曙光號研究團隊展示灶神星初步科學成果

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

架空世界：任腦中遨遊的世界，嗎？

法蘭克‧赫伯特的《沙丘》是 2021 年上映的硬派科幻電影^[註1]。《沙丘》之名，在科幻迷眼中，被視為科幻類型文本的開山始祖之一，更是難以電影化的科幻小說作品；在電影《沙丘》中，行星厄拉科斯（Arrakis）是作品中的主要場景，一片荒蕪的沙漠行星，除了有著珍貴的香料礦，還有可怕的沙蟲。

這樣的架空世界，屢屢存在於各個作品中，《魔戒》中有中土大陸（Middle Earth），《冰與火之歌》中有維斯特落大陸與厄斯索斯大陸，《星際大戰》更有具雙日的環聯星運轉行星克卜勒16b^[1]塔圖因星球。身為讀者，以及一位地球科學模擬科學家，有時不禁會想：這些架空是否真的有可能存在？這些作家設計的世界，真的能存在嗎？

今日，布里斯托大學氣象研究所的 Dr. Alexander Farnsworth 與他的同事 Dr. Sebastian Steinig，以及薛菲爾德大學的 Dr. Michael Farnsworth 就實際驗證了一次，究竟一個架空星球的氣候環境，是否為真？是否真的適合人類居住？

《沙丘》的氣候模型：低碳高臭氧的沙漠環境

在他們發表的文章^[2]中，他們使用了氣候模型來模擬厄拉科斯的氣候。Dr. Farnsworth 亦提到^[3]，他們使用的是同樣用在 IPCC（The Intergovernmental Panel on Climate Change，跨政府氣候變化專門委員會）報告中，用以預測未來氣候變遷狀況的 HadAM3B-M2.1D 模型^[4]，其不需要海洋模式，所以海洋模式也就不用運行了（當然也可以省下計算資源）。

這個模型使用與地球相同的物理行為與物理參數。他們也使用了《沙丘百科》所提供的資料，來告之氣候模型應使用的地型狀態以及星球軌道，而星球軌道將大大影響到一個星球上的季節情況。最後，則是厄拉科斯星球的大氣組成：350 ppm 的二氧化碳、0.5% 的臭氧層。這兩個數字會影響到地球的溫室效應，只不過雖然厄拉科斯的二氧化碳濃度低，但是同樣是溫室氣體的臭氧值高，因此具一定的溫室效應。

等這些數據確定後，氣候模型就可以開始運作並且計算。這個氣候模型一共跑了三週多，作者另外提到，他們總共模擬了五百年，而且還使用了地球的部份大氣情況來跑厄拉科斯的數據（當然同樣是為了省下電腦運算資源的策略）。幸運的是，在初始的幾年中，大氣就乾了，而五百年後，大部份的水都保存在地底^[3]。這也不難想象，尚未蒸發到大氣中的水會因重力滲流到地表下保存，而在沒有植物行光合作用的情況下，大氣中的水蒸氣也將成為厄拉科斯上居民爭奪的「黃金」。

為什麼要算五百年的氣候狀態？因為氣候／氣象模型餵進去的只是 Initial Condition，也就是「初始條件」，而初始條件只是氣候模型的開端而已，不能當做結果。所以算到最後，這個氣候模型必須達到「平衡態」——也就是說，模型算出來的四季，與下一年算出來的四季，必須要有極小的差值。等這個差值小到可以忽略時，這種數值模型才算是成功的。

住在「赤道比高緯度區域還舒適」的沙漠星球

在書中描述了厄拉科斯是極為嚴苛的生存環境，像是人會利用「蒸餾服」來回收排出的汗、尿，再自己喝，連血都會快速凝固來防止蒸發。書中描述的厄拉科斯是個非常乾熱的地方，所以大多數的人會住在兩極地區。

但是根據氣候模型，熱帶／赤道地區，在夏天會達到 45°C，冬天則不低於 15°C，但是在中緯度與兩極地區，最高溫會達到 70°C，在中緯度最低溫會達到 -40°C，兩極則會到 -75°C。其主要的原因就是兩極地區的大氣濕度高、雲層厚，造成其極端的氣候狀況。

另外與書中描寫不同的，是降雨狀態。書中的厄拉科斯沒有降雨，但是依據氣候模型的計算，在高緯度的夏天，還有山區與高原地區，還是有非常少量的降雨。也因為前述提到的極端溫差，所以兩極地區也不存在冰帽。

最後的問題，人類可以住在厄拉科斯嗎？根據氣候模型，人類最有可能居住在熱帶地區，而不是書中提到的中緯度：畢竟中高緯度才是最熱的地方，也是最不適合人類居住的氣溫。如果有誰想要用岩石煎牛排，是可以考慮到中緯度一遊吧？

雖然書中的描述與實際氣候模擬的狀況有一點落差，但是作者們也提到，《沙丘》原著出版時間早（1965 年），比真鍋淑郎發表第一支地表模式早了整整四年，在這樣的落差下，《沙丘》原著中對厄拉科斯的氣候描述，雖與氣候模型模擬的結果有部分落差，但並無大錯。

Dr. Alexander Farnsworth 給中文讀者的話

筆者與撰寫《沙丘》氣候模擬的文章作者進行了一些交流，除了學術交流外，也榮幸邀請了作者給中文讀者一些感言：

「從數十年前開始，我便一直是法蘭克·赫伯特的作品《沙丘》的超級粉絲，而他也打開了從我童年時開始，對奇幻世界的眼界。這也讓我有機會用一個科學家的角度，來重新檢視童年時有對此世界的奇想。我希望就此成果，也能夠一樣能吸引更多的人來了解我們的氣候是如何運作，知道為什麼要保護我們的星球，更希望能夠激發更多下一代的氣候學家。」^[3]

I have been a massive fan of Frank Herbert’s Dune since childhood due to the fantastical world he first envisioned many decades ago, to be able to look at it as a scientist was a fantastic experience and brought back that childhood wonder. So, I hope this work equally inspires others to learn about how our climate works, how we should not take our planet for granted and maybe even inspires the next generation of climate scientists.

大氣科學是一門很有趣的學問，人類仰望星空，是透過地球的大氣層才有了閃爍的星光，也是有大氣層才保護人類免受宇宙射線侵害。人類在埃及、商朝、伽立略等年代，都建立了對星體運動的了解，但大氣動力學要一直等到納維爾－斯托克斯方程出現後，才有飛躍般的進展，更惶論在能用數值模型解釋氣候、氣象模型，以及人類擁有更精確、更大量的氣象資料後，才能大量驗證大氣運動，進而改良大氣模型，才能達到預測氣象與氣候推測（Climate Projection）的能力。但這非常需要大量的人力，以及大量的知識才能達到。

真鍋淑郎博士在近六十年前，以少數人力建構了第一代的地表模式，而現在最新的《通用地表模式第五版（Community Land Model Ver. 5）》，是橫跨多國的合作開發的模式^[5]，而這還只是地表模式，大氣模型中還有形成雲或雨的 Microphysics、輻射能量傳導模式的 Radiative Transfering Scheme、解大氣間傳輸的 Planetary Boudary Layer Physics、屬海洋領域的洋流模式，屬水文領域的三維地下水模型，以及用來進行數值解的計算流體動力學，更惶論日新月異的電腦資訊工程的發展，這些的確都需要未來學子們加入並一同改進，也是未來泛地球科學學門需要的生力軍。

註解

1. 2021 年上映的科幻電影《沙丘》舊譯為《沙丘魔堡》。除了 1984 年大衛·林區所拍攝的初代電影使用舊譯名稱外，還有九零年代的同名即時戰略遊戲；遊戲版的《沙丘魔堡II》，也是《終極動員令（Command & Conquer) 》創作公司Westwood的代表作之一。

參考資料

1. Doyle, L. R., Carter, J. A., Fabrycky, D. C., Slawson, R. W., Howell, S. B., Winn, J. N., … & Fischer, D. (2011). Kepler-16: a transiting circumbinary planet. Science, 333(6049), 1602-1606.
2. Farnswoth, A, Farnswoth, M, Steinig, S, 2021, Dune: we simulated the desert planet of Arrakis to see if humans could survive there. https://theconversation.com/dune-we-simulated-the-desert-planet-of-arrakis-to-see-if-humans-could-survive-there-170181?fbclid=IwAR2EhRwjxNsGtFdkZGic8SZRS7cOgQbjfFXt27PmGYyZoVLH3BpANma569g
3. Farnworth, A, 2021, Personal Communication.
4. Valdes, P. J., Armstrong, E., Badger, M. P. S., Bradshaw, C. D., Bragg, F., Crucifix, M., Davies-Barnard, T., Day, J. J., Farnsworth, A., Gordon, C., Hopcroft, P. O., Kennedy, A. T., Lord, N. S., Lunt, D. J., Marzocchi, A., Parry, L. M., Pope, V., Roberts, W. H. G., Stone, E. J., Tourte, G. J. L., and Williams, J. H. T.: The BRIDGE HadCM3 family of climate models: HadCM3@Bristol v1.0, Geosci. Model Dev., 10, 3715–3743, https://doi.org/10.5194/gmd-10-3715-2017, 2017.
5. Lawrence, D. M., Fisher, R. A., Koven, C. D., Oleson, K. W., Swenson, S. C., Bonan, G., … & Zeng, X. (2019). The Community Land Model version 5: Description of new features, benchmarking, and impact of forcing uncertainty. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 11(12), 4245-4287.
   https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018MS001583

• 文／張之傑

五月十二日（日），上完社交舞課程，走出星光廳，從舷窗看到遠處的陸地，和平號正通過亞丁灣，進入紅海入口處。此處最窄，兩岸可以相望。我們的船向北，右側應為阿拉伯半島的葉門；左側隱約所見陸地，應為非洲的吉布地。從舷窗攝影不清楚，我獨自登上八樓和九樓甲板，拍了幾張照片，這是難得的鏡頭。

今天和平號航海圖右側，以日文、英文、中文貼出一則通告，中文通告抄錄如下：

五月十三日（明天），本船緯度和太陽赤緯幾乎相同（約為一度的差別）。太陽正好來到頭頂正上方，所以會幾乎看不到自己的影子（只有一度的差，所以影子很小）。因為搭船航海難得體驗到這樣有趣的現象，所以請各位千萬不要錯過。時間約為十一點左右至十三點之間。

自古以來，天文學家就假想「天」是個球體──天球，做為觀察星星運行的依據。假想中的天球，是以地球為中心、向外擴充的無限大球面。地球的赤道，向外擴充，就成為天球赤道，亦即赤緯。赤緯的單位是度，更小的單位是分和秒。天球北半球的赤緯度數為正數，天球南半球的赤緯度數為負數。

通告中的太陽赤緯，即赤緯角，是地球赤道平面與太陽和地球中心連線之間的夾角。因為地軸方向不變，所以赤緯角隨著地球在運行軌道上的不同點，具有不同的數值。赤緯角以年為週期，在 +23 °26′ 與 -23 °26′ 的範圍內移動，成為季節的標誌。

每年六月二十一或二十二日（夏至），赤緯角達到最大值 +23 °26′，正午太陽位於地球北回歸線正上空，是北半球日照時間最長、南半球日照時間最短的一天。在南極圈內，整天見不到太陽，而在北極圈內則整天太陽不落。

隨後赤緯角逐漸減少，至九月二十一或二十二日（秋分）等於零度時，晝夜時間相等。至十二月二十一或二十二日（冬至），赤緯角減至最小值 -23 °26′ ，此時陽光斜射北半球，晝短夜長，南半球則相反。當赤緯角又回到零度時，即三月二十一或二十二日（春分），晝夜時間相等。如此周而復始，形成四季。

至於和平號的通告何以說：五月十三本船緯度和太陽赤緯幾乎相同，太陽正好來到頭頂正上方，所以會幾乎看不到自己的影子？夏至當天，只有在北回歸線有此現象，其他天則依太陽正午高度（即赤緯），若是十五度，則北緯十五度當地正午就會有此現象。

船從十三度向北航行，會穿過北緯十三至二三點五度的範圍，一定會遇到剛好太陽在正上方的緯度（五月初太陽已接近二三點五度），只是不一定剛好是正午。

在四樓主餐廳吃過午餐，獨自登上九樓甲板，看到許多人在拍照，我也請人拍了一張。甲板上有把椅子，影子不超出椅子的範圍。有人在地上放個水瓶，完全沒有影子。這真是難得一見的奇景！（本篇蒙友人歐陽亮惠予補充並繪圖，謹致謝忱。）

科學家利用美國航太總署（NASA）曙光號（Dawn）太空船觀測資料，展示關於灶神星（Vesta）南半球的初步科學研究成果。

成果之一，是利用不同波段觀察灶神星表面後，發現灶神星表面的組成成分差異頗大，尤其是在隕坑周圍更明顯。成果之二是深入分析一系列赤道附近的槽谷，並近距離觀察一個奇怪的隕坑，顯示灶神星地表的地形，比絕大部分小行星帶中的小行星還要粗糙，高低起伏差異很大。成果之三，利用隕坑數量的方式初步估算灶神星南半球的相對地質年齡僅約10～20億年，比北半球年輕許多。

科學家們還不瞭解這些地形特徵是如何形成的，但經分析比對南北半球的槽谷地形後，與曾受到巨大撞擊而造成破裂地形的形成理論相符。

曙光號自2011年7月進入環繞灶神星的軌道後，愈繞愈接近灶神星地表，所以地表的狀況可以看得愈來愈清楚。在8月初到8月底時，太空船的軌道高度約為2700公里，是所謂的「勘查軌道（survey orbit）」，可以描繪出絕大部分向陽面的地表地形。到9月28日之後，太空船進入所謂的「高海拔測繪軌道（High Altitude Mapping Orbit）」，距離地表約680公里，可以觀察比較詳細的地形概況。

資料來源：NASA’s Dawn Science Team Presents Early Science Results

轉載自台北天文館之網路天文館網站