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科學知識和幽默,能讓人活過在火星被丟包的那些日子

阿樹_96
・2015/09/23 ・4199字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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本文由二十世紀福斯影片公司贊助,泛科學策劃執行。

不小心把人獨自留在火星上的機率是多少?

千分之一?百分之一?

錯!是三分之一!

這是統計學,因為才去三次就中了。這個衰人就是馬克瓦特尼(麥特戴蒙 飾),戰神三號的組員,在他被「丟包」之前,沒人想過會有人需要單獨留在火星上。沒有備用通訊、沒有足夠食物,是要逼死誰啊!(就是馬克啊……)

還好,馬克是位植物學家,隻身一人但懂得自我解嘲兼解憂,還可以大聲稱自己是「火星上最厲害的植物學家」(反正也沒有人聽得到),除了研究花花草草,更經營火星農場求生。要是換成他的其他隊員被丟包,就……演完了。

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無巧不成電影,馬克還具備了機械專長,靠著數十年來人類丟上火星的故障設備,馬克變身馬蓋先,修復了探測車的通訊工具,好跟地球上的人們用攝影機點頭搖頭玩碟仙。

儘管地球跟火星差異很大,但很多在國高中、大一學過的知識其實都能派上用場。就讓我們稍微複習一下吧!而當命運(或機率)降臨,你就能成為搖身一變為魯賓遜、濱口優(XD),甚至馬克華特尼!

在火星求生的必需品?

不小心被丟包在火星確實蠻衰的,畢竟火星沒有像地球一樣的環境,沒辦法下海抓魚,沒法採野菜求生,當然也沒有兄貴蟑螂可以抓,甚至連自由呼吸都有困難!更根本的問題是,火星上沒有我們賴以為生的水……這應該是史上最艱難的《黃金傳說》(日本綜藝節目)了!

戲還是得拍下去!所以在劇中還是準備了些基本生存條件給馬克。好家在,隊員留下的居住艙五臟俱全,裡面有水和淨水器,讓珍貴的水能重覆利用。負責製造氧氣的製氧機也正常運作,這些都是在火星求生的必須設備,倘若沒有這些,應該也不會有載人上火星的計畫啦。

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不過,這部符合科學的電影進度依舊超前,目前人類還沒能在火星測試居住艙,不過已經在地球上測試。現在的載人太空艙中的水分皆可回收(Beasley, 2004),太空艙中的淨水器會盡可能大量收集水,像除濕機一樣把人體蒸散的水氣再收集起來,並過濾汙水,成為乾淨的飲用水。例如在國際太空站上,93%的水都會被回收再利用,而且在2010年之後,太空站就有了過濾器跟蒸餾器,每年可以回收6000公升的水,包括太空人的尿。

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至於從二氧化碳中變出氧的技術就難多了,但也不是做不到。儘管無法單純地把二氧化碳變成碳和氧,但可以把它電解成一氧化碳(CO)和氧氣(O2,一氧化碳還是可以拿來作其它燃料用途,而氧收集起來除可以呼吸用,燒東西也很好用(Hecht, et al., 2014)。2020年的火星任務探測車將會搭載MOXIE製氧機上火星(Brown, 2014),屆時就可以試試製氧機的效果是否和電影裡的一樣。

成為火星自耕農以前你必須要懂的三件事

一、火星上的土壤成份和地球不會差太多,只要「加點料」就可以耕田了:

火星和地球一樣是類地行星,組成皆以矽酸鹽類為主(與SiO42-結合的各種化合物),也有鐵、鈣、鎂、鉀等成分(Clark et al., 1976)。從好奇號幫我們探勘的結果也發現,火星表面的土壤和夏威夷火成岩風化後的土壤接近(網路天文館,2012),故單從礦物成分來看,火星土適合種植。

但是火星沒水沒細菌,仍無法直接使用,所以我們需要在土壤中加點細菌、水,此外還要有「堆肥」,才能有必要的氮、磷等營養成分。最快的方法就是學習古人:用大便來做堆肥,雖然在地球上不算是好方法,容易有病原菌、寄生蟲等問題(所以現在的有機肥料都還會做些除菌的處理)……總之我們只要在火星土壤加一些地球土壤才有的細菌和人體排出的「營養」,讓細菌可以複製繁衍下去,就可以得到火星農場的土了!

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二、雖然火星有很多和地球相似處,但農場只能設在居住艙內

除了上述的地質部分,火星還有很多地方和地球相似,譬如它的自轉周期是24小時又39分多,和地球相去不遠,陽光照射時數差不多。但大氣就差多了(Seiff and Kirk, 1977),要知道,火星的大氣有95%是二氧化碳,所以有不少細菌不容易生長。馬克與各位若有仔細看過泛科學網站的首頁,會發現首頁有一欄火星氣候(莫名其妙……),最近火星的溫度約在攝氏零下50度左右徘徊,這也正好是火星地表大略的平均溫度,加上無夠厚的大氣與磁場隔絕有害的宇宙射線,不僅植物長不出來,細菌一離開居住艙也活不了太久。

因為上述種種的因素,若想弄點吃的,只能在居住艙裡種菜,居住艙好處是能扺擋宇宙射線,但陽光也照不進來啊!(謎之聲:誰想得到有天得在居住艙裡頭種菜啊!)。幸好在艙內還是可以讓植物行光合作用,只要懂得把太陽的能量用太陽能板轉成電力,再轉成燈光。雖然不是專業的植物專用燈光,但波長仍在作物光合作用可吸收的範圍內。

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三、要非常具有科學精神和熟練的運用科學方法

科學家解決事情時,往往不止需要單一領域的知識,或許這就是為什麼明明是物理系卻還要修微積分、明明是化學系卻還是要修物理、而生科或地質系都還是要修化學的原因吧?(是真的,不是為了整你)

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要創造出火星農場,光是處理土壤就得結合地科、生物的知識,而要計算產量是否足夠維持人體熱量,則要好好算數學,所以說「數學為科學之母」在此一點也不為過。在這種求生保命的moment,務必要「斤斤計較」,能種多少馬鈴薯,取決於我們需要多少的熱量(這裡不多提,請直接google「每日熱量需求」、「食物熱量計算」等資訊,當然這種能量換算也有很多地方會用,像是把地震、熱量換成營養午餐之類的…)。

科學家最注重的莫過於實驗精神,一個好的科學家會盡可能的完善規畫,也要懂得從錯誤中修正。如果你真的沒把握請分次進行,譬如你手上的地球土壤要改造成火星農場的土,可能就需要嘗試幾個配方,才能找到可行的組合。沒確認好就一口氣全種下去,要是死光光……直接the end

更重要的是,理論和實驗有落差時,一定要再檢查實驗流程是否有缺失、計算過程是否有錯誤,否則你會死在自己的愚蠢行為下。舉個例子來說,當你進行電解水實驗時,實際的氫氣產生量遠遠不足理論值時,其中一個可能就是「漏氣了」…如果漏的氫氣量一多,此時來點火花,那也是直接the end

科學萬歲!如果你有跟馬克一樣的能力,要來衝一團嗎?

不要,打死不要,我想連原著小說裡Geek幽默等級超高的馬克都會這麼說!

雖然看起來「火星版黃金傳說」充滿了科學家的浪漫,但真要做起來肯定不是那麼一回事…在地球上化學實驗做失敗,了不起燒掉一間實驗室,說不定還有機會逃生,但在火星,你只會啊啊啊地被燒死。就算不挑戰化學實驗,光要睡在充滿大便味的房間(別忘了人糞做的堆肥和完全密閉的居住艙),就夠讓人心靈創傷了。

求生不易,但要領便當可以很快。艙內出現個小裂縫沒處理、某些有爆炸危險的實驗沒注意、一口氣種死所有植物、甚至沒配好糧食太快吃完…種種輕忽科學的行為都有可能會致命。這些困難的科學需求都告訴我們,探索太空不是件易事,需要許多的訓練與科學背景知識,所以如果想像馬克瓦特尼般處變不驚,那得從小就把科學學好,不是要你考高分,而是要懂得科學求生!

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  • 註:黃金傳說為一日本綜藝節目,節目會邀請藝人來完成各種任務達成傳說,其中著名的企畫包括「一萬日元一個月的節約生活」、「無人島上的0元生活」…….等等。

參考資料:

附圖:

圖片1
NASA 2020年火星任務探測車上的造氧設備MOXIE。source:NASA
  • NASA用這台MOXIE製氧機上火星除了給太空人呼吸,也同時製造燃料(東西一定要有氧才能燒)。具體來說,MOXIE把收進加壓後的二氧化碳送進一個固體電解設備(SOXE)中,裡面有很多氣體可通過的細小孔洞,通過時一個二氧化碳分子抓了2個電子後,會轉換成一個氧離子、一個一氧化碳分子(CO2 + 2e- ⇒ CO + O2-),而氧離子再得到電子就會形成氧原子(O2⇒ O + 2e-),兩個氧原子就能結合成氧分子了!經過計算,MOXIE在火星上每小時能產生22克的氧氣,說起來還真不算快啊!
圖片2
地球土壤分層示意。source:wikipedia
  • 地球土壤分層示意,由上而下是有機層(O)、表土層(A)、底土層(B)、風化層(C),風化層以下為母岩。火星上由於沒細菌與植物,故只有風化層的層級,需要再處理。

 

文章難易度
阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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