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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

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。

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source:Philips
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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。

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(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。

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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

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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

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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量子力學可以幫你判斷物體溫度?從古典物理過渡到近代的一大推手——黑體輻射
PanSci_96
・2024/03/24 ・3634字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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1894 年,美國物理學家邁克生(Albert Abraham Michelson)作為芝加哥大學物理系的創立者,在為學校的瑞爾森物理實驗室(Ryerson Physical Laboratory)落成典禮致詞時,表示:「雖然無法斷言說,未來的物理學不會比過去那些驚奇更令人驚嘆,但似乎大部分的重要基本原則都已經被穩固地建立了。」

以我們現在的後見之明,這段話聽起來固然錯得離譜,但在當時,從 17、18 到 19 世紀,在伽利略、牛頓、馬克士威等前輩的的貢獻之下,物理學已經達成了非凡的成就。

我們現在稱為古典的物理學,對於整個世界的描述幾乎是面面俱到了,事實上沒有人預料到 20 世紀將出現徹底顛覆世界物理學認知的重要理論,量子力學。

而這最一開始竟只是出自於一件不起眼的研究,關於物體發出的光。

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萬物皆輻射

在此我們要先理解一個觀念:所有物體無時無刻不在發出電磁波輻射,包括了你、我、你正使用的螢幕,以及我們生活中的所有物品。

至於為什麼會這樣子呢?其中一個主要原因是,物體都是由原子、分子組成,所以內部充滿了帶電粒子,例如電子。這些帶電粒子隨著溫度,時時刻刻不停地擾動著,在過程中,就會以電磁波的形式放出能量。

除了上述原因之外,物體發出的電磁波輻射,還可能有其他來源,我們就暫時省略不提。無論如何,從小到大我們都學過的,熱的傳遞方式分成傳導、對流、輻射三種,其中的輻射,就是我們現在在談的,物體以電磁波形式發出的能量。

那麼,這些輻射能量有什麼樣的特徵呢?為了搞清楚這件事,我們必須先找個適當的範本來研究。

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理想上最好的選擇是,這個範本必須能夠吸收所有外在環境照射在上面的光線,只會發出因自身溫度而產生的電磁輻射。這樣子的話,我們去測量它發出的電磁波,就不會受到反射的電磁波干擾,而能確保電磁波是來自它自己本身。

這樣子的理想物體,稱為黑體;畢竟,黑色物體之所以是黑的,就是因為它能夠吸收外在環境光線,且不太會反射。而在我們日常生活中,最接近理想的黑體,就是一點也不黑、還超亮的太陽!這是因為我們很大程度可以肯定,太陽發出來的光,幾乎都是源於它自身,而非反射自外在環境的光線。

或者我們把一個空腔打洞後,從洞口發出的電磁波,也會近似於黑體輻射,因為所有入射洞口的光都會進入空腔,而不被反射。煉鐵用的鼓風爐,就類似這樣子的結構。

到目前為止,一切聽起來都只是物理學上一個平凡的研究題目。奇怪的是,在對電磁學已經擁有完整瞭解的 19 世紀後半到 20 世紀初,科學家儘管已經藉由實驗得到了觀測數據,但要用以往的物理理論正確推導出黑體的電磁波輻射,卻遇到困難。正是由此開始,古典物理學出現了破口。

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黑體輻射

由黑體發出的輻射,以現在理論所知,長得像這個樣子。縱軸代表黑體輻射出來的能量功率,橫軸代表黑體輻射出來的電磁波波長。

在理想狀況下,黑體輻射只跟黑體的溫度有關,而跟黑體的形狀和材質無關。

以溫度分別處在絕對溫標 3000K、4000K 和 5000K 的黑體輻射為例,我們可以看到,隨著黑體的溫度越高,輻射出來的能量功率也越大;同時,輻射功率最高的波段,也朝短波長、高頻率的方向靠近。

為了解釋這個曲線,物理學家們開始運用「當時」畢生所學來找出函數方程式,分成了兩派:

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一派是 1896 年,由德國物理學家維因(Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien),由熱力學出發推導出的黑體輻射公式,另一派,在 1900 與 1905 年,英國物理學家瑞立(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh)和金斯(James Jeans),則是藉由電磁學概念,也推導出了他們的黑體輻射公式,稱為瑞立-金斯定律。

你看,若是同時擺上這兩個推導公式,會發現他們都各自對了一半?

維因近似 Wien approximation 只在高頻率的波段才精確。而瑞立-金斯定律只對低頻率波段比較精確,更預測輻射的強度會隨著電磁波頻率的提升而趨近無限大,等等,無限大?――這顯然不合理,因為現實中的黑體並不會放出無限大的能量。

顯然這兩個解釋都不夠精確。

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就這樣,在 1894 年邁克生才說,物理學可能沒有更令人驚嘆的東西了,結果沒幾年,古典物理學築起的輝煌成就,被黑體輻射遮掩了部分光芒,而且沒人知道,這是怎麼一回事。

普朗克的黑體輻射公式

就在古典物理學面臨進退維谷局面的時候,那個男人出現了——德國物理學家普朗克(Max Planck)。

1878年學生時代的普朗克。圖/wikimedia

普朗克於 1900 年就推導出了他的黑體輻射公式,比上述瑞立和金斯最終在 1905 年提出的結果要更早,史稱普朗克定律(Planck’s law)。普朗克假想,在黑體中,存在許多帶電且不斷振盪、稱為「振子」的虛擬單元,並假設它們的能量只能是某個基本單位能量的整數倍。

這個基本單位能量寫成 E=hν,和電磁輻射的頻率 ν 成正比,比例常數 h 則稱為普朗克常數。換言之,黑體輻射出來的能量,以hν為基本單位、是一個個可數的「量」加起來的,也就是能量被「量子化」了。

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根據以上假設,再加上不同能量的「振子」像是遵循熱力學中的粒子分佈,普朗克成功推導出吻合黑體輻射實驗觀測的公式。

普朗克的方程式,同時包含了維因近似和瑞立-金斯定律的優點,不管在低頻率還是高頻率的波段,都非常精確。如果我們比較在地球大氣層頂端觀測到的太陽輻射光譜,可以發現觀測數據和普朗克的公式吻合得非常好。

其實有趣的是普朗克根本不認為這是物理現象,他認為,他假設的能量量子化,只是數學上用來推導的手段,而沒有察覺他在物理上的深遠涵意。但無論如何,普朗克成功解決了黑體輻射的難題,並得到符合觀測的方程式。直到現在,我們依然使用著普朗克的方程式來描述黑體輻射。不只如此,在現實生活中,有許多的應用,都由此而來。

正因為不同溫度的物體,會發出不同特徵的電磁波,反過來想,藉由測量物體發出的電磁波,我們就能得知該物體的溫度。在疫情期間,我們可以看到某些場合會放置螢幕,上面呈現類似這樣子的畫面。

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事實上,這些儀器測量的,是特定波長的紅外線。紅外線屬於不可見光,也是室溫物體所發出的電磁輻射中,功率最大的波段。只要分析我們身體發出的紅外線,就能在一定程度上判斷我們的體溫。當然,一來我們都不是完美的黑體,二來環境因素也可能產生干擾,所以還是會有些許誤差。

藉由黑體輻射的研究,我們還可以將黑體的溫度與發出的可見光顏色標準化。

在畫面中,有彩虹背景的部分,代表可見光的範圍,當黑體的溫度越高,發出的電磁輻射,在可見光部分越偏冷色系。當我們在購買燈泡的時候,會在包裝上看到色溫標示,就是由此而來。所以,如果你想要溫暖一點的光線,就要購買色溫較低,約兩、三千 K 左右的燈泡。

結語

事實上,在黑體輻射研究最蓬勃發展的 19 世紀後半,正值第二次工業革命,當時鋼鐵的鍛冶技術出現許多重大進步。

德國鐵血宰相俾斯麥曾經說,當代的重大問題要用鐵和血來解決。

就傳統而言,煉鋼要靠工匠用肉眼,從鋼鐵的顏色來判斷溫度,但若能更精確地判斷溫度,無疑會有很大幫助。

德國作為鋼鐵業發達國家,在黑體輻射的研究上,曾做出許多貢獻,這一方面固然可能是學術的求知慾使然,但另一方面,也可以說跟社會的需求與脈動是完全吻合的。
總而言之,普朗克藉由引進能量量子化的概念,成功用數學式描述了黑體輻射;這件事成為後來量子力學發展的起點。儘管普朗克本人沒有察覺能量量子化背後的深意,但有另一位勇者在數年後繼承了普朗克的想法,並做出意味深長的詮釋,那就是下一個故事的主角――愛因斯坦的事了。

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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