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玻璃是甚麼?-《10種物質改變世界》

天下文化_96
・2015/10/21 ・4404字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

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2001年,我在西班牙安達魯西亞的鄉間小路上曾經見過一個令人心醉神馳的影像。我開車經過當地四處可見的橄欖園,樹木從我兩旁飛逝,我不停瞥見成排低矮的橄欖樹排成完美的一直線,有如陳年默片從我眼前閃過,感覺就像那些古老的橄欖樹對我施了魔法,讓我忘記旅途的無聊與悶熱。那驚鴻一瞥,那樹木成排延伸到天際的景象讓人沉迷。我看看前方的道路,看看兩旁的魔幻景象,看看路,又看看兩旁,結果撞上了一輛曳引機。我到現在還是不曉得它是怎麼出現在我的前方的。我猛踩煞車,整個人從座椅上衝向擋風玻璃。我還記得撞到玻璃瞬間的觸感。玻璃應聲碎裂,我突然停格,宛如撞到一堵透明的薑餅牆。

沙是岩石經過風吹雨打、海浪衝擊或其他侵蝕作用剝落形成的碎屑混合而成的微粒。抓一把沙起來仔細檢視,你會發現許多沙礫都由石英組成。石英是二氧化矽結晶,種類繁多,因為氧和矽是地球上含量最多的兩個元素,化合後形成二氧化矽( SiO2)。簡單來說,石英結晶就是二氧化矽的規則排列,如同冰晶是水分子的規則排列、鐵是鐵原子的規則排列一樣。

玻璃和石英
石英的規則結晶構造及玻璃的不規則構造。Source: 10種物質改變世界

石英受熱會讓二氧化矽分子得到能量開始震盪,但在某個溫度之前都無法掙脫分子間的鍵結,這就是固體之所以為固體的原因。當分子持續受熱震盪到一個臨界值,亦即熔點,就會有足夠的能量掙脫鍵結,開始不規則跳動,成為液態的二氧化矽。冰晶熔化為液態水時,水分子也是如此變化。不過,水分子和二氧化矽分子有一個很大的不同。那就是液態水一旦降溫,水分子會立刻結晶為冰。事實上,這個結晶反應幾乎無法阻止:從冰箱冷凍庫結霜到山上的白雪,都是水再結晶為冰的例子,而雪花的精緻結構就來自水分子的對稱排列。我們可以不斷重複熔化和結凍的過程,冰晶也會反覆形成。

但二氧化矽就不同了。液態二氧化矽冷卻時很難再形成結晶,感覺就像二氧化矽分子忘了怎麼變為結晶似的:哪個分子該在哪裡,誰該排在誰的旁邊,對這些分子來說似乎都變成了難題。加上二氧化矽液體冷卻時,分子能量愈來愈少,愈來愈難移動,使得情況更是雪上加霜,分子更難回到組成結晶的正確位置,結果就是生成具有液態結構的二氧化矽固體,也就是玻璃。由於只要二氧化矽無法結晶,就能形成玻璃,你可能因此覺得玻璃做起來很容易,但其實不然。燃燒沙漠裡的沙子,要是風勢夠大,可能會有沙子熔化,成為半透明的黏稠液體。這液體冷卻後確實會硬化成為玻璃,但幾乎都會含有大量未熔化的沙粒,外觀有如棕色的鱗片,而且很快就會瓦解,再次變為沙礫。

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這個做法有兩個問題。首先是大多數沙子裡的礦物組成都不對,無法做出好的玻璃。棕色在化學上是不好的預兆,表示含有雜質。顏料也一樣,隨意混色不會得到純色,只會產生棕棕灰灰的色調。有些添加物(如碳酸鈉,也就是所謂的助熔劑)能促進玻璃生成,但大多數添加物都沒有這個能力。沙子雖然富含石英,卻也含有風吹雨打帶來的各種物質,實在可惜。不過,就算沙子的礦物成分和比例正確,也會遇到第二個問題,就是熔點高達1,200℃左右,比一般火焰的700至800℃還高。

高溫閃電造玻璃

閃電可以解決這個問題。閃電擊中沙漠會產生超過10,000℃的高溫,不僅熔化沙子綽綽有餘,還能讓沙子變成稱為矽管石或閃電熔岩的玻璃柱。這些玻璃柱色如焦炭,狀似閃電,令人想起雷神索爾發怒射出的雷霆,因此矽管石的拉丁字源(fulgur)意思就是閃電。閃電熔岩因為是中空的,所以重量極輕,它的外層堅硬,內層是光滑的中空管狀構造。最先遭閃電擊中的沙子受高熱蒸發,因此形成中空,中空孔洞向外傳熱,先把沙子熔化,形成光滑的玻璃層,而再往外傳的溫度只能讓沙子融合在一起,於是形成粗糙的邊緣。

閃電熔岩,PanSci
利比亞沙漠發現的閃電熔岩。Source: 10種物質改變世界

閃電熔岩的顏色取決於沙子的組成元素,從灰黑色到半透明的都有。石英沙漠的閃電熔岩就是半透明的。閃電熔岩最長可達 15公尺,非常易碎,因為主體幾乎都是輕度融合的沙子。過去民眾只把閃電熔岩當成新奇古怪的東西,直到最近才改觀。閃電熔岩生成瞬間會鎖住空氣,形成氣泡,使得遠古的閃電熔岩成為很有用的史料,讓研究全球暖化的科學家可以透過這些氣泡,掌握沙漠過去的氣候變化。

利比亞沙漠有一區的沙子特別白,幾乎完全由石英組成。這裡找到的矽管石非常接近晶瑩剔透的現代玻璃,一點也不像髒兮兮的閃電熔岩。古埃及圖坦卡蒙王木乃伊上的聖甲蟲首飾就有一塊這樣的沙漠玻璃。我們知道這塊玻璃不是古埃及人製作的,因為最近研究發現它有 2千 6百萬年的歷史。目前已知只有一種物質跟它類似,就是 1945年美國新墨西哥州白沙彈靶場核試爆時產生的玻璃石。由於利比亞沙漠在 2千 6百萬年前沒有核爆,而生成如此純淨的玻璃需要極高的溫度,因此目前認為應該是隕石撞擊產生的巨大能量所致。古埃及圖坦卡蒙王木乃伊上的聖甲蟲首飾,中央的寶石就是沙漠玻璃。所以,不靠隕石撞擊或核彈爆炸,我們要如何做出現代的窗戶、眼鏡和酒杯用的那種玻璃呢?

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古埃及首飾,PanSci
古埃及圖坦卡蒙王木乃伊上的聖甲蟲首飾,中央的寶石就是沙漠玻璃。Source: 10種物質改變世界

羅馬人的科學智慧

雖然古埃人及和古希臘人都對玻璃製造有所貢獻,不過真正讓玻璃走入日常生活的還是古羅馬人,是他們發現了「助熔劑」的妙用。他們使用的助熔劑是泡鹼,一種天然生成的碳酸鈉。泡鹼讓古羅馬人製作透明玻璃的溫度低上許多,不再需要加熱到足以熔化純石英的溫度。他們選擇的製造地點有成分正確的原料以及溫度夠高的窯燒,在那裡大量製造玻璃,再用四通八達的貿易網路把產品運往古羅馬帝國各地,供工匠製作成各種用品。

這些做法並不空前,過去就有人做過,但根據古羅馬史家老普林尼的說法,羅馬人讓玻璃變得廉價,使它首次成為尋常百姓也能使用的物品。古羅馬人非常喜歡玻璃,從各種充滿創意的使用方式可以看出他們熱愛的程度,例如玻璃窗就是他們發明的。古羅馬之前,窗戶都是直接開著(英文的窗戶 window原意是「風眼」),雖然有些窗戶會加裝百葉或窗簾遮風擋雨,但以透明材料做為保護還是前所未有的創舉。但顯然當時的窗玻璃都很小,而且必須用鉛焊接,因為古羅馬人還沒有能力製作大面玻璃。不過他們卻開啟了人類把玻璃用於建築的熱潮,至今依然熱度不減。

透明玻璃問世之前,鏡子都是由金屬表面高度拋光製成的。古羅馬人發現,在金屬上加一層透明玻璃,不僅能保護金屬表面不受刮損和腐蝕,還能減少金屬的用量到只需一毫米厚即可。這使得鏡子造價大幅降低,並增加效用和壽命,直到今日依然是大多數鏡子的基本製作方法。

鏡子,PanSci
金屬上加一層透明玻璃便成了日常生活中常見的鏡子。

古羅馬人的玻璃工藝可不只於此。西元一世紀以前,玻璃製品都是熔化玻璃砂再灌模做成的。粗糙的玻璃品使用這種方法綽綽有餘,但想製作更精緻的物品就要很費工了。例如製作薄酒杯時,模腔必須夠細,但濃稠的玻璃熔漿很難灌入細的模腔。古羅馬人發現固態玻璃只要加熱到一定程度,就會像塑膠一樣容易塑形,用鐵鉗夾著就能在玻璃冷卻前拉出各種形狀,甚至能在玻璃紅熱時吹氣進去,冷卻後形成完美的玻璃泡泡。憑著玻璃吹製技術,古羅馬人終於能做出精緻和複雜程度前所未有的薄壁酒杯。玻璃發明之前,酒杯都是金屬、獸角或陶瓷做成的不透明容器,欣賞美酒完全得靠味覺。玻璃酒杯發明後,酒的色澤、透明度和亮度也變得重要。看得到自己在喝什麼,對我們來說稀鬆平常,對古羅馬人卻是全新的體驗,他們愛極了這種視覺享受。

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古羅馬酒杯已經是當時人類技術和文明之冠,不過比起現代酒杯還是相形見絀多了。當時的問題是,玻璃內含大量氣泡,不僅破壞美感,還會嚴重削弱玻璃強度。無論杯子互碰或不慎摔到地上,物質受力時都會把力分攤給各個原子以吸收外壓,減少單一原子的受力,無法負荷的原子會脫離原本的位置,形成裂痕。氣泡或裂痕所在的原子,周邊原子較少,無法靠周邊原子拉住它們或分散受力,因此更容易脫離原本的位置。玻璃摔碎是因為外力太大,玻璃內部發生連鎖反應,某原子脫離原位會連帶拉走周邊的原子。外力愈大,發生連鎖反應所需的氣泡或裂痕就愈小。換句話說,玻璃裡的氣泡愈大,酒杯就愈禁不起撞擊。

中國人獨缺的發明

或許因為玻璃實在太脆弱了,所以製造玻璃的技術在古羅馬人取得大幅躍進之後,便停滯不前。中國人也懂得製作玻璃,甚至曾買賣古羅馬人的玻璃,卻沒有發明製玻技術。這一點頗令人意外,因為在羅馬帝國瓦解後,中國人的材料技術發展領先了西方世界足足一千年。他們在紙、木材、陶瓷和金屬的發展上都是專家,卻獨獨忽略了玻璃。相較之下,西方由於酒杯曾經風騷一時,使得西方人對玻璃始終帶有一分尊敬與欣賞,導致文化深受影響。透明防水的窗玻璃能讓光線進入又能遮風避雨,在歐洲實在有用,很難被忽略,天氣較冷的北歐尤其如此。不過,歐洲人起初只能做出小面的堅固透明玻璃,幸好可以用鉛接合成大面玻璃,甚至可以上釉著色。彩繪和花窗玻璃成為財富和文化的象徵,更徹底改寫了歐洲教堂建築。為教堂製作花窗玻璃的工匠,逐漸獲得和石匠同等的地位,備受敬重,新的上釉技術也在歐洲蓬勃發展。十九世紀之前,東方人一直輕忽玻璃。日本和中國的房子主要使用紙窗,雖然效果良好,卻造就了不同於西方人的建築風格。

西班牙教堂窗花,PanSci
西班牙塞维利亞大教堂的花窗玻璃。

由於缺乏玻璃技術,東方就算工藝發達,也未能發明望遠鏡和顯微鏡,這些物品都要等到西方傳教士引入時,才得以接觸。當時中國工藝技術遙遙領先,實在無法判斷,是否因為少了這兩項關鍵的光學儀器,才未能如十七世紀的西方般更進一步發生科學革命。但清楚的是,沒有望遠鏡就不可能看見木星的衛星,也不可能看見冥王星並做出關鍵的天文測量,奠定我們現在對宇宙的理解。同理,沒有顯微鏡就不可能看見細菌之類的微生物,也不可能有系統的研究微觀世界,發展出醫療和各種工程技術。

10種物質改變世界,PanSci

本文摘自《10種物質改變世界》,由天下文化 出版。

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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鑑識故事系列:手錶會「記錄」死亡時間?!
胡中行_96
・2022/08/29 ・2476字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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時年 26 歲[1] 的 Caroline Dela Rose Nilsson 手腳被緊縛,[2] 嘴巴堵塞著,神色極度焦慮,[1]在自家的車道上呻吟。[3, 4] 鄰居見狀快速通報警察。[1]

事情發生在 2016 年 9 月 30 日,[4] 晚間 10 點 10 分,[1] 南澳阿德雷東北市郊的 Valley View 地區。[1, 3] Caroline 的三個孩子當時在家,他們分別為 1、3 和 5 歲;[2] 而她 57 歲的婆婆 Myrna Nilsson 早已被重擊致死,陳屍於洗衣間。[5] 稍後,員警在屋裡的走廊找到眼神渙散,面容哀戚的男孩;他的兩個姊妹則是面部朝下,趴在床上哭泣。員警讓孩子們同自己坐在警車裡,但卻什麼也問不出來。[5]

另一邊,當死者的兒子 Mark ,也就是 Caroline 的丈夫,得知母親死了。 Mark 詢問警方, Caroline 是否受傷,然後平靜地以實事求是的口吻說:「我不懂怎麼會有這種事情,您是說意外嗎?」由於警方不願意透漏細節,在完全不知道來龍去脈的情況下, Mark 又問是不是有人闖入家中。[5][註1]

澳洲國產霍登皮卡車的模型。圖/Andrew Bone on Flickr(CC BY 2.0

根據 Caroline 的說法,當天有 2、3 名開著皮卡車的男性,跟蹤她的婆婆 Myrna 回家。他們與 Myrna 在屋外爭執了約 20 分鐘,但殺害她的時候, Caroline 碰巧在關著門的廚房裡,所以什麼也沒聽到。[1] 這幾個「看起來像粗工」的人,後來也攻擊 Caroline 。[2, 5] 問題是,如果三個孩子徹頭徹尾都在屋裡,為何會安靜到沒被捲進來?

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檢方拿 3 個孩子的頭髮樣本,去做藥物檢測,其中 2 個結果顯示有Tramadol殘留。[2] 在澳洲屬於四級管制藥物的 Tramadol ,需要有處方籤才能取得,是一種會抑制呼吸且具有鎮定作用的止痛劑,一般不得施予 12 歲以下的兒童。[6] 更啟人疑竇的是,屋裡既沒有外人入侵的 DNA 證據,附近的鄰居也沒注意到一輛皮卡車進出。[7] 這令檢警不太採信 Caroline 的說辭。[1]

此外,負債澳幣 4,000 元(時值約新臺幣 10 萬元)的 Caroline ,每半個月還得跟丈夫共同支付婆婆 Myrna 澳幣 1,000 元的房租。[註2]相較之下,Myrna 經濟優渥,不僅擁有汽車,在澳洲和菲律賓置產,曾赴歐洲旅遊,還給年幼的孫子買車買房。Mark 是獨子,若 Myrna 過世,他們夫婦便可順勢繼承財產,謀財害命的動機充足。[8]

檢警因此把 Caroline 列為頭號嫌疑犯,卻始終沒有以謀殺罪名逮捕她。直到 2018 年 3 月,他們取得關鍵證據。[1]

蘋果智慧型手錶示意圖,非當事證物。圖/Adam Kovacs on Unsplash

Myrna Nilsson 慘遭殺害的時候,戴著一只蘋果智慧型手錶。[1]

從智慧型手錶判讀死亡時間

Myrna 的智慧錶記錄到她人生末了的重要數據:她在返抵自家的 47 秒內開始遭受猛烈攻擊,[4]其中有短短 39 秒的長度,出現 65 次倉皇的動作,然後她的心跳就停止了。時間約莫是傍晚 6 點 41、42 分。[2, 4] 15 分鐘後, Caroline 用手機傳訊息給丈夫,還留下在臉書和 eBay 的使用紀錄。[4] 從這個時間點到她的鄰居報案,中間相差三個小時。此情形讓 Caroline 的陳述顯得不合理,因而遭檢察官起訴。[3]

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從傳統手錶推測死亡時間

智慧型手錶進入人類生活已有一段時日,不過有些人仍然會戴其他類型的手錶。它們雖然不會追蹤使用者的生命徵象,但有時也能提供警方估計死亡時間的線索。以下是 2022 年《國際鑑識科學》(Forensic Science International)期刊,介紹的二個例子:

一名八旬老翁俯臥於公寓的地板上,毫無生命跡象。他最後一次被人看見還活著,已經是 5 天前的事情了,對縮小死亡時間範圍的幫助有限。死者左手戴著一只持續運作的自動機械錶,錶面顯示的時間準確無誤。此種手錶仰賴使用者手部的活動帶動發條。老翁戴的這款每次帶動之後,可以撐上 44 至 48 小時,而且它在警方展開調查後 18 小時才停止運轉。所以用 48 減掉 18 ,得知老翁或許在被發現前的 30 小時左右身亡。[9]

期刊介紹的另一起案件,死者右手戴的是太陽能石英錶。某年12月在丹麥的沼澤,有個獵人撞見一具屍骨。當下右手骨頭上的錶還在走,不過時間快了 1 小時,而日期則晚了 3 天。該國的日光節約通常始於 3 月,終於 10 月,也就是說死者的手錶在 10 月之後,沒有被調回標準時間。至於少掉的 3 天,則是因為 6、9 和 11 月都只有 30 天。若未手動跳過 31 日,手錶的日期就會在這段期間,每個月各晚 1 天。由此推估,死者可能是在 5 月 1 日到 6 月 30 日之間身亡。[9]

死亡時間與判決

死者配戴的各種手錶,留給警察辦案的線索。然而是否能破案,並將罪犯繩之以法,仍受到其他因素的影響。2016 年 Myrna Nilsson 被害身亡;2018 年她的媳婦 Caroline ,遭警方以智慧錶的紀錄為證據逮捕。[1] 2020 年在 8 週的審理後,陪審團無法達成共識。 2021 年又經歷 6 週的法律攻防, Caroline 最後被無罪釋放。[3] 而直至 2022 年的今天,警方仍未捕獲她口中,謀殺婆婆的那幾個粗工。

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備註

  1. 筆者找到的新聞資料,好像都沒有明確解釋,事發當下 Mark Nilsson 身在何處。
  2. 有一篇報導說 Caroline 跟 Mark 給婆婆房租,一家三代同堂,她卻連自己的房間也沒有。Caroline 得跟兩個女兒睡;兒子則是和婆婆同寢。該文沒提到 Mark 睡哪。[8]

參考資料

  1. Rebecca Opie. (29 MAR 2018) ‘Smartwatch data helped police make arrest in Adelaide murder case, court hears’. ABC News.
  2. Dillon M, Carter M. (13 DEC 2021) ‘Caroline Nilsson murder trial returns hung jury over death of mother-in-law captured on an Apple Watch’. ABC News.
  3. Mahalia Carter. (26 OCT 2021) ‘Caroline Nilsson found not guilty of murdering mother-in-law after smart watch case retrial’. ABC News.
  4. Kathryn Bermingham. (15 OCT 2020) ‘Prosecutors close case against woman charged with murdering her mother-in-law in 2016’. The Weekend Australian.
  5. Mahalia Carter. (13 DEC 2021) ‘Alleged murder victim’s son was ‘matter-of-fact’ when told of death, court hears.’ ABC News.
  6. APO-Tramadol’. (01 March 2022) NPS MedicineWise
  7. Rebecca Opie. (3 MAY 2018) ‘Son of alleged murder victim Myrna Nilsson urges court to release wife on bail’. ABC News.
  8. Meagan Dillon. (13 DEC 2021) ‘Alleged killer Caroline Dela Rose Nilsson had ‘no motive’ to kill, despite financial pressures, court hears.’ ABC News.
  9. Busch JR, Hansen SH. (2022) ‘The wristwatch – A supplemental tool for determining time of death’. Forensic Science International, 335, 111283.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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玻璃是甚麼?-《10種物質改變世界》
天下文化_96
・2015/10/21 ・4404字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

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2001年,我在西班牙安達魯西亞的鄉間小路上曾經見過一個令人心醉神馳的影像。我開車經過當地四處可見的橄欖園,樹木從我兩旁飛逝,我不停瞥見成排低矮的橄欖樹排成完美的一直線,有如陳年默片從我眼前閃過,感覺就像那些古老的橄欖樹對我施了魔法,讓我忘記旅途的無聊與悶熱。那驚鴻一瞥,那樹木成排延伸到天際的景象讓人沉迷。我看看前方的道路,看看兩旁的魔幻景象,看看路,又看看兩旁,結果撞上了一輛曳引機。我到現在還是不曉得它是怎麼出現在我的前方的。我猛踩煞車,整個人從座椅上衝向擋風玻璃。我還記得撞到玻璃瞬間的觸感。玻璃應聲碎裂,我突然停格,宛如撞到一堵透明的薑餅牆。

沙是岩石經過風吹雨打、海浪衝擊或其他侵蝕作用剝落形成的碎屑混合而成的微粒。抓一把沙起來仔細檢視,你會發現許多沙礫都由石英組成。石英是二氧化矽結晶,種類繁多,因為氧和矽是地球上含量最多的兩個元素,化合後形成二氧化矽( SiO2)。簡單來說,石英結晶就是二氧化矽的規則排列,如同冰晶是水分子的規則排列、鐵是鐵原子的規則排列一樣。

玻璃和石英
石英的規則結晶構造及玻璃的不規則構造。Source: 10種物質改變世界

石英受熱會讓二氧化矽分子得到能量開始震盪,但在某個溫度之前都無法掙脫分子間的鍵結,這就是固體之所以為固體的原因。當分子持續受熱震盪到一個臨界值,亦即熔點,就會有足夠的能量掙脫鍵結,開始不規則跳動,成為液態的二氧化矽。冰晶熔化為液態水時,水分子也是如此變化。不過,水分子和二氧化矽分子有一個很大的不同。那就是液態水一旦降溫,水分子會立刻結晶為冰。事實上,這個結晶反應幾乎無法阻止:從冰箱冷凍庫結霜到山上的白雪,都是水再結晶為冰的例子,而雪花的精緻結構就來自水分子的對稱排列。我們可以不斷重複熔化和結凍的過程,冰晶也會反覆形成。

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但二氧化矽就不同了。液態二氧化矽冷卻時很難再形成結晶,感覺就像二氧化矽分子忘了怎麼變為結晶似的:哪個分子該在哪裡,誰該排在誰的旁邊,對這些分子來說似乎都變成了難題。加上二氧化矽液體冷卻時,分子能量愈來愈少,愈來愈難移動,使得情況更是雪上加霜,分子更難回到組成結晶的正確位置,結果就是生成具有液態結構的二氧化矽固體,也就是玻璃。由於只要二氧化矽無法結晶,就能形成玻璃,你可能因此覺得玻璃做起來很容易,但其實不然。燃燒沙漠裡的沙子,要是風勢夠大,可能會有沙子熔化,成為半透明的黏稠液體。這液體冷卻後確實會硬化成為玻璃,但幾乎都會含有大量未熔化的沙粒,外觀有如棕色的鱗片,而且很快就會瓦解,再次變為沙礫。

這個做法有兩個問題。首先是大多數沙子裡的礦物組成都不對,無法做出好的玻璃。棕色在化學上是不好的預兆,表示含有雜質。顏料也一樣,隨意混色不會得到純色,只會產生棕棕灰灰的色調。有些添加物(如碳酸鈉,也就是所謂的助熔劑)能促進玻璃生成,但大多數添加物都沒有這個能力。沙子雖然富含石英,卻也含有風吹雨打帶來的各種物質,實在可惜。不過,就算沙子的礦物成分和比例正確,也會遇到第二個問題,就是熔點高達1,200℃左右,比一般火焰的700至800℃還高。

高溫閃電造玻璃

閃電可以解決這個問題。閃電擊中沙漠會產生超過10,000℃的高溫,不僅熔化沙子綽綽有餘,還能讓沙子變成稱為矽管石或閃電熔岩的玻璃柱。這些玻璃柱色如焦炭,狀似閃電,令人想起雷神索爾發怒射出的雷霆,因此矽管石的拉丁字源(fulgur)意思就是閃電。閃電熔岩因為是中空的,所以重量極輕,它的外層堅硬,內層是光滑的中空管狀構造。最先遭閃電擊中的沙子受高熱蒸發,因此形成中空,中空孔洞向外傳熱,先把沙子熔化,形成光滑的玻璃層,而再往外傳的溫度只能讓沙子融合在一起,於是形成粗糙的邊緣。

閃電熔岩,PanSci
利比亞沙漠發現的閃電熔岩。Source: 10種物質改變世界

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閃電熔岩的顏色取決於沙子的組成元素,從灰黑色到半透明的都有。石英沙漠的閃電熔岩就是半透明的。閃電熔岩最長可達 15公尺,非常易碎,因為主體幾乎都是輕度融合的沙子。過去民眾只把閃電熔岩當成新奇古怪的東西,直到最近才改觀。閃電熔岩生成瞬間會鎖住空氣,形成氣泡,使得遠古的閃電熔岩成為很有用的史料,讓研究全球暖化的科學家可以透過這些氣泡,掌握沙漠過去的氣候變化。

利比亞沙漠有一區的沙子特別白,幾乎完全由石英組成。這裡找到的矽管石非常接近晶瑩剔透的現代玻璃,一點也不像髒兮兮的閃電熔岩。古埃及圖坦卡蒙王木乃伊上的聖甲蟲首飾就有一塊這樣的沙漠玻璃。我們知道這塊玻璃不是古埃及人製作的,因為最近研究發現它有 2千 6百萬年的歷史。目前已知只有一種物質跟它類似,就是 1945年美國新墨西哥州白沙彈靶場核試爆時產生的玻璃石。由於利比亞沙漠在 2千 6百萬年前沒有核爆,而生成如此純淨的玻璃需要極高的溫度,因此目前認為應該是隕石撞擊產生的巨大能量所致。古埃及圖坦卡蒙王木乃伊上的聖甲蟲首飾,中央的寶石就是沙漠玻璃。所以,不靠隕石撞擊或核彈爆炸,我們要如何做出現代的窗戶、眼鏡和酒杯用的那種玻璃呢?

古埃及首飾,PanSci
古埃及圖坦卡蒙王木乃伊上的聖甲蟲首飾,中央的寶石就是沙漠玻璃。Source: 10種物質改變世界

羅馬人的科學智慧

雖然古埃人及和古希臘人都對玻璃製造有所貢獻,不過真正讓玻璃走入日常生活的還是古羅馬人,是他們發現了「助熔劑」的妙用。他們使用的助熔劑是泡鹼,一種天然生成的碳酸鈉。泡鹼讓古羅馬人製作透明玻璃的溫度低上許多,不再需要加熱到足以熔化純石英的溫度。他們選擇的製造地點有成分正確的原料以及溫度夠高的窯燒,在那裡大量製造玻璃,再用四通八達的貿易網路把產品運往古羅馬帝國各地,供工匠製作成各種用品。

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這些做法並不空前,過去就有人做過,但根據古羅馬史家老普林尼的說法,羅馬人讓玻璃變得廉價,使它首次成為尋常百姓也能使用的物品。古羅馬人非常喜歡玻璃,從各種充滿創意的使用方式可以看出他們熱愛的程度,例如玻璃窗就是他們發明的。古羅馬之前,窗戶都是直接開著(英文的窗戶 window原意是「風眼」),雖然有些窗戶會加裝百葉或窗簾遮風擋雨,但以透明材料做為保護還是前所未有的創舉。但顯然當時的窗玻璃都很小,而且必須用鉛焊接,因為古羅馬人還沒有能力製作大面玻璃。不過他們卻開啟了人類把玻璃用於建築的熱潮,至今依然熱度不減。

透明玻璃問世之前,鏡子都是由金屬表面高度拋光製成的。古羅馬人發現,在金屬上加一層透明玻璃,不僅能保護金屬表面不受刮損和腐蝕,還能減少金屬的用量到只需一毫米厚即可。這使得鏡子造價大幅降低,並增加效用和壽命,直到今日依然是大多數鏡子的基本製作方法。

鏡子,PanSci
金屬上加一層透明玻璃便成了日常生活中常見的鏡子。

古羅馬人的玻璃工藝可不只於此。西元一世紀以前,玻璃製品都是熔化玻璃砂再灌模做成的。粗糙的玻璃品使用這種方法綽綽有餘,但想製作更精緻的物品就要很費工了。例如製作薄酒杯時,模腔必須夠細,但濃稠的玻璃熔漿很難灌入細的模腔。古羅馬人發現固態玻璃只要加熱到一定程度,就會像塑膠一樣容易塑形,用鐵鉗夾著就能在玻璃冷卻前拉出各種形狀,甚至能在玻璃紅熱時吹氣進去,冷卻後形成完美的玻璃泡泡。憑著玻璃吹製技術,古羅馬人終於能做出精緻和複雜程度前所未有的薄壁酒杯。玻璃發明之前,酒杯都是金屬、獸角或陶瓷做成的不透明容器,欣賞美酒完全得靠味覺。玻璃酒杯發明後,酒的色澤、透明度和亮度也變得重要。看得到自己在喝什麼,對我們來說稀鬆平常,對古羅馬人卻是全新的體驗,他們愛極了這種視覺享受。

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古羅馬酒杯已經是當時人類技術和文明之冠,不過比起現代酒杯還是相形見絀多了。當時的問題是,玻璃內含大量氣泡,不僅破壞美感,還會嚴重削弱玻璃強度。無論杯子互碰或不慎摔到地上,物質受力時都會把力分攤給各個原子以吸收外壓,減少單一原子的受力,無法負荷的原子會脫離原本的位置,形成裂痕。氣泡或裂痕所在的原子,周邊原子較少,無法靠周邊原子拉住它們或分散受力,因此更容易脫離原本的位置。玻璃摔碎是因為外力太大,玻璃內部發生連鎖反應,某原子脫離原位會連帶拉走周邊的原子。外力愈大,發生連鎖反應所需的氣泡或裂痕就愈小。換句話說,玻璃裡的氣泡愈大,酒杯就愈禁不起撞擊。

中國人獨缺的發明

或許因為玻璃實在太脆弱了,所以製造玻璃的技術在古羅馬人取得大幅躍進之後,便停滯不前。中國人也懂得製作玻璃,甚至曾買賣古羅馬人的玻璃,卻沒有發明製玻技術。這一點頗令人意外,因為在羅馬帝國瓦解後,中國人的材料技術發展領先了西方世界足足一千年。他們在紙、木材、陶瓷和金屬的發展上都是專家,卻獨獨忽略了玻璃。相較之下,西方由於酒杯曾經風騷一時,使得西方人對玻璃始終帶有一分尊敬與欣賞,導致文化深受影響。透明防水的窗玻璃能讓光線進入又能遮風避雨,在歐洲實在有用,很難被忽略,天氣較冷的北歐尤其如此。不過,歐洲人起初只能做出小面的堅固透明玻璃,幸好可以用鉛接合成大面玻璃,甚至可以上釉著色。彩繪和花窗玻璃成為財富和文化的象徵,更徹底改寫了歐洲教堂建築。為教堂製作花窗玻璃的工匠,逐漸獲得和石匠同等的地位,備受敬重,新的上釉技術也在歐洲蓬勃發展。十九世紀之前,東方人一直輕忽玻璃。日本和中國的房子主要使用紙窗,雖然效果良好,卻造就了不同於西方人的建築風格。

西班牙教堂窗花,PanSci
西班牙塞维利亞大教堂的花窗玻璃。

由於缺乏玻璃技術,東方就算工藝發達,也未能發明望遠鏡和顯微鏡,這些物品都要等到西方傳教士引入時,才得以接觸。當時中國工藝技術遙遙領先,實在無法判斷,是否因為少了這兩項關鍵的光學儀器,才未能如十七世紀的西方般更進一步發生科學革命。但清楚的是,沒有望遠鏡就不可能看見木星的衛星,也不可能看見冥王星並做出關鍵的天文測量,奠定我們現在對宇宙的理解。同理,沒有顯微鏡就不可能看見細菌之類的微生物,也不可能有系統的研究微觀世界,發展出醫療和各種工程技術。

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10種物質改變世界,PanSci

本文摘自《10種物質改變世界》,由天下文化 出版。

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玻璃碎滿地怎麼辦?掃一掃再回收啊!它是「碳中和」的送分題
暐恩咖啡_96
・2021/12/16 ・3220字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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過去十年是人類史上最熱的日子,且全球海平面上升速度加快至原來的近 3 倍 [1],氣候變遷不是未來式,而是現正「熱」映中。

若地球再升溫攝氏 1.5 度,氣候的變化可能變得無法挽回,而且上升的海平面將會入侵沿海城市與人口稠密的平原區,人類生存將會面臨很大的挑戰,為了避免如此巨大的災難,IPCC 訂定了全球行動基準:2030 年前,全球碳排放量需減半[2],時限只有不到十年的時間。

可是人類的所有的活動,都會或多或少造成二氧化碳排放,難道真的要靠薩諾斯彈個手指消滅一半的人類嗎?粗暴的行為 duck 不必!我們只需要將「碳中和」的概念貫徹於生活中就可以了。

本圖為過去三十年全球表面平均溫度值,可以看出全球溫度明顯上升。圖/WIKIPEDIA

先談談什麼是「碳中和」

碳中和(carbon neutrality),是指通過使用低碳能源取代化石燃料、植樹造林、節能減排等方法,抵銷各種產品或活動造成的二氧化碳排放,實現正負抵消,達到相對「零排放」的做法。

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一般常見的做法有兩種:

  • 建立碳補償系統。例如:透過植樹造林、購買再生能源憑證[註1] ,從大氣中移除因為某項產品或活動造成的碳排放量。
  • 使用低碳或零碳排的技術。例如使用再生能源(如風能和太陽能),而非化石燃料,以避免因燃燒化石燃料而排放二氧化碳到大氣中。
利用風力發電等再生能源來替代火力發電,能夠相對減少碳排放量。圖/Pexels

但無論是碳補償系統或是再生能源產業,都還需要花很長的時間來建設,那麼,有什麼是我們在日常生活中可以落實的?——有的!那就是玻璃回收。

玻璃:完全可再生利用的材質

玻璃是將石英(SiO2,砂的主要成分)混合了定量的碳酸鈉與碳酸鉀後,在 1,500 °C 熔煉爐中燒製而成的,是一種透明、高硬度的材料,具有成分安定的特性,所以許多化學會使用玻璃瓶來盛裝。

但也是因為不易腐化的特性,如果將廢玻璃作為垃圾處理,無論是掩埋或是焚化,都無法很有效的處理廢玻璃,玻璃碎片將成為土壤中難以分解的物質。

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但這也不是什麼難解的問題,因為玻璃是一種可以完全再利用及再生的材質,可以被再製成各類玻璃產品或玻璃原料,具有一定的回收價值。

玻璃主要回收方式有兩種:

  • 原型利用:將使用過的玻璃容器或產品直接回收再利用,不經由粉碎等過程,常見於玻璃容器回收。
  • 粉碎玻璃粒料再利用:將使用過的玻璃產品,回收後經由清洗、粉碎、去除雜質後,製成可供再次熔煉的玻璃粒料,常見於平板玻璃的回收。

其中「原型利用」是最簡單又最能有效減碳的再利用模式,像是台灣菸酒公司及台灣青島啤酒公司針對其所使用的啤酒瓶等容器,透過回收瓶費制度及逆向回收系統,將收回的玻璃酒瓶經清洗與高溫消毒處理後,就可以重複裝填啤酒等產品。

玻璃酒瓶很適合「原型利用」的回收方式,原酒廠只要將瓶子回收、清洗後,就能再次利用了。圖/Pixabay

生產新玻璃,加熱原料「碳排量」極高

若是生產全新的玻璃瓶,在加熱原料時需要燃燒天然氣來達到高溫,這個步驟佔玻璃製造碳排放量的 75% 至 85%,其他的排放量大多是來自於原料之間化學反應的副產物[3]。與之相比起來,「原型利用」幾乎是零碳排的作法,也是最節省成本與材料資源的好方法。

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即使是難以直接再利用的平板玻璃,粉碎後重新煉製成玻璃也能大量減少碳排放量,因為融化碎玻璃所需要的溫度較低,能減少燃料的使用,而且碎玻璃融化時,不會像石英沙等原材料釋放二氧化碳,從而減少碳排放量。

根據歐洲容器玻璃聯盟 (FEVE) 的說法,與完全由原材料製造玻璃相比,熔爐中每使用 10% 的回收碎玻璃,可減少 5% 二氧化碳排放量[3],若再參照我國行政院環境保護署網站資訊,台灣的玻璃製造廠使用的原料中,回收碎玻璃約佔 50%[4],換算下來約能減少 25% 的碳排量。

除此之外,粉碎玻璃粒料還可以作為玻璃瀝青、透水磚等環保建材的材料。然而這種回收難度不高、用途又廣泛的材料,在大多數國家卻仍當作垃圾掩埋,為什麼?

利用回收碎玻璃重新燒製成玻璃產品也能減少許多碳排放量。圖/Pexels

美國玻璃回收率僅 31%,算是放牛班

歐洲是少數妥善回收玻璃的地區,也是全球回收玻璃的領頭羊,所有 27 個歐盟成員國以及英國,已經回收了境內四分之三的容器玻璃,並且每個新的玻璃製品使用了約 52% 的回收材料,而且他們還希望做到更好,當地的玻璃容器業有一個宏大的願景:希望能在 2030 年以前將容器玻璃收率達到 90%。

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與歐洲相比,美國的消費習慣與環保概念仍十分落後,根據美國國家環境保護局(Resources in Traditional Chinese Language)的數據,僅 2018 年美國就把 700 萬噸玻璃當作垃圾掩埋了,佔所有固體城市垃圾的 5.2%,僅有 31% 的玻璃容器被回收。

幸好,還是有部分區域自發性的在為玻璃回收做出貢獻,像是有美國維吉尼亞州阿靈頓郡的玻璃包裝協會,他們正努力趕在 2030 年前將玻璃容器回收比例提高到 50%;而南非的玻璃回收公司(Glass Recycling Company),成功將整個南非的玻璃回收率從 2005-06 年的 18% 提高到 2018-19 年的 42%。

但在其他開發中國家——例如在中國、巴西或印度,沒有公佈明確的回收現況報告或者未來的計畫,然而這些國家也有著巨大的生產力與消費力,環保永續的未來必須要大家一同參與,否則是對寶貴資源的巨大浪費。

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環境是大家共享的,保護環境的責任也是。圖/Pixabay

玻璃是透明的,但不能視而不見地埋起來

從工業革命開始,人類不斷的使用石化燃料、排放溫室氣體,未來十年內,二氧化碳就會達到足以改變氣候的濃度,放縱的消費習慣是該懸崖勒馬了。

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玻璃是必不可少的材料,我們當然可以繼續使用,只需要確保它被正確地回收再利用,而不是被埋進垃圾場裡,就能大大減少製造過程所產生的二氧化碳,邁向循環永續的綠色供應鏈。

就讓我們從玻璃回收再利用開始做起,讓回收玻璃成為「碳中合未來」的敲門磚!

註解

註 1:再生能源憑證是再生能源電力生產的證明,通常以度或千度電量為單位,在憑證上會紀錄這批電力的發電方式、生產地點及生產時間,並透過國家認可的第三方認證,證明你買到的是純綠電,也稱綠電憑證。造成碳排的一方可以購買再生能源憑證,等於是將自己產出的碳排放量交由再生能源業者回收。

參考資料

  1. 聯合國氣候變遷最新報告顯示全球氣溫上升速度快過預期
  2. 碳中和
  3. Nature : Glass is the hidden gem in a carbon-neutral future
  4. 行政院環境保護署 生活廢棄物質管理資訊系統
  5. IPCC https://www.ipcc.ch/sr15/
  6. 認識再生能源憑證
  7. 永續發展從哪裡來能往哪裡去?減碳還不夠,下一站是「碳中和」
  8. 資源回收網- 材質專區
  9. 升溫逼近關鍵的1.5度,IPCC釋出最新氣候報告
  10. 氣候變化:九張圖看懂全球變暖和你我的關係
  11. 維基百科 玻璃
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暐恩咖啡_96
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一入生科 一生科科 我是說熱愛科普啦~ 努力將科學知識 譜寫成大家都能會心一笑的文章

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窗殺事件:鳥類的隱形殺手
科學月刊_96
・2020/03/24 ・2499字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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  • 文/王齡敏,獸醫師,社團法人台灣猛禽研究會猛禽救傷站主任。

全球各地的大城市當中,因建築的玻璃與鏡子等設計,經常會發生鳥類飛行時錯認這些是可飛行的路徑,導致撞上而造成傷亡的「窗殺」事件。窗殺可歸納為日間撞擊與夜間撞擊,兩者成因不同。

窗殺事件層出不窮,臺灣也該正視此問題,並研擬出相關的預防措施。

世界各國的窗殺事件

有一種人為的無心傷害,造成每年上億隻野鳥死亡。

這種因撞擊玻璃或建物而導致的傷害稱為窗殺 (bird-building collisions 或 bird-window collisions)。世界各地每年都有多起窗殺案例,舉例來說,美國約有 3 億 6500 萬 ~ 9 億 8800 萬起案例、加拿大約 1600 ~ 4200 萬起及南韓每年約 800 多萬隻野鳥死亡。

有一種人為的無心傷害,造成每年上億隻野鳥死亡。圖/mradsami@Pixabay

雖然北美對野鳥窗殺議題已研究 30 多年,但在臺灣卻很少被提及與討論,相關的研究甚至付之闕如。

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回歸到窗殺的發生原因,為何鳥類特別容易撞玻璃呢?

  • 首先,鳥類(或大部分的動物)無法將玻璃辨識為隔離物或障礙物;
  • 第二,鳥類雖具有翅膀可飛翔並來去自如,但也容易誤判如高樓的玻璃反射影像而撞上。

北美研究窗殺議題多年,美國明尼蘇達州奧杜邦學會 (Audubon Minnesota) 於 2010 年 5 月出版的《鳥類安全之建築指南》(Bird-Safe Building Guidelines),大致將窗殺歸納為日間撞擊與夜間撞擊。

日間撞擊原因有二:

  • 一為玻璃具有穿透性,因此玻璃帷幕或隔音牆等建物,若是位於鳥類可能穿越的路徑上,便會導致窗殺;
  • 二為玻璃的鏡像反射效應,即使透明的玻璃也可能會產生鏡像的效果,更遑論貼有隔熱紙或特別設計為單向透視的鏡面玻璃。

甚至一些半戶外環境,如公廁或游泳池等設立的鏡子,鏡像效果導致鳥類無法分辨影像真偽,以為反射的遠景或山林影像可以飛過,因此一頭撞上,嗚呼哀哉。

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夜間撞擊的原因則為燈塔效應 (beacon effect),當夜間空氣濕度較高,或有霧氣或霧霾時,建築物的燈光會吸引遷徙中的鳥類,導致鳥類迷航而誤撞建物。

欸?原來那邊飛不過去嗎?圖/GIPHY

明尼蘇達的窗殺案例

筆者曾於 2013~2015 年間服務於美國明尼蘇達大學猛禽中心 (The Raptor Center, University of Minnesota),當時聽聞明尼亞波利斯 (Minneapolis) 市中心將興建美國合眾銀行體育場 (U.S. Bank Stadium),並計畫採用大面積的玻璃作為建築設計。

筆者在當地工作期間曾數次路過該體育館改建前的休伯特‧漢弗萊體育場 (Hubert H. Humphrey Metrodome),由於當時對窗殺涉入不深,是無意間與一名猛禽中心的志工聊天而討論到此事,他表示很擔心這棟建築未來對於當地鳥類的衝擊。

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而在筆者先前擔任野生動物獸醫師的職涯中,不時會接獲窗殺案例,但由於占傷病原因的比例並不高,所以過去筆者認為這只是不常見的偶發傷害。直到回國後,於 2017 年起在台灣猛禽研究會(以下簡稱猛禽會)進行猛禽救傷,發現為數不少的猛禽因撞窗而癱瘓,才逐漸意識到窗殺對於野鳥的衝擊。

後來明尼亞波利斯的新體育場於 2016 年落成,當地的研究人員蒐集並分析 2017 ~ 2018 年間的野鳥撞玻璃案例,他們除了合眾銀行體育場外,還監測當地其它 20 棟具窗殺風險的建築。

現已落成的美國合眾銀行體育場。圖/Wikipedia

調查期間共蒐集 1000 多起的鳥類窗擊案例,發現合眾銀行體育場窗擊事件占所有 21 棟建築的第二高位(225 ~ 229 件),其中包括 42 種鳥類(該研究調查到的窗殺鳥種共 75 種)。

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報告中指出窗殺會因季節不同而有所變化,秋季明顯高於春、夏二季(冬季因當地過去研究窗殺機率低,故此研究未將其納入),秋過境期的窗殺比率為春過境期四倍,而候鳥遭窗殺的數量則較高,前五名物種皆是候鳥,分別為白喉帶鵐 (Zonotrichia albicollis)、黃喉蟲森鶯 (Leiothlypis ruficapilla)、橙頂灶鶯 (Seiurus aurocapilla)、黃喉地鶯 (Geothlypis trichas) 與灰綠叢森鶯 (Leiothlypis peregrina),占此研究窗殺比例近 50%。

臺灣也該正視鳥類窗殺事件!

北美許多地區都有類似的研究報告與長期監測活動,但臺灣對窗殺的系統性研究目前仍未開啟,頂多只有一些零星的撞玻璃傷亡鳥類的花邊新聞報導。

筆者於去 (2019) 年起設立臉書社群「野鳥撞玻璃回報」,希望藉由網友的力量蒐集國內關於野鳥窗殺資料。另外,猛禽會也於去年獲得聯華電子主辦的「綠獎」青睞,計畫今 (2020) 年於臺灣北部地區執行野鳥窗殺調查與友善鳥類玻璃教育推廣,希望引起社會大眾、企業與政府對於野鳥窗殺的重視。

該如何避免窗殺?

看到這裡,或許讀者會急著想知道到底如何防止野鳥窗殺。其實江湖一點訣,說破不值錢,原理就在於想辦法讓鳥能「看到」或「看懂」眼前的玻璃(無論窗戶、鏡子或隔音牆等)是無法通過的阻隔物。

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因此,凡是改善玻璃材質,如霧面、雕花或蝕刻圖案等;玻璃上裝飾,如貼或畫上密集圖案或大面積圖案等;與玻璃外布置,如掛上許多垂墜物、植生牆、圍欄和隱形鐵窗等,都有防治效果。

但依筆者經驗,最常見的錯誤防治法就是在面積不小的玻璃上只貼一張猛禽貼紙或鷹眼貼紙,認為鷹的形象可以嚇阻鳥兒不接近,但最後卻發現效果不彰。

大面積玻璃只貼一張猛禽貼紙並無法達到防止鳥類撞擊效果,圖為一隻翠翼鳩在貼有猛禽貼紙的旁側玻璃窗殺死亡。圖/姚正得

其實,這就如同在農田設立稻草人,鳥類會判斷環境中的威脅者,當牠發現貼在玻璃的飛鷹不會動,會判定沒有威脅,自然不當一回事,反而想從沒貼貼紙的玻璃處飛去而導致窗殺。

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因此美國奧杜邦學會曾做過研究,想知道到底要布置多密,野鳥才不會飛撞玻璃。實驗結果顯示,寬 5 公分 × 長 10 公分(約 2 英寸 × 4 英寸)的布置間隔可以防止 90% 以上的窗殺,或許讀者們可以參考,做為野鳥窗擊風險玻璃的改善準則。

窗外可使用間隔 10 公分寬的繩子垂掛,也有相當不錯的防治鳥類窗殺效果。圖/蔡宜樺

延伸閱讀

  1. Bird-Safe Building Guidelines
  2. 野鳥撞玻璃回報 (Reports on Bird-Glass Collisions)
  3. Birds Striking Building Windows Final 032014

 

〈本文選自《科學月刊》2020 年 3 月號〉

在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

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