再揭冥王星奧秘

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

當你走進一棟建築，是否能感受到它對環境的友善？或許不是每個人都意識到，但現今建築不只提供我們居住和工作的空間，更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生，正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題，確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染，同時提升我們的生活品質。然而，要成為綠建築並非易事，每一棟建築都需要通過層層關卡，才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境，政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立，旨在透過標準化的建築評估系統，鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時，為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法，自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止，已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品，涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築，不僅提升建築物的整體性能，也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

說這麼多，你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程，要經歷哪些標準與挑戰？

綠建築標章	智慧建築標章	綠建材標章

第一招：依循 EEWH 標準，打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源，是綠建築（green building）的核心理念，但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單，而是涵蓋建築物的整個生命週期，也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內，都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準，讓我們先回到 1990 年，當時英國建築研究機構（BRE）首次發布有關「建築研究發展環境評估工具（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM®）」，是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後，於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」（Leadership in Energy and Environmental Design, LEED）這套評估系統，加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶，氣溫高，濕度也高，得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生，四個英文字母分別為 Ecology（生態）、Energy saving（節能）、Waste reduction（減廢）以及 Health（健康），分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級，設有九大評估指標。

我們就以「台江國家公園」為例，看它如何躍過一道道指標，成為「鑽石級」綠建築的國家公園！

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園，也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時，還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築，其外觀採白色系列，從高空俯瞰，就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落；從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊，生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構，設計自然護岸，保留基地既有的雜木林和灌木草原，並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物，採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙，不僅強化了環境的保護力，也提供多樣的生物棲息環境，使這裡成為動植物共生的美好棲地。

第二招：想成綠建築，必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築，使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中，對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出，一路到今日，國際間對此一概念的共識主要包括再使用（reuse）、再循環（recycle）、廢棄物減量（reduce）和低污染（low emission materials）等特性，從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時，使用自然材料與低 VOC（Volatile Organic Compounds，揮發性有機化合物）建材，亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後，內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度，以建材生命週期為主軸，提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說，為確保室內環境品質，建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件；為了防溫室效應的影響，須使用本土材料以節省資源和能源；使用高性能與再生建材，不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性，也強調材料本身的再利用性。

在台江國家公園內，綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念，更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設，並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料，為鳥類和小生物營造棲息空間，讓「蚵殼磚」不再只是建材，而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆，整體綠建材使用率為 52.8%。

在日常節能方面，台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如，引入樓板下的水面蒸散低溫外氣，屋頂下設置通風空氣層，高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出，廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地，創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企，如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流，不僅提升了隔熱效果，減少空調需求，讓建築如同「與海共舞」，在減廢與健康方面皆表現優異，展示出綠建築在地化的無限可能。

在綠建材的部分，另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程，其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材，比方提高高爐水泥（具高強度、耐久、緻密等特性，重點是發熱量低）的量，並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」，還用再生透水磚做人行道鋪面。

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區，首先，他們捨棄金屬建材，讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是，他們也將施工開挖的土方做回填，將有高地差的荒地恢復成平坦綠地，本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪，無痛轉綠。

等等，這樣看來建築夠不夠綠的命運，似乎在建材選擇跟設計環節就決定了，是這樣嗎？當然不是，建築是活的，需要持續管理–有智慧的管理。

第三招：智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率，除了從建築設計與建材的使用等角度介入，也須適度融入「智慧建築」（intelligent buildings）的概念，即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性，使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器，用於蒐集環境資料和使用行為，並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

為了推動建築與資通訊產業的整合，內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度，為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂，目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例，為了掌握建築物生命週期中的能耗，需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標，評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面，則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境，以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中，充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術，來達成兼顧環保和永續發展的理念，也是利用建築資訊模型（BIM）技術打造的指標性建築，受到國際矚目。

在興建階段，為了保留基地內 4 棵原有老樹，團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描，並將大小等比例匯入 BIM 模型中，讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離，確保施工過程不影響樹木健康。此外，在大樓啟用後，BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」，透過 3D 建築資訊模型，提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護，包括保養計畫、異常修繕及耗材管理，讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用，從建造設計擴展至施工和日常管理，使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management，簡稱 FM ) 為例，該系統可在雲端進行遠端控制，根據會議室的使用時段靈活調節空調風門，會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣，而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率，保持低頻運作，實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現，從源頭減少碳足跡；綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小，並保障居民的健康；智慧建築標章運用科技應用，實現能源的高效管理和室內環境的精準調控，增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用，讓建築不僅是滿足基本居住需求，更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

• 作者／語星葉，與一隻米克斯黑狗簡單地生活在新竹，正在努力成為天文學家。

在浩瀚的太陽系裡，冥王星一直是個迷人又「謎人」的存在。關於冥王星精彩的故事很多：1930年被鍥而不捨的天文台助理發現、2006年被從行星殿堂「降級」為矮行星、2014年新視野號成功飛掠並帶來無數珍貴的照片與科學資料……如今關於冥王星的新研究又帶來驚喜──或該說是驚嚇？

冥王星與海王星的「雙星共舞」

冥王星是第一顆被人類發現的「海王星外天體（Trans-Neptunian object, TNO）」。如今我們已知海王星軌道外有數百顆這類的天體，並且數量還在增加中。這類天體雖繞行著太陽，但其軌道週期之大，宛如被太陽遺忘在邊疆的散兵。有些 TNO 還長得奇形怪狀，例如妊神星（Haumea）雖然有 1/3 個冥王星的質量，但其外型不是球型，而是一顆橢球，且其長軸比短軸長了一倍！

上圖最左上角是冥王星系統，其中最大的衛星凱倫（Charon）甚至大到使這個雙體系統的重心在冥王星之外，因此也稱冥王星是個雙（矮行）星系統。而妊神星（Haumea）則硬生生長成恐龍蛋形狀，因其自轉一圈只花 4 小時，這樣的高自轉速度使它無法成球體。值得一提的是，已知的 TNO 體積都小於月球。

冥王星本身更是有許多有趣的現象。冥王星的軌道偏心率高，呈橢圓狀，而且軌道平面是傾斜的，跟太陽系盤面差了 17 度角（見下圖）。除此之外，冥王星跟海王星的關係可謂糾葛難分──冥王星的軌道跟海王星有些微交錯，即某些時候冥王星會轉到海王星軌道的內側，此時冥王星比海王星離太陽更近！這樣難道兩顆星不會因為太過靠近，而使彼此的軌道不穩定嗎？天文學家發現，冥王星與海王星的軌道呈和諧的共振關係，兩顆星就像在跳方塊舞，互相受彼此的重力牽連著、卻不會因距離太近而打破軌道的平衡。

這兩顆星的和諧軌道共振有兩個要素：首先，冥王星跟海王星的軌道週期呈現近乎 3：2 的比例，且當冥王星在近日點時，海王星大約在與其軌道長軸呈垂直的位置。更精確地說，冥王星的近日點位置是會浮動的，在天體力學中稱為冥王星近日點的天平動（Libration，指的是天體軌道角度的週期性震盪）。

若由上往下看太陽系盤面，冥王星的近日點天平動會與海王星軌道保持上述的關係，因而不會與海王星太過接近。另一個要素則是軌道傾角方向的天平動。由於先前提到的軌道傾斜，冥王星的近日點能保持在遠高於海王星軌道平面的位置，因此更加確保兩顆星不會相遇。

上圖為冥王星軌道與八大行星軌道對照圖。截圖自The Sky Map | 3D Solar System Simulator 。
有興趣的讀者可以上這個網站，搜尋 Pluto 並勾選 animate ，調整合適的時距，便可以隨心所欲從任意角度觀察冥王星與八大行星的軌道運動。只是 3D 模擬運算量大，網站頗容易當哈哈……

你以為天體運行繞一圈就結束了嗎？讓影片畫給你看

其實天體力學的軌道計算非常的複雜。連結是神人用 Python 寫的開源模擬所繪製的影片。前半段影片顯示的是冥王星與海王星的軌道共振狀態，冥王星以紅色標示，海王星以藍色標示，坐標系則隨著海王星一起公轉；後半段影片展示一個無軌道共振的系統作為對照，冥王星質量的天體以綠色表示。

影片中，左上圖是從上往下看太陽系盤面，可以看見海王星的位置其實有微小的變化，這是因為海王星的軌道並非正圓；而冥王星的軌跡則顯示出上下兩個對稱的弧線，這是近日點的位置，可以發現平均下來近日點跟太陽的連線，的確跟海王星位置跟太陽的連線是垂直的，還可以觀察到近日點天平動的幅度。

而下方兩張圖則是從側面看太陽系（平行於太陽系盤面看過去），可以看出兩側高凸的近日點位置的確遠高出黃道面（z=0）。這個模擬的時長為 2 萬年，冥王星約繞行太陽 80 圈，可以看見其軌跡是有跡可循的；相對的，影片後半沒有軌道共振的對照組，其近日點在這兩萬年內不斷地漂泊，繞行軌跡也相當混亂無序。

上述的模擬只考慮了太陽、海王星與冥王星的三體運動（雖然已經極為複雜了），那麼其他已知的氣體行星，會不會對冥王星軌道造成微小的擾動呢？欸嘿， N-body simulation 出場了！（筆者表示害怕）

天體力學下的平衡

美國亞利桑那大學的天文學家 Malhotra 與日本國立天文台的 Ito 研究員，在他們的模擬中考慮了太陽以及所有氣體巨行星──木星、土星、天王星與海王星──對冥王星的重力作用，並且把模擬時長拉長到50億年（上述 Python 模擬的 16 萬倍），也就是預期太陽剩餘的壽命。他們想嘗試回答，在太陽穩定照亮世間的漫漫時光裡，像冥王星這樣軌道如此精巧的天體，究竟是否能長久和海王星跳著方塊舞呢？

在模擬中，他們分別測試了不同的行星組合，以判斷各巨行星對冥王星軌道的影響。一如過去所知，模擬結果顯示了海王星的重力主導了冥王星近日點在平行太陽系盤面方向的天平動，也就是保持著 3/2 的和諧共振。然而，對於軌道傾角方向的天平動，海王星並未握有太大實權。拉長時間來看，冥王星近日點的天平動無論在平行盤面、軌道傾角兩個方向上，對巨行星們的一舉一動都頗為敏感。巨行星們的重力作用會使冥王星軌道產生微擾（Perturbation），使冥王星軌道產生天平動，只要天平動限縮在穩定的範圍內，就不用擔心冥王星會被耍得團團轉。

令人驚訝的是，根據模擬結果，他們發現在平行盤面的方向上，天王星竟在破壞冥王星的軌道穩定！不過別擔心，這個軌道穩定破壞者正被木星和土星給鎮壓著──在不含天王星的模型中，冥王星平行盤面的天平動和實際情況相去不遠，然而在移除木星和土星、只考慮天王星及海王星的模型裡，冥王星軌道只能在千萬年之內保持穩定。然而在軌道傾角方向上，天王星又有其貢獻，因為只有在考慮所有巨行星的模型裡，此方向的天平動才是與現實相符且長久穩定的。

因此，在維護冥王星精密的軌道平衡上，四大行星可謂缺一不可。更令人驚奇的是，在漫長的 50 億年模擬中，冥王星的天平動雖被限縮在一個安全穩定的範圍內，但這個穩定範圍其實非常的狹窄！若冥王星稍有不慎，掉到了安全範圍之外，其軌道將變得無序而渾沌，便不再跟海王星跳著和諧的方塊舞了。

太陽系就是個大舞池

看到這裡，你是否震撼於冥王星的軌道之精密，簡直像是被刻意調整過的呢？就如同生物演化的優勝劣汰，過去太陽系也曾盛大進行著重力之舞淘汰賽，只要一有天體踏出重力穩定帶，便可能被逐出舞池、或者惹上其他天體的麻煩。

今日現存的太陽系成員都是重力之舞的佼佼者，它們因緣際會來到為數不多的重力穩定帶，尋得屬於自己的舞步，悠然繞旋至今。然而在過去，它們可都曾有過波瀾壯闊的瞬間──或許是與其他天體擦身而過、或許是被逼到穩定帶的邊陲……透過精細演算太陽系天體的移動，天文學家得以窺探這場重力之舞淘汰賽的精彩回顧，甚至可能發現被淘汰天體所遺留的蛛絲馬跡。

如今在太陽系這浩瀚的舞台上，行星、衛星、彗星、 TNO 等天體組成舞團，相互配合著對方的舞步，漫遊於其中。它們已是訓練有素的舞者，所演出的每一支舞都令人為之震撼，值得反覆品味、研究，就連遠在五十億公里外的冥王星，都使天文學家為之神往。究竟從冥王星複雜而精美的舞步中，還能挖掘出什麼有趣的新發現呢？讓我們拭目以待！

註：關於冥王星的故事，非常推薦閱讀精采的《冥王星任務》（時報出版）一書，由新視野號主持人共同執筆寫下，高潮迭起、充滿笑與淚，會讓你一看就停不下來！

參考資料：

paper本體https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2118692119

科普新聞 https://www.space.com/pluto-orbit-influences-from-giant-planets

冥王星軌道開源模擬 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2515-5172/ac3086, https://github.com/renumalhotra/2021-Pluto-Neptune-Resonant-Dynamics-Visualized-in-4D

關鍵時刻，意外發生

二○一五年七月四日，星期六的下午，航太總署的「新視野號」冥王星任務負責人艾倫．史登人在距離新視野號計畫任務控制中心不遠處的辦公室裡。他星期六也沒休息，但工作到一半，電話鈴聲突然響起。他不會不知道這天美國國慶放假，但對他來講，這天真正的意義是「飛掠冥王星前十天」。新視野號，這個他投入了前後十四年的飛行器任務，如今只剩十天就要達成目標，將要與人類探索過最遙遠的系內行星面對面。

那天下午，一如往常埋首公務的艾倫，正忙著籌畫飛越冥王星的各項事務。進入任務的最後衝刺階段，他已經習慣睡少工作多，但那天他又特別比平常更早起，半夜就進到了任務指揮中心。他趕這麼早，是為了把大量的電腦指示上傳給飛行器，這些都是新視野號即將飛掠冥王星時不可或缺的導航資料。這一大包待傳的指令資料，代表的是近十年的努力心血。而那天早晨，已經以無線電波送出這些指令，現正以光速在追趕新視野號。至於冥王星，新視野號不斷接近當中。

看了一眼響著的手機，艾倫對來電的人是葛倫．方騰（Glen Fountain）有點吃驚。葛倫長年擔任新視野號任務的計畫經理。艾倫對葛倫此時來電，心生一股寒意，因為他知道住附近的葛倫今天休假在家。葛倫不是應該為了即將到來的重頭戲養精蓄銳嗎？他這時打電話是所為何來？

無論如何，艾倫先接起了電話。「葛倫，怎麼了嗎？」

「我們跟太空船失聯了。」

艾倫回說：「我跟你約任務指揮中心，五分鐘後見。」說完艾倫掛上電話，在辦公桌前坐了幾秒鐘，驚魂未定的他搖了搖頭，直覺不可置信。計畫以外的失聯，是所有飛行器的大忌，對整整九年的航行都沒失聯過的新視野號來說，更是大忌中的大忌。眼看十天後就要飛抵冥王星，現在失聯會不會太要人命？

他抓起隨身的東西，把頭伸進走廊盡頭、他原本要主持的會議中交代說：「我們跟太空船失聯了。」聽他這麼說，同仁們震撼地望著他。「我現在去任務指揮中心一趟，去多久很難講，但今天大概不會回來了。」他頂著馬里蘭州的酷暑步行去取車，然後在約翰霍普金斯大學應用物理實驗室（Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory）的校園裡開了半英里（約一點六公里），來到了新視野號的指揮重地。這裡，是馬里蘭州的勞瑞爾市。

最漫長的一段車程

這短短幾分鐘的車程，不啻是艾倫一輩子感覺最漫長的幾分鐘。他對團隊處理危機有絕對的信心：他們演習過不知道多少種突發狀況，這個危機或許別人無法處理，但新視野號團隊絕對沒有問題。但話說回來，他還是不免擔心起自己最不樂見的情形。

他不免想起了航太總署那命運多舛的火星觀察者號（Mars Observer）。一九九二年發射的火星觀察者號，也曾在它要抵達火星的三天前失聯。地球上使盡渾身解數想要重建通訊，但都沒有成功。航太總署後來判斷火星觀察者號的燃料艙破裂，進而導致整艘太空船陷入無法挽回的災難。用白話說就是，船在太空中炸了。

艾倫心想：「萬一真的失去新視野號，這個橫跨十四年的計畫，超過兩千五百位同仁的心血付出，就付諸流水了。我們對冥王星的了解絲毫沒有增進，而新視野號則會成為夢想破滅的代名詞。日後凡提到某件事功虧一簣，新視野號的形象就會浮現眾人眼前。」

嘗試連線

艾倫一抵達偌大、幾乎沒有對外窗的辦公大樓，也就是任務指揮中心的所在地，他首先停好車，把負面的念頭統統轟出腦袋，然後便進門開始幹活。新視野號的任務指揮中心，完全符合一般人對於太空飛行器控制中心的想像。只要你看過《阿波羅十三號》或其他的太空電影，你就知道那是一幅什麼樣的光景：發著光的巨型投影銀幕牆，是室內最搶眼的陳設，至於橫在銀幕牆前的控制台，則是一排接著一排、正常大小的電腦螢幕。

在前往過去曾是太陽系第九顆行星的漫漫九年裡，新視野號的無線電是一種生命線般的存在。因為有了這條連結，團隊才得以聯繫飛船、控制飛船，另外要讀取飛船的狀態、接收飛船得到的觀測數據，也都得經由這條連線。隨著新視野號朝太陽系的外圍愈飛愈遠，通訊的時間延誤也愈來愈久。到了這最後關頭，地球與新視野的通聯已經要九小時才能一來一回，這是用光速行進需要的時間。

為了保持與地球的聯繫，新視野號跟所有長程無人太空船一樣，都倚賴一種幾乎不為人所知、當然也得不到稱頌的行星探險神器：航太總署的「深空網路」（Deep Space Network）。這是一個由三組巨型碟型天線集成、三位一體的無線電網，三處天線集成分別位於美國加州金石、西班牙馬德里，以及南半球澳洲的坎培拉。這三處的碟型天線完美無瑕地進行接力，擔下與飛船通訊的重責大任。因為地球會每二十四小時自轉一周，因此這三處選址才刻意散布在世界三大洲。不論飛船位於深邃太空的任何角落，總有一處天線可以對準訊號的來源。

但如今……深空網路聯繫不上他們極其珍貴的資產，新視野號。

• 本文接續下一篇：分秒必爭！目標是重新鎖定新視野號——《冥王星任務》引言（下）

——本文摘自《冥王星任務：NASA新視野號與太陽系盡頭之旅》，2019 年 4 月，時報出版。