract
  2. TRACE observations of the 15 November 1999 transit of Mercury and the Black Drop effect: considerations for the 2004 transit of Venus, Glenn Schneider (2004) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103503003841?via%3Dihub
  3. Stackexchange, Why do shadows from the sun join each other when near enough? (2014) https://physics.stackexchange.com/questions/94235/why-do-shadows-from-the-sun-join-each-other-when-near-enough
  4. The black-drop effect explained, Jay M. Pasachof (2005) https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2005tvnv.conf..242P/abstract
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