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想養顏美容?要不要來一點照太多會變成浩克的輻射呀?!

廖英凱
・2015/08/12 ・3738字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

這幾天,拜颱風、停電引發政治人物們各種評論開炮[1-3]與高知名度之賜(?),人們突然又開始關注到輻射的危害與功效。秉持著「颱風天就是要泛科學啊!不然要幹嘛?」的精神(咦),在這次政治人們的諸多評論之中,我們可以很去脈絡地來談談其中提到的一些與科學有關的資訊。例如「適度輻射能不能促進美容永保青春?」或是「輻射照多少癌多少?」

當然,筆者並不打算討論像是電磁波或可見光那種輻射,也不是要談醫美最近有點紅的「脈衝光」那種輻射。本文所指的輻射,是來自於核能、輻射屋、醫院放射科或北投鐳泉等等會產生或使用的「游離輻射」,也就是我們常常聽到說輻射會致癌的那種輻射。

source:Dina-Roberts Wakulczyk
source:Dina-Roberts Wakulczyk

游離輻射與健康傷害

過去流行病學的統計中發現致癌率與額外輻射劑量有正相關,在生物分子尺度的研究也發現,輻射會直接破壞DNA,或間接製造OH自由基而破壞DNA[4],進而影響身體的新陳代謝而導致細胞突變或死亡。

例如車諾比事件後,白俄羅斯各地區居民在核災後的甲狀腺致癌比率有顯著提升[5];日本原爆倖存者中,接受5~125 mSv、平均34 mSv輻射暴露者,會增加癌症發生率(EER for group ≃ 0.025)[6]。國際輻射防護委員會(International Commission on Radiological Protection ,ICRP)也根據200 mSv以上的流行病學統計結果,估算出每額外照射1 Sv輻射,會增加5%癌症致死率,亦即每100 mSV,約會增加千分之五的癌症致死率[7](請留意:這裡所指的額外輻射劑量,是不包含天然背景輻射的)

線性無閾模型

這樣「每增加照射100 mSv,會增加千分之五的癌症致死率」的關係,剛好是一個線性關係。因此,儘管在臨床研究上沒有辦法觀測到100 mSv以下的低劑量輻射影響趨勢,但我們仍「假設」在低劑量時的現象會與高劑量時相同。也就是,不管輻射劑量多少,只要有照射到,就一定會增加癌症致死率。

因此,便產生了這一個因簡單易用且相對保守而被廣泛使用的模型:線性無閾模型(Linear Non-Threshold, LNT),這也是自1960年代起,ICRP持續建議各國法規制定的採用依據。雖然說,在健康上採取較保守的心態,可以避免我們遭受到一些當代科學可能還無法證實的危害。然而,這一個模型並沒有辦法解釋在低劑量[8](200 mSv以下)所觀察到一種有趣現象:輻射激效(Radiation hormesis effect)。

線性無閾模型與輻射激效模型示意圖
線性無閾模型與輻射激效模型示意圖

長命回春的輻射激效!?

相較起輻射致癌的恐怖傷害,輻射激效的概念則是在1982年時Dr. T.D. Luckey提出,他認為生物體在接受高於背景值數倍的低劑量輻射時,有益於動物的生長發育、健康與繁殖,並能延緩老化,促進傷口癒合與提高免疫力等益處[9]

1991年,Dr. K. Yamaoka的研究發現,當小白鼠接受0.5 Gy的輻射劑量時(約為背景輻射的10-100倍)體內的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)的活性可提升50%至90%[10]。SOD(不是「SOD都是真的」的那個SOD….)能清除體內超氧化自由基、過氧化氫、氫氧自由基等超氧化物。而超氧化物在體內若過量,則會導致基因突變而引發癌症;使生理機能退化或是和細胞內大分子結合而加速老化;甚至是加速低密度脂蛋白(LDL)的氧化而造成心血管疾病[11]

除了活化SOD以減少超氧化物的傷害以外,低劑量的輻射在目前的動物實驗上也發現能促進細胞凋亡[12]、活化DNA修補機制[13]、抑制二型糖尿病[14]、抑制癌症[15]甚至是讓有嚴重自身免疫疾病的小白鼠能延長壽命[16]

雖說輻射激效看起來有機會發展成具有療效的新技術,但目前尚缺可行的人體低劑量輻射實驗方法,我們也僅能從一些案例中,發現輻射激效的現象。例如日本三朝地區擁有富含氡氣的鐳泉,針對該地區的健康研究發現,居民體內的癌症抑制基因p53的水平以及抗氧化SOD的活性,明顯高於日本其他地區[17]。另一份德國學者針對類風濕性關節炎患者的研究也認為,氡浴對於患者有可能會有長期性的良性療效[18]

source:wikimedia
source:wikimedia

輻屋受災戶,罹癌率較低!?

而在台灣,也有一個相當不符合直觀的知名案例,就是1982-1984年間完工的「輻射屋」事件。輻射屋是建材鋼筋製造時,混入了具有放射性的Co-60。直至1992年發現時,全台灣總計有1659戶輻射屋。在2011年時,原能會委託國衛院發表了一份針對曾遭受到年劑量5 mSv以上共1600戶居民的流行病學調查報告,由這份調查發現這些輻射屋居民健康狀況普遍較差,神經與皮膚相關病變、凝血、關節疼痛以及多項精神症狀均顯著高於一般民眾,但尚未能觀察到較常人高的癌症致死率[19]
(註:可能是該調查報告的原作者留言表示此份調查的最終正式報告尚未發布,請讀者留意)

2006年陽明大學陳為立教授等人的研究認為,輻射屋居民有較低的癌症比率,有可能就是輻射激效的正面效應[20]。然而,這樣的推估仍有許多變因難以排除,例如陽明大學黃嵩立教授等人的研究則認為,這樣減少的癌症比率,可能與當時輻射屋居民的社經地位,以及因得知輻射屋後更加重視健康保健等行為有關[21]

source:Alan English CPA
source:Alan English CPA

低劑量輻射的損益仍無定論

總括目前輻射對生理健康的影響,我們已能確定在高劑量(200 mSv/yr以上)時,輻射會增加致癌的機率。但低劑量輻射的療效部分,雖然動物實驗成效與部分統計結果還真有促進美容、延緩老化的功效,但目前仍缺乏更多有力證據與可行的研究計畫。低劑量輻射對人體的效益與機制可不如拿水仙花類比如此簡單,更不應以「輻射傷害無下限」來錯誤解讀,還有待科學家們繼續努力找出答案。

至於這篇文章所提到的內容有沒有可能剛好是政治人物們所想的呢….. 雖然說政治人物們要支持未有定論得科學研究是很好啦,但這怎麼可能哪,我們還是好好消費他們當成整理文獻的動機吧(但整理完在看的也不會是他們…..) =w=

Nothing in life to be feared it is only to be understood.

生活中沒有什麼可怕的東西,只有需要理解的東西。

——Marie Curie 居里夫人

參考資料:

  1. 洪秀柱Facebook, “【我的能源政策–確保台灣能源的充足及穩定!】” (2015)
  2. 段宜康Facebook, “就算支持核電,也不需要這樣賣蠢吧?”, 2015
  3. 李鴻典, “段宜康翻公報批洪秀柱賣蠢 洪辦:誤導視聽、斷章取義!” Now News (2015)
  4. 核輻射如何對人體造成傷害?, Pansci (2011)
  5. D. J. Brenner et al., Cancer risks attributable to low doses of ionizing radiation: assessing what we really know. Proceedings of the National Academy of Sciences 100, 13761-13766 (2003).
  6. G. R. Howe, Lung cancer mortality between 1950 and 1987 after exposure to fractionated moderate-dose-rate ionizing radiation in the Canadian fluoroscopy cohort study and a comparison with lung cancer mortality in the atomic bomb survivors study. Radiation research 142, 295-304 (1995).
  7. NEA, Evolution of ICRP Recommendations 1977, 1990 and 2007.  (OECD, 2011).
  8. 採用聯合國輻射影響科學委員會(The United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation ,UNSCEAR)的定義)UNSCEAR, “BIOLOGICAL MECHANISMS OF RADIATION ACTIONS AT LOW DOSES A white paper to guide the Scientific Committee’s future programme of work,”  (2012).
  9. Luckey, Physiological benefits from low levels of ionizing radiation. Health Physics 43, 771-789 (1982).
  10. Yamaoka K., Increased SOD activities and Decreased Lipid Peroxide level in rat organs induced by low dose X-irradiation, Free Radical Biology & Medicine 1991; 11, (3)
  11. 王淑卿, 自由基與活性氧化物, 科學Online 科技部高瞻自然科學教學資源平台 (2014)
  12. Kondo, Altruistic cell suicide in relation to radiation hormesis. International journal of radiation biology and related studies in physics, chemistry, and medicine 53, 95-102 (1988).
  13. E. Feinendegen, Evidence for beneficial low level radiation effects and radiation hormesis. The British Journal of Radiology 78, 3-7 (2005).
  14. Nomura et al., Suppressive Effects of Continuous Low-Dose-Rate γ Irradiation on Diabetic Nephropathy in Type II Diabetes Mellitus Model Mice. Radiation Research 176, 356-365 (2011).
  15. K. Sakai et al., in International Congress Series. (Elsevier, 2002), vol. 1236, pp. 487-490
  16. Sakai, T. Nomura, Y. Ina, Enhancement of Bio-Protective Functions by Low Dose/Dose-Rate Radiation. Dose-Response 4, 327-332 (2006).
  17. K. Yamaoka et al., The elevation of p53 protein level and SOD activity in the resident blood of the Misasa radon hot spring district. Journal of radiation research 46, 21-24 (2005).
  18. A. Franke, L. Reiner, H. G. Pratzel, T. Franke, K. L. Resch, Long-term efficacy of radon spa therapy in rheumatoid arthritis–a randomized, sham-controlled study and follow-up. Rheumatology (Oxford, England) 39, 894-902 (2000).
  19. 劉紹興, 「輻射屋居民流行病學調查及研究」委託研究計畫期末報告 行政院原子能委員會,  (2011).
  20. W. Chen et al., Effects of cobalt-60 exposure on health of Taiwan residents suggest new approach needed in radiation protection. Dose-Response 5, dose-response. 06-105. Chen (2007).
  21. L. Hwang et al., Cancer risks in a population with prolonged low dose-rate gamma-radiation exposure in radiocontaminated buildings, 1983-2002. International journal of radiation biology 82, 849-858 (2006).

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廖英凱
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非典型的不務正業者,對資訊與真相有詭異的渴望與執著,夢想能做出鋼鐵人或心靈史學。 https://www.ykliao.tw/


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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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