光害，害在哪？─節電屏東篇

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

看英仙座流星雨需要做哪些準備呢？什麼時間、地點最適合呢？

什麼時間？

根據國際流星組織的資料，英仙座流星雨發生的時間從 7 月 13 日到 8 月 26 日，將近一個半月的時間，這段時間都可以看見英仙座流星雨。不過英仙座流星雨的極大期則是 8 月 13 日前後幾天，觀測條件好的地方，每小時最多可看見大約一百顆的英仙座流星！

流星雨幾乎都是下半夜才會進入高峰，這時流星雨的輻射點較高，可以看見從輻射點向四面八方輻射的流星。

什麼地點？

看流星雨其實不需要到高山上人擠人，找一個空曠、光害較少的地方就可以。

什麼設備？

眼睛最適合用來觀看流星雨，看流星雨不需要任何望遠鏡或昂貴的設備，不過一些簡單裝備可以讓你欣賞流星雨更輕鬆。

抬頭看流星，時間久了脖子就會痠痛，帶一把躺椅會讓你舒服很多。也可以帶睡袋或在地上鋪毯子，直接躺在上面觀看流星。

夏天的夜晚，蚊子還是很多，防蚊的東西不能少。記得要多帶衣服，尤其是前往高山看流星雨，入夜後會變冷。

觀看流星時，要注意觀星禮節。沒有必要的燈要關閉，手電筒或手機的燈要往地上照，不要把燈光往人照。如果附近有人在拍攝流星雨，更要注意燈光，不要影響拍照的天文同好。

往哪個方向看？

流星會出現在哪裡？這是無法預測的，唯一知道的是，英仙座流星雨的流星都是從英仙座的頭頂附近輻射出來的，流星會出現在天空中的任何角落。

怎麼拍？

用手機相機或一般數位相機拍流星雨，難度相當高，建議使用數位單眼相機比較可行。

單眼相機要架在穩固的三腳架上，廣角鏡頭拍攝的範圍較大，捕抓到流星的機會較高。盡量把光圈開到最大，鏡頭進來的光愈多，就能拍到愈暗的流星。另外，把相機 iso 值提高到 1000 以上，這樣可以拍到較暗的流星，不過 iso 愈大，拍起來的影像雜訊也愈多，試試不同的 iso 值，看看影像中雜訊的狀況。

把相機改為手動對焦，再把焦距調到無限遠，或對準一顆亮星，把影像中亮星大小調到最小。曝光的經驗值是 20mm 鏡頭約 10 秒，35mm 鏡頭約 6 秒，這樣影像中的星點會是圓的，不會拖出長線。

不要忙著拍照而忘了親身感受流星雨，用電子快門線設定每幾秒拍一張後，就讓相機自己去拍攝，回到家後再檢視拍照的結果。如果拍到流星，記得分享流星的美麗照片！

祝 流星滿天，觀星愉快

延伸閱讀：英仙座流星雨怎麼來的？

本文轉載自作者部落格「屋頂上的天文學家」，原文為〈英仙座流星雨要怎麼看？〉

編按：本文摘自《關於夜空的 362 個問題》，蒐集了英國最長壽科普節目《仰望星空》的觀眾提問。所有你對太空宇宙會有的疑問，都將在本書中為你解答。本節討論的是「過去和未來的天空」。

古文明如何準確測量星星的運動？

巴比倫人和蘇美人是世界上最古老的天文學家，他們在三千多年前居住於現在的阿拉伯地區。

太陽、月球和星星的移動，在古代就已經為人所知，此外黃道帶上的那些星座也是最早被發現的。當時的人可能已經知道，在不同的時間會看到不同的星星排列，但他們應該還不知道這是為什麼。這些文明是最早注意到天象變化的文明。他們可能注意到有些行星好像會在星星之間移動，特別是最亮的那顆：金星。當時也已經知道在夜晚或早上都看得到金星，蘇美人還發現了它的周期性。當然，他們並沒有因此思考到其他行星，而是聯想到神祇的活動。

巴比倫人知道各種不同的周期，主宰月相改變的周期就是其一；不過更重要的是日食和月食的周期。這些周期也流傳下來，到了在天文學方面非常有條理、邏輯的古希臘人手中。最令人震撼的天文事件自然是日食與月食。

事實上，許多古代文明都對這種現象感到害怕。雖然因為太陽與月球在天空中的運動方式不同，日月食發生的時間間隔似乎並不規律，但其實大約是每十八年發生一次。這段時間被稱為沙羅周期，是太陽、地球、月球三者形成的幾何系統回到相同配置的時間。再加上地球的自轉，就必須使用三個沙羅周期來計算，所以是大約五十四年發生一次。這表示，如果你觀察到一次日食或月食，那麼在一萬九千七百五十六天（或是五十四年又一個月）之後，在地球上同一個地點就能再看到一次幾乎一模一樣的日食或月食。

古代天文學留下令人著迷的遺產之一，就是安提基瑟拉儀，大約是西元前一世紀或二世紀左右建造的。銅製的安提基瑟拉儀是一九○○年在希臘的安提基瑟拉島發現的，經過深入研究後，學界發現這是由大約三十個細心配置的鑲齒排列而成的儀器，用來預測太陽、月球、行星在任何一天的方位。

製造者想必不知道太陽系的配置，因為這個儀器的設計是以地球為中心的模型為基礎，可是它對位置預測的準確度卻讓人驚訝。過去從來沒發現過類似的儀器；本質上而言，這是目前已知最古老的科學計算機。

至於星星本身的運動，在古代來說，是無法在某人的有生之年內測量出來的。古人很精細地測量了太陽在天空中的位置，所以能確定像是冬至、夏至這樣的至點以及春分、秋分的二分點時間。二分點出現在太陽通過天球赤道的時候，而有非常多的古代天文學家都會觀測太陽在天空中的位置。

地球自轉的歲差怎麼算？

西元前二世紀的希臘天文學家希巴克斯（Hipparchus）指出，和前人觀測到的結果相比，太陽在二分點的位置出現了相對性的改變，這個發現被稱為「分點歲差」。現在我們知道這是因為地軸相對於星星的移動所造成的，而這個發現成為了精密天文學的轉捩點。歐洲太空總署（ESA）的衛星伊巴谷（Hipparcos）就是利用這位天文學家姓名的發音，但是字母的拼法不同，因為其實這是「高度精密視差測量衛星」的縮寫。

伊巴谷是最早踏出第一步，排除地球是所有運動的中心的人。他觀察到太陽在全年中移動的速度會變化，而且計算出太陽中心的運動，一定會輕微地偏離地球。大約兩千年後，科學家才真的拋棄成見，推翻地球中心論，建立出地球以橢圓形軌道環繞太陽轉動的理論。

巴比倫人和希臘人都是最早在天文學上跨出一大步的民族，他們會測量太陽、月球和行星的移動。兩千多年後，哥白尼、第谷，還有克卜勒才又往前邁了一大步，拋棄地球是宇宙中心的理論。我（諾斯）認為，我們現在即將跨出在天文學與宇宙學方面重大的第三步，開始了解宇宙的真實規模。

英國最適合看極光的地方是哪裡？

唯一一個算得上看得清楚的地方是蘇格蘭。一旦越過北方的邊界，極光就沒那麼少見了，不過也沒有像挪威北部或阿拉斯加那麼頻繁。重點是要到一個真的很暗的地方，而蘇格蘭有些地方還能滿足這個條件。

所以定期觀測是值得的，不過也得準備好可能要等好一段時間。如果你去到挪威北部像是特浪索這樣的地方，那麼你在一整年裡，除了永晝的日子以外，幾乎每個晚上都能看到極光。

在《仰望夜空》播出的期間裡，天空有些什麼改變？夜空中有沒有新的天體出現，或者有沒有星星或其他天體的位置、外觀發生了改變？

很顯然，就算是在比《仰望夜空》節目播出時間更長的期間裡，星星和行星都不會改變。我們的確有看到幾顆彗星，一、兩顆明亮的新星。除此之外，情況都沒什麼改變。

我在主持《仰望夜空》的期間看過最壯觀的景象，應該是海爾波普彗星，那真的很壯麗，而且有超過一年的時間都能用肉眼看到它。我想當它離開我們時，我們都很傷心。別難過，它四千年後還會回來！

當然有些行星總是在改變，尤其是木星和土星。木星的雲帶在過去幾年中一直出現強烈的變動，而土星上則發生了劇烈的風暴。相當值得持續關注。

未來的觀星者會看到如我們現在所看到的北斗七星、獵戶座腰帶、老鷹星雲等這些星星的排列嗎？

根據我們目前的預測，未來不會有可偵測到的改變，但是當然如果是一萬年或是更久之後，這些星座一定會有改變。舉例來說，大熊座會扭曲，因為它的兩顆星（瑤光與天樞）在太空中是以與其他五顆相反的方向移動，遠離對方的。但是這些星星在太空中的移動實在太慢了，所以很難用肉眼看出來。

提醒你，一百萬年之後再回來，天空就會變得很不一樣。隨著時間過去，星座會因為星星的移動而變形，新的排列也會變得明顯。就連星雲也會隨著它們的中心出現氣體與塵埃生成的星星而改變，不過這個過程會需要幾百萬年的時間。

如果我們可以把時間快轉十億年，那時候的天空會是什麼樣子？會有多少星星不再存在？

如果快轉那麼長的時間，所有星座都會有非常大的改變，到時候我們已經認不出來那片天空了。除此之外，我們也無法辨識一些我們熟悉的星星，例如獵戶座的參宿七，到了那時候一定已經經歷了紅巨星的階段，也許在超新星的爆炸中死去。同樣的事也會發生在我們鄰近星系中的很多大質量的恆星上，不過也會有更多的恆星在天空中的其他位置出現。

如果把太陽系從銀河中拔出來，然後完整地放在太空中另外一個空曠的區域，我們會變好還是變糟？

這個嘛，我們會悲慘很多，因為我們只能看到自己太陽系的天體，對於星星會一無所知。事實上，我們的知識會被局限在很小的範圍內，有點像是去倫敦但只參觀維多利亞車站而已。一定要記得，天文學是最古老的科學之一，是古代文明不斷地重寫，增進我們對宇宙的了解的成果。

——本文摘自《關於夜空的 362 個問題：從天文觀測、太陽系的組成到宇宙的奧祕，了解天文學的入門書》，2019 年 4 月，貓頭鷹出版。