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放射性同位素在工業上的應用 | 看到「同位素」三個字，很容易把它跟放射性聯想在一起，到底兩者之間有甚麼關聯呢？如果兩個原子的質子數目相同，但是中子數目不同，則它們仍有相同的原子序，在周期表上是在同一個位置的，所以此兩者就叫「同位素」, 就像是兄弟一般。例如正常的鈷原子中有 27 個質子及 32 個中子，二者數目加起來是 59, 我們稱它鈷 - 59, 符號是 27Co59, 並沒有放射性；而它的兄弟是大家耳熟能詳的鈷 - 60, 符號是 27Co60, 有 27 個質子及 33 個中子，就具有放射性了。
有放射性的同位素稱為「放射性同位素」, 而沒有放射性的同位素則稱為「穩定同位素」, 所以並不是所有同位素都具有放射性。也有一些元素本來並沒有放射性，但為了科學上的需要，而以人工的方法特地製造出放射性同位素，比如用中子束撞擊鋁 - 27 原子，就會變成有放射性的鋁 - 28 了。
放射性同位素將放射質點或能量逐漸釋出就變成沒有放射性了，這個過程叫「衰變」。不同放射性物質的衰變速率有快有慢，在科學上用「半衰期」來表示衰變的快慢，所謂半衰期就是放射性物質的放射性衰變到只有當初一半強度所需要的時間。因此，半衰期越長就表示要衰變到原來的一半強度所需要的時間越長，比如說鈾 - 238 的半衰期是 45 億年，可見它的衰變是極慢的。又如鈦 - 46 的半衰期只有 0.006 秒，它的衰變就極快了。
放射線強度的單位
各種放射性同位素會放出幾種不同形式的放射線，分別以希臘字母來命名，例如 α 射線、β 射線、γ 射線等。放射線的強度是以放射源每秒鐘發生衰變的分子數目 (disintegrating per second, dps) 來計量，單位為居里 (curie)。1 居里等於 3.7 × 1010 dps。
大部分放射源的放射強度遠小於鐳，故常以「毫居里」(millicurie, 簡寫為 mc) 或「微居里」(microcurie, 簡寫為 μc) 為單位，強度分別為 3.7 × 107 dps 與 3.7 × 104 dps。
這個單位完全是以放射源的衰變頻率為考量，在一九三七年的國際放射學會中，討論改由被照射物的立場來考慮，另訂放射強度的單位。會中決議以「侖琴」(roentgen) 作為放射強度的計量單位，它是以 X 光或 γ 射線能使 0.001293 克 (即在攝氏零度及 1 大氣壓下，1 立方公分空氣的重量) 乾燥空氣解離而產生 1 靜電單位 (esu) 的電量時的放射強度定為 1 侖琴，相當於每克空氣吸收了 84 爾格 (erg) 的能量。
但是這個單位並不太實用，因為它侷限於 X 光與 γ 射線兩種放射線，而且只能在空氣中使用，更重要的是放射線最大的破壞性是它們有解離與穿透的能力，而這兩種能力會隨放射線的種類而異。例如強度為 1 居里的 α 射線，每秒鐘能使空氣產生約 100 個離子對，而同樣 1 居里的 γ 射線，只會產生 1 個離子對；α 射線連一張紙都穿不透，而 γ 射線要 10 公分厚的鉛板才能擋得住。所以如果只討論被照射物吸收到的能量，而不考慮放射源破壞性的差異，是不切實際的。
到了一九五四年，開始採用「雷得」(rad) 與「侖目」(rem) 這兩個單位，每克被放射源照射的物質吸收了 100 爾格的能量，定義為 1 雷得。侖目這個單位就複雜一點，它除了要考慮被照射物從放射源吸收到的能量外，更要考慮到各種不同放射源破壞力的不同。放射源對生物體破壞力大小是以「相對生物效應」(relative biological effectiveness, rbe) 來表示，它是個相對數值，以 γ 射線的 rbe 為 1,β 射線也是 1,α 射線則為 10。「rem」這個字是由「roentgen equivalent to man」的三個字的第一個字母拼起來的，它的定義是
侖目 (rem)= 雷得 (rad)× 相對生物效應 (rbe)
這個單位把從放射源吸收的能量大小，與各種放射源危害程度的不同一併考量，相對的就合理多了。另外有一個相關的名詞叫「最大容許劑量」(maximum permissible dosage, mpd), 就是一年之內一個成年人能忍受放射線照射的最高量。對健康的成年人來說，mpd 是 5 rem, 也就是說一個成年人一年之中累積接受到的放射總量，若不超過 5 侖目是沒甚麼危險的。
放射線對其他物質可產生特殊的物理與化學效應，這可說是放射性同位素的特有性質。這種性質在工業、農業、醫療等方面頗有應用價值，也是第二次大戰以來幫助科技顯著進步的功臣之一。以鈷 - 60 放射性同位素 (半衰期 5.27 年，放出 1.17 百萬電子伏特，及 1.33 百萬電子伏特能階的 γ 射線) 來說，它會發出甚強的 γ 射線及微量的 β 射線。它放出的 γ 射線在工業上非常有用，幾千居里或幾萬居里的鈷 - 60 金屬元素可放出幾萬或幾十萬侖琴的輻射強度，而可引起各種化學反應，如聚合反應、氯化反應、氫化反應、磺酸化反應、氧化反應等。以下簡單介紹幾種應用的例子。
高分子材料的品質改良
很多高分子材料，如木材、竹材等天然纖維物質 (天然高分子材料) 或各種合成塑膠及合成纖維 (人工高分子材料), 可利用此種強大 γ 射線的照射引起各種接枝反應或交聯反應，而改良這些材料的性質，以適合我們使用上的需求。如不耐熱的聚乙烯塑膠 (融點約攝氏 100 度) 經過照射後可引起分子間的交聯反應，而產生網狀結構的高分子，可使它成為堅硬又具耐熱性的聚乙烯，最高可耐熱到接近攝氏 300 度，可代替各種機械零件及耐腐蝕性的器材使用。
排水性甚強的塑膠及合成纖維，可以經由 γ 射線的照射，與帶有親水性的化學基 (如 —OH,—SO2OH,—COOH) 的化學成分產生接枝反應，以得到親水性的塑膠 (如塑膠製隱形眼鏡) 或合成纖維。相反地，親水性過強的棉織品也可接枝具排水性的化學基，而減低其親水性。在工業上應用放射線照射引起接枝反應所得產品的實例不少，如不易染色的合成纖維，利用接枝反應使該纖維具有易染性；將易產生靜電的合成纖維，改良為不產生靜電的纖維產品；免燙衣服的照射加工等。
木材的纖維間有很多空隙，尤其是在亞熱帶成長快速的木材，質地不夠堅實。如果把木材浸泡在適當的液態高分子單體中，因為毛細管現象使這些高分子單體進入木材的纖維空隙中，再用適當劑量的 γ 射線照射，即可引起木材中高分子單體的聚合反應，而得到不變形、不龜裂、防蟲害、機械強度甚強的木塑材新產品。目前工業技術研究院的化學工業研究所已從事這方面的服務工作，並以這種新產品供應工業界。
放射線也應用在化學工業上，如將二氧化硫 (SO2) 與氧 (O2) 氣體通過直鏈石蠟液，經由 γ 射線照射產生磺酸化反應，即可製造一種可被細菌破壞分解，不致產生永久泡沫的清潔劑。其他的應用，如有機化合物的氯化反應以製造氯化物、不須加壓及觸媒的氫化反應以製造飽和化合物等製程，已有部分工業化。汽車車體的烤漆、電線電纜的塑膠電線表面被覆處理等，如改用放射線照射處理，不須加熱，及使用溶劑，生產效率比其他方法都要高，製造成本亦低。在歐美汽車工業或電線電纜工業界中，已有近半的業者採用放射線照射加工處理法了。
工業材料或成品的非破壞式檢查
所謂非破壞式檢查，是不破壞試驗材料，而檢查材料內部結構有無瑕疵的檢查方式，在工業上的應用十分重要。過去大都是用 X 光照相術進行非破壞式檢查，但工業用的 X 光照相機器價格昂貴且笨重，不易任意攜帶到各個使用地點。如使用鈷 - 60 或鈦 - 197 (半衰期 74 天) 放射性同位素照射源代替 X 光機器，則攜帶方便且無須大量電源，全套設備價格也很低廉，極具實用價值。目前在我國造船業、鋼鐵工業、化工業裡，已逐漸使用這種方法取代以往的 X 光照相機進行非破壞式檢查。
追蹤法
利用放射性同位素的放射性極易被偵測與計量的特性，可將其做為「追蹤劑」而應用在製造工程、產品分析、品質控制方面。化學工廠各種反應器內的反應分布狀態檢查，熱交換機內的熱交換現象的解析或洩漏檢驗，或自動控制系統中密度、流量、液面高等的控制，皆是追蹤法的應用實例。
引擎是汽車的心臟，必須要能耐磨，所以引擎的活塞環磨損程度的檢查是非常重要的。傳統的檢查方法需時約 500 小時，採用放射性追蹤法檢查就只要 6 小時。它的原理很簡單，先做一個測試用的樣品引擎，製造時在原料中摻入已知量的放射性物質，讓這個樣品引擎運轉 6 小時後，檢查放射性強度減少的量，就可以換算出活塞環的磨損程度。汽車輪胎的耐磨里程數，也可用類似的放射性追蹤法測試出來，省時又省錢。
中子活化分析
在電子工業中，極高純度的矽是最重要的原料，所以矽原料中微量不純物含量的檢驗是非常重要的。在諸多微量分析方法中，中子活化分析是最靈敏準確的。此法是將微量待檢驗材料放置在原子爐中，以鈾燃料放出的中子束加以撞擊，使這些材料的原子轉變為放射性同位素，這個過程稱為活化。將活化過的試樣取出經過化學處理後，再用多頻脈波高度分析儀進行檢定，就可獲得從前無法得到的極微量元素的分析結果，精密度可以比色層法、光譜法、質譜法等高十倍以上。
工業測定儀器方面的應用
可利用 β 射線或 γ 射線在物質表面的吸收、散射或反射的原理，而設計出測定物質密度、厚度、液面高度的方法，並且可組成整套的測定儀，以便在生產過程中配合自動控制系統使用，此種方法省時、省工、正確、安全可靠極有經濟價值。在一九八九年美國的一家苛性鹼化工廠提出報告，該廠使用放射性同位素測定儀器測定氯化鉀、氯化鈉飽和溶液的密度，在人工方面每年可節省 25,000 美元；又可減少廢料處理用水而節省原料成本約 30,000 美元，並且產量同時增加 10%, 純利多出 25,000 美元，令人驚訝的是裝設這套自動控制測定儀器的費用，僅僅只有 900 美元而已。 □ |
探索海洋生物:頭足類的日記 | 頭足類在分類上屬於頭足綱，軟體動物門，全部是海洋性生物。身體兩側對稱，分頭、足及軀幹 3 部分。足位於頭部，特化為腕和漏斗，因此稱「頭足類」。現生頭足類包括鸚鵡螺亞綱的鸚鵡螺目，以及鞘亞綱的烏賊目、耳烏賊目、管魷目、幽靈蛸目、八腕目等。其中鸚鵡螺是演化上占重要地位的活化石之一，而日常食用的重要海產，像烏賊、軟絲、鎖管、魷魚、章魚等，都屬於頭足類。除魚類之外，頭足類是人類重要的海產蛋白質來源。
過去 30、40 年間，全球頭足類的漁獲量成長率高達 3 倍，至 2000 年產量估計已達 360 萬公噸，占全球總漁產量的 3.7%。目前漁市場販售的頭足類主要還是從野外直接捕捉，並非人工養殖的。在人類捕撈逐日增加的情況下，頭足類的漁業管理更應受到重視。
頭足類的成長速度相當快，大約 1 年之內就可達到性成熟。但大多數頭足類的壽命相對地短，且在結束生殖後就死亡。牠們的生命周期約 1~2 年，寒帶和深海種類可長達兩年，溫帶種類次之，熱帶種類有些則小於 8 個月。由於牠們的壽命大多不超過 1 年，在估計野外個體的成長率時，必須利用可提供精確計算日齡的形質來估計，以做為建立漁業管理的評估依據。
用來估算日齡的硬組織
科學家在重建生物過去的生命歷程中的重大事件，以及事件發生的時間點和歷程的長短時，大多以生物礦化的硬組織為媒介。這些硬組織必須自出生便存在，並隨著個體發育而持續增長，且在成長的過程中不會被破壞和再吸收，如此才能做為重建生物生命歷程的最佳記錄器。這些記錄器可以記載的時間尺度長短，有時受到形成的方式所影響。
這門生物定齡學的方法和原理，多源自於樹輪年代學。因為季節溫度所造成的生物成長速度不同，所以可以由樹木的木質部剖面上的輪數估算出樹木的年齡。運用同樣的原理，透過判讀鱗片，可以了解生活在大洋中魚類的年紀；並可以由年輪寬度差異，估算同一魚體在不同年間成長率的差異，進而推算這物種的平均成長率曲線和各項生活史參數，例如成長率、死亡率、最初成熟年齡等。
頭足類的生命周期短，上述以「年」為單位的年輪，無法用來研究 1 歲以內的個體成長情形。因此必須選擇時間尺度可以精確到「日」的形質來估算其「日」齡，才能了解頭足類簡短的生命歷程。
頭足類體內的硬組織有很多種。第一類是有支撐作用的內骨骼，包括：骨板 — 是烏賊目特有的硬組織，也就是一般俗稱的花枝或墨魚的內骨骼，其功用還可調整浮力；鞘 — 常見於管魷目，是鎖管、軟絲及魷魚類生物的內骨骼；錐刺 — 是八腕目也就是章魚退化後殘留的外殼痕跡，以成對的幾丁質錐刺結構存在於頭部的收縮筋與外套膜連結處。
第二類是生物礦化的碳酸鈣結晶 — 平衡石，是所有種類都有的平衡及聽覺感應器。
第三類是屬於消化系統的喙及齒舌，以及吸盤中用於捕捉獵物的齒環。
有些硬組織的功能雖然類似，大小、形狀、位置及成分卻有種類間的差異，例如骨板和平衡石主要成分是碳酸鈣，鞘、錐刺、喙、齒舌和吸盤則不同。
現生頭足類經由演化的結果，大多數種類的外骨骼逐漸轉變為內骨骼，除去了厚重的外殼，牠們的行動更加敏捷，可快速移動和逃脫。至今仍擁有外骨骼的頭足類生物，最具代表性的便是活化石 — 鸚鵡螺。隨著個體成長，每隔一段時間，牠們會在殼體開口端新生成較大的腔室，因此藉由鸚鵡螺螺殼的腔室可初估牠們的年齡。
頭足類的日記本
硬組織是否可以當做有效日齡形質，須具有規律形成新輪紋，且持續整個生活史歷程的特性，這往往需要經過實驗室中的活體養殖實驗來做驗證。上述的硬組織經過切片後，在顯微鏡下都可觀察到微細的輪紋構造，但並非所有的硬組織都有固定的形成周期。不同生物以不同形式的紀錄當做牠們的日記本，以下介紹 3 種最常用的頭足類日齡形質。
骨板 骨板是烏賊體中涵蓋面積最大，成長最快的硬組織，因此它的成長輪紋十分方便觀察。骨板位於烏賊體背部，由骨板囊包覆，與體長同步成長。骨板的形態則種間各異，結構上分成兩部分：外骨板，約 30~40% 由有機物組成；內骨板，骨板中較大的區域，成分是霰石構造的碳酸鈣結晶，有機物只占不到 10%, 主要是 β 幾丁質和絲蛋白，β 幾丁質在內骨板中形成骨架，碳酸鈣則填在骨架中。
內骨板的微觀結構，由隔板和垂直於隔板的柱狀物交錯架構而成。柱狀物之間，空隙的大小和柱狀物的形態因烏賊種類的不同而有差異。也有研究指出隔板的厚度和隔板之間的距離與骨板的強度有關，影響烏賊可承受的壓力和棲息深度。
觀察烏賊內骨板的剖面，可發現隔板和隔板間會形成輪紋，輪紋形成的頻率受到食物以及海水溫度和酸鹼度的影響。以歐洲烏賊為例，食物短缺會降低骨板生長的速率，低溫時也是。輪紋數多代表牠是較老的個體，台灣地區的虎斑烏賊的骨板約每 1~2 天會新成一輪，棲息水溫則反映於輪寬，因此烏賊骨板的微觀構造詳細地記錄烏賊個體過去的成長歷程。
平衡石 頭足類的平衡石位在頭部軟骨內的平衡囊中，形成機制和硬骨魚類的耳石相似，是平衡囊內的淋巴液過飽和下，透過生物礦化過程產生的結晶。平衡石主要成分是霰石構造的碳酸鈣結晶，有機物僅占不到 5%。淋巴液中蛋白質的比率因日夜代謝速率差異而有高低，進而影響結晶中碳酸鈣沉澱的比率。因日夜比例不同造成平衡石上明暗帶的形成，一明一暗的組合就代表一天的成長。只是平衡石全長大多不超過 2 mm, 需要經過細心的處理才能觀察到它們的微細構造。
平衡石中的成長紋路已廣泛應用在管魷類的日齡及成長的研究上。有些管魷類經由養殖實驗證實，平衡石上的輪紋是一天形成一輪。台灣東北角野外生活的軟絲，在經過實驗室中 1 個月的養殖，並在實驗前後都以茜素染色，使平衡石上留下兩個螢光環做為記號，計數兩螢光環間的輪數是 30 輪，證實了平衡石的紋路是日周輪。平衡石的輪寬也和成長的水溫呈正比，因此鎖管目的平衡石完整記錄這些生物每天的成長。
錐刺 在過去的章魚研究中，日齡判定是一大問題。有些研究利用體長頻度對章魚族群日齡分布進行分析，但發現並不適當。章魚平衡石也由於無完整結晶形態，而是以散沙狀的形態附著在一起，因此不能如管魷目般拿來判斷章魚的日齡。但是章魚退化的內骨骼「錐刺」, 可取代骨板和平衡石以了解其日齡。澳洲學者已經驗證孵化後的章魚體內的錐刺有日周輪的結構，棲息在澳洲南部體重 806 克的較大章魚個體，日齡估算是 361 天，且輪紋形成的頻率穩定，不會受到溫度、性別、成熟度等影響。
化學元素訊息的解析
上述的各種硬組織在形成時，會吸收生物當時生存環境中的微量元素。因此，當可以明確定義出每一層輪紋結構形成的時間尺度後，分析每一層組織的微量元素及穩定同位素組成，可以進一步了解頭足類洄游環境的生活足跡。地球科學家成功地利用珊瑚、有孔蟲等環境記錄器，藉由分析這些碳酸鹽類結晶的氧同位素和微量元素比值回推過去海水溫變化，同樣的原理也可以用在頭足類個體的洄游研究中。骨板及平衡石都是碳酸鈣的結晶，其氧同位素及元素濃度的高低也直接受到水溫和環境的影響。
綜合以上的日周輪和透過地球化學的化學元素分析技術，可以巧妙地從平衡石中讀取頭足類的日齡，並回推其生活環境。平衡石宛如頭足類的日記本一樣，讓我們可以知道牠們每天在海洋中的生命歷程和多采多姿的生活。 |
核分裂與核能發電 | 現在一連串的高油價風暴中，能源危機的問題又再度產生，在物價上漲，暖化危機效應下，核電節能減碳的優勢，似乎成功受到各界注目的眼光，究竟核燃料如何發電的，節能減碳的優勢又在哪裡，從科學家的數據中，我們帶您一塊兒來了解。
內容大綱
能源危機的問題長期困擾著我們，一座座核電廠陸續興建，不管你贊不贊成，核電發展的趨勢彷彿就像箭在弦上一樣，勢在必行。發展核電除了解決能源問題之外，科學家還希望藉著核電發展，能有效降低國人平均排碳量。
在 2007 年我們國家的發電量裡面，只有百分之 19.2 是來自核能，換句話說，有百分之 81.8 的比例都是來自於化石燃料。
和火力發電一樣，核電也是利用水蒸氣的熱能；不同的地方是，核燃料發電運用了鈾分裂過程中，釋放的熱能，使水沸騰製造水蒸氣，驅動渦輪機產生動能，就可以轉換成我們日常需要的能源。
相較於核融合運用元素加總的發電方式，核分裂發電的原理，運用了物理學的連鎖反應機制，以一個熱中子去撞擊一個原子核，能釋放出新的中子，再撞擊其他原子核，只要有足夠的原子核，分裂反應就能一直持續下去，並且釋出能源。
繼石油危機後，核電發展受到關注的原因，不只是核能發電所需的核燃料用量很少，如果以同樣一千瓦的發電量來計算，核電所耗費的發電成本，大概只要化石燃料的六分之一。
它 (石油) 的成本，每一千瓦所需要的花費成本，大概是 10 美分 (新臺幣 30 元) 左右；但是你如果使用核燃料，核電來發電的話，每一千瓦的電你所需要的成本，大概是 1.7 美分 (新臺幣 5 元)。
在物價不停上漲，溫室效應不斷升高的前提下，能夠以最經濟的材料成本來發電，同時，顧及生態環境的永續性，降低地球暖化的速度，在乾淨的替代能源中，核能發電不失為一個選擇方向，從科學家們的數據中，期待國人對核能發展的看法，能有更近一步的了解。 |
沒有電阻的材料–超導材料 | 金屬是電的良導體，電阻比較小，尤其是銀、銅和鋁。但是日常所用的導電材料都有電阻，因此在輸電過程中會有大量的電能損失，甚至達總電能的 15%。零電阻的超導材料便成為人們最期盼的東西。
在尋找超導材料的過程中，首先想到的是金屬。科學家發現金屬的電阻隨著溫度降低而減小，因此在超低溫下或許可獲得較小的電阻，甚至是零電阻。隨著超低溫技術的發展，人們逐漸獲得了不同程度的低溫，如攝氏零下 140 度 (133K) 的液氧溫度、零下 196 度 (77K) 的液氮溫度、零下 253 度 (20K) 的液氫溫度、零下 263 度 (10K) 的液氦溫度等。這些超低溫技術為超導材料的發現創造了成功的條件。
1911 年，荷蘭物理學家昂納斯 (Heike Kamerlingh Onnes) 教授在研究金屬汞的低溫性能時發現，當汞的溫度降低到 4K 時，電阻會下降到零。人們把這種零電阻現象叫做「超導性」, 具有超導性的材料叫做「超導材料」, 而出現零電阻的溫度叫做「超導溫度」, 並用符號 TC 表示。因此，金屬汞成了人類認識的第 1 個超導體，從此探索和研究超導材料成為科技界的熱門課題，昂納斯教授也因這項成就在 1913 年獲得諾貝爾物理學獎。
為什麼超導體達到「超導溫度」時會完全失去電阻呢？金屬導電是由於金屬晶體的自由電子在電場的作用下做漂移運動，在漂移過程中所受到的阻力就是電阻。當溫度下降時，金屬晶體的原子趨於被「凍住」, 兩個自旋相反的自由電子會因與晶格作用出現微弱引力而趨向形成「電子對」, 而且電子對之間也會出現弱的組合而趨向有序化 (玻子凝結), 這些變化會因溫度持續降低而增大。
當溫度降到臨界溫度以下時，這些高度有序化的自由電子會沿一定方向暢通無阻地流動，在宏觀上就表現出零電阻的現象。這有些像 (但不完全像) 電影院散場時，如果大家毫無秩序地湧到出口處，往往會塞在門口，很難出去；反之，若大家排好隊有秩序地出場，就會十分順利，毫無阻力。
從 1911 年首次發現超導體到現在，人們已知的超導材料僅單一元素就有三十多種，其中部分是金屬，至於超導合金和超導化合物則已有數千種。
研究顯示所有的超導材料都要達到超導溫度以下才能產生超導性，而且超導溫度都很低。通常把需要採用液氦 (10K) 做為冷卻劑才能產生超導性的材料稱為「低溫超導材料」, 而需要以液氮 (77K) 冷卻的則稱作「高溫超導材料」。最早發現的金屬汞的超導溫度是 4K, 需要用液氦做為冷卻劑，這一溫度幾乎已是人類所能達到最冷寂的境界，但在如此低溫下很難找到它實際的用途。
因此，人們迫切希望能有高溫超導材料的存在。1986 年，瑞士科學家發現鑭、鋇、銅氧化物的化合物 (La-Ba-CuO) 具有超導性，它的超導溫度是 35K。雖然稱不上是高溫超導材料，但從此打開了從金屬氧化物中尋找高溫超導體的大門。接著，科學家又發現釔、鋇、銅氧化物 (Y-Ba-CuO) 在 90K 也具有超導性，人類終於獲得了高於液氮溫度的高溫超導材料。這項發現引起世界轟動，揭開了全球性的超導熱。
目前，新的超導金屬氧化物系列不斷湧現。人們用鈧 (Sc) 代替釔 (Y)、用鍶 (Sr) 代替鋇 (Ba), 並在金屬氧化物的配比方面進行調整，結果發現鉍、鍶、鈣、銅氧化物 (Bi-Sr-Ca-CuO), 以及鉈、鋇、鈣、銅氧化物 (Tl-Ba-Ca-CuO) 等材料，都可以達到 120K 以上的超導溫度。
現在，人們更進一步期盼室溫超導材料的出現。因為室溫超導材料具備了實用化和工業化的價值，對現代科學技術，如電力輸送、超導發電機、大型電子計算機、磁浮高速列車、核融合反應控制等領域，都會產生極大的影響。
電力輸送 應用超導材料於電力輸送，是人們首先想到的用途。從發電站把電力送到用戶端全靠電線、電纜，但現在所用的電線和電纜都有電阻，電力因此而損耗，而且損耗量相當大，幾達百分之十五。將來若能改用超導材料做電線和電纜，由於電阻為零，輸電過程中就不再有電力損失，那是多麼美好的境界啊！超導發電機 「超導材料」應用的第 2 個構想，是製造超導發電機。目前，發電機單機的功率是 1 百萬千瓦，預計到 21 世紀末需增加到 1 千萬千瓦，這個規模以現有的發電機是無法達到的。發電機的重要零件是線圈和磁體，由於導線中有電阻，發電過程會導致線圈嚴重發熱，發電容量越大，線圈發熱現象也會越嚴重。很明顯的，發電機的線圈是影響發電容量的重要因素。如果這些線圈能改用超導材料，發電過程中線圈就不會發熱，發電容量自然可以大幅提高了。
磁浮高速列車 「超導材料」應用的第 3 個構想，是製作磁浮高速列車，這種列車的時速可達 500 公里以上。列車的速度始終受到車與地面之間摩擦力的束縛，除非使列車懸浮，否則列車的時速是不可能有所突破的，磁浮高速列車的構想也就奠基於此。
但怎樣才能把行駛中的列車托起來呢？研究超導的學者進行了一個著名的磁浮實驗。他們製作了一個圓形鉛環和一個小鉛球，再以一個叉子做為磁感應體。當鉛環和鉛球的溫度降到超導臨界溫度以下時，鉛環和鉛球都會變成超導體。這時若通過電磁感應使鉛環中產生電流，鉛環周圍就會產生磁場，這磁場又感應鉛球產生電流，使得鉛球周圍也產生感應磁場。這兩個磁場的排斥作用，使鉛球受到向上的斥力而飄然升起，當達到一定高度後就懸在鉛環的上方不動。
根據上述的磁浮實驗，如果把超導磁體安裝在列車的底部，並使列車底部的超導磁體和地上鉛環發生相對運動，鉛環中會產生一股強大的感應電流，在其周圍產生磁場，進而與列車底部超導磁體產生磁排斥作用，列車將因而懸空浮起。據估計，這種磁排斥作用可以把列車斥離地面約 10 公分，這距離已足夠使列車懸浮在地面上高速行駛。
自 20 世紀 60 年代科學家提出磁浮列車的構想至今，已取得了很大的進展。1979 年，日本製造的一輛超導磁浮實驗車，長 135 公尺、寬 3.7 公尺、高 1.4 公尺，時速達到了 504 公里。這輛世界上的第 1 個單車磁浮車可以乘坐 4 個人，並在幾年前成功運行。
可控熱核融合 「超導材料」應用的第 4 個構想，是用超導材料進行可控「熱核融合」。氘和氚的「熱核融合」會放出巨大的能量，比現行核發電的原子核分裂反應能大得多，而且氘可從海水中提取，資源十分豐富。此外，「熱核融合」的產物 — 氦是一種稀有氣體，對環境沒有污染。眾多的優點使人們期望能用核融合反應來發電。
但核融合反應發電的最大困難是：氘和氚核的融合反應必須在攝氏 1 億度以上，且反應控制不易。為了使核融合反應能持續不斷地進行，必須有一個十分強大的磁場，以便把核融合過程中的等離子體約束住。就目前來看，最有希望解決這難題的是「超導材料」, 因為超導體能產生所需的強大磁場。換句話說，只有當人們真正掌握了超導技術後，才有可能使「熱核融合」反應的控制實現。
看完上述的介紹之後，您是否對「超導材料」有了更深一層的看法？希望您也能加入「超導材料」的研究行列，為人類新科技貢獻一份心力。 |
航空工程的先驅–王助 | 1903 年，萊特兄弟首次以載人的飛行器完成試飛，實現人類飛行的夢想。很難想像後來延伸的航空工程，對未來 20 世紀的人類，竟然產生巨大的影響。在那個年代，科學家與工程師致力於飛機的研究與製造，尤其軍事家把成果運用於重要戰役，空中優勢與否成為主宰戰爭勝敗的主因之一。
20 世紀前半葉，談論到當時中國航空的歷史脈絡，總會包含民國成立、北洋政府時期、國民政府時期、抗戰軍興，至二戰結束等 5 個時期。約 35 年間，在中國天空飛行的軍、民用飛機，絕大多數來自美國、蘇聯、義大利等國家，少有國產飛機。與航空相關的書籍，如 A History of Chinese Aviation、《中國的天空》(日文) 等，都以極少的篇幅提到中國人在航空工業上的表現。
這篇文章主要的目的是藉王助教授生平簡略的介紹，提供對航空史有興趣的讀者，更進一步了解 1920 年代至 1940 年代之間，中國人在航空方面所做的努力與貢獻。
學歷
王助，字禹朋，清德宗光緒 19 年 (西元 1893 年) 生於北京，原籍河北省南宮縣濟橋村。王助自南宮縣立初等與高等小學堂畢業後，於 1908 年進入煙臺海軍水師學堂。1909 年，清政府為了提出海軍復興計畫，派海軍大臣載洵及副大臣薩鎮冰赴歐美考察海軍，並考選 20 位學生赴英國深造，學習造船與機械，王助是其中之一。1915 年 6 月 22 日，王助獲得英國德倫 (或譯為達勒姆)(Durham) 大學阿姆斯壯工學院機械工程學士。
1914 年，麻省理工學院 (MIT) 首先開授美國第一個航空工程專業課程，並建造風洞動力實驗裝置。1915 年，該校第一位航空碩士是中國人周厚坤。1916 年，第二屆航空碩士畢業生有 5 位：1 位英國人與 4 位中國人，即王助、巴玉藻、王孝豐及盧維溥。王助與巴玉藻合作的碩士論文題目是《多種組合圓柱外型的空氣阻力》(The Air Resistance of Cylinder Combinations)。這篇論文的主要目的，是以風洞動力實驗評估設計飛機結構時所需的支柱及其金屬線，在空氣動力作用下，前後相互的影響。
波音公司時期
1916 年 6 月底，王助獲得碩士學位。住在紐約時，經由指導教授韓瑟克 (G. C. Hunsaker) 與威廉波音 (Willam E. Boeing) 及共同飛機設計人威斯特維爾 (George Conrad Westervelt) 的推薦，進入西雅圖太平洋飛機產品公司 (波音公司的前身) 擔任該公司的第一位航空工程師。
王助依據波音與威斯特維爾共同設計的 B&W 飛機，提出新的設計方案，命名為 C 型機 (Model C)。1917 年 7 月 17 日，經波音公司試飛成功，美國海軍訂購 50 架，總經費 575,000 美元，是該公司第一張產品訂單，於是威廉波音擁有足夠的經費，繼續在飛機製造上發展。C 型教練機的規格是：跨距 43 英尺 10 英寸，機長 27 英尺，重量 2,359 磅，最高速度 72.7 英里 / 小時，巡航速度 65 英里 / 小時，實用升限 6,500 英尺，航程 200 英里，使用 100 馬力 Hall-Scott A-7A 引擎，雙人座。
為紀念王助對波音公司的貢獻，1991 年 11 月 21 日該公司國際合作發展處處長查爾斯史雷特先生在中華民國第 3 屆航空工業會議上，贈送成功大學一座王助研發成功的 C 型機水晶模型，由馬哲儒校長代表接受。同時，波音公司宣布，每年定期在成功大學航太系舉行為期 2 週的航空工程講座。2005 年 8 月 22 日，西雅圖的飛航博物館在紅穀倉展示室內設置紀念王助的常設展，詳細介紹王助改良既有的 B&W 水上飛機等相關歷史。
福州馬尾時期
1917 年 11 月，王助、巴玉藻、王孝豐與在寇提斯學習發動機的曾詒經 4 人回中國。1918 年，福州馬尾海軍飛機工程處成立，巴玉藻擔任處長，其餘 3 人為副處長，他們都是中國海軍製造飛機的先驅，在經費不足、設備簡陋陳舊、政局動亂的困難條件下，於 1919 年 8 月共同完成第一架水上飛機「甲型一號」, 其飛行效能不亞於當時歐美生產的飛機。
「甲型一號」的規格是：長 9.32 公尺 (30.5 英尺), 幅長 13.70 公尺 (41 英尺 12 英寸), 重量 1,063 公斤 (2,338 磅), 最高時速 126 公里 / 小時 (78.75 英里∕小時), 巡航時速 104 公里 / 小時 (65 英里 / 小時), 飛行高度 3,690 公尺 (12,106 英尺), 續航力 340 公里 (212.5 英里), 採用 100 匹馬力寇蒂斯發動機，雙人座。
依據曾詒經對福州馬尾製造飛機的回憶:「萊特兄弟與寇提斯製造飛機，僅僅依靠實際經驗來設計，並無高深理論。直到麻省理工學院畢業兩班學生，各廠如寇提斯、波音、萊特、道格拉斯等才有科學理論的設計。當時美國這類人才不多，巴玉藻等被美聘為設計師。經此實踐，他們有了很好的基礎，都抱為國開廠造機的理想，要與歐美並駕齊驅。」
海軍飛機工程處及後續改組的海軍製造飛機處，共設計了甲、乙、丙、丁、戊、己各型水上飛機，雖然在戰爭中沒有扮演重要的角色，但已屬難能可貴。1922 年，巴玉藻與王助共同完成世界第一個水上浮動機庫 (或稱浮塢), 解決海軍當局調用水上飛機駐泊及修護的困難。
1918 年，福州海軍飛潛學校成立，培養、訓練中國最早具有大學程度製造飛機和潛艇的專業人才，王助等 4 人擔任該海軍飛潛學校的飛機製造教官。1928 年，王助擔任上海海軍總司令部飛機處處長。1929 年 9 月，王助被調回福州馬尾接任海軍製造飛機處處長。
2010 年 11 月 2 日，波音公司東亞與東南亞銷售分公司的副總裁拉爾德 (R. K. Laird) 訪問成功大學博物館，並致贈 B&W 飛機 1/100 大小比例的模型。當拉爾德參訪成功大學博物館的王助展示場時，看到上述「甲型一號」照片，驚覺該水上飛機與王助在波音公司設計改良的 C 型機外型非常相似。就兩者之設計規格而言，「甲型一號」的某些飛行性能比 C 型機更佳。
中國航空公司時期
1929 年 4 月，南京國民政府特設中國航空公司機構，管理民用航空事務，委派鐵道部部長孫科兼任該公司理事長，與美國寇蒂斯 - 萊特公司的子公司航空發展公司簽訂合約。同年 5 月，隸屬國民政府鐵道部的中國航空公司 (簡稱「前中航」) 在南京宣告成立。1930 年，國民政府交通部與美商中國飛運公司合資，重新組織中國航空公司 (簡稱「中航」CNAC), 同年 8 月在上海成立，飛行基地設在上海龍華機場。
1931 年 2 月，王助轉赴中國航空公司任職，往後的經歷為..1931~1934 年，擔任工程師；1946~1947 年，擔任機航組副主任；1947~1950 年，調任總經理沈德燮的主任祕書，直到公司解散。
中杭廠時期
1934 年至 1938 年間，王助擔任中央杭州飛機製造廠 (CAMCO) 監理，在任近 4 年期間，製造廠總共修理、組裝和製造飛機 235 架，這批飛機供應抗戰時期的空軍使用。
1937 年至 1938 年間，中俄兩國正處於軍事同盟合作關係。1938 年 7 月至 12 月底，王助一行人奉命赴俄考察，據悉，任務是研討在新疆成立中俄合作的飛機製造廠計畫。據王助義子王鍾英先生口述，王助曾經告訴他，莫斯科之行雖然受到蘇俄當局非常熱情的招待，吃住都是一流，可惜沒能達成真正赴俄的任務。
航空研究院時期
抗戰軍興，航空委員會及所屬各單位相繼西移。航委會遷至成都時，空軍經常使用的航空器材從國外輸入的途徑已經倍受壓力。為謀補救並解決器材缺乏的問題，1939 年 7 月 7 日，航委會在成都成立航空研究所，體制上以航委會副主任黃光銳兼任所長，王助任副所長，並為實際負責人。這研究所的任務是：對急迫需要的器材迅速積極研究，以求獲得代替品或製造方法並自造；對於所有有關航空器材的問題，依可能可使用的人力物力，逐步做有系統的徹底研究，以期自給自足而有脫離依賴外國之日。
經過兩年時間，業務發展的速度及程度出乎預料之外，原有組織不再適用，就於 1941 年 8 月 1 日擴充為航空研究院。從此開始，該院歷經多年體制變革、搬遷而至目前隸屬於中科院的第一研究所，1996 年 7 月，部分單位改制為經濟部所轄的「漢翔公司」。
王助從 1939 年開始建議成立並任職航空研究所，至 1946 年離開為止，前後 7 年，為國家培養重要的航空人才，奠定現在中科院第一研究所與漢翔公司的基礎，著實貢獻頗大。航空研究院研發的飛機，有研教一式、研教二式、研教三式教練機、研滑運一式等飛機。1943 年，王助編著有《飛機設計手冊》, 對該院研究所得的資料及數據分門別類，包括：氣動力、結構、材料、螺旋槳等，飛機種類包括：輕、中、重型轟炸機、戰鬥機、教練機、偵察機、連絡機、運輸機等。
中國在 1949 年以前，有非常多的地區性或隸屬於國家培植的飛機修理廠、飛機製造廠，以及航空公司。除自製外，甚至進口現成的各種飛機機種，合作國家包括美國、蘇俄、德國、義大利、日本等。航空研究院曾經分別與第一、第二、第三飛機製造廠及中央杭州飛機製造廠合作設計或協助測試，如研轟三式、復興式研驅零式、中運一式等飛機。
王助將離開航空研究院時，對國防科技政策、航空工業的發展等，曾提出 4 篇文章：設立國防科學研究院的芻議；飛機材料的問題；航空工業的發展；航空工業應該民營。由於抗戰方止、內戰方興，當年這些建議雖未獲當局即時採納，但後來中科院的成立、航空工業的民營化，都顯示王助具前遠瞻性的眼光。王助在航空研究院時期，曾經獲得六等雲麾勳章、四等雲麾勳章、忠勤勳章、甲種一等干城獎章、甲種一等光華獎章、甲種一等陸海空軍獎章等，都可見證他對航空研究院的卓越貢獻。
航空研究 (所) 院從第一任黃光銳 (所) 院長起，到後續幾任院長、副院長，多與王助有些關係。第二任院長秦大鈞博士，後來到臺灣省立工學院 (國立成功大學前身) 擔任校長；第二任副院長余仲奎教授，曾在航空研究院初創時期擔任器材系主任，並兼器材試驗組組長；第三任院長朱霖將軍，曾擔任航空研究所器材組組長；第四任院長林致平博士，曾擔任航空研究院初期的理工系結構組組長，並對結構力學有兩篇研究報告。
王助擔任航空研究院副院長時的部屬，後來多成為學術界的菁英：王士倬，擔任航空研究所成立時的氣動力組組長；錢學森考取庚子賠款出國前，其導師就是王助與王士倬；萬冊先，擔任航空研究院器材系化工組組長，後來，任職臺灣省立工學院化工系、省立成功大學第一任工學院院長；沈申甫，擔任航空研究院理工系設計組佐理員，與王助完成第 29 號研究報告《飛機之 V 字尾》, 後來成為世界著名的航空工程與流體力學專家，是美國華盛頓科學院院士、國際宇航科學院通訊院士、美國國家工程院院士及中華民國中央研究院院士。
其他在成功大學服務的教授有：機械系孫方鐸教授、朱越生教授 (成大工程科學系第一任系主任)、電機系袁定培教授、物理系張桐生教授、工管系馬德潤教授、機械系陳廣鐸兼任講師等。
臺灣時期
1948 年 12 月，王助到臺灣臺南定居。1951 年，由於私人原因，王助婉拒赴基隆擔任臺灣造船公司顧問一職，也因此與該公司總經理的職位擦身而過，相關人物包括當時的交通部長賀衷寒、經濟部常務次長錢昌祚、臺灣造船公司周茂柏等人。1952 年，王助擔任交通部民用航空局的顧問。
1955 年 8 月，臺灣省立工學院的秦大鈞校長邀請王助到機械系教授航空工程，留下的 1963 年版講義 Engineering Aerodynamics 複製本已分別贈送給波音公司、飛航博物館及麻省理工學院檔案室典藏。
王助在成功大學授課 10 年間，共有 423 位學生修過他的航空工程，這些學生中，除了不少在世界各地有非常傑出的表現外，回到成功大學擔任教授而已經退休的就有幾位，包括航空系首任系主任的謝勝己教授、工科系的趙健明教授、造船系 (系統系前身) 系主任黃正清教授、醫工所首任所長周有禮教授等。黃正清教授的大學論文是由王助指導的，論文題目是「風洞干涉尺度影響」。1965 年初，王助出現身體不適現象，同年 3 月 7 日過世。
王助與錢學森
錢學森是 20 世紀非常著名的中國航空太空科學家，畢業於上海交通大學機械工程系，1934 年 8 月，考上清華大學庚子賠款獎學金的飛機設計科目。依該獎學金規定，獲獎者出國之前，必須先到相關領域的產業見習 1 年，而指派給錢學森的導師，就是王助與王士倬。
就在錢學森過世的 2009 年 10 月 31 日後，大陸作家葉永烈教授撰寫《走近錢學森》一書，提到錢學森曾親筆寫下一份一生中對他最具影響的 17 位人物，除父母、求學時代的老師、某些政治人物外，王助是其中的一位，且錢學森的註記是〈預備留美 王助 - 經驗設計〉。王助認為科學的進展，無論理論多麼完備，還是必須以實驗結果為依歸。
王助教授是中國航空的先驅，他是波音公司的第一位航空工程師，設計的 C Model 飛機為該公司爭取到第一張產品訂單。回國後，又為中國的飛機設計與製造持續地努力，最後在成功大學任教，嘉惠學子。他在中國航空史上有卓越的貢獻，值得紀念。 |
竹炭的淨化功能 | 漆黑的竹炭，是繼木炭之後，又一廢棄物再利用的絕佳典範。科學研究證實，竹炭擁有除濕、除臭、土壤水質改良、及遠紅外線等多樣功能。但到底這個烏漆嘛黑的東西本身裡面，具有什麼樣的特質和特性，讓它在我們生活中，開始扮演淨化環境的重要角色。竹炭的微結構組織裡面，大概可以分為大孔、小孔、跟中孔。它的直徑範圍，可以從奈米級的這個孔洞，到 100 個奈米級以上都有。那麼不同孔洞，我們可以去吸附不同級性的氣體。也就是當把竹炭剖開來看，內部這些大大小小細微孔隙的總面積加起來，每公克高達 1,500 平方公尺，相當於一個籃球場那麼大。因為這些大小不ㄧ的孔隙，具有超強的吸附能力，使竹炭在空氣中可以吸收氯化物、硫化物等有害化學物質，達到淨化空氣的效果。早在 20 年前的日本，就已經開始把竹炭用於洗髮精、沐浴乳等日常生活的洗淨用品裡頭。也因為竹炭細密的孔隙比表面積大，當周遭環境濕度大時，可吸收水分，環境乾燥時，還可以釋放水分，具有調濕功能。漆黑的竹炭在經過專業的高溫水蒸氣的活化處理後，甚至可以拿來食用。就是竹子在生長過程所吸附的，像一些天然的礦物質，像鈣、鉀、鎂之類的物質，燒成竹炭以後，它在水溶液裡面，它可以慢慢釋放出來。放入水中的竹炭，裡頭的鹼性自然礦物質在溶入水中以後，提升水的 PH 值，產生含有天然礦物質的弱鹼性礦泉水。經過檢驗，放入竹炭的自來水，pH 值呈現 8.0 到 8.5 之間，甚至連味道都比較好喝。再加上多孔質特性，煮沸時所產生的氣泡，可帶走自來水中的氯離子，並分解三氯甲烷使它無毒化。所以竹炭常被用來淨化過濾水質，而拿竹炭來煮飯，可吸附白米所含殘留的不純物、釋放天然礦物質鈣、鉀、鐵、鎂等等。原本漆黑毫不起眼的竹炭，變成淨化環境的好幫手，也許更多看似廢棄物的材料，也正等著科學家們去發現其中的奧妙所在。 |
天燈是怎麼升空的 | 鬼月到了，一連串普渡的習俗也隨之展開，重頭戲之一，就是放天燈。天燈的由來可以追溯到三國時代的諸葛孔明，而天燈升空背後的科學原理，則來自於古希臘時代的科學家，阿基米德。
如果各位常看電影，一定會看到那個投石器，那是槓桿運用的一種。那個投石器呢，據說，就是阿基米德發明的。
除了發現槓桿原理的利用之外，阿基米德另一個重要成就，就是浮力原理。所謂的「阿基米德浮力原理」指的是「物體在液體中所受到的浮力和它所排出的液重相等；而決定其沈或浮的關鍵，則在密度。物體的密度比液體大的就下沈，物體的密度比液體小的就上浮。」這樣的發現，讓人們首次注意到密度的重要。
任何一種物質，其實它都有一個特定的密度。水有水的密度，空氣有空氣的密度，那阿基米德這個浮力的原理，基本上告訴我們一個方法來測量所有的物質的密度。
回過頭來討論天燈升空的例子。和阿基米德的液體實驗不同，這次的主角，是氣體。在尚未加熱前，天燈裡的空氣和外面的大氣完全一樣。加熱之後，天燈裡的空氣受熱膨脹，很快的，天燈就裝不下這麼多膨脹的空氣分子。多餘的空氣分子於是跑出天燈外，質量減少。密度等於質量除以體積，體積不變，質量減小，天燈裡的空氣密度便跟著變小，天燈也就因此冉冉升空。體積小的天燈大概得加熱個幾分鐘就能產生浮力，可以載人的熱氣球，需要的時間就更多，但兩者同樣都是利用加熱，來使得內部空氣密度變的比外部的空氣密度小。至於同樣能升空的氦氣氣球，跟天燈則有異曲同工之妙。
氦氣 (單分子氣體) 本身，它的分子，它原子的質量，就比空氣來得小，所以呢，上升的浮力跟氦氣的重量來比，浮力比較大，所以氦氣的氣球就會往上升。
不管是祈福的天燈，還是象徵喜樂和平的氣球，除了感性的意義之外，背後更有其精準的科學原理。從另一個角度看民間習俗，也多了一種樂趣。 |
重出江湖,飛艇有機會再度興盛發展 | 以氦氣提供飛艇的的浮力
飛艇屬於浮空器的一種，是靠氣囊內封閉、輕於空氣的氫氣或氦氣產生的浮力來提供升力的航空器，曾經於 20 世紀初盛極一時。隨著航空工業的發展，飛艇或有機會再度具備興盛發展的前景。
飛艇的原理
飛艇又稱飛船，是在 19 世紀末興起的一種飛行裝置，著名的「興登堡號」飛艇由於使用氫氣爆炸導致 35 人罹難，造成很大的危險，因此人類改以氦這種惰性氣體來替代氫氣，解決了其危險性。
它不同於固定翼飛機、直升機等「重於空氣的飛行器」利用升力原理升空，飛艇利用浮力原理飛行，與氣球等被稱作「輕於空氣的飛行器」。由於使用浮力，它可以隨意在空中懸停，不像飛機要依靠機翼上下表面的氣流速差，必須達到一定速度才可以起飛，在空氣中低於一定速度就會失速墜落。因為使用了比空氣輕的氦氣作為內充氣體，飛艇的安全性能大增；與直升機相比，也不會因螺旋槳產生下降氣流對地面造成不良影響。
此外，它出現重大故障的風險非常低，又有良好的操作環境，因此其發展前景十分廣闊。隨著航空工業的發展，現今鈦合金、鋁合金、碳纖維複合材料紛紛應用到飛艇上，使飛艇更輕、載重量更大、使用壽命更長。未來的飛艇，將會設計成扁平型以提高速度；為了減少發動機攜帶燃料造成的不便，核動力飛艇將可能出現，那時它的航程會飛得更遠。
2013 年華盛頓舉行的無人飛行器業展上，巨型飛艇 P-791 的亮相吸引了很多人的目光。 P-791 巨型飛艇又稱混合性飛行器，利用空氣動力學等原理，起飛時借助空氣上升流，隨後才用氦氣進行懸空並開啟引擎提供動力，有沒有人駕駛都可以，並且可以進行遠距離飛行。它的油耗量少，能夠到達一些路面情況不好的地方，而且維護成本很低。此外，還可用於軍事上，並能在 1700 公尺高空航行長達三個星期。它最多可載重 540 公噸，也可安裝監控系統及遠紅外傳感器等設備，在高空從事偵察活動，抗攻擊能力遠大於直升機。因為船內氣壓低，當受到攻擊時就算留下彈孔也不會發生危險。
飛艇的優缺點和應用
目前飛艇發展依舊有一些問題，像是航速慢、成本高。而飛艇的優勢則是飛行高度可以控制。它可以航行於平流層，飛行高度約 20 到 100 公里之間；可以無人也可以有人，兼具衛星和飛機的一些優點。由於飛艇的飛行高度處於飛機和衛星之間的亞軌道，可達成飛機和衛星的某些作用，像是通訊、中繼，甚至可以做為衛星低軌道的偵察任務。
1970 年代，石油危機席捲全球，人們對於飛艇的需求重新浮上檯面。與此同時，正在急速發展的科學技術也促使了飛艇的再度「出發」。美國軍方一直相當重視軍用飛艇的發展，經過長期的技術開發與研究，美國軍用飛艇的研製計畫已經居於世界的最前列。
2012 年美國陸軍研製了一種新一代長滯空具情報及運輸功能工具 LMH-1 能夠在數天內運送整個兵團、武器及所需補給裝備，實現洲際距離快速運輸能力，目前行程可超過一萬公里。
總之，不論是用於商業或軍事，隨著各項相關科技的發展，飛艇的發展與應用在 21 世紀將遠超越其上個世紀的盛景，更加多元且興盛！責任編輯：蔡美瑛 | 世新大學廣播電視電影學系 |
組織工程:源源不絕的骨骼銀行–談硬骨組織工程 | 骨科醫師在臨床上，經常碰到的問題，就是骨折的處理。一般人產生骨折之後，只要有適當的處理，例如石膏固定或鋼釘鋼板固定，大多會如期癒合。在一般癒合所需的時間後，如果尚未癒合的話，就是延遲癒合。其原因包括骨折碎片間的間隙過大、固定不足、骨折碎片的血液供應不足、開放性骨折合併廣泛軟組織傷害等等。傳統上是持續固定治療，但是處置後若仍無法癒合，就是不癒合了。
不癒合的原因，除了上述延遲癒合的原因之外，也可能是因為軟組織卡入骨折碎片之間，或是產生感染所造成。治療不癒合可用物理性的刺激，或是使用骨移植手術的方法。物理性的刺激，包含直流電、磁場、超音波、體外震波等方式，目前在國內的臨床醫師並未普遍使用。若骨折處存有金屬鋼板或鋼釘，也會影響電或磁的效果。因此臨床上，仍以骨移植術為常見的處理方式。
早在四百多年前，德國的外科醫師米克倫 (Job Van Meekren) 就開始嘗試骨移植手術。到了 19 世紀，許多醫師嘗試自體骨頭、骨膜、骨髓的移植，在治療骨折與骨缺損上皆獲得一定的成功。時至今日 21 世紀，自體骨移植術與兩百年前比起來，並沒有太大的改變。然而，隨著生物科技的進展、對成骨細胞生物學的了解、骨骼生長激素的發現、以及材料科學對骨植入材料學的新發現，一門新的學科隨之誕生，在傳統的骨移植術之外，終於有了新的突破，那就是：硬骨組織工程 (bone tissue engineering)。
硬骨組織工程的核心概念
硬骨組織工程的終極目標，在能於解剖學所需之位置上，精確地產生骨骼癒合反應。在臨床上，必須能夠與四周原有的骨骼整合，並產生足夠的機械支撐性質。組織工程的核心概念中，有幾個基本要素：(1) 細胞：即在硬骨組織工程上，必須找到能產生骨骼的細胞。(2) 支架：意即能攜帶成骨細胞的材料。這些材料在填補骨缺損的位置之後，能使成骨細胞貼附、移行、分化與繁殖。具有這種性質的材料，稱之為具有「骨傳導」性質。(3) 生物性的刺激：意即在植入含有骨細胞的支架外，再提供一些具生物活性的因子，如生長因子，來更進一步促進成骨細胞之繁殖、分化，並維持產生骨頭的顯型。具有這類性質的物質，稱之為具有「骨誘導」性質。(4) 生物反應器：提供一個讓組織生長的環境，同時提供必要的物理刺激，使組織能夠快速成長。這四個基本要素，其組合缺一不可。
就傳統的骨移植術而言，可分為自體骨移植與異體骨移植。自體骨移植，可取自海綿骨、皮質骨或是帶血管莖移植。在自體骨移植術中，其本身就具備成骨細胞、骨誘導與骨傳導性質。而異體骨移植，係將他人捐贈的骨骼加以處理後，再行移植。本身已不再具有成骨細胞，因此不會有排斥的問題，但是成骨的效果也較差。骨誘導性自然也比不上自體骨移植，而只有骨傳導性與自體骨移植尚可比擬。
因此，就組織工程的觀點而言，我們所製造出來的產品，就必須以自體移植骨為標準，甚至要更超越它。畢竟，從自己身體上能貢獻出來的自體移植骨，數量終究有限。挖東補西，總不能把東挖到倒塌吧？而組織工程不然，細胞可以在體外大量培養，骨誘導與骨傳導之物質可以在體外大量生產。可以預見在不久的將來，自體骨移植可能會走進歷史。甚至在基因工程或是生長因子的作用下，以往要好幾個月才能癒合的骨折也可以加速進行，請大家拭目以待。以下，就成骨細胞與支架方面，來做更進一步的探討。
成骨細胞可以在骨膜、海綿骨與骨髓等處發現。基本上它是一種先驅細胞，大致可分為兩類，一類已確定往骨母細胞的方向分化；另一類則較為多樣性，可以往骨骼、軟骨、脂肪等結締組織的方向分化，但是必須接受特定的誘導，此即目前極為熱門的間葉幹細胞。這些細胞自體內取得之後，可以在體外增殖培養，獲得大量的數目。數量大的成骨細胞可以促成較佳的骨生成，加速骨形成，產生較大量骨骼。更重要的是，在體外培養細胞的階段，這些細胞可以接受生長因子等生物活性因子的刺激，甚至可以接受基因的植入，為基因工程的介入開了一扇大門。
如前所述，支架的目的是攜帶成骨細胞填補骨缺損的位置，並使細胞貼附、移行、分化與繁殖。因此，骨傳導性為支架的最基本要求。將來，若能將生物活性因子，如生長因子，整合入支架內，則支架不但具有骨傳導性，還能具有骨誘導性，這也是目前世界上各研究單位致力的目標。
在這樣的產品成功之前，目前世界上同時具有這兩種性質的黃金標準物質，就只有自體海綿骨而已。當然，它還包含有成骨細胞，具備有組織工程的三基本要素，只是來源供應有限。理想的支架除了攜帶成骨細胞之外，在植入體內之後，也希望四周組織的細胞能夠長到支架之內，新的組織與血管也能長入，最後形成自己的骨骼。目前常用具有骨傳導性的物質，有異體移植骨、生醫陶瓷、膠原蛋白、以及化學合成之物質，如聚乳酸或聚甘醇酸。
異體移植骨本身即是一種具有多孔性的材質，也是一般骨傳導物質的原型。本身也含有一些生長因子，若將其去除礦物質之後，這些生長因子會更容易釋放出來。因此，異體移植骨也可說具有骨誘導的潛力。
異體移植骨通常必須加工處理，包括冷凍、冷凍乾燥、或放射線照射。目的在殺菌，減少免疫反應。然而，即使經過多重的加工處理，也沒有辦法保證百分之百絕對不會感染，過去就曾發生因異體骨移植而感染愛滋病的案例。
另外一類的骨傳導物質為生醫陶瓷，主要是磷酸鹽類的合成物，如氫氧基磷灰石及三鈣磷酸鹽。三鈣磷酸鹽在體內的溶解性雖然較氫氧基磷灰石高，但是製造成塊狀之後，它的孔隙分布並不平均也不相通，因此四周的骨細胞無法完全長大。α 型三鈣磷酸鹽在體內溶解快，四周骨細胞尚未完全長入，就溶掉了。而 β 型三鈣磷酸鹽則是幾乎不溶解。這兩者作為移植骨之取代物均不甚理想。顆粒狀的三鈣磷酸鹽，具有較大之表面積與空隙，會有比較好之效果。
高度結晶化的氫氧基磷灰石，在體內非常的穩定，每年大約只有百分之五到十五會被吸收，目前最具代表性的產品來自珊瑚的衍生物。珊瑚本身的結構具有孔洞，與人體的海綿骨構造相似。珊瑚本身的成分是碳酸鈣，經過適當的熱處理後，可轉變為機械性質較強的氫氧基磷灰石，而其孔隙結構並不會被破壞。在動物實驗上，植入此種產品可以很順利地與原有的骨骼產生癒合。然而，因為本身是非常穩定而不易吸收，最後這些植入物並不能完全轉化成自己的骨骼。因此，只適合於骨骼端的小缺損填補。若在骨幹缺損處加以填補的話，因為它終究無法轉化成為骨骼，長期負重後會產生疲勞性斷裂。
為了克服氫氧基磷灰石無法被吸收之缺點，許多改進的方法應運而生。主要在改變其組成之成分。除了包含不易溶解吸收之氫氧基磷灰石外，還包含一些易溶的碳酸鈣或三鈣磷酸鹽。這些部分溶解後，有 助於骨細胞及周圍組織長大，將其轉化為自我的骨骼組織。
另外一種極為迷人的方式，就是注射式的陶瓷，用打針的方式就可以填補骨缺損。這類的陶瓷為多種磷酸鹽類的混合物，注射入體內之後會慢慢固化，而且不會發熱。這類物質也有助於對於骨質疏鬆病人的骨釘固定的加強。
第一型膠原蛋白本身就是骨骼中含量最高的蛋白，因此考慮利用膠原蛋白來作為支架也是一種合理的想法。膠原蛋白可以提供礦化以及成骨細胞貼附的表面。透過不同的化學交聯處理，可以將膠原蛋白製成粉狀、膠狀或海綿狀。但是，這些形狀的膠原蛋白尚不足以作為移植骨的取代物，通常必須加入成骨細胞、生物活性因子或陶瓷顆粒，才能有比較好的效果。
化學合成的物質如聚乳酸與聚甘醇酸，早已廣泛使用於人體中，例如外科縫線。它們的性質有利於加工與製造，加上長久以來使用於人體，因此許多人想利用它們製成支架。這類物質本身並沒有骨傳導作用，所以，還必須植入成骨細胞或加上生物活性因子。單純使用這類物質的話，其水解反應會使附近組織呈現酸性，而引發發炎反應，對組織有一定之毒性。
三缺一不可
綜合言之，單純利用支架作為骨傳導物質以填補骨缺損，有其局限性。不同的物質有其優點，也有其缺點。我們還是要去思考骨移植的黃金標準：自體移植海綿骨。它已經成功地應用了數百年。它本身含有成骨細胞、骨誘導與骨傳導物質，三者缺一不可。
因此，硬骨組織工程的概念，也必須具備這三種基本成分，在現有的生物技術與材料科學的基礎上更加發揚光大，以期製造出超越自體移植海綿骨的產品。以目前組織工程進展的速度，相信在不久的將來，組織量販店的概念，將不再是夢想。取之不盡用之不竭的骨骼組織銀行，可以造福更多的人，我們期待這一天的到來！ |
燃燒科技:燃燒與空氣污染 | 「陽光、空氣、水」是人類賴以生存的三大要素。一般人可以連續數天不進一滴水仍能維持生命，但是卻無法在連續數分鐘不呼吸仍能存活下來，由此可見空氣對人類及動植物的重要性，尤其是污染的空氣對人體健康的影響更是重大。
自地球形成以來，空氣中的組成分子就隨著時空在改變。目前，大氣中的空氣成分主要有約 78% 的氮氣及 21% 氧氣，賸餘的氣體則由一些微量的氣體，如二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氧化亞氮、臭氧、甲烷、氦、氖、氬、氪、氙和水等所組成。影響空氣組成變化的因素，除了地理環境和大自然本身的活動，如：火山爆發、森林大火外，最大的因素就是人為的活動。尤其在人口數量逐漸增加、工業革命之後所造成的人口集中化、都市化，各種人為活動，所產生的空氣污染物對空氣品質影響更是巨大，尤以燃燒各項燃料產生能量為最。
燃燒所產生的空氣污染物
在自然界中，不管是動物、植物或者是承載這些生命體的環境都是由各種元素所組成。其中形成動、植物等生命體的主要元素包括了碳、氫、氧、氮、硫及各類微量元素，當然我們所使用的各式各樣燃料中也包含了這些元素。
在一般環境中，燃燒現象的形成必須要有燃料與助燃劑的存在，再加上適當的方式使其產生氧化反應。而各類燃料或物質經過氧化還原反應之後，其元素即會因完全燃燒或不完全燃燒而轉化為其他化學物質。如燃料中的碳經過完全燃燒後會形成二氧化碳，經過不完全燃燒會形成一氧化碳或碳粒。又如許多塑膠製品皆含有氯的成分，經過完全或不完全燃燒之後會排放出像氯化氫、戴奧辛之類的化合物。
當燃燒之後所產生的各種粒狀物或氣態物排放至大氣中的量超過大自然所能涵容與自淨的能力後，就形成空氣污染現象。依現行標準與歷年之監測結果，造成我國空氣品質不良的主要污染物為懸浮微粒和臭氧。懸浮微粒除了主要來自道路行駛揚塵，也有部分是來自燃燒不完全所形成的碳粒和排放氣體凝結而成。至於臭氧則是燃燒產物中的氮氧化物與碳氫化合物經日光照射後所產生。
空氣污染現象及對人類、生態和環境的危害
由於自然界的各種物質經過燃燒之後所釋放出來的粒狀污染物以及氣態污染物，可以經由大氣的傳輸而流動到其他地區，因此空氣污染不僅僅是地區性的問題，也是全球性的共同議題。目前因空氣污染物所產生的各種空氣污染現象非常多，所引發的危害也不盡相同。茲僅就其影響範圍較為廣泛且需急迫解決的問題加以敘述。
酸雨
由於大氣中含有二氧化碳，溶於雨水後會使正常雨水略帶酸性，其酸鹼值約為 5.0, 當雨水的酸鹼值小於 5.0 時即稱為「酸雨」。其實其正確的名稱應為「酸沉降」, 它可分為「濕沉降」與「乾沉降」兩大類。前者是指所有的氣狀污染物或粒狀污染物隨著雨、雪、霧或雹等降落到地表者，後者則係指在沒有下雨的時候，大氣中的微粒沉降至地表中所夾帶的酸性物質。造成酸雨的空氣污染物主要有硝酸根 (NO3-)、硫酸根 (SO42-)、氫 (H+)、氯 (Cl-) 等離子，主要來自工廠、發電廠以及各種交通工具燃燒化石燃料，燃料中的硫、氮、氫、氯分在燃燒過程中經高溫分解後排放至大氣。
酸雨降至水體中，會使水中生物的攝氧能力及吸收維持生命的養分及鹽分都受到影響，甚至產生畸形和死亡。酸雨落到農作物上，其葉子的組成會受到破壞而無法行光合作用。酸雨降至土壤中，會使礦物質溶解而流失，植物因此無法吸收到足夠的養分而枯萎死亡。當酸雨以乾沉降的形態呈現時，硫酸鹽、硝酸鹽、碳氫化合物等物質會形成煙霧而影響了大氣的能見度，並進一步造成交通上的困擾及太陽與地球之間的能量傳遞。而當酸性粒子沉降到石灰石或金屬表面時，也會造成建築物、橋梁、鐵路、飛機、雕像或文化藝術品的腐蝕。
溫室效應
地球表面是由大氣層所包覆，其功能就像溫室所採用的透明玻璃一般，防止地表溫濕度的散失，使地表年平均溫度可保持在攝氏 15 度左右，此現象即稱為「溫室效應」。若無此溫室效應，照射到地表的太陽能會很快地經由地表再釋放回去，地表溫度也將降到攝氏零下 16 度左右，使地球上大多數的動植物無法適應而滅絕。
造成溫室效應的氣體主要為大氣中的二氧化碳，以及來自燃燒化石燃料如燃煤或燃油，或由一些工業產品逸散洩漏所產生的氣體，包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、臭氧、氟氯碳化物、全氟碳化物和六氟化硫。其中原本可藉由樹木行光合作用來吸收大量的二氧化碳，但是因為人類過度開發，破壞了森林，使得溫室效應的程度日益嚴重。
溫室效應會造成全球氣溫節節升高，使冰山融化、海面上升、地表面積減少，並使氣候產生不同於以往的變化，進而引發動物遷徙以及各種疾病的蔓延。
戴奧辛
目前所知，戴奧辛約有 210 種，包含 75 種多氯二聯苯戴奧辛及 135 種多氯二聯苯呋喃 (PCDFs)。其來源包括燃燒未受污染的木柴、森林火災、木柴防腐劑與除草劑的製程副產物、金屬冶鍊、紙漿漂白、燃油或燃煤火力發電廠的廢氣排放、廢棄物焚化爐的不當操控、香菸的煙霧、汽柴油引擎等交通工具的排氣，以及燃燒含氯的有機物質如露天燃燒垃圾、廢電纜、廢五金等。
人類接觸到戴奧辛的機會可來自一般環境、意外暴露以及特殊職場的暴露。其中一般環境的暴露超過 90% 以上都是經由日常飲食中的食物攝取而來的，即含戴奧辛的殺蟲除草劑經由農作物吸收再進入人體，或由空氣傳輸到蔬果、穀物、牧草後再經由食物鏈進入人體，或水中的戴奧辛經由生物濃縮後再經由食物鏈進入人體。
戴奧辛對人類的影響最常見的症狀為氯座瘡、肝臟損壞、免疫系統破壞、酵素的功能受到影響、消化不良、肌肉關節疼痛、孕婦易流產或產下畸胎、男性荷爾蒙減少、色素沉澱、皮膚易脆弱、出疹、長水泡、視力受損及膽硬脂血症。目前，美國環保署及世界衛生組織已將戴奧辛列為人類可能的致癌物，而國際癌症研究中心已於 1997 年將 2, 3, 7, 8–四氯戴奧辛列為人類確定的致癌物。
防治之道
由於目前造成空氣污染有很大的部分都是因為人類為了獲取能源或商業產品而燃燒各類燃料所引起的，因此為了減少或降低因燃燒行為所導致的空氣污染，我們可經由幾個途徑來達成。
減少能源的需求或改用其他替代能源，如加強用電管理，以減少用電；燃料淨化，藉由洗煤、燃料脫硫 / 脫硝等手段，將燃料中的硫氮等成分事先抽離，可避免經燃料燃燒之後再排放至大氣造成污染；開發替代能源和可再生能源，如開發燃料電池、生質能、太陽能、地熱，以及利用風力與水力。
影響燃燒效率高低和污染排放量多寡的因素，除了燃料種類和其品質外，最主要的因素包括燃燒溫度的高低、燃料和助燃劑攪拌是否均勻，以及停留時間是否夠長等三點。因此，可藉由改變燃燒器的設計、材料的更新及各項操作條件的控制，以提升燃燒效率並進一步減少能源的需求與污染的排放。立法禁止露天燃燒垃圾、廢電纜、廢五金等行為，和禁止使用含高污染成分的燃料；加強垃圾分類的實施，除了可以降低焚化爐需求量之外，同時也可提升焚化爐的效率以減少毒性物質。
另外，亦可加裝空氣污染物控制設備，針對不同形態的污染物，運用不同的方式加以轉化或去除。譬如對粒狀污染物，可依粒狀物之粒徑分布、特性、法規標準和成本考量選用適當類型的控制設備，一般常見的有旋風集塵器、文氏洗滌塔、濾袋集塵器以及靜電集塵器。
隨著全球人口的增加與都市化，日後對能源與各項資源的需求也勢必更加熱切，因而產生的各類污染物也將隨之遽增。我們必須及早開發新能源、研發更有效率的燃燒技術，以減少因燃燒行為所產生的空氣污染量。另外，我們也應藉由調整生活習性及加強推行法令，以因應國際上日益嚴格的各項環保公約。 |
常見的空氣污染氣體 | 話題電影《星際效應》中，假設人類在未來，將因為空氣污染而面臨生存問題，被迫移往外星球。近幾十年來，空氣污染越來越嚴重。實際上，不同的污染氣體會對健康與環境造成不同的影響，究竟目前常見的空氣污染有哪些？其產生因素為何？對人體有什麼影響？是值得關心的公眾議題。
國立高雄海洋科技大學海洋環境工程系林啟燦教授指出，空氣污染源分為移動源和固定源，移動源如汽機車、輪船，固定源如工廠、火力發電廠等；造成空氣污染的主要行為即是工業生產製程排放污染與汽機車排放廢氣。常見的污染氣體包括：氟氯烴、一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、光化學煙霧、硫氧化物及氮氧化物等，對健康與環境都會造成傷害。
林教授表示，污染物又可分為原生污染物與二次污染物，原生污染物諸如由工廠、機動車、廚房等燃燒產生的碳氫化合物與氮氧化物，主要與燃燒有關。大氣中的氮氧化物與碳氫化合物等原生污染物，經紫外線照射進行光化學反應，產生光化學煙霧，包括臭氧與過氧醯基硝酸鹽 (PAN), 屬於二次污染物。
林教授解釋，光化學煙霧會導致能見度降低，一般講的霧是水蒸氣，水蒸氣造成的霧，太陽一出來就會蒸散，光化學煙霧則不會蒸散，就算是在大晴天的中午 12 點，看出去仍霧茫茫，即為光化學煙霧。
林教授指出，光化學煙霧對人體危害甚鉅，例如光化學煙霧中的臭氧 (O3) 是強氧化劑，相較於氧氣 (O2), 臭氧的氧化能力很強，吸入氣管時如同行燃燒作用，會傷害呼吸系統；在公共衛生學裡，臭氧濃度過高會導致支氣管炎、氣喘等病症。另外一類的光化學煙霧是過氧醯基硝酸鹽，這類的二次污染物就可能有致癌風險；因為它是微粒，直徑小於或等於 10 微米 (PM10) 者稱為懸浮微粒，直徑小於或等於 2.5 微米者稱為細微粒物 (PM2.5)。比較大的顆粒能在鼻毛過濾或進到喉嚨時就被黏膜吸附，但比較小的細微粒就像氣體，吸到肺部的機率就越高，甚至進到肺泡、血液，因此健康風險較高。此外，過氧醯基硝酸鹽也會刺激眼睛及呼吸系統，導致「流眼油」等症狀。
另一常見空氣污染之危害為酸雨。林教授指出，當煤炭含硫量高，經由燃燒，硫加上氧氣就會變成 SO2,SO2 被水分子吸收就變成硫酸，成為酸雨的因子之一；例如火力發電廠與鋼鐵工業鍋爐都會燒煤。林教授提醒，南部 6 至 8 月經常下雨，較不會有酸雨；但 10 至 12 月降雨較少，空氣中累積很多酸根離子，許多是以微粒狀態懸浮大氣中，粒徑越小越不容易沉降，一旦濕度增高，這些硫酸溶解在雨滴裡，即成酸雨；所以秋冬季節，下雨的前 15 分鐘最好撐傘。(本文由科技部補助「海洋與環境變遷」執行團隊撰稿)
責任編輯：蔣忠益∣國立高雄海洋科技大學基礎教育中心
審校：林啟燦∣國立高雄海洋科技大學海洋環境工程系 |
雨水讓人過敏?解析可能的汞汙染 | 台灣的降雨中，可能含有汞汙染物。(圖 / 王御風 攝)
2015 年 5 月中旬，有網友 PO 出淋雨後，手出現大面積紅疹的照片，同時表示接觸到雨水的皮膚出現發癢、紅腫、刺痛等情形，認為雨水不乾淨。其中有媒體提出 2014 年環保署所進行的酸雨調查顯示，台南市的酸雨汞濃度為全台最高，懷疑是造成民眾皮膚過敏的主因。酸雨與汞之間有什麼關係？雨水中的汞從何而來？酸雨一定含汞嗎？雨水中的汞可能有什麼危害？國立高雄海洋科技大學海洋環境工程系林啟燦教授指出，汞是唯一液態的金屬，在常溫常壓下是液體，但它有揮發性，在各種極端環境條件下，可能變成汞蒸氣。除了自然界蒸散的汞之外，空氣中的汞也可能來自人為污染，包括焚化爐、煉鋼廠、火力發電廠、以及一些燃煤的工業製程。
進入大氣中的汞汙染
焚化爐為什麼會產生汞？林教授說，日常生活用品之電池、溫度計、血壓計、傳統日光燈泡及電視螢幕均會有汞，甚至有些劣質的中藥、化妝品裡也會有汞，若未經資源回收就丟到焚化爐去燒，廢氣就會產生汞。但事實上，也不應該於焚化過程排放汞出來；因為焚化爐有污染防治設備，焚化處理過程中，會先將排放的廢熱回收再利用，再經過袋式集塵器、靜電集塵器、滌氣塔等污染防治設備處理粒狀及氣態污染物，這些污染防治設備如果好好執行，汞濃度應該會降下來，但是如果這些操作不當，前端垃圾分類又做得不夠好，焚化爐就會排放汞污染進入大氣環境中。
火力發電廠或是一些燃煤鍋爐的製程之所以會產生汞污染，是因為汞為金屬礦物，煤炭裡可能也含有一些汞。另外，其他工業製程也會有汞，像是早期 PVC 的製程裡，為了從海水提煉氯氣，過程會用汞，所以會有汞污泥，若沒有好好處理，汞也會流散到空氣中。
吸附於空氣懸浮微粒的汞
酸雨裡一定含汞嗎？林教授表示，汞有揮發性，逸散到大氣的過程中就有機會被空氣中的懸浮微粒給吸收，酸雨的成分也有很多是吸收在空氣中的懸浮微粒裡面或以細縣浮微粒型態存在大氣中，酸雨的成分與離子就會吸附汞在那些顆粒上面。汞與酸雨雖沒有很直接的關係，但間接地是在空氣中蒐集到這些懸浮微粒，裡面就可能吸附有汞，並不是酸雨才有汞，平常下雨可能就有。
空氣中的重金屬污染有很多種，例如鉛和鎘。為什麼要特別關注汞呢？林教授說，一般的重金屬諸如鉛、鎘都是固體，只要不直接食用，並不容易進入體內；但是汞有揮發性，可能變成汞蒸氣，不論是以氣體狀存在，或是被吸附在懸浮微粒裡，汞就容易經呼吸途徑進到體內，較為危險。從物質安全資料表 (MSDS) 的毒性資料來看，皮膚接觸汞的確會引起過敏反應，若經由皮膚吸收，更可能引起毒性顧慮！責任編輯：蔣忠益 | 國立高雄海洋科技大學基礎教育中心
審校：林啟燦 | 國立高雄海洋科技大學海洋環境工程系 |
材料科技:超導材料 | 你曾想像過駕駛一台磁浮車懸空奔馳在大馬路上嗎？生活在無摩擦力的綠能世界中是怎麼樣的情況呢？就讓超導體來實現你的夢想吧！什麼是超導
如同大家所知，材料可以依導電性分為導體、半導體和絕緣體，那「超導」材料不就是指導電性超越導體的材料，它真的存在嗎？當許多人聽到這個玩意兒時，一定都會抱著疑問的態度思考著，真的有這種近乎在沒有電阻下流通電流的材料嗎？當然有！荷蘭萊登大學的歐尼斯 (Heike Kamerlingh-Onnes) 教授團隊首先在 1911 年發現，水銀的電阻在 4.2K 時 (約為攝氏零下 269 度，攝氏 0 度 = 273.15K) 突然降低至近乎零 (當時受限於量測裝置的精準度，電阻值在十萬分之一歐姆以下就無法量測)。
當時歐尼斯教授團隊的每個人對這結果都感到訝異，也抱持著懷疑的態度。經過反覆的實驗，並詳實地檢查儀器沒有損壞，確認數據資料無誤後，終於發表了這令人振奮的結果，並取名為「超導性」, 而具有超導性的材料就稱為「超導體」。歐尼斯教授在 1913 年因這項成果獲得諾貝爾物理獎。
超導體的特性
超導體在超導狀態時主要會呈現以下兩個特性：電阻為零–即電流在超導體內部流動時，不會有損耗而能一直流通，成為永久的電流；完全反磁現象 — 若外加磁場在超導體上，超導體會排除磁場，使磁力線完全不能通過，這個現象是在 1933 年由科學家麥斯納發現的，又稱為麥斯納效應 (Meissner effect, 或譯邁斯納效應), 正因為這現象，超導體才可以做為磁 (懸) 浮的應用。
然而超導體要表現出以上兩種超導特性，必須有三個限制條件。一般最為人熟知的限制是「超導臨界溫度」, 這是指當超導體降至某個溫度以下才會呈現超導性，這個溫度就是超導體的臨界溫度。換句話說，超導體的超導現象只有在溫度低於臨界溫度時才會出現，溫度高於臨界溫度時則轉變成電阻不為零的狀態。除了溫度是超導體的限制因素外，磁場和電流的變化同樣會造成超導材料是否具有超導性的限制因素。而溫度、電流和磁場三項因素中，又以溫度的限制對超導性的影響最大。
高溫超導體和磁鐵間的磁懸掛現象
超導體的發展與分類
自從 1911 年歐尼斯發現水銀具有超導性之後，接著許多元素如鉛 (Pb)、錫 (Sn)、鉭 (Ta)、鈦 (Ti)、鈮 (Nb)、鋁 (Al)、釩 (V) 等也陸續發現具有超導性質，但這些材料的超導臨界溫度太低，像具有最高臨界溫度的鈮元素也僅僅只有 9.2K (約攝氏零下 263.8 度)。直到 1930 年代，德國人發現了氮化物、碳化物之類能在十幾 K 時就變成超導體，這是史上第一次發現化合物也能呈現超導性。
接著科學家致力於提升超導臨界溫度，使得超導體能有實際的應用價值。1953 年，芝加哥大學發現新材料釩化矽 (V3Si), 使超導臨界溫度提升至 17.5K (約攝氏零下 255.5 度)。接著科學家馬帝爾斯 (B. T. Matthias) 合成鈮化錫 (Nb3Sn), 更把溫度提升至 18K。爾後經過十餘年的努力，超導臨界溫度最多也只能提升至 23K (約攝氏零下 250 度) 左右。
這時超導體的研究看似已陷入泥沼，前景並不被當時的科學家所看好，主要是因為按照這種發展趨勢，需要至少 200 年，超導體的臨界溫度才能提升至 77K (約攝氏零下 196 度), 即液態氮的沸點溫度。但到 1987 年，發現氧化物陶瓷材料具有超導特性，一舉把超導溫度提升至 77K 以上，這革命性的發現才重新引起科學家投入研究超導體的熱潮。
早在 1930 年代就開啟了氧化物陶瓷材料的超導性研究，如氧化釹 (NdO)、三氧化鎢 (WO3) 等都具有超導性，但這象徵著很不尋常的事情，因為氧化物一般而言是絕緣體，即不是導體，怎麼可能是超導體。直到 1960~1970 年代，科學家在金屬和金屬化合物的超導性研究遇見瓶頸後，才開始把目光投射到氧化物陶瓷材料的研究，如 1960 年發現具有超導性的氧化物鈦酸鍶 (SrTiO3-x), 但臨界溫度大多低於 30K (攝氏零下 243 度)。
1986 年，瑞士兩位 IBM 蘇黎世實驗室的科學家米勒 (Alex Muller) 和班道茲 (Georg Bednorz) 發現了鑭 - 鋇 - 銅 - 氧 (La-Ba-Cu-O) 的氧化物在溫度 36K (約攝氏零下 237 度) 時具有超導性。1987 年，朱經武和吳茂昆二位院士所領導的研究團隊發現了臨界溫度 90K (攝氏零下 183 度) 以上的釔 - 鋇 - 銅 - 氧的氧化物 (Y-Ba-Cu-O), 才開啟了科學史上的新頁！而這時距歐尼斯發現超導現象已過了四分之三個世紀。
以實用的角度來看，這項發現非常重要，因為臨界溫度 90K 高於液態氮的沸點 (77K), 代表可以用液態氮來冷卻釔 - 鋇 - 銅 - 氧的氧化物超導體，使它達到超導態。且空氣中約 80% 是氮氣，因此液態氮的取得容易且便宜 (一公升液態氮約 25 元，比市售的礦泉水和飲料都便宜)。
1987 年後，逐漸發現了更多的鋇 - 銅 - 氧化物的超導材料，目前在常壓下具有最高的超導臨界溫度 134K (約攝氏零下 139 度) 的超導體是 HgBa2Ca2Cu3O8。如果在很高的壓力下 (約 2 萬大氣壓), 則臨界溫度可高達 164K (約攝氏零下 73 度), 是世界最高的紀錄。這一系列鋇 - 銅 - 氧化物的超導體稱為「高溫超導體」, 以與先前的「低溫超導體」有所區隔。由於這類的超導體同時具有陶瓷特性和超導現象，因此又稱為「超導陶瓷」。
近年來更有其他化合物，如在 2001 年發現的二硼化鎂 (MgB2), 在 39K (約攝氏零下 234 度) 時具有超導性，打破了非銅氧化物超導體的臨界溫度紀錄。而且這個超導材料價格低廉且加工容易，可以應用在檢測微弱電磁信號，如探礦、醫療檢測和軍事儀器上。
此外，利用外加電場方式可以使本來絕緣的碳六十 (C60) 碳簇分子在溫度 120K (約攝氏零下 153 度) 時具有超導性，這種方法也可以讓許多不導電的陶瓷材料具有超導性。
在 2008 年時，日本的科學家細野秀雄 (Hideo Hosono) 團隊發現鐵基氮磷族氧化物中部分的氧以摻雜方式用氟來取代，可以使鑭鐵砷氟氧 (LaFeAsO1-xFx) 的超導臨界溫度達 26K (約攝氏零下 247 度)。如果以稀土元素釤取代鑭而形成釤鐵砷氟氧 (SmFeAs [O0.9F0.1]), 則超導臨界溫度可升高至 55K (約攝氏零下 218 度)。
同年，中研院吳茂昆院士發現了另一種鐵基化合物硒化鐵 (FeSe) 在 10K (約攝氏零下 263 度) 具有超導性，同時如果以碲 (Te) 取代部分硒，則臨界溫度可以提升至 15K (約攝氏零下 258 度)。由於硒化鐵系統成分和製程較簡易，並且毒性較低，不像前述發現的鑭鐵砷氟氧或釤鐵砷氟氧含有有毒的砷，而有較高的環境和生物相容性，因此在應用前景上占有優勢。這類含有鐵的化合物卻有超導特性的確受人注目，主要是因為鐵是一般大眾所知的順磁材料。
超導體應用
超導材料可依臨界溫度的高低分成「低溫超導體」和「高溫超導體」, 它們的製程和超導特性有相當的差異。也可依形態把超導材料分成「線材」和「塊材」, 各自衍生的應用也有所不同。線材主要是利用超導零電阻現象傳輸電流和產生超高磁場。在塊材方面，主要是以高溫超導體為主。
最為一般大眾所知的就是超導體和磁鐵之間的磁 (懸) 浮現象，即磁鐵不僅可以憑空浮在超導體之上，也可以完全沒有接觸地懸掛在超導體之下，猶如懸浮在半空中。吳茂昆院士曾戲稱這是「姜太公釣魚，離水三尺」效應。這種穩定的磁浮和磁懸掛現象是自然界所僅見的，會造成這些現象，除了高溫超導體所具有的反磁效應外，更是因具有獨特的釘扎磁場效應所導致的。
高溫超導體和磁鐵間的磁浮現象
超導線材的應用
低溫超導體大多是金屬和金屬合金，主要代表的材料是鈮鈦 (NbTi) 和三鈮錫 (Nb3Sn) 合金，因具有延性，所以容易製備成線材來傳輸電流，或繞成線圈產生超高磁場。一般銅線的安全載流量是 5~8 A/mm2, 利用低溫超導材料所製成的鈮鈦線材，承載電流可高達約 500 A/mm2, 是一般銅導線的 100 倍。但因臨界溫度太低，常需要在液態氦 (He) 下使用，而液態氦的成本高且製備不易，因此近年來高溫超導體也發展製備成線材以便在較高溫度下使用。
然而，大多數具有陶瓷特性 (即延展性不佳) 的高溫超導體是如何製成線材的呢？主要的方法是把高溫超導體以薄膜的形式製備在具有延性的金屬或金屬合金上，而形成高溫超導線材。第一代的高溫超導線材，如鉍鍶鈣銅氧 (Bi-Sr-Ca-Cu-O, BSCCO) 高溫超導線材，承載電流可達 100 A/mm2, 是一般導線承載量的 20 倍，但這種線材在高磁場下使用容易失效。
近來更發展出第二代高溫超導線，如釔鋇銅氧 (Y-Ba-Cu-O, YBCO) 高溫超導線材，它的載流量可達到 10,000 A/mm2, 是一般銅導線的 1,000 倍或低溫超導線材的 20 倍，並可在高磁場下使用。
目前要把超導線材應用在長途的電力傳輸上仍然有技術上的難度，但陸續有許多國家把超導電纜投入電網運作。例如美國在紐約州安裝了世界第一條商用電網的超導電纜，並在 2008 年 4 月通電，這系統能夠發送高達 574 兆瓦的電力供 30 萬家庭用電。
除了美國之外，丹麥、日本和中國也相繼把超導電纜投入電網運行。中國更在甘肅省白銀市架設世界首座超導變電站，站內包含許多利用超導技術製成的超導電力裝置，如高溫超導限流器、高溫超導儲能系統、高溫超導變壓器、高溫超導電纜等。
超導磁浮列車
目前已接近實用化的磁浮列車，都是利用傳統的主動式磁浮系統，主要有兩種類型的磁浮列車。一種是以德國為代表的常導電磁浮，利用電磁鐵所產生的磁場並使用磁鐵間吸引力，使得列車能磁浮在軌道上運行。但受限於電磁鐵能產生的磁場強度，懸浮在軌道的氣隙僅有約 10 mm, 運行速度每小時可達 400~500 公里。
另一種則以日本為代表的超導磁浮列車，利用低溫超導線材纏繞成線圈所製成的大磁場低溫超導磁鐵為磁場源，再利用磁鐵間的吸引、排斥力使得列車可以磁浮在軌道上運行。因為低溫超導磁鐵產生的磁場是電磁鐵的 3~5 倍，使得磁浮的氣隙約為 100 mm, 大概是使用電磁鐵磁浮氣隙的 10 倍。因為有比較大的氣隙，使得列車在運行時較安全，如遇到轉彎時，不易和軌道發生摩擦，速度最快可達每小時 581 公里。
日本超導磁浮車上浮及前進原理 (圖片來源：維基百科)
目前中國大陸西安交通大學製作出世界首輛載人的高溫超導磁浮實驗車，德國和日本相關研發機構也十分重視這成果。由此顯見超導磁浮系統對交通運輸方面的改良，有著很大的發展潛力。
筆者的研究團隊為了推廣科學教育所舉辦的「高中生超導磁浮創意競賽」活動，研發了高溫超導磁浮列車模型。把內置有高溫超導體製成的單晶粒塊材的模型車保持在液態氮的冷卻條件下，磁浮於利用釹鐵硼 (NdFeB) 強力永久磁鐵排列而成的橢圓形軌道上。模型車可以保持固定的磁浮距離，以及無接觸、無摩擦的磁浮特性，因此超導磁浮列車模型可以完全無接觸地磁浮在空氣中。
此外，在模型車上加裝一遙控風扇，就可控制磁浮軌道車的速度和行進方向。這輛模型車目前正放置在高雄的國立科學工藝博物館展出。
為配合國科會科學週活動，筆者的研究團隊也自製超導磁浮莫比烏斯帶 (Mobius Stripe)。它是只有一面的連續曲面，可用一條矩形紙帶扭轉 180 度，然後把端點連接起來構成。利用莫比烏斯帶製成磁鐵軌道模型，配合高溫超導磁浮原理，可設計出一兼具教育和應用價值的超導磁浮軌道。
此外，為推廣新興科技知識，筆者特別製作「高溫超導體」的教學短片，於 Youtube (http://youtube.com/watch?v=Z4XEQVnIFmQ) 公布後廣受全球佳評，至今已有近百萬人次點閱。
超導在風力發電機上的應用
人類利用風力發電的起源甚早，19 世紀末丹麥的科學家保羅 (Poul La Cour) 就建造了世界第一台風力發電機，隨著近年來石油危機和地球暖化的效應，風力發電逐漸受到重視且持續成長。不過在全球的風力發電中，超過 98% 來自陸域式的風力發電機，僅有不到 2% 來自所謂的「離岸式的風力發電」。
簡單地說，離岸式的風力發電是把風力發電機裝置在海上，利用較陸地上大 20% 的海上風力，可以有比陸地式的平均多出 40% 的電力產能，但因為裝置成本是陸地式的 1.5 至 2 倍，至今還無法普及。在風力發電系統中，以發電機占的成本最高，約為總成本的 50%,「超導發電機」的出現正可以解決離岸風力發電機所面臨的安裝成本過高的困境。
利用超導磁線圈所製的超導發電機，可把磁場強度提高至 5~7 特斯拉 (Tesla), 使得發電效率可以較傳統的發電機提高 50%。而且，由於超導線圈會產生強磁場，可以減少了發電機中鐵的使用，因此減輕了發電機的重量和體積，約為傳統發電機的三分之一。超導發電機更具有噪音小、易維護、操作靈活等優點，因此在海上安裝發電機時，利用超導發電機會遠較傳統發電機安裝方便，又能提高發電效率，在成本上更加具有優勢。
超導磁鐵的其他應用
利用超導體製成的大磁場超導磁鐵除了上述應用外，更可以應用在目前常見的醫療設施中，如利用低溫超導線材製成的核磁共振 (nuclear magnetic resonance, NMR) 和延伸出的核磁共振掃描造影 (magnetic resonance image, MRI)。
在 2008 年，超導磁鐵更應用在位於瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機，做為國際高能物理學研究用。這大型對撞機於 2010 年 3 月 20 日首度成功進行粒子撞擊實驗，並創造了高達 7 TeV 的龐大能量。
超導體的遠景
目前至少已有 5 個以上的團體因為超導體的相關現象、理論、材料等研究突破而獲得諾貝爾獎。
因為超導體材料對於未來電力傳輸、高效率馬達、發電機、醫療診斷設備、微波通訊、高速電腦、磁浮列車、能量儲蓄轉換等產業具有革命性的影響，各工業先進國家莫不以製成優異性能的超導體材料為研究發展目標，以期在未來的超導體材料應用工業中占有領先的地位。而且，高溫超導體的發展歷史不過十多年，未來的發展仍有相當大的空間。一些專家甚至認為超導體未來可以產生媲美半導體和雷射科技對電子和資訊產業的影響，許多新的應用也會逐步實現。 |
空氣汙染會引起心血管疾病? | 空氣汙染是大眾與環境健康的重要議題，估計每年有 700 萬人因而天年不遂。空汙奈米粒子對心血管的傷害，已有流行病學證據。交通工具排放的奈米微粒仍然是大眾健康的主要議題。十多年前，英國愛丁堡大學的團隊證明，健康的人即使是短時間曝露在高濃度的柴油引擎廢氣中，都會造成心血管功能異常。而長期曝露在空汙微粒中，會促成動脈硬化。
不過，科學家對空汙微粒的致病機制仍然不清楚。有人推測，空汙微粒會穿透肺泡上皮組織進入循環系統，直接導致心血管病變。發炎反應可以促進這個過程，例如提升肺泡壁的通透性。可是由呼吸道進入身體的奈米微粒很難偵察，因為它們不僅體積小，質量也很低，一般的偵測技術沒有那麼高的靈敏度。
於是愛丁堡大學團隊使用金子的奈米粒子做實驗。黃金是惰性金屬，純金並無毒性。研究人員找到 14 名健康男性參加實驗，每一位都在空氣中有奈米金粒的房間中間歇地運動兩小時。運動前後都採集血液，然後每隔一段時間採集一次，直到第 24 小時；同時也採集尿液。3 個月之後再採集血液、尿液一次。
結果，有幾位志願者在房間裡只待了 15 分鐘，血液裡就能偵測到金子。24 小時後，絕大多數人 (12∕14) 都能偵測到。3 個月後，血液、尿液裡仍然可偵測到金子。此外，奈米粒子在人體內的轉移由它們的大小決定，越小的轉移能力越大。
研究人員再以小鼠做實驗，證實進入血流的奈米金粒在主動脈弓的血管瘢塊中累積的最多。最後研究人員找到 3 位病人，在頸動脈疏通手術之前讓他們吸入奈米金粒，然後檢驗切下的組織，證明血流中的奈米金粒會堆積在血管內壁瘢塊裡。
參考資料
Miller, M. R., et al. (2017) Inhaled nanoparticles accumulate at sites of vascular disease. ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.6b08551. |
空氣汙染 | 全球而言，空氣汙染是第五大健康風險因子。大氣汙染物中，氣懸膠體是最容易察覺的健康、氣候因子，而揮發性有機化合物 (VOCs) 是形成氣懸膠體的原料。VOCs 在出現氮氧化物 (如一氧化氮、二氧化氮) 的環境中氧化會形成臭氧，也是呼吸疾病因子。因此找出 VOCs 的主要來源，制定法規管制，是公衛政策的重要環節。
過去，都市空氣裡的 VOCs 主要來自汽車排放的廢氣。環保意識高漲後，法規越來越嚴格，汽車排放的汙染物大幅下降，於是其他汙染源的管理成為新的問題。一個美國團隊發現，現在美國大都市的空氣裡，來自石化消費品的 VOCs, 分量已經達到化石燃料的一半。那些石化消費品包括殺蟲劑、界面活性劑、印表機墨水、黏著劑、清潔劑、個人保養品等。
空氣中 VOCs 的來源發生變化之後，帶來了棘手的管理問題。第一、VOCs 無法視為「一種」汙染物，不同的石化物產生 VOCs 的化學途徑、半衰期各不相同，光是蒐集基本資訊便不容易，汽車廢氣則不妨視為「一種」汙染物。第二、汽車廢氣主要在公共空間中排放，其他石化消費品則是在私人空間中釋出 VOCs, 公衛機構難以監控。
參考資料
Lewis, A. C. (2018) The changing face of urban air pollution. Science, 359, 744-745. |
空氣汙染物聯網 | 環境空氣的良窳是人們生活品質的重要指標之一，近年來環保單位不遺餘力地監測與控制空氣汙染，使空氣品質惡化的現象逐年趨緩。然而仍有些廠商為圖更高的利潤，利用夜間或不定時關閉汙染防治設備來排放廢氣，造成環境空氣惡化，致使民怨四起，也讓環保人員疲於奔命。對這個令人苦惱的問題，相關單位積極尋求改善的方法。
近年來物聯網 (Internet of Things, IoT) 科技迅速發展，把各種感測器與生活所使用的物件連結，並透過網路進行資訊的交流，提供各種服務需求，如智能交通、智能居家、災害監測等，讓生活越來越便利，也逐漸改變了我們的生活型態。目前物聯網技術也廣泛運用於環境空氣品質的議題，如透過空氣汙染感測器，當空氣汙染超標時，能即時通知或自動啟動空氣清淨機等智能功能，提供生活所需的各種協助。
然而目前物聯網技術的應用大都傾向於當空氣汙染發生時被動地採取防護措施，而無有效解決空氣汙染之道，使得環境空氣汙染事件仍層出不窮。這個落差主因是空氣汙染看不見也摸不著，需要地毯式地大量設置空氣汙染感測器，以檢測並防制，使得所需成本過高。另一方面也欠缺強而有力的元件可用以追蹤汙染源的擴散和汙染物的種類，使得目前物聯網技術對於空氣汙染防制與維護空氣品質的功效仍有限。
對此，國內的學者結合物聯網技術與地理資訊系統 (GIS) 開發了一種新穎的光學雷達∕光達 (LIDAR) 系統，能快速呈現汙染源和汙染物擴散的範圍，有效協助環保單位進行空氣汙染的監控與防制。這套系統突破傳統監測模式所提供的服務，可提供相關人員更多樣性、更具時效性與更有效的服務，預期有利於提升環保相關單位的監控、防制與空氣品質預警等能力。
空氣汙染監測光達
國內自 2009 年開始由產、官、學、研合作，自製開發了各式光達系統，主要目的是監測環境空氣汙染，提供空氣汙染分布的情形，協助環保單位維護空氣品質。光達是以雷射為工具的一種遙測技術，其原理是利用待測位置的介質做為散射體，接收其背向散射的光訊號以測量介質的特性。由於不需外加任何反射裝置，因而系統具有遙測的功能。
雷射可用以測量是基於雷射光具高度單調性與平行性，並可產生極短脈衝，而能提高測量的精確度。至於其對空氣汙染監測的原理，則是取雷射光穿過空氣汙染時會與汙染物交互作用，而可得到空氣中汙染物的各種即時訊息。因此利用雷射遙測技術可涵蓋廣泛的面積，且有機動、即時的優點，可針對大氣的局部環流特性、空氣汙染物的傳輸與濃度的變化等蒐集資訊。
目前光達系統已應用於工業區空氣汙染排放的監測。把光達系統架設於制高點，一般是大樓屋頂，除可大範圍掃描外，也可快速篩選汙染排放的熱區，測得的資訊可套疊至地理資訊地圖，協助環保人員快速掌握汙染源的位置，並迅速到達現場即時處理空汙事件。光達設備也設有攝影裝置，可隨掃描式光達同步錄影，保存汙染事證。
物聯網應用於環境汙染
以往對空氣汙染防制的方式，通常需環保稽查人員依工廠登記、製程、民眾檢舉等逐一清查，因此造成稽查人員疲於奔命，卻又成效不彰，時常引發民怨。
本文介紹一個目前進行實證中的新方法，利用先進的光達遙測設備結合汙染感測器和物聯網技術，運用於空氣汙染的防制。這系統已施用於 2017 年的世界大學運動會 (世大運), 並有效維護了選手村的空氣品質。
世大運開始前，光達設備已先架設於林口工業區附近的制高點，用以監測汙染排放的熱區，並在工業區到林口選手村的路途中設置微型感測器。對於汙染排放明顯的管道，則另設有連續的偵測器以監控汙染物的排放，並把資訊送交雲端蒐集與交流。一旦偵測到該區汙染物排放超標，就會警示稽查人員戒備，並密切觀察傳送路徑上的微型感測器所量到的汙染濃度狀況。
若靠近林口工業區的汙染濃度與林口選手村的濃度具高度相關性，並與當時風向一致，就表示汙染已在傳輸。這時系統會立即進行汙染源的追蹤與定位，並通知稽查人員管制被鎖定的工廠。這防制措施顯示 2017 世大運期間的空氣品質相較於非世大運期間改善約 15%, 顯然透過這個技術可有效減少汙染的排放，維護空氣的品質。
利用物聯網技術把光達環境監測的結果，如汙染排放的位置與濃度、於監測中出現汙染排放超標的情事，都可利用空氣汙染物聯網行動稽查應用程式 (APP) 自動發送訊息給預設的人員，以利他們查核。行動稽查 (APP) 未來也可把監測資料，藉由雲端資料庫讓廠商業者自行上網，了解自家工廠汙染排放的情形，以便自我管理，或讓民眾了解自家環境的空氣品質等，達到環保無假期隨時監控的目的。
空氣汙染物聯網除應用於空氣汙染防制外，目前也有業者進行相關的汙染防制。如鋼鐵業每天都會使用大量的粉狀物料，這些物料大都露天堆放，造成堆料場大量揚塵，不僅形成粉塵汙染還損失了物料。
目前常見抑制揚塵的措施是用噴霧灑水、噴灑化學防塵劑或設置防塵柵網等。但堆料場揚塵逸散的範圍、濃度變化、逸散時間等資訊仍無法精確掌握，若能利用這光達系統與空氣物聯網技術，將可追蹤和定位揚塵逸散位置、超標時間等資訊。當料堆揚塵逸散面積擴大時，即時通報相關人員採取噴灑水的措施，或可有效抑制揚塵議題的困擾。
把先進的光達遙測設備結合地理資訊系統，可快速呈現汙染源和汙染物擴散的範圍，若再以物聯網技術連結各項感測器迅速整合資訊，將能大大提升稽查管制的效能，有效杜絕汙染源以維護空氣品質。這項新技術的應用，不僅在空氣汙染防制上提供了一個更具效率、方便，且不受時間、空間與人力限制的方法，也節省了龐大的設備經費，使環保單位在實際監測過程中，能更有效率地擬定相關政策和維護空氣品質。 |
石化巨人:石油公司的永續發展 | <油公司秉持企業永續發展的精神，長期致力改善廢水、空氣、噪音、固體廢棄物、土壤地下水等環境汙染問題。近年更積極推動二氧化碳盤查及減量工作，所有新興投資計畫都採用國際最佳可行技術與設備，以減輕各生產及輸儲過程中所造成的汙染。各種油品 (圖片來源：種子發)
此外，積極提升油品品質，以達成整體環境保護的目標。自 1995 年起推動 ISO 14001 環境管理系統的建置，累計 20 個單位通過 ISO 14001 驗證。另總公司於 2017 年 11 月通過 ISO 14001:2015 年版轉版重新評鑑驗證，其他單位預計於 2018 年底完成 2015 年版的轉版；2004 年起建置全公司環境會計系統、建立各項環境績效指標，持續提升環境改善績效。
從滿足生活所需到經濟發展的推手
中油公司自成立以來就肩負充分供應國內民生所需能源的任務，歷經多年來發展，石油的煉量已從最早的日煉量兩萬桶，最高曾達到每日 72 萬桶。產品並從早期的汽油到目前的天然氣、液化石油氣、汽油、柴油、航空燃油、煤油、燃料油、柏油、溶劑油、潤滑油脂、石化原料等。汽柴油的產量也從當時的數十萬噸，成長至今的 1.5 千萬噸∕年。
而石化基本原料供應更幫助國內打造成國際強大的石化王國，在 90 年前後的我國經濟發展中扮演重要角色。中油公司不再只是滿足民生活所需的能源需求，更是伴隨國內經濟發展的重要推手。
品質提升 沒有白吃的午餐
不只產量上巨幅成長，我國油品品質也有很大的提升。以汽油的無鉛化為例，過去四乙基鉛一直是扮演汽油辛烷值強力增強劑的角色，由於有機鉛對人體健康的危害，以及對於觸媒轉化器中觸媒的毒害，中油公司配合製程改善、引進替代的甲基第三丁基醚 (MTBE) 辛烷值增強劑，逐步推出各種標號的無鉛汽油，全面清洗油槽與管線。前後歷經 20 年時間，終於完成汽油全面無鉛化的任務。
隨著車輛引擎技術發展、化油器汰換、觸媒轉化器的應用，以及高壓縮比、高性能引擎的辛烷值要求，後續有汽油添加劑的添加，以及高標號 98 無鉛汽油，中油公司都能適時推出，使我國油品品質一直位列全球高品級油品。
另舉汽、柴油品低硫化的推動時程來看，2000 年時環保署管制汽油硫含量分成 100、150 及 275 ppm 三個等級並收取不同空汙費，2007 年分別降至 10、30 與 50 ppm,2012 年則全面供應 < 10 ppm 的超低硫汽油。同年我國也開始全面供應硫含量 10 ppm 的超級柴油，使我國與歐盟及美國躋身全球最嚴苛汽、柴油規範的地區。
這看似簡單降低油品硫含量的舉動，卻需要投入數百億經費，更改既有的加氫脫硫製程、更換觸媒，以及調高反應的溫度與氫壓，因為油品殘存的含硫化物大多是不易裂解脫除的環狀硫化物。而這些超低含硫油品反而因為失去這些具天然潤滑能力的含硫成分，而需額外添加增黏劑。
汙染防治到全民健康的維護 <油廠所產生的汙染，包含空氣汙染、水汙染及土壤與地下水汙染。空氣汙染大致可分為點源燃燒排放及逸散排放，空汙影響空氣品質，直接影響作業員工與廠區周圍居民的健康。尤其近年來 PM2.5 的粒狀汙染物對健康危害的議題，更引起全國的關注。近年來都市空氣汙染日益嚴重 (圖片來源：種子發)
對於空氣汙染防治包含硫氧化物、氮氧化物、揮發性有機物與改善臭味源各個面向。主要對策如下：落實工廠揮發性有機物 (VOC) 的防治工作，包含設備元件檢測、修護改善、儲槽清洗、VOC 排氣回收等；連續自動監測設施進行工廠煙道廢氣汙染管控；增設汙染防治措施，以降低硫氧化物、氮氧化物、粒狀物的排放汙染；建置廢氣燃燒塔廢氣回收系統，以降低工場不必要的廢氣排放；增設廠區周遭空氣品質監測站，監控廠區周圍的空氣品質，落實空氣汙染防制項目；新設工場採用最佳的技術，從源頭降低汙染的產生。
由於近幾年國內空氣品質快速惡化，因此特別加強煉化廠空氣汙染防制措施，做法如下：全面優先選用乾淨燃料；製程操作改善─包含改進燃燒技術與控制參數，增加燃燒的效率；廢氣回收─加強各壓力控制閥及安全閥設備檢修，以減少製程廢氣排放，並加強工場高壓自產氣與低壓自產氣回收；加裝空氣汙染防制設備─如加裝靜電集塵器或袋式集塵器移除粒狀物、加裝排煙脫硫設備移除硫氧化物、採選擇式觸媒還原法移除氮氧化物、採非洩漏型元件及冷凝、吸收、薄膜等技術移除揮發性有機物。
依據 101 年至 105 年中油公司向主管機關申報的排放量資料，五年來粒狀物削減率達 64%、硫氧化物 (SOx) 削減率 63%、氮氧化物 (NOx) 削減 38%, 以及揮發性有機物削減 39%。顯示透過各項防制改善，各廠排放減量成果顯著，且排放量都遠低於法規標準。
身為國營企業，汙染防治不只為符合法規要求，更期許為全民健康維護善盡企業責任。除持續改善外，刻正推動鍋爐全面選燒乾淨燃氣計畫。目前僅桃廠及林園廠尚存油氣混燒鍋爐，預計於 110 年完成汰舊後，正常操作就可達成全面使用氣體燃料的目標。
從廢水汙染防治到水資源管理
< 般煉油廠廢水主要可區分成特殊廢水、製程含油廢水、公用區無機鹽類廢水、廠區生活廢水、地表逕流水等五類。主要的汙染物是石油所含的有機成分，放流水監測重點是化學需氧量、油脂、懸浮固體、phenol、氨氮等。中油公司廢水汙染防治的重點是：更新或擴充原有的廢水處理系統，提升放流水品質；持續進行廢水源頭減廢及減量工作；設置暴雨截流系統進行雨汙水分流；部分廢水經三級處理予以回收再利用；增設放流水與冷卻水的回收再利用設施，以實施廢水減量；加強酸水汽提塔運轉效能，降低廢水的硫化物含量。煉油廠與石化廠廢水回收再利用流程圖
台灣因地形因素，河川遇雨短而急，平日則乾涸，蓄水不易；加上工商業發展，使得台灣地區用水需求量不斷增加，水資源短缺問題日顯嚴重。為達到水資源的有效利用，積極推動水資源管理，加強工業用水回收再利用，以落實節約用水的改善措施。
從節能減碳到綠色管理
地球暖化造成颱風等極端氣候頻繁發生，根據國際組織「德國監測」(Germanwatch) 在聯合國氣候變化綱要公約第 23 次締約方會議上發表的 2018 年全球氣候風險指數，台灣高居全球第 7 位，顯示氣候變遷與我們切身相關。我國於 104 年通過溫室氣體減量管理法，明定至 139 年較 94 年減量 50% 的目標，並向國際宣示至 119 年將較 94 年減量 20% 的國家自主減量 (NDC) 目標。
< 油公司是國營企業，橫跨能源與石化兩大產業，配合政策推動溫室氣體減量責無旁貸。為落實節能減碳，自 94 年起開始全公司溫室氣體排放量盤查及查證、推動工廠節能計畫，並配合工業局進行產業自願減量。全公司排放量由 94 年 1,158 萬噸已降至近三年平均的 833 萬噸，減量逾 25%, 全國排放占比由 94 年的 4.0% 降至 104 年的 2.9%。中油公司的溫室氣體減量成效
為達成國家減量目標，除已訂定 119 年較 94 年實質減量 30% 的階段性減碳目標，並提出煉油廠及石化廠的能效提升計畫。預估至 119 年，煉油及石化廠總能效可分別提升 7.7% 及 10.6%, 減碳效果將可達 75 萬公噸。
其他做法包括推動太陽光電系統設置，規劃至 114 年於廠區建築與全國自營加油站設置 250 座目標總容量 10.5 MW 的太陽光電系統；推動辦公室、營業據點全面汰換省電照明燈具；配合政府推動綠色運具政策，預計未來 3 年投入機車的電池交換、充電服務等多項計畫。
另外，一直致力提高天然氣輸儲能力，推動低碳能源使用。液化天然氣供氣能力由 93 年的 400 萬噸提高至目前的 1,450 萬噸，每年約減少全國 760 萬噸 CO2 排放。預計 119 年配合台中廠擴建及第三接收站計畫完成，LNG 進口將再提高至 2,700 萬噸，可協助大幅降低全國總排碳量。
除積極推動節能減碳，落實溫室氣體減量相關法規外，更積極配合政府推動天然氣供應計畫、加強資源整合、推廣低碳燃料及生質能源的使用、投入綠能加油站充電服務，並加強綠能產業發展規劃與推動，以及投入碳捕獲封存技術的研發，以邁入產能、儲能與供能一體的綠能整合管理，落實低碳的永續環境，幫助達到國家減碳的目標。 |
揮別陰霾,無煙歡慶活動安全健康又環保 | 煙火施放會使空氣中懸浮微粒增加。(圖 / 種子發)
民俗節慶活動的潛在風險
成長於臺灣，每年總有多項節慶歡樂活動令人嚮往，更是成長歷程中的美好記憶。然而若在歡慶時分，忘卻了安全與健康，人生憾事也會伴隨無限時日。國內近年興起彩色路跑活動，添增樂趣於健身活動中，也是好事一樁。辦理這項國際間普遍的活動須嚴謹考量甚多安全與健康因素，在國內卻因無知或因循怠忽，導致發生八仙樂園派對粉塵爆炸事故，傷亡甚眾，實令人痛心。
能不能以更聰明而謹慎的方法辦理節慶活動，讓大家快快樂樂地參加，平平安安地回家？從這次彩色派對的憾事，我們要習取教訓，才能讓未來的每一次節慶歡樂活動只有歡笑、安全與健康，沒有遺憾。
回顧這次「彩色派對」活動衍生的意外事件，疑似因主辦單位以玉米澱粉及食用色素所製作的色粉灑布地面並瀰漫在空氣中，引發閃燃並造成塵爆，而迅速燃燒擴及活動區域，導致參與活動的人員閃避不及而遭受嚴重傷害。原意良善的活動與行為卻因思慮不足而造成遺憾，當非所期。類似情境在國內，不禁聯想拜香、燃燒金紙、燃放鞭炮、施放煙火等民俗節慶活動是否也有相同的危害與風險？值得大家深思。
高濃度粉塵環境的危險性
上述民俗活動與彩色派對疑似閃燃事件與空氣中瀰漫高濃度粉塵微粒有密切關係。當可燃性粉塵微粒與空氣混合形成可燃混合氣體時，若遇明火或高溫物體，極易著火而傾刻間完成燃燒過程，釋放大量熱能而使燃燒氣體體積猛烈膨脹，形成很高壓力而向四面八方傳遞，造成大範圍的影響。有時候粉塵微粒濃度雖還不致引發塵爆，但參與活動人員吸入高濃度微粒，對健康危害仍大。因此，有效預防仍屬必要。
氣體與粉塵混合物的爆炸難易受多項因素影響，如引燃溫度、最小引燃能、最低爆炸濃度、氧化反應產生氣體量、升壓率等。一般狀況下，粉塵濃度不足以燃燒爆炸。彩色派對色粉的成分由玉米澱粉、食用色素粉混合而成，澱粉粒徑介於 2 ~ 30 μm。一般而言，粉塵粒徑在 100 μm 以下就有爆炸可能，玉米澱粉粒徑恰好在這範圍內，安全防範尤須留意。粉塵爆炸所需最小能量是 10-2 ~ 10-3 Joul (10 mJ 左右), 而玉米澱粉最小引燃能量是 0.3 mJ, 在高濃度環境中，一個足夠強度的熱源就可能形成粉塵爆炸意外。
粉塵爆炸有幾個特點:
延遞速度極快，甚難閃躲；初始爆炸氣浪可能使沉澱粉塵揚起而產生連續爆炸，造成大範圍傷害且爆炸感應期長達數十秒，傷害嚴重性增大；可能產生毒性氣體危害健康。
呼吸系統中，不同粒徑微粒附著部位示意圖；左上為 PM10 和 PM2.5 微粒的尺寸比較示意圖。(圖 / US EPA)
民俗活動的空氣汙染
此外，許多民俗活動常造成煙霧瀰漫現象，如拜香、燃燒金紙、燃放鞭炮等，在寺廟建蘸、神祇繞境、烽炮節慶、清明祭祖等傳統民俗，也會造成局部區域短期高濃度微粒問題，不但影響參與活動的人員，也影響臨近區域民眾的健康與生活品質。
寺廟燒香造成細懸浮微粒濃度超高，除影響在廟內活動的人員外，煙霧也會擴散至廟外而影響一般民眾。研究顯示，寺廟內懸浮微粒 (PM10) 濃度約為 620 μg∕m3, 細懸浮微粒 (PM2.5) 濃度約為 500 μg∕m3, 約為一般大氣環境中濃度的 5 ~ 10 倍，較一般居家環境的濃度高出 5 ~ 15 倍。
此外，寺廟內的空氣也含高濃度危害人體健康的其他成分，如甲醛、乙醛、多環芳香烴 (PAHs)、揮發性有機化合物 (VOCs) 等，寺廟內的濃度高出一般大氣環境中濃度的 10 ~ 30 倍，也是都會區大氣環境中濃度的 10 ~ 15 倍，不亞於車輛與工業排放所造成的影響。在家燒香也會面臨相同的問題，若門窗密閉，會使室內 PM10 的濃度增高為 390 ~ 730 μg∕m3, 門窗打開通風時，室內 PM10 的濃度則增高為 150 ~ 190 μg∕m3, 兩者濃度約為戶外大氣環境中濃度的 5 ~ 20 倍。
此外，民俗活動進行期間，拜香、燃燒金紙、燃放鞭炮等行為也會造成空氣汙染物濃度明顯上升的現象。調查研究顯示，神祇繞境活動進行期間，當地空氣汙染物的濃度上升為平時濃度的 2 ~ 3.5 倍，細懸浮微粒、甲醛、乙醛、多環芳香烴、揮發性有機化合物、重金屬等有害人體健康成分的濃度也明顯增高。
在民俗元宵蜂炮活動期間的調查研究顯示，附近區域大氣懸浮微粒濃度是平時的 2 倍，SO2、CO、NOx 濃度也明顯增高。由此推論，在活動區域內空氣汙染物的濃度可能升高達數十倍到上百倍，相當於在短時間吸入數天的汙染量，對健康絕無益處。
國內外常在歡慶活動中施放高空煙火，對環境與健康是否有影響也值得探討。調查研究顯示，施放高空煙火的時段，地面空氣懸浮微粒 (PM2.5) 的濃度可增高 5 ~ 16.6%, 微粒的金屬元素濃度 (Mg、K、Sr、Pb 等) 可以是背景時段濃度的 10 倍以上。金屬元素的來源可能是煙火的氧化劑、燃料、延時劑等，這些金屬元素的背景環境濃度都很低，由施放高空煙火所導致的增幅就很顯著。高空煙火燃放所產生的汙染一般會在幾個小時內消散，地面短時間高汙染濃度值明顯受大氣擴散的影響。
轉念與科技，預防粉塵微粒的危險
就彩色派對衍生粉塵爆與燃燒傷害的案例而言，加強安全防範顯然是首要的。若能不採用噴灑彩粉，改以彩飾方式，依然可獲得絢麗歡慶之樂；若仍要噴灑彩粉，則可從加強防止粉塵爆炸著手，包括：控制粉塵顆粒大小與物理化學性質、降低粉塵濃度、消除火源、增加溼度。
國外執行相關活動時限用添加阻燃劑的彩粉，限制使用彩粉量於安全範圍內，管制任何可能造成閃爆的火源或其他因素，因此從未聞有意外事故。嚴格遵守安全準則是確保不發生意外的不二法門。
針對其他民俗活動所衍生粉塵微粒潛在危害的防制，「源頭禁絕」的做法最為有效。臺北市行天宮已執行宮內禁止燒香，從前煙緲籠罩擾人的情境已不復見，崇天敬神，虔誠之心為上；歐美日等國，教堂、佛寺多肅穆清新，鮮有香煙飄渺，置身其間，心靈靜穆安止，並未因無拜香生煙而減損對上蒼的崇敬，更得健康守護。
國人燃香敬祭的習慣已久，短期難改，但減少燃香量可減輕汙染。此外，和傳統拜香比較，採用環保物質拜香可大幅減低二氧化氮、一氧化碳、微粒排放量，也可減輕暴露效應。在通風良好的場所拜祭，或在人潮稀疏時段拜祭，都可避開高濃度狀況，減少吸入汙染物。
相關節慶歡樂氣氛可以伴隨我們留住長久美好記憶，也是文化傳承的歡樂要素，因此完全禁絕並不可能。惟為了減低在歡慶活動中產生微粒與各種空氣汙染物的危害，研發環保煙花試劑、遠離高濃度區域、使用高效率防護口罩減少吸入汙染物等都是可行的方法。美國迪士尼樂園的璀璨煙火在夜空中的多彩虹輝是許多人成長中的夢幻記憶，近年來迪士尼發展環保煙火，大幅減輕汙染，留住了健康，也留住了無限美好的回憶。
轉念與科技，無煙的歡慶民俗，讓我們體會文化的喜悅，也讓我們更安全、更健康、更環保。 |
生活中的神燈–觸媒:改善環境的仙丹 | 一般人大多認為，觸媒只應用在石油化學或特用化學品的工業製程中，事實上，觸媒已廣泛地應用在人類居家生活環境上，主要的目的是用來改善人類居住環境品質，而改善生活環境的方式並不局限於利用觸媒的催化反應，有時是利用吸附劑去除臭味或有害氣體。因此，本文除了介紹目前已普遍應用或未來可能應用於人類生活的觸媒外，也將介紹兼具催化與吸附功能的活性碳。
汽車觸媒轉化器
由於生活富裕，臺灣平均每個家庭幾乎都有一輛汽車，臺灣汽車總數將近五百萬輛，且每年銷售的新車數亦達四十萬輛，這麼多車輛排放的廢氣若未經處理，會造成嚴重的空氣污染。
我國環保署參照美國聯邦環保法規所制定的汽車排氣法規，幾乎是全世界最嚴格的排氣標準。管制的排放污染物有一氧化碳 (CO)、氮氧化合物 (NOx) 及碳氫化合物 (HC), 其中以管制氮氧化合物與碳氫化合物排放量最重要，因為它們經由陽光照射後很容易生成光化學霧，而造成嚴重的空氣污染並危害居民的呼吸道系統。
為了有效控制污染物的排放，汽車都裝置了一套排氣污染控制系統，它包括含氧感知器、電腦控制單元、燃料電噴系統及觸媒轉化器。觸媒轉化器一般都安裝在駕駛座正下方位置，形狀類似消音器，其橫切面呈橢圓形或圓形。
含氧感知器主要功能是偵測、調節與控制引擎燃燒的相對空燃比值
λ = (空氣 / 燃料) 實際空燃比 /(空氣 / 燃料) 化學計量比
提供一適當操作範圍，使觸媒對於碳氫化合物、一氧化碳及氮氧化合物的去除率大於 80%。相對空燃比 λ 會影響觸媒轉化器對於碳氫化合物、一氧化碳及氮氧化合物的去除率，當 λ > 1 即氧過剩時，觸媒對於碳氫化合物及一氧化碳的轉化率很高，但對於氮氧化合物的轉化率則不佳；相對地，λ < 1 即氧不足時，觸媒對於氮氧化合物的轉化率很高，但對於碳氫化合物及一氧化碳的轉化率會下降。汽車排放廢氣中的污染物，滯留在觸媒轉化器中的時間不及 0.1 秒，在這麼短的時間內要將碳氫化合物、一氧化碳及氮氧化合物轉化為無害的氣體，轉化器除了必須含有高催化活性的觸媒外，還要具有低壓降的特性。
這些污染物在觸媒活性物質表面上發生一連串氧化及還原化學反應。基本上，碳氫化合物、一氧化碳與氧在觸媒表面上發生氧化反應產生水及二氧化碳，而氮氧化合物則被碳氫化合物、一氧化碳及在觸媒轉化器中產生的氫氣還原成氮氣。由於轉化器中的觸媒必須具備同時轉化碳氫化合物、一氧化碳及氮氧化合物的功能，所以被稱為三元觸媒。
為了減低壓降，觸媒轉化器大多是以壓降小、機械強度高的蜂巢狀陶瓷基材為載體。為了提高觸媒轉化器的催化活性，必須提高觸媒活性及增加活性物質的總反應面積，而貴重金屬活性物質如鉑 (Pt)、鈀 (Pd) 及銠 (Rh) 正具備高活性與高抗毒化的特色，為了增加總反應面積須先將高表面積的氧化鋁、二氧化鈰及其他添加劑塗布在陶瓷蜂巢狀基材上，再將貴重金屬活性物質分布在其表面上。
觸媒活性物質中的鉑及鈀對於碳氫化合物及一氧化碳的氧化活性較高，銠對氮氧化合物還原反應則具較佳的活性，此外鈀尚具有低溫起燃的特性。為了同時兼顧觸媒對於碳氫化合物、一氧化碳及氮氧化合物的轉化率，汽車引擎燃燒室的空燃比設定，是以 λ=1 為準，在其上下調控。
為了減緩氧不足或氧過剩對於觸媒轉化率的影響，觸媒含有二氧化鈰 (CeO2), 它具有儲存氧的功能，氧不足時二氧化鈰會釋出氧而形成三氧化二鈰 (Ce2O3), 當氧過剩時三氧化二鈰又會被氧化成二氧化鈰，由於鈰可隨排氣狀況迅速在 Ce3 + 及 Ce4 + 離子態之間轉換，因而具有儲氧與釋氧的功能。
機車觸媒轉化器
國內有將近一千萬輛的機車，同樣有排氣污染的問題，機車排放碳氫化合物和一氧化碳的濃度比汽車高，但氮氧化合物則較低。為了降低機車排氣污染量，國內所有新車都須加裝觸媒轉化器，臺灣機車排氣法規是全世界最嚴格的，常為各國立法學習的對象。
基本上，汽車與機車觸媒轉化器的功能與製備方式相似，但因為機車避震效果不佳，蜂巢狀陶瓷基材經長期使用容易碎裂，所以機車觸媒轉化器採用蜂巢狀金屬基材為載體，它的壓降更小。金屬載體的材質為鐵 - 鉻 - 鋁 (Fe-Cr-Al), 其上負載鉑、鈀及銠，鉑與鈀扮演催化碳氫化合物和一氧化碳氧化的角色，而銠具有催化氮氧化合物還原的功能。觸媒轉化器置於機車排氣管中，由於碳氫化合物及一氧化碳的氧化屬放熱反應，使得觸媒中心溫度大多高於攝氏 500 度以上，因而機車排氣管都必須有防燙措施。
光觸媒
每位從事觸媒研究的人員，都企圖研發在常溫即能發揮催化功能的觸媒，而光觸媒正具有此神奇效果。光觸媒大多屬半導體材料，如二氧化鈦 (TiO2)、氧化鋅 (ZnO) 及氧化鎢 (WO3) 等，其中以二氧化鈦的光催化活性最高。
光觸媒的催化程序包括：(1) 紫外光照射引發活性點 (e-,h+) 產生；(2) 活性點捕捉反應物，產生氧化與還原反應；(3) 活性點重新結合；(4) 活性點在界面間傳遞。光觸媒催化活性直接受到活性點產生總數、傳遞速率、以及 e-/h + 再結合速率的影響，通常光觸媒顆粒愈小 (奈米化), 觸媒表面積愈大，有助於光觸媒的催化活性，但是當光觸媒顆粒太小，觸媒表面缺陷多，反而會因 h+/e - 表面再結合機率增加而降低觸媒活性。
另一方面，當光觸媒顆粒太大 (約 100 奈米) 時，e-/h + 在傳遞過程中容易在顆粒體積內再結合，也會降低催化活性。因此活性最佳的光觸媒顆粒有一定大小，不是愈小愈好，通常顆粒粒徑為 10 奈米的光觸媒催化活性最高。
二氧化鈦表面經照射紫外光可以產生親水性特性，降低水滴與二氧化鈦界面的接觸角，使得水滴可以完全分布。由於奈米化的二氧化鈦不會遮蔽光線，而且水滴可以完全分布在二氧化鈦表面上，因此若將二氧化鈦塗布在玻璃上，不僅具有防霧的效果，且水中污染物或髒東西還可被其分解，若不能分解也可以直接用水沖洗，而達到自潔的效果。
日本已將二氧化鈦光觸媒應用在空氣清淨機、抗菌纖維、空氣污染防治、建築物外牆除污、自潔式帳蓬及馬桶、超親水性塗料等領域。雖然，光觸媒可應用於自潔、抗菌、除污及空氣清淨，但是光觸媒的效果優劣完全取決於照射紫外光 (UV) 的強度。
一般戶外晴天太陽光中紫外光強度約為每平方公分 1 毫瓦 (mW/cm2), 雨天或傍晚時紫外光強度降為每平方公分 100 微瓦 (μW/cm2), 而室內日光燈的紫外光強度僅及每平方公分 1 微瓦。紫外光強度直接影響光觸媒的除污及親水性效果，若要將光觸媒應用在室內，必須改善觸媒催化效率及發展可見光觸媒材料。
目前市售二氧化鈦光觸媒大多需經紫外線照射才能發揮催化特性，然而日光燈與太陽光光譜是以可見光區為主，紫外光在太陽光譜中所占比率尚不及 5%, 若能研發可見光觸媒材料，方能更為有效地將光觸媒擴大應用於室內及相關用途上。於是諸多學者汲汲於研發可見光光觸媒，目前研究方向有：(1) 使用能階差小的半導體材料，如硫化鎘 (CdS)、硒化鎘 (CdSe);(2) 在紫外光光觸媒中添加染料感光劑；(3) 在二氧化鈦組成中摻入過渡金屬。
前兩者分別有材料毒性強、染料感光劑分解損失的缺點，而在二氧化鈦組成中添加過渡金屬不僅沒有這些缺點，而且可以降低能階差，使光觸媒經可見光照射後，即能被激發產生電子和電洞，是以上三種方法中最為可行的一種。但是到目前為止，可見光光觸媒研究進展仍然有限，未來研發工作尚有很多努力空間。
能在室溫下將一氧化碳氧化的奈米金觸媒
在一般人印象中金是屬於惰性、安定的金屬，但是當金的顆粒大小降至 2~10 奈米之後，金的性質開始改變，展現其催化活性，特別是對於簡單的分子如一氧化碳或臭氧，奈米金觸媒在室溫下即可將它們氧化或分解。
鉑是最常被使用的觸媒活性物質，但是鉑無法在常溫下氧化一氧化碳，因為鉑將一莫耳的一氧化碳催化使其氧化所需的活化能約五萬焦耳 (50 KJ/mole), 反觀奈米金觸媒催化同一反應的活化能每莫耳僅需一萬五千焦耳左右，活化能高低代表反應進行的能階障礙，若活化能高即表示反應障礙高，通常需要較高的反應溫度，鉑與金觸媒低溫催化一氧化碳使其氧化的反應難易程度，與一個人跳過高牆與矮牆的難易度是類似的。奈米金觸媒除了活化能低之外，尚可借助它與載體間的交互作用提升其活性，使其能在室溫下將一氧化碳氧化。
雖然，奈米金觸媒可以呈現很好的催化活性，但是要合成奈米金觸媒卻相當不容易，因為金的熔點攝氏 1,063 度比鉑 (攝氏 1,769 度) 低很多，熔點低即表示金屬顆粒相對較易聚集成大顆粒，這一現象在顆粒小時更加明顯，因為小顆粒的金屬在高溫時更容易移動而聚集成大顆粒。以相同濕式含浸法合成金及鉑觸媒，所得觸媒的鉑與金顆粒大小分別為 1.5 及 20 奈米，此數據更凸顯合成奈米金觸媒的困難度遠比合成奈米鉑觸媒高出很多。目前，以沈澱堆積法合成的金觸媒顆粒比較小、催化活性較高，使用此方法可以合成顆粒小於 10 奈米的金觸媒。
目前，市售簡易的一氧化碳防災濾毒罐，大多是使用銅錳混合氧化物，其去除一氧化碳的機制主要是利用化學吸附，使用壽命大約是 30 分鐘，產品一經拆封即無法重複使用。
工研院化工所已自行研發一種奈米金觸媒，可在室溫下氧化濃度在 0~1% 的一氧化碳，而且一氧化碳轉化率超過 99%。這種觸媒每一公克在一小時內具有處理 30 公升反應氣體 (30 L/g hr) 的效能，而且奈米金觸媒的催化活性不受二氧化碳及水蒸氣存在影響，實驗室耐久壽命超過二百小時。目前並積極地應用奈米金觸媒，來開發簡易型火災逃難口罩或一氧化碳防毒過濾器等產品。
能吸附臭氣或有害氣體的活性碳
在日本或其他先進國家的室內或車箱中，已廣泛使用空氣清淨機，很多空氣清淨機內都使用大量活性碳，而活性碳大多經過改質處理，使空氣中臭味 (如硫化氫、胺及乙醛) 能被化學吸附，如吸附硫化氫的活性碳大多浸染銅或銅 / 鉻金屬，吸附胺的活性碳則浸染酸液 (如鹽酸、硝酸)、吸附乙醛的活性碳則含有高錳酸鉀，利用吸附物質與活性碳上活性點彼此間發生酸鹼中和或化學鍵結，而達到去除臭味或有害氣體的功能。
但是活性碳吸附污染物的容量有限，而且其吸附效率容易受周遭環境水氣及其他雜質的影響。因此，家裡若有使用空氣清淨機，記得要定期更換活性碳濾網，這樣才能達到濾淨空氣的目的。
觸媒利用催化反應或吸附原理去除有害的氣體，已廣泛應用在人類生活環境中以改善空氣的品質，無論是汽機車用觸媒轉化器或室內空氣清淨機，都能夠有效降低污染物的含量。未來在光觸媒或奈米金觸媒技術更趨成熟之後，觸媒應用於改善人類生活環境的領域必將更為擴大。 |
更環保的「塑膠」 | 方便、耐用的塑膠製品一直是民眾日常生活的重要幫手，但是不能在環境中自然分解的塑膠廢棄物，卻也成了破壞環境的兇手。為了解決這個問題，大同大學生物工程學系陳志成教授與淡江大學化學工程系董崇民教授等人合作的「綠色材料」研究計畫，已開發出生物可分解的塑膠，大大降低了塑膠製品對環境的負荷。
不同於以往以 PVC (聚氯乙烯)、PE (聚乙烯)、PP (聚丙烯)、PS (聚苯乙烯) 為材質的塑膠不易分解，生物可分解的塑膠以聚羥基烷酯 (polyhydroxyalkanoate, PHA)、澱粉或其他可分解聚酯類為主要成分。如 PHA 可以由微生物在消化過程中所產生的水解酵素或解聚合瓷分解成小分子，最後被微生物所吸收。
除了解決廢棄物的處理問題外，也因為 PHA 可以利用澱粉、米糠、麥麩、大豆等便宜的農業原料或副產物，做為碳源與氮源進行發酵而生產，陳志成教授認為，「PHA 降低了對石油原料的依賴，同時也可以做為醫學用材料。」
PHA 的應用範圍很廣，可以塗抹在紙杯、餐盒表面幫助防油、防水，也比過去塗抹的臘更耐熱，不需擔心受熱溶化讓人吃進肚子裡。民國 92 年元月起政府的限用塑膠袋政策，讓一般民眾改以紙製品代替塑膠袋、餐具。事實上，不能防潮、阻隔氣體，柔軟及撕裂強度差的紙製品，還是無法完全取代塑膠在民生用品及工業產品上做為包裝和緩衝材料的用途，何況紙製品的生產要耗費大量木材、水電，也不是很環保。
董崇民教授認為，PHA 的開發，能在便利、不環保的塑膠製品與昂貴、不耐用的紙製品之間，成為兼具兩者優點的第三種製品，同時可以減少二氧化碳的排放，降低溫室氣體效應。
董教授指出，市面上充斥著許多標榜生物可分解的塑膠製品，讓民眾誤以為這些塑膠對環境已經不再構成威脅，但這些塑膠製品未必能完全被生物分解。董教授說，政府已經訂出生物可分解的檢驗標準，希望 PHA 製成的塑膠能早日大量生產、應用，讓使用的塑膠製品可以更環保。 |
美麗新世界的驅動力–核能發電的前世今生與未來 | 1938 年 Otto Hahn 與 Fritz Strassmann 發現利用中子撞擊鈾靶可以產生質量數較輕的原子核；Lise Meitner 稱此現象為『核分裂 (Nuclear Fission)』。鈾核分裂過程中，物質消失，以能量的型態釋出；此現象為愛因斯坦之質能轉換公式 (E=MC2) 最直接之證明。鈾原子核發生分裂時，釋放出大量的能量與中子，中子可以繼續造成鈾核的分裂。核分裂現象的發現釋出了蘊藏於原子核內的巨大能量。1954 年 6 月，世界第一座功率為 6,000 瓩的民用核能電廠於前蘇聯 Obninsk 商轉，1957 年第一座使用壓水式反應器的核能電廠於美國賓州 Shippingport 商轉，其功率為 6 萬瓩；從此人類在能源的選擇上多了一個選項。 本演講將簡述核能發電發展的歷史，核能發電原理，核能發電的現況，新型第四代核分裂動力反應器的設計，與人類最終能量來源 - 核融合動力反應器發展近況。
全球吹起環保風，「節能」、「減碳」、「再利用」已不再是口號，而是行動。哥本哈根會議正在進行，如何高效率、低汙染地運用能源，是人類生存發展的一大關鍵，也是未來「美麗新世界」面臨最大議題。
化石燃料 加劇溫室效應
人類需要能源。李敏說，2007 年世界人口為 65 億人，預估 2050 年成長至 85 至 100 億人。目前全球人口的 28%, 耗用全球 77% 的能源。國際能源署資料顯示，2005 年人類使用的能源裡，80% 為化石燃料。近年來，金磚四國 - 巴西、俄羅斯、印度、中國經濟大幅成長，石油需求成長率超出全球平均甚多，未來這四國石油消耗的增加，將對石油的供需與價格有決定性影響。
化石燃料的供需與價格的不穩定，可能還不是化石燃料大量使用最麻煩的問題；化石燃料燃燒會產生使地球大氣溫室效應加劇的二氧化碳。大氣中二氧化碳含量目前為 380 ppm, 較工業革命前高 100 ppm, 且以每年 2 ppm 的速率增加中。有科學家預估只要超過 450 ppm, 就會帶來「毀滅性災難」; 若以現在的速度估算，人類離「毀滅性災難」只剩 35 年。
前陣子媒體報導在北冰洋中奮「泳」尋找冰原休息的北極熊照片，強烈說明生物在氣候變遷中的無助與渺小。李敏引用中央研究院環境變遷研究中心主任劉紹臣在「前瞻哥本哈根氣候會議」的資料，全球溫度每增加 1 度，台灣強降雨增加 140%, 毛毛雨會減少 70%。
氣候變遷 旱災水災極端
李敏要聽眾回想:「現在不用帶傘的日子是不是變多了？但只要一下雨，一定下得『很過癮』?」他擔憂臺灣未來可能走入「旱災和水災的極端」。冰原融化造成海平面上升與海岸線被侵蝕，將來西部彰化以南和東部的大城市有沒有可能都泡在水裡，「以後喜歡『外婆的澎湖灣』浪漫的人，在本島就可以享受『舅舅的宜蘭灣』了！」
人類追求永續發展是崇高的理想，但其前題為先找到永續能源。李敏強調，若不及時與適當改變過度仰賴化石燃料能源的現況，人類的文明可能就要畫上休止符了。李敏表示，大家都同意替代能源的「清潔」與否必定是一大考量，然而他也想問「什麼叫清潔？」水力發電看來清潔，但水庫的興建影響周邊生態，甚至改變附近的氣候；風力發電靠天然氣流的流動，但巨大的風車卻會阻礙候鳥的遷徙。某些替代能源發電時可能不會產生二氧化碳，但設施興建或零組件製造，甚至廢棄物處理過程還是會間接製造二氧化碳。李敏引用劉紹臣的話說，核能雖有核廢料及安全性等缺點，但還在可控制範圍內，仍為世界上大部分國家發展非碳能源的首選。
核反應器 全球總共 439 座
1938 年，德國科學家 Otto Hahn 和 Fritz Strassmann 發現鈾原子核受中子撞擊後，會分裂產生原子量較輕的核種，一位德國女科學家 Lise Meitnert 稱此現象為「核分裂」。核分裂過程中，依愛因斯坦「質能互換」原理，質量消滅，以能量形式釋出；核分裂過程中，亦會產生數個中子，再度撞擊其他鈾原子核，形成「連鎖反應」, 產生巨大能量，這就是目前核能發電。
1954 年 6 月，世界第一座民用核能電廠 (採用石墨水冷反應器) 於前蘇聯 Obninsk 運轉；同年第一艘核子潛艇「鸚鵡螺號」在美國下水；1957 年，第一座壓水式反應器核能電廠於美國賓州西濱堡商轉。國際原子能總署至今年 2 月的統計，全世界共有 439 座核子反應器於 30 個國家運轉；2007 年的總發電量為 2.61 兆度，占世界總發電量 16%。隨著 2004 年起化石燃料飆漲，2005 年京都議定書生效後，許多國家都將核能列為選項，目前還有 44 座核子反應器於 14 個國家興建中。
李敏說，全世界的核電廠主要集中在北美、歐洲、東南亞 3 個區塊。不過，核能始終擺脫不了「安全性」的話題，部分民眾對於輻射的恐懼、核電廠事故、核武擴散、核廢料運輸與處置都有疑慮。擁核、反核問題往往變成意識型態的辯論，是全球性的，也是跨世代的，自核能發電問世時即已存在。
核能發電 燃料成本較低
李敏強調，核能建廠成本高，但燃料成本低，核能發電總成本中燃料成本所占比率較低，故核能發電成本較穩定，較不易受國際能源價格影響。核能發電使用的燃料體積小，運儲方便。部份能源進口國家甚至將核能發電視為「準自產能源」; 再加上核能是二氧化碳排放最少的主流能源。以台灣超過 99% 的能源依賴進口的現況來看，不但不能輕言放棄，還須適當發展。
李敏認為，人類最終能源的來源很可能是「核融合」反應，也就是利用兩個較輕的核種 (氘或氚), 結合為較重的核種 (氦) 時，所釋出的能量。這個概念已經存在超過 50 年，但有些技術問題待克服。有人說「核融合」反應器就像「把太陽擺在盒子裡」, 問題在於「要怎樣做那個盒子？」目前透過國際合作在法國興建的「國際熱核實驗反應器」是最先進的裝置。
人類努力打造未來的「美麗新世界」, 從全球氣候變遷、人類飲食、基因生醫、到永續能源等議題，和民眾息息相關，也都是需要長時間研究與關注。2009 展望秋季演講到此全部結束，主辦單位希望能藉由一場場科學演講，引發民眾了解科學、關心科學，甚至參與討論，一同探究未來的「美麗新世界」。
【2009-12-14 / 聯合報 / D2 版 / 展望】 |
碘系列專題報導(六):誰說台灣不缺碘? | 最近在校園中向近百位大學生調查台灣人有缺碘問題嗎？回答「沒有缺碘」的比例是 56%, 回答「有缺碘」的比例是 36%。再問自覺碘營養狀況如何，回答「充足」的有 66%, 回答「不足」的有 24%。民眾一般認為台灣是個海島，而且我國使用碘鹽，因此不可能有缺碘問題。不管個人的認知或感覺如何，鑒於碘影響腦神經發育和認知功能，個人與國民的碘營養狀況應該有實證根據，才能確保世代的健康。
碘是人體的必需營養素，必須從食物中獲取。食物中的碘則從自然界的土壤和水質而來。大部分的動植物含碘並不多，只有海產動物和植物有堆積碘的能力，其中某些海藻類的累積能力特別強。
碘與碳或氮元素一樣，在自然界的生物界與無生物界之間不斷地循環利用，稱為生物地質化學循環 (biogeochemical cycle)。人類飲食的碘含量受這個程序的影響。碘的循環包括：海洋釋出 (oceanic release)、洋面與空氣轉移 (sea–air transfer)、光化學轉型 (photochemical transformation)、氣懸膠體吸附 (aerosol uptake)、陸地沉積等步驟。
空氣中的碘來自海水與海中植物。海水中含有豐富的碘酸鉀離子 (IO3−) 和碘離子 (I−), 總濃度大約是 0.4~0.5μM, 可供海中的生物利用。碘酸鉀離子的濃度範圍是 0.2~0.46μM, 表層較低，深層較高。表層海水的碘離子濃度約為 0.1μM, 深達 200 米以下就減少到 0.01μM。溫度也會影響濃度，熱帶與亞熱帶地區，海中植物生命力高，會將碘酸鉀離子代謝成碘離子，因此海水的碘離子濃度比溫帶為高。表層海水中的碘離子經光反應還原成碘分子而散入大氣。另外，生存於海中的微藻類和巨藻類，它們的組織結構中含碘特別豐富。當巨藻植物受到光照、化學性或氧化性的緊迫時，會將含碘的有機氣體如甲基碘、二碘甲烷等釋入大氣之中。
空氣中的碘化物會接受光能，進行分解和氧化反應，形成安定性較高的無機分子和微小的氣懸膠體粒子。顆粒聚集變大，就隨著下雨或塵粒而降到地面與淡水河川。土壤與水中的碘可供動植物利用，並進入人類的食物鏈。然而土壤中的碘離子和碘酸根離子都很容易隨水的沖蝕而流失。
台灣海域的碘濃度似乎沒有資料，若根據以上的原理推測，台灣地處亞熱帶，表層海水的碘離子濃度較高，釋入空氣的碘也較多，隨著雨水降到地面與河川的碘應該不少。然而台灣的中央有山脈而河川短促，雨量雖大但水流湍急，土壤與水中的碘快速沖流入海而很難保留。從日據時代的營養調查已經知道，台灣居民盛行的十大疾病中，地方性甲狀腺腫大名列第五，略低於維生素 A 和鐵的缺乏，以及寄生蟲病。
台灣能夠消除甲狀腺腫大全靠國家於民國 52 年啟動「實行食鹽全面加碘計畫」, 民國 55 年 10 月起全省普遍供應，民國 56 年普及至澎湖。民國 60 年 4~5 月進行全省學童甲狀腺腫之調查，盛行率從 21.6% 降至 4.3%。然而加入世界貿易組織 (WTO) 之後，食鹽自由進口，市面上各種訴求天然、有機的鹽品遠遠多於碘鹽，民眾並無法了解其營養健康價值，使國人缺碘的風險大幅升高。
如果沒有明確而穩定的數據，誰能說台灣不缺碘呢？(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫 - 食品營養與安全之民眾科普教育計畫」執行團隊撰稿)
責任編輯：陳信宏 | 長榮大學保健營養學系
審校：陳信宏 | 長榮大學保健營養學系 |
空汙紫爆有多紫?讓「巨量資料視覺化」告訴你 | 「巨量資料視覺化」工具是將龐大數據資訊轉換成圖像的技術，以這種技術製作的圖像非常容易理解，能讓讀者用看圖說話的方式快速吸收資訊，而不需花費太多時間思考。現在科學家將這種技術用於呈現空氣品質觀測站的觀測資料，將空氣汙染物 (以直徑小於 2.5 微米的懸浮微粒為代表，即 PM2.5) 繪製成 3D 小球，放入立體場景中，並以顆粒數量和顏色來代表汙染物濃度，使讀者可輕鬆辨識圖中的資訊，最終目標是讓任何人看圖都能脫口而出:「哇！今天的空氣品質很好 / 不好欸！」
「巨量資料視覺化」工具利用空氣品質監測網資料模擬 101 大樓周邊環境的空氣汙染情形 (圖片來源：郭嘉真)
「今天空氣感覺好差！天空灰濛濛的。」
每當空氣品質糟到讓人無法忽略，想必你也會不自覺拿起手機，看一看現在呼吸的空氣到底有多髒？目前大部分的天氣 APP 都有提供即時空氣品質指標 (AQI) 的資訊，而臺灣地區的數據大多由行政院環境保護署的空氣品質監測網提供。空氣品質監測網的首頁顯示了全臺即時的空氣品質概況，並提供查詢各地最近一次更新的觀測數據。現行的空氣品質指標 (AQI) 依數值區分為六個等級：良好 (綠色)、普通 (黃色)、對敏感族群不健康 (橘色)、對所有族群不健康 (紅色)、非常不健康 (紫色)、危害 (褐紅色)。若某個地區被標示代表「非常不健康」的紫色菱形，就表示該地區目前正處於被網民暱稱「紫爆」的高度汙染狀態中。
(重繪：沈佩泠)
然而，即使有明確的數值作為指標，我們眼睛所見仍是灰濛濛的天空，難以想像到底「紫爆」會嚴重到什麼程度？給觀測數據一個具體的形象
為了讓查詢即時空氣品質的民眾更「有感」,「巨量資料視覺化」工具的開發勢在必行。這項工具由財團法人國家實驗研究院國家高速網路與計算中心郭嘉真研究員、臺灣師範大學葉家宏教授與臺大研究團隊共同合作，負責將各種龐大的數據轉換成大人小孩都能讀懂的圖像。除了呈現空氣品質監測網中各種觀測數據的結果，還能透過圖像說明不同數據之間有什麼關聯，並幫助你推測未來幾天所在地的空氣品質可能如何變化。
(繪圖：沈佩泠)
和監測網同步更新的資料取得機制
目前全臺灣各地共有 76 個空氣品質觀測站，24 小時不間斷的觀測懸浮微粒 (PM10 及 PM2.5)、二氧化硫 (SO2)、一氧化氮 (NO)、二氧化氮 (NO2)、氮氧化物 (NOX)、一氧化碳 (CO)、臭氧 (O3) 及碳氫化合物等常見的空氣汙染物，並同時觀測風向、風速、大氣壓力、溫度、雨量等容易影響空氣汙染情形的天氣資訊。在常見的汙染物中，以細懸浮微粒 (PM2.5) 最具代表性，這是因為工業廢氣及汽、機車排放廢氣中都含有大量的 PM2.5, 當它被吸入人體，由於體積非常小，可以輕易的通過呼吸系統中設下的各種防禦屏障而到達肺部，甚至經過血液輸送到全身，引發呼吸疾病及心血管疾病。
因此，「巨量資料視覺化」工具利用空氣品質監測網的 PM2.5 觀測資料作為基礎，配合各觀測站詳細的經、緯度位置及臺灣島 3D 立體模型，繪製出可呈現各地空氣品質現況的臺灣全島地圖。為了使每個地區能獲得更加精確的資訊，這份地圖以九百分之一格的經、緯度網格為單位，將全臺灣區分成六千多個區塊。而空氣品質指標數據則依照監測網的發布頻率，每小時同步更新一次，提供使用者最即時的資訊。
利用經緯度位置及 3D 模型製作臺灣全島地圖 (圖片來源：郭嘉真)
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把懸浮微粒變立體，汙染程度「看」得見
有了最新的 PM2.5 觀測數據後，就可以根據觀測站的所在地，將數據對應至臺灣全島地圖上相符的區塊。PM2.5 濃度數據的單位為微克 / 立方公尺 (μg/m3), 為了讓使用者更容易理解，濃度由 0 開始，每增加 25 單位，畫面中就會增加一顆新的球形粒子。濃度越高，粒子的數量就越多，排列得也越緊密。除此之外，粒子的顏色也與空氣品質指標 AQI 相對應。若圖中顯示為黃色或沒有粒子，表示目前的空氣品質不會對健康造成明顯的不良影響。若粒子呈橘色甚至是其他顏色，就需多加留意避免外出，當不得不外出時，建議一定要配戴口罩保護自己哦！利用形狀、數量和顏色來模擬懸浮微粒的濃度 (圖片來源：郭嘉真)
從建築物一樓到頂樓，現在你家附近的空氣品質怎麼樣？比起大範圍的空氣品質狀況，如果可以知道目前你家周遭區域的空氣品質與健康建議，一定會更實用吧！為了讓民眾更便利的使用空氣品質資料，「巨量資料視覺化」工具除了提供臺灣全島及北部、西南部、東部的分區畫面，更貼心的開發了能顯示單一建築物周邊空間垂直分布的功能。只要選擇建築物所在的區塊，電腦系統就會呈現以該座建築物為中心的立體場景，並利用鄰近空氣品質觀測站的 PM2.5 濃度數據來繪製懸浮微粒的分布圖。
使用這項功能時，PM2.5 濃度每增加 1 單位 (μg/m3) 就會在畫面中增加二十顆新的粒子，粒子的顏色同樣依照空氣品質指標 AQI 來決定。你可以依據自己的偏好，隨意轉動畫面，從不同的視角來觀察懸浮微粒濃度的分布情形。
模擬單一建築物周邊的懸浮微粒濃度分布情形 (圖片來源：郭嘉真)
以九百分之一經、緯度網格分割區塊 (圖片來源：郭嘉真)
如此一來，就可以很輕鬆的查詢當下鄰近區域甚至周圍環境的空氣品質，是不是更方便了呢？你以為「巨量資料視覺化」工具只能用在空汙資料上嗎？郭研究員表示，除了給予空氣汙染監測數據全新面貌，目前「巨量資料視覺化」工具也嘗試應用在癌症疾病史的分析。衛生福利部網站提供了歷年來全國各種癌症發生及死亡的統計資料，但這些數據對一般民眾而言猶如霧裡看花。現在，我們終於有了新的選擇。
「巨量資料視覺化」工具將這些數據繪製成簡單易懂的趨勢圖，將年份、癌症類別、性別與縣市資料都囊括進程式中，使用者可以自由運用不同數據進行交叉比對。這項應用不僅讓一般民眾使用上更便利，也能幫助癌症相關研究人員更有效率地分析龐大的資料。
利用「巨量資料視覺化」工具呈現 1979~2015 年臺北市的癌症發生數 (左) 與發生率趨勢 (右) (圖片來源：郭嘉真)
在你閱讀這篇文章時，「巨量資料視覺化」工具也正如火如荼的進行開發與優化。期待系統正式上線後，可以提供民眾絕佳的資料查詢與視覺體驗。
(本文由科技部補助「科普資源整合運用與推廣整合型計畫」執行團隊撰稿、執行編輯)
審校：羅書韻 |
更清澈還是更骯髒? | 湖泊或水庫的水體由於藻類生長所需的營養濃度逐漸增加，造成藻類大量繁殖以及種種不良後果，叫做優養化。過去一甲子，人類排放的化學物質流入水體的量越來越大，引起環保人士的注意，各種防止水體優養化的宣導以及法律紛紛出籠。大家最耳熟能詳的例子，大概就是標榜「無磷」的洗衣粉了。因為傳統洗衣粉含有磷酸鹽，隨著洗衣汙水流入水體的磷酸鹽數量大增。而在自然界，藻類不可能獲得那麼多磷酸鹽。
現在溫帶地區的許多湖泊，水體恢復清澈，再度成為人們嚮往的旅遊勝地，管制磷酸鹽汙染的措施功不可沒。
但是，美國明尼蘇達大學的研究團隊最近卻提醒我們，管制磷酸鹽產生了一個意外後果：活性氮 (如硝酸鹽) 汙染。因為人類排放的汙染物不止含有磷酸鹽，還有活性氮，而氮循環與磷循環在湖泊中是勾連在一起的。
藻類對氮的需求是磷的 10~40 倍，可是在自然界中，氮非常豐富，例如大氣中氮占了 78% 以上，因此藻類繁殖的限制因素是磷而不是氮。磷酸鹽汙染物進入湖泊水體，刺激藻類旺盛生長。那些藻類消耗了水中氧氣，體內累積了大量磷與氮，死亡後沉入湖底，不會停留在水體上層 — 也就不容易汙染當地水系，甚至海岸水域。此外，湖底微生物還會以脫氮作用把藻類的活性氮轉化為惰性氮，散布在大氣中。換言之，磷酸鹽汙染能有效化解湖泊遭受的硝酸鹽汙染。
管制磷酸鹽汙染，湖水的確變清澈了，湖泊卻成為活性氮汙染物的淵藪。誰想得到呢？其實我們規劃的空氣、水體管制辦法，往往只針對單一汙染物，很少考慮不同汙染物之間的相互作用。立意良善的管制手段造成意外的負面後果，並不是新鮮事。太陽底下何曾有過新鮮事？參考資料
Bernhardt, E. S.(2013) Cleaner lakes are dirtier lakes. Science, 342 (6155), 205-206. |
巨量資料的奇幻漂流(Life of Big Data) | 下一站：有感智慧生活
《少年 Pi 的奇幻漂流》導演李安一席「感謝臺灣」的得獎感言，讓無數台灣人倍感榮耀，畫面中栩栩如生的老虎、海浪跟鯨魚更讓全球觀眾驚豔連連與感動不已。身為資訊從業人員，「創造感動」有時似乎有些遙遠；然而你我現在每天都在為下一部史詩巨作《巨量資料的奇幻漂流》做出貢獻，這部片已經完成了某些部份場景，是由谷歌 (Google)、臉書 (Facebook)、亞馬遜 (Amazon) 擔綱演出首部曲預告《雲端》; 近期在中國，也根據劇本【十二五】, 正在拍攝二部曲《物聯》。根據知名影評人爆料，三部曲的主題會是《智慧》, 而這部作品的主要訴求是「有感智慧」。當《巨量資料的奇幻漂流》三部曲殺青時，導演想帶給人們的感動，是「有感的智慧生活」。
走過 2012, 世界末日的預言仍讓許多人心有餘悸。縱使面臨全球經濟危機、能源危機、氣候變遷等各項巨變，有韌性的人們總會搬出因應對策，只因為心中依舊有夢，夢想明天能過得比今天更好。為拯救股市，有人搬出了超級電腦，想要瞭解是否有方法可以牽動全球經濟，讓全球金融走向更高頻率的交易量。為了改善能源危機，鈍化油電雙漲的影響，也祭出智慧電網 (Smart Grid), 希望能透過將電力網路與資訊網路結合，預測區域用電量，有效輸配電，減少儲備電力，目標就像企業一樣「電力零庫存」。為了因應超城市 (Mega City) 的都市交通、治安、防火、救災等問題，透過建立物物相連的感知網路 (Sensor Network), 搭配位於資料中心 (雲) 的智慧分析，在不遠的將來，相信我們都有機會遇見不斷進化的「智慧城市」。這一切變革都跟《巨量資料的奇幻漂流》有關，這裏面將需要很多有智慧的人，來把智慧擺進我們的生活。
巨量資料的奇幻漂流
回顧過去一季，關於 2013 年的資通訊技術趨勢預測，您不難得到三個關鍵字：物聯網 (Internet of Things)、雲端運算 (Cloud Computing) 與巨量資料 (Big Data)。然而這三個關鍵字實際上只是在陳述關於資料是從何而生、在哪儲存、如何轉化成我們手中智慧手機的 App 應用。這三個關鍵字實際上也就是《巨量資料的奇幻漂流》的故事組成。俗話說一張圖勝過千言萬語，這個故事的發展脈絡可以很清楚地呈現在《巨量資料的奇幻漂流》的故事脈絡示意圖中。
資料這趟旅途的起點是物聯網，也就是由各種物件所組成的網際網路，其前身是感知網路。前面提到的每筆金融交易、城市裡的電力輸配線路、路口監視攝影機、監測溫溼度的氣象站，都會是物聯網的一員。甚至路上的汽車、車上的 GPS 導航系統、車窗上安裝的 eTag、您家裡的鬧鐘、體重機與窗簾，未來也都是物聯網的一員。這些物件除了提供資料以外，有些還得能對應做出反應。
由於物聯網會產生的資料非常多，許多應用是時間序例 (time serious), 會不斷串流 (streaming) 產生，無法在本地找到地方存放，因此就會需要「資料中心 (Data Center)」。在雲端運算的定義中，資料中心也就是「雲」, 就像是給資料落腳的客棧。在這個客棧裡會有來自四面八方的資料，所以我們可以預期這個客棧需要很大的容量 (Volume), 而且因為資料的種類很多 (Variety), 得準備不一樣的客房給這些資料落腳。加上這些資料進出的速度很快 (Velocity), 客棧的打掃工作就要很勤勞。所以，資料中心這間客棧的老闆，為了解決三個 V 的問題，就打造了巨量資料 (Big Data) 的管理辦法，簡稱 SMAQ (儲存 Storage、計算 MapReduce 與查詢 Query)。
資料中心不僅讓資料落腳，更重要的是讓這些資料可以彼此認識，形成有組織的社團。所以原本雜亂無章，沒有組織 (unstructured) 的個體資料 (data), 經過客棧的社團媒合經理，變成有組織 (structured) 的資訊 (information) 社團。隨著資訊社團成員愈來愈多，會開始產生一些社團的運作規則或章程。這些章程，就是所謂的「知識 (knowledge)」。當這個社團運作得夠久，一些開國元老開始有能力預言、預測未來的方向，那這些預測，我們就稱為「智慧 (Wisdom)」。當一個資訊社團成熟到能提供「智慧」時，就可以請他們出去開公司，專門賣「關鍵報告」給使用者。這些關鍵報告必須透過 Web 2.0 的非同步連線方式，傳遞到使用者的行動裝置 (也就是雲端運算的「端」), 甚至這個裝置是其他物聯網裡的另一個物件。
無所不在的生活秘書
上述這一個漫長的旅途就是發生在你我生活周遭，不停上演《巨量資料的奇幻漂流》。從這個奇幻漂流，我們不難瞭解到物聯網是雲端運算的上游，雲端運算所提供的智慧，是為了讓你我的生活更美好。雲端運算所做的事情甚至會再回到物聯網，控制某些物件，變成您專屬的小秘書。
讓我們想像在不遠的將來，當太陽還沒升起，您的鬧鐘因為可以連線到中央氣象局，而中央氣象局的雲端服務知道鬧鐘是從哪個地理位置連線，所以回傳當時您住家周遭的城鄉氣象，如果有下雨的話，那鬧鐘必須要根據歷史經驗，配合去交通部查詢週邊的交通流量，最後「預測」是否該自動幫您把原訂的鬧鐘時間提前個十至二十分鐘。因為多數有開車的人都知道下雨的話，週邊的交通流量也會跟著變大，必須提早出門。接著，鬧鐘會跟家裡的咖啡機說：主人起床的時間會提早喔～你得早一點開始煮咖啡。接著，鬧鐘還會告訴家裡的智慧窗簾跟智慧衣櫥，幾點該緩緩地將窗簾拉開，讓外面的光線透進來，增加人體的生理反饋，就比較不會賴床。智慧衣櫥此時也會根據氣象局當天的溫溼度與降雨機率，根據主人的喜好先挑選好當天合宜的衣服，甚至提醒您是否出門該帶雨傘。您在吃早餐的時候，智慧車輛已經開始根據交通部的即時交通資訊雲端服務，開始規劃前往公司的最佳路徑，不再是以往都只用最短路徑來規劃，而是考慮紅綠燈跟每個路段的交通流量來進行規劃。
必須對抗的兩隻老虎
聽起來很神奇嗎？這些機器的智慧當然不是憑空發生的，而是要靠許多有智慧的人來擔任《巨量資料的奇幻漂流》中的社團媒合經理，還要有人輔導這些社團產出知識，幫這些社團長出可以預測未來的智慧。在這趟奇幻漂流的過程中，會有兩隻老虎在一旁「虎視眈眈」。這兩隻老虎分別是「安全」與「功耗」, 我們必須學會如何對付牠們。
還記得臺北網路機房失火，造成臺灣連國外線路大塞車的窘境嗎？無論是雲端運算或物聯網，都高度仰賴網路連結。也因為連在網路上，所以網路本身的穩定性、資料中心的安全性都是未來的新挑戰。我們對抗這隻老虎的武器是「備援」與「加密」, 開始旅程前可別忘了把這兩把武器帶上船，才能避開這隻老虎的突襲。
曾有研究指出，當我們每做一次 Google 搜尋，就消耗掉煮一杯咖啡的能量。《巨量資料的奇幻漂流》帶給我們全新的智慧生活，但也得付出對應的代價 -「能源消耗」。許多人質疑資料中心會造成更多能源消耗與碳排放。因此，無論是雲端運算或物聯網，都開始走向強調能源效率 (Energy Efficiency), 甚至善用自然界的特性來擷取能源 (Energy Harvest)。未來對抗這隻老虎的武器，只有透過在硬體與軟體的不斷改良，讓每一分能源可以產出最多的成效。
這兩隻老虎會持續跟著您漂流，無法趕牠們下船，只能學習與牠們和平相處。在享受《巨量資料的奇幻漂流》所帶來的美好生活之餘，也請您別鬆懈了警戒，因為資料遺失、身份盜取、服務中斷的危險一直還在！有空時，請多想想如何備份寶貴的資料哦！ |
鈦的自述 | 如果有人問:「飛機是用什麼製造的？」你一定會毫不猶豫地回答:「鋁合金。」不錯，鋁合金在飛機製造業中確實立下了大功，直到現在，還是許多飛行工具的主要材料。不過，隨著飛機飛行速度的加快，由於摩擦生熱使飛機表面溫度不斷升高，這時鋁合金就吃不消了，而用耐熱的不銹鋼又太笨重，這可怎麼辦？別急，我金屬「鈦」和我的合金可以解決這個問題。如果沒有我，就算有製造 3 倍音速飛機的技術也沒有用。
我是化學周期表的第 22 號元素，符號是 Ti。首先，自我介紹一下我是如何被發現的。其實我的發現相當不尋常，因為發現我的是一位神職人員，是英國業餘礦物學家葛瑞格 (R.W. Gregor, 1761−1817 年) 牧師，地點在英國科沃爾郡 (Cornwall) 的一個偏遠村莊。
大約兩百年前，葛瑞格牧師分析他在孟納坎 (Menaccan) 教區附近發現的一粒黑色沙粒，他之所以覺得這粒沙子很奇怪，是因為它會被磁鐵吸住。他盡他的能力去分析，並且推算出它是由兩種金屬氧化物組成的，其中之一是氧化鐵，但他無法知道另一種是什麼。
他的科學素養只能讓他了解到這一定是某種還未被人發現的金屬氧化物，他把這項發現呈報給「皇家地質學會」, 另外寫了一篇論文發表在 1791 年的德國科學雜誌 Crell's Ammalen 上。4 年後，由德國化學家克拉普洛斯 (M.H. Klaproth, 1743−1817) 確認了我，他也替我這個新元素以希臘神話中「泰坦」(Titans)(「泰坦」是希臘神話中曾統治世界的巨人族的成員) 的名字命名為「鈦」(Titanium)。
其實，克拉普洛斯確認的只是我的氧化物，一種白色的晶體粉末 (即二氧化鈦，TiO2)。葛瑞格和克拉普洛斯都未能活到親眼看到我的純金屬。在自然界中，我並不會以純物質出現，因為我的氧化物極為穩定，而且我的金屬態能和氧、氮、氫、碳等直接激烈地化合，以致純鈦很難從氧化礦石中提煉出來。許多化學家都試圖從我的化合物中分離出純淨的「鈦」, 但都宣告失敗，因此我一直被人們認為是一種稀有金屬。
19 世紀時，曾提煉出不純的鈦樣本，一直到了 1910 年，服務於美國通用電氣公司的工程師漢特 (M. Hunter) 才第一次製得純度達 99.9% 的金屬鈦。從發現鈦元素到製得純品，歷時一百多年。而我真正被利用、展現真面目，則是 1950 年代以後的事了。
也許大家對我 -「鈦」比較生疏。我是個過渡金屬元素，在地殼中的蘊藏居第 10 位，在金屬中次於鋁、鐵、鈣、鈉、鉀和鎂。我的主要礦物有鈦鐵礦 (FeTiO3)、金紅石 (TiO2) 和組成複雜的釩鈦鐵礦，著名的產區是在蘇聯，中國熱河灤平縣也有豐富的蘊藏量，河北省冀東一帶也有礦苗的發現，世界上已探明的鈦儲藏量約有一半分布在中國。
多年前很難得到純粹的「鈦」, 近來才因為提煉方法的改善，產量大大地增加，也因而更顯露出我的原有性質。理論上製造純鈦的方法極為簡單。先從不純的氧化物裡分開鐵，用氯處理得到一種揮發性的液體 - 四氯化鈦。再在密閉的鐵製反應室裡和鎂混合，因為鎂的化學活潑性比較大，便可以把我還原成金屬狀態。從反應過程中得到的純鈦，是一種海綿狀的金屬，熔融後可以鑄造成錠。
雖是如此，實際上在提煉中有其困難度。在加熱時很難控制我，因為在高溫下我的活性特別大，會吸收空氣中的氧和氮。只要有 1% 的這些氣體，就完全毀壞了我的鍛造性，使我和浮石一樣脆弱。因此在製造過程中的每一個階段，必須和空氣隔離，或者是填以鈍氣 (像氦或氬), 或者在真空中進行。
此外在使用鎂還原四氯化鈦時，也另有困難。溫度如果不能調節在攝氏 1,600 度以下，我便會溶解反應室的鐵壁。可是溫度的調節是一件麻煩事，因為這個反應會放出巨量的熱，而我是熱的不良導體，除非是用小的反應室，熱才能擴散得比較快。這大概是每次產量限制在 125 公斤的原因，除非採用另一種不同的方法。
用精製過的海綿狀鈦鑄造錠塊，困難度就更高了。因為我在電爐裡熔融的時候，雖然可以用填充鈍氣或真空的方法，讓我不會吸收大氣中的氧和氮，但是無法避免我溶解坩鍋和電爐的內部，且對別種金屬適用的玻璃狀氧化物，像氧化鋁，也對我無效。簡單地說，即使最穩定的這類物質也得把氧讓給我。
另外，最近的研究指出：如果不太在乎有少量的碳在我裡面，精緻的碳質坩鍋勉強可以採用。但是，如果希望會損傷我的延展性的雜質受到嚴格的限制，就必須使我的成分裡不能含有絲毫的碳，那麼就連碳質坩鍋都不能使用了。
一旦我被融鑄成錠，爾後就不需要保持在真空中了，其鍛造、熱輾、冷製、抽絲、推管等提煉過程都沒有困難。雖然在攝氏 1,300 度以上時仍須用鋼包裹，以隔絕和氮、氧的接觸，然而在常溫下，我是可以和其他金屬一樣地處理的。
我的機械性質和不銹鋼相似，可以用同樣的裝置磨削。我在長時間加熱以後，會形成一層黑色極硬的殼，必須用碳化物的工具才能磨掉它。不過在鑽削、切斷方面，我並不比不銹鋼難。雖然如此，我還是不能完全取代鐵、鋁的地位，原因是目前我的生產成本仍比鐵或鋁高。此外在鑄造、提純、加工等方面，也有很多待克服的困難。
在製備我的合金時，主要困難是在加熱到熔點以前要吸收大量的氧和氮，這嚴重影響了合金的塑性。其次是熔融的我能和任何一種已知的製造坩鍋的耐火材料起化學反應，因此需要用特殊方法製備我的合金，現在主要是用粉末冶金法。
雖然很難製造，但花費鉅資提煉我是很值得的。機器和儀器的設計師們老早就盼望著有一種金屬或合金，具備一些重要的性能，如比重小、強度高、耐熱性高和抗腐蝕性強。我的機械強度和鋼相近，密度比鋼小 (我的密度是 4.54 g/cm3, 鋼的密度是 7.9 g/cm3), 可以和多種金屬形成合金。我的抗張強度不亞於不銹鋼和優質鋁合金，我也容易焊接、鍛造和熱處理。純粹的我的強度是每平方公分 80 公斤，用冷處理或製成合金的方法很容易提高到每平方公分 112 ~ 133 公斤，是一種新興的結構材料。
我具有一項重要的特性，就是加熱到攝氏 537 度，仍能保持自己的強度，而我的合金更可以加熱到攝氏 650 度。當溫度在攝氏 315 度左右，鎂和鋁合金的強度就已經急遽下降了，而我卻能承受這種高溫且不降低機械強度。因此，在航空工業中，人們大量使用我和我的合金製造噴氣引擎，以及飛機、火箭等的機體和零件。
1960 年代，美國建造一架「SR−71 黑鳥」號超音速噴氣式偵察機，每小時能飛 3,500 多公里，是音速的 3 倍，這種飛機機身的主要零件就是用我的合金製造的。現在，我已在飛機製造業中站穩腳跟，民航客機的主要零件，從引擎、副翼、方向舵，甚至螺釘、螺帽，到處都可以看到我的影子。據統計，美國每年生產的鈦，75% 用於製造飛機的機體構件和引擎零件。
我的合金還是航空工程的必備材料，飛彈、火箭的外殼，太空船的船艙、骨架和其他高壓容器，都要用我或我的合金來製造。用我製造的盛液氧和液氫的燃料箱，能禁得起超低溫的考驗，其他金屬材料則會發脆。太空人在宇宙空間建設太空站、組裝設備時，我還被選做主要的結構材料，因為我在真空中很容易焊接和切割。正因為我是製造飛機、火箭、太空船等最好的材料，所以被譽為「宇宙金屬」是當之無愧的。
我的化學性質在高溫下變得很活潑，能和大氣中的氧和氮化合，在室溫時卻顯現出極大的鈍性。我原來就是個活潑的化學元素，活潑性介於錳和鋁之間。但在常溫或冷凍時，我的外表有一層看不見的氧化物薄膜包著，使我成為鈍性，就像鋁和鎂在常溫時一樣，阻止我繼續和其他物質發生化學反應。
我也不易被任意濃度的硝酸、稀硫酸、各種弱鹼性溶液所腐蝕，但能溶解在鹽酸、濃硫酸、王水和氫氟酸中。也正因為我能夠耐得住硝酸和氯氣，化學工程師就用我來建構深海鑽油平臺。
在酸性溶液中，從標準電極電勢來看，我是屬於還原性很強的金屬，但因為我的表面容易生成緻密、鈍性氧化物薄膜，使我具有優良的抗腐蝕性，特別是對海水的抗腐蝕力很強。用我製造的輪船不用塗漆，在海水中也不會生銹，因此我可以說具有極強的抗腐蝕性。化學家曾做過一對比試驗，把生鐵、不銹鋼和鈦 3 種材料分別製成幫浦 (pump), 注入腐蝕液，並靜放 3 晝夜後，生鐵幫浦就被「吃掉」了，不銹鋼幫浦堅持了 10 天，而鈦幫浦半年後仍一切正常。
在常溫下，我除了不易被稀酸、鹼液腐蝕外，對潮濕的氯氣和海水的耐腐蝕能力也很強，對海水的耐腐蝕能力可與大名鼎鼎的鉑相媲美。正因把我或我的合金放在海水中泡上幾年仍能保持光亮，所以我是製造軍艦、輪船的理想材料。
用我製造的潛艇、水翼船和快艇，不僅重量輕、航速快、載重大、使用壽命長，由於不是磁性物質，用我製造的軍艦、潛水艇，不會被磁性水雷發現和跟蹤。此外，還能抗深水壓力，例如鈦潛艇能在深達 4,500 公尺的水下航行，這是一般鋼製艦艇不能到達的深度。
雖然我在常溫下不活潑，但在高溫時，能直接和許多非金屬或金屬生成填隙式化合物或合金。例如把我加入鋼水中用來脫氧、除氮和去硫，以改善鋼的性能，可使「鈦鋼」堅韌而有彈性。
鈦工業是從 1930 年代開始的，當時的油漆製造業者想找出可以取代白鉛的原料，於是找上二氧化鈦 (TiO2)。二氧化鈦的英文名稱是 titania, 恰好是莎士比亞名劇《仲夏夜之夢》(A Midsummer Night's Dream) 裡的仙女女王的名字。這種化學品現在是一種年產量 300 萬噸的大產業。
我的氧化物 - 二氧化鈦 (簡稱鈦白) 是世界上最穩定的白色物質，1 公克鈦白就可以把 450 平方公分的面積塗得雪白，它的遮蓋性大於鋅白，持久性高於鉛白，是一種寶貴的白色常用顏料，如今已是世界上最重要的顏料之一。鈦白不僅雪白，而且沾附性很強，不易起化學變化。特別可貴的是，鈦白無毒、不會褪色、有非常高的折光指數。
鑽石雖以光彩奪目而比鈦白有名，但二氧化鈦的折光指數甚至比鑽石高。折光指數是指分散光線的能力，因為折光力高，所以二氧化鈦可以讓冰箱、洗衣機和烘乾機的外表又白又亮。也正因鈦白用途廣泛，除用做高級白色顏料外，家裡雪白的廚具、塑膠水管和油漆都是鈦白的功勞，馬路上的白漆標線、白色橡膠、高級紙張等的填充劑，以及合成纖維的消光劑也要用到鈦白。又因二氧化鈦的熔點很高 (攝氏 1,800 度), 因此還常用來製造耐火玻璃、耐高溫的實驗器皿、瓷釉、琺琅等。
二氧化鈦的另一個主要用途，是混合在植物油裡做為白色塗料。這種塗料性能很優秀，遮光力強，覆蓋力大，1 磅二氧化鈦相當於 5 磅最好的鋇鋅塗料。因為二氧化鈦的遮光力極大，所以可以應用在造紙工業上，使極薄的紙不透明，可做為航空信件用紙。
二氧化鈦總產量的一半除了用來製造油漆外，有四分之一用在塑膠產品裡，像是手提袋、窗戶和水管，其他則用來製成紙、合成纖維和陶瓷。少量用在化妝品裡，因為它很安全，甚至還用在食品中，像是冰糖和糖果。二氧化鈦還會吸收陽光中有害的紫外線，因此拿來做保護窗戶的塑膠窗框，以及製成防曬油，在陽光下保護人體。
先前提過鈦白是個重要的白色顏料，事實上，鈦白的光學性質取決於粒子的大小。比如說，可見光可透過鈦白的奈米粒子，但紫外光不能透過，正因如此，鈦白在防日曬、化妝品工業上成為熱門必需品。除此之外，鈦白的表面反應性可利用來和各式各樣的氧化物鍵結，展現出各種不同的光吸收度和光反應。鈦白也是個高效率的半導體物質，它的應用在現今高科技工業上正如火如荼地開發中。
二氧化鈦的生產過程分成幾個階段。老式的生產方法是把鈦礦石放進硫酸中溶解，讓濕氧化物沉澱，接著再以攝氏 100 度加熱。最新的生產方法是使用氯氣把礦石轉變成四氯化鈦，接著在攝氏 1 千度和氧進行氧化，如果是在攝氏 2 千度進行氧化，效果更佳。
附帶一提的是，四氯化鈦也是鈦工業的重要化學品之一。這種晶瑩剔透、容易揮發的液體，會在攝氏 136 度沸騰，因此很容易精煉。在電熔爐裡用鎂、鈉金屬和四氯化鈦加熱，就會釋放出我 - 鈦金屬。並且在接觸潮濕空氣後，四氯化鈦會形成一層厚厚的二氧化鈦微粒的白霧。在第二次世界大戰中，美國空軍就用四氯化鈦製造煙霧屏障，以保護目標免受攻擊。
此外，在冶金工業中，可以用我來脫氧和淨化，改善合金的機械性能。在化學工業中，也可以用我來製造能夠承受反射作用的設備。在電器 - 無線電工業中，也可以用我來生產熱電偶、電子管、發熱器材等。我和我的合金還可以用來生產人造寶石、外科醫療器具。在製造金屬切削工具時，更可以用來代替硬質合金中的碳化鎢。從我的性能和各種用途，不難看出我對現代工業化的重要性。
最近鈦自行車令體育界興奮不已，很多自行車手認為鈦自行車集重量輕、強度大於一身，差不多是一種「神奇的交通工具」。不幸的是，就目前工藝水準來說，這種自行車非常昂貴。
我的耐化學腐蝕性使我成為極有價值的醫療工具，例如由於不和體內組織發生反應，鈦釘常用骨科手術中。在 1950 年代，外科醫師注意到我是修補斷裂骨骼的最佳材料。我不會被體液侵蝕，也沒有毒性，能夠和骨骼結合在一起，不會被身體排斥。臀骨和膝蓋的代用品、心律調整器、金屬骨板，以及供頭蓋骨破裂傷患使用的金屬頭蓋骨，都是用我 - 鈦金屬製造的，可以留在體內長達 20 年。
正因為我在醫學上有獨特的用途，可以用來代替損壞的骨骼，這種鈦骨猶如真的骨骼一樣，因此也稱為「親生物金屬」。英國王儲查理王子曾因手肘斷裂，由諾丁罕大學附設醫院的外科醫師用鈦金屬板替他修補斷裂的肘骨。著名的機車賽車手巴里。辛恩 (Bary Sheen) 在一次嚴重的賽車車禍中折斷好幾根骨頭，據說就是用鈦金屬製成的架子把斷裂的骨頭固定住的。
鈦植入器用來附著假牙，要先把植入器的栓子插入顎骨，再裝上假牙。這種技術是瑞典哥特堡的伯英華。布拉尼馬克 (Per-Ingvar Branemark) 發明的，他在 1965 年開始以這種技術替病人植入假牙。鈦植入法的成功要素是必須使用高純度的我 - 鈦金屬，並且要絕對乾淨。為了達到這個目的，必須使用電漿弧 (plasma arc) 除掉我 - 鈦金屬的表層原子，讓新的金屬層暴露出來後立即氧化，身體組織會和這個氧化層緊密地結合在一起。
除此之外，我也在「齊格爾 - 那他」催化劑 (Zigler−Natta catalyst) 中扮演催化的主角，這個催化劑的出現已成為高分子合成化學的重要里程碑。也正因為如此，使得人們開始意識到：其他的過渡元素也很有希望成為重要的催化主角，於是展開利用其他過渡元素催化反應的大搜尋。
從以上的介紹，可以預測因科學的發展，我的需要量將大增而成為民眾常用的金屬之一。可以這麼說，正因為有我的存在和使用，增進了人類的生活品質。從上天 (製造太空梭) 到下海 (製造潛艇), 從醫學到軍事，處處可見到我的蹤跡。也可以這麼說，隨著高科技時代的來臨，人們絕對會越加重視我在各方面的用途，且讓大家拭目以待吧！ |
再生能源:風的故事–從風車到風力機 | 風從哪裡來
風是常見的自然現象，其形成源於地球自轉，以及區域性太陽輻射熱吸收不均造成的溫度差異，而引起的空氣循環流動，小規模者如海陸風、山谷風，大規模者如東北季風。風速大小一般以每秒幾公尺或是蒲褔氏風級 (The Beaufort Scale, 為了能有效地估計及紀錄風速，在 1805 年，由一位英國海軍上將，Sir Francis Beaufort, 1774 - 1857, 編造了一個表，名為蒲福氏風級表。蒲福氏風級表最初只能適用於海上，它是觀察航行的船隻狀態及海浪而編制。後來也適用在陸上，而它是觀察煙、樹葉及樹枝的搖動、或旗幟的搖動而編制。蒲福氏風級表是由 1 ~ 12 來編制，但在某些國家，在 12 風級後再加上 13 ~ 17 等級，但普遍來說，風級表只由 1 ~ 12 等級。) 表示，風速愈高其所蘊藏的能量也愈大。夏季時微風徐徐吹過，讓人覺得心曠神怡，但颱風來時，強勁的風速捲起滔天巨浪、摧毀樹木及建築物，令人驚怖，可想見風的能量是何等的巨大。
人類使用風力能源的歷史由來已久，數千年前即已懂得利用風力推動船隻航行。根據文獻，一千年前中國及古波斯即利用風車汲水、灌溉及磨碎穀物。後來風車經荷蘭、希臘等歐洲國家加以改良後，更進而發揚光大，成為中世紀歐洲重要的動力來源。
然而十八世紀末工業革命後，由於煤炭、石油等化石燃料及蒸氣機的大量使用，傳統風車被取代而逐漸式微。儘管如此，歐美對風能應用的研究並未停止，十九世紀末丹麥的氣象學家保羅・拉・庫爾 (Poul La Cour) 製造了第一部風力發電機，自此風能技術的研發乃朝發電發展。後來因為大型發電廠使用煤炭及石油以生產廉價的電力，使得昂貴又不穩定的風力遂逐漸被市場所淘汰。
但一九七○及八○年代兩次能源危機後，科學家體認到過度仰賴化石能源並非長遠之計，故除了努力提升使用效率及宣導節約外，也致力於開發再生能源技術，風力發電的研究因而再度蓬勃。再加上歐美國家環保意識抬頭，民眾普遍關心傳統發電產生的污染問題，清潔的風力能源遂受到相當的重視。風力機的研究在既有的風車基礎上，再融入近代科技後，其性能與效益皆大幅提升。現在風力發電已經是再生能源中最經濟、使用最廣泛的技術之一，尤其在歐洲風能已經是目前非常重要的電力來源。
風力發電機主要是藉由空氣的流動來轉動葉片，把風能轉換成電能。葉輪受風吹而轉動，因此葉輪氣動性能對風力機輸出效率具有決定性的影響，近年來由於葉片的設計應用了航太技術，大大地提高了風力機的輸出效率。但風力機尚無法轉換全部風能，輸出效率僅介於 20 ~ 45% 間。目前商業化風力機都使用微電腦監控，可隨風速、風向的變化而自動啟動、關機、迎風轉向，並具遠距監控及異狀保護功能。正常狀況下可自動運轉，不需人員操作，因此有「無人電廠」的稱呼。
風吹過地面時，會因障礙物的影響而減弱，離地面愈高風速愈大，因此為擷取更多風能，除須改進扇葉氣動性能及傳動發電系統效率外，也要增加塔架高度以提高迎風風速，或增大葉輪直徑以增加受風面積，因此風力機乃不斷地朝大型化發展。目前全球最大的風力機裝置容量是 4.5 千瓩，其葉輪直徑達 114 公尺，遠超過波音七四七巨無霸飛機的翼展，其塔架高度更高於 120 公尺，可稱得上是地球上最大最高的轉動體。
由於風力資源對於風力發電機的發電量極為重要，在規劃時也需考量設置區域的風性、地理條件是否能提供穩定而充足的風。風速越高的地區，風力發電機能擷取的風能愈多，經濟效益會愈好；風向穩定少亂流的環境對風力發電機的磨耗也較低，運轉壽齡可提高。一般而言，風力機宜設置於開闊區域，如海濱、防風林、田埂、漁塭、河海堤、山脊等。風力機機座占地不大，並不影響地面原有的用途，在丹麥、德國及西班牙等國家皆可見風力機與農牧共生使用。
利用風力發電好處多多
風力能源永不耗竭 人類追求經濟成長及現代化的結果使得能源大量消耗，然而地球的化石燃料蘊藏量有限，終有一日將沒有石油可用。然而風力發電卻不一樣，由於擷取的是大自然的風能，只要太陽及地球仍在運行即無匱乏之虞，故是一種能讓人們永續使用的再生能源。
風力發電無污染 大家都知道火力發電會排放大量二氧化碳及污染物質，嚴重破壞環境，影響生態並造成全球暖化；核能發電雖不像火力發電般排放污染物質，但溫排水可能影響海洋生態，而且核廢料的問題也會造成人們的恐懼。反觀風力發電不但不會排放二氧化碳及污染物質，更沒有放射性物質的困擾，是非常乾淨的能源，因此廣受注重環境保護國家的歡迎，成為應用最多的再生能源之一。
風力發電是自產能源 大自然的風完全不用進口，是道地的自產能源，多加利用可減低對進口石油、煤炭等的依賴，且促進能源多元化，在國家安全考量上亦有其戰略意義。另外在經濟與社會層面，風力發電可製造工作機會，例如其零組件的生產、運輸、組裝、維護等，都可為設置風力發電機的當地帶來相當的就業機會。
風力發電具分散式特性 傳統大型、集中式發電機組如核能與燃煤發電的能源效率低，且在輸送過程中也會造成電力的損失，因此分散式發電已成為電力系統發展的新趨勢。風力發電機可分散設置於各地區，減少輸電損失，並可滿足區域的尖峰負載，降低供電成本。
風力發電具觀光效益 風力發電場在適當的配置下，可使當地的景觀更有特色，甚至有景觀再造的功效。根據歐洲國家調查顯示，風力發電場附近有超過 80% 的居民支持風力發電，認為使當地風景更具特色。
風力發電是輔助性能源 風能來自大自然，有時大有時小，因此風力發電具有輸出不穩定的特性。在臺灣地區，冬季時東北季風強勁，使得風力發電量甚為可觀，但夏季缺電時，卻因為西南季風微弱而發電量有限，因此風力發電在現階段僅能做為輔助性能源，無法完全取代傳統發電。
歐美國家大量開發利用
由於風力發電技術成熟與量產應用有成，使得成本迅速降低。一些風力資源較豐富的國家，已開始大量開發利用，尤其因屬綠色發電，故愈來愈受到人們的支持，近年來安裝容量急遽增加，近五年的平均成長率高達 35%, 可說是不景氣中少數的高成長產業。迄二○○三年底，全球的裝置容量已近四千萬瓩，足以提供歐洲四千七百萬人的生活用電。
目前全球共有 46 個國家利用風力發電，主要分布在歐洲及美洲，前三名分別是德國、美國及西班牙。而亞洲的印度、日本及中國大陸亦名列前十名。德國在九○年代初僅有少許的風力機應用，但在其優異的工業基礎與政策鼓勵下，十年來其風力發電裝置容量呈驚人的指數成長，遠高於其他國家。西班牙則由於風力資源豐富與政策的獎勵，裝置容量也快速成長，二○○○年甚至超越丹麥成為歐洲第二。至於丹麥本是風力發電開發的先驅，由於政府的重視及鼓勵，再加上持續研發，不斷提升風力機性能，造就了成功的風電產業，目前丹麥所生產的風力機約占全球市場的 50%。
臺灣風力資源豐富
臺灣位於最大陸塊與最大海洋交界處，明顯的東北季風與西南季風季節交替，具有豐富的天氣變化。加上臺灣海峽兩側山脈形成「狹管」的地形效應，季風吹過時受到擠壓而加速，因此冬季風力相當強勁。依據工研院能資所與中央大學大氣物理所共同研究完成的風能分布圖顯示，臺灣地區風力資源相當豐富，主要分布在臺灣海峽、西部沿海與澎湖離島等地區，年平均風速每秒可達 5 ~ 6 公尺以上，甚具開發潛力。主要的風能蘊藏區域包括：北部從桃園的大園到新屋沿海，新竹的新豐到香山一帶，苗栗的後龍至苑裡沿海一帶；整個中部沿海，自通宵、大甲、經梧棲、大肚，一直到彰濱及麥寮沿海一帶；南部的嘉南沿海及屏東墾丁等地也富風力潛能。由於西部沿海大多是農田、漁塭及防風林，地區廣闊可與農漁業共生利用，非常適合大規模風力發電的開發。
國內風能研發應用早在民國五十年就已開始，臺電公司曾在澎湖白沙鄉設置一臺 50 瓩級風力發電機進行試驗。而工研院能資所也在民國七十一至七十九年間進行長期而系統性的風能研究，除了分區完成臺灣地區的風能潛力評估，並在新竹湖口風力試驗場陸續完成 4 瓩、40 瓩、150 瓩三型風力發電機的開發。可惜因當時油電價格偏低且風力發電成本仍高，缺乏市場機緣而中止研發，國內風能應用因此未能有進一步的發展。
政府獎勵，帶動設置風潮
風力發電在中斷近十年後，相較於國外之蓬勃發展而國內卻遲遲未能展開，政府為加速推動國內風力發電應用，參考國外成功的經驗，於八十九年初發布施行「風力發電示範系統設置補助辦法」提供設備補助，獎勵民間投入設置風力發電示範系統。工研院能資所配合執行「風力示範推廣計畫」, 技術輔導民間設置風力發電系統，以建立國內運維技術經驗，促進民眾對淨潔風力能源的瞭解，營造推廣應用環境；同時配合發展風場評估模式，完成臺灣地區風力潛能分布圖，並進行陸域及海域可用風力發電場址評選規劃，為進一步開發風力發電利用舖路。在工研院能資所的協助輔導下，目前完成共 8,540 瓩之裝置容量，包括雲林麥寮 2,640 瓩、澎湖中屯 2,400 瓩以及竹北春風 3,500 瓩等三座風力發電示範系統。
四年多來在經濟部能源局與工研院能資所的努力下，透過資源勘查、技術輔導、示範補助與宣導推廣，已初步達成推廣成果並帶動國內風力發電應用的風潮。目前已有民間業者與臺電公司等正積極規劃在臺灣西海岸大規模開發風力發電。臺電公司已擬定「風力發電十年發展計畫」, 規劃在民國一百年前設置至少 200 部風力機組，總裝置容量達 30 萬瓩以上。臺電第一期計畫將裝設 60 部共 10 萬瓩的風力發電機組，預計在九十四年底可全部完工商轉；而多家民間廠商亦積極規劃在桃竹苗、中彰、雲嘉南及屏東濱海地區大規模開發。在未來的五年內，臺灣西海岸將可看見一座又一座的風力機迎風運轉，生產乾淨的綠色能源。 |
新型觸媒轉化器 | 明 (2010) 年，美國將對重型柴油卡車提高廢氣排放的標準，氮氧化合物不得超過 10%。現在，這些重型柴油卡車使用一種以液態尿素為基礎的觸媒轉化器。觸媒轉化器的功能是把氮氧化合物轉化成氮氣。氮是空氣的主成分，體積占 78%, 無色、無味，而且極為安定；它是蛋白質的主要構成要素之一。
只有極少數生物可以直接利用氮，例如根瘤菌。我們沒辦法直接利用氮，也沒有辦法利用蛋白質在體內代謝後必然會產生的含氮化合物。最後，那些含氮化合物以尿素的形式排出體外。(要是我們能夠回收、利用尿素，以尿素生產蛋白質，那有多好！反芻動物能把尿素回收再回饋給瘤胃中的細菌利用，使細菌生長、增殖，成為反芻動物能夠消化利用的蛋白質。)
利用尿素把廢氣中的氮氧化合物轉化成氮氣，是個複雜的過程，而且會消耗尿素，必須不斷添加。因此，目前柴油卡車使用的觸媒轉化器又髒又占空間。
汽油車使用的觸媒轉化器與柴油車不同，因為這兩種車排放的廢氣組成不同。汽油車廢氣中氧的比率較低，柴油車廢氣中氧的比率高。把氮氧化合物轉化成氮氣與氧氣，關鍵在於，除了觸媒之外，還要提供電子給氮氧化合物中的氮。可是氧會搶那些電子，而且很會搶。
最近美國阿岡國家實驗室 (位於美國芝加哥郊外) 馬歇爾 (Chris Marshall) 的研究團隊，發現利用銅沸石 (copper-zeolite) 當觸媒，就能解決電子供應問題。而這種觸媒其實在 1990 年代初，也就是十多年前，就問世了。
不過，銅沸石只在無水環境中發生作用，在攝氏 450 度的環境中最能發揮功能。柴油車的廢氣中有許多水氣，而且廢氣溫度最高 340 度，因此，馬歇爾的研究團隊必須設計出讓銅沸石最能發揮作用的觸媒轉化器。
他們以氧化鈰包裹銅沸石微粒，再敷在瓷器表面。瓷器有無數微米級的小孔，可讓廢氣通過；銅沸石可以促進氮氧化合物與電子的反應，形成氮氣。以氧化鈰包裹銅沸石微粒，可讓銅沸石微粒不接觸水，並降低反應溫度。
初步測試結果：在理想溫度時，銅沸石觸媒轉化器與傳統的尿素觸媒轉化器效率一樣好。但是在低溫時，銅沸石觸媒轉化器更好。此外，銅沸石觸媒轉化器不必添加觸媒，安裝完畢後就不必再維護了。他們估計，商品化之後，銅沸石觸媒轉化器的售價會是傳統觸媒轉化器的三分之二。
馬歇爾的研究團隊已提出了專利申請。 |
二氧化鈦光觸媒的應用–自潔建築材料 | 在實際生活中，建築材料如瓷磚或窗戶玻璃等的清潔是很麻煩的，因為會消耗大量的能源及清潔劑，所以成本甚高。根據研究，若要使材料可自潔表面，主要的方法是使材料表面具有「超疏水性」或「超親水性」。
暴露在空氣中的固體的潤濕性與界面間的張力有關。水 / 空氣、水 / 固體及固體 / 空氣兩兩之間的界面張力決定了水滴在固體表面上的接觸角。接觸角零度表示完全潤濕，而 180 度表示完全不潤濕。水在疏水性的表面上接觸角大於 100 度具低潤濕性。一般而言，接觸角越大，附著性越低，換句話說，接觸角的減少會使附著性增加，趨向親水性表面。
植物表面的斥水現象早已為世人所知，而其斥水性表面也顯現出自潔的性質。1997 年，巴樂特 (W. Barthlott) 等人說明了蓮花葉面的結構、潤濕性及其自潔特性的關係，並稱它是「蓮花效應」。他們還指出蓮花葉片表面具有細微粗糙結構，且接觸角高於 130 度。這意謂著，當水接觸到蓮花葉面時，會立刻收縮成水珠，而污染物粒子也會附著在水珠表面，當水珠滾動時，就會被一起帶走。如果能把這些植物表面的細微結構製作在實際的物品上，或許就可得到超疏水性的表面。
另一方面，自從發明肥皂後，我們就已知道清潔程序與低接觸角有關。一般來說，清潔劑會降低水的表面張力，使得接觸角減小。最近人們發現一個不用清潔劑也能造成低接觸角的例子，那就是在材料表面製備一層光催化活性的薄膜。
在過去數年中，許多人對二氧化鈦深感興趣。因為二氧化鈦若暴露在紫外光下，可得到小於 1 度的接觸角，可見這類物質具有獨特的「親水性」, 而且停止照光後，二氧化鈦表面的超親水現象仍可持續兩天。此外，二氧化鈦照射紫外光後也能有效氧化及分解細菌、有機和無機物質。
非均相光催化
在缺乏催化物質時，大部分碳水化合物的氧化進行的非常緩慢，這現象可從化學反應動力學來解釋。由於光觸媒會降低反應的活化能，所以在光驅動下，會產生強氧化性及強還原性的物質。一個非均相光催化系統，是由半導體粒子，即光觸媒，與液相或氣相反應物質接觸所構成。觸媒照光會產生激發態，因而啟動一連串反應，如氧化還原及分子轉換。
在光催化作用的反應機制中，光觸媒的電子組態是具有填滿的共價帶和空的傳導帶。傳導帶最低能階與共價帶最高能階的能差就是所謂的帶距能，這剛好是照光使物質產生導電性所需的最低能量。
當光子的能量超過帶距能時，電子會從共價帶躍遷到傳導帶，而留下一個電洞在共價帶裡。對導電的物質而言，所產生的電荷載體會立即再結合。但對半導體而言，光激發所產生的電子 - 電洞對會擴散到觸媒粒子的表面，而參與化學反應，並和被吸附的施體 (donor) 或受體 (acceptor) 分子作用。電洞會氧化施體分子，而位於傳導帶的電子會還原受體分子。
半導體性的金屬氧化物有一特點，就是電洞的強氧化力。它們可以和水反應進行單電子氧化步驟，產生高度反應性的氫氧離子基。電洞和氫氧離子基都是很強的氧化劑，可氧化大部分的有機污染物。
一般而言，空氣中的氧氣分子也會像受體分子一樣形成超氧離子，超氧離子也是具有高度反應性的物質，可以氧化有機物質。
二氧化鈦光觸媒
二氧化鈦是日常生活中常用的物質，廣泛應用在白色顏料、化妝品及食物中。一般來說，二氧化鈦是一種半導體材料，可藉由照光啟動它的化學作用。近年來，二氧化鈦的光催化性質被廣泛研究，尤其是塗料方面的應用。由於二氧化鈦在光照下可分解有機物質，使得塗料中的有機成分被分解掉，導致了著名的油漆白化現象。
二氧化鈦有 3 種晶相：銳鈦礦、尖晶石及板鈦礦。與尖晶石及板鈦礦相較，銳鈦礦有較好的光催化性，因此，工業用的二氧化鈦光觸媒幾乎不使用尖晶石相或板鈦礦相。以下敘述所提到的二氧化鈦，都是指銳鈦礦相。
1972 年，藤島 (Fujishima) 和本田 (Honda) 發現在二氧化鈦電極上，水會被光催化而分解，這個發現可說是非均相光催化領域中新時代的開始。雖然二氧化鈦只能吸收大約 5% 的太陽光，但仍是在化學轉換及太陽能儲存上最實用的半導體。最近幾年，二氧化鈦光催化技術已經應用在一些重要的環保問題上，例如水和空氣中有毒物質的去除。
二氧化鈦是帶距能 3.2 電子伏特的半導體，如果它被大於 3.2 電子伏特，相當於波長小於 388 奈米的光子照射，電子就會從共價帶躍遷到傳導帶。因此，光照射最基本的程序就是產生電子 - 電洞對。
半導體是否有因為光照而使電子轉移到被吸附粒子上的能力，是由半導體的能帶位置及被吸附物質的氧化還原電位所決定。熱力學指出，受體物質相關的電位階必須在半導體的傳導帶以下，而為了能施予電子到電洞中，施體的電位階必須在半導體的價帶位置以上。
和其他污染物的氧化程序相比，使用二氧化鈦進行非均相光催化氧化，必須滿足下列條件才具有競爭力：使用低成本材料做為光觸媒；在室溫及 1 大氣壓下，也能非常快速地反應；被轉化成水及二氧化碳的有機污染物種類範圍要廣泛；不必使用化學反應物，且無副反應產生。
二氧化鈦光催化的應用
過去 10 年中，已經吸引了許多產業應用光催化技術於水及空氣純化的研發上。與傳統採用的氧化程序相比，光催化技術有不少的優點，如設備建置容易、室溫操作、毋需後續處理、能源消耗較少、成本較低等。
針對廢水中有毒物質去除的議題，已經設計出很多光反應器。在以前，是使極微小的二氧化鈦顆粒分散在液體中。然而，這些系統很難控制，因為以紫外光照射完成分解程序後，二氧化鈦顆粒仍懸浮在水中，若使用過濾或其他方法移除，效率都很差，也耗費成本。另外，有些反應器是設計成把二氧化鈦固定在玻璃、陶瓷或金屬表面上。目前更進一步改善成薄膜固定床反應器，反應時工業廢水是通過表層鍍有二氧化鈦的材料，如玻璃、聚苯乙烯、甲基丙烯酸酯等。
光催化氧化也可去除及分解室內空氣中的污染物，所用的反應器會抓住有機化合物並進行化學氧化，使它們轉化成二氧化碳和水。這些反應器可在室溫下操作，且不必考慮壓力的問題，因此，可進一步與加熱、通風及空調系統整合。
鍍有二氧化鈦的瓷磚能有效分解有機和無機物質，同時也能抗菌。這些瓷磚應用在醫院及看護設施上，可以減少傳染的速率和對免疫系統已經很弱的病患的威脅；應用在公共設備和學校中，可以改善衛生條件；應用在廚房、浴室和地板上，可以提升家庭衛生並減少家事的分量，而這也是一般人最感興趣的。此外，這些瓷磚顯現出超親水性的行為，水會在瓷磚表面形成均勻的一大片，油脂、塵垢和其他污染物質會很容易地被水流所清除。超親水性再結合光催化氧化特性，使鍍有二氧化鈦的瓷磚能做到表面自我潔淨。
未來的研究及應用
二氧化鈦光催化有很多戶外的應用，已有二氧化鈦應用於建築材料如瓷磚、混凝土、砂漿及灰泥中的資料。例如，大部分建築物外牆會被含有油質化合物的汽車廢氣所損壞，若能在原建築材料表面鍍上具超親水性的光觸媒，外牆的塵垢可以很容易地被雨水清洗掉，而長時間保持建築物外觀的清潔。
這類應用須考慮二氧化鈦的兩個特點：第一，超親水性的表面對水比對油具有更高的吸引力；第二，紫外光照射二氧化鈦所形成的電子 - 電洞對，會與環境中的氧及水反應，而在鍍材表面產生具強氧化清潔能力的媒介，這些媒介會把大的有機分子分解成較小的分子。
總之，結合光催化和超親水性兩項特點，二氧化鈦可讓油脂和塵垢很容易地被水清除。 |
碘系列專題報導(五):碘的重要與安全補充之道 | 碘是人體必需的礦物質營養素，甲狀腺利用它來合成甲狀腺素。這個荷爾蒙指揮胎兒的腦神經系統發育，個體成長和成熟，提高能量代謝。碘營養不足使甲狀腺素不足，嚴重者導致呆小症、聾啞和癱瘓，輕微者使智能發育遲滯，生育力異常，可能與肥胖和某些癌症的風險有關。
健康的人體內甲狀腺有充足的碘儲存，成人每天利用 75 微克的碘生成甲狀腺素，並且代謝釋出約 40 微克的碘。飲食提供的碘吸收率很高，進入血漿後運送到甲狀腺利用，超過所需的碘從尿液排泄；另外肝臟會經膽汁從糞便排出 15 微克的碘。碘攝取量減少時，甲狀腺儲存的碘會漸漸消耗。為了維護碘充足，成人每天的建議攝取量是 140 微克。孕婦從受孕開始，碘的新陳代謝加速，尿碘排泄增多，還要供應胎兒的需要，因此建議量是每天 200 微克。
飲食是獲取營養素的主要管道。食物供碘能力依照食物類別而各有特點:
一般食物與飲料的碘含量都很低。同一種食物會因產地而有很大的變化，並不能保證穩定與充足量。含碘比較高的食物通常是海產魚蝦貝類，但是養殖品比野生品少；而且若不常吃，此類食物對碘營養的貢獻仍然有限。
美國、加拿大、瑞士等國家，鮮乳和乳製品可以提供碘，這並不是牛乳天然含碘量高，而是擠乳時會用碘劑消毒乳房，以及乳牛用的冬季草料會加碘。台灣各種乳品測得的碘濃度是每公升：鮮乳類 62~73 微克，強化乳 35~118 微克，調味乳 8~67 微克，保久乳 7~97 微克。一天兩杯鮮乳提供約 35 微克的碘，只夠兒童建議量的 30%, 更不夠成人的需要。由於各種乳品的碘量差異很大，不可能倚賴乳品作為主要的供碘食物。
含碘最豐富的食物是海產植物類，已經成為日本和韓國日常飲食一部分，因此這兩國都沒有缺碘問題，也不需實施碘強化政策。不同種類海產植物的含碘量差異很大，以每公克乾重的碘量表示，海帶 (昆布) 可高達 3 毫克，裙帶菜為 0.2~0.3 毫克，紫菜類則低於 0.1 毫克。目前有許多補碘食品就是利用昆布做成的粉末或膠囊。這類產品的碘量很高，要特別注意過量的問題。
最穩定的碘來源是加碘強化的食鹽，所用的碘化物種類與含量因各國的食品添加物規範與碘鹽標準而有差異。舉例來看，加拿大的添加量可能最高，食鹽中添加碘化鉀 (KI) 100 ppm, 相當於每公克食鹽含碘 76 微克；美國也採用碘化鉀 60~100 ppm, 澳洲與紐西蘭的國家標準是碘量 25~65 ppm, 泰國的規範是碘量 30~100 ppm; 中國則有 20、25、30 ppm 三種選擇，可依照各地區的水質含碘量而選擇，以避免過量。
我國於民國 56 年全國實施食鹽加碘政策以來，採用性質比較安定，比較不會潮解的碘酸鉀 (KIO3), 每公克食鹽可供碘約 14 微克。如果居家用鹽量為 6 公克，採用碘鹽可供應約 84 微克，達到成人建議量的 60%。孕婦和乳婦必需額外補充才能充足 (例如吃含碘的營養補充劑), 先進國家通常會提供教導和諮詢。
碘過量傷害甲狀腺
碘引發的傷害與劑量和時間有關。一般觀念以為天然食品不會有過量傷害，事實不然。碘無論來自天然食品或營養補充劑，成人和孕乳期的上限攝取量每天都不宜超過 1000 微克。
亞洲婦女傳統上認為昆布有催乳效果，經常在孕期和哺乳期大量食用，因而有多起過量的報告。日本北海道盛產昆布，就有食用過量，產生甲狀腺腫的報告。2008 年澳洲陸續發現數起碘過量的個案。數位婦女每天飲用添加昆布的黃豆奶而有甲狀腺功能低落的現象，她們的尿碘濃度是正常值的數十倍；也有乳婦飲用這個產品而導致嬰兒甲狀腺功能低落。經檢驗而知，這個產品的碘濃度超過每公升 25,000 微克，每天飲用 500 毫升的碘量超過 12,500 微克，是哺乳期建議量的 50 倍。日本熊本大學在 34 名先天性甲狀腺功能低下症的嬰兒中發現有 15 位的血漿碘濃度明顯過高；追蹤母親的飲食而知，她們在懷孕與哺乳期從海帶等飲食攝取大量的碘。
最近中國在碘充足地區調查七千多位孕婦的尿碘濃度與甲狀腺功能，證實一個基本的營養原則，尿碘濃度在 150~250 微克 / 升之間，甲狀腺功能低落的比率不超過 2.5%, 這正是 WHO 所建議的孕期標準。劑量與風險曲線左右不對稱，缺碘的傷害比碘過量嚴重，尿碘超過 500 微克 / 升則確定是過量而不必要了。
快速大量補碘不安全
當落入輕微缺碘狀態時，政府與民眾都難免急於補碘。增加碘的攝取量是必要的，但是不能操之過急，因為補碘各國的經驗指出，快速大量的補充會使甲狀腺亢進的發生率暫時性升高。以瑞士為例，原本食鹽加碘劑量是 7.5 ppm, 於 1980 年增高為 15 ppm, 當時誘發甲狀腺機能亢進的比例升高了 27%。這種現象大約約要 8~9 年才會平息。因此理想的策略是加碘強化的食物種類不宜過多且分散，加碘劑量也不可太高，同時要有周全的監測。民眾也要注意自己使用的含碘食物，閱讀標示，慎做記錄，千萬不要追求多種高劑量的補充品。
有些醫療處置會改變甲狀腺機能，醫師要小心處理以保障病患，例如心臟冠狀動脈血管攝影，注射含碘對比劑可能引起甲狀腺機能亢進；又如心律不整的治療藥物，amiodarone, 因含碘量甚高，也可能產生甲狀腺功能異常。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫 - 食品營養與安全之民眾科普教育計畫」執行團隊撰稿)
責任編輯：蕭寧馨 | 國立台灣大學生化科技學系
審校：許瑞芬 | 輔仁大學營養科學系 |
燃料電池:由空氣產生電能的新能源–鋅空氣燃料電池 | 近百年來，人類科技的進步非常迅速。不論軍事上武器或生活上電器的發展，都是一日千里，近十年來更是與日俱新。因為科技發展的快速，加上全球人口的增長，能源的使用也不斷地增加。
目前最重要的能源應屬石油，而世界上石油的產量幾乎全控制在幾個主要的產油國家，這些產油國家組成石油輸出國組織，簡稱 OPEC。石油輸出國組織本來是一盤散沙，難成氣候。但是這一兩年來，他們終於放下己見，團結一致，因而能有效地控制石油的產量與價格。最近石油輸出國組織不斷減產，已使得世界石油的供應驟減，情況的嚴重已達一九七○年代以來之最。由於石油輸出國組織尚無增產的計畫，也沒有增產的需要，在未來的兩三年間，石油的價格預期難往下降。
現今石油的存量正在迅速減少中，專家預估可能在半世紀後會有供應上的危機。此一世界性的能源危機，迫使人們再度致力於尋找新的可利用能源。
目前在世界能源生產、輸送及使用過程中所出現的問題，是造成全球溫室效應和生態環境惡化的主要原因，對自然生態環境所造成的破壞更是難以估計。目前許多先進國家已建立在 20 年內減少排放 5% 二氧化碳的共識，並呼籲各國政府制定有關政策和價格的機制，以減少現有能源使用的浪費，及致力於新能源的開發，例如核能發電設備的更新、太陽能與風力發電的應用，以及再生能源和燃料電池的開發。
其中，核能發電的安全顧慮及公害問題，使得其應用存在著許多爭議。太陽能發電能量轉換及應用上的效率，仍需一段時間的研究才能在技術層面上有所突破。而風力發電則須考量地理因素，且在執行上對生態造成的影響也是值得注意的。
為保護地球上的生態環境及延續人類的生存，對於能源不足的處理方式，應鼓勵提高能源使用效率，開發可再生資源和使用先進的能源技術。世界各國在開發的新能源中，發現燃料電池是最適於投入發展的選擇。
電池的種類可以概分為化學電池與物理電池二種。而化學電池又可分為一次電池，如熱電池、固體電池、乾電池等，二次電池，如鉛酸蓄電池、鋰離子電池等，及燃料電池。物理電池則可分為太陽能電池、熱起電力電池及原子力電池等。
其中，燃料電池又稱為連續電池，與一次電池及二次電池有相當大的不同。其特色在於正負兩極並無活性物質存在，而是透過外部系統提供，所以只要持續由外部提供活性物質，電池就能夠持續不斷地放電。在正極的部分，真正進行氧化反應的是空氣或氧氣，而在負極的部分，則是以氫氣或煤氣等為主，此類電池中具代表性的是氫氧燃料電池。
氫氧燃料電池早在一八三九年就發明了，直到一九六○年代在美國阿波羅登月計畫中才用來發電，惟其成本極為昂貴，且體積普遍較大，所以要達到商業化可能還需一段時間。介於一次電池和燃料電池之間的金屬空氣電池，不但兼具燃料電池的優勢，並且也克服了燃料電池在某些技術層面上的瓶頸，是目前比較能夠商業化的能源之一，其中最具代表性的就是鋅空氣燃料電池。
金屬燃料電池是以空氣中的氧氣作為電池中的氧化物，並且使用金屬物質作為負極，這樣的結構在各種電池中是屬於具有高能量密度、長期保存性及低成本特性的高性能電池。目前使用中的鋅空氣燃料電池、鎂空氣燃料電池、鋁空氣燃料電池等都是常見的例子，其中又以「鋅空氣燃料電池」最具代表性。
通常我們在生活中會用「呷空氣嘛會大漢」來反諷事情的不真實性，但對研究電池領域的專家來說，空氣亦可扮演產生能源的角色，亦即空氣可以作為產生能源的一份子。
簡單地說，鋅空氣燃料電池是會呼吸的電池。空氣中的氧進入電池中，在正極上參與電化學反應，在此過程中氧氣會被消耗，所以必須不斷地從外部空氣中取得氧氣。而氧氣卻是自然界垂手可得的一種物質，所以在能源的成本上可說是便宜的。另一部分反應的物質是金屬鋅，它參與電池中的負極化學反應。在反應過程中金屬鋅會氧化成氧化鋅，並沈澱在電解液中。只需收集反應後的氧化鋅，並將氧化鋅電解還原成鋅，便可再生再利用。
所以在鋅空氣燃料電池中，產生電能後消耗掉的僅是空氣中的氧氣和反應後的一些水氣。在現今能源短缺的情況下，鋅空氣燃料電池所擁有的環保特性，確實是解決能源問題的最好選擇。鋅空氣電池的發展歷史可分為下列幾個階段。
早在十八世紀時，第一個微酸性的鋅空氣電池就已發展出來。當時以 NH4Cl 作為電解質，鋅作為陽極，而含有少量鉑的活性碳則作為陰極載體。其結構和外形與鋅錳乾電池相似，但電容量高出一倍以上。由於碳電極負載只能達到 0.3 毫安 / 平方公分的限制，所以在發展上受到一些限制。
到了二十世紀二○年代，在鋅空氣電池上作了大幅度的改進，並開始轉到鹼性鋅空氣電池上。一九三二年發展出的鹼性鋅空氣電池，以汞齊化鋅作為陽極，經過石蠟防水處理的多孔碳作為陰極，20% NaOH 水溶液作為電解液。放電電流密度可達 0.5~3.5 毫安 / 平方公分，後來更進一步提高到 7~10 毫安 / 平方公分。鋅電極也被改良成可更換式的。
到了四○年代，由於鋅銀電池的研製成功，人們發現在鹼性溶液中，粉狀鋅電極能在大電流下放電，為鋅空氣電池的進一步發展提供了基礎。到了六○年代，由於常溫燃料電池研究的迅速發展，獲得了高性能的氣體電極，為高性能鋅空氣電池的發展創造了有利的條件，使其性能又一次獲得突破。
一九六五年美國發展了用聚四氟乙烯 (PTFE) 作黏劑的薄型氣體擴散電極新法後，就取代了其他的氣體電極。此電極厚度在 0.12~0.5 毫米之間，而最高的放電電流密度在氧氣中可達到 1,000 毫安 / 平方公分。到了一九六七年，有人將上述電極改進，加上一層聚四氟乙烯製成的防水透氣膜，構成固定反應層的氣體擴散空氣電極，使電極能在常壓下工作。這類電極在空氣中以 50 毫安 / 平方公分放電，工作壽命近五千小時。
到六○年代末，高效率的鋅空氣電池已進入工業生產的階段，在許多方面有卓越的應用。七○年代後期，小型高性能的扣式鋅空氣電池進入市場後，成功地應用於助聽器、電子手錶、計算器以及其他需要小功率電源的場所。
八○年代迄今，大型鋅空氣電池成為發展主流。日本三洋公司製成 125 伏特、560 安培小時的牽引車用電池，已在大型車輛上使用，同樣 15 伏特、560 安培小時的樣機也應用於各種場合。這些系統中單體電池容量為 1 伏特、560 安培小時，電流密度為 80 毫安 / 平方公分，最大可達 130 毫安 / 平方公分。進入九○年代後，電動車用鋅空氣電池的研發已有長足的進步，甚至已達到美國先進電池協會 (USABC) 所訂的中程目標，使得電動車的發展越來越成為可能。
由於科技的發達，人類不斷追求便利、富裕的生活，能源的使用也到無節制，甚至濫用的地步，遂造成能源短缺的危機，各先進國家於是積極投入新能源的研發。鋅空氣燃料電池由於多方面的應用發展優勢，使其成為目前最受矚目的明星能源。
鋅空氣燃料電池能源特性優異，有如下諸多特點.. 常溫常壓下即可操作，不需外在的壓力平衡設計；目前鋅空氣燃料電池每單位重量所能產生的實際能量已超過現有的鉛酸電池、鎳氫電池及鋰電池，且未來還有很大的發展空間；自放電率低，若置於密閉空間中，放電率幾乎為零；重量小、體積小、容量大、系統結構簡單。另外，鋅空氣燃料電池也具有良好的環保性，其產生電能後，產物主要有二，即水氣與氧化鋅，這些物質經處理後皆可再使用，所以環保性是絕對受肯定的。
鋅空氣燃料電池所需的反應物主要有鋅和空氣，皆屬低成本物質，故鋅空氣燃料電池的經濟性無庸置疑。至於鋅空氣燃料電池的應用層面也很廣，舉凡 3C 產品、電動車輛或區域發電機中均可見其蹤跡，明日之星非它莫屬。
鋅空氣燃料電池在能源替代上的成效是受到肯定的，對於解決現今能源危機及保護環境生態確能提供頗大的助力。而其擁有的零污染、充足燃料來源、高續電力及價格低廉等特性更勝傳統電池，有絕對的實力能取代現有的廣大電池市場。
目前全世界尚無燃料電池的商業化產品，但燃料電池的熱潮卻已成為炙熱的焦點。未來將隨著產品的演進及消費習慣的改變而進入各領域，市場潛力無窮。專家預言，鋅空氣燃料電池將成為二十一世紀跨環保、動力車輛和能源電力等科技的明星產業。 |
大資料視覺化分析淺談 | 現在科技的進步，可以測量及取得資料也越多，資料的精度也越來越高。收集到的資訊量也呈現爆炸性的成長。資訊累積的速度已超過軟硬體發展的速度。傳統的分析方式已經很難應付現在的巨量資料。
視覺化分析技術，就是將資訊以不同型式的圖表或圖形顯示，透過人眼接收，靠著人類大腦強大的綜合與辨異能力，找出隱藏的未知訊息，從中發現有用的資訊。所分析的資料，有別於以往傳統的科學資料 (斷層掃描、計算模擬結果等)。對象包含統計資料、事件紀錄等各式分散雜亂的資料；如臉書朋友網路、網路連結 (生物神經網路、網際網路、交通網路)、文字紀錄 (關鍵字)、自然人文統計資訊等。每筆紀錄，可能只有局部關聯的小量資訊，但擴大到整體，要如何從百千萬筆資訊找出關聯性，是目前的一大挑戰。
2012 年三月美國白宮提出的「推動大資料研發」(Big Data Initiative) 1, 就是針對現在的極大量資料，需要開發新的儲存、管理、分析等技術。而大資料的視覺化分析 (Visual Analytics), 是美國能源部、NIH、及 NSF 三個單位的發展重點之一。
視覺化分析的方式有許多種，我們可以用點線連結表現單筆關聯資訊，再集合所有紀錄，可以產生一個複雜的圖 (Graph), 但如何從含大量資訊的圖裡找點和點間的關聯性，又更是一個大挑戰。群聚分析 (Clustering Analysis) 就是可以找出網路結構裡的主群聚的方法之一；同群聚內的兩點的連結會比不同群聚間的兩點的連結強。將大量的資訊以 Graph 關聯表示，調整不同的位置、大小、顏色、形狀等來表示邊及點，來顯示群聚資訊，再從顯示的結果中找出視覺特徵，可以加速分析。分析的結果，如網路流量分析，可以用來規劃未來網路設備升級的優先順序。
大資料分析的視覺化分析是一門新興的領域，許多新的技術一直被開發出來，也應用在新的領域。在現在資訊爆炸的時代，會是一個協助分析與決策的好工具。
參考文件
白宮科學與技術政策聲明:http://www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/big_data_press_release_final_2.pdf |
雲端儲存(三):把資料拆開放?雲端分散式儲存系統 | 2013 年 5 月，國家高速網路與計算中心分別在新竹、台北、高雄、台中舉行「巨量資料來襲，雲端運算新企機」研討會，國內研究機構、學術單位及資訊服務業者出席踴躍。會中探討 SynDriver 與 Hadoop 和在巨量資料及雲端儲存領域的應用跟未來商機。未來將朝向「資料之所在，商機之所在」的方向發展，可見雲端巨量資料分析的兩個重要範疇：儲存與運算。本文將針對大資料的儲存技術–分散式儲存技術進行介紹。
在資料爆炸的時代，資料大小往往比電腦上的 1 顆硬碟還要多，且資料必須被保留的時間也比電腦的壽命還長，一般用戶可能會從不同的地方存取資料，或希望能把資料分享給不同地區的用戶，基於以上需求，分散式檔案系統被提出。分散式檔案系統大幅度提升資料可存放的空間，且同時會將檔案備份，降低某一存放空間毀損所造成的資料遺失，且因同一份檔案有多份備份，此檔案可同時分享給多個使用者。
2003 年 Google 提出 Google File System, 簡稱 GFS。GFS 可提供大資料的應用程式採用分散式方式儲存資料；GFS 具有容錯機制、高效能檔案整合等功能，但因 Google 未開放 GFS 的原始碼，只有發表論文說明 GFS 的系統架構，因此 2006 年 Doug Cutting 根據 Google 所發表的論文開發出 Apache Hadoop, 並用 1 隻黃色大象當成 Hadoop 的標誌。Hadoop 為一個開放的軟體程式架構，包含 Hadoop Distributed File System、MapReduce 及 HBase;Hadoop 為目前在雲端系統上最常被使用進行大資料量運算的軟體架構，重要性不可小覷，因此以下將針對 Hadoop 架構中的儲存系統 Hadoop Distributed File System 做詳細的介紹。
Hadoop Distributed File System, 簡稱 HDFS, 為分散式的儲存架構，適合儲存容量大的檔案，其系統穩定，因此不需使用昂貴的儲存設備來架設儲存系統，使用一般價格的硬碟架即可，大幅減少硬體成本。在 HDFS 中有兩個主要部分:namenode 和 datanode 。
namenode 好比工廠裡的工頭，負責工人的管理及保管工人的資料，所以在儲存系統上，namenode 負責管理整個儲存系統，包含 1 個檔案被切成幾份、每一份存在哪個儲存節點上、備份在哪個節點上及控制檔案的存取權限；但因 namenode 只有 1 個，所以具有單點失效的問題，即 namenode 毀損，整個檔案系統將會無法進行運作，因此 Hadoop 開發團隊也正在針對此問題進行修正。
datanode 則像是工廠裡的工人，負責提供檔案儲存的空間、執行檔案的存取及備份，HDFS 預設會以 64MB 的大小將檔案進行切割並將每份檔案儲存 3 份備份，因此若有 1 台儲存節點壞掉，依然可從其他備份中進行還原，大幅提升檔案儲存時的容錯率，同時也因檔案被切割成多份儲存，因此可以平行存取及平行運算提升運算時的效能。namenode 儲存了 MyFile 檔案的資訊，包含 MyFile 被切成 3 份，分別為 block 1、block 2、block 3, 並備份 3 份，datanode 則負責檔案實體的儲存。
我們用 1 個 100MB 的資料儲存例子來說明在 HDFS 上寫入與讀取的流程，使用者會在自己本機上先暫存這些資料，當達到 64MB 時，本機上的儲存系統會自動通知 namenode,namenode 回應使用者，告知可存放檔案的 datanode 位置，例如 2 號 datanode, 使用者將此 64MB 的資料存入 2 號 datanode, 本機上的臨時資料夾剩下 36MB, 再次通知 namenode,namenode 回應使用者，告知可存放檔案的 datanode, 例如 5 號 datanode, 使用者將剩下的 36MB 存入 5 號 datanode; 若使用者想要讀取資料時，會先向 namenode 詢問資料存在哪個節點上，namenode 回應使用者，告知資料存在 2 號和 5 號節點上，使用者到 2 號和 5 號 datanode 上讀取資料並在本機端組合成原始的 100MB 資料。
分散式儲存系統，將資料切割儲存，讓使用者能使用平行技術加速資料的運算，並透過備份機制提升資料的容錯率，大資料儲存不再是問題，但將資料儲存在雲端上的分散式系統必有其安全性的疑慮，因此雲端儲存之安全性議題將是後續值得探討的。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通」執行團隊撰稿)
責任編輯：黃承揚 | 英商牛津儀器海外行銷有限公司 |
量子電腦將問世?! | 量子計算機的理論是在八十年代變得豐富起來的。1982 年理查費曼 (Richard Feynman) 提出，利用量子系統來實現通用計算設備的概念，接著 1985 年，大衛杜其 (David Deutsch) 提出了量子圖林機 (Quantum Turing machine) 的模型。一般我們所熟知的傳統電腦，是利用電位高低表示 0 或 1, 但量子電腦則利用原子的能階代表訊息，以量子位元 (qubits) 來儲存數據，使用量子演算法來操作計算，其計算本質為疊加性與相干性，將可執行量子平行化處理，因此，這樣強大的運算能力將遠遠超越一般電腦。
在 2007 年，加拿大的 D-Wave 公司研發出全球首台量子計算機，但當時其穩定度不夠，僅能運算數千次。於四年後，發布了號稱第一款商用型量子電腦的計算設備「D-Wave One」, 不過尚未廣泛地得到應用。而經過科學家努力不斷地嘗試與實驗，IBM 於年初宣布於量子運算領域獲得重大突破，已創造出執行量子運算技術的工作元件，接著將創造系統，希望量子電腦可於十五年內問世。另外，近期也有研究團隊爭相發表相關論文於 Science, 分別利用超純矽與鑽石晶體來儲存量子資訊。隨著量子資訊研究的持續發展，相信量子電腦的應用將是指日可待，而原本仰賴超級電腦的龐大複雜運算，也許屆時將由數年的計算時間降為幾分鐘的量子世界。
參考資料
量子電腦，中文维基百科，http://zh.wikipedia.org/wiki/ 量子计算机
工商時報，http://www.cm.nctu.edu.tw/news/news.php?Sn=4671
D-Wave One, http://www.dwavesys.com/en/products-services.html
聯合新聞網，http://mag.udn.com/mag/digital/storypage.jsp?f_ART_ID=374540
中央社，http://goo.gl/Wg47V
Science, http://www.sciencemag.org/content/336/6086/1280.full.pdf?sid=b14010fe-b689-4128-8ead-fd5fbc4751ad
Science Daily, http://www.sciencedaily.com/releases/2012/04/120404161943.htm |
大資料帶起國際研網新世界 | 當大資料的風拂過大地，在每個地方萌發一片新綠的同時，學術研究網路的世界也悄悄進行著翻天覆地的改變，以滿足雨後春筍般冒出的資料傳輸新需求。在學術世界嶄露頭角的新資料大戶都是響噹噹的角色，最具代表性的莫非橫跨瑞士、法國、意大利三國邊境，甫證明上帝粒子 (Higgs Boson) 存在並因此讓研究人員抱走諾貝爾獎的大型強子對撞機 (Large Hadron Collider, LHC)。還有帶著人類永恆的好奇探索宇宙本初奧祕的電波天文望遠鏡群、追尋終極生命祕密的各種生物基因圖譜計畫、以及企圖了解大自然的力量的高解析度地質、氣候模擬等等。這些研究產生了龐大的數據資料，並非一時一地的設施或研究人員所能消化，因此隨即乘著學術研究網路流向世界各地摩拳擦掌的科學家，等著所蘊含的奧祕被解開。
正因為學術大資料源自於特定設施，資料獲取後需要迅速分配至眾多研究單位的特性，國際學術研究網路的頻寬，線路分佈及所運用的技術近年來逐漸向與商業網路迥異的方向演化。尤其是頻寬的大幅擴展及線路分佈向大資料研究據點的高度集中。各國國內學術研究網路骨幹自從 2011 年起紛紛向 100 G 升級的這股風潮，也開始吹向了各國的國際線路。如今美歐間的國際頻寬已在數年間從 60 G 大幅升級至 260 G。藉由美國國家科學基金會 (National Science Foudation, NSF) 的推動，美、亞間的線路亦即將自目前的 10 G 規模升為 100 G。美、澳間亦迅速從目前的 20 G 向 200 G 蛻變。而這 100 G 的頻寬資源也不再像過去僅止於骨幹的核心段落，而是直接連達各主要的國家實驗室和研究設施。
位於阿姆斯特丹的歐洲主要學術研究網路交換中心 NeitherLight 光是直接跨國連向 LHC 一地的頻寬就高達 320 G 之譜，遠超過連往任一歐洲國家學研網的規模。美國首屈一指、肩負科學計算重任的超級電腦中心 NCSA 更有總計 400 G 以上的學術研究網路頻寬在背後支持。此外美國最重要的國家實驗室，例如 Argonne National Laboratory、Brookhaven National Laboratory、Oak Ridge National Laboratory 等數十間位於尖端研究頂峰的聖殿，都有 100 G 等級的學術研究網路直接服務。學術研究網路成為大資料科學研究的重要後盾，已是當今國際學術研究網發展的重要趨勢。
以 LHC 為例，其所產生的巨量資料經由國際學術研究網路流向全球各地研究機構，總頻寬即穩定保持在接近 150 Gbps 的龐大規模。其中台灣亦有參與的緊湊緲子螺管探測器 (CMS) 及超導環場探測器 (ATLAS) 實驗即佔流量當中最大的比例。
我國學術研究單位近年來逐步擴大國際大資料相關科學研究的合作參與。以年度雙向傳輸總量為例，交通大學、中央大學、清華大學、中山大學及台灣大學在 2014 年的傳輸量分別比前一年成長 19.3%、64.8%、12.7%、59.3% 及 3,475.7%。分析傳輸的目的地之後更可發現，這些新增的資料傳輸量均來自電波天文學、高能物理等美國頂尖合作單位。若以傳輸的型態加以分析，更可發現在此類大型傳輸發生時，往往單次傳輸就造成與目標美國交換中心間的國際線路呈現完全滿載的情況長達 1 ~ 2 週以上。由於學術研究網路較一般商業網路更加強調服務大資料傳輸研究的峰值傳輸能力，目前的國際線路現況顯示目前國內學術單位對於國際頻寬的需求已遠非現有的容量可以提供。
由於大資料相關研究的快速進展，研究者可從相同的原始資料中分析提取產生遠多於原始資料的加值資料。在頻寬擴充之前，國內學術研究單位可能僅能下載單一資料組 (Dataset) 進行研究。在國際頻寬擴充後，在相同傳輸時間下，即可與國外合作單位排程下載及交換多組原始及加值資料，相互比較及分析，大幅增加資料相關研究所能含蓋的層次及範圍。因此國際線路容量的擴充，雖對常態性一般用戶的頻寬使用量提升有限，卻可大幅提升大資料用戶的使用便利性。因此拓寬我國的國際學術研究網路頻寬將成為未來 TWAREN 努力的重點目標之一，以期帶給國內學界更便捷寬廣的國際傳輸品質，促進更多的科學發現及發展。 |
臺灣櫻花鉤吻鮭與牠的鄰居:溪流中的藻類 | 近年來夏季一年比一年熱，大家最常用的避暑方法就是到山上去，不然就是到溪邊戲水。若是能到山上又能享受冰涼溪水，那真是再好不過了。
在清涼的溪水中嬉戲時，常會不小心踩到滑溜溜的石頭而滑一跤，原來是石頭上長了藻類。若石頭呈現綠色就是長了綠藻，藍綠色是藍綠藻，而褐色的最有可能就是矽藻啦！一般來說，藻類依生長形式可分為浮游藻類及附生藻類。顧名思義，浮游藻類就是漂浮在水體中的藻類，通常存在於流速較低的湖泊中。附生藻類則是附著在某種基質上，例如長在石頭上的藻類稱為石附生藻類，多生於溪流中的石頭上或是有滲流水的岩壁上；若是附在砂上的則稱為砂附生藻類，像海邊或溪邊的淺灘細砂上；在植物上的則稱為植附生藻類。只要有水，藻類可是無所不在的呦！影響藻類生長的因子很多，例如水溫、水流速、水流量、日照、營養鹽等。農業活動常把沿岸植被砍光，日光直接射入溪水中使水溫上升，高的水溫導致藻類豐度增加。在林相鬱閉且較小的上游溪流，日光常是影響附生藻類豐度的首要限制因子，藻類群集也有可能跟著改變。
農耕地經過大雨後，肥料和農藥常被沖至溪水中，使得水中營養鹽增加。溪流藻類接收到大量的營養鹽便迅速增生，嚴重時會覆蓋整個河道，產生所謂的藻華現象。這時過多藻類大量的呼吸作用，會耗盡溪流內的氧氣，甚至使得溪流中的動物缺氧死亡，這就是優養化現象。
不同藻類適應環境的能力不同，且對於水環境非常敏感，因此最適宜用來評估河川的水質標準。一般來說，在無污染的水體中，藻類歧異度非常高，但每種藻數量不多。反之，在污染的水體中，藻類歧異度低，但每種藻數量龐大。
利用藻類做為水質指標有多種分析方式，如選擇特定藻類指標，除可顯示採樣當時水域的水質狀況外，也能看出潛在的所有影響因子的變動性。目前最常用作水質指標的是矽藻，因為矽藻較易鑑定，且對水中的污染異常敏感，除可用來探測各種農藥肥料的施用程度外，更可由污染程度不同所造成的種類及相對豐富度，來建立水質分析標準。此外，有些藻種的出現頻度，與氨氮、生化溶氧量、總磷量、溶氧量、酸鹼度等有密切相關性，因此可利用矽藻配合理化因子深入探討水質的改變。
武陵地區位於臺中縣和平鄉，海拔約 1,800 公尺，政府於民國 52 年為輔導退役軍人就業，設立武陵農場，開墾七家灣溪河谷地種植蔬菜、蘋果、水蜜桃及茶。本地夏季的平均氣溫是攝氏 20 度，區內的七家灣溪及高山溪是國寶魚臺灣櫻花鉤吻鮭的故鄉，來到武陵除了可以看到國寶魚外又可以避暑。但七家灣溪可是禁止下水的呦！因為臺灣櫻花鉤吻鮭對水溫及水質要求較高，為了預防遊憩活動污染水質，禁止遊客下溪戲水。
武陵地區共有七家灣溪、桃山西溪、桃山北溪、高山溪和有勝溪 5 條溪流。桃山北溪沿岸是林務局人工造林地，每年會砍草兩次。桃山西溪和高山溪沿岸則是原始森林，無人為干擾。七家灣溪東岸是原始森林和人工林的混合植被，但西岸距岸 5 公尺以上的土地，都種植了水果及蔬菜。有勝溪兩岸則都種植蔬菜，是重度農耕的地區。
雖然武陵地區部分溪流有農業活動，但是除了有勝溪外，各溪流的營養鹽都不高，都是屬於寡營養鹽的溪流。且每條溪流都是清澈見底，溪流內的石頭看起來大部分是褐色，只有在岸邊水流速較緩的地方，偶爾可看到綠色絲狀的綠藻。
溪岸鬱閉度愈低的溪流，由於光線充足，藻類會生長得較好，生物量也會提高。在有勝溪畔，因為高度開墾種植蔬菜，使得兩岸非常開闊，僅在西岸距溪約 50 公尺左右有臺灣二葉松林，東岸則是臺七甲線，因此有勝溪的鬱閉度僅 52%, 明顯比七家灣溪的 61% 及高山溪的 94% 低。有勝溪溪畔土壤保肥力最差，且含有較高的可溶性氮肥。經降雨或灌溉後，營養鹽就沖入溪流中，使得溪中無機氮鹽濃度明顯較其他溪流高，因而藻類生物量也明顯比高山溪及七家灣溪多，是後者的 1~3 倍。
由於臺灣屬於季風氣候區，夏季常有颱風及暴雨，因此武陵地區各溪流水量在夏季時會暴漲到最高點，且因水流速度增加，使得許多藻類被沖走，所以藻類的生物量在夏季是最少的。而且在大水過後，多是體型較小或殼狀，可抵抗強烈水流的種類。
但是在冬季，由於雨量小且頻率不高，溪水流量小得多了，當然流速也比較低，因此鏈狀及絲狀的藻得以有機會生長並增加數量。在 3 月前的冬季，有勝溪溪內石頭上布滿綠色或黃褐色絲狀藻，這些絲狀藻都是屬於綠藻的剛毛藻，而黃褐色則是在剛毛藻上蓋滿了矽藻所造成的。
雖然在冬季的有勝溪會有很多的絲狀綠藻，但是以豐富度來說，在武陵地區的所有溪流中最優勢的藻類還是矽藻，其中又以殼狀的曲殼藻最占優勢。各溪流的藻類群集也不太一樣，且不同季節會出現不同的藻類群集。
七家灣溪的優勢藻種以矽藻類的曲殼藻和卵形藻，以及藍綠藻為主。高山溪的優勢藻種全是矽藻，其中光是曲殼藻屬就占了 65%。有勝溪優勢的藻種較不明顯，但還是以矽藻為主，約占全部藻量的 85%。而曲殼藻不管在那個季節都是最占優勢的，但是在夏、秋季則與卵形藻並列為最優勢藻種。冬天則由藍綠藻及綠藻占據溪流。
比較各溪流的藻類歧異度，有勝溪在冬季、夏季颱風後，歧異度都比七家灣溪及高山溪低，顯示有勝溪比其餘兩溪更為優養化。各溪流歧異度最低的季節都在冬天，夏天則最高。各溪流會有不同的藻類群集，主要原因是各溪流的環境因子不同，其中以水溫、酸鹼度、導電度、無機氮鹽及矽酸鹽最重要。而在不同季節呈現不同藻群集的原因，是因為矽酸鹽及流速的不同。
由於櫻花鉤吻鮭的生存有賴良好的水質，因此溪流水質是本區監測的重點。水質的監測除了包括溪水中營養鹽、水溫等因子外，也利用各種藻類指數來探討水質的狀況。最常用的藻類指數是優養矽藻指數 (TDI), 這是依據不同矽藻對於營養鹽敏感性的不同，設定一個特定的敏感指數及重要值，再依據該敏感指數及重要值來計算水質指數，TDI 值愈低水質愈佳。武陵地區各溪流的 TDI 值在冬季最差，夏季最好，但是颱風過後當水量變少時水質又變差。有勝溪的水質是最差的，高山溪的水質則最好。
另一常用的藻類指數是矽藻群集指數 (DAIpo), 這是利用淨水性矽藻種類和耐污種矽藻的比例所計算出的指數，DAIpo 值愈高則水質愈佳。武陵地區各溪流都是夏季水質最佳，冬季水質最差。在夏季，高山溪、七家灣溪等溪流是未 (稍) 受污染，有勝溪則是輕度污染。在冬季，七家灣溪水質變成輕度污染，有勝溪則變為中度污染，高山溪則不受冬、夏季的影響，水質都是未 (稍) 受污染。
由 TDI 及 DAIpo 兩種矽藻指數探討武陵地區溪流水質，發現結果是一致的。即冬季水質較夏季差，且有勝溪是武陵地區溪流中水質最差的溪流，高山溪的水質則是最好的。
藻類在水域環境中除了是生產者、主要氧氣供應者外，又能夠做為水質指標，尤其溪流中有重要的瀕危魚類的武陵地區，藻類可是支持臺灣櫻花鉤吻鮭存活的重要植物呢！因為臺灣櫻花鉤吻鮭的主要食物是水生昆蟲，而很多水生昆蟲吃藻類，彼此是環環相扣的食物鏈關係。若藻類生長得不好，水生昆蟲就會變少，則鮭魚找不到蟲吃可是會餓肚子的。下次到溪邊嬉戲的時候，可不要嫌棄石頭上滑膩的藻類噢！ |
生質能源:新能源–生物產丁醇 | 生質能技術的運用
能源是文明活動的原動力，人類文明的發展與所利用的能源有極密切的關聯。自二次大戰以來，人類對能源的依賴隨著工業化而日益加深，但是急遽膨脹的人口使得生活環境每況愈下，加上非再生能源，像是石油、煤炭、天然氣等蘊藏量日益枯竭，人類的美夢因此蒙上一片烏雲。有識者認為.. 解決能源問題除了開源節流外，研發新的能源已是迫不急待的事。
生質能是目前眾所矚目的新能源。有機物如農作物的殘渣、動物牲畜的排泄物、製糖副產物、城市垃圾、工業廢水等，經由自然或人為化學處理成液體、氣體或固體燃料，這種能源就是生質能源。
不過現今受人矚目的生質能與上述不盡相同，它們的差別在於原料的來源。目前所謂的生質能是指利用玉米、薯類、高粱等農作物中的澱粉成分，或者把草及樹的纖維素先用水解處理，再經微生物作用所形成的液態能源，如甘油、乙醇、丁醇等。此外，水生浮游生物或藻類也是重要的生質能來源。生物柴油 (或稱生質柴油) 則是綠色生質能的重點之一。
生質能具有多項優點，如提供低硫燃料，可降低空氣污染；使用廢棄物、家畜糞便生產能量，可減輕廢棄物處理的負擔，減少環境公害；利用農村附近的生物資源來製造燃料，既可減少原料的運輸費用，殘渣又可充當農田肥料；把工業廢料與城市垃圾轉換成熱能或電力，可維護環境品質，同時減少堆置掩埋所需的土地。值得一提的是，與其他新能源相較，生質能技術的難題較少。
它的缺點則是：因原料含水量偏高 (50 ~ 95%), 轉換效率偏低，加上缺乏適合栽種植物的土地，導致單位土地面積的生質能密度偏低。
發酵工程是把生質能商業化的製造技術，可簡述為：利用微生物，如細菌、酵母菌、黴菌等來分解碳氫化合物，再把其中基本的化學基質，如葡萄糖、澱粉等，轉換成高附加價值的商品。
生化程序的產品很多，從啤酒、水果酒、醋到胺基酸、抗生素等。釀酒過程就是利用酵母菌讓穀類種籽或果實發酵。類似的生化反應可用在把玉米、甜菜等生質作物轉換化成酒精，再與汽油混合成為酒精汽油使用。
什麼是丁醇
丁醇是含四個碳的醇類，碳數是乙醇的兩倍，比乙醇可多產生 25% 的能量。另因它的碳鏈較長，極性較低，因而性質比乙醇更接近汽油，做為引擎燃料是可能的。有專家把它和汽油混合，並成功地發動車輛。丁醇在轉換能量後，產物只有二氧化碳和水，不會產生有害環境的副產品，如 SOX、NOX、一氧化碳等。
就處理技術而言，因為丁醇的裡德蒸氣壓 (Reid value, 由流體蒸發速率決定) 是 0.33 psi, 比汽油的 4.5 和乙醇的 2.0 低很多，所以是很安全的。丁醇的腐蝕性也比乙醇低，因此可利用貨運或藉由現存的管線傳送或填充到加油站，對照另一類再生能源 - 氫氣的供應須藉由基礎建設，如鐵路、公路、下水道等運輸所引發的不安全性，丁醇應是更佳的選擇。
在丁醇的發酵程序中，其實也會產生少許的氫氣，但是很容易回收，比用同量玉米為原料產生的乙醇能量產率多出 18 個百分點。此外，丁醇早已是化學工業中的基礎用品，市場的年需求量是 3 億 7 千萬加侖，每加侖的價格則是相對便宜的美金 3.75 元。觀之以上諸多的優點，專家們不得不為丁醇思考一個最佳的製造程序。
在低價的農作物或殘餘的廢棄物中含有大量的生物資源，舉例來說，美國的玉米精製工廠每年產生超過 1 千萬公噸無用的玉米副產物，它們的利用價值很有限，且會造成嚴重的環境問題。同樣地，牛奶及乳品業每年產生 6 百億磅的乳酪乳漿副產物，大部分沒有經濟價值，且生物需氧量還很高，必須花大錢來處理丟棄所造成的問題。但是這些生物資源卻很適合做為微生物的養分來生產丁醇。
ABE 發酵
最為大家熟知的發酵程序便是 ABE 發酵，即利用菌株 Clostridium acetobutylicum 產生「A」–丙酮 (acetone),「B」–丁醇 (butanol), 及「E」–乙醇 (ethanol)。它的產量規模僅次於用酵母菌發酵產生酒精的程序。發酵程序實際上是相當複雜且難以控制的，因此自 1950 年以後漸漸被忽視，現在丁醇的製造主要是經由石化工業的途徑。
在傳統的 ABE 發酵過程中，C. acetobutylicum 會先製造出丁酸、丙酸、乳酸和乙酸，接著經過俗稱 「蝴蝶」位移的代謝路徑後，丁醇、丙酮、異丙醇和乙醇就產出了。C. acetobutylicum 能生產丁醇最主要的原因是本身具備特定的代謝途徑，能利用環境中的碳源進行多種代謝反應，並在代謝時產生丁醇。
由於這菌株經由不同的葡萄糖代謝途徑所產生的代謝產物相當多樣，它的最終產物包括丁醇、乙醇、乳酸、醋酸、丁酸、丙酮等，因此純化濃縮技術對生產高濃度的丁醇就顯得格外重要。
常見的 ABE 發酵，當進料是葡萄糖時，丁醇的產率相當低，大約是 15% , 很少超過 25% 。這是由於產物本身具有嚴重的抑制效應，丁醇的濃度只要有 1% 就會抑制細胞生長，影響發酵程序。在過去 20 年裡，工程師們企圖改善發酵程序來增加丁醇的產率，方法包括細胞回收再利用、細胞固定化，以及使用可萃取式發酵來降低產物帶來的抑制效應。但截至目前，丁醇產率仍低於 25%, 因此 ABE 發酵程序的最佳化仍是工業界亟待達成的目標。
目前正在開發一個新的程序，是利用兩種菌株 Clostridium tyrobutyricum 和 Clostridium acetobutylicum 連續式固定化培養，丁醇產率可以達到 42%, 原因是其中一種微生物能把氫氣和丁酸的產出最大化，另一種微生物則能把丁酸轉變成丁醇。和傳統 ABE 發酵程序相比，這個新的程序消除了乙酸、乳酸、丙酸、丙酮、異丁醇和酒精的產出，只產生氫氣、丁酸、丁醇和二氧化碳，因此丁醇的產量可以倍數增加。
另一方面，儘管產氫菌在代謝途徑上已被研究得相當透澈，但在生產丁醇及其他有機溶劑的系統中，研究人員仍利用基因工程來提升產量，或者把相關質體轉殖至熟悉的大腸桿菌中培養。然而在過去的系統中，大多在低 pH 值的環境下培養 Clostridium, 氫氣則是發酵過程中的伴隨產物。
丁醇的純化
由於發酵過程產生的丁醇濃度不高，需要後續的純化步驟，以去除發酵液中的菌體和雜質並提高丁醇的濃度。回收菌體外生產物的方法，是用過濾或離心來分離發酵液中的固形物或菌體。因為菌體很小，在進行過濾分離時，常使用助濾劑來加速過濾速率，若用離心方式處理時，則以加熱或添加凝集劑使沉澱速率加快。然後，再把溶在發酵液中的丁醇分離抽出。
在從大容量發酵液中抽出丁醇前，需要先確定各種溶媒對目的物質的溶解度。一般而言，溶解度的大小與分子的極性有密切的關係。具極性的溶液彼此之間很容易混合，也會溶解鹽類或其他具極性的固形物溶質。但若要溶解無極性化合物時，就必須選擇較不具極性或極性非常低的溶媒。
選擇溶媒要靠分配係數來決定。分配係數是在抽出液與被抽出液中溶質濃度的比值，可說是抽出難易程度的指標，當分配係數越高時，越容易抽出產物。例如當分配係數是 50 時，進行一段抽出即可，若是 0.1, 則很難抽出，要藉由多段抽出才能有較佳的分離效果。發酵製品回收的抽出程序中，分配係數一般都很小，因此須使用順流多段抽出或逆流多段抽出。
由於 pH 值會影響分配係數，必須了解在不同 pH 值中分配係數的變化。另外，被抽出物在操作時的溫度、pH 值、光等情況下的安定性也須確認。
兩水相系統 (aqueous two-phase systems, ATPS) 分離方法也能應用於發酵程序中，只是較不適用於丁醇發酵。ATPS 可由兩種不相容的水溶性高分子共同溶於水中而形成，當加入的高分子濃度超過臨界值時，就會形成明顯的輕與重兩相，兩相中所含水的重量百分率大約在 70 ~ 90% 之間。由於 ATPS 系統對不同物質有不同的分配係數，因此非常適合應用在發酵過程中產物的分離回收，更適合於有產物回饋抑制的發酵過程，這方法已經實驗證明可行。
回顧歷史與展望未來
利用菌株 Clostridia acetobutylicum 透過發酵程序製造丁醇和丙酮始於 1916 年，由 Louis Pasture 的學生 Chime Wizemann 首次分離出這株能生產丙酮的菌。1920 年代，又發現發酵時除了產生一份丙酮外，同時會產生兩份丁醇，自此汽車烤漆工業就把丙酮的市場扭轉為以丁醇為主。直到 1927 年，丁醇才被確認是這個發酵程序的主產物，丙酮只是副產品罷了。
但是 1940 年至 1950 年間，因石化產品價格下滑，利用發酵方法製造丙酮的程序逐漸不被重視，且因丁醇的產率相對偏低，導致利用發酵程序生產丙酮和丁醇的方法在 1950 年代後期被迫停止。
1970 年，乙醇躍上舞台成為替代性燃料的焦點，但是乙醇的生產過程必須脫水，而這是一個相當耗能的程序，接著又發現乙醇不能用現存的管線輸送。這些缺點讓人們回顧過去 30 年替代能源研發方向的缺失，才發現乙醇的方案雖然一直受到政府補助，但它的生產程序非常耗費能源，也就是說乙醇的方案並不能滿足燃料、能量或乾淨空氣的需求。
丁醇是乾淨的醇類，所含的能量與汽油相似。它不像天然氣需要儲存在高壓的容器中，且能和化石燃料相互摻混 (10 ~ 100%)。利用氫燃料電池的前提是要顧慮氫氣的輸送與儲存是否安全，而丁醇可以利用現有的管線輸送到各個需要的地方，沒有運送安全上的困擾，且可以儲存在加油站儲槽中，純度也在汽機車或燃料電池的適用範圍，因此丁醇可說是燃料電池發展上的新希望。
消費者逐漸能接受及從眾多燃料中辨認出丁醇，無疑是對農業和工業的一種鼓勵，再加上製造成本一直下降，化石燃料的價格又越來越貴，以及人們渴望乾淨不污染的燃料，這些都促成丁醇的製造量不斷提升。
現在生物科技的進步已經引發大家對利用發酵產生化學品和燃料的全新觀感，當然包含丁醇的生產在內。利用連續式發酵科技，可以使丁醇的生產有更高的產率、濃度和生產速率。
雖然以微生物發酵生產丁醇是個相當傳統的製程，但是在新能源開發的議題下，這個製程已再度引發各國重視。如何開發具生產丁醇能力的菌株和符合經濟要求的純化濃縮方法，原料來源的開發及經濟化處理，以及對環境的影響評估，都是全球極為重視的議題。也期待對於能源的研發能儘早開花結果，找到對全人類生存最有利的綠色新能源。 |
海藻想不開 | 在這個不景氣的時代，我們常常會在新聞上看到一些很不幸的自殺消息。而不只是人類社會，在自然界中，單細胞的浮游植物也會有集體自殺的現象，而海洋大學最近發現了一條與細胞自殺相關的基因，希望解開這裡頭的運作機制。到底是什麼事讓浮游植物想不開呢，請看今天的科學大解碼。內容大綱看著一望無際的大海，你看到了什麼？是海面上潮來潮往的浪花，還是海面下悠遊自在的美麗魚兒？其實，海裡面最多的，是肉眼看不見的海洋浮游植物。雖然看似微不足道，卻是海洋生態系的重要關鍵。他們在海洋裡面，是唯一一個能行光合作用的生物，我們可以說，海洋這麼大，但是裡面所有的生物，從小蝦米到大鯨魚，都是最後要靠浮游植物分裂，來把他們餵飽。浮游植物活著的時候，是海洋食物網的基礎，就連它的死亡，都對海洋生態系有所 貢獻。因為浮游植物死亡時，身體裡行光合作用所留下的有機碳，就會跟著向下沉降，是自然界中的減碳大功臣。但近年來，世界各地都發現浮游植物大量死亡的案例，科學家進一步研究，發現這樣的現象，竟然是浮游植物集體自殺的結果。最早發現的例子，是在以色列的加利利湖，每年的春天，渦鞭藻的藻華的末期，渦鞭藻大量死亡的情形。而科學家就從這邊去反推出，細胞自殺這樣的一個機制。為了進一步了解這個自殺機制，國內海洋生物科學家也投入研究，在一種浮游矽藻體內，發現一個誘發他們集體自殺的基因。研究發現矽藻在光合作用受到阻礙，瀕臨死亡之前，細胞內會大量產生一氧化氮，將死亡訊息傳遞出去，啟動自殺基因，導致細胞計劃性的自殺現象。而到底是什麼，讓這些單細胞浮游植物想不開呢？有一個推論，說這可能是一個，族群求生存的行為。比如說一整個族群裡面，包括很多很多個細胞，其中一兩個就感染了病毒。那如果這個細胞預先感受到這個訊息，它就自己先死掉的話，它就可以阻止這個病毒出現，感染更多細胞。不管是什麼原因讓海藻想不開要集體自殺，只要這些生態系中最基礎的成員大量死亡，都會對整個海洋造成莫大衝擊。而現在科學家掌握了它們自殺的機制，未來不管是在生態評估，或有害藻類的防治上，都能有更深一層的瞭解。 |
行動科技與應用:物聯網的便利與危機 | 想像一下這樣的場景:
下午 6 點，下班走到停車場準備開車回家，車子感應到身上的識別物件自動解開中控鎖。坐上駕駛座後，用語音聲控發動引擎並說回家，行車電腦便執行引擎的啟動，導航電腦跟著顯示回家的路徑及交通狀況。中途出現某條道路塞車，導航電腦會重新計算回家路線以避開塞車路段，也顯示有哪些路口的紅綠燈故障，提醒經過時要小心往來車輛與行人。
離家只剩 10 分鐘車程時，家裡的智慧中控電腦與行車電腦互相交換資訊，並經由行車電腦通知目前室內溫度是 30 度，是否需要預先開啟客廳空調，並詢問是否想知道冰箱裡有什麼菜色，中控電腦則可依據冰箱裡的菜色建議晚餐的菜單。
什麼是物聯網
上述的例子主要是透過物聯網系統讓真實世界的物件具備智能與聯網能力，提供更方便與更有效率的居家生活。這一切好像電影情節，但這樣的生活已悄悄在我們的周邊逐漸實現了。
在這一個例子中，我們看見智慧車輛、智慧城市與智慧家庭的互聯，看到人和物件的連結與溝通，也看到了物件和物件的連結與溝通。這就是物聯網的基本概念，透過賦予物件智能與聯網的能力，運用網路的連接甚至雲端運算，建構出更便利的生活方式與環境。
2005 年，國際電信聯盟就發表了一篇網際網路報告，深入探討物聯網與其技術細節，以及對全球商業和個人生活的影響。事實上，物聯網並不是一個獨立的網路，而是一個賦予物件智能與聯網能力，建構出人與物件、物件與物件、物件與人之間的通訊網路。也就是透過物聯網和一般網路的資訊交換與傳遞，讓虛擬世界與實體世界完美地連接。
物聯網已非科幻小說的情節，也非商業騙局。目前已經有許多成熟的關鍵技術及相關技術的應用，也讓人們勾勒出物聯網的發展願景，如智慧生活、智慧醫療、智慧物流、智慧城市，甚至於所謂的智慧國家、智慧地球等概念。
物聯網的應用
近期以來，物聯網一直受到產業界的關注與期待。在資訊盛事「2014 臺北國際電腦展」中，國內外廠商也把物聯網視為未來資訊技術的重要趨勢，不約而同地爭相預估其相關產值會持續呈爆炸性成長。大量的文章評述也無不吸引著大眾關注這個新興的名詞。
然而，物聯網到底要如何應用在一般大眾的生活中，卻依舊讓一般人感到好奇又陌生。物聯網是各種物件連結而成的網路，這些物件就在我們周遭，如家中的冷氣機、冰箱、電視、電腦、洗衣機、汽車、機車等。
當這些物件有管道與其他物件連結溝通時便形成網路，這個網路若與目前使用的網路連結，世界各地人們周遭的物件便在網路世界連結在一起，形成一個超大型網路。一旦這網路成形，各種智慧科技生活都成為可能，人們可遠端控制各種物件設備，全自動化的生活模式讓世界更便利，這也是物聯網所勾勒的美好前景。
如何讓這些物件互相連結呢？拜感測與晶片技術進步所賜，只要在各式物件設備上配置小型感測器與控制晶片，就可感知物件周遭的環境資料，再利用互聯網把資料蒐集到處理中心，提供給各種應用領域控制利用。
以一般大眾家中常用的冷氣機為例，若冷氣空調公司在出售的冷氣機上都安裝感測網路裝置，家中冷氣機就可把溫度感測資料與冷氣運作狀態上傳至資料處理中心，公司便可利用這些資料達到以下目標。
首先，維修更便利。當冷氣機把運作資料傳回冷氣空調資料中心時，公司可準確掌握運作狀態，在發生問題的第一時間進行維護排程，顧客不需自己反映故障情形，冷氣機維護會更快速，服務品質更高。其次，冷氣機銷售資料更準確。當冷氣機銷售地點、數量、運作時間都回傳到資料中心時，公司可更準確地掌握客戶的使用習性、銷售熱點及備貨情形，對於冷氣空調產業的幫助不言可喻。
再者，顧客可得到更便利的智慧生活。冷氣空調公司提供顧客一個便利手機 APP 小幫手程式，顧客便可利用手中的智慧型手機控制冷氣機運作，出門不再擔心忘了關，回家前也可先讓它運轉，利用物聯網，有網路的地方就可以監視控制。再其次，空調產業也可與其他領域結合，例如在冷氣機上安裝紅外線或其他監控裝置，顧客便可以順便監控家中的狀況。
物聯網的安全危機
物聯網讓大眾生活周遭的物件與設備連結成一個大型智慧網路，它們的資料提供生活的便利，卻也可能成為個人隱私外洩的媒介，這些外洩的物件感測資料很可能成為網路犯罪的重要工具。更甚者，還可能損害大眾與國家的安全。試想，假如公路系統的控制資料被外部有心人士盜取，他可以完全控制整體公路系統的交通號誌，屆時如同電影般的國家安全災難就可能發生。
若是一般民眾的家內設備資料，如冷氣、電視、電腦與各式電器的使用紀錄外洩，外人便很輕易地知道哪些戶沒人在家，甚至何時到家。一切生活習性與行為都被他人所知，再無所謂個人隱私與安全可言，物聯網便會成為犯罪的溫床。因此，物聯網推廣運用的最大疑慮就是安全問題。
一般網路上的安全機制大抵以資料本身加密或外加其他安全機制為主，如防火牆、系統更新、防毒軟體安裝等。然而，把資料加密的複雜度愈高，需要的技術就愈難，對於小型感測器而言，勢必無法承擔這麼大的加密工作。
若是要外加其他安全機制，到底何種規格的安全等級才能合格？尤其未來物聯網上的物件數量會是現在的百倍，各區域間的安全機制都不相同，安全漏洞將更難以防堵。一旦一個區域被駭客擊潰，就如同一個城池被攻破一隅，整座城池也會不保，這樣的風險確實令大眾難以信服物聯網的安全。因此，在安全的物聯網確實實現時，智慧科技生活的前景才會是美好且真實的。
整體來說，物聯網的發展可望達成「一物一智能，萬物為我所用」的目標，進而讓生活與環境更便利。然而，由於物聯網更貼近我們的日常生活，因此不論在私領域或公領域的應用，若只留意其便利性而忽略了安全性，物聯網將帶來可怕的災難。水能載舟亦能覆舟，在發展物聯網技術的同時，其安全性的考量是眾人必須面對且重視的一大課題。 |
碘系列專題報導(四):輕微缺碘的貽害從懷孕初期開始 | 孕期通常分為出、中、後三期，每期約 12 週或 3 個月。從懷孕初期開始，胚胎的組織發育就需要甲狀腺素。新生命起頭的 4 週中，數十億個細胞遵循目前還未明瞭的程序組合成新個體，大約 3 週時，心臟已經成形並供應腦部血液和氧氣。頭 12 週內胚胎細胞數目增加，並分化形成新器官，包括大腦、小腦、視覺與聽覺神經、顏面神經、神經細胞軸突發育等等。整個腦神經系統的發育會一直持續到 3 歲。因此，懷孕與哺乳期碘營養不足，就會有對應的腦部傷害。
胎兒的甲狀腺要到 10 週時才發育成熟，此時完全依賴母親供應甲狀腺素。10 週之後胎兒可以自己合成甲狀腺素，但是仍要完全依賴母親提供必需的碘營養素。母親的碘營養若不充足，胎兒的神經發育就會落入甲狀腺不足的狀態。因此，成年人每天應攝取的碘量是 140 微克，孕婦則需要 200 微克；上限不要超過 1000 微克。
許多已開發國家發生輕微缺碘的問題，對育齡婦女尤其不利。多項追蹤研究證實，懷孕初期輕微缺碘對孩子有嚴重的影響。這個現象值得國人關注，因為我國的婦女保健並不重視營養照護，產前檢查通常並不重視初期的照護。
懷孕婦女補碘要趁早
英國調查九百多對母子發現，懷孕初期母親若有輕微缺碘，孩子在 8 歲時智商落入最低四分位的風險最高，其中以對語言與閱讀能力的影響最為不利。澳洲也有一項長達 9 年的追蹤研究。母親在懷孕時輕微缺碘，孩子出生後成長在碘充足的環境。然而缺碘母親的孩子在 9 歲時的學校教育成就仍然較差，拼字、文法和英文識字率的表現都略低。
西班牙一項研究探討碘補充的時間。從 194 位產檢孕婦和 152 位產婦中，先進行荷爾蒙檢驗，找出甲狀腺素輕微低落者後，先分為 3 群，每天提供 150 微克的碘補充，直到哺乳期 (至少 6 個月) 結束。3 群的碘補充時間不同。第一群從懷孕初期 (4~6 週) 開始，第 2 群從懷孕中期 (12~14 週) 開始，第 3 群從生產後開始。她們的嬰兒都沒有甲狀腺功能過高或過低的問題，在 18 個月時接受神經認知能力檢測。結果發現，第 2 和第 3 群嬰兒的神經發育指數明顯較低，分別有 25% 和 36.8% 的嬰兒表現出神經行為遲滯的現象，第 1 群嬰兒則全數發育正常。這個研究的嬰兒總數只有 44 名，每群至少有 12 名；由於介入性研究進行不易，人數雖少仍為該國重要的參考資料。從這些研究可以看出，懷孕初期充足的碘營養十分重要，輕微缺碘會延遲神經發育。
碘營養與過動和自閉
過去三十年內，兒童泛自閉症 (Autism spectrum disorder,ASD) 的盛行率節節升高，2010 年的全球統計平均是千分之 7.6, 其中以富裕的北美地區特別偏高。美國疾病管制中心的統計，以每 1000 名 8 歲孩童 (偵測率最高的年齡) 中的患者數表示，80 年代只有 1 位患者，90 年代增高為 4 位，2010 年高達 14.7, 這段期間美國孕婦的尿碘濃度為下降的趨勢，落在 WHO 標準的輕微缺碘狀況。
目前有一項研究指出孕婦碘營養與兒童的心智異常有關。義大利對輕微缺碘有一項 10 年追蹤的前瞻性研究，對象是輕微缺碘地區 (D) 的 16 位與碘充足邊緣地區 (M) 的 11 位孕婦與她們的孩子。孩子接受兩次智力評估，8~10 歲時接受魏氏兒童智力量表和「注意力不足 / 過動症」(Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder, ADHD) 評估。結果發現，缺碘區的 ADHD 發生率為 68.7%, 碘充足區則無；缺碘區兒童的 IQ 分數平均低落 18 分。ADHD 孩童的母親有 63.6% 在懷孕初期就有甲狀腺素偏低的狀況。
近年來台灣泛自閉症的盛行率也呈現上升的趨勢，從 2004 年有千分之 1.12 到 2009 年有千分之 2.26,5 年之間增加約 1 倍。這也正是臺灣加入 WTO, 鹽政條例廢止且台鹽民營化之時段。由於人群基因在短期內變化不多，因此必然是各種生活和環境因素的影響，其中之一可能是碘營養和甲狀腺功能的異常。目前資料顯示國人碘營養普遍是輕微不足，婦女一旦懷孕則更為嚴重，無法滿足自身與胎兒發育的需求。保障育齡婦女的碘營養充足，實為當務之急。然而周全的政策不應任由廠商做不正確的宣傳，以避免碘過量傷害婦女與胎兒的遺憾。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫 - 食品營養與安全之民眾科普教育計畫」執行團隊撰稿)
責任編輯：陳信宏 | 長榮大學保健營養學系
審校：許瑞芬 | 輔仁大學營養科學系 |
生質能源:微藻類固碳工程 | 二氧化碳與氣候變遷
地球擁有其他星球沒有的大氣層，是個適合人類居住的地方。在白天，大氣層會吸收太陽的輻射能，使地面不致太熱；到了晚上，則能阻擋地球散失輻射熱，而不致太冷。大氣層中這些具有吸熱能力的氣體統稱為溫室氣體，包括二氧化碳、水蒸氣、臭氧、甲烷、一氧化二氮、氟氯碳化物等，如同覆蓋溫室屋頂的玻璃一樣，為地球阻擋強光，但是又保存一定的熱能，扮演著調控地球平均溫度和氣候的重要角色。
由於人類的活動日趨頻繁，使得大氣中溫室氣體的濃度增加，促使地球的平均溫度上升，造成全球氣候的異常，引發嚴重的環境問題。在人為產生的溫室氣體中，數量最多的就是二氧化碳，這是人類大量燃燒煤、石油、天然氣等化石燃料，加上開墾森林綠地做為耕地或生活空間，使得二氧化碳經由植物轉化成有機物的機會下降，以及工業發展所造成的廢氣排放所致。近 100 年來，大氣中的二氧化碳濃度已經上升了約 30%, 導致地球的平均溫度上升了攝氏 0.6 度。
若全球溫室效應持續惡化，日本科學家預估到 21 世紀末，因為氣溫升高造成的冰山融化，將使海平面上升並且淹沒 171 萬平方公里的土地，相當於 48 個臺灣大。
利用微藻回收二氧化碳
為了降低溫室氣體排放量，尤其是二氧化碳，各國專家試圖從幾個方向著手，包括物理處理、化學處理及生物固定 3 類，另外也積極開發可替代化石燃料的再生能源。其中生物固定法是利用具有光合作用能力的生物，把二氧化碳轉換成碳氫化合物，同時產生大量的生質 (biomass), 可以做為飼料、肥料、燃料等再加以利用。因此，生物固碳方式在目前是最節約能源且兼顧環保的方式之一。
光合作用利用二氧化碳、水和太陽能來合成有機物。二氧化碳是微藻類進行同化作用中最重要的無機碳來源，理論上每公斤二氧化碳約可長出 0.57 公斤的藍綠藻，並放出 0.73 公斤的氧氣，顯示微細藻類有很高的二氧化碳利用能力。
若選用可生產高附加價值產物的藻種，使藻類在固碳時也生產各種特用化學品，如生理活性物質、色素、脂肪酸等，更是另一個生技產品的來源。
微藻培養系統
目前利用藻類進行光合生物固碳的型態，不外乎利用廣大的土地面積進行淺水平面式的養殖，但因氣體溶入不易，並不適合於回收廢氣中的二氧化碳等氣體。又淺水平面式養殖池的有效光源僅限於接受日光的液面，單位土地面積的光照光合能量有限，無法進行高效率光合生物反應以大量生產生物質量，整體固碳速率也相對低落到不具工業化潛力。
立體光反應培養器可以解決上述現有技術中常見的光照面積不足、耐候不佳、培養液中二氧化碳濃度偏低等問題。基本上，含二氧化碳的氣體由底部打入後經主體從頂部流出，含藻體的液體則從頂部緩慢流下時與二氧化碳接觸反應。立體向上疊架的特殊透明斜板薄層可大幅增加光照面積，大量接受光合能量。這些立體向上疊架的培養器皿，增加培養空間但不增加所需土地，有效地在有限的土地上增加固碳光合反應產出的生物質量。
自動調控裝置可調節密閉光合反應室內部的各項條件，使光照、養分、溫度、酸鹼值、生物質量濃度等生長因子都得到良好的掌控，避免傳統開放培養難以調控生長因子所遭遇的種種問題。
液體輸送器把含藻體的液相由池底輸往光合作用反應器中最高層的特殊透明斜板薄層，當液相伴隨著藻體向下流經其他透明斜板薄層時，藻體都一直接收光線進行光合作用。液相流動也可使反應室內氣液兩相的反應界面大幅擴增並充分混合，提高二氧化碳等氣體在培養液中的溶解量，同時加速排出光合反應產生的氧氣，提升液相中的氣體交換效率，進而促進光合反應速率。
氣體溶解吸收器可以控制水深、壓力、酸鹼度等方式，使引入生物質量及其培養液儲存槽內的氣體，充分溶解於培養液內，大量地回收氣體中的二氧化碳。
藉由生物質量自動收集器、光照、養分、溫度、酸鹼值與生物質量濃度的自動控制器及輔助光源，可使反應器 24 小時日夜不停、自動高效率地回收二氧化碳，並生產出光合生物質量。
綜合上述的創新特點，立體光反應培養器可以有效提高單位土地面積上的光合作用效率，對於當前的環境保護及微藻產業的發展都具創新性。兩個主要用途是：第一，可以大幅降低燃燒化石燃料或大量生物體呼吸產生的二氧化碳。第二，可以做為高效率的光合生物反應裝置，減少傳統開放式所需的土地面積，並把大量的二氧化碳轉為生物質量。
微藻生質能源的利用
生質能源是一種把太陽能以化學能形式儲存於生物質量中，以生物質量做為載體的能量，直接或間接地來自於綠色植物、藻類或微生物的光合作用。地球上每年由植物經光合作用固定的碳達 2 × 1011 公噸，儲存的能量達 3 × 1021 焦耳。也就是說每年通過光合作用貯存在植物枝、莖、葉中的太陽能，相當於全世界每年耗能量的 10 倍。
生質能源可轉化為常規的固態、液態或氣態的燃料，是取之不盡用之不竭的一種再生資源。微藻類的生物質量經過乾燥後，可以像高等植物木材般用來燃燒產能。也有研究指出，特殊品系微藻類的產油能力可達油脂作物的數倍，萃取藻體中的油脂並轉酯化後，就可產出生質柴油。在相同的栽培面積下，養殖藻類所產製的生質柴油約可達黃豆產製的 30 倍。
生質能源釋放的方式，包括生物質量直接燃燒產生熱能，或先轉型成燃料，再轉換成電能。目前對於生質能源的利用，多著眼於以化學方法 (氣化及熱裂解) 或生物方法處理生物質量，先轉型成燃料，再轉換成電能。然而因為轉型成燃料的程序複雜，並且需要部分純化提煉，導致產率過低，反而喪失生產與使用的經濟效益。
若是採用燃燒產熱的方式利用生質能源，微藻類的生物質量經過乾燥後，可以像高等植物木材般用來燃燒產能，配合燃燒熱發電的方式，小規模廠房所需的電力可以自給自足。燃燒產出的二氧化碳又可由微藻進行光合作用再利用。這樣的再生能源應用系統簡單又具經濟和環保效益，極具推廣價值。
目前開發中的微藻類生物技術是讓藻類善用土地與水資源，除不致與糧食作物競爭耕作資源外，更可利用廢水做為營養來源，有助於改善污水問題。產出的生物質量中蘊含的生質能源，則提供了環保的再生能源，彌補越來越嚴重的能源短缺。如能善加運用，將使微藻類固碳工程具有二氧化碳減量與能源再生的雙重優點。 |
雲端儲存(五):雲端資料救援 | 您會不會擔心有一天放在雲端的資料永遠都拿不回來了呢？2013 年 2 月台北市內湖區麗源大樓因地下 2 樓的 UPS 不斷電系統傳出火警，在該大樓的數位通、是方電訊資料機房因此停止運作，許多知名企業網路服務停擺。
一場雲端機房火災讓大家開始重新正視雲端資料救援的議題。其實不管是軟體的問題 (演算法、流程錯誤)、硬體損壞 (磁碟壞軌、電路燒壞) 或是天災 (地震、土石流) 都可能讓我們放在雲端的資料「回不去了」, 因此有不少廠商開始推出雲端災難復原服務，希望讓使用者可以更放心的使用雲端服務，那麼到底有甚麼方法可以增加雲端資料的可靠性呢？目前要提高資料的可靠性主要有兩種方法：複製 (Replication) 和編碼 (Coding)。
一、複製：將資料完整的拷貝放在其他地方，當某部分資料損壞時，使用拷貝的資料即可，因為實作簡單且低複雜度，是目前最常使用的備份技術，其缺點是使用的儲存空間較大。
二、編碼：將資料分成多個區塊，每個區塊利用錯誤更正編碼技術 (Erasure Coding) 進行編碼，當某部分區塊損壞時，需蒐集多個區塊來重新計算 (解碼) 原始資料，其優點是在達成同樣可靠度情況下，較複製方法使用更少之儲存空間，但因其實作較困難且複雜度高，不如複製方法來得普遍。
其實現在大部分雲端運算服務都會對資料進行備份的動作，典型的雲端分散式儲存架構 Hadoop 即要求每 1 個資料區塊都要有 3 個備份區塊；隨著雲端運算的普遍，近年來更強調異地備援 (Remote Backup) 的概念，其概念是將資料分散備份在地理位置不同的資料中心，如此一來如果遇到大規模的災難性損壞 (地震、火災、停電等), 使用者可以即時轉換存取遠地端的備份資料。
當我們把本地電腦的資料放到雲端上，其實就是種備份的動作，雲端儲存可以即時透過網路存取的優勢提供有別於以往的備份服務，使用者可以和雲端服務提供商簽訂服務層級協議來保障自身的權益；該協議為服務提供者與使用客戶之間，應就服務品質、水準以及性能等方面達成協議或訂定契約，其中包含資料的平均修復時間，因此下一次當你決定幫你本地端的電腦資料備份時，可以考慮將你的資料丟到雲端上吧！然而，不管資料是放在哪個地方都有不可預知之風險，但我們只要謹記雞蛋不要放在同一個籠子裡這個原則即可。
根據統計資料，資料在 3 個地方同時損壞的機率是微乎其微，因此針對重要的資料我們至少要在 3 個不同地方各放 1 份，才算是幫資料買了保險喔。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通」執行團隊撰稿)
責任編輯：黃承揚 | 英商牛津儀器海外行銷有限公司 |
資訊:雲端算不算 | 對於注意時事或財經新聞的朋友來說，「雲端運算」這個術語一定不陌生；偶爾有些股票只要沾到一點雲端運算的概念，也會莫名其妙地漲了幾天。但究竟什麼是雲端運算？跟你我有何關係？雲端運算只是用來計算，還是可以做其他的事情？它又如何運算？為何使用「雲端運算」這個名詞？原來資訊界在畫連接兩地設備的網路時，習慣以雲圖像來表示。因此在需要網路的服務時，就會連接至雲狀圖形。久而久之，只要使用網路的各項服務就是使用雲端運算。因此現在您只要使用網路，那您就在雲端了；不管您是使用個人電腦、手機或智慧手機來觀看網路新聞、瀏覽網頁、閱讀電子郵件，您都是雲端服務的愛用者。
雲端運算可分為雲端服務與雲端技術兩類。「雲端服務」的範疇包括 Gmail、Yahoo、網路銀行、網路下單、iGoogle、Google Calendar、Amazon 書店、Google 搜尋服務、YouTube 等；雲端技術則涵蓋平行與分散式計算、虛擬化技術、大量資料儲存、雲端網路的建構及自動化等技術，以支援各種雲端服務與運算。
未來只要連上網路就可以使用雲端服務，計費方式是像水電、瓦斯、電話一樣，使用多少算多少錢，當然像使用手機上網吃到飽的方式也會有的。
雲端服務可分為 3 類。第一類是「基礎架構即服務」, 指的是把儲存、伺服器運算能力等資訊基礎建設，透過網路以訂閱的服務模式提供。這就像您要開餐廳並不需要蓋一間辦公大樓，只要租一個樓層，大樓內的水電網路等硬體設備都齊全，您可預估生意的規模來決定要租多少坪數的空間。
第二類「平台即服務」, 是在網路上提供一個應用平台，讓資訊人員進行程式開發與執行。這就像您在租來的辦公大樓上開餐廳，需要一些廚房用具、餐桌及家具，能讓廚師煮菜準備餐點，讓客人能在舒適的餐桌及家具上享用美食。
第三類是「軟體即服務」, 意思是透過網路提供應用軟體，讓多組用戶能隨時隨地存取使用，YouTube 的影像分享或 Facebook 社交網路就是典型的例子。這就像當餐廳的硬體齊全後，須聘請廚師用最好的廚藝準備美食，聘請若干人員提供親切服務等。您也會運用平面廣告、網路廣告及網頁來做行銷。唯一差別是，雲端服務的 3 種模式可隨時依照您的需求做改變，不像租房屋需要一定的期間。
雲端運算的服務大家經常可以接觸到，但如何支援這些服務？這就是雲端技術。先來談雲端運算的計算能力，比如說當利用 Google 搜尋「雲端運算」這個名詞時，大約可以找到 35 萬筆資料。如何在這麼短的時間找到這麼多資料？主要是透過平行與分散式計算、虛擬化技術，結合數以萬計不同電腦主機成為運算群，進行同一任務所需的大量搜尋計算。基本的原理是把龐大的運算處理任務，自動分拆成無數個較小的任務，再交給運算群處理，處理完再把結果回傳給使用者。
另一個典型的例子是《紐約時報》要把 1 千 1 百萬份文件與影像轉換成 PDF 檔案格式，內部評估運用傳統方式要 7 個禮拜才能完成；但是藉由亞馬遜 EC2 雲端運算平台，只花美金 300 元，在 24 小時內就完成了。
雲端運算除了計算能力外，它的資料儲存能力也非常龐大。全世界每天產生無數包括文字、影音等多媒體的資料，如何儲存這些資料是一個非常大的挑戰。一般最簡單的方式是採用磁碟陣列來儲存與備份資料，並配合軟體降低資料管理的成本與複雜度。
目前為了支援大型雲端運算與服務，需要大量伺服器與儲存設備，由於設備都有生命周期，因此要維護大量設備需要有新的對策。舉例來說，一個雲端運算服務中心約需 20 萬台伺服器，每台使用周期 3 年，因此每天大約要抽換 182 台，對管理人員會是很大的負擔。
以微軟來說，就採取貨櫃資料中心的做法，把伺服器與儲存設備、冷卻系統、電力系統與不斷電系統全部建置在一個貨櫃中，再把貨櫃車送到資料中心，並使幾十個貨櫃連結起來。貨櫃內的設備具備容錯與備援的功能，因此貨櫃中的伺服器與儲存設備不需要維修。等到設備需汰舊換新時，整個貨櫃就換掉，只要少數人員就可以管理許多伺服器與磁碟陣列。
雲端運算的重要性在於它的商機。國際數據資訊中心的資料顯示，未來 5 年雲端服務的平均年成長率可望達到 26%; 美林證券預估，2013 年全球雲端運算市場規模將達到 950 億美元 (合新臺幣約 3 兆元); 國際研究暨顧問機構 Gartner 把雲端運算列為資訊產業未來十大趨勢的首位。因此未來的商機非常可觀，Google、微軟、亞馬遜、IBM、戴爾、昇陽、惠普等各科技大廠，都大舉跨入雲端運算領域，並有具體的產品與服務平台。
在臺灣，產官學也積極參與雲端運算的研究與產品開發。去年行政院長吳敦義在資訊月臺中場開幕時透露，除了生物科技、綠色能源、醫療照護、文化創意、觀光和精緻農業等 6 大新興產業外，還會推動包括雲端運算中心、發展專利與發明產業、智慧綠建築、智慧電動車等，進而促進台灣資通訊產業的發展。因此從 99 年度起，政府開始投資補助 15 項雲端技術的相關計畫，共計 232.5 億元，以提升我國在雲端運算與服務資訊軟體開發技術的水準，並創造雲端運算的商機。
臺灣原本在電腦硬體產品上就具有優勢，再透過政府、研發單位與學校的共同努力，未來應會在全世界雲端運算與服務產業上扮演重要角色。 |
跨領域生產丁醇─新技術生產新能源 | 以汽油做為車輛燃料會排放大量的二氧化碳，在減碳排放的呼籲聲中，努力尋找不增加碳排放量的新能源已成為全球議題。
在巴西，已經使用乙醇代替汽油做為車輛燃料；在美國，乙醇也擁有很大的燃料使用市場。然而乙醇會腐蝕車輛的儲油槽與汽油輸送管，而且生產時會耗用大量的糧食作物 (註 1), 這些問題讓同屬醇類而無上述弊害的丁醇受到青睞。丁醇沒有腐蝕性，燃燒時釋放的熱量比乙醇高，因此科學界倡議以丁醇代替乙醇，並大力研發以再生原料生產丁醇的技術。
早在一百多年前，人們就已利用厭氧菌生產含有丙酮、乙醇與丁醇的混合物，後來因生產技術遇到瓶頸而停頓。今日基因工程技術已經成熟，逢甲大學化學工程系趙雲鵬教授應用基因工程技術，把大腸桿菌 (註 2) 改質成為具有生產丁醇能力的細菌。再應用跨領域的代謝工程技術，以葡萄糖和木糖為原料，利用大腸桿菌的代謝合成反應生產出品質較單一的丁醇。這項技術已實驗成功並取得專利，相關內容也發表在 2017 年 10 月的《農業和食品化學期刊》(Journal of Agricultural and Food Chemistry)。
趙教授表示，丁醇的合成反應很複雜，加上大腸桿菌先天就有「先使用完葡萄糖，再使用木糖」的控制機制，因此必須花費許多時間做基因改殖。而其主要重點有二，一是移除大腸桿菌的先天控制機制；一是拆解與重組合成反應。後者被稱為「雙細菌生產系統」, 主要是把兩株大腸桿菌放在同一個容器中培養，其中一株以葡萄糖為原料，負責合成丁酸；另外一株以木糖為原料，負責把丁酸轉化成丁醇。兩株細菌工作時，需同時調整葡萄糖和木糖的濃度比例，以及兩株細胞的密度比值。
這套技術可在不增加設備費用的情形下，讓丁醇在同時間內增加 1 倍以上的產量。又因為是以葡萄糖和木糖為原料，所以燃燒時不會增加二氧化碳的排放量，甚至使用後的原料也可以回收再利用。
在這裡，葡萄糖和木糖歸屬於生物質，是從植物細胞壁裡的纖維素和半纖維素分解得到，纖維素和半纖維素則由植物與空氣中的二氧化碳行光合作用所形成。從上述循環可知，燃燒丁醇只是把空氣中原本存在的二氧化碳送回空氣中，並未增加二氧化碳的排放量。但是燃燒汽油就不同了，汽油是從石油中提煉出來的，長期埋在地底的石油一旦挖掘出來並燃燒，等於是把地底儲存的碳放在空氣中燃燒，因此必然會增加二氧化碳的排放量。
比較遺憾的是，丁醇的生產成本至今仍比石油高，以其做為替代燃料的誘因依然不足。趙教授認為，這個問題的原因應該是使用原料的處理成本和丁醇的產量有關。若能針對這一點，改進相關技術，把生產成本降到一定程度以下，就有替代汽油的可能。此外，實驗室內孕育成功的技術必須走出實驗室，進行試量產才能驗證技術的實用性。因此尋找合作業者以提供試量產的設備與場域，也是未來努力的方向。
註 1: 巴西甘蔗和美國玉米的產量都很龐大，因此兩國使用甘蔗、玉米生產乙醇。只是人口愈來愈多而糧食愈來愈少時，兩種糧食作物的價格會上漲而讓乙醇的生產成本不穩定。
註 2: 大腸桿菌有致病菌和非致病菌之分。實驗室使用的是非致病型大腸桿菌，因此沒有致病疑慮。由於大腸桿菌很容易操作，生長速度很快，生物學家認為是對產業界最友善的細菌。 |
諾貝爾物理獎–量子電腦與國家機密 | 2012 年諾貝爾物理獎，頒發給法國的哈洛許和美國的溫藍德，兩位學者的研究都跟量子力學有關。透過他們的研究，和創新的實驗方法，未來甚至可能發展出實用的新型超速電腦，所謂的量子電腦。請聽以下的科學三分鐘，與您分享今天的主題：量子電腦與國家機密。
您知道國家機密和您的網路銀行密碼，是如何保密的嗎？在談今年的諾貝爾物理獎之前，我們可以先從一個例子，看看量子電腦的威力有多大。不管是銀行還是國安系統，只要連上網路，就需要加密進行保護。目前的加密方法，主要是使用一套叫做 RSA 的密碼系統，它的原理是數學的因數分解。
比方對 15 做因數分解，您一定馬上想到 3 乘 5, 沒錯，如果要把 15 分解成兩個質數的乘積，3 乘 5 是唯一的答案。但如果是一個非常、非常大的數字，要找到它是哪兩個質數的乘積，就十分困難了。RSA 密碼就是用這個原理來保密，讓駭客即使攔截到傳輸的資料，還是解不開。舉例來說，就算用了每秒運算一兆次的超級電腦，要解開某個密碼也需要十五萬年。
但是，根據 1994 年，數學家秀爾發表的量子電腦演算法，解開同樣的問題，卻只要不到一秒鐘。這點，讓銀行和國防單位非常緊張，幸好量子電腦目前還沒有真正實用化。那麼，為什麼量子電腦的運算這麼快呢？簡單地說，用古典物理學架構的電腦，它的位元只能是 0 或 1。但是以量子物理學為基礎發展的電腦，它的量子位元處於所謂的「疊加狀態」, 勉強可以比喻為一部分是 0, 一部分是 1, 這讓它能夠同時處理的資料，比傳統電腦多出很多。因此，如果能運用許多的量子位元，就可能做出運算效能超強的量子電腦。
今年的兩位諾貝爾物理獎得主，哈洛許和溫藍德，就是用不同的實驗方法，分別讓光子和離子在特殊的條件下，展現出量子的「疊加狀態」。這可以說是發展量子電腦關鍵的一步，意義重大。
這下您或許會擔心，等量子電腦發展出來，國家機密跟您的銀行密碼都可能要外洩了！其實不必恐慌，因為設計密碼的人，也可以使用量子電腦，編寫出更難破解的密碼。這也是科學最有趣的地方。
今天的科學關鍵字，就是
量子電腦 Quantum Computer
您可以透過這個關鍵字，進一步查詢或做延伸閱讀。
【本單元由行政院國家科學委員會補助製播】
2012-11-04 16:55:00 播出 |
石油探採及處理:微體化石與石油探勘 | 石油探勘是一種高風險、高利潤的工作。由於石油主要產自地表下的地層中，不能直接觀察，只能間接從地層中取得資料加以分析解讀，才得以了解沉積盆地中是否有油氣存在，然後再藉由實地鑽探，以證實是否找到大型的油、氣田。
在石油探勘工作上，正確把握地下地層的時空分布最重要，如此才能了解油氣儲積的實際狀況。而微古生物學研究最符合這方面的要求，除了能提供珍貴的盆地內地層分析資訊外，並能配合各種測勘資料，把盆地內的地層資料由點擴大到面 (二度空間), 甚至三度空間上，找出哪裡是可能儲積油氣的區域。因此，微古生物的地層分析，能使我們在最短時間內追蹤出生油岩、儲集層及蓋層的分布範圍，順利達成探勘目標，這些都是油氣探勘必須的基本工作。
什麼是微體化石
什麼是微體化石 (microfossil)? 它到底和石油探勘有什麼關聯？要解答這些問題，得先了解化石的意義。
所謂化石，就是過去地質時代生物殘留下來的遺體或遺跡，它包括古代生物硬體部分的遺骸，例如外殼、肢體及其痕跡化石，例如足跡、排泄物等。這些生物硬體部分的遺骸，經過地層深埋與成岩作用後就變成化石。
化石到底有什麼用途呢？要回答這個問題，必須先知道化石在地層中所扮演的角色。由於化石絕大多數產自沉積岩中，而地層是沉積物隨時間的增長，逐層向上覆蓋累積而成的。如何才能知道地層的形成時間？只要分析其中所含的化石，就可以解開地質時間之謎。
簡單地說，地球上的各種生物都有它生存及繁盛的時代，例如：4~5 億多年前的古生代是三葉蟲最繁盛的時代；恐龍雄霸中生代的侏羅紀與白堊紀，約有 1 億 3 千萬年之久。這些生物死亡以後，就與沉積物一同埋藏在地下，經過相當時間就變成了化石。因此，只要在地層中發現有三葉蟲化石，就可以知道這一地層是古生代地層；如果發現恐龍化石，就可以研判這一地層是中生代地層。換句話說，不同的化石代表不同的沉積及形成地層的年代。
這種以化石為研究對象的科學稱為古生物學，是研究地史學非常重要的工具。地層中的化石是過去地質時代中生物餘留下來的重要紀錄，因此，研究各種化石的垂直分布、外觀形狀等，除了可判斷岩層的上下層序與年代外，並可推測過去地質時代中的古氣候變遷、海面上下移動的狀況、海岸線的變化、山脈的形成、火山活動和生物的演化等。這種研究地球歷史的科學，就是所謂的地史學。
根據古生物化石的大小，可區分為大型化石和微體化石。所謂大型化石，就是用肉眼就可以分辨出它的形態和特徵，並可加以分類的化石，例如恐龍骨骼、貝殼及魚類化石等。而微體化石就是用肉眼無法分辦出形狀和特徵，必須借助顯微鏡放大，才能加以鑑定和分類的化石，所需放大倍率可由幾十倍到二千倍以上，例如有孔蟲及超微化石等，有些小化石甚至須用電子顯微鏡放大到幾萬倍才可辨認。
為什麼研究微體化石
為什麼石油探勘的地質師們只研究小化石或微體化石，而不研究大型化石呢？這個問題的答案和鑽井岩屑及岩心的大小有密切的關係。
因為石油公司在鑽探石油時，從井底帶上來的多是地層的岩石碎屑，採上來的岩心大多很小，像一般鑽探 3,000 公尺深所採取的岩心，直徑大約 3.5~4 英寸左右。然而，一般如貝殼等的大型化石，大小多在 3~4 英寸以上，甚至更大。因此，在油氣鑽探過程中，要在一個岩心內找到完整的大型化石，機會可以說相當渺茫。至於岩屑，那就更不用說了，即使遇到保有許多完整化石的地層，經過岩屑帶上來的，也多是些化石碎片和粉末了。
相反地，由於微體化石或小化石的體型微小，大多小於 5 毫米，在鑽探過程中不易遭到破壞。而且，一般在 3~4 英寸的岩心中，就可找到千千萬萬個小化石。以超微化石為例，在每立方公分的海洋軟泥中，約含 1 兆個超微化石。因此，只要有少量的岩心或岩屑，就可分離出足夠的小化石。根據這些微古生物來判定層位、決定地層年代等，準確性自然很高。這也是為什麼石油公司只研究微體化石，而不做大型化石研究的主要原因。
為什麼石油公司的老闆們肯花大筆的經費研究小化石呢？簡單地說，微小化石等於石油探井的眼睛，隨時告訴我們樣品所在層位屬於什麼時代、實際含油層的深度、構造位置的高低等，這就是為什麼微體化石研究在石油公司中是不可或缺的主要探勘研究工作之一。
常見的微體化石有哪些
既然需借助顯微鏡放大以後，才能辨認出微體化石的特徵和形態，在沉積岩中到底有哪幾類化石是常見的我們所要的小化石呢？到目前為止，主要而常見的微體化石有：有孔蟲、超微化石、花粉及孢子、放射蟲、矽藻、介形蟲、雙鞭毛藻、牙形蟲等。在以上幾種小化石中，只有超微化石、花粉、孢子、雙鞭毛藻及矽藻化石需要放大到 1,000 倍以上，其他的只要放大到 80~500 倍左右就可觀察。
矽藻化石
矽藻是屬於黃褐藻植物門、矽藻綱的單細胞藻類。它的骨架是由色彩美麗而具有寶石光澤的外殼所組成，是一種最低等的浮游性植物，可行光合作用。它的生存範圍極廣，有海相的、半鹹水相的，也有淡水相的。因為它對於鹽度的反應相當敏銳，所以是優良的環境指標化石。如果在沉積岩中找到這類化石，就可以判斷它是屬於海相地層。
矽藻的外殼形態變化多端，有圓形、近球狀、栓狀、長方形、針狀或棒狀等，大小通常在 100~l,000 微米之間。矽藻在海水中含量很多，但隨地理位置而異。在高緯度地區，有些深海的黏土幾乎全由矽藻的遺骸所組成，稱為矽藻土。
由於它的分布廣泛、產量多，地質時代分布由侏羅紀早期一直到現世都有，因此成為高緯度地區劃分地層帶及地層對比的主要工具。臺灣的沉積物中雖有這種化石出現，但還沒有做有系統的研究。
放射蟲化石
放射蟲類是完全浮游在海中的單細胞動物，分類上屬於原生動物門、肉質蟲綱、放射假足亞綱。牠由軟質部的原形質及硬質部的骨骼所組成，骨骼則大部分由非晶質的矽酸鹽所組成。放射蟲類骨骼的外形有球狀、透鏡狀、鈴狀、盤狀、錐狀等，甚至花邊網狀，外形優美而變化多端。牠的大小約在 0.1~2.5 公釐之間，但如果是群體生活的放射蟲，則可大至 15 公釐以上。
放射蟲的地質時代分布甚早，由古生代的寒武紀到現代都有，自古生代以後，形態變化甚大。現代的放射蟲分布在赤道至兩極的海洋中，在赤道地區也有由大量的放射蟲遺骸堆積成的放射蟲軟泥。放射蟲化石多發現於燧石、泥灰岩、矽質頁岩及石英岩中，經常與火山岩伴生，因為火山岩能供給大量的矽元素以製造放射蟲骨骼。
放射蟲多生存在開闊海洋中，淡水及小海灣中未見分布，但大的海灣或風力海流影響所及的大港灣中則偶爾可見。臺灣到目前為止尚未發現放射蟲化石。
介形蟲化石
介形蟲的外形看起來很像貝殼，是節足動物中唯一有雙殼的生物，牠與螃蟹或龍蝦是近親。介形蟲長約 0.5~4 毫米，也有達 10 毫米的，有浮游生活的、穴居的，也有棲息於淡水中的，但大多生活在近海環境的淺水中，是指示環境的良好化石。
介形蟲的地質時代分布由寒武紀到現代都有。在過去的地質時代中，由於快速演化，牠的外殼表面裝飾及外形也隨著變化，這些特徵是指示時代及地層對比的極佳工具之一。介形蟲化石在臺灣的上新世及更新世地層中非常普遍。
花粉化石
花粉化石包括花粉和孢子化石，是過去地質時代中所遺留在地層中的植物遺體，大多可藉由物理方法和強酸、強鹼等藥劑的處理從岩石中分離出來。
花粉化石一般須放到 1,000 倍以上的顯微鏡下觀察和鑑定，並需統計各類花粉化石的含量和比率，根據這些資料可以建立花粉生物地層層序，和進行剖面與剖面間、地區與地區間的地層對比。同時可以利用某些植物只生存於某種環境等特性，推測當時的氣候、古海岸線，以及可指出與石油有關的沉積環境和有利於石油儲積的地區等。尤其在不含海相浮游性化石的陸相及極淺海地層，花粉化石更能發揮其最大功效，確定其層位及古環境。
花粉或孢子的大小一般介於 10~200 微米之間，形狀有圓形、橢圓形、三角形、菱形、腎臟形、方形、有翼形等，外形變化多而複雜。一般鑑定多依照花粉或孢子的形狀、管口 (或花粉口) 的位置、大小、排列及花粉外壁的飾紋等而分類。
花粉化石的時代分布範圍頗廣，自古生代以來到現代都有大量分布，尤其古生代的石炭紀時期更是植物的天下。
臺灣的花粉化石研究正在積極推展中，已經知道的地層如木山層、大寮層、石底層、南莊層煤系地層都富含花粉化石。
有孔蟲化石
有孔蟲化石是一種分布廣泛、種類繁多，且地質時代分布短暫的小型化石，到目前為止，在石油探勘上牠是決定地層層位、地層對比和了解古生態環境的最有效工具之一。
有孔蟲屬原生動物或單細胞動物的外殼通常由二種物質組成，一種稱為鈣質殼，是由海洋中的碳酸鈣直接沉澱而成，另一種稱為矽質殼，是以砂粒、雲母片、海棉針或有孔蟲的死殼碎屑物集聚而成。外殼的大小不一，隨種、屬的不同而異，大多在 0.2 到 2 毫米之間，但也有大至 15 毫米以上的。
有孔蟲的殼由一間一間的小房室所組成，房室數目從兩個到數十個，很少只有一個房室的。房室的外形不但富於變化，外殼上的口孔、裝飾等也多隨著種類的不同而變化無窮。這些特徵就是古生物學家分類的主要依據。
有孔蟲依據其生活的型態，可區分為浮游性和底棲性二種。浮游性有孔蟲漂游在優光帶水深約 80 公尺以內的海水中生活，外形比較簡單，它旋轉成小螺旋形，與普通田螺的旋轉方式相似。旋轉方向向左的稱為左旋，有些則是右旋。這些左右旋旋轉方向的變化，可能是古氣候變化所引起的，因此這些資料提供地層對比及古氣候研究非常好的依據。
浮游性有孔蟲雖然只占有孔蟲全數的 1% 左右，但牠在現代大洋的沉積物中，有些可達 99%。有些沉積物幾乎全由浮游性有孔蟲所組成，稱為白堊。浮游性有孔蟲因分布廣泛、數量多，且地質時代分布短暫，是長距離地層對比的極佳工具之一。
另外一類是附著於岩石表面或生活在海洋底部的有孔蟲，稱為底棲性有孔蟲。牠們藉著偽足緩緩地移動，有時每小時只能移動幾公分。這類有孔蟲多受生存環境如海水深度、溫度、鹽度等因素的影響而有不同的分布狀況，因此底棲性有孔蟲是辨認古沉積環境及古生態的極佳指標。
有孔蟲自古生代以來就已廣泛分布，經過長久的演化，成為石油地質學家用來做地層對比的極佳工具。
我國在有孔蟲化石方面的研究已有數十年歷史，在石油探勘上也發揮了很大的功能。
超微化石
超微浮游生物的英文名稱 Nannoplankton, 是由 Nanno 與 plank 二字組成的。Nanno 出自希臘語，是極微小的意思，大約 5~16 微米左右，與小型的有孔蟲、放射蟲、矽藻及鞭毛藻相近。
所謂超微浮游生物，是屬於植物藻綱的球石藻類。其中有一種外體表面含有鈣質的微小化石，稱為鈣質超微體浮游生物，占所有超微體浮游生物的絕大部分。在鈣質超微體浮游生物中，有一種稱為球石藻，是單細胞的鞭毛藻類。除了嚴寒的南北極及極前 (polar front) 外，這類生物幾乎出現在所有大洋的優光帶。這類生物利用太陽光行光合作用，與矽藻、雙鞭毛藻等構成浮游性生物的大宗。
球石藻的細胞呈球狀或卵狀，約 2~2.5 微米左右，在細胞的一端有二條游泳用的鞭毛，在生活史的某一階段中附有骨刺，細胞中心有一核，在核的周圍有二個黃褐色的色素粒。球石藻細胞死亡後，附著在細胞表面的球石則分離而沉積在大洋海底。
球石藻化石在中生代侏羅紀以後的白琧、泥岩及鈣質軟泥中含量甚豐，是鈣質沉積物的主要來源之一。第三紀地層的星盤石類及中生代地層內的 Nannoconids 等化石，屬於絕種的特殊化石，其關係在分類上不明，但由於它們常與球石藻共生，因此認為是與球石藻有親緣關係的浮游生物遺骸。這 3 種生物化石一般統稱為鈣質超微生物化石，須利用高倍的光學顯微鏡或電子顯微鏡辨認。
鈣質超微體浮游生物無論在遠洋、近海或陸棚地區的含量都很驚人，有的每立方公分海洋軟泥中達數千萬個，在赤道附近常常可見球石軟泥的大量分布。自侏羅紀到現今，超微體浮游生物在海洋的食物鏈中都扮演著非常重要的角色。
近年來，超微化石研究的發展一日千里，主要是因為它的實用性和便捷性。它具有生存期限短暫、地理分布廣泛、化石含量豐富、標本處理容易、種和屬形態變化多、設備費用便宜等許多優點，正符合石油探勘工作的簡單、迅速、經濟而又實惠的最高要求，而且是地層對比的極佳工具，被世界各大石油公司所倚重。
臺灣的超微化石研究，經過近幾年的努力，在石油探勘上也獲得非常豐碩的成果。
微體化石的應用
微體化石在石油探勘上主要有以下的功用:
建立標準生物地層層序 研究微體化石的最主要目的，就是建立生物地層層序。也就是由連續的標準地層剖面，經過詳細的採樣、分析和鑑定後，建立標準化石與化石帶，是日後與其他地區地層對比的主要依據。
確定地層層位及地質時代 地層中所含的化石，經與世界各地標準地層剖面的研究結果比對後，可以決定化石的年代與各個地層的層序和相互的層序關係，以及各化石的時代分布範圍。
決定鑽井井下地層層位與含油層的關係 確定儲油層及其上下地層的層位及深度，進而預估附近地區可能儲油層的深度。在鑽探中，也可以預估鄰近礦區高壓層的層位及深度，以提供鑽井工程人員預防及參考之用。
地層對比 當標準剖面的生物地層層序建立以後，如果附近地區有其他地層出露或鑽探井，就可以應用標準剖面的生物地層層序做井下地層間的地層對比，更可推展到兩個不同沉積環境的沉積盆地間的區域地層對比。例如，臺灣北部的生物地層已經建立，到了南部以後，往往因岩相的變化，使得岩性對比似乎不太可能。但如果按上述辦法，針對南部地區的標準剖面，建立其生物地層層序和化石帶，南、北地層的岩層厚度、岩相及古沉積環境的變化也就可以明白了。
古生態及古沉積環境的研判 石油地質學家著重的是了解地層沉積時的沉積環境，根據沉積環境的研究，可以推測出當時的海岸線位置、海水深淺、環境變化等。而沉積環境的重建，大多靠地層中的小化石和岩性。換句話說，利用古生物及岩相研究，可以研判地層沉積當時的古沉積相與古沉積深度。例如，利用花粉及花子的含量曲線，可以判定海相地層離岸的遠近、方向，以及古海岸線位置等。利用底棲性有孔蟲化石的分布及外殼表面裝飾的變化，可判斷各時代的不同水深。
古構造運動的解釋 在連續的海相地層中，如果由化石的研究發現其中的古水深有明顯的變化，就表示這地區在沉積當時有海進、海退及沉積環境的深淺變化，這些資料對於區域地史的解釋甚具價值。根據底棲性有孔蟲的研究，可判斷古海水深度變化，並顯示海洋的沉積循環狀況。
此外，根據地層年代的缺失狀況，可以判斷何時地殼隆起、何時地層發生侵蝕、何時地殼再度下降而沉積海相地層。化石的定年更可應用到計算地層的沉積速率，進而推測區域性的造山運動史。例如根據臺灣島超微化石的研究，在上新世中期即約 4 百萬年前，菲律賓海板塊已與歐亞大陸板塊碰撞，因而形成現今的臺灣島。 |
溪流河川:臺灣淡水魚的來龍去脈 | 臺灣雖然只是個不很大的海島，但是河川、湖泊中的魚類可不少，如果加上在河口出現的種類，以最新的一本《淡水及河口魚類誌》為準，就列舉了 224 種，其中約有 80 種左右是只能在純淡水中生活繁衍的「初級淡水魚」, 另外有 140 多種則生活在河海交匯的河口區，或是海水漲退潮可能影響到水質變鹹的河段中。這麼多種類的魚，是從哪兒來的？為什麼牠們有些只在西部的河川中發現，有些又會在東部發現？為什麼有些種類只生活在北部，而有些卻只存在於南部？這些問題，在一般魚類生態或環境調查中並不會談到，但是卻深深地吸引著我們的好奇心，如同研究人類文化一樣，如果只了解現在，不了解以往的歷史──族群如何遷徙、如何演變、如何發展，就像少了根似的，飄飄盪盪，難以踏實。
臺灣的淡水魚到底是怎麼來的？最新的研究描繪出了兩個方向。第一種是純淡水魚的來源，另外一種是海源性淡水魚，也就是從海游到河川中生活的淡水魚的來源。
純淡水魚的來源
純淡水魚無法在鹹水中生活，所以不能渡海而來，必然是臺灣和其他陸地相連的時候，藉著淡水的漫溢而過來的，那是什麼時候呢？最近的一次大約在 1 萬 8,000 年到 2 萬多年前，那時候地球比現在冷，許多的水都結成冰，凝結在兩極，海平面也因此比現在要低 120 公尺左右，如此一來，臺灣海峽露出了水面，大陸和臺灣直接相連，大陸的河流，可以一直流到臺灣附近才出海，並且與臺灣的河流相連，開啟了淡水魚進入臺灣的康莊大道。
從福建及臺灣的初級性淡水魚類相的組成，可解析出生存於現今臺灣島上魚類組成的特性。例如，以鯉形目的淡水魚類為分析對象時，很明顯可見到，在福建省境內至少有約 4 科 102 種鯉形魚類，但臺灣水系僅保留約 42 種鯉形魚類，如扣除 8 種確認為外來種後，則僅有 34 種原生魚種。可見冰河期來臨時，大陸地區確有許多魚種遷入臺灣島嶼水系，但經過長期之生態環境壓力及淘汰後，也只留下了三分之一左右的魚種歧異度。因此，鯉科魚類，如雅羅魚亞科、鰱亞科等魚種，因體型較大且需較長仔魚浮游期，皆未能拓殖到臺灣水域，反而是小型魚類，如亞科與亞科的部分魚類，不但繁殖周期較短、成長快速而成熟早，能充分適應臺灣短小而湍急的溪流生態，因此成功地演化出許多特有魚種，如：粗首鱲、臺灣白魚、菊池氏細鯽、臺灣石鯿、高身鯝魚等皆為此類群之魚種。
平鰭鰍科魚類在溪流生態之高度特質化與適應性，在臺灣皆已分化出特有魚種，然而特別的是，高度適應於急流區的間爬岩鰍屬及華吸鰍屬之魚種，卻未見於福建省境內，反而分布於東喜馬拉雅山系的珠江、韓江等水系，顯示出臺灣地質史的古水系相連，與中國南方水系也有密切之關連性。
更進一步的研究發現，這些來臺灣的魚有兩條路徑。一條是從閩江以北到長江附近的魚類，從北方進入臺灣西部，牠們以現在的淡水河系魚種為主，譬如圓吻鯝、魚密、臺灣細鯿、銀鮈、棘鰍等。另外一條則是以南方珠江、韓江水系的魚類為代表，從臺灣西南部進入，以現在高屏溪的魚類為代表，譬如高身鯝魚、何氏棘鮁、中間鰍鮀等，另外如中華爬岩鰍、間爬岩鰍等，也屬於南方珠江水系的種類。
這南、北兩大系的魚類，都向中部擴散，於是我們可以看到北方系統的臺灣纓口鰍向南分布到達濁水溪，而南方系統的埔里中華爬岩鰍則向北來到大甲溪等的重疊現象。不過，不管來自何方，整體而言，臺灣西部的純淡水魚大多無法翻越橫亙南北的中央山脈，進入臺東、花蓮地區。
縱然如此，北方的魚種還是會沿著臺灣北部海岸的狹小平原、丘陵向東擴散到宜蘭，但牠們無法越過蘇澳，分布到花蓮去，因為蘇花間的陡峭海岸如清水斷崖，使得淡水魚無法穿越。
南部的魚種也有些向臺灣東部擴散，不過，以魚種和河川間的地理分布形態判斷，牠們並不是從低海拔繞過鵝鸞鼻去的，而是藉由分布到河川較高的源頭，再經河川襲奪–也就是兩條原本各自向東、西流的河川，因為上源地形的侵蝕崩塌，而使得甲河的源頭變成乙河源頭的現象–造成西部的鯝魚、爬岩鰍、高身鯝魚等種類，得以進入東部。
至於一般分布在低海拔區的小型魚類如鯽魚、鱊、石鮒等，則只能藉著平原上的漫流，在各個池塘、湖泊間散播了。
海源性淡水魚的來源
臺灣另一族的海源性淡水魚類如鰻魚、鰕虎、臺灣鱒 (櫻花鉤吻鮭) 等，來源則大不相同。牠們大多藉由臺灣東南方的黑潮抵達臺灣，而以臺東、花蓮和恆春半島南端的河川為主要的棲息地。有趣的是，宜蘭區的純淡水魚雖然和臺東、花蓮大不相同，但是海源性淡水魚卻非常相似，顯示黑潮還是帶了許多海源性魚類進入宜蘭灣的支流，是主要的散布通道。
臺灣西北部的海源性淡水魚大多是受大陸沿岸流從東海沿臺灣海峽南下的影響，帶來了原本分布在大陸東緣的魚種。臺灣西南沿岸分布的海源性淡水魚，則除了受黑潮支流的影響外，南中國海西南季風吹來的風送流，也帶來了一些南中國海北部的海源性淡水魚類，但是最有趣的是臺灣鱒！臺灣鱒因為在大甲溪的源頭被發現，所以近百年來一直被認為是源自大甲溪的迴游鮭魚群受到陸封而來，但是，當我們建構了整個臺灣淡水魚來龍去脈的理論架構後，卻發現以往認為理所當然的臺灣鱒來源，與這個大架構格格不入，牠應是源自臺灣東部的海洋才對，而不是來自冰河時期已露出海面的臺灣海峽。
經由許多地理、地質、古氣象、古海洋、粒線體去氧核醣核酸 (DNA) 及其他魚種分布的間接證據，我們認為臺灣鱒應是在冰河時期自太平洋迴游到蘭陽溪的鮭魚群，牠們往河川上源溯游及生殖產卵的族群與幼苗，經由河川向源侵蝕，可能有許多次的機會進入了緊鄰的西部大甲溪上源，就像鯝魚或爬岩鰍一樣，並在那兒形成了陸封的族群，當冰河消退，牠們卻無法隨之北返而留下，因而成了今日的孑遺。
當科學的研究為我們逐漸從迷霧中拼湊出臺灣淡水魚的來龍去脈時，以往只執著於一溪一魚的眼界豁然開朗，原來在臺灣這塊土地上，遠超過自命不凡的人類來臨之前，各式各樣的魚類早已透過各種不同的通路，千辛萬苦，涉水跋山來到臺灣，牠們繁衍、演化、遷移、播種，經歷了難以想像的時間和環境考驗，才造就了「福爾摩沙」今天獨特的自然風貌與生態史，一旦毀滅，將永難再現！在我們一味追求眼前的物質享受，大肆破壞生態環境的今天，回顧「先魚」的歷史，怎能不警惕！ |
災難救援「網」前衝(二):有「備」無患—異地備援 | 台北地區於民國 103 年 2 月 12 日凌晨 0 時 31 分出現規模 4.0 的淺層地震，許多民眾都從睡夢中驚醒！地震震央在距離台北市政府北方 11.8 公里處的士林區，地震深度僅 6.3 公里，陽明山最大震度達 4 級，且陽明山搖晃時間長達 13 秒、台北市震度 2 級，搖晃亦持續達 6.2 秒，因此許多民眾都感到特別驚慌。台灣位於環太平洋地震帶，地震發生頻繁，是典型的板塊碰撞下產生之大陸邊緣島嶼。企業在建置設備時都須評估各種災難發生的可能性，因此建立了災難復原計畫，而異地備援就是此計畫的重點之一。
異地備援是一種災害復原策略，將企業伺服器裡的資料備份到另一地點，當一地的設備發生運轉問題時，另一地的設備可以立即取代並繼續運轉。因此，所提供的資訊服務不會因天災人禍等不可抗拒事件而中斷。若災難發生時，所喪失的不僅是設備本身及儲存的珍貴資訊，更嚴重的是一但服務中斷，影響的將是時間、客戶甚至是重要的商機。
幾乎所有電子商務與資訊環境相關的企業，都需要規畫異地備援。因為這些企業需要全年不停機持續服務客戶。異地備援的目的，是為了企業的資產投資及服務，提供保障與災難風險管理；透過適當的規畫與儲存裝置，提供不間斷的服務。異地備援方案選擇與規劃，除了能提供良好的位置來承受較高的災難風險外，還可利用各地分散的同步運轉資料與服務，提供即時且低時差的服務效益，並創造商機與服務水準。
除了將資料備份到其他地區外，災害備援也必須考量 RPO (Recovery Point to Object) 以及 RTO (Recovery Time to Object)。RPO 指的是復原點目標，當發生災難時可容忍的最大資料遺失。例如，若發生災難時，一節點上有 4 個小時的資料，如果能接受回放兩個小時的資料，則 RPO 為兩個小時。但如果無法接受資料遺失，則 RPO 為零。RTO 則為復原時間目標，是指最大可容忍時限，必須在此時限內復原資料。災難發生時，如果允許一小時的時間來復原資料，則 RTO 為一小時。如果系統必須馬上可用且允許遺失部分資料，則 RTO 為零。如果企業對於 RTO 與 RPO 的需求越高，則須支付的成本也就越大。
在變化莫測的電子商務環境裡，每分每秒都非常的重要，除了搶佔市場先機，因設備運轉停機產生的時間與金錢損失，更是需要有適當的保障。天災人禍難以避免，但風險管理卻是可以事先規劃。雖然異地備援能夠保障企業的重要資料不留失與服務提供不間斷，但是備份資料是相當佔頻寬且需耗費大量時間。為了在災害發生時能夠把傷害降到最低，如何選擇有效的備援應用服務，適度規畫備份策略與儲存備援方案，將是企業重要的考量。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─網路科技、電子商務與創業，以及虛擬社群和社交網路」執行團隊撰稿 / 2014 年 2 月)
責任編輯：林芬慧 | 國立中山大學資訊管理系網路行銷研究團隊 |
終極密碼戰–量子電腦與國家機密 | 2012 年諾貝爾物理獎，頒發給法國的哈洛許和美國的溫藍德，透過兩位學者對量子力學的研究，甚至可能發展出革命性的量子電腦。這個發展，跟我們的國家機密，甚至你我的網路銀行帳戶安全，有甚麼關係呢？請聽科學三分鐘，與您分享這場「終極密碼戰」。
小弟 A: 大哥！你要的科學家已經抓來了！小弟 B: 叫大哥！科學家：大... 大哥，我只是個教書的，沒得罪你吧？大哥：沒事、沒事，只是聽說老師很有名，有點事想問你。你知道量子電腦嗎？科學家：喔？您對這有興趣？真想不到......
小弟 A: 敢瞧不起咱大哥！小弟 B: 不要命啦！大哥：欸，別衝動。老師你是專家，應該可以回答，聽說量子電腦可以破解銀行密碼，是真的嗎？科學家：如果... 如果我回答，會放我走嗎？大哥：當然。
科學家：那我就告訴你，不只是銀行密碼，目前所有的密碼─包括國家機密，它都能破解。
大哥：怎麼說？科學家：我舉個例，15 的因數分解，答案是什麼？大哥：因數分解？不懂。
科學家：那換個說法，有沒有人會背九九乘法表？小弟 B: 我！我會！二一二，二二四，二三六......
大哥：閉嘴！別背了！我懂了，你想說「三五十五」, 十五等於三乘以五，對不對？科學家：對，把十五分解成兩個質數相乘，答案就是三乘五，這很簡單，但是如果是一個非常、非常大的數字，要找到它是哪兩個質數的乘積，就很困難了。現在最多人用的 RSA 密碼，就是用這個原理來保密。舉例來說，就算用了每秒運算一兆次的超級電腦，要解開某個密碼，也需要十五萬年。
小弟 A: 這麼久？那老子早掛了......
大哥：少廢話！小弟 A: 對不起大哥......
大哥：那老師，量子電腦又怎麼能解開它呢？科學家：簡單地說，傳統的電腦，它的位元只能是 0 或 1。但是量子電腦，它的量子位元處於所謂的「疊加狀態」, 勉強可以比喻為一部分是 0, 一部分是 1......
大哥：慢點慢點，我聽不懂...... 不過...... 這表示那個什麼「量子位元」比較厲害嗎？科學家：不錯嘛！完全正確。就因為這樣，量子電腦能夠同時處理的資料，比傳統的電腦多出很多。比方我剛剛說解開 RSA 密碼要十五萬年，換成量子電腦，卻只要不到一秒鐘。
大哥：講得真清楚啊...... 不像阿傑那傢伙，只跟我說量子電腦是「諾貝爾獎得主」製造的，保證厲害，只要我肯出錢...... 嗯...... 那，如果我有量子電腦，就可以入侵銀行嗎？科學家：是，可惜你不可能有，因為全世界的科學家，都還沒有做出來......
小弟 B: 什麼？小弟 A: 大哥！我們被阿傑那小子耍了！大哥：沒錯，我就是起了疑心，才找科學家來問。走！馬上幹掉他！科學家：喂～你們是不是該先放人......
女刑警：不許動，手舉高！女刑警：通通銬起來！女刑警：教授，您沒事吧？科學家：沒事...... 才怪。其實我腿都軟了。
女刑警：真抱歉，警方也沒想到會有這種罪犯，居然異想天開，想製造量子電腦，還跑去挾持科學家...... 不過，如果以後真的做出這種電腦，會不會很糟糕啊？科學家：別擔心，設計密碼的人，也可以用量子電腦，編寫更難破解的密碼，不是嗎？女刑警：說得也是，哈哈......
今天的科學關鍵字，就是
量子電腦 Quantum Computer
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2013-05-26 16:55:00 播出 |
計算化學–用電腦做實驗 | 2013 年的諾貝爾化學獎，是由三名美國籍學者卡普拉斯、李維特和瓦歇爾獲得。他們的主要貢獻，是以電腦為複雜的化學系統建立模型，模擬化學反應的過程。以下科學三分鐘，特別為您簡介這方面研究的由來，以及它的重要性，請聽今天的主題：計算化學–用電腦做實驗。
談到化學，您會想到什麼？最早人們對化學的印象，往往離不開試管、燒杯、白色實驗衣，還有五顏六色的化學藥品。許多重要的化學發現，都是化學家藉著經驗，不斷嘗試錯誤，甚至靠著直覺和一點運氣，在實驗室當中做出來的。化學反應一閃即逝，難以用肉眼觀察，也幾乎不可能用實驗了解化學反應過程中的每一個細節。
隨著對分子結構的了解漸漸增加，在過去，化學家也常用不同顏色的塑膠球，以及黑色塑膠棍，來模擬化學分子的結構。然而，這種模型還是太過簡化，跟真實狀況相差太遠。直到二十世紀初，物理學家發現，可以用量子力學，來精確描述微觀世界中原子與分子的行為，透過相關理論發展出計算方法之後，終於讓研究人員引進更強大的工具，那就是電腦。
舉例來說，像蛋白質這樣的大分子，幾乎不可能用實驗追蹤每一步化學反應。有了電腦模型，科學家可以模擬分子之間的互動，例如計算一種新藥，與體內特定的蛋白質會產生什麼反應，所以也有人把相關的研究方法，統稱為計算化學。
不只是蛋白質，透過電腦模擬，科學家可以估算各種化學分子的結構，以及不同分子之間化學反應的過程。除了設計新的藥品，還可能用來發展太陽能電池、汽車觸媒轉換器，甚至發展更多的應用。而卡普拉斯、李維特和瓦歇爾，早在 1970 年代，就開始進行用電腦模擬化學反應的研究。他們的研究，為這個領域在今日的廣泛應用，奠定了基礎，也讓他們成為了新科的諾貝爾化學獎得主。
卡普拉斯等三人的創舉，在於把古典力學和量子力學的方法混合使用。過去化學家想要在電腦上模擬複雜的化學反應，必須選擇使用牛頓的古典力學為基礎設計的軟體，或是用量子力學理論設計的軟體，兩種選一種。古典力學的計算比較容易，可以比較快地完成計算，但是會忽略掉化學反應中很多重要的細節，簡單來說就是計算比較不精確。相反地，量子力學的模擬計算很精確，但是要耗費龐大的電腦資源與計算時間，所以沒辦法用於像蛋白質這種大分子。
卡普拉斯等三人，透過電腦軟體，解決了這個問題。舉例來說，他們早在 1976 年，就可以用量子力學的方法，模擬蛋白質分子反應中最重要的「活性部位」, 至於蛋白質其他的部分，則用古典力學的方法來處理。這個方法，讓他們用當時的電腦，就可以研究相當大的分子，得到有意義的結果。
當然，計算化學不可能完全取代化學實驗，最後還是需要實驗的印證。但是計算化學的電腦模擬，卻可能讓設計實驗的化學家，節省許多嘗試錯誤的時間，也可能為過去無法解釋的化學現象，找到真正的原因。而 IC 晶片發展的摩爾定律，讓電腦計算能力迅速進步，也讓計算化學蓬勃發展，可以模擬更大的分子，重要性與日俱增。
今天的科學關鍵字，就是
計算化學 computational chemistry
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2013-10-27 16:55:00 播出 |
海平面上升主因是冰河融化 | 新聞報導
澳洲科學家研究證實，過去這世紀以來，全球海平面上升主因是冰河融化。
頗具聲譽的因斯布魯克大學 (The University of Innsbruck) 的科學家認為，在 1902 年至 2007 年間，海平面上升約 20 公分，其中有 11 公分是冰河融化所致。
他們在 2012 年 11 月更指出，在 2100 年之前，冰河融化加速，可能導致海平面再上升 22 公分。
目前科學家認為，暖化造成冰原融化、影響堰塞湖及地下水量變化，這些都是導致海平面上升的因素。
科學家認為，科學研究能夠精確了解冰河融化情況；透過電腦模型，追蹤全球大約 30 萬條冰河，經由現場測量及電腦演算，可以驗證出冰河融化情況，幫助我們了解冰河融化對於海平面上升究竟造成多大影響。
新聞中的環境科學知識
人類大量使用石油、天然氣等化石燃料，造成明顯的溫室效應，科學家計算若大氣中的二氧化碳 (CO2) 濃度增加一倍，全球平均溫度估計將上升攝氏 1.5-4.5 度。這將使冰帽與冰河處於融化、消退狀態。
2006 年《科學》(Science) 期刊研究指出，2002 至 2005 年間，格陵蘭冰河以每年 235±23 立方公里的速度融化，南極地區則以每年 152±80 立方公里的速度融化。融化導致海平面上升，對陸地造成的影響是：(1) 低窪地區消失，衝擊濕地物種；(2) 侵蝕海岸；(3) 海水入侵淡水水域，入侵河口與鹽化地下水；(4) 地下水位提高，河流不易流入海洋，使河流水位提高導致洪水氾濫。
冰河是地球淡水資源的重要儲存庫。聯合國環境規劃署 (UNEP) 和科學家完成的報告指出，冰河融化將對人類帶來水資源的威脅。麥基爾大學 (McGill University) 和俄亥俄州立大學 (Ohio State University) 的計算發現，從秘魯 Rio Santa 冰河流出的淡水量顯著減少，水位在乾季大約低於 2012 年初的百分之三十。這意味著，生活在冰河區域數以萬計的居民，仰賴冰河融水資源從事農業、電力、飲水，可能因為水資源的減少而將臨嚴重的問題。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─環境科學傳播與新聞產製」執行團隊編譯)
責任編輯：張春炎 | 卓越新聞獎基金會
校編：卓亞雄 | 聯合報
審校：胡元輝 | 國立中正大學傳播學系暨電訊傳播研究所
資料來源：美聯社 2012/11/14 維也納訊 |
微生物與健康產業:微藻產業 | 微藻屬於真核微生物的一種，在演化過程中出現的很早，它們的祖先很有可能是所有植物的始祖。有的微藻是以單細胞的形式存在，不過有些會聚集成群，有些則形成真正的多細胞生物。好比說海帶，就是由藻類構成的永久性群落。藻類和真菌的細胞外圍也有一層類似植物細胞壁的東西包圍著。微藻的細胞大小介於幾微米到幾百微米之間，一般要在光學顯微鏡下才能一窺全貌。就像細菌一樣，一群構造簡單的藻類遍布在地球上各個有水的角落。
藻類被認為是有益健康的食材，已經有好幾世紀之久。這些食用的藻類包含中國人已經食用幾千年，屬於藍藻菌中念珠藻的髮菜，與非洲的鹹水查德湖畔的佳尼姆人，用來維持強健體魄的「蒂核」(Dihe), 也就是藍藻菌中的節旋藻屬和螺旋藻屬曬乾的藻餅。然而，真正人類商業化培養藻類技術的發展，到今天也只不過短短的幾十年而已。
藻類產業對於大部分的國人來說，是一項陌生的生物科技產業，但臺灣在這個產業的發展過程中，也有輝煌的歷史。現在，各國都看好微藻產業是明日之星，臺灣具有獨特的地理位置與綿延的海岸線，可以提供藻類產業很好的發展。如何從過去的產業發展軌跡延伸發展新商機，將有助於這個產業的開發應用。
50 年代因為醫學逐漸發達，造成人口快速成長，為了解決衍生出的糧食危機，科學家努力地尋找非傳統蛋白質的替代來源。藻類的高蛋白含量，讓它雀屏中選，成為主要的研究對象之一。另一方面，有系統地從微藻中尋找生物有效成分，尤其是抗生素的研究主題，也正開始萌發呢！70 年代是太空計畫蓬勃發展的時候，美國大力發展如何利用藻類培養做為太空旅行中光合作用氣體交換與排泄物處理的工具。因此，藻類食品也號稱是太空食品。在美國，環境工程專家也把它應用在廢水處理上，並利用廢水處理發酵所產生的甲烷。在石油危機的 70 年代中，如何利用藻類產生再生能源，也是非常受矚目的課題！第二次世界大戰後，人口激增再度誘發糧食危機，使得美、英、法、俄等國家加入綠藻的研究行列，而掀起一陣熱潮。當時美國的一名光合作用權威研究者，力邀日本東京大學的植物學家 - 田宮博 (Hiroshi Tamiya) 教授加入研究行列。田宮教授採用開放的方式大量培養綠藻，開啟了日本綠藻培植朝向商業化發展的第一扇門。田宮教授在日本德川生物研究所進行「綠藻的大量培植」工作，並隨著日本綠藻研究中心在 1957 年落成，真正啟動綠藻大量培植程序，微藻商業化大量生產由此開端。
法國國立石油研究所在 1967 年和墨西哥的一家廠商合作，研究利用製造小蘇打後的廢水生產螺旋藻的可行性。幾年的研究證明，這種半天然的螺旋藻工業化生產方式是可行的。於是在 1973 年，螺旋藻生產工廠正式建成投產，年產量是 150 公噸，最高產量可以達到 500 公噸，成為當時世界上最大的螺旋藻企業。到了 80 年代，跑道式的生產工程設計大大地提升了螺旋藻的生產效率。直到目前為止，在亞洲就有 46 家月產噸級的生產工廠。
第 3 種量產化的藻種是生長在高鹽環境中，富含乙種胡蘿蔔素，屬於綠藻的杜氏藻。這個生產線首先由瑞士的生技公司在 1986 年投產，隨後美國與以色列的公司也加入生產的行列。
直到 1999 年，另一種生產技術比較嚴苛，而且富含蝦紅素的藻種 — 血球藻，由日本的公司設計出自然生態培養系統的生產方法才得以量產。微藻生物產業的發展歷史，到現在雖然只有四十多年，然而它的成長性與多樣性是有目共睹的。今天的微藻工業每年提供超過 5 千公噸的產量與 12.5 億美金的產值，也使人不得不注意到這個產業的存在，尤其這個產業的產品都與人類的食物來源及健康非常相關。
高達 28~71% 的蛋白質含量，使微藻類能成為非傳統蛋白質的來源，幾乎所有的藻類比一般的食物更具有完整的胺基酸組成。每一個藻細胞都能合成所有的胺基酸，因此能提供所有動物，也包含人類，足夠的必需胺基酸。微藻的醣類組成多元，而且豐富，占總細胞乾重的 12~57%。這些醣類包含澱粉、葡萄糖、蔗糖與其他的多醣類，而整體的消化率很高。
藻類脂肪的含量可占總細胞乾重的 6~22%, 主要包含甘油及醣類脂化的飽和與不飽和脂肪酸 (12 碳到 22 碳鏈), 其中所含的歐米加 - 3 (Ω-3) 與歐米加 - 6 (Ω-6) 不飽和脂肪酸更是受人矚目。它們在嬰兒腦細胞發育，以及預防關節炎與腦血管硬化的功能性，已經被充分證實。
歐米加 - 3 和歐米加 - 6 不飽和脂肪酸的名稱，來自於它們在化學結構上的第 1 個烯鍵，位在從離羧基最遠的甲基端算起的第 3 及第 6 個碳原子上。此外，富含歐米加 - 3 的藻種更是水產品幼苗的必要成分，也是創造水產養殖重要的關鍵。
微藻富含各種色素，包含葉綠素 (0.5~1.0% 的乾重)、類胡蘿蔔素 (0.1~0.2% 的乾重) 等，杜氏藻甚至可含高達乾重 14% 的類胡蘿蔔素。可見微藻具備所有的營養素，也就是說微藻本身就是一種完全的食物。
在國內外，微藻已經以不同的形式商品化，把螺旋藻添加入休閒食品中，像是餅乾、糖果、冰棒、口香糖，甚至也加入麵條中。螺旋藻也被廣泛利用做成營養補充品，除了具有較高的蛋白質含量外，還含有豐富的其他營養，例如水溶性與脂溶性的綜合維生素、硒、鋅、鐵、鈣、鎂、其他各類礦物質、乙種胡蘿蔔素、多元不飽和脂肪酸、過氧化物歧化瓷等，可以使身體攝取均衡且足夠的營養。
螺旋藻有明顯的保健功能性，包含降低膽固醇、降低各種癌症風險、促進腸道乳酸桿菌群的成長、減輕汞與藥物對腎的毒性及前列腺素刺激作用、強化免疫系統的作用、提高鐵的有效利用性和調理貧血症、加速皮膚外傷癒合、抑制病毒等。目前全世界每年的產量超過 3 千公噸，其中最大的工廠位在中國與印度。
屬於綠藻的小球藻是最早培養的微藻，除了高蛋白的營養成分外，還含有葡聚醣，可以使免疫系統正常化、促進免疫力、預防濾過性病毒，例如傷風感冒。它的抗氧化成分，可以延緩衰老、預防粥狀動脈硬化、有效降低血液中的膽固醇含量和高血壓、以及保持皮膚光澤有彈性。它也富含核酸，可加速修復細胞組織，幫助細胞再生，排除體內積聚的重金屬、有害農藥及環境污染物，抗腫瘤等，因此在保健市場中維持一定的需求。
小球藻因為特有的風味與色澤，也已普遍用在食品添加與食品著色劑上。目前全世界的產能是 2 千公噸，有七十幾家生產廠商。另一種很有經濟價值的微藻 — 杜氏藻的細胞中，含有高達 14% 的乙種胡蘿蔔素，具有很強的抗氧化能力，目前主要用在保健的素材上，全球年產量約有 1,200 公噸。
微藻除了由人類直接消費外，有大約 30% 的產能是消耗在水產品與畜牧用途上，其中一半是用在飼料的添加中。在 1990 年，有 1 千公噸用在水產品中，當中的 62% 用在貝類上，21% 用在蝦類養殖，其餘的用在魚類的飼養上。微藻的主要用途是當作餌料生物，可以直接由蝦貝類及魚幼苗攝食，或用來培養動物性餌料生物，再間接由水產幼苗食用，以提高幼苗的存活率。
目前，除了小球藻與螺旋藻已經可以大量產業化培養外，其他常用的藻種如扁藻、等鞭金藻、巴夫藻、褐指藻、角毛藻、擬球藻、骨蟲矽藻、海鏈藻等，目前只有少量生產，因此無法穩定供貨，也造成供需的失衡。此外，這一類的微藻需要保存在新鮮狀態，也因此造成產業大規模化培養、收成、儲存與運輸的瓶頸。如果能克服這個問題，每年也會有百億的商機。
微藻類與陸生動植物或微生物有著截然不同的生化與生理特性，因此會產生其他生物無法生產的代謝物，例如不飽和脂肪酸與色素。高等植物或動物最缺乏 18 碳以上的不飽和脂肪酸的合成酵素，因此必須藉由食物的攝取來滿足生理的需求。魚可以經由食物鏈的累積，從藻類得到長鏈的不飽和脂肪酸，我們再藉由食用魚或補充魚油，攝取足夠的不飽和脂肪酸。
然而，海洋污染與魚產枯竭已經成為世紀問題，擔心吃不到魚，或者因為吃水產品而累積毒素的議題，已被普遍地報導。除此之外，魚油的魚腥味與容易氧化的特性，也限制魚油中不飽和脂肪酸的應用。因為魚油中的不飽和脂肪酸是由食物鏈中的藻類所生產的，所以由微藻直接生產高度不飽和脂肪酸的構想，應該是可行的。
在各種高度不飽和脂肪酸中，最具有保健功能性的成分，像是二十二碳六烯酸 (docosahexaenoic acid, DHA), 美國已有生技公司長期性地投入資金，發展隱甲藻的高密度量化培養。此外，也克服了生產成本的障礙，把二十二碳六烯酸的產品導入經過美國聯邦食品藥物管理局認證許可的嬰兒奶粉配方中，和應用到素食性的不飽和脂肪酸保健食品中。
最近更把應用面推廣到飲料、乳酪、優格等大宗民生消費物品市場，甚至添加到動物飼料中。目前的年產能超過 240 公噸，產值超過美金兩億元。在 2005 年，德國也有食品公司利用吾肯氏壺菌所發展的發酵生產線，積極投入這一個方興未艾的市場。
在已知的四百多種類胡蘿蔔素中，只有少數幾種已商品化。屬於乙種胡蘿蔔素的天然色素 — 蝦紅素已經廣泛應用在各種產品中，例如添加在柳橙汁中，也經常做為水產品與肉類的增色劑。葉黃素、玉米黃素、茄紅素、紅木素等，主要用在保健食品素材上。近年來因為這一類分子的抗氧化特性，也應用在化妝品中。
蝦紅素是生物界中分布最廣泛的一種葉黃素類的色素，存在於水產動物的蝦、蟹、魚和鳥類的羽毛中，呈現橘紅色。它與維生素一樣，動物不能自行合成。有些甲殼類與魚類雖然可以把類胡蘿蔔素轉化成蝦紅素，但仍然無法達到體內的需求量，因此還是必須從食物中攝取。因為需求量很大，所以創造出的產業價值也非常可觀。
大量合成的方法已經由羅氏藥廠在 1990 年完成開發，並使用在年產百萬噸的鮭魚水產養殖上，每年創造出超過兩億美金的產值。因為尚未完全了解合成蝦紅素特有的鏡像異構物對人體的影響，所以對於把合成蝦紅素應用在食品與保健添加物的用途上尚存疑慮。因此由自然物種中取得蝦紅素，是目前最可行的方法。
自然界中有很多藻類能夠產生蝦紅素，其中以雨生紅球藻中的積聚量最高。在 90 年代不少廠家投入生產研究，其中以在 2000 年由日本富士化學工業公司發展出的自然生態培養系統最成功，產出 1.5% 高含量的產品，價格與規格都符合市場的需求，目前正在國內的保健與化妝保養品市場上流行。
藻膽蛋白一般稱作藻膽色素蛋白，是一群色彩鮮麗具有螢光的水溶性色素。它存在於紅藻、藍藻與隱藻類的葉綠體表面，和第二型光反應系統相連結，主要功能是輔助光合作用，具有很強的螢光能力與較低的等電點 (pI 4.5~5.5)。在一般的生理條件下呈負電性，與正常細胞表面的電性相同，而不至於與完整細胞發生非專一性的結合，干擾免疫反應。
因為藻膽色素蛋白的高吸收性與高光子效率，純化的螢光性藻膽色素蛋白已經商業化生產，並應用在螢光性的標誌物上，例如與抗體、蛋白質 A、維生素 H、卵白素或凝集素做共價結合。它也已經被開發成醫療用的檢驗試劑，價格介於每毫克美金 2~25 元之間，臺鹽公司曾與臺灣大學合作完成這一項螢光色素的開發。
包括藻紅蛋白、藻藍蛋白與異藻藍蛋白的藻膽蛋白，因為所含的發色團與葉綠素都屬於挽咯環系列，是安全無毒的蛋白質色素，且具有獨特的色澤，尤其是天然色素中少有的透明感，可以做為口香糖、糖果，甜食、冰品、乳製品、粉末軟性飲料等食品、藥品與化妝品的著色劑。藻膽蛋白在某些藻類中含量非常豐富，例如螺旋藻含有豐富的藻藍蛋白，可作為食品與化妝品的添加劑。
另外，紫球藻雖富含紅色的藻紅蛋白，但由於生產成本相對較高，因此它在食品與化妝品的應用上並不若螺旋藻普遍。即使如此，仍有業者對它的發展潛力抱持樂觀的態度。國內就有生技公司利用紫菜絲狀體的組織培養技術克服量化的瓶頸，研發可凸顯藻類色素特性的螢光蛋糕。
微藻也會產生具有生物活性的成分，其中影響人類健康最普遍的物質就是藻毒。和世界其他的地區一樣，臺灣分布最普遍的是微囊藻毒。微囊藻毒是一種環狀胜 化合物，具有很強的肝臟毒性，會造成肝臟的嚴重出血及肝癌的病變。浮游性淡水藍綠藻類的微囊藻、魚腥藻、念珠藻、顫藻、束絲藻等，都會產生微囊藻毒。
另外，原甲藻所產生的黑海綿酸及鰭藻毒，都是造成下痢性貝毒事件的主要成分。目前在包括亞洲的日、韓、歐洲、北美、紐澳等地，被列為貝類上市前的重要檢測項目之一。
近年來因為水域優養化的日益嚴重，上述藻類產生的毒素常有污染水源及有益健康藻類的疑慮。目前許多先進國家已針對這些藻類訂出含毒標準，同時進行例行的檢測。除此之外，因為上述的藻毒都具磷酸酶抑制的功能，目前已被認定是研究細胞生理重要的工具，可應用在新藥的開發上。
可以產生麻痺性貝毒的藻類以甲藻門為主，其中又以亞歷山大屬渦鞭毛藻影響最廣泛，例如亞歷山大細藻、塔瑪藻、鏈狀亞歷山大藻、亞歷山大芳地藻、亞歷山大縱隊藻等。這類藻種也會產生膝溝藻毒素與石房蛤毒素，這一類的毒素也曾經造成臺灣的西施舌中毒事件。
以毒藻分布的地區而言，涵括南北半球及熱帶地區，因此檢測這一類毒素變成水產品例行的檢測工作。因為這一類的毒素屬於鈉離子通道阻斷劑，具有神經麻痺的效果，所以可能被開發成癌症末期的止痛劑或應用在美容用途的除皺劑中。
產生屬於神經性貝毒的短毒素的短裸甲藻，曾經造成美國佛羅里達灣區及墨西哥灣區大量的魚群死亡，因此檢測這一類毒素也是水產品例行的檢測工作之一。
目前只有少數的大型藥廠可生產上述所需的各種純毒標準，除了供應檢測需求之外，這類毒素也提供世界各地相關毒理及生化研究材料所需。因為這一類的化合物無法經由人工合成的方式生產，所以僅能經由純化的方法由毒源生物提取。受限於毒源生物培養及毒素純化的困難，產量很低，在市場上是屬於極高單價的產品，同時會有不定期缺貨的情形。
藻類活性成分的生產門檻，涉及到藻種的篩選及量化培養，雖然這一類藻類的生產只要實驗室的規模即可，但是還必須具有很強的研發能量與嚴謹的生產流程控管，因此具有較高的進入門檻。由新藥開發的歷史經驗可知，毒與藥之間的界定在於用量的多寡，依我們對它應用的了解程度而有所改變。微藻不同於陸生植物與微生物的代謝途徑，其間一定有值得開發的奧祕，有待後續的研究。
以生物技術的發展觀點來看，微藻是最少被開發的一群。目前自然界有幾萬種以上的物種，只有幾千種被收集，也只有幾百種被比較仔細地研究，而能被產業化生產的物種更是屈指可數。
藻類生物科技的發展受限於工業化光反應器的成長效率不彰，目前大部分的培養是露天的生產模式，會受到藻種及培養環境的限制。最近幾年，密閉系統的生產模式已開發完成，運用在小球藻、血球藻及渦鞭毛藻生產不飽和脂肪酸 —DHA 上。藻類生產系統在未來應還有相當大的發展空間，而藻類在健康產業上的應用也會隨著商機無限。 |
珊瑚:墾丁珊瑚礁的環境適應性 | 熱帶珊瑚礁是世界上景觀最美麗 — 燦爛的陽光、蔚藍的天空、廣闊的海天相連、清澈乾淨的海水、亮麗的各種海洋生物、潛水游泳的天堂；生物種類最多樣 — 包括最多門類的微生物和動植物；生產力最高 — 提供豐富漁產和自然資源；觀光旅遊價值最高 — 環境最溫暖浪漫，人們最友善熱情，是度假蜜月首選的海洋生態系。不過，珊瑚礁的面積卻非常稀有，僅占不到海洋的百分之一，分布也非常有限，主要在南北緯 30 度之間的淺海，並且對於環境的變化非常敏感，因此特別需要保護。
如此美麗、珍貴和稀有的海洋生態系，在國人一般印象中較熟悉的地點，包括在太平洋的臺灣墾丁、澳洲大堡礁、夏威夷、大溪地，印度洋的馬爾地夫和加勒比海的牙買加等地區，這些地區也是國際知名的觀光度假熱門地點。
然而，由於珊瑚礁吸引大量人潮湧入，隨著漁業資源的利用和沿海環境的開發，從 1970 年代起，一些珊瑚礁就因過度捕捉魚類、泥沙沉積物和廢水排放汙染增加，造成生態失去平衡而有明顯改變。例如陸續發生吃珊瑚的棘冠海星大爆發，死亡珊瑚大量增加，以及珊瑚礁由造礁珊瑚為優勢轉變成以藻類為優勢的相變現象。
自 1980 年代，科學家已開始警覺到氣候變遷的威脅，如海水暖化造成珊瑚大量白化甚至死亡；海平面上升，造成一些珊瑚礁島嶼的海岸嚴重侵蝕和逐漸沉沒；強烈颱風發生頻率增加，造成珊瑚礁受物理性干擾作用增強；以及海洋吸收大量二氧化碳造成酸化，使得珊瑚的鈣化作用日趨嚴重等。
由於珊瑚礁所面臨存亡威脅的急迫性和全球性，國際上發起了一系列研究、調查、監測、教育和保育珊瑚礁的活動。主要如珊瑚礁長期生態研究、1998 年訂為國際珊瑚礁年、2008 年為國際礁 (包含珊瑚礁與岩礁) 年、珊瑚礁體檢等。近年來國際著名期刊也陸續以「珊瑚礁有麻煩了」、「一個沒有珊瑚的世界」等為封面標題，促使全球人類警覺問題的嚴重性，並開始尋找未來能夠長期存活下來的珊瑚礁。
如同人體對於環境變化或疾病感染具有不同的抵抗力與恢復力，珊瑚礁對於環境變遷也呈現不同的反應。評估和選擇對環境變化具有較高抵抗力與恢復力的珊瑚礁，並加以保護，是近年來全球珊瑚礁研究保育最重要的議題之一。
臺灣許多地區，包括澎湖、小琉球、綠島、蘭嶼、墾丁、東沙環礁、南沙群島的太平島等都擁有珊瑚礁，其中以墾丁的發展和研究歷史最久，並且具有許多特色。墾丁位居台灣本島的最南端，獨具熱帶風情且交通便利，氣候和景觀也和其他地區如都市、山區、平原等迥然不同，而成為熱門旅遊地點。政府於 1984 年在這裡成立第 1 個國家公園──墾丁國家公園。同年第三核能發電廠 (核三廠) 開始營運，並進行許多地形、地質、氣象、水文、洋流、生態等調查研究，因此累積較多的基礎環境生態資料。
臺灣社會大眾對珊瑚的注意，主要由 1987 年電廠溫排水造成相鄰灣區的珊瑚大白化事件開始，該事件至今仍是最廣為人知並經常受到關切。不過，隨著時代的轉變，核三廠對於墾丁珊瑚礁有了新的時代意義，將於後續文中說明。
在 1990 年代，由於社會經濟繁榮，旅遊蓬勃發展，造成大量遊客湧入墾丁。但隨著沿岸土地開發，餐廳、旅館、民宿和遊憩場地大量興起，導致泥沙沉積物沖刷入海，加上廢水排放導致水質優養化，並引發多處海域的水質混濁和藻類繁盛。
例如南灣沙灘東側的眺石海域，由早期水質清澈乾淨，大型分枝形軸孔珊瑚密集分布的繁盛景象，於 1995 至 2003 年期間轉變為水質混濁、大量分枝形軸孔珊瑚死亡，骨骸堆積，形成如同珊瑚墳場般的恐怖區域。同時期又發生海葵大爆發，如同地毯般地在珊瑚骨骸堆表面上密集生長。
另一個重要事件是 2001 年，阿瑪斯號貨輪在龍坑海域觸礁擱淺，造成嚴重漏油汙染，以及船體受颱風影響而破碎移動，大量船隻殘骸散布在海底。這事件不但促進國人保育珊瑚礁意識的提升和重視，也開啟了墾丁珊瑚礁的長期生態研究。
隨著墾丁珊瑚礁的惡化日益嚴重，社會大眾和當地社區居民的保育意識開始興起。如土地開發的管制、1999 年汙水處理廠的啟用運轉等經營管理機制施行後，一些生態監測研究結果呈現令人振奮的轉變。
首先，眺石海域的水質逐漸清澈，伸手不見五指的情形已較少發生。海葵由如地毯般完全覆蓋的生長情況逐漸消退，重新裸露的珊瑚骨骸於 2003 年後，明顯地逐漸被分枝形表孔珊瑚生長覆蓋 (分枝形表孔珊瑚的骨骼細扁，不但生長快速，並且容易斷裂而又重新在基質上固著生長，因此族群能夠快速壯大和蔓延) 而呈現復原現象。眺石海域並於 2008 年成立為海洋保護區，期盼能夠繼續穩定復原並逐步欣欣向榮。
另一個令人非常興奮的發現是龍坑近岸珊瑚礁的復原。2001 年，阿瑪斯號在龍坑海域觸礁擱淺，隨後颱風引起強勁風浪，造成船艙蓋移動、破碎、撞擊和刮磨珊瑚礁體，使表面的底棲生物，甚至表層的碳酸鈣礁岩幾乎被完全清除。之後連續 7 年的監測結果顯示，在剛開始的數年，珊瑚的覆蓋率僅呈現非常緩慢的增加。但於 2006 年後就明顯快速增加，至 2008 年，已和未受阿瑪斯號殘骸破壞區域的珊瑚數量相近。和國外相似案例經常需耗時數十年才能復原相比，龍坑呈現珊瑚快速復原的現象。
在能夠控制汙染和破壞後，墾丁珊瑚礁的珊瑚出現較快速復原的現象，和近年來發現該海域珊瑚子代的新添量較高及珊瑚的高多樣性有關。墾丁珊瑚的生殖時間長，例如孵育幼生型珊瑚全年每月都可釋放大量幼生，而已發育成熟的幼生，能在數小時內就沉降至海底而固著生長。墾丁位居暖流黑潮和南中國海表層流的下游，它的上游就是世界上珊瑚多樣性最高的珊瑚金三角地區，可經由海流運送生物和建立連結，使得珊瑚補充的來源更加多元和豐富。
隨著對墾丁珊瑚礁研究和調查的增加，陸續有了新的發現。其中最使人高興的是在 2005 年成立的後壁湖保護區中，發現數個長度達數十公尺、寬度達數公尺的大型分枝形軸孔珊瑚區塊。由於它們的體型大，估計已存在數十年，反映出 1998 年的全球珊瑚大白化可能並未對它們造成嚴重損害。有趣的是，於 2007 年西太平洋海水暖化造成珊瑚大白化期間，後壁湖保護區很少珊瑚白化，也間接支持前述的構想。這區域的珊瑚較不易發生白化的原因和機制，值得未來詳加探究。
分枝形軸孔珊瑚是最主要的造礁珊瑚，能夠提供大量隱蔽安全空間做為魚類棲所，因此對孕育豐富漁業資源的貢獻很大。近年來，在有效執行經營管理的措施下，後壁湖保護區的漁業資源明顯增加，未來的發展前景看好，也更需要長期有效的維護和管理。
此外，後壁湖保護區所在的南灣海域具有非常特殊，由潮汐變動所引起，周期性發生的湧升流，使得來自深海而溫度較低、營養鹽濃度較高、酸鹼值較低和溶氧率較低的水團，會和淺海水質不同的暖水團不斷更替交換，使得這區域的珊瑚長期經歷環境的劇烈變動，並可能使牠們對環境變化的抵抗力較強。而在海水異常暖化發生期間，湧升流的冷水團會造成水溫忽冷忽熱的三溫暖效應，有助於舒緩持續高溫對珊瑚所造成的傷害。因此湧升流區可能扮演著珊瑚礁受海洋暖化威脅下庇護所的功能。
墾丁海域不同地點的環境狀況和珊瑚礁群聚結構，經常呈現明顯差異。例如南灣東側的眺石以石珊瑚的數量最多；南灣西側的貓鼻頭海底是軟珊瑚如地毯般密集覆蓋；恆春半島西側的後灣則有多種柳珊瑚族群密集生長，形成如同海底森林般的美麗景觀。而在不同生長型的石珊瑚中，分枝形珊瑚在較受屏障的後壁湖和眺石的部分區域，發展出長達 10 公尺以上的大型群體；葉片形珊瑚則在香蕉灣海域形成優勢種；團塊形和表覆形珊瑚較適應風浪強的環境，廣泛分布在恆春半島沿海。
近年來的研究進一步發現，不同地點對環境的變化呈現不同的反應。例如 2007 年海水暖化期間，恆春半島西岸萬里桐的水溫異常較高，珊瑚白化比率也較高；但是位於南灣的後壁湖保護區水溫雖然也有異常升高，但是珊瑚很少白化，推測可能和該地區受湧升流侵入而降溫、水質乾淨、海流交換較快等因素有關；而位居恆春半島東側面向太平洋的龍坑，則水溫正常，珊瑚也未白化。
高度的生態異質性不但使墾丁海底生態變化豐富，也使環境變化的衝擊因地點差異而降低，並使受損礁區因受惠於鄰近未受損礁區仍然維持良好的珊瑚生態，能夠較快地補充添入而有助於復原。
另外，在世界許多珊瑚礁區造成珊瑚嚴重受損的棘冠海星大爆發，在過去 40 年並未在墾丁海域發生。近十餘年來，造成珊瑚嚴重受損的珊瑚疾病爆發，也很少發生在墾丁海域珊瑚群體上。海平面上升造成許多島嶼土地快速消失，也由於墾丁是隆升珊瑚礁，而影響較小。
另一方面，長久以來一直受大眾注意的核三廠出水口海域，由於較不受天候和風浪影響，已成為浮潛和潛水的勝地。每年夏天有大量遊客，而遊憩活動也取代電廠溫排水，成為對珊瑚礁負面影響的最主要因素。然而，令人驚訝的是，該區域珊瑚的覆蓋率仍達 40%。2007 年西太平洋海水暖化珊瑚大白化期間，雖然有部分珊瑚折損，但整體上死亡率並不高，甚至有數株較大型的分枝形軸孔珊瑚群體持續成長，反映該海域的珊瑚可能已對較高水溫具有馴化或適應能力。
由於有穩固堤防的屏障，不受颱風和強勁風浪衝擊，並且管制人為活動，使核三廠的入水口海域的珊瑚和魚類繁盛生長。近年來在該海域建立的珊瑚礁即時錄影和環境如潮汐及水溫的連續監測，並在網際網路上展示 (http://eco046.nchc.org.tw/), 已發展成為海洋即時遠距觀測研究的平台。
除了墾丁天然珊瑚礁對環境變化有較高的抵抗力與恢復力之外，緊鄰墾丁珊瑚礁，於 2000 年開館的國立海洋生物博物館 (海生館), 也已建立了世界上規模最大和品質最佳，兼具展示、教育、研究和復育功能的──系列活珊瑚水箱，並且具有珊瑚的人工大量生產和完整生命周期培育技術。因此海生館具有野外珊瑚在承受因全球氣候變遷而面臨存亡危機時，在受人工保護環境下繼續保存和延續生命發展的避難所功能。
當野外環境重新適合珊瑚生長時，海生館也能夠把培育的珊瑚移植回野外，進行珊瑚礁的復育和重建。同時，這些珊瑚礁生態箱具有調整控制環境因子，如水溫、光照、酸鹼值、營養鹽、水流等的設備，因此非常適合進行環境變化對珊瑚礁影響的嚴謹控制環境因子實驗，能夠追蹤觀察生態轉變的過程和機制，提供生態保育和經營管理的科學依據。
近年來，到海生館進行學術交流、合作研究的國外學者和學生人數快速成長，探討的主題由珊瑚逐漸擴大到環境因子、微生物、藻類、魚類和整體群聚變動，涵蓋的領域則包含基因體、細胞生物學、生理學、生態學、資訊科技、遙感探測等。
過去 30 年，受人為活動和氣候變遷的影響，珊瑚礁快速衰敗，並且面臨滅絕的嚴重威脅，國際上許多國家，如美國、澳洲、英國、法國、以色列、日本等，紛紛投入大量的經費、人力和物力，進行珊瑚礁的研究、教育和保育。墾丁珊瑚礁則因結合具有獨特的天然生態環境條件，以及墾丁國家公園管理處、核三廠、海生館和其他機構的完善基礎建設及卓越研究設施的優勢，因此倍受國際矚目。
經由已建立並逐漸升級整合的高畫質水下錄影、感測器網路的即時監測和遠距研究系統，美麗的墾丁珊瑚礁不但展現在網際網路上供全球觀賞，也能讓影像在美國重組為立體生態實境供研究和教育使用。這些跨領域和跨學門的科技整合，使墾丁珊瑚礁擁有新世代珊瑚礁整合觀測研究的模式系統，成為國際訓練未來世代珊瑚礁科學家的平台，並造就墾丁成為永保熱帶珊瑚礁風情的生態觀光科技城。也期盼經由這些資源的開放分享和集體合作，促進全球珊瑚礁的永續發展。 |
溪流河川:臺灣溪流中的蝦兵蟹將 | 水是孳生萬物的生命源頭，而承載這個生命之源的溪流，廣泛分布在地表的不同生態環境中，滋潤蘊育了動植物，因此溪流可說是大地綿密交織的血脈。
臺灣面積雖僅 3 萬 6,000 平方公里，但山多平地少，海拔 3,000 公尺以上的高山超過兩百座。這些蒼鬱的山林密布全島，是總數超過 400 條大小河川溪流的發源地。溪流在經年豐沛的雨水傾注下，滋養無數的水生物。相信有機會前往溪流從事親水活動的人，在美好的回憶中，總是少不了撈蝦摸魚抓螃蟹這些充滿童趣的片段。而在溪流的眾多水生物中，帶有硬殼，有一對會夾人的大螯，會爬行和游泳的蝦類，以及橫行的螃蟹，我們習慣上稱牠們為「蝦兵蟹將」。臺灣溪流裏到底有哪些蝦兵蟹將？牠們在溪流生態系中扮演什麼樣的角色？蝦蟹在動物分類學中的地位
從外觀來看，蝦蟹 (包含螃蟹、蝦子、龍蝦和寄居蟹) 與蜘蛛、蜈蚣和昆蟲都有分節的肢體，統稱為「節肢動物」。節肢動物身體的表面，是一層由堅硬的幾丁質構成的硬皮或殼。其功能是保護和支持身體內部的柔軟組織，相當於脊椎動物體內的骨骼。因為這些硬皮或殼包被在身體的外面，所以稱為「外骨骼」。
蝦蟹與昆蟲同樣具有一對複眼，但昆蟲的頭部、胸部與腹部三部分分節清楚，且只有六支腳，是六足動物。而蝦蟹的頭部與胸部癒合在一起，特稱為「頭胸部」, 配有五對共十支胸足，是十足動物。動物分類學家就根據蝦蟹具有的三項共同特徵：關節性附肢、外骨骼及十支腳 (二螯八足), 而將牠們歸屬於動物分類系統中的節肢動物門、甲殼綱、十足目。所以具有堅硬外殼的蝦蟹類又稱為「甲殼十足類動物」。
十足目所包括的種類，如日常見到的蝦、蟹，其形體大，經濟價值高，在水產經濟中占有相當重要的地位，因此成為人工養殖的對象。這些甲殼十足類的成員又各有不同的腹部特徵，因而在十足目之下的傳統分類系統中，螃蟹與蝦子、龍蝦和寄居蟹又被分成三大類，即：腹部萎縮退化成相當扁平，並向下反摺緊貼到頭胸甲腹面，從背面常看不到腹部的是短尾類 (螃蟹), 有長圓筒形腹部的是長尾類 (蝦子及龍蝦), 腹部介於螃蟹與蝦子之間，並歪向身體一側的是異尾類 (寄居蟹類)。
淡水蝦兵蟹將知多少
全世界的蝦類目前已知有 3,700 多種，臺灣經過積極調查研究後，目前共發現至少有 350 種蝦子，其中經年棲息於淡水流域的淡水蝦，已知有 33 種。
長臂蝦科與匙指蝦科的蝦兵皆屬真蝦類，又稱小蝦類。真蝦類活動以爬行為主，游泳能力較差，所以腹部比斑節蝦等對蝦類細小。
長臂蝦科的步足前兩對有螯鉗，後三對爪狀。第一對步足的螯很小，用來鉗住食物；第二對非常粗大，沼蝦尤其特別，往往超過身體長度，用來攻擊或防衛。長臂蝦的個體較大，常是山產店溪蝦的來源。
匙指蝦科個體遠比長臂蝦迷你，所以俗稱米蝦。米蝦個體小，在臺灣的產量無法達到市場經濟需求，一般做為觀賞魚缸的活餌。米蝦前兩對步足也呈前螯狀，螯的兩指內面凹陷，略呈匙狀，故名匙指蝦。匙指末端有刷狀叢毛，是括食藻類的利器。
蛄科屬螯蝦類，是爬行的蝦類。圓筒狀頭胸部很大，額角三角形。第一對步足呈螯狀，相當粗大。第二、三對步足細小，也呈螯狀。第四、五對呈爪狀。
螃蟹的種類較蝦子多，世界已知超過 5,000 種，臺灣已記錄的種類至少 550 種，其中棲息於淡水流域的淡水蟹有 37 種，分屬溪蟹科、束腹蟹科與方蟹科。
挖洞逐水草而居的生態習性
蝦類的棲息環境因種類而不同，如沼蝦經常生活於淡水湖泊、溪潭、水庫以及江河的水草叢中，大多在水深 1~2 公尺處。而米蝦則喜生活於河、池岸邊的水草中，以及一些水流清澈的山澗溪流中。
蝦類的食性很雜，如沼蝦常食用藻類、植物碎片、泥沙中的細菌、有機碎屑，也食用各種水生動物的屍體或捕食底棲的小型無脊椎動物，偶而也捕食浮游生物。而米蝦大多為草食性，多刮食一些藻類。
淡水蟹的生活區大都和溪流、石塊有著不可分的關係，因此通稱為溪蟹或石蟹。這些小蟹最大不過長 50~60 毫米，最重可達一兩多 (70 克), 殼厚而肉少，沒有多大的食用價值。
淡水蟹大都分布於熱帶地區，並擴展至亞熱帶及溫帶地區，其生活環境隨種類不同而有差異。河川及山澗小溪，或是有淡水滋潤的山林野地，都可成為淡水蟹的理想棲息地，因此淡水蟹的蹤跡廣布臺灣全島，從陸地邊緣的海岸至海拔 2,000 公尺的高山都可發現。尤其水源終年不斷，人跡罕至，又有林木遮蔽的溪澗上游，更是容易發現。山溝小溪匯集到中、下游，水底及岸邊常有分布不勻、大小不等的鵝卵石或不規則的石塊，都是淡水蟹適宜的棲息地。特別是在溪流轉彎和溪邊水流緩慢的石塊下和石縫間最為集中，如黃綠澤蟹與蔡氏澤蟹。有些種類，如臺灣束腰蟹、臺灣南海溪蟹，集中在河、湖、溝、渠的岸邊及稻田畦埂上打洞穴居。
淡水蟹耐旱性較蝦子強，通常在無食物無水的情況下可活 3~4 日。平時並不長久浸埋在水裡，而是在水邊或潮濕處營半陸生生活，當春夏兩季水勢太大時，也會忍受不了大水的沖刷而向兩岸逃竄。白天，尤其在炎熱的季節，大都潛伏石下或洞中不動，而在日落後天氣涼爽時，才在夜晚出外活動覓食。淡水蟹雖為雜食性，但偏向於肉食，喜食魚、蝦、昆蟲、螺類等，也嗜食腐爛腥臭的動物屍體；有時也會吞食同類，特別是攫取剛蛻殼的軟殼蟹。除了吃肉類外，也吃水生植物及植物的種子或落葉。
抱卵孵化而各顯神通的繁殖策略
雌性蝦蟹排卵經過儲精囊受精，受精卵就黏附在腹部的腹肢剛毛上，稱為「抱卵」。受精卵經過半個月左右的抱卵期保護後孵化。繁殖所需過程因種類不同而有不同的策略，有的終生固守家園，有的將大海做為育嬰場。
淡水蝦蟹，顧名思義是棲息在淡水流域的蝦兵蟹將，然而由生活史來看，有的種類終生生活在淡水溪流，不與海洋打交道，缺乏幼體的海洋浮游期，即所謂「陸封型」種類。有的種類的幼體階段需降海完成變態，或親蟹必須降海孵化下一代，讓幼體在海洋度過浮游期，這一類稱為「降海型」或「河海兩側洄游型」, 歸屬於海洋型種類。
以螃蟹的孵化幼體方式來做區分的話，可以將終生不受海洋支配的淡水蟹、必須下海繁殖下一代的淡水蟹、陸蟹與終生棲息於海洋的海蟹，再簡化分成真正的淡水蟹 (陸封型) 與海洋型蟹類兩大類。
陸封型淡水蟹的繁殖策略與海洋型蟹類差異極大，這是長期演化及適應環境的結果。陸封型淡水蟹，產卵數少，卵粒大，卵直接孵化出幼蟹由親蟹保護，具有護幼習性。這樣的繁殖策略在演化生態學上是屬於「精兵政策」──K 型選擇。溪蟹科與束腰蟹科共 33 種都屬於這類型。由於陸地間有海洋阻隔，陸封型淡水蟹又少了像海洋蟹藉著浮游幼體期擴大基因分布交流的機會。加上各溪流水系間有崇山峻嶺阻隔，都是淡水蟹分布的天然屏障，不同水系間很容易出現不同的種類。所以因地理條件長期隔絕的結果，陸封型淡水蟹大多呈地方性種類，即科學研究上所謂的「特有種」。根據目前資料顯示，這 33 種淡水蟹都是臺灣的特有種。
方蟹科的兩種毛蟹 (臺灣絨螯蟹及日本絨螯蟹) 和字紋弓蟹 (俗稱扁蟹), 雖然大半生棲息成長於淡水溪流，卻需要降海繁殖下一代，是屬於海洋型種類。海洋是海洋蟹的育嬰場，剛孵化的幼苗是行浮游生活的蚤狀幼體) 和大眼幼體，在變態成小螃蟹之前，必須隨海水漂流一段時期，從海水中獲得成長所需的餌料，也藉著海流的漂送而分布至其他地方。這類以海洋為後代搖籃的螃蟹，親代照顧後代的責任只到幼苗孵化的那一刻為止。為了分散幼苗而把牠們托付給海洋，讓牠們在隨波逐流中自生自滅。
海洋蟹每次都產很多卵，抱卵時都大腹便便。隨種類個體大小不同，產卵數從數千個至數十萬個都有，但卵的直徑大小一般均小於 0.5 公釐，憑你我的肉眼，並不容易分辨清楚。小而多的卵孵化後，絕大多數幼苗在漂浮的階段，根本來不及長大，就已經成為其他海洋生物的食物了。因此可以說，海洋型種類是採取「卵海戰術」──R 型選擇的繁殖策略，只要有少數的下一代能順利成長，就可延續族群香火。不過藉由浮游幼體期擴大基因的分布交流結果，容易形成廣泛分布種。
海洋蝦類孵出的幼體在海洋中行浮游生活，其浮游期因種類而異，短者數星期，長者需時半年左右，如龍蝦。經年棲息於淡水域的淡水蝦，其中只有少數種類可以終生生活在淡水中，大多數種類的幼體時期必須在海洋中完成變態，即母蝦在原棲息淡水域交配、抱卵，屆孵化時，在原棲息處或洄游至下游將幼體釋出，幼體順流漂游至具鹽分的河口或沿岸行浮游生活。多數的沼蝦及米蝦幼體釋出後約經 8~11 次蛻皮 (殼), 行浮游生活近一個月時間，才能完成變態過程。這類型的產卵數較多，卵徑較小。少數種類，如粗糙沼蝦及多齒新米蝦，剛孵出的幼體即能在水中爬行，也能游泳和攝食，經 2~3 次蛻殼，歷時 5~6 天就可完成變態過程，完全不經浮游生活的階段，即發育為近似成蝦的外觀。這類型的產卵數較少，卵徑較大。長臂蝦科的秀麗白蝦與粗糙沼蝦，匙指蝦科的臺灣米蝦、擬多齒米蝦、鋸齒米蝦和多齒新米蝦屬陸封型種類。
俗稱美國淡水螯蝦的克氏原蛄與淡水蟹一樣有護幼的習性，孵化出的幼體很像母蝦，尚需附於母體腹肢上生活一段時期，才離開母體營獨立生活。
淡水蝦的產卵期因地區而異，一般從春季到秋季均為產卵季節，卵附著在母體的游泳足上。卵在發育初期顏色較深，呈黃綠色，在發育過程中顏色逐漸變淺。4~9 月份的春夏季是淡水蟹的繁殖季節，其繁殖季節的長短因種類不同而有差異。
到底那一種生殖策略最有利，只有靠生物本身去尋找，而一經選擇，可能就此走向演化的不歸路。
蝦兵蟹將的命名學問大
科學研究報告上給新發現的動植物命名，就像為人父母給新生兒取名字一樣，各有需要遵循的風俗規範，滿懷喜悅中不得不費心傷神一番。而動物分類學所必須遵循的是歷經數十年修訂、彙集眾家智慧而成的「國際動物命名規約」。根據這一規約，給每一種動物取學名時，所用的文字必須是拉丁字，或是已拉丁化的文字或字母組合。所以不論是用標本發現地 (地理名稱)、專有名詞，或動物本身的形態特徵、體色，甚至生態習性來給新發現的動物取學名，所用文字最後一定要轉譯為符合規約的拉丁化名稱。
學名是由斜體字的屬名與種名 (又稱種小名) 兩部分組成，其中屬名的開頭字母要大寫，學名之後接著作者姓氏，可以指明命名者是誰，最後加上的年代用來表明描述出版的年份。以長臂蝦科沼蝦屬的邵氏沼蝦為例子，牠是在 2001 年才由 Cai (新加坡大學蔡奕雄准博士) 與 Jeng (中央研究院動物所鄭明修博士) 共同描述發表的沼蝦屬新種，所以完整的學名是 Macrobrachium shaoi Cai and Jeng, 2001。學名有時會省略年代只列出 Macrobrachium shaoi Cai and Jeng。
筆者曾經遇到有人因整齊劃一的理由，而將完整學名中的命名者與年代統一冠上括號或全部取消括號，其實命名者與年代是否被冠上括號，是有很大的差別。有括號代表命名者當初所用的屬名，因其他作者 (甚至命名者本人) 有新發現而將該物種歸入別的屬中，屬名雖然經過這樣的變更，為了尊重維持原命名者的貢獻，就將命名者與年代冠上括號，以示區別。命名者與年代被冠上括號的實例，如多齒新米蝦 Neocaridina denticulata (De Haan, 1844), 原來作者在西元 1844 年是以 Caridina denticulata 發表這一新種，後來這一種被日本學者久保 (Kubo) 在西元 1938 年歸入 Neocaridina 這一屬，屬名就在這種演變下跟原來不同。如果這種變更不只一次，只要原命名者所命名的物種確實存在，則他的貢獻依然會受到尊重，這就是科學倫理的可貴，我們絕不能輕易抹煞或誤解。
實際用法上，學名經過拉丁化後，對於拉丁文或命名規則不熟悉的大多數人來說，如果沒有參閱科學原始報告，或作者在命名的原始描述著作中缺少命名語源的解釋，那麼有些動物名稱，尤其是以人的姓氏來命名的部分，將難以理解其背後的用意。
種小名的語源取自地理名稱 (產地地名)、形態特徵或體色，在翻譯成中文名後，一望即知其用意，而姓氏部分如郝氏沼蝦、拉氏清溪蟹、邱氏澤蟹、宮崎氏澤蟹和王氏澤蟹等，如無查閱原始文獻，很難知道各姓氏所代表的是何等重要人物。如前述的卲氏沼蝦的種小名 shaoi, 即是用邵姓來命名，透過原著作者的說明，就可清楚了解是為了感謝中研院動物所所長邵廣昭教授在該篇報告研究過程中的支持與協助。
另外，王氏澤蟹 (Geothelphusa wangi Shy, Ng and Yu, 1994), 一查閱原始描述報告的語源，即可得知是以臺灣省立博物館 (精省後改名為國立臺灣博物館) 王嘉祥先生的姓氏來命名，原來該種的模式標本是由王先生採集自宜蘭縣的棲蘭，並提供給作者描述發表，因此有投桃報李的意義，再加上王先生近 20 年來致力於螃蟹的研究，真是名符其實。
宮崎氏澤蟹 (G. miyazakii Miyake and Chiu, 1965) 及邱氏澤蟹 (G. chiui Minei, 1974), 這兩種也以人的姓氏命名。宮崎氏是九州大學醫學部寄生蟲學系的宮崎一郎教授，而邱氏即臺灣大學醫學院寄生蟲學系邱瑞光教授，兩位教授都是從事寄生蟲研究的學者專家。為什麼這兩種溪蟹扯上兩位寄生蟲醫學專家？邱教授早年廣泛進行臺灣蟹類感染肺吸蟲的調查工作時，將採集到而無法確認種類的標本求助於日本九州大學的蟹類專家三宅 (Miyake) 教授及嶺井 (Minei) 教授，經鑑定為新種後，邱教授參與宮崎氏澤蟹的新種發表報告，以宮崎氏命名的目的是為了感謝宮崎教授在寄生蟲研究方面的指導；而邱氏澤蟹在峰井的原始報告中是以邱教授所採集的標本作為正模標本，為何要命名為邱氏澤蟹，嶺井在報告中並未做交代，也許是感謝邱教授提供標本吧！這一段歷史可說是寄生蟲研究學者給蟹類分類研究方面做了額外貢獻的最佳紀錄。
公共衛生學的大問題
在肺吸蟲等淡水寄生蟲的曲折生活史中，以淡水螺類為第一中間宿主，淡水蝦蟹為第二中間宿主，人們吃了帶有肺吸蟲囊蚴的淡水蝦蟹，就會得肺吸蟲病。在文獻上，日本沼蝦、克氏原蛄、拉氏清溪蟹、宮崎氏澤蟹、邱氏澤蟹和日本絨螯蟹等，都有肺吸蟲之類的感染紀錄，而感染宮崎氏澤蟹的肺吸蟲有兩種。因此，為了避免病從口入，絕對不能吃未經煮熟的淡水蝦蟹類。
資源永續利用談保育
蝦蟹這些大型甲殼動物，在生命繽紛的生態系裡，扮演多彩多姿的角色，大量繁衍的幼體是許多海洋魚類或其他水生動物的良好天然餌料，更是生物教學的好材料，以及鄉土生態觀察的好對象。臺灣地區 (包括澎湖、綠島、蘭嶼、小琉球與龜山島等) 有這麼多種的蝦蟹，可說是大自然賜給我們的珍貴資產。
然而，與許多其他野生動物一樣，蝦蟹也面臨不少的生存危機，對蝦蟹這些主要是底棲性的爬行動物來說，棲息地被破壞是最嚴重的威脅。除了颱風地震等天災外，人禍更是持續不斷。例如，高度污染的河口與高聳的大壩，會無情地阻斷毛蟹和降海型蝦類等幼苗溯溪成長的去路。另外，生活在高山溪流至平原農田間的陸封型淡水蝦蟹，也飽受森林水土保持不良、興建水壩、河堤與灌溉溝渠水泥化、濫用農藥，以及工廠排放廢水污染河川的威脅。嚴重的話，族群難以恢復舊觀，甚至滅絕。
原產於美國西南部的美國淡水螯蝦，被不當引進後，憑藉著挖洞穴居與抱子護幼的優勢競爭習性，已普遍存在於臺灣的淡水流域，對臺灣原產的淡水蝦兵蟹將構成外來種的威脅與隱憂。很明顯的，這些威脅都是來自於人類。為了我們人類自己，也為了整個自然界，我們應該讓蝦蟹資源能永續地流傳給我們的後代子孫，如此才能讓蝦蟹更完整地發揮其生態上所扮演的角色，這就有賴於大家真心地了解與珍惜牠們了！ |
棒球專題(四):棒球轉播的分析,用數據掌握球路 | 此圖為投球測定器在球場中的架設相關位置。(圖 / 運動觀網站)
投球測定器，掌握球路資訊
在看棒球比賽時，我們常常可以看到投手所投出的球路分析、進壘點和球速測量等數據與軌跡圖。這些分析都是靠著一套由美國運動觀 (Sportvision) 公司所研發與維護的系統 —— 投球測定器 (PITCHf/x) 完成。
投球測定器是一套架設在球場，包含 3 架 60 赫茲相機的系統。它會記錄球從投手丘到本壘板間的軌跡與速度，因此提供投手的最快球速與球路的分析，它同時也可以計算馬格納斯力對球的影響數據。
這套系統的出現，為每場比賽增添了下列新的數據資料:
球投出的起始速度：從球的出手點計算球速，也就是場邊雷達槍所測量的速度。
球進壘的速度：球在本壘板上方的速度。
打擊球員的擊球區域：根據棒球規定，測量球員腰帶的位置，並由操作人員往上下增加 4 英寸。
球的移動軌跡：在不考慮球的旋轉下，紀錄球從出手點到進壘點間的垂直與水平行進軌跡。
進球點：記錄球在本壘板上方的左右位移距離與高度。
投手丘資訊：記錄球在投手丘的位置，包含左右位置、高度與投球點至本壘板間的距離。
每秒資訊：記錄球在三度空間的行進過程中，每 1 秒的速度與加速度變化。
軌跡變化：從球的出手點到進壘點間畫一條直線，比較球實際軌跡與該直線差異產生的距離，以及垂直與水平的角度。
新功能：在 2008 年，投球測定器又研發出記錄投球時間、地點的格式，和判定球路的功能。
透過投球測定器，我們可以在比賽中看到各項數據的統計，此圖為顯示投手相關數據的模擬圖。(圖 / 運動觀網站)
野手測定器，紀錄野手行動
此外，運動觀在 2010 年也研發出 1 套新的系統 —— 野手測定器 (FIELDf/x)。這套系統是由 3 架相機以每秒 15 連拍的速度，為野手進行紀錄。這套系統最主要的目的是計算每一位野手在球飛行的過程中，其移動的距離、方向與速度，這與投球測定器主要記錄打擊者與投手行動的功能有所不同。但是野手測定器仍有一些問題需要克服，最主要的問題就是數據資料的篩選。野手測定器的紀錄包含了每位野手球員移動的龐大資料。若投球測定器的記錄時間是每一球投出至打擊出去的這段時間，但是野手測定器的記錄時間則是整場比賽。
若是以數字呈現，那麼每場比賽投球測定器所獲得的資料大約是 250 球的紀錄，但是野手測定器的數據則會高達 100 萬筆。因此，野手測定器需要額外的系統來處理這些資料，數據分析人員在分析技術的運用上，也會有不同的要求。
野手測定器帶來的另一個衝擊就是對球團與球員的影響。這些數據的釋出，讓球團的球探與分析人員的工作備感壓力。數據的公開代表著其工作的被取代性提升，越來越多分析人員可以取得這些數據，獨立進行分析，這會影響到這些球團組織在資訊取得與應用上的利益。此外，野手測定器也讓球團能以數據來分析每位球員的能力，並向球團提供每位球員歷年來的成績與數據，以此作為商議薪水的標準。
各測定系統結合，數據整合分析
此為打擊測定器分析打者習慣的模擬圖。(圖 / 運動觀網站)
此為投捕指揮測定器模擬投球進壘時的 3D 模擬造影。(圖 / 運動觀網站)
除了上述兩種系統外，運動觀也運用投球測定器和野手測定器系統所得到的數據，衍伸出球探偵查系統 (SCOUTf/x)、打擊測定器 (HITf/x) 與投捕指揮測定器 (COMMANDf/x) 等數據。球探偵查系統運用投球測定器的數據對球員進行比較與分析，例如哪個球員的球速最快、整季的平均數據與球種的選擇等。球探偵查系統已經於 2008 年正式結合其他系統的數據，進行比賽中的即時更新。
打擊測定器是另外一個運用投球測定器數據的系統。正如其名，這個系統主要是根據球員的擊球點、揮棒速度、擊球仰角和飛球方向，來對打者進行分析與評價。
投捕指揮測定器也是結合了投球測定器和野手測定器的數據，但是這個系統偏重在投球與賽局的綜合評估。投捕指揮測定器是對球進入捕手手套的位置進行 3D 的造像。這項分析的主要特色在於針對投手與捕手對於球路選擇的決定進行分析，無論該球是投手還是捕手主導之決定。這個系統已經在 2010 年開始進行每一個投球數的記錄。
責任編輯：高涌泉 | 國立臺灣大學物理系
王名儒 | 國立臺灣大學物理系 |
進擊的巨量資料(Big Data) | 現今資料爆炸的時代，究竟 Big Data 具有什麼魔力，能夠讓大家如此瘋狂著迷。最早大家耳熟能響的例子就是「啤酒、尿布、星期五」, 早在 90 年代美國知名零售商分析過去民眾的購物行為，發現星期五晚間尿布與啤酒高度相關的銷售連帶關係。經過市場調查，發現婦女們常會在星期五提醒先生下班後要順路去幫孩子買尿布再回家，同時先生也會順手帶個幾罐啤酒歡度週末。這類的「購物車分析」, 替零售商製造了很多行銷手法，並且提高了許多營業額。
巨量資料關切的核心，不在於彼此間因果關係而是相關性。利用資料之間的統計關係加以量化，兩者之間關係性越強，意味著其中一個值有所改變另一個值就極有可能也跟著改變。2009 年谷歌 (Google) 透過蒐集民眾最常用使用前五千萬個搜尋字眼，找出和流感傳播的時間、地區統計上的相關性，嘗試了高達 4 億 5 千萬種不同的數學模型，再與疾管局在 2007 年與 2008 年的實際流感病例加以比較，即時的掌握了 H1N1 流感疫情。
我們每天無時無刻都在製造大量的資料，例如：收發 e-mail、用悠遊卡搭大眾交通運輸、透過 ATM 領錢或轉帳、走進賣場刷卡購物、拿起手機打電話傳簡訊、利用網路搜尋資料、甚至走在路上經過監視器... 等等。根據統計，光在 Facebook 上一天就有 25 億分享的內容條數、27 億「讚」的數量、3 億上傳照片數，在一天當中全球人類製造出來的資料量高達 25 億 GB, 同等於要用 4,000 萬台 64GB 的 iPad 才裝得下的巨量資料。
Big Data 能夠讓亞馬遜 (Amazon) 準確地推薦用戶最想看的書、LinkedIn 能夠猜出我們認識些什麼人、Netflix 能夠有自信地保證推薦影集一定大賣、歐巴馬競選團成功舉辦募款餐會籌集大量競選資金且預測選情獲得連任，以及 IBM 推出華生 (Watson) 機器人，協助醫生做出治療建議，減少疏忽縮小判斷誤差、降低醫療糾紛。Big Data 已經滲透到各式各樣的領域，無論在醫療、政府、教育、經濟、人文、或是其他各方面，生活中的每分每秒都正在源源不斷創造「巨量資料」, 然而透過數據的分析，做有效的決策，才是巨量資料在科學和社會學上帶來的價值和其經濟效益。
好萊塢電影「關鍵報告 (Minority Report)」敘述未來世界發展出一套「未來行為檢測科技」(Future Attribute Screening Technology, 簡稱 FAST) 安全系統，可預知犯罪的技術。Big Data 時代的來臨，能先發制人在犯罪發生前提前阻止，已經不再純粹只是幻想罷了。9 月 10 日是「世界預防自殺日」, 根據世界衛生組織報告，全球約每 10 萬人有 14.5 人自殺死亡，研究數據指出自殺的人有 63.5% 患有憂鬱症，憂鬱症已是全球第 5 大疾病，預計到 2020 年將躍升到第 2 位，但僅 9% 的人在自殺前曾到精神科或心理諮詢機構就診。未來或許也能夠利用巨量資料的分析，提早發覺憂鬱症患者的自殺傾向，及時挽救更多寶貴的生命。Big Data 的發展，能夠創造出無可限量的價值。
參考資料
http://techorange.com/2013/05/23/netflix-use-big-data-to-find-what-user-wants/
http://www.circle.tw/trend/clickforce-bigdata-1.html
http://www.nownews.com/2012/08/26/10846-2847782.htm
http://www.epochtimes.com/b5/13/8/24/n3948442.htm
http://news.chinatimes.com/mainland/17180504/112013091100456.html |
事故衝擊下的車流 | 現代人對交通系統的依賴非常大，許多人在出門前都會參考相關的交通資訊，以抉擇適當的交通方式，探討各種狀況下的交通管理與交通控制的領域也應運而生。
在交通運輸研究領域中，過去多是針對沒有事故狀況下交通問題的研究，例如匝道儀控、號誌控制、高速公路的電子收費等。至於交通事故造成的衝擊，雖然實務上大家都知道很重要，但由於變因相當多，目前的研究很難全面統整至一個模式中探討，因此至今論文不多，有很大的發展空間。
交通大學交通運輸研究所許鉅秉所長體認到事故衝擊在交通運輸上的重要性，嘗試挑戰這冷門的困難課題，期望藉由良好的交通管理與交通控制方式，讓事故的衝擊降到最低。
傳統車流理論認為，駕駛者的駕駛行為會受到與前方車輛的相對距離、相對速度，以及前方車輛的加減速行為的影響，但是根據這樣的理論來解釋事故下的交通現象，是不合乎實際狀況的。試想當旁邊車道前方發生事故時，傳統理論會認為自己車道完全不受影響；但是有經驗的人就知道，駕駛人會因為目擊事故而有所反應。
許所長最近的突破性研究，就是在傳統過於理性的駕駛行為模型中，加入了心理層次的影響。他把駕駛人見到意外時的心理壓力、恐懼、好奇、駐足觀望等都納入，同時利用量子力學中對物體在空間位置出現的不確定性的機率概念，來表達物體出現的位置如果落在視覺焦點上，或處於邊緣的位置，對心理造成的感受不一，而引起不同的行為反應。
藉由量子力學中機率的概念，許所長成功建立了融合心理、生理、路況等因素的駕駛人對交通事故意外的反應模式，並且以 Paramics 模擬器產生的資料，說明了這理論可以成功地解釋許多事故意外情況。
這樣極富創意的嘗試得到滿意的結果後，許所長把它投稿到 Physica D 期刊，評審回來的意見恰是二極端：一是典型物理學者對這研究嗤之以鼻；另一位應用物理學者則盛讚這論文的研究價值，不僅在交通實務上有其貢獻，對量子力學應用面的擴大也有貢獻。這篇論文在 2006 年 5 月投稿，最後終於在 2008 年 2 月登出，顯示如此創新的研究方式，在經過學術社群的嚴格評審下，終於被物理學界接受。
許所長期待這方面的研究如果能更深入，則未來智慧型車輛的自動駕駛，將能針對各種路況做出自動正確的反應，而讓未來的交通更方便也更安全。不過目前整個環境建構還不夠完善，只在模擬階段。將來在真正上市之前，需要結合汽車製造商、相關產業與政府的交通政策規畫，才能夠發展出提高運輸安全品質的交通智慧系統。
許所長的主要研究多在交通運輸領域，但是他的核心思想在於：人的決策行為是源自於感官 (眼、耳、鼻、舌、觸覺等) 收到外界刺激，綜合之下產生的結果。他現在只是從視覺出發，以後還可能發展到其他感官介面。另外，他也把目前的「視覺刺激 — 行為」的模式，應用在行銷等其他方面的理論上。
許所長的研究興趣很廣泛，不過他的主力仍然在交通運輸領域，尤其當他在緊急救災關頭被徵詢物流運輸的意見時，會更確認這些研究對社會貢獻的重要性。至於其他主題的發揮，只是代表他在不同領域中對「吾道一以貫之」的嘗試。 |
致命的美味:虱目魚的組織胺中毒 | 當魚體因為保存不當遭細菌污染時，便容易產生組織胺。圖片提供：Bernard Spragg.NZ。
2015 年 6 月新聞報導有三位婦女食用「虱目魚粥」後，引發嘴麻、頭暈、出疹的類似過敏症狀。從三人吃過的共同食物研判，中毒來源是虱目魚，原因是魚類保存不良產生「組織胺」所致！類似案例很多，例如：台灣最早發生虱目魚中毒的報告是在 2006 年，有三位民眾食用攤販自製的「虱目魚乾」後，引發類似過敏的組織胺中毒！經筆者檢測後得知該檢體中含有高達 616 ppm 之組織胺，證實本次食物中毒是魚乾含有高量組織胺所導致。另外，在 2012 年發生某高中的營養午餐，爆發超過兩百位師生發生噁心、嘔吐、臉部潮紅、發癢、發疹等過敏反應症狀，經南市衛生局調查後，推測禍首為「油炸虱目魚柳」所引發的組織胺中毒事件。無獨有偶，2014 年 9 月，某國小亦發生學生食用油炸虱目魚柳後，引發組織胺中毒事件。隨後，經由衛生單位與筆者研究室檢測留存的二件魚柳檢體後，發現分別含有高達 866 ppm 與 2350 ppm 的組織胺，因此確定中毒事件是因為魚肉中含有高量組織胺所引起的。組織胺於美國食品藥物管理局規定魚類產品中組織胺限量標準是 50 ppm。
人們因工作忙碌沒有時間處理新鮮全魚，促使虱目魚加工業者除了開發傳統的無刺虱目魚肚外，另外將虱目魚脊椎兩側靠近魚肚處，經人工處理刮除後則為「無刺虱目魚柳 (條)」。由於虱目魚柳的部位沒有魚刺，為長條型、大小均一，因此非常受到餐盒業者與營養午餐供應商喜愛，常被作為營養午餐與便當店的魚排原料。如何預防組織胺超標是相當重要的食安問題。2015 筆者最新研究發現魚肉中含有高量組織胺的原因，主要是引起中毒的嫌疑魚種魚體內含有高量游離組胺酸。當魚體因為保存不當遭細菌污染時，細菌會產生組胺酸脫羧酶，把組胺酸脫去一個羧基後，便會產生組織胺。一般認為生產組織胺的細菌是由污染而來，常見的相關菌屬有腸內桿菌科的細菌如大腸桿菌屬、桿狀菌屬、假單胞菌屬、沙門氏桿菌屬、鏈球菌屬等。
為有效防止組織胺中毒事件的發生，簡述下列幾項防範措施：(1) 避免汙染：應避免或減少魚體在地面拖行造成的細菌汙染，並加強魚市場或加工廠處理環境的清潔、消毒與改善員工個人的衛生。(2) 低溫貯存：捕獲後的魚類應立即低溫冷凍貯存，分切後之魚肉盡量以碎冰降溫與適當的清洗殺菌，盡速包裝後冷凍貯存。(3) 注意解凍方式：解凍時避免常溫下長時間解凍，宜以低溫或乾淨流水加速解凍，或者於冷凍狀態下進行分切處理。筆者希望大家多吃新鮮虱目魚，並注意魚類保鮮，可以讓食材更健康，民眾吃得更安心。(感謝科技部補助「新媒體科普傳播：健康醫藥新媒體科普傳播實作計畫 III, MOST 104-2515-S-214-001」。)
責任編輯：王秀育
審校：王英基，黃耿祥 |
大數據專題報導(五):提昇大數據可信度,統計學用機率和抽樣優化分析模型–專訪典通公司總經理楊雅惠 | 大數據如果要化為能在市場上提供服務的產品，除了在要科技上持續突破，也需要能解決真實世界中的消費者、企業或政府決策者、等等不同使用者的難題。
典通股份有限公司多年來以民意和市場調查為主要經營項目，隨著大數據的興起，典通也轉投資新公司「Dataa」- 浚鴻數據開發股份有限公司，以典通厚植的市場研究經驗為基礎，提供大數據解決方案。他們建議客戶，大數據和傳統民調不可偏廢，兩者應該扮演相輔相成的效果，這是為什麼？輿情分析和民意調查，兩者相輔相成
成功的大數據服務商業模式，就如同過去股民手上拿的股票機一樣，廠商把上千支的股票資料進行分析，最後推薦用戶哪幾支股票的表現值得推薦。而在這個媒體發達、資訊爆炸的時代，公眾人物、公關從業者或是需要了解民意方向的地方首長，都需要了解大眾現在最關心的新聞是什麼？態度是正面是負面？哪些媒體對自己比較友善？這些運籌帷幄的智囊，如今都存乎於像典通這樣的公司提供的輿情分析服務中，一切的關鍵在於解決使用者的需求和問題。
但典通的總經理楊雅惠單刀直入地說，如果單純爬梳網路上所有論壇和社群媒體上的意見就直接做出情勢判斷，是存在風險的。「不是所有的人都會在網路上發言，而我們正在分析的這些網路發文，會不會北部人遠多於南部人？會不會高學歷者多於教育程度偏低者？會不會除了少數意見領袖之外，還有太多的網友只有『潛水』瀏覽、而沒有發表意見？」為了確保輿情分析的結果能夠具有代表性 (換言之，等於參考價值), 楊雅惠主張過去的抽樣調查也必須同步進行，作為判讀輿情分析結果的輔助。
以典通自身為例，一方面透過內建的會員平台進行民調施測，由於平台不對外開放，得以控制會員年齡、性別、地理區域等特性分布的均質性，避免開放式民調平台無法控制同一人重複填答的問題。另一方面，典通也以傳統的電話訪問調查年齡層偏高的族群，以有別於出生長大都在網路發達環境的「網路原生代」。雖然樣本相對少，然而嚴謹確保代表性的做法，卻能夠和利用大數據進行輿情分析的結果互相參照、相輔相成，「如果兩者的顯示結果落差很大，那麼就值得深入研究其中蹊蹺。」
資訊工程和統計分析結合，同時洞悉趨勢和掌握因果
本身是統計學專業背景的楊雅惠從學門的角度分析，認為大數據以資訊工程和演算法為領頭，目標為「快」和「廣」, 如何解釋因果關係反而不是重點。「例如我們的客戶中有產險公司，希望能夠建立一套如何判定『拒絕誰來投保』的機制，所以重點是從過去累積的海量資料中分析出規律，最後的結果很可能是費人思索的，例如身高體重等等無法立刻得到解釋的各種變數。但在此情況中，得知因果並不如準確洞悉大趨勢來的重要。」
但在其他情境很可能就恰好相反了，以醫療領域來說，確認因果關係就非常重要，也需要更多特定領域的專家加入分析判讀。而統計學以機率為基礎，雖然運算方式較為複雜，使得運算速度不如以「0 和 1」為邏輯的演算法來的快速，但更能深入研究因果關係。「時至今日，其實我們利用 R 語言建立迴歸分析，矩陣演算的速度也已大幅提昇。」楊雅惠細細解釋，當我們談到模型時，一是指產生統計指標的函數模型，二則是指整合不同統計指標、產出一個立體象限的決策模型，後者更靠近客戶直接做出決定的端點。
雖然如此劃分兩種學門擔當的角色，楊雅惠認為兩者之間並非對立的關係。「大數據可以解決資料端的問題，統計分析則能在尋求因果解釋時突破片面，兩者互補合作，是對於客戶較為完整的解決方案。」在商業應用的世界中，一切終究需要回歸到客戶的需求：當科技和新技術持續推陳出新，哪些能夠為客戶的問題帶來解決方案？提昇數據代表性，統計也能優化輿情分析模型
話說回輿情分析，難道「大」數據就沒有精緻化的可能嗎？其實透過深入研究大眾在網路上發表意見的行為模式，可以在分析過程中持續調整權重、減少代表性偏差、優化分析模型。舉例來說，如果同一個發言者連續且大量發言，這種情況就需要調降其權重，避免分析時擴大了單獨一個人的重要性；同樣的，發文者是一般大眾？意見領袖？還是試圖影響輿論的媒體？這些角色如果能分離，也能得出更細緻準確的分析結果。
在正評負評的情緒分析中，可以透過分析一般人使用語言的習慣，找出除了統計正負面的詞語數量之外的分析方法。例如同樣一篇文章標題，後面接的是問號還是驚嘆號，想要傳達的立場可能就完全不同。而許多媒體報導可能為了力求中立，在文章前半段平鋪直敘，直到最後一段才直抒其意，因此文章中的最後一段權重調高，也有助於更良好的判斷網路輿論的正負評聲量。
個人隱私及未統一的數據標準，醫療資料價值服務尚有挑戰
醫療領域的大數據，和其他領域相比有什麼特性？專長在醫療資料分析的楊雅惠表示，最大的癥結點仍在於個資和隱私問題，使得醫療資料的商業模式雖然明確，但利用上仍有諸多挑戰。「例如遠距醫療在技術上已經變成可能，許多穿戴式智慧裝置也都能蒐集個人化的生理資訊，但醫事法規定，醫師必須見到病患本人才能做出診斷。」
楊雅惠表示，其實法令在今年已經有初步開放，在特定用戶同意的情況下，醫療服務的系統商可以介接健保資料庫的 API, 存取該特定用戶的健保資料，結合穿戴式智慧裝置記錄的個人生理資訊，協助判斷用戶的身體狀況並提供疾病警訊。
而「非個人化」的醫療資料分析其實已經存在，處於開放初期的健保資料庫，將去個人化的批量資料開放予研究單位，分析國人的健康趨勢。「資料庫會規範最細的分析單位，避免交叉分析造成個人醫療隱私的暴露風險。但可以研究各種預測疾病的模型，一旦個人化的資料到位，模型就能實現為多元的服務應用。」
目前除了醫療資料的隱私問題，另一個挑戰在於各家廠商所推出的個人化穿戴裝置規格不一，醫界對於如何採用這些裝置所記錄的生理數據尚無一致的標準。「例如現行的血壓計，醫界對於在什麼環境、什麼規格所測量出來的數據是否可信是具有共識的；然而現在各種新興的運動手環，可能還不足以成為醫生敢採信的正式醫療數據。」
從市場端的角度分析，楊雅惠認為掌握客戶需求，才能在資料之中問出好問題，進而做出具有代表性的數據分析。反而大數據的定義並不一定是筆數多，以基因資料庫為例，雖然人次不多，但每個人的基因蘊含的變數都很大，整體分析的複雜度也就會隨之提高。最重要的是，隨著機器設備和演算能力的進步、相關平台和工具出現開放的來源，研究大數據的門檻降低，有越來越多的小型團隊得以投入，即使不用昂貴的設備，也能共同開發大數據的未來。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫 - 智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)
責任編輯：鄭國威
審校：陳妤寧 |
保護珊瑚礁生態,重現繽紛海世界 | 墾丁是臺灣最大的珊瑚礁區，生態美麗豐富，吸引大量的遊客，因而造成許多人為破壞，使得生物數量逐漸減少。為了維護臺灣沿海地區的生態環境及永續發展，自 2000 年起，國科會補助國內學者進行墾丁長期生態研究。初步成果證實近年影響墾丁珊瑚礁最大的因素幾乎都是人為的，包括漁業活動、棲地破壞、遊憩活動及廢水排放。計畫總主持人中研院生物多樣性中心研究員邵廣昭先生說，藉由這一個開國內海洋長期生態研究先河的計畫，可以讓政府與民眾更了解海洋生態保育的重要性。
墾丁珊瑚礁海域長期生態研究，主要在探討環境因子與重要底棲珊瑚礁生物，包括浮游生物、海藻、海草、珊瑚、海葵與其他小型魚類的種類與生態功能間的關係。
研究成員之一的海洋生物博物館樊同雲研究員，監測墾丁 6 個地點 (萬里桐、出水口、入水口、跳石、香蕉灣及龍坑) 的底棲群聚動態，結果顯示近年來珊瑚覆蓋率呈現穩定和鑲嵌式的動態特徵。如在跳石海域 250 × 35 公尺的小範圍內，1995 年之前都是以分枝形軸孔珊瑚為優勢，後來環境惡化，同時受颱風重創，軸孔珊瑚數量急遽減少，發生海葵大量密集覆蓋在死亡珊瑚堆積的骨骸表面上的現象。
自 2003 年至今，可明顯區分為 3 個區域，軸孔珊瑚優勢區仍以軸孔珊瑚數量最多，但呈現減少趨勢；珊瑚復原區海葵消退，取而代之的是分枝形星枝表孔珊瑚數量快速增加而成為新的優勢種；海葵優勢區則仍以海葵數量最多，珊瑚幾乎沒有恢復跡象。
樊研究員的團隊也發現墾丁海域的 5 種孵育幼生型珊瑚，全年 12 個月都會釋放幼生，並且呈現不同的生殖策略。其中幾種珊瑚有明顯的月周期與日夜周期，在上弦月的小潮和日出前後是釋放幼生的高峰。
由於幼生已成熟而能夠快速著苗，並且著苗時會以光線做為選擇基質的線索，這樣的生殖時機具有減少幼生滯留於水體中而被捕食，或漂散至外海而無著苗基質的風險，以及促進幼生在親代分布的礁區著苗而加入當地族群等好處。這些成果對於珊瑚族群與群聚動態的了解，以及珊瑚礁資源的保育與經營管理都有重要的意義。
海草床是沿岸生物重要的棲息地，另一研究成員中興大學生命科學系林幸助教授，負責觀察墾丁南灣海域海草分布的差異。他比較泰來草與單脈二藥草兩種潮間帶海草的分布情形，發現泰來草分布在較靠近岸邊的地方，而單脈二藥草生長處水較深。海草床暴露在空氣中的時間長短會影響海草的光合作用能力，也決定了海草的分布範圍。而海水溫度與落山風是造成海草季節變化的主因，因此海草數量與葉片生產量的最高值通常出現在夏秋之間。
不過，對潮間帶影響較大的還是人為因素，過多遊客製造過量污水，排放入水中後就會提高營養鹽含量，造成沿岸優養化，附生藻類繁生，影響海草生長。林教授認為應該把與遊客相關的污水確實接管流入污水處理廠，才能有效減少污水中的營養鹽含量。
海洋大學海洋生物研究所黃將修教授負責觀察浮游生物與橈足類動物，他發現南灣海域橈足類的豐富度變化具有年周期性的演替，每年的 6 到 7 月是關鍵時期。不過橈足類生物在南灣海域的分布大致上呈均勻狀態，種類豐富度高。到目前為止，墾丁南灣珊瑚礁海域總共記錄了 211 種橈足類，黃教授相信隨著觀察時間的增加，橈足類的種類也一定會跟著增加。
邵廣昭研究員的研究重點，則是以燈光誘捕器及仔魚拖網採集仔稚魚，觀察仔稚魚群聚的時空分布變化。研究結果顯示仔稚魚的組成中以小型的蝦虎或三鰭 (魚尉), 或是非岩礁性的鯡、鯷及深海魚為多，和國外以中大型珊瑚礁魚類為多的情況明顯不同。邵研究員認為這是因為臺灣嚴重的「過漁」活動，特別是漁民獵捕太多珊瑚礁魚類，加上棲地的破壞與污染，造成魚類生物多樣性快速消失。
除了調查底棲生物種數與分布範圍的變化之外，研究計畫的另一個重點是環境因子資料的調查與研究。臺灣師範大學生命科學系陳仲吉教授負責長期監測南灣地區水質資料，多年來的研究結果顯示南灣水團主要由南海水與黑潮水的混合水所組成，藉由湧升流攜入大量的無機營養鹽進入南灣海域，加上季節性湧升強度的差異與環境因子的變化，是造成南灣地區浮游生物季節變化的主因。
研究結果也發現湧升流發生時水體中的浮游植物量會跟著減少，這可能是因為深層水湧升後稀釋作用導致的結果。不過陳教授也強調，這股湧升流對南灣海域繁盛的底棲生態系統的興衰有決定性的影響，確實的成因與機制則有待進一步的研究。
邵研究員說，根據林幸助教授進行生態系營養層模式的建構及模擬結果，影響墾丁沿岸珊瑚礁生態的最大殺手，應是過漁加上優養化的加成作用，這當然與墾丁地區每年湧進 3 百萬的遊客有關。
墾丁海域監測站和陸域的其他 5 處長期監測站最大的不同處，是陸域監測站都位於高山上，管制遊客人數容易許多。但墾丁是一處幾乎沒有管制的地區，未來也不可能完全限制或禁止人為的活動，因此墾丁海域生態系的長期監測研究就顯得相當重要，目前最應推動的工作是劃設保護區、落實經營管理、禁捕珊瑚礁魚、減少及取締污水排放。
他希望這個研究的成果可以幫助建立符合永續經營原則的墾丁海域生態旅遊，使墾丁珊瑚礁海洋生物多樣性能均衡發展，更希望能使近年來受到嚴重人為破壞的墾丁珊瑚礁海域，早日恢復過去的繁茂景象。
附錄
分枝形的軸孔珊瑚屬於造礁珊瑚，由於生長快速，群體分布的範圍可長達數十公尺，大量立體、堅固且隱蔽的結構成為許多海中生物的重要棲息空間。
海草床是沿岸生物重要的棲息地，水溫、暴露空氣時間及沿岸優養化都會影響海草生長。泰來草是臺灣地區沿岸最優勢的海草，多生長在珊瑚礁潮間帶及亞潮帶的緩坡處，目前除東沙島量多外，只在墾丁、小琉球、澎湖等地有零星的族群分布。 |
蛋白質的死亡之吻 | 蛋白質是基因的產物，被視為組成生命的基本材料。對任何生物體而言，蛋白質的生老病死都是非常重要的。迄今，關於蛋白質如何「誕生」的研究，成果相當多，至少有 3 次諾貝爾化學獎授予從事這方面研究的科學家。
例如美國加州的鮑林 (Linus Carl Pauling) 根據 X 射線繞射及電子繞射，闡明原子與分子鍵的結構，把化學鍵體系化，這些成就使他得到了 1954 年的諾貝爾化學獎。桑格 (Frederick Sanger), 一位英國劍橋大學的學者，發明了訂定鏈狀蛋白質分子末端的方法 - 二硝基苯法 (dinitrophenyl method,DNP 法), 對於蛋白質結構的研究有卓越的貢獻，因此獲頒 1958 年的諾貝爾化學獎。
裴路茲 (Max Ferdinand Perutz) 和肯德魯 (John Cowdery Kendrew) 也是英國劍橋大學的學者，致力於定出整個蛋白質分子的形狀。他們選擇肌紅素蛋白為對象，以 X 射線繞射研究它的形狀，發現它的聚胜肽 鏈本身會折疊成不規則狀，證明蛋白質除了彼此胺基酸序列不同外，它們的三度空間結構也會為了符合其生物功能而有所不同。以肌紅素蛋白為例，它的折疊就是為了能和氧氣充分結合。裴路茲和肯德魯兩人的球狀蛋白結構研究成果，使他們共同獲得了 1962 年的諾貝爾化學獎。
雖然蛋白質如何生成及其結構與功能的關係被研究的相當透徹，但關於蛋白質如何「死亡」的研究卻相對地少之又少。2004 年的諾貝爾化學獎，表彰的就是這方面的突破性工作。
瑞典皇家科學院諾貝爾獎評審委員會在 2004 年 10 月 6 日宣布，由 3 位蛋白質化學專家，分別來自以色列工學院的兩位生化學家傑哈諾佛 (Aaron Ciechanover) 與賀希科 (Avram Hershko), 以及美國科學家羅斯 (Irwin Rose) 3 人共同獲頒 2004 年的諾貝爾化學獎，以表彰他們揭開了一個關於蛋白質「死亡之吻」的祕密 - 由泛素 (ubiquitin) 主導的蛋白質降解機制。
這項研究主要是探討人體如何挑出有害的蛋白質並加以破壞，指明了蛋白質降解研究的目標是如何保護自身不受疾病的侵襲。這項對蛋白質研究的特殊貢獻，使傑哈諾佛對媒體發表獲獎感言時說:「我為我自己和我的國家感到驕傲。」
傑哈諾佛現年 57 歲，是 3 位科學家中最年輕的，1947 年出生在以色列的海法市，1976~1981 年間在賀希科指導下攻讀醫學博士學位，曾在麻省理工學院從事研究，後返回以色列工學院任教，目前在這所工學院的醫學科技研究所擔任所長。賀希科生於 1937 年，現年 67 歲，他是出生在匈牙利考爾曹格的猶太裔人，13 歲時移民以色列，1969 年在耶路撒冷的希伯來大學獲得醫學博士學位，曾在舊金山加州大學從事研究，1972 年起在以色列工學院任教，此後一直與傑哈諾佛在以色列工學院共事。
羅斯今年已經 78 歲，27 歲時在芝加哥大學獲得博士學位，曾經主持位於美國費城的福克斯。蔡斯癌症研究中心，目前在加州大學爾灣分校生理生物物理學系擔任教授。20 世紀 70 到 80 年代間，傑哈諾佛與賀希科曾在羅斯主持的福克斯。蔡斯癌症研究中心做訪問研究。這段期間是他們研究泛素的主要時期，他們聯名發表了一系列論文，揭示了泛素調節的蛋白質降解機理，指明了蛋白質降解研究的方向。
自 1953 年以來，大部分生物醫學研究以分子生物學為主流，專注於 DNA 如何產生蛋白質。相對之下，對於蛋白質如何被分解的機制則不甚清楚。泛素的發現，不僅推翻先前認為蛋白質分解過程無法調控的說法，並證明分解過程是一相當縝密的機制，若它的功能失當也會導致許多疾病。3 位學者合力揭開泛素的奧祕，更打開一扇研究新領域的大門。傑哈諾佛說:「我們發現了人體的品質處理機制。」
死亡之吻–泛素的發現
蛋白質的分解過程，控制的非常精細，要被摧毀的蛋白質被黏貼上一個聚合物，名為「泛素」是關鍵性的介導物質，它會緊黏著將被分解的蛋白質，諾貝爾頌詞形容它是「死亡之吻」。接著，這些被吻上的蛋白質會通過細胞的「蛋白質分解體」, 它專門負責把受損或短期性的蛋白質加以分解，再循環利用，如同細胞的「資源回收廠」, 依據泛素釋出的訊號，讓蛋白質分解體分辨出需要處理的蛋白質。賀希科等人以及其他科學家隨後的研究，進一步闡明了蛋白質降解的生物化學機制。
早在 1942 年，科學家就發現了蛋白質分子的降解現象，賀希科就是早期探索者之一。賀希科於 60 年代初期，就對細胞內蛋白質如何被分解感到相當好奇，也注意到細胞內蛋白質的分解需要能量。為了探索這個原因，1971 年，他到湯姆金斯的研究室進行博士後研究，專門研究能量對蛋白質分子降解的作用。
當時科學家相信細胞內有多種分解蛋白質的機制，但僅知溶酶體需要腺苷三磷酸 (ATP) 所含的能量以執行分解的任務，除此之外的方式則不清楚。於是賀希科從不含溶酶體的未成熟紅血球著手，希望從細胞萃取液中分離出和蛋白質分解有關的酵素或因子。
1975 年，高斯登等人首先發現在許多真核生物體細胞中，都包含一種由 76 個胺基酸所組成的蛋白質，並根據這種蛋白質普遍存在的特性，把它命名為「ubiquitin」(取拉丁字首 ubiquitous 到處存在的意義), 也就是泛素。1977 年，傑哈諾佛加入賀希科的實驗室，以放射性同位素標定的蛋白質為受質，從萃取液中發現至少超過 1 種以上的因子參與蛋白質的分解。
在歷經無數的實驗失敗後，1978 年傑哈諾佛與賀希科共同前往位於費城的福克斯。蔡斯癌症研究中心，和當時主持這個研究中心的羅斯一起進行這方面的研究。在這期間賀希科突然靈機一動，發現這種蛋白經加熱處理後仍能溶解且具活性，利用這項熱穩定特性，終於分離出蛋白質，它的分子量約 9,000 道爾頓，命名為 APF-1 (ATP-dependent proteolysis factor 1), 也就是需要 ATP 才能分解蛋白質的因子。
APF-1 會利用 ATP 所含的高能以共價鍵結的方式修飾某些蛋白質，這舉動相當於在被修飾的蛋白質上烙印一個死亡記號，這些被吻上記號的蛋白質會被送到特定的胞器中進行分解。這因子爾後被威爾金森等人證明和泛素是同一物質。
蛋白質的降解機制
APF-1 與泛素事實上是同一個蛋白質，這項研究也開啟了細胞生化新顯學–泛素調控蛋白質降解機制的研究。從 1981~1983 年間，賀希科等 3 位蛋白質化學專家又進一步分離及鑑定出泛素活化酶 E1、泛素接合酶 E2、和泛素連接酶 E3, 而科學家目前已知哺乳類細胞含有數種 E1、數十種 E2、以及數百種 E3 酵素。這 3 類酵素就是在細胞裡扮演把泛素共價鍵結到特定蛋白質上的實質角色，這也奠定了他們贏得諾貝爾桂冠的契機。
究竟蛋白質降解過程是怎樣進行的？原來細胞會向將要被摧毀的「目標」蛋白質，派出一種名為「泛素」的分子進行「死亡之吻」, 被「吻」上的蛋白質接著被押赴名為「蛋白質分解體」的「刑場」, 在那裡被支解。他們發現了蛋白質分解體，令科學家大感意外，因為這證明降解過程並非以往想像的不分青紅皂白，而是一個有原則的「品質控制」過程。
這個機制由四個步驟形成一個循環，第一個步驟是活化泛素，首先 E1 分解 ATP 得到能量後，E1 上的半胱胺酸會和泛素 C 端上的甘胺酸形成一高能量的硫酯鍵，以活化泛素。
第二步驟是泛素與目標蛋白質接合，接續上個步驟，E1 接著把泛素傳遞到 E2 上，然後 E3 再結合 E2 和目標蛋白質，在這步驟中 E2 可以催化泛素和目標蛋白質的結合，而 E3 可以把泛素正確地接在欲分解的目標蛋白質上。因此決定細胞內哪一個蛋白質將被分解的主要因子是 E3, 而非蛋白質分解體。第一和第二步驟反覆進行數次，直到目標蛋白質上結合一個由泛素聚合成的短鏈聚泛素。
第三步驟是蛋白質降解，被泛素標定的目標蛋白質會被送入蛋白質分解體中進行蛋白質降解，把它分解成許多的胜肽片段。最後一個步驟是泛素分解，在這個步驟中，先前用來標定目標蛋白質所形成的聚泛素，會被泛素分解酶分解並回收再利用。以上實驗都在酵母菌細胞中進行。賀希科更研發免疫化學方式，利用泛素的抗體，能從細胞中分離被貼上泛素標籤的蛋白，證明細胞內分解蛋白質的機制確實是一種利用泛素的系統。
由於泛素作用系統的調控因子頗多，因此，參與調控的各種細胞功能也極為廣泛，包括基因的轉錄調控、DNA 的修護、受體調節、蛋白質的新陳代謝、蛋白質的品質控制、信號傳遞、免疫與發炎反應的機能、以及細胞周期等；此外，與計畫性細胞凋亡也有極大的關聯。各種不同模式的生物研究結果也顯示這系統的重要性，例如有些人類疾病，如纖維性囊腫、癌症、以及免疫系統的異常等，都與泛素的調節失常有很大的關係。
許多研究證實，這種泛素調節的蛋白質降解作用在生物體中非常重要。它如同一位品質監督員，細胞中合成的蛋白質品質有好有壞，經過它的嚴格把關，通常有 30% 新合成的蛋白質沒有通過品質檢驗，而被銷毀。但是，如果它把關不嚴，就會使一些不合格的蛋白質蒙混過關，如果把關過嚴，又會使合格的蛋白質供不應求，過與不及都會使生物體出現一系列的問題。
泛素調節的重要性
細胞凋亡是正常細胞對抗病毒感染和清除損傷細胞的有效辦法，這方面的研究對人類癌症、神經病變、自身免疫病、愛滋病等的治療極具價值。凋亡指的是人體細胞的一個自毀裝置，這個裝置在生命過程中扮演很重要的角色，自毀裝置出了問題，就會導致很多疾病的產生。
許多癌症就是因為細胞自毀過程無法正常啟動，使得細胞數目越來越多所造成的。從了解細胞自毀過程的生化途徑和生化過程，進一步研究在一些疾病中，細胞自毀到底在什麼地方發生了錯誤，有助於我們利用生物和化學方法解決這些缺陷或治療疾病。
人體內細胞的誕生和死亡處於一個動態平衡狀態，一個成年人體內每天都有數以萬計的細胞誕生，同時也有上萬個細胞「程式性死亡」。在健康的生物體中，細胞的生生死死總是處於一個良性的動態平衡中，如果這種平衡被破壞，人就會生病。如果該死亡的細胞沒有死亡，就可能導致細胞惡性增長，產生病變。例如，肺部纖維性囊腫就是因為泛素沒有行使特定分解功能，以致不良的蛋白質在外分泌腺管中累積過多、產生堵塞，造成腺管纖維化及囊狀化。
相反地，如果正常的細胞發生過多的死亡，也會對人體產生危害。例如，愛滋病病毒含有一種病毒感染因子，該因子透過一組蛋白質複合體，增加了愛滋病毒的感染機會。而受愛滋病病毒的攻擊，不該死亡的淋巴細胞會大批死亡，如此便會破壞人體的免疫能力。經一系列實驗證實，只要阻斷病毒感染因子和泛素連接酶的共同作用，就會使淋巴細胞正常存活而不被分解，愛滋病的感染率就可降低百分之九十。
此外，泛素調節也對癌症有一定的影響。一種稱為「基因衛士」的 p53 蛋白質可以抑制細胞發生癌變，但如果對 p53 蛋白質的生產把關不嚴，就會導致人體抑制細胞癌變的能力下降，誘發癌症。事實上，一半以上的人類癌細胞中，這種 p53 蛋白質都產生了變異。
因此，阿爾伯特 - 拉斯克基礎醫學研究獎評審團主席、前諾貝爾醫學生物學獎得主戈爾德斯坦，對賀希科他們研究成果的評價是:「泛素系統功能的發現，會成為理解癌症和其他某些疾病發生及發展的一把鑰匙。」他同時指出:「泛素在調節蛋白質降解過程裡所扮演的角色，這一發現意義重大，對人類認識細胞惡性變異、癌症和免疫反應失調等關係細胞存亡的變化至關重要。」
科學家們認為，賀希科等人的研究成果會對癌症的研究與治療產生重要影響。賀希科卻謙虛地認為:「我並不認為我們的發現可用於各種癌症的治療，但希望通過我們的努力能對特定種類癌症提供有效的治療。」他尤其對結腸癌、子宮頸癌、黑色素瘤，以及因蛋白質異常降解所引發的其他腫瘤的治療表示樂觀。
傑哈諾佛也指出，他們的研究成果不僅對了解和治療癌症有重要意義，對其他如老年痴呆、帕金森氏症等疾病的了解也有助益。這些疾病主要是由於炎症及免疫功能失調，導致人體抵抗外界病毒和細菌侵襲的能力衰退所造成。
細胞中的蛋白質處於不斷地降解與更新的過程中，保持細胞正常的蛋白質代謝，對於生命的正常功能至關重要。控制蛋白質降解的機制已被闡明，現在已清楚細胞蛋白質的降解是一個複雜的、被嚴密調控的過程，在細胞疾病和健康狀態、生存和死亡、DNA 修復等基本過程中，扮演著重要的角色，並且蛋白質降解異常與許多疾病的發生有著密切的關聯。
基因的功能是需要透過蛋白質來實現，而闡明泛素在蛋白質降解過程中的作用機制，對多種疾病的發生機制和遺傳信息調控的了解，有著深遠且重要的意義！從根本了解疾病成因
專家指出，「細胞是很環保的，會把蛋白質分類後接著支解再造。」3 位得獎者解答了細胞蛋白質分解過程的根本問題，而身體很多重要的蛋白質都透過這過程進行新陳代謝，了解它的奧祕，就能了解很多疾病成因，發展新療法。美國去年批准的多發性骨髓瘤藥物 Velcade, 就是透過抑制某些特定蛋白分解體的作用，堵塞癌細胞賴以生長和存活的管道。
未來一些藥物設計的研究方向，也包含開發蛋白分解程序中的上游阻礙劑，在有用的蛋白質被送到蛋白質分解體銷毀前，把它們標上讓其存活下來的記號。如果新藥對於引導泛素黏附到特定蛋白質的泛素連接酶 (E3) 有抑阻作用，這樣，理論上就可以阻止具有抗癌功能的蛋白質，如抗癌基因產物 p53 等蛋白質被摧毀，透過蛋白質降解過程的各個階段來抑阻蛋白質分解的功能，已被接受是一種對抗癌症的辦法。
泛素調節的蛋白質降解在生物體中如此重要，因而對它的開創性研究也就具有特殊的意義。目前，在世界各地的很多實驗室中，科學家們不斷發現和研究有關這一類降解過程的細胞新功能。這些研究對進一步揭示生物的奧祕，以及探索一些疾病的發生機理和治療手段，具有極重要的意義。 |
食安十日談–科技與社會治理的遊戲規則 | 食安危機暫息的某天傍晚，幾個朋友約在某人家中小聚。沒有客套，大家下班後各自前往，或談 2014 年掀起食安危機的混油案審理進度，或談茶飲店茶葉原料來源不實與農藥殘留的連鎖恐慌，或談無所不在，宣稱標準與食用級相同，流竄在胡椒粉與制酸藥中的工業用碳酸鎂，有人加碼談空氣汙染監測等話題，先到先吃，邊吃邊聊。
說不敢上館子，才有機會享受主人不輕易顯露的好廚藝。但整治這桌好菜的主人也報不出它們的前世今生，是舶來品還是本地種，是有機還是使用過農藥，更別說是基改還是非基改。一如往常，大家談笑中把紛擾擋在外面，但總覺得不像以前一樣吃得坦然心安。相較於大張旗鼓，公共工程的興利除弊，食品安全是考驗社會信任的颼颼冷風，若有似無卻意外地深刻入骨。
有人打開話題，說在場有男有女，八卦不斷，可不又是一場「十日談」? 就像文藝復興義大利作家薄伽丘的名作《十日談》(Decameron) 一樣，男男女女遠離塵囂，找個賞心悅目的鄉間躲避瘟疫，用說故事殺時間，也揮不去死亡陰影。如果說過去的烏腳病與油症是類似八八風災的個別災難，現在食品安全就好像身處於不穩定的地震帶，每次強震過後都心有餘悸，不知道下次地震何時到來。
這場食安「十日談」的最明顯主線自然是公部門的處置。且不說廠商綿密的政商關係，有人說臺灣的食品添加超乎想像，牽涉太多部會，反而成為管控的三不管地帶，出了事沒人願意出頭。有人聊起官員為避開媒體追問，往往用「家裡不用」、「自己不吃」、「別人買的，不知情」等理由搪塞，結果不但沒有澄清效果，反讓觀眾覺得這些人與世隔絕，無法理解民間疾苦。有人指出基層衛生機構人手不足，設備有限，勉強還能應付日常檢驗工作，但遇上食安問題只能要小吃店自行送驗，連監督都顯得捉襟見肘。
相較政府的束手無策，消費者在風暴中展現鄉民的正義。不管是網路發起的拒買或抵制大廠產品，或者是「用鈔票讓食品下架」, 對腳踏實地的公司的支持，這些活動像食安事件一樣豪快、激烈，來去一陣風。同時，如本專欄〈感官世界 ─ 食品安全、信心危機與「標示不清」的身體感〉(508 期) 指出的，起底劣質食品成為全民運動。這些商品平時人人讚它物美價廉，但一遭爆料就如過街老鼠，人人喊打。
確實，全球化下食品像流動人口一般穿梭在產地與市場，跳躍在生產鏈與消費鏈之間，外表與身分也不斷變動。明明是來自吉林的糊精，越南的茶葉，來臺後可以換個包裝進入市場，或躲進其他食品裡獲得新身分。儘管這些產品也能通過檢驗，但原料來源不明，吃起來感覺不對，而政府又無法適時回應，成為揶揄的對象。
這種結構性的食品「換裝」與「變造」固然匪夷所思，但就算再怎樣不可思議，類似故事一再重複也無以為繼。一個朋友終於打斷這些「躲避、否認、肉搜、承認、無辜、下跪、道歉」的老套，說再下去有趣活潑的「十日談」會變成日本的「百物語」, 講完一百個食物「怪談」後會引出瞌睡鬼來。「我們不是要聽這種故事才來的。食安問題只會愈說愈多，愈說愈恐怖，要怎樣解套？」她抱怨。
好在大家不是活在江戶時代，有電視可以轉換心情。轉到公共電視，上面竟然也在討論食品安全，用紀錄片談基改食物的危險與因應。主持人在開場介紹中從紀錄片標題「要命的基改食物？」(原文片名「OGM: vers une alerte mondiale?」) 的問號破題，邀請大家觀賞這部宣稱基改食物長期食用可能引發問題的科學實驗與其討論，看最後的問號會不會成為比較肯定的句號。
這是有趣的切入點。本刊 2014 年的「食品安全」專輯 (504 期) 採取「除魅」方式，藉由食品專家對攸關食品安全的幾個面向，如攝取量概念、食品添加物、微生物汙染、藥物殘留、食品履歷管理等撰寫專文，「篇篇都以科學與實務為根據，文字也儘量力求淺顯」, 以釐清民眾對食安的誤解。另一方面，「編者的話」裡點出在科學之外食安問題的根本是品德敗壞。如果大家能恪遵「食物是給人吃的」的原則，在生產與消費的環節上秉持「不能做不該做的事」, 這個問題不難解除。
用人心改造與科學研究雙管齊下來因應食安，的確有其道理，但現實狀況沒有這樣簡單。這樣說，來源不確實，成分不老實的食品到處都是，但它們並不像假酒假藥一樣讓人立即致命。這些劣質品大多低空飛過現行標準，用意外便宜的價格或者意外充裕的貨源欺騙消費者，讓他們以為搶到門路，撿到好貨。而這些商品除了知道來源後會令人厭惡與不快之外，其影響往往是長期而不確定的。
在這種態勢下，要所有廠商遵守道德絕不鋌而走險，或者拿出這些食品傷害身體的確實證據並不容易。節目主持人分享他的疑惑：廉價早餐店爽快貼出「本店不使用基改黃豆」, 但他不知道該不該相信。
基改作物正是這樣的例子。紀錄片主角 Gilles-Eric Seralini 是法國 Caen 大學的科學家，長期質疑基改作物的安全性。2012 年他發表研究，指出長期食用食品大廠孟山都的 NK603 基改玉米因為容易產生高量除草劑累積，導致罹患腫瘤。由於這項試驗主打長期影響，執行時間較一般類似試驗的 9 個月長，加上獲得知名期刊《Food and Chemical Toxicology》的審查通過，巨大腫瘤在受試老鼠身上的猙獰模樣十分震撼，披露後各界反應熱烈。
法國衛生當局下令調查，農業部要求歐盟重新考慮該產品的進口核准，原先對基改食品便有疑慮的民間團體則要求政府主動介入試驗，而不是拿廠商的報告做書面審查。一個月後歐盟食品安全局 (European Food Safety Authority, EFSA) 回應，認為其研究方法與結果都還有待商榷，而這種產品與其使用的農藥年年春都通過評估，因此不打算更改規範，僅應允資助獨立試驗。
事情還沒落幕。一年後《Food and Chemical Toxicology》少見地以「研究結果有其價值，但並非定論 (inconclusive)」為由撤下這篇論文，引起學術界不滿，認為這樣的做法沒有遵守撤稿慣例，不尊重同儕審查體制，有受外界壓力之嫌。撤稿數月後一個曾刊過反基改論文的開放式期刊 (open access journal)《Environmental Sciences Europe》宣稱「認可《Food and Chemical Toxicology》學術水準」, 在跳過同儕審查下把這篇文章幾乎原文照登。
這些爭議沒有先前管制機關的交鋒激烈，但影響的是努力維持「客觀公正」形象的科學家社群。如節目邀請專家點到的：如果一篇文章可以在沒有充分理由下被期刊撤稿，牽連刊出期間引用該文的研究，又可以在沒有實質評估下重新發表在另一份期刊上，那民眾又如何寄望科學來為爭議平議呢？事實上，「要命的基改作物？」裡最重要的教訓不是基改罪大惡極，也不是產官學的上下其手，而是我們如何面對這類身分不明的新科技。一方面失速的研發沒有帶給社會更多好處，反而賠上科學社群的默契與慣例，是科技生產裡的政治效應。另一方面，當大眾習慣拿科學當作爭議籌碼，不細究其生產脈絡而只想拿它跟跨國企業抗衡，是社會爭議的科技迷思。
在這個意義下，基改作物只不過是「整形」過頭的食品，跟其他改頭換面，早已不知出身的全球化商品沒太多不同。不管是魚目混珠的假中藥、偽造履歷的阿根廷大蒜，還是糊弄產地與製造地，推託進出口商的輻射餅乾，它們都是「灰色產品」, 看似無害但總是令人不安；提供生活所需但卻無法取得正當名分。
到底要怎樣跟灰色產品相處？在〈感官世界 — 食品安全、信心危機與「標示不清」的身體感〉裡的出路之一是回歸身體感，不用拳拳服膺政府指導。但從科技與社會治理的角度，還有很多遊戲規則可以幫助我們建立共識。科技史學者 Jean-Paul Gaudillière 與 Volker Hess 以藥品發展為例，整理出 5 個歷史上的「管制之道」(ways of regulating): 醫藥科學的專業管制、製造者的工業管制、法規機構的行政管制、消費者的公眾管制、法庭的法律管制。它們顯示藥品複雜的社會面向，也為社會提供周延的因應架構。
比方說，Seralini 的研究有哪些直接涉及基改作物本身的致癌效應，其證據力如何，是專業社群的管制。而他與另一位學者 Marc Fellous 的誹謗官司判決為何，哪些還沒定論，是法律管制的範疇。這些管制各有其邏輯，其知識也不能隨意挪用，必須進一步透過對話與討論來建立共識。
日前一審判決的 RCA 工殤案，判決理由牽涉醫學，挑戰職業傷害的因果關係，正是專業與法律管制的對話範例，可以讓我們參考。做為全球化下的小國，我們或許無法把這些按著跨國資本邏輯生產的技術物隔絕在外，但可以在不損及既有管制機構的前提下從案例中培養對話素養，深化各界互信。
吃吃聊聊，看完紀錄片時已近深夜。大家收拾行裝，跟主人道謝。雖然面對的還是不可知的風險未來，但生活總是要繼續。薄伽丘在《十日談》的結尾說得好：跟天下事物一樣，故事能使人受害，也能使人得益。這場食安十日談，能不能給大家一點省思呢？致謝：承蒙公共電視林玉清女士邀請參與紀錄片「要命的基改作物？」的討論，讓作者有機會對這個議題有更全面的理解與反省，特此致謝。 |
變化球旋不旋?流體力學觀點 | 兒時的棒球夢
不知你是否和作者及同一世代在臺灣長大的孩子一樣，對於棒球所帶來的魔力是不具任何免疫力的。深夜兩三點起來觀看電視衛星立即實況轉播，已成為難忘的兒時記憶。
當然隨著觀看的興奮，很快就引起了身體力行的夢想。為了實現這個夢，我們與鄰居的兒時玩伴們一樣，每天帶著破舊不堪的紙手套參與街頭巷尾的即興比賽，變化球三個字是必勝的魔法，卻也是遙不可及的神話，即使我們再怎麼努力地投，也無法領悟出其中的道理。這個技術上的停滯倒是可以諒解的，畢竟那時我們都是十歲左右的少年。幾年之後上了大學或研究所，對棒球的熱愛似乎又湧上來，但已把它當作是休閒運動，兒時那種夾雜著民族情緒或神話情結的棒球夢早已隨風遠去！變化球旋不旋？棒球裡，投手是防守的第一關，而投手厲害的武器之一就是變化球。變化球有很多種：曲球、反曲球、滑球、下墜球、伸卡球 (sinker, 日文讀音類似 sin-ka, 演變成臺灣俗稱的伸卡球)、上升快速球和近幾年頗為矚目的切球 (介於滑球與直球之間), 其常用者如紐約洋基隊著名的救援投手李維拉 (Marians Rivera) 等。
這些變化球因為投出時的手臂或手指動作不同，而造成不同的角度與弧度的差異。例如由投手方向看去，下墜球是使球的上側向前旋轉，而且幾乎沒有側向的旋轉。右投手的滑球則是使球的右側向前旋轉，這會讓球偏向投手的左側；反之，若是讓球的右側向後旋轉，則會讓球偏向右投手的右側，成為反曲球。至於曲球，右投手要讓球的右上側都向前旋轉，也就是介於下墜球與滑球之間，像轉門把的方式轉手腕，這會使球向右投手的左下方偏去。
各種右投手變化球的旋轉方向 (上), 典型的曲球與蝴蝶球的路徑 (下)。
有時棒球或壘球被擊出後，我們也常常看到球的行進方向會偏移，而當時可能並沒有風，這時球的路徑會改變也是基於相同的原理，球在接觸球棒的瞬間受到球棒所施的扭力，使得打出去的球旋轉，因而在空氣中受到側向力。由於打到外野的球飛行時間較長，如果這種球旋轉的方向是球的前側由下往上，常會使球飛得較看起來的樣子來得遠，容易造成外野手誤判落點的遠近。
如果球旋轉的方向是左右旋轉，則較不會產生判斷錯誤，但是球旋轉的強弱卻很有可能造成界外球、沿邊線二壘安打或全壘打的重大差別。厲害的打擊手朝外角方向推打時，更可以利用這原理，使球飛向邊線與二壘間的方向，但是讓球向界外的方向旋轉，於是球飛過內野手之後會向邊線的方向偏行而落在邊線附近，再向界外滾行。除非外野手恰巧站對位置，否則通常得跑到界外才能拿到球，打者因而爭取到不少跑壘的時間。
此外，打排球時也有類似的情形出現。最近世界一流的排球隊伍，無論男女，都很流行跳躍發球，以求增高擊球點，使對手較難接球。在跳躍發球時，由於擊球點已經超過網高，發球者可以把球水平或略向上擊出，但是擊球速度很快，並且加上手腕用力扣球，讓球產生上緣向前轉的強力旋轉，使球如同棒球的下墜球般，比沒有旋轉時更快落地，故對手即使撲倒在地還是搆不著球或接歪掉。殺球時也會有類似的情形發生，只是球速更快，飛行時間更短，路徑的偏折不是那麼明顯。
排球殺球時球的旋轉，可以從這張攝於 2001 年 8 月在高雄鳳山舉行的女排大獎賽的照片中看出。古巴隊殺球時，由於配合不理想加上美國隊封網確實，攻擊手於是選擇不把球直接往下扣，改以水平略偏上的角度擊出，同時加上強烈的旋轉，試圖讓球越過封網者的手以後才靠旋轉帶來的下墜力量讓球落在場內。由於這張照片快門較慢，剛被擊出的球呈現一條軌跡，被黑色的背景襯托得很清晰。曝光開始時原來在球下方的藍色與黃色條紋 (紅色箭頭所指處), 在曝光結束時隨著旋轉已經轉到中間 (橙色箭頭所指處)。
其實排球活動是相當立體的，除非像棒球轉播般，一場比賽用上十幾臺攝影機，否則像現在一般電視轉播只用六臺攝影機，角度又多由高處往下拍，觀眾是不容易看清楚球的路徑變化之大，還會納悶怎麼一流選手的接球如此差勁。
相對於前述的變化球，另一種廣為球迷津津樂道的是近乎不旋轉的變化球，莊勝雄的彈指球和郭泰源的指叉球都屬於這一類。仔細想一想，要把一顆棒球迅速地投到 18 公尺外的捕手手套裡而不帶什麼旋轉，似乎不是件容易的事，更不用說進入好球帶並且讓打者揮棒落空。然而，這類球真正令人著迷的地方在於它難以預測的行徑，不僅打者猜不著，連投手與捕手也不知道球會怎麼跑！許多彈指球因此被稱為蝴蝶球。
相信許多棒球愛好者和筆者一樣，在打擊區裡也吃過不少滑球的苦頭。一般而言，從投手把球投出到進入捕手手套，只有約半秒的時間，所以打者只有約四分之一秒的時間，可以判斷並決定是否揮棒。好的滑球如直球一般進入好球帶，等到打者決定並且扭腰揮棒之際，它卻突然像受到狂風吹襲一般被吹出好球帶。這時，不論你如何調整、延伸你的球棒，多半都難逃揮空棒的命運。至於如何能掌握打擊滑球的訣竅？這深奧的問題只有留給各位打擊教練們了。
雖然變化球的種類很多，但是它們在空氣動力學上，促使球改變方向的作用是大致相同的。且讓我們來探討一般旋轉類變化球的原理，看看它們是如何與周遭的空氣互相作用而改變行進路徑。
勢流模型看變化球
我們先來看一個流體力學中簡化的模型 —— 勢流模型，所謂勢流 (potential flow), 是指假設流體本身沒有黏性，流體本身的密度也不變，以及流動是非漩性的。在這樣簡化的模型之下，我們可以用一些不是很難的數學技巧，解出所謂的流函數 (stream function), 或者是說我們就能由這求取流場中各點的速度，進而得知壓力與其他變數。當然，在這些假設之下，我們忽略了黏性摩擦力與紊流的可能及影響，不過可以藉此了解其他作用的效果。
旋轉的球在二維流場裡可以被簡化成圓柱體，這假設改變了原有模型，但不影響其流體的基本型態。這是一個古典的勢流問題，因為它有特殊的解析解，在某些狀況下可以用紙筆求得，並不需要靠近代的快速電腦幫忙計算。解這流函數的邊界條件是，在旋轉的球表面上，流體的速度與球表面的切線速度一致，大小是半徑乘以轉速，方向則與半徑垂直。把這邊界值代入流場函數的方程式，可以得到流場分布。
對一個逆時針方向旋轉的球體而言，當流場從左往右時，也可以說是球從右飛向左。這時流場分布在球上方較疏，在下方則較密，也就是有比較多的流體從下方流過，這表示流體流經球下方的速度比較快。白努利定律告訴我們，流體速度快的地方造成的壓力較小，可以看成空氣對這個反時鐘方向旋轉的球，施加一個向下的力量！我們仔細地把壓力分布沿著球表面積分，可以得到下壓的力量大小是：流體密度乘以空氣與球的相對速度後，再乘以球表面的環流量 (速度沿一曲線與其切線內積的環積分), 而作用的方向是與相對速度垂直的，這就是著名的庫塔 - 久柯斯基理論。它是由德國數學家庫塔 (Kutta) 與俄國物理學家久柯斯基 (Joukowsky), 在 20 世紀初分別獨自推得的結果。
我們從這個模型得到的啟示是，棒球所受空氣側向的施力與其球速、空氣密度和環流量成正比。這當中，空氣密度顯然不是人所能控制，但是球速與環流量就是投手們可以大展身手的地方了。由於投手丘至本壘板的距離大約是 18 公尺，一個典型的曲球球速大約是每小時 110 公里，每分鐘轉速若為 1,800 轉，則在這距離內大約會旋轉 17 次。至於排球的轉速似乎還沒有人測過，不過從一些比賽時的影片中可以看到，殺球時球的旋轉也是很厲害的。
風洞實驗看變化球流場
透過勢流模型所建立的理論，對變化球的原理有了初步的解釋，但是實際上的現象是否與這個模型一樣呢？由勢流所建立的數學方程式，是基於沒有黏性，而且沒有渦流值的流場所導出的，很多人馬上會想到，如果沒有黏性，那麼無論球如何旋轉，也不至於會影響周遭的流場，也就是說，一顆轉得再厲害的球跟一顆不轉的球會有相同的流場！這個說法並沒有錯。讓流場周邊速度等於球面轉動速度，確實是人工附加的邊界條件，或許這一假設並不合理，但是也不會真正影響到勢流模型，我們在意的是，以這一條件補強原有模型之後的推演。
棒球表面氣流的旋轉，的確是經由空氣黏性才能使周遭流場一起作用，因而有別於一顆沒有旋轉的球。但也因為黏性帶動強大剪力，造成局部強勁的漩渦，而且這些作用力只發生在極為靠近棒球表面的地方，且空氣的平均速度受黏性影響的邊界層裡。在棒球的前端，這層薄薄的邊界層一直往流場下游延伸。由於棒球表面的粗糙，以及棒球縫線的不規則突起，原本保持速度均勻平滑的層流流場迅速地產生強勁的渦流而轉變為紊流，隨著下游的跡流離開球體。
布朗 (F.N.M. Brown) 在他 1971 年的風洞實驗中，清楚地顯示棒球旋轉時附近的流場。在他的實驗中，風由左向右吹，球以逆時針方向旋轉，也就是說球的上表面是向上游前方移動，而下表面向下游後方移動。
風洞實驗顯示，邊界層到了縫線處就會開始從球的表面剝離，在球的正後方產生一個紊性跡流區。
從他的風洞實驗結果的示意圖，可以看出幾點與我們原先理想化勢流的差異。首先，流場只在棒球前端一半的地方保持層流的狀態，過了中線之後，明顯有渦流夾雜，呈現典型的紊流型態。第二，球體的轉動並沒有造成勢流模型中的流場，而受影響的部分似乎只局限在靠近球表面的邊界層裡。球下方的流場分布似乎較密，但並不如勢流模型裡預測的那麼強烈。
這個流場疏密並不十分明顯的事實，當然引出了最關鍵的疑問 —— 垂直於流場速度的作用力是從何而來？我們仔細觀看棒球的風洞實驗圖片，棒球下游的跡流有著往上傾斜的趨勢，這表示棒球對流體有向上的作用力存在，如果以反作用力的角度來看，流體對棒球則施予向下的作用力。
布朗 1971 年風洞實驗結果的示意圖。
而轉動中的棒球如何造成向上傾斜的跡流呢？棒球風洞實驗圖片中的 A 與 B 二處，流場發生所謂的邊界層剝離現象，剝離現象的產生與邊界層裡流體的動量有關。A 圖裡，由於球的上表面是向上游移動，減低了邊界層裡流體動量，導致剝離現象較早發生。B 圖則因球的下表面是向下游移動，延遲了剝離現象的發生，二者交互作用下，最後造成偏向上方的紊性跡流，也就是棒球本身得到空氣施予的向下作用力。
蝴蝶球為何漂浮擺動？滑球與曲球的轉向確實令我們這些業餘打者，常在打擊區裡望球興嘆，然而這類旋轉變化球仍有些模式可循，依據每個投手的習慣，或是球上紅線旋轉的方向，有時可以多少看出一些球路，這也就是有些變化球仍然會被擊成全壘打的原因。但是另外一類的變化球如彈指球和指叉球，則是靠它們幾乎不旋轉的特性來改變球的路徑，乍聽之下十分令人困惑吧！我們用了這麼多的篇幅描寫球的旋轉如何造成球行徑的變化，為何現在又出現這類幾乎不旋轉的變化球呢？記得第一次在本壘板後面接指叉球與彈指球的情形，隊友們投出來的球起先與一般直球並無差異，直到最後幾尺，眼見它本應順勢進入捕手手套，這些球卻像石頭一般下沉，有些甚至往左右兩邊飄去。與一般曲球、滑球不同的是它們改變方向的方式，幾乎是毫無任何跡象可循，而且下沉之突然，常令打者完全搆不著球。另一方面，一路看似漂浮過來的棒球，更常令人難以判斷它距離的遠近。
多年來這類彈指球一直帶著神祕色彩，彈指球也因此獲得蝴蝶球的美名。還記得 1990 年代先在匹茲堡海盜隊，後來投效波士頓紅襪隊的威克菲爾德 (Tim Wakefield) 嗎？這位當時非常年輕的投手幾乎只投一種球，那就是彈指球，其球速之慢讓人難以想像，畢竟這是美國職棒大聯盟，世界一流的棒球菁英聚集之處！威克菲爾德 (Tim Wakefield) 投球前的瞬間，其招牌彈指球的抓球法清晰可見。
然而這個看似慢動作的球，在進入本壘板時通常會有大動作的變化，不只是下沉幾英寸而已，它可以不定性地飄出正常行徑 2 英尺以上！最令人著迷的是從電視轉播中，你還可以清楚地看出球上的紅線幾乎不動地隨球而來。同樣地，如何投彈指球的難題就交給投手的指導教練們去煩惱，本文僅就流體動力學的觀點來探討這問題。
試想一個完全光滑的球體放在一個等速的風洞裡，會不會有任何橫向的作用力產生在球上呢？這個問題實際上指出了流體力學裡的基本觀念 —— 當密度、流速及物體大小的乘積與流體黏度的比率，即所謂的雷諾數 (Reynolds number) 增加時，流場的穩定性是無法存在的。也就是說，均勻而等速的空氣流過棒球之後，無法再保持穩定而均勻的速度型態，棒球下游的流場是隨著時間變化的動態紊性流場。
了解流體的特性後，再回到彈指球的問題上，我們或許就不會覺得如此突兀了。必須注意到實際的棒球並非一個平滑的球體，就如同前面談及的曲球與滑球一樣，彈指球同樣依賴著球上的縫線，作為流體力學上重要的驅動力。彈指球的研究在瓦茲與索耶 (Watts & Sawyer) 1974 年的實驗研究中得到合理的解答，他們小心地把棒球以不同的角度放置在風洞裡，然後仔細地測量棒球所受到的橫向作用力。
實驗結果發現一些令人玩味的現象，作用於球上的橫向作用力大約從向右 0.45 牛頓到往左 0.45 牛頓不等。在縫線與風向相對夾角 θ 等於 140 度和 220 度時，作用力幾乎從往一邊 0.35 牛頓跳到往另一邊 0.35 牛頓；而在 θ 等於 52 度時，作用力交替地在兩個方向間改變，大小差距大約是 0.8 牛頓，周期則是每 1~2 秒一次。
這奇妙的現象起因於棒球本身的構造，也就是球上的縫線。這些用來綁住球皮的縫線，突起於球表面，引發流體邊界層的剝離，邊界層是否會自球表面剝離與流速及縫線位置都有關，當球位於前述提及的角度時，剝離現象會從較為上游的縫線突然跳到較為下游的縫線，或者是從下游跳向上游，如此不但作用力突然增加或減少，方向也受到改變。試想一個緩慢旋轉的球受到這些突然改變的作用力，在接近本壘時，行徑變化益加明顯，這就是為何這類變化球那麼難以捉摸的原因。
由於彈指球或指叉球不好練也不容易投好，一旦失手，很可能變成不太會飄動的慢速直球，形同全壘打比賽的餵球，所以沒練好彈指球或指叉球的投手是不太敢投蝴蝶球的。但是這種飄忽不定的特性實在很好用，因而有了一般所謂的口水球與凡士林球，就是把球的一部分塗上口水或凡士林，以造成球的阻力不均勻，雖然球速比彈指球或指叉球快，卻也一樣具有漂浮不定的性質，只是用了比較骯髒的技倆，當然這種「偷吃步」是違反比賽規則的。
排球發球時的漂浮球也是類似的道理，雖然球速不快，但是路徑一直飄忽不定，令接球者難以調整位置，常常在接球前一瞬間又改變方向，使接球者手臂和球的接觸點不理想，甚至造成失誤。
不過，排球產生漂浮球的機制可能與棒球略為不同，從棒球的實驗中我們知道要使球的路徑飄忽不定，作用在球表面不同處的阻力大小必須有可能產生不斷的變化。棒球靠的是縫線，而排球沒有縫線，所以機制必然不同。排球的機制可能是在發球時，排球受手掌拍擊造成變形，由於其本身材質較富彈性，於是會像彈簧般產生不斷往復的變形，造成作用在球面不同處的阻力變來變去。但是這項理論似乎還沒有仔細的實驗證實，而有待深入的研究。
有為者亦若是
許多人會以為手掌必須大到某一種程度才能投出彈指球。筆者在密西根大學念書時常與美國同學 Pete 在校園裡練球，Pete 是彈指球的能手，從他打少棒時便學會了。他的三根手指輕放在球上，然後以熟練的投球動作 (完全看不出與直球有任何的不一樣) 與精確的放球時機把球投出，就是一個彈指球。對他而言，球的大小不是問題，給他一顆壘球，他照樣彈指出去！筆者與同學練了許久，一個成功率從來不超過 10%, 而另一個從沒成功過，這點證明人的資質顯然比手掌大小來的重要。
至於流體力學方面，倒是無需人們操心，只要球速、旋轉及角度適當，變化就一定會發生的！要嘛我們讓球旋轉，不論球面是否光滑，邊界層剝離的位置在旋轉方向的兩側上會不同，造成側向力而使球往一側偏去。或者我們讓球幾乎不轉動，這時棒球要靠不對稱的縫線位置，而排球要靠不停地變形來使邊界層剝離的情形不穩定，使作用在球上的力量也一直變化，造成漂浮不定的蝴蝶球。所以，當不成郭泰源的你我，改行做個知道變化球為何如此有威力的流體力學家也挺有趣的。
延伸閱讀
《牛頓打棒球》,Robert K. Adair 著，李靜宜譯，牛頓出版社，臺北市，1993。 |
不安全?被誤解的基改食物 | 許多個案顯示基改食物可能比對應的傳統食物更安全
去 (2014) 年 6 月，衛福部食藥署接受國內對基改食品有疑慮者的建議，決定在包含基改成分的食品上標示。但主張者的依據是什麼？這一主張真的對民眾健康較好嗎？更根本的問題是，國人真正了解基改科技嗎？基改比傳統食物更安全？在國內，不少對基改食品有疑慮者努力推銷反基改食品的信念，基改議題因而在國內引起了頗大的共鳴。2014 年 6 月，衛福部食品藥物管理署接受國內對基改食品有疑慮者的建議，決定在包含基改成分的食品上標示。但主張者的依據是什麼？這一主張真的對民眾健康較好嗎？更根本的問題是，國人真正了解基改科技嗎？其實這一議題值得大家冷靜思考。首先，什麼是基改食物？傳統育種可能是成千上萬基因的大混合，甚至使用了化學誘變劑與放射線，基改科技則是精確地加入某些基因 (例如抗旱基因等)。諾貝爾生醫獎得主華生 (James Watson) 就比喻說，傳統的育種方式就像揮舞著一把大鎚，生物技術則像小心地捏著一隻鑷子；傳統與生技在基因改造的手法上有粗細之別。
再看實測結果，2002 年世界衛生組織聲明:「目前在國際市場的基改食物已通過風險評估，對人體健康不大可能呈現風險；在已經核准的國家，民眾食用多年並無健康效應。」另 2010 年，歐盟研究與創新總署報告也顯示，歷經超過 25 年，多於 130 個研究計畫和五百餘獨立研究團隊所得到的主要結論都指向：生物技術 (尤其是基改生物) 本身並不比傳統育種技術更具風險。
2012 年，美國醫學學會也聲明支持美國國家科學院的結論，「沒有證據顯示基改技術或不相關生物間的基因移動，就會產生獨特的風險」和「基改 DNA 生物、未基改生物、其他方式改造的生物 3 類的風險都相同」。因此理性評估基改生物的風險，應著重於這種生物的本質與導入的環境，而非是否來自基改。
其實，許多個案顯示基改食物比對應的傳統食物更安全，例如基改抗蟲玉米可大量減少黃麴毒素 (因蟲咬所致) 的汙染。
玉米的演化 (左圖，來源：Wikimedia Commons), 右圖為玉米螟蟲幼蟲。
標示基改食物的爭論
既然基改食物並不比對應的傳統食物危險，為什麼要標示基改食物，卻不要求標示其對應的傳統食物？美國食品藥物管理局採取的做法是，不要求標示是否是基改產品，就像不要求標示「在培植某種糧食作物時，採用何種培育技術」一樣。另外，美國食品藥物管理局也顧慮，若要標示，就必須確實執行，這會帶給監管機構龐大的人力負擔，既然基改產品無害，何必多此一舉？也許更重要 (也是更微妙) 的是，標示往往會招致民眾「隱含危險」的戒心，而引發消費者對基改食物的「側目」。
儘管上市的基改食品都已經過嚴格評估和監管，但還是有人提出基改有害實驗動物的論點，其實這些論點都出自有問題的實驗結論。針對食品，要注意的是，是否受到寄生蟲與病菌的汙染，而非是否基改。宣稱「民眾有權知道食物內含」似乎大義凜然，其實基改科技來自新興的分子生物學，需要相當的背景知識以正確了解其科技運作。
2012 年底，荷蘭瓦格寧根大學的分子植物育種學家施寇頓 (Henk Schouten) 來臺分享基改經驗時提到，即使他們志在挽救蘋果黑星病、馬鈴薯晚疫病等受災作物，使用了和傳統育種幾乎一樣的做法，但還是受到強烈反對。為什麼基改這般不見容於反對者呢？施寇頓說:「反對者可以宣稱『不喜歡』基改作物，但不能說基改作物『危險』, 因為前者可以是根據個人主觀的好惡，後者則必須植基於客觀的科學證據。」
基改救栗樹
最近，環保生態界有件振奮人心的大事：救活美國栗樹。20 世紀初，北美東部有四分之一的硬木是栗樹，提供許多生物食物和棲地。後來，因受到「栗疫病菌」侵襲，摧殘殆盡，50 年內減少了 30 億棵。
中國栗樹又名中國板栗，具抗栗疫病菌的能力。(圖片來源：Wikimedia Commons)
科學家使用傳統育種和基因工程兩種方式救治，都已出現曙光。前者始自 1970 年代，使美國栗樹與中國栗樹 (能抗栗疫病菌) 雜交，所得子代再和美國栗樹「回交」, 讓後代盡可能保有美國栗樹的特徵，如高大等，並具有全部抗栗疫病菌的基因。
但是由於回交育種不知抗菌基因為何？因此需待多世代長成大樹後才能確認，也就是傳統育種只能靠運氣，而浪費許多摸索的時間和資源。至於用基因工程的方式，20 年來分子生物學家從小麥找到，能產生破解栗疫病菌酸的酵素的救命基因，把它連同中國栗樹的基因一起嵌入美國栗樹的基因組，子代於焉戰贏了栗疫病菌。
基因工程科學家以這成果向環保署、農業部、食物藥品署 (因栗子是食物) 申請在野地種植，若經許可，這些栗樹會是基因改造復育的首例，而 20 年後美國栗樹將可「春回大地、綠遍天涯」。不幸地，最近美國「氛圍不佳」, 因為佛蒙特州剛成為美國標示基改食品的首例，對基改有疑慮者醞釀在他州跟進，造成風潮。
1845 年起，愛爾蘭曾因其主食的馬鈴薯遭受晚疫病侵襲而歉收，長期的大饑荒導致約百萬人死亡。雖然在 2012 年科學家就已研發成功抗病基改品種，但因受制於歐洲反基改浪潮等因素，至今仍未上市。
基改可對抗木瓜愛滋病 卻未能在台灣上市
類似上述以基因工程救植物的例子，臺灣也曾發生。果農都知道木瓜在遭受病蟲害如果實疫病、白粉病、紅蜘蛛時，若及時施藥或會有效，但若感染的是病毒時，就無法以傳統化學藥劑防治，尤以木瓜輪點病毒危害更為嚴重。這病毒會經由蚜蟲傳播，感染後葉子枯黃生長停滯、開花受阻、果實品質變劣、產量遽減，無藥可治，堪稱是「木瓜的愛滋病」。
木瓜輪點病毒於 1945 年首先在夏威夷的歐胡島發現，目前幾乎已侵害世界上所有的木瓜產區。臺灣於 1975 年在高雄縣的燕巢、大樹、阿蓮等高屏溪兩岸的木瓜栽培區，首先發現木瓜輪點病毒的存在。之後短短的 3 年間，就已摧毀全國各地的木瓜果園，造成非常嚴重的損失。遭受晚疫病的馬鈴薯 (圖片來源：Wikimedia Commons)
目前市面上販售的木瓜以臺農二號兩性株為大宗，多以網室方式栽培。網室栽培技術是由農業試驗所鳳山分所發展出來的，對於阻隔蚜蟲的傳毒成效極佳，是目前可以栽培出較受消費市場喜愛的木瓜風味 (臺農二號), 又可以不受木瓜輪點病毒為害的方式。在網室內栽培雖可阻斷蚜蟲媒介病毒，但 1 公頃成本會增加六、七十萬元，而且網室遮蔽了一半的陽光，使得產品的甜味和風味都較露天栽培的差。另外，颱風季節時的農損也大幅墊高了果農的生產成本。
國內基改木瓜的研究始於 1988 年，由中興大學葉錫東團隊研發出可同時對抗「一般木瓜輪點病毒、超強木瓜輪點病毒、木瓜畸葉嵌紋病毒」的基改木瓜。它的原理是以遺傳工程方式，在 RNA 層次營造植物的免疫抗病毒性狀，也沒有可能導致過敏等的外源蛋白。雜交後，1996 年栽培出具雙重抗病毒的轉基因商用品種「新臺農二號木瓜」, 它是露天栽培，不需網室成本，因此產品木瓜陽光充足又抗病毒。
基改木瓜最早發展於美國，由康乃爾大學與夏威夷大學合作，以基因槍方式把木瓜輪點病毒輕症系統的鞘蛋白基因轉殖入木瓜。依據病原誘導抗病性理論，也就是把病毒基因體的一部分轉殖至寄主植物的染色體組內，使基改後的植株對木瓜輪點病毒產生抗性。
這基改木瓜品種避免了輪點病毒造成的慘重損失，為夏威夷番木瓜產業節省了 1 千 7 百萬美元，並於 1998 年起在美國販售，廣受歡迎。這一成就也帶來一些邊際效應，如農藥用量大幅度減少、環境因而得到改善、產量大幅度提高、生產成本同步降低等。
但夏威夷所研發的鞘蛋白基改木瓜，僅能對夏威夷的病毒株系有良好的抗性，對臺灣及其他地區的病毒則不具效果。葉錫東團隊「自立更生」以救助國內木瓜為己任，不幸地，其成果卻受制於多方因素，至今仍未上市。
對基改食物有疑慮 主因是不了解基因
去年 5 月，中南美洲咖啡樹遭受葉銹病侵襲而減產，因恐減產會導致數十萬種植與工作者失業，更怕他們會改行販毒造成社會動盪，因此美國緊急召集了科學家培育抗病品種。由於科學家對抗銹病已有經驗，例如在 2009 年找出了小麥的抗銹病基因，利用基改的品種不但大量減少噴灑農藥，又提高了效益，這一經驗的傳承迅速消弭了咖啡樹葉銹病即將帶來的災害。木瓜遭受輪點病毒攻擊後的外觀 (圖片來源：Wikimedia Commons)
咖啡銹病重傷咖啡的產量 (圖片來自 Wikimedia Commons)
國人對基改食品有疑慮，主因是不了解基因，例如，反對者誤以為進口黃豆是美國基改給家畜吃的，因此宣導「校園午餐要營養、不要飼料」, 其實美國黃豆不區分人或畜食用。另有人認為基改作物讓實驗倉鼠過敏、不孕，出現腫瘤及其他病變，但這些訊息全是國外的烏龍實驗結果，早已澄清。
基改志在幫助社會，但因一些誤解使得這一科技未能得酬，何其遺憾！ |
如何避免蔬菜中的硝酸鹽? | 兒子：火鍋湯好好喝ㄛ！媽媽：來！多吃青菜，青江菜、小白菜，給你！兒子：我還要喝湯！爸爸：老婆！聽說水溫愈高愈能去除蔬菜中的硝酸鹽，你青菜放那麼多，兒子拼命喝湯，這樣好嗎？媽媽：對齁！冬天到了，愈來愈多人喜歡吃火鍋。為了健康你可能選擇多放點蔬菜，不過，你知道水溫愈高愈能去除蔬菜中的硝酸鹽？這樣的湯能喝嗎？專家提醒，吃蔬菜時如果擔心硝酸鹽問題，最好先汆燙或經過「溫水」浸泡，今天科學了沒？帶你透過實驗更了解如何吃出健康。
蔬菜中硝酸鹽會致癌？目前沒有證據證明
多吃蔬菜有益健康，不過消費者擔心國內蔬菜可能因為過量使用氮肥而有硝酸鹽殘留的問題，雖然說截至目前為止沒有直接證據證明蔬菜中殘留的硝酸鹽會致癌，但是為了讓消費者能安心吃蔬菜，臺北市政府衛生局檢驗室最近特別做了一項實驗，如何去除蔬菜中的硝酸鹽？這個實驗選用的蔬菜是根據文獻上硝酸鹽含量比較高的青江菜、小白菜及萵苣來進行，分別以清水清洗浸泡 20 分鐘、溫水〈40 ~ 45°C〉浸泡 10 分鐘及煮沸熱水汆燙 2 分鐘等三種方式進行實驗，再以市售硝酸鹽試紙檢測硝酸鹽的含量，結果發現，以清水清洗浸泡 20 分鐘後，仍無法減少硝酸鹽含量；以溫水浸泡 10 分鐘，蔬菜中硝酸鹽含量約可下降 5 ~ 6 成，熱水汆燙 2 分鐘，硝酸鹽含量可下降約 8 成，也就是說一般我們用冷水浸泡是無法去除蔬菜中的硝酸鹽，臺北市政府衛生局檢驗室許朝凱主任說:「三個實驗結果發現，溫水跟熱水其實是有效的，尤其是熱水汆燙後它的效果去除力更高，可達 80% 以上，至於用冷水浸泡的話是沒有作用，在硝酸鹽部份，我們大概可得到這結果。」
硝酸鹽含量高的蔬菜 汆燙後再食用較佳
也就是說吃這些硝酸鹽含量較高的蔬菜，最好以汆燙方式食用，但如果要生吃或快炒等其他烹調方式，建議最好先以溫水洗淨與浸泡後，再烹調。不過冬天到了，民眾喜歡吃火鍋，加入蔬菜後這個湯還能喝嗎？許主任說:「由實驗可了解燙青菜的過程中硝酸鹽會跑到湯裡頭去，所以建議吃火鍋菜煮在湯裡，所以這個湯建議不要喝太多因為它也是有稀釋的效果。」
蔬菜是人類主要的營養來源之一，專家提醒，若要吃得安心，硝酸鹽含量較高的蔬菜，最好汆燙後再食用。(圖 / PHÚC LONG,Unsplash)
所以許主任建議吃火鍋時儘量避開硝酸鹽含量高的蔬菜，像是菠菜、莧菜、清江菜、小白菜、萵苣等，要不然每週食用一次較為恰當。許主任再次強調，從蔬菜中食用到硝酸鹽對身體健康的影響到目前為止還沒有科學證據證實有直接關係，所以請聽眾朋友不用太過擔心，只是如果你還是不想食用到含有太多硝酸鹽的蔬菜，則建議可用溫水浸泡，但時間不要超過 20 分鐘，以免蔬菜中水溶性的營養流失；或以汆燙蔬菜方式來食用，二種方式均可使蔬菜中的硝酸鹽減量。
此外，許主任提醒大家要多吃不同種類的蔬菜多補充維他命 C, 許主任說:「不要每天吃同一種蔬菜，儘量多元化食用，因為硝酸鹽關係，如果可多補充維他命 C 的物質可以阻止硝酸鹽在我們體內轉換成亞硝酸，就不會有影響我們人體健康的物質產生，多補充維他命 C 的水果或補充劑是很重要的。」
以上就是今天科學了沒？相信聽完今天的節目，你一定知道蔬菜要怎麼吃才健康，當然均衡飲食加上適度運動是一定要的，我是阿玫，下次再跟著阿玫我一起用科學聽見不一樣的視野，謝謝收聽，再會！ |
濾水書濾出新世界 | 英國廣播公司 (BBC) 新聞網、美國時代雜誌 (Time)、美國新聞周刊 (Newsweek) 陸續報導，美國維吉尼亞大學 (University of Virginia) 的一間研究機構，研發出一種書本，其中的書頁可以撕下來將一般水過濾成飲用水，目前第一批實地測試具有豐碩成果。
這種「濾水書」的紙張經過特殊處理，含有銀或銅奈米粒子，可以殺死水中的細菌；書頁以食用墨水列印兩種語言 - 英文及當地語言，印有濾水書的相關資訊，告訴讀者濾水書的使用方法。雖然銀離子濾菌已有歷史，但目前尚未有人將其附在紙張中用來純化成可飲用水。每頁紙可以從書上移除並塞進一個特製的過濾容器，以用來過濾純化；而每頁紙可以用來產生 26 加侖 (約 100 公升) 的飲用水，一本書可以純化相當於一個人四年份的飲用水量。
濾水書的使用方法 。將未除菌水 (一般水源) 倒入濾水容器中，其中濾水容器中間有一頁濾水紙，透過濾水紙可以將有害細菌殺死，得到可飲用水。(圖片來源：黃煒盛)
該紙張是由漂白後的軟木牛皮紙漿製成，厚度 0.5 mm, 而基重 (紙張磅數重量) 為 250 g/m2。在銅奈米粒子紙張 (Cooper Nanoparticle, CuNP) 或銀奈米粒子紙張 (Silver Nanoparticle, AgNP) 的製作方面，都是將未處理紙張浸置在鹼性離子溶液中 1 小時至 2 天。而鹼性離子溶液是將鹼性溶液與銅離子溶液混合，形成凝膠狀離子化合物；再將此化合物溶解到高濃度強鹼溶液中，以形成鹼性離子溶液。浸泡完的紙張再泡在去離子水 (將水經過離子交換膜，以減少酸鹼性的水) 中，以去除多餘的鹼。為減少所嵌入紙纖維的金屬離子，將紙張浸在 85oC 10% 含量的弱酸性水溶液 10 至 30 分鐘，取出後再浸置在去離子水溶液中一夜晾乾。
地表水具有較高的大腸桿菌 (每 100 毫升 500,000~1,000,000 CFU), 使用濾水紙後，在過濾大腸桿菌的部分，AgNP 紙張及 CuNP 紙張皆相當於可以濾掉約 99.9% 的大腸桿菌數量。對大多淨水實驗而言，紙張所釋出的金屬量是極微小的，銀粒子是 0.1 ppm, 而銅粒子為 1.0 ppm, 皆低於世界衛生組織飲用水限制。
美國維吉尼亞大學 (University of Virginia) 研究員丹科維奇 (Theresa Dankovich) 博士是這項技術的重要推手，她陸續在非洲及孟加拉等地區進行非營利推廣。目前，全球約有 6 億 6,300 萬人缺乏乾淨的飲用水，每年在世界各地因飲用細菌污染的水而導致數百萬人死亡，其中主要是兒童。
此外，也在南非、海地、迦納和孟加拉等 25 個水源地進行測試，即使有嚴重污染的水源，透過 AgNP 和 CuNP, 就可以達到 99.9% 的純度，使細菌水平媲美美國的飲用水。根據實驗結果，每張書頁可以過濾高達 100 公升的水；換算下來，一本「濾水書」可以讓一個人使用 4 年左右。
這項研究結果已發表於美國化學學會 (American Chemical Society) 於波士頓舉行的第 250 屆全國會議上。2015 年 6 月，丹科維奇和一個國際非營利組織 Bangladesh 合作，進行田野試驗，討論 AgNP 的家用商業化。在孟加拉國南部的幾個區，研究人員使用了以客戶為中心的調查，以獲取豐富內容來設計在使用文化上容易被接受的濾水容器，透過現場測試，濾水書使得大腸菌群計數呈顯著減少。
丹科維奇目前結合了她的化學知識、美國辛辛那提大學 (University of Cincinnati) 工業設計師，以及美國卡內基梅隆大學 (University of Carnegie Mellon) 環境工程師。「我們有一大堆設計，而我們正試圖減少數量，使它簡單化，」她說「在世界上，5 加侖桶有多種需求，所以我們進行各種容器的設計與實作。隨著這些應用產品，我們目前的重點在於擴大規模，從實驗室產品做成商業化成品。我們必須從 “酷化學” (Cool Chemistry) 到每個人都可以理解和使用。」(撰稿團隊另製有小動畫呈現於延伸閱讀中，歡迎點閱連結！)(本文由科技部補助「新媒體科普傳播：遇見無所不在的生活科學」執行團隊撰稿)
責任編輯：張尹貞
審校：張惠博部分地區不容易取得乾淨的水資源 |
民生檢測自己來 | 張國恩教授團隊研發的泛用型液體檢測技術可製作具有波浪狀的奈米結構 (圖右), 且是用獨家的塑膠射出成型技術製作 (圖左), 有很高的應用推廣性。
近年來隨著生活水準的提升，大家越來越關心食衣住行與自身相關的各項議題，尤其是與健康直接相關的吃的品質更是受到關注。也因此，近年來頻頻爆發的食品安全事件無不令人感到憂心忡忡。然而，當我們對使用的油、喝的茶或蜂蜜等的成分有所懷疑時，市面上卻沒有任何順手的檢驗用具能提供即時的幫助。
有鑑於此，中正大學機械系的張國恩教授與謝文馨教授合作，開發出一套成本低廉、準確度高、應用性廣且流程簡便的泛用型液體檢測技術，期能解決這類民生需求。張教授說，理論上現有的檢測技術已足以回應民眾所求，然而仍有些實務的問題需要解決，例如檢測精準度、檢測結果的時效性、檢測儀器的成本、檢測的專業複雜程度等。這些都是目前的檢驗技術面臨的窘境，要使檢測技術普及化還是困難多多。
著眼於此，研究團隊開發的這套技術就是規劃從上游的檢測元件製造開始，到末端的產品應用，都要能解決當前的困境。這套技術的核心方法就是製作出一種周期約 400 奈米的波浪狀光柵結構，檢測時，讓待測液流過這層結構的上方，再讓設計好的檢測光束能穿透這兩層物質。
當檢測光束穿透時，在交界面上會產生折射，接收端量測到的光強度會相應地減弱。張教授表示，當待測液中的目標物濃度改變時，折射的情況也會改變。研究團隊便利用這接收端光強度訊號的改變，反推折射率的變化，便能推算出待測液中目標物的濃度，達成檢測的目的。
張教授團隊的這套檢測技術有幾個特點。其一，檢測的精密度很高，液體折射率的檢測準確度能達到小數點後第六位，足以因應當前絕大部分專業檢測的需求；其二，核心檢測元件的製作成本非常低廉。張教授表示，要製作奈米等級的結構，以當前的半導體技術足以勝任，但是製作的成本可能要數十美元之譜。然而他們獨家研發的產品是利用一種特殊的塑膠射出成型方法，除了能製作奈米等級的結構外，又能大幅壓低成本至 1 美元以下，提升了商業化的可能。
這套技術的最大特色是有很高的應用性與推廣性。張教授表示，基本上只要是液體，這項檢測技術便能應用，因此只要設計好檢測光束、標的物的濃度與折射率、光強度變化之間的相互關係，便能簡單又精密地檢測。
幾乎所有生物、醫療或與民生相關的液態物質都能夠應用這項技術，甚至該團隊開發的生醫檢測晶片，幾乎只需要一滴待測液便能檢測。此外，該團隊也認為如利用 LED 技術，整體設備的成本更能大幅降低，也能縮小化。他們預期未來或可開發出可攜帶型的檢測設備，突破當前檢測領域中場域與使用者的限制。
張教授分享，這項技術的研發確實是受到食安問題的啟發，但發展到現在，最大的貢獻卻是在醫療檢驗的應用上。例如敗血症是一種致死率很高的病症，傳統的檢測技術需時 3 天才能有明確的結果，然而病患的黃金搶救期僅有 6 小時，這意味著醫生得被迫要盲下判斷進行緊急救治。但運用張教授的新檢驗技術，證實可在不到 1 小時內便能看到關鍵的檢驗結果，可積極地協助醫生做出正確的診治判斷。
張教授表示，團隊未來的目標是希望能研發出體積約印表機大小的家用檢測儀器，讓民眾能在家自行檢驗包含水質、食材成分等與健康安全相關的物質，為自己的健康安全做好把關。 |
惡紫之奪朱?「灰色食品」的科技與社會 | 我不是食品科學家，也不研究飲食文化，但這一兩年的食安風暴讓我有機會以科技與社會研究者的身分參與討論，分享食品管制的觀察 (參見本專欄〈科技與社會治理的遊戲規則〉與〈食品安全、信心危機與「標示不清」的身體感〉)。在文章中，我指出處理食安不能全靠科技，也需要社會反省。一味把科技從社會切離，甚至使它們對立，非但不能解決問題，更因為把這些問題看作獨立事件，選擇性詮釋科技，徒然折損科學社群日益脆弱的公信力。
幾個月下來這個狀況沒太多改變。媒體依然三不五時以廠商為修理對象，揭發「不當」的食物處理，而專家的澄清並不能扭轉它們的負面印象。
以 2015 年 9 月某營養午餐米飯供應商的「黑心」作為來說，因製備的抑菌考慮，該廠商使用含有反丁烯二酸與醋酸鈉的複方添加物「鮮保利」煮飯被媒體踢爆後，引發各界譁然。毒物科專家顏宗海醫師指出反丁烯二酸與毒澱粉事件的順丁烯二酸名稱相似，但結構對稱穩定，性質上也有很大不同，說它傷腎致癌是言過其實。另一位專家楊振昌則稱添加物過量固然引起腸胃不適，但因為該成分人體可以自行代謝，不必過度擔憂。
即便如此，主管的高雄市政府還是在第一時間要求廠商停止供應，防堵報導繼續發酵。從新聞稿可以看到這個決策後面政治與科技治理的複雜交錯。當局一方面放出「狀況已經掌控」的訊息，指出衛生局與食品藥物管理署 (台灣 FDA) 都有定期檢查該食品廠，並在事件爆發後再度會勘，根據一年多前的不良紀錄把產品帶回檢驗，有問題會從重懲處。
此外，衛生局根據管制權限區分，強調反丁烯二酸鈉是衛福部認定的合法添加物，但既然民眾有疑慮，會主動反映給中央，要求證明該添加劑沒毒性。在這之前，教育局則停止與該廠商合作，即使違約也在所不惜，因為「為讓學生、家長安心...... 沒有比讓市民食得安心更為重要的」。
以上處理顯示台灣選舉式民主的特性。對手法煽情的媒體，主管機關不能以官大學問大的威權心態，隨口一句「無法可管」或者是「依法處理」就想杜悠悠之口。而第一線單位更要小心應對，不能因「錯誤」的治理選擇 (比方聲稱添加物並無違法無須停止廠商合作) 影響社會觀感，引發更大的政治效應。畢竟在經歷無數的食安事件後民眾早已疲乏，不見得分得清這些事件的不同性質與問題點。但如果沒有妥善因應，政府的動作會被剪接重組，放大解讀成選戰話題，扯都扯不清。
另一方面，固然這些論述比以往的空洞宣示更有科技內涵，但是否就能推導出「安心」的結論則有待商榷。「食得安心」與其說是用科技來掛保證，毋寧是這類說法必備的光明結語。
事實上，在一片揪出「用藥水煮飯的廠商」與「縮頭裝死的政府」的撻伐中，也有文章回歸事件，思考產生這個尷尬狀況的原因。以「你願意為營養午餐出多少錢」的貼文來說，作者指出萬人團膳不是在家煮飯或者是辦桌請客的放大，它的準備程序完全不同。為了保持運送過程都能在抑菌狀態，廠商必須使用添加物，讓米飯符合衛生標準。因此，只要求停用添加物並不實際；它們也必須改變營養午餐的製備與運送方式。而一分錢一分貨，政府需要重新檢討開標政策，而家長也要有為此改變付出代價的準備。
但在努力爆料之餘，我們往往忽略以上這種在科技治理中同樣要緊的社會反省。台灣有豐富便利的飲食文化，但很少人思考其付出的代價是否與所得的品質相應。
以早餐店來說，多數店面僅配置兩三個店員，卻提供多樣餐點，要燒餅油條饅頭蛋餅沒問題，要三明治、烏龍麵與義大利麵也 OK, 還有豆漿奶茶咖啡等各式飲料。如果這些產品都以高標準層層把關，恐怕消費者得付出不小代價，但實際上卻非如此。這樣說：當我們在巷口早餐店就可以享用物美價廉，標榜「非基因改造黃豆」、「有機認證」, 或者是「安全屠宰肉品」時，心中可曾閃過一絲絲懷疑，想天下怎有如此好事？但大多數人選擇不深究這些「不敢戳的祕密」, 讓食安建築在含混政策與個人僥倖上，從而開出灰色食品的滋生空間。不說網路上傳布某家店名為「無骨」, 但只有一般炸雞的「無骨鹽酥雞」, 某國際連鎖速食店裡沒有奶的「奶昔」, 在稍早的茶安風暴中，《天下》雜誌便質疑台灣每年進口 3 萬公噸茶葉，占市場的四分之三，市面上卻幾乎不見有標示「進口」的產品。何以致之？這些茶葉當然沒有銷毀，而是透過「混茶」與各種產品 (茶包或罐裝茶飲) 化整為零消散在消費者的腸胃裡。
確實，了解灰色食品爭議的起點不是科技，而是身分與名目。以這次米飯事件裡的添加物「鮮保利」來說，它的主要成分反丁烯二酸在衛生機關的分類裡是中性的「調味劑」(具抑菌效果), 但商品名就使用比較正面的「保鮮」, 強調鮮度的保持。相反的，爆料媒體選擇誤用讓人想到人工與死亡的「防腐劑」或「防腐藥水」來稱呼這個產品，增強它的負面印象。
此外，法令對食品加工的見解與一般認知並不一致。在這次事件中，媒體認為烹煮米飯不算「加工」, 因此添加反丁烯二酸恐不合法。但根據「食品安全衛生管理法」, 食品添加物的範圍極為廣泛，可用在「製造、加工、調配、包裝、運送、貯存」等過程，涵蓋「著色、調味、防腐、漂白、乳化、增加香味、安定品質、促進發酵、增加稠度、增加營養、防止氧化」等用途。
因此，不光這次被說成「黑心」的米飯的製備方式與御飯團或盒裝白飯相似，甚至超市的盒裝豆腐也是透過添加物來製備 (參見《科學發展》504 期〈兩刃添加物–食品添加物的兩難〉)。媒體刻意報導這些米飯與其說是揭弊，不如說是假借「添加」的刻板印象，對它們選擇性地歧視。
而擴大來看，台灣不乏以揭弊為名，操弄汙名與社會排除的例子。比方說，愈來愈多的外籍勞工來台工作，媒體卻鮮少披露，只有當他們聚集在火車站，對一些人構成「威脅」, 或者是出現在菜單，聲稱某些食物 (與價位) 才適合他們時，這些人才突然現身。
這是什麼心態？社會學家 Erving Goffman 在他的名著《汙名》中，從可見性 (visibility) 的觀點把受汙名者分成「明貶者」(discredited) 與「可貶者」(discreditable), 後者的缺陷雖然不那樣明顯，但他們的社會身分與作為更不能忽視，因為這才是汙名深刻之處。
把這個看法引伸到食安，會發現灰色食品是食物的「可貶者」。它們並非「非法居民」, 卻飽受歧視，不時要洗去「不堪」的過去，矇混過關，企圖融入主流社會。
另一方面，撲天蓋地的食安論述凸顯主流社會對摻假 (adulteration) 的恐懼。「摻假」似乎隱含不誠實的印象，但這並不是「adulteration」的原意。「adulteration」原指把東西混在一起或錯置，因此灰色食品的問題不在於「假」, 而更類似《論語》裡「惡紫之奪朱」的情境：這些無所屬的物品不但挑戰既有秩序與分類，而且愈來愈多，令人不安。學名藥不見得遜於品牌藥，中藥的「偽品」(混用中藥方部分成分) 不見得比「正品」沒效，但大家就是無法接受這些「化外之物」, 用盡方法要它們現身，再把它們逐出視線。
回到現實，固然產品應該標示產地與成分，讓消費者有足夠的選擇資訊，但如果只是為了「淨化社會」而揭弊，任意把廠商隨手扣上「無良」帽子，製備過程視為「黑心」, 那不但無助於食安，更阻絕正常的商品供應與流通。數月前某知名胃散因被爆摻有「工業級」碳酸鎂 (與食用級相同) 而匆匆下架，導致民眾購藥無門，便是一例。
更值得注意的是產生灰色食品的政經架構。如同外籍勞工，這些食物的引進不但依循資本主義邏輯，更有市場需求與法規要求。我們有對輻射汙染食品的嚴格管制，但也有避重就輕的成分標示，有嚴格的有機食品認證標準卻無法管理不嚴謹的認證委託單位。於是，在眼高手低的政策管制下，灰色食物無可避免地成為健康論述的祭品。不管合法還是半合法，它們都不得不隱姓埋名，填補價格現實與貪求品質的想像間的落差。就這個意義而言，對灰色食品的無差別歧視不僅是科技問題，更是社會人心的反映。
還記得一部老電影〈假如我是真的〉(1981), 這部電影藉一個下鄉青年冒稱高幹子弟的過程，諷刺官僚耍特權走後門的怪象。雖然男主角周旋應酬表現稱職，但身分識破後他鋃鐺下獄，割腕自殺，留下「假如我是真的」的控訴。看電視恣意譏笑某些「黑心」食物以假亂真，但轉個台卻看到討論哪裡有便宜到不可置信，食材高貴到不行的吃到飽時，我彷彿聽到幾小時前才大快朵頤的炸蝦，正幽幽從肚子裡跟我訴說「假如我是真的」呢。 |
買「二手車」靠「大數據」–舊產業「SAVY」的新應用 | 「網際網路」自上世紀 80 年代起快速地發展，且全面地融入我們的生活，緊接而來的「智慧型手機」浪潮，更是推波助瀾地讓我們深陷「數位化」的世界。網路購物、轉寄 e-mail、facebook 打卡、瀏覽網頁、line 對話...... 這些我們現在習以為常的行為，其實都會伴隨著留下大量的「數位資料痕跡」, 隱然表現出我們個人的「行為特質」。
因此，如何處理、運用這樣海量的「大數據」(Big Data), 以作為各領域制定發展策略的參考或根據，已成為近年來相當熱門的話題。
「SAVY」公司創立于 2015 年夏天，這個團隊最初是由三個年輕人所創立，在短短不到一年的時間，其產品觸角就已經延伸到海外多國；而讓他們一炮而紅的秘訣，便是積極應用「大數據」概念的「autoInsight」, 這個成就也讓他們獲得 2015 年科技部「創新創業激勵計劃」(FITI) 之「創業傑出獎」。
「大數據」是企業自身的問題，而非技術的問題
Google、facebook..... 這些高度依賴「網路」與「數位資訊」的大公司，每天經手與存取的資料量，都如同大海般的巨大。如何處理與應用這些看似毫無用途、且又極其雜亂無章的數據，便是他們最大的挑戰。
事實上，這些公司已經在這些「大數據」的寶藏中找到某些端倪，並成功地獲得幫助：他們借由分析「使用者」的身份背景、使用習慣與偏好，去找出客戶可能感興趣的「主題」, 並推薦給合作的廣告商；這種把「適當的」廣告，盡可能傳遞給「可能有興趣」的族群，大幅提高了廣告的「效益」; 另一方面，消費者也可以減少接觸「垃圾廣告」的機會，並方便的獲得「有用」的資訊，這種雙贏的方式正是一個成功運用「大數據」的範例。
但事實上，並非每個公司都能從「大數據」中獲得好處，其關鍵就在於對「大數據」的迷思。「SAVY」公司的創辦人兼執行長汪庭宇分析說:「Big Data」的運用，必須靠三方面合作才能成功。首先，「企業」必須先釐清想要解決的是「問題」還是「需求」; 再由「數據分析人士」, 從海量資料中去篩選、歸納出有用的數據；最後，還得由具有相關專業背景的人士去判讀篩選的結果，才能轉化成實際的對策。
可惜的是，現階段有太多的大企業收集了一整屋子的資料，便期望「數據分析人士」能從中「提煉出」什麼好產品，這根本是緣木求魚的作為。
買二受車，不再只靠運氣
「autoInsight」是「SAVY」推出的第一個產品。產品的發想，即由公司創辦人親身的經驗而來：汪庭宇留學美國時，發現當地有相當大的「二手車」需求市場；美國人買二手車，有近三成的比例是在網路上找尋個人賣家，但因大部分人都是不懂汽車的，且交易時，多數人也只能參考某種內容單薄的「車輛歷史報告」, 但對於車輛的現況，卻是無法深入了解。雖然這是一種常態，但實際上卻存在著高度的風險。
汪庭宇因自己熱愛汽車，對汽車經驗豐富，便結合自身所學，與幾個志同道合的朋友，一同研發了「autoInsight」。「它其實是大數據的概念，在現實生活上的小應用而已」, 他如此解說。
「autoInsight」是一整套的資訊服務，它包含了某台車，過去「歷史報告」的意義分析，以及提供該款車輛，在各論壇與社群網站上的綜合評論。比較特別的是，團隊會在車輛上安裝一種「OBD」(On Board Diagnostic) 小裝置，在試駕的過程中，裝置會記錄下車子的各種反應數據；再透過這些數據的分析，便可客觀地了解車輛的實際狀況。這概念，如同對車輛進行一次基本的「健康檢查」。最後，團隊還可依照上述的訊息，去推測這台車「未來」可能的狀況，以供消費者做全面性的考量。
「autoInsight」現階段，雖僅針對個人在購買二手車時，提供一種全方位的資訊服務；但這種「OBD」所記錄的資料，長期累積之後，又可以轉變成另一種客觀的資料庫，又可為日後購車的人士，提供一個更貼近現實經驗的參考。
一流的團隊，開始時也吃鱉
「SAVY」團隊是由三位臺大資訊工程的高材生共同創立，雖然是學長與學弟的關係，但因志同道合，合作起來倒也相當有默契。他們三人在學校時期，即曾合作參加各項國內、外大型比賽，也獲得了許多亮眼的成績。離開校園後，三人分別進入不同公司就業與出國深造，直到 2015 年才再聚首，並成立了「SAVY」。
擁有如此頂尖的人才，兼具理論與實務的經驗，「SAVY」團隊的發展應該是前途光明的，但事實上並非如此。汪庭宇說道:「由於大家的背景相同，溝通良好，團隊成立初期，便很快地決定要利用『大數據』為核心來做。但由於這是一個觀念上的東西，團隊雖有分析能力與技術，國內大部分企業卻一時沒法接受我們。」英雄亦有無用武之地，團隊四處碰壁，最後他們改變策略，先縮小範圍，找一個現實生活中所遇到的問題，試著用這個概念去設計方法解決，倘若能成功，便可以用來說服其他客戶。如此，「autoInsight」便是他們破釜沈舟的產品。
「autoInsight」的發展也非一帆風順，團隊一開始在國內推廣時，也是到處碰壁，因為民情與法規都極不適合。調整方向後，把目標轉向美國市場，近半年來已獲得良好的評價；比較特別的是，團隊從未在美國以外的市場推銷過，但近期卻接獲許多其他國家公司的詢問，顯示「autoInsight」的概念符合需求，前景相當看好。
「新創」是條極其艱辛的路
汪庭宇回首過去這段經驗，認為從事「新創」事業，「人」是非常重要的：要有志同道合的一群人一起努力，並都要有永不放棄的決心，然而這只是最基本的；另外更需要注意的是，這群草創的人，最好不要是單一背景；亦即多樣化的背景，會讓團隊有更大的思考廣度與彈性。以「SAVY」為例，假設一開始能有更多不同背景的人才加入，團隊便不會太「自我感覺良好」, 遇到困境時，調整發展的方向與速度應該可以更快，不至浪費太多的時光。
最後，汪庭宇也特別提起科技部的「 FITI」大賽是一個非常重要的關鍵:「autoInsight」的獲獎，除了得到實質的資金補助外，更重要的，是透過這個活動，能讓團隊接觸到許多重要的「人」, 諸如業界重量級的「導師」, 以及雖在不同領域，但卻有相同情況的優秀人才，可以與其進行合作與經驗交流。
「大數據」是一個極新的概念，它雖源自以「數位」為本的科技業，但日後的應用範籌，應該可擴及到許多「傳統產業」; 此外，零售消費、媒體廣告、甚至政黨選舉，也許都有機會借此獲得全新的助益。「大數據」應用的下一個分支，是「推薦系統」, 它的概念是藉由分析個人過去諸多行為所留下的「數位痕跡」, 去「推薦」你未來可能「需要」、或是「感興趣」的東西；前述的「網路廣告」即是一例，而「SAVY」團隊也已經做好規劃，準備給大家的未來，提出更多、更好的「推薦」。
註 1: 汪庭宇先生創業團隊參加科技部「創新創業激勵計畫競賽」於 104 年第二梯次選中勇奪創業傑出獎殊榮，並獲 200 萬創業獎金。
註 2: 科技部推動「創新創業激勵計畫」之目的，在鼓勵我國年輕研究人員創業，引導高等教育研究機構建立創新創業文化，並營造研發成果或創意產業化的友善環境。該計畫每年舉辦兩梯次的創業團隊評選，每梯次遴選至多 40 個團隊，藉由系列課程與實作研習、國內及矽谷成功華人創業家與創投家擔任業師，並由國研院、3 個科學工業園區管理局提供原型開發支援、技術試驗場域、資源轉介服務等，經過 3 階段的評選及決選、小額創業資金挹注，以及舉辦天使創投媒合會，協助團隊創業。 |
葉綠素電池 | 食品要「有機」才健康，電池也要「有機」才環保。國內第一顆「葉綠素有機電池」誕生了，電力耗光了只要沾水 10 秒鐘後，又可以發電，因為是有機質，所以丟棄時可以在土壤中完全分解，不會造成環境的傷害。現在就讓我們從科學的角度來看看，葉綠素電池是怎麼發電的。內容大綱你發現了嗎？這裡面有一個共同的元素，就是葉綠素，我們知道，它是行光合作用不可或缺的重要元素，但是現在想要發電，葉綠素更是一個關鍵要素。那麼，葉綠素電池是怎麼發電的呢？電池裡主要以葉綠素聚合物做為電解質，加水沾濕後，利用不同的有機電極之間發生氧化還原作用，透過這個能夠導通電流的電解質，讓電子可以順利從負極流往正極，進而產生電流。那事實上，只要是水溶液就可以讓它發電，這包括汽水、豆漿、果汁、蘋果汁、醋，甚至於清酒，那如果在野外甚至於人的尿液，也都可以讓它發電。目前研究發現，若製成 1 顆 3 號大小的電池，電壓可達 1.5 伏特、電流達 150 以上毫安培，可以聽 MP3 約 20 小時，而 4 顆葉綠素電池，更可點亮單顆 LED 電燈約 9 天以上，或者白光 LED 投射燈整整兩天。這項發明也獲得 2008 年臺北國際發明競賽的金牌獎。葉綠素電池吸收太陽光的效率高達 95%, 而像一般的太陽能電池，實際上只能達到 10 ~ 15% 左右的效率。除此之外，葉綠素電池更符合環保要求，材料都取自大自然，不論是從榕樹葉、甚至路邊野草所萃取的葉綠素，都可製成葉綠素有機電池。因為它裡面主要部分就是葉綠素的有機成分，還有一些食品的東西，都是會自然分解的，所以又回歸大自然，並沒有破壞環保的問題。這顆有機電池的環保度勝過太陽能電池，也因為是可拋棄的有機電池，對環境完全無害。另外，原料成本低廉，只要沾液體就可以發電，比一般電池花費成本低，在一片省錢環保大作戰下，葉綠素電池也可以立大功。 |
大氣海洋流體力學 & 看見亂流:大氣中的雲雨過程 | 第一講【看見亂流：大氣中的雲雨過程】
講者：吳健銘 | 臺灣大學大氣科學系副教授
大氣中重要的亂流過程，是與天氣和氣候息息相關的雲雨過程，本次演講，將帶領大家，利用衛星與數值模式資料的呈現，來了解大氣中常見的層積雲，淺積雲，以及深對流的發展。我們也將討論，大氣科學家如何絞盡腦汁將這些過程，利用概念模型，在大氣模式中呈現其中的變化。
第二講【大氣海洋流體力學】
講者：郭鴻基 | 臺灣大學大氣科學系教授
低雷諾數或流速很小時，黏滯力對流場的影響大於慣性力，流體分層流動互不混合，稱為片流。當雷諾數較大，慣性力對流場的影響大於黏滯力，此時流體流動會不穩定，流速的微小變化容易發展增強，形成紊亂不規則並包含漩渦的亂流；一般傳統的認識，亂流是三度空間的現象。大氣海洋流體力學是二十世紀流體力學新發展領域，雷諾數很大而且受層化垂直結構與背景旋轉影響，並有顯著熱力或機械外力影響的流體動力學。大氣海洋流力的典範要義是二度空間亂流：受強外力驅使的層化與背景旋轉流體，其運動包含波動、位渦、不穩定度與非綫性尺度交互作用；其基本特性是非线性混沌學。非線性、多尺度、多變數的特性，大氣海洋的天氣與氣候是當今科學最尖端挑戰課題之一。 |
濾水新尖兵—薄膜技術 | 人可以 3 天不吃飯，但無法 3 天不喝水。「水」對生命如此重要，但你曾想過純淨的水是如何來的嗎？一般人也許認為那是自來水公司的事，我們只要打開水龍頭就好。然而，現今社會快速變遷，許多水中汙染物已非傳統淨水廠所能有效處理，例如重金屬汙染物與新興汙染物，長期接觸會造成身體的病變。
科學家們發展了一種叫做「膜」的科技，期望能透過它協助濾除這些傳統淨水程序無法有效處理的汙染物。「膜」的原理其實和紗布過濾雜質類似，也就是利用不同微細孔徑、不同材質的薄膜過濾各式各樣的汙染物，最終得到乾淨的水。不同的是，這些「孔徑」遠比我們想像的微小許多。
臺灣大學環境工程學研究所林正芳教授就是國內積極投入這方面研究的學者，他特別針對水中溶解性的有機物質「腐植質與黃酸」進行研究。
在河川、水庫上游的集水區常有枯葉、樹枝掉落地面，最終腐敗，經雨水溶解出腐植質與黃酸後流入水庫。這種分子量很大的有機物質，在傳統消毒過程中會產生不需要的副產物而影響人體健康。林教授研究利用「膜」的概念和技術先濾除這些腐植質與黃酸，然而在濾除時卻面臨一個難題─「膜」的過濾效果會隨時間逐漸降低。這是由於過濾的腐植質與黃酸物質會造成膜阻塞，而如何減低阻塞的影響以維持「膜」的過濾效能，也是近來科學家研究的方向之一。
透過研究，林教授發現利用「膜」濾除腐植質與黃酸的過程中，會同時產生有機質阻塞孔洞，在表面上形成另一種層積垢的「物理反應」, 以及不同種類的腐植質與黃酸和「膜」材質產生作用的「化學反應」兩種積垢情況。面對如此複雜的情況，他認為必須發展多種孔徑、材質的「膜」來應對。
此外，要解決這必然會發生的積垢阻塞問題，林教授提出了「針對情況、定期清除、防範未然」的做法。
林教授進一步發現，大孔徑的「膜」在過濾時容易有細小的阻塞物在孔洞間形成，而使過濾效果打折；以小孔徑的「膜」過濾時，阻塞物則常在它的表面形成。林教授強調，若能在形成不可逆積垢並阻礙到「膜」的過濾效果前就清除阻塞物，應是較有效率的做法。經由一連串研究和分析，林教授發展了完整評估與有效處理積垢的流程。透過定期、個別地針對大孔徑的「膜」施以藥劑清洗，溶解積垢，與針對小孔徑的「膜」清洗其表面，去除阻塞物，就能在最有效率的情形下維持濾水的效能。
在國外，法國巴黎自來水公司已成功運用「膜」的技術，先過濾河水中的溶解性有機質，再進行消毒，提供民眾飲水。在國內，林教授認為在河川、水庫等上游集水區域，可利用「膜」的技術先有效地濾除包含腐植質等消毒副產物的前驅物，這會對下游淨水處理效率提供不少助益。
他更期望，未來可以透過不同種類、孔徑大小與型態的「膜」針對汙水回收再用。這在面對水資源日益短缺的未來，為我們提供一個努力與思考的新方向。 |
神奇的奈米科學 | 奈米科技無疑是近十年來眾所矚目的新興領域。尤其近五年來，世界各國競相投入大筆經費，更說明了它的重要性。1999 年 6 月 22 日諾貝爾化學獎得主思莫雷 (Richard Smalley) 教授在美國參議院奈米科技聽證會上強調:「奈米科技對於人類未來健康及生活福祉的貢獻，絕對不亞於本世紀電子產品、醫學影像、電腦輔助工程、人造高分子材料等的總和貢獻。」正如微米科技在廿世紀所扮演的關鍵性角色，奈米科技已被公認是廿一世紀最重要的科技產業。
目前國內產、學各界，正如火如荼地推展研究與應用具有奈米尺寸結構的材料。奈米科技的發展已為基礎與應用科學，如物理、化學、材料、光電、生物和醫藥等，帶來重大的影響。同時在產業界，從民生消費性產業至光電、資訊和生物等高科技領域，也積極地與奈米科技的各種技術緊密結合，以期有更廣闊的發展。
經由各種不同的管道，一般人或多或少都聽說過一些有關奈米科技或是奈米科學的報導。1959 年 12 月 29 日，諾貝爾獎得主李察費曼 (Richard P. Feynman) 教授在美國物理學會的聚會裡發表演說，暢談沒有任何物理定律限制科學家在原子的微觀條件下改造、操控或組成物質，並大膽與精確地預言，科學家將從這些微小物質之中，發現許多新鮮及豐富的性質。
在介紹這一門科學之初，需要先清楚定義什麼是「奈米科學」。奈米的英文全名是 nanometer, 簡寫為 nm, 它與微米 (μm) 同樣是長度的單位。1 微米等於 10-6 公尺，在實際生活中，一粒質地很細的痱子粉，它的直徑就大約是 1 微米。而 1 個奈米就等於 1 微米的一千分之一，也就是 10-9 公尺。你能想像將那麼細的一粒痱子粉再平分成一百份或一千份是什麼情況嗎？姑且不論如何使用這麼小的粉粒，人的視覺在這時已經無法看到它們，必須要藉助於先進的電子顯微鏡了！把「奈米」與「科學」合併起來，乍看之下有一些突兀，怎麼會用那麼微小的長度單位來形容科學？事實是，這只是簡稱罷了。這是科學家近十幾年來為人類知識所開發出來的一項新領域，也就是探討與奈米材料有關的物理、生物與化學性質的學問，簡稱奈米科學。
奈米材料的基本定義
奈米材料和一般的材料又有什麼不同？我們知道，傳統的材料依性質與功能來分類，約可分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、複合材料、半導體材料、生醫材料...... 等。然而材料有大有小，傳統材料的大小都在微米以上。顧名思義，奈米材料專指奈米大小的材料。讓我們說得更仔細一些，任何材料的尺寸，三個維度之中，至少一個維度的長度是奈米級 (也就是介於 1~100 nm 之間), 就稱之為奈米材料。
除了尺寸的限制之外，奈米材料在結構上可以分為以下三種形式：顆粒狀 (代表零維奈米材料，0D)、柱狀或線狀 (代表一維奈米材料，1D) 以及層狀 (代表二維奈米材料，2D)。舉例來說，為何稱「一維」奈米材料？因為該材料在空間的三個維度中，有一個維度的長度並不一定局限於奈米尺度。同理，零維奈米材料代表其三維都受限於奈米大小。而二維奈米材料代表材料的三維尺度之中，有一維 (也就是厚度) 必須局限於奈米大小。因此，奈米材料就是至少一個維度是屬於奈米大小的材料。
奈米材料與傳統材料在其他方面具有許多相似之處，例如它們基本的組成單元是原子或分子，同時這些組成單元在材料內空間的相互位置，有規則性的或是不規則的，前者稱為結晶型，而後者稱為非晶型。既然奈米材料的組成單元為原子，那麼常常有人會問：奈米材料到底具有少個原子？我們知道，一個原子的大小，大約是介於 0.1 至 0.2 nm 之間，那麼一個奈米材料粒子中所包含的總原子數到底為何？我們以球形的「金」奈米粒子為例，金的原子半徑為 0.16 nm, 一顆直徑為 5 nm 的球形金奈米粒子便包含大約 3,800 個金原子。
奈米材料的基本特徵
了解了奈米材料的基本定義之後，有人可能會問：難道奈米材料的特色就僅止於尺寸小嗎？為何就憑它「小」, 這幾年來世界各國都投入巨資推展相關的科技呢？經過十幾年的研究，科學家非常確定地告訴世人，當材料尺度由巨觀到微米，再縮小到奈米時，它所代表的意義並不只是尺寸的縮小，許多嶄新而豐富的物質特性，如光學性質、磁性、電性、導熱性等，亦隨之出現，因此也就衍生了許多新的應用。
奈米材料的小尺寸，造就了表面原子數激增 (也就是說表面積對體積的比例大增) 與量子效應的出現兩個基本特徵。
我們首先看看表面原子數激增的現象。許多材料的性質與裸露在材料表面上的原子數有直接的關係。例如，非均相催化性質，要求反應物有效地吸附在催化劑的表面上，以利催化反應的進行，以及化學感測器的靈敏度經常與感測體的總表面積有關等。當奈米材料的表面積對體積的比例大增時，自然使奈米材料成為注目的焦點。我們用金和鈀為例，金與鈀的原子半徑分別為 0.16 nm 及 0.12 nm。附表是估算所得的，在不同大小奈米粒子中的原子數和在表面上的原子所占的比率。從這個表中的數字可以看出，粒子越小，裡面的原子數越少，暴露在表面上的原子所占的比率就越高。當奈米粒子的粒徑小到 1 nm 時，其中的原子，幾乎全部是暴露在粒子的表面上！奈米材料的另一基本特徵便是量子化效應的出現。量子化是微觀世界中一個普遍的現象，它敘述微觀世界的物質所可以具備的能量或是其他的參數，不會是任何一個值，而是量化的，也就是不連續的。這個量化的現象不同於巨觀世界中能量是連續的狀況。對奈米材料而言，當材料的尺寸由巨觀縮小至接近於數個原子或分子的大小時，其能量狀態的分布由連續轉變為量化的狀態，繼而明顯地影響奈米材料的許多性質。我們以著名的半導體奈米粒子的量子局限效應來說明。
半導體材料分為純元素半導體以及化合物半導體，純元素半導體以矽與鍺為主，而化合物半導體則有兩種形式：IIIV 族半導體與 IIVI 族半導體。前者是由元素周期表中 IIIA 及 VA 族的元素所組成，例如氮化鎵等；後者是由元素周期表中 IIB 及 VIA 族的元素所組成，例如硒化鎘等。半導體材料具有一個很基本的電子結構特徵，那就是電子存在的價帶以及在室溫下並不存在著電子的導帶。二者之間的能量間隙，一方面不如導體的能量間隙那麼小，另一方面遠不如絕緣體的能量間隙那麼大。
也就是因為這項特徵，使半導體材料的電子傳導特性可以經由外加的驅動力而調整。例如，材料可以經由加溫或是照光的方式，使得在價帶的電子吸收能量而激發到能量較高的導帶，導帶中的電子就如同金屬的自由電子一般，具有導電的特性。這個可以經由人為操控的特徵，使得半導體材料衍生出非常多且有用的物理特性，更發展成為各種用途的元件及產品。
當半導體材料縮減成奈米粒子的時候，會有什麼量化的現象呢？科學家在研究不同粒徑的半導體奈米粒子的能隙特性時，發現一個現象，就是當粒徑減小時，粒子電子結構的能量分布出現逐漸分散的能階態，而非群聚式的能帶，也就是說在價帶與導帶之間的能隙越變越大。科學家發現要將不同粒徑的半導體奈米粒子的價電子以照光的方式激發至導帶，所需要光的波長就有所不同，也就是如前面的量化現象所述，粒徑越小的粒子，能隙越大，也就是需要的能量越大、波長越短的光。
當硒化鎘奈米粒子的價電子經由照光激發至能量狀態較高的傳導帶之後，會自發性地將能量釋放而回到較穩定的價帶，這能量的釋放是以光的形式進行的。前面說過，因為粒徑的不同而造成硒化鎘奈米粒子具有不同的能隙大小。相對地，亦會因為粒徑的增大，而釋放出波長較長的光。因此，我們經由製備不同粒徑的硒化鎘奈米粒子，便可僅僅因為粒徑大小的不同，而釋放不同顏色的光。由此可知，量子局限化效應造成半導體奈米粒子具有如此特殊的放光性質，實在非傳統材料所能達到。目前半導體奈米粒子的光學性質已應用於諸如奈米雷射、生物醫學檢測 (經由與蛋白質或 DNA 分子的吸附) 等許多方面。
「小」就是美
再舉一個奈米粒子具光學特性的例子。「黃金」是非常受人喜愛的金屬，姑且不論它對於人類生活的價值與影響，黃金色澤本身在金屬材料中就深具代表性。如果將黃金研磨到超微細的程度 (奈米粉體), 這個黃金色澤便完全消失，紅色隨即呈現出來。金奈米粒子的「紅」, 已經利用在很多方面，例如與生化分子結合而應用於檢測的技術。最被大眾熟知的例子便是提供驗孕片的呈色之用。
金奈米粒子的紅色，也是量子效應之一例。針對可見光與金奈米粒子的相互作用關係來看，當粒徑等於或是大於入射光的波長時，粒子會吸收及散射入射光；但是當粒徑遠小於入射光的波長時，吸收的效應就相對地大多了。我們知道，可見光的波長範圍大約在 400 nm~700 nm, 這些波長比金奈米粒子的直徑都長，但是金奈米粒子並不會吸收所有的可見光，它會特別與 500 nm 波長附近的光作用 (正確地說，是發生「共振」!), 吸收這些光的能量之後，金奈米粒子的自由電子雲會因而被極化，隨著光波的頻率震盪。因為吸收了較多的綠光以及藍光，所以分散在水溶液之中的金奈米小球會呈現清楚的紅色。
值得一提的是，金奈米球對於 500 nm 波長附近的光作用非常強，也就是吸收係數非常高。有趣的是，若是粒子的形狀不同於對稱的球形，例如圓柱形的金奈米粒子，也就是一維金奈米粒子，那麼這個共振的頻率會變得非常的不同。科學家發現，只要粒子長短軸長度的比值愈大，或是說粒子的長度愈長，便會吸收較長波長的光。只要能夠操控金奈米粒子的形狀，其所呈現的顏色就會有相當顯著的變化。
「奈米」指物質實體的尺寸，也代表被物質所局限的空間大小，兩者具有同樣的重要性。一個最近的奈米生物技術的例子：未來的人造胰臟，說明了運用後者的美妙成果。利用現今的微機電技術裡的光刻技術，製造一種穿透膜，其中布滿了微細的孔洞，其孔徑大小是均勻的 18 nm。若是將胰腺細胞裝進布滿奈米孔的膜中，因為極微小孔徑的關係，使得埋在其中的胰腺細胞所分泌的胰島素以及其他的小分子如氧和葡萄糖得以順利穿透進出薄膜；但相對地，人體內免疫系統所分泌的較大抗體分子如免疫球蛋白 G (immunoglobulin G) 卻無法穿透而入，破壞胰腺細胞。這很可能是糖尿病患者的一大福音。
附錄
費曼教授於 1988 年去世，他除了非常不拘的個性與思考使世人印象深刻之外，在他逝世後辦公室的黑板上，還留有一些粉筆字，其中包括值得玩味的一句話：What I cannot create, I do not understand.(意即：我不能創造的東西，代表我並不了解它。)
其實對於原子或分子而言，其長度的單位是以「埃」為主。1 埃 = 0.1 nm。
我們以球形的奈米粒子為例，若是其半徑為 r, 所含的原子總數為 n, 那麼
奈米粒子的表面積為 S = 4π.ro2.n2/3, 其中 ro 為其組成單元原子的半徑。
奈米粒子的表面原子數為 ns = 4n2/3
表面原子數占總原子數的比率 (F) 為 F = 4/n1/3 |
溪流河川:川流不息的臺灣溪河生態 | 看我們的活水台灣
台灣是個有山有水，又有鳥叫蟲鳴、魚游蛙跳的美麗島，坐落於太平洋中。在地球板塊造山造地後，我們先民飄洋過海，在台灣定居生活，發展至今。
我們都是大自然之子。台灣的自然環境，涵養了山林流水，孕育了繽紛的生命，也養活了世世代代在這塊土地上生活的台灣人民。
您喜歡山、喜歡水嗎？我從小生長在台灣有山有水的鄉下，就喜歡遊山玩水；我常玩的水，就是台灣溪河的流水。回憶五十年代，家鄉的溪河，清澈有魚有蝦，還有洄游的毛蟹等。童年的兒歌:「我家門前有小河，後面有山坡；山坡上面野花多，野花紅似火，小河裡有...」, 就是當年台灣山林流水與農村鄉野的寫真。曾幾何時，陪同我們成長的台灣溪河，在經濟大開發之際，普遍遭受濫墾、濫伐與濫建的傷害，也常淪為排放污、廢水的水溝。這些人為導致溪河環境變遷的結果，最先反映在魚蝦蟹貝的死亡、生物多樣性降低等生態危機上，也逐漸反映在近年來台灣許許多多的環境災變上。
您了解溪河的形成與演替嗎？您能體會溪河生老病死的情景嗎？您關懷台灣溪河與台灣居民的關係嗎？源流活水哪裡來
地球上，有許多分布在各地的溪河。溪河的水源，主要來自天空的降雨或降雪，有的則為地下水。當雨水、雪水或泉水在地表出現時，部分的水會被植物的根或土壤所吸收；而不被吸收的部分，則形成地表的「逕流」。當其往下在窪溝中流動時，水就會愈聚愈多，形成一條小溪河，而許多小溪河又逐漸匯聚而成較大的河流。
對一般人而言，在高山谷地的小型流水，通常稱為山澗小溪或無名溪；在丘陵平野較窄較小的流水，則稱為小溪或小河；而較寬較大者，多稱為大河。
在台灣本島地區的溪河，有「河」字的流水，只有淡水河 (含支流基隆河)、冬山河、宜蘭河、田寮河、三峽河、牛攔河、愛河等少數幾條外，其他幾乎都使用「溪」字來命名，如蘭陽溪、頭前溪、後龍溪、大安溪、大甲溪、烏溪、濁水溪、八掌溪、曾文溪、二仁溪、高屏溪、立霧溪、秀姑巒溪、花蓮溪。我們是不是可以憑這些中文名字，直接分辨這些流水的河川等級、水量大小、河道寬度與長度，或作為以往水利單位劃分主要、次要與普通河川的依據，以及近年來改稱的中央管理或縣市管理的河川呢？其實不然！因為這些溪河，並不是依據科學上數據資料而命名的，許多是沿用先民的俗稱而來，並沒有嚴謹的命名法。在習慣上，一般將流域主流最長的溪河，稱為「最長河」; 流域面積最大者，稱為「最大河」。另外，也可依流域年平均逕流量或水力蘊藏量，描述溪河的相對大小。在台灣本島河流中，「最長河」為中部的濁水溪 (174 公里),「最大河」, 則為南部的高屏溪 (面積 3,290 平方公里)。
歸納來說，溪河在不同地區，有不同的界定與稱呼。對於這些落在或湧出地表的水，由於重力的關係，沿著窪溝斜坡向下逐漸匯集而成的流動水體，地理學者常稱之為「溪河」、「河流」, 水文學者與水利單位多稱之為「河川」, 生態學者則統稱為「流水」或「溪河」。其實，對一般民眾來說，這些溪河名稱的源起，可以查詢各地鄉土誌或是詢問鄉親父老，而大家更要關心的應是：這些溪河，對自然界及我們生活在台灣的重要意義與影響。
流水有什麼重要
溪河，是地球中大氣、水與土交流而形成的。這些在大地上的流水，是自然的生態藝術傑作，也是全球水循環中極重要的一環，關係著地球萬物眾生的生態際遇及演替。溪河，在大自然中自我形成獨特的生態系統，對人與大自然都有不可或缺的重要價值與影響。
我們都知道：生命不可缺少水！沒有了水，人與野生物，也都不能存活。大地上的水，可以概分為溪河流動快速的流水與湖潭流動緩慢的靜水。雖然全球溪河僅占地球表面千分之一的面積，也僅占全球水資源總量的萬分之一，但是在許多國家、地區中，溪河的流水卻是人民及其他野生物賴以為生的主要水資源。溪河與人類文明的發展過程息息相關，而且交互影響。尤其對四面環海的台灣而言，溪河中的淡水資源，與台灣自然環境的涵養交流及社會的生存發展，更是緊密相關。
在台灣地區，我們除利用溪河的水體做為民生的飲用水源外，還利用它做為農畜供水、水產養殖、水力發電、交通航運。另外，也為人們在忙碌之餘，提供觀光、游泳、泛舟、露營、垂釣等的休閒遊憩。溪河之於人類的水體資源價值，就包括了生活用水、農業用水、工業用水、遊憩用水、水力發電、交通運輸等功能。其實，溪河對於許多人來說，也是心靈的泉源。古今中外，許多聖詩史實與交響樂章，即取材於溪河。所謂的「黃河之水天上來」、「大海不舍涓流」等自然情景，類比到台灣溪河的水，也是天上來，大海去。這些活水不舍晝夜的流動，又經蒸發與蒸散等作用，再回到天上，真可謂「回天有術」!
此外，常被人遺忘或忽視的是，溪河之於大自然的意義，除了提供大地植被生長的水分外，也是許多藻類、魚類、蝦類、兩生類、水生昆蟲等野生物棲息、攝食或生育的場所。台灣原生種野生物棲息的溪河環境，就是最自然的種原保存地。這些溪河的生態流量，是大地的環境用水，具有維持自然生態結構與機能的價值。
溪河匯聚了珍貴的水資源，也孕育了溪河生物多樣性，這些都是大自然的寶貴資產，應善加愛惜與保育。可惜的是，數百年來，人與溪河的互動，逐漸惡化與疏離，主要歸因於人對溪河環境生態的破壞。
台灣溪河有多少
台灣地居亞熱帶，降雨豐沛，加上山勢陡峻的地形特色，產生眾多的河流，是全島最明顯的地表景觀、最主要的內陸水體，同時也是台灣環境中極具代表性的自然生態體系。
台灣本島河川眾多，均發源於中央山脈，且均直流注入太平洋。獨流入海的大小溪河，總計四百多條。這些大小溪河在主、支流各集水區所形成的水系，統稱為「河川流域」或「河系」。
多年來，台灣省政府依經營管理 (如治山防洪和水利建設) 的需要與流域狀況，曾將台灣本島 129 條河川訂為重要性河川，並將其區分為 21 條主要河川、27 條次要河川及 81 條普通河川。而今，政府配合河川管理權責，將台灣本島 118 條河川，重新劃分為中央管河川 (24 河系)、縣市管河川 (91 河系), 另有 3 條河系跨省市，目前由經濟部及台北市政府分管。面積合計達 2 萬 8,429 平方公里，約為台灣面積百分之八十。無論這些河川管理分類方式如何改變，這些在台灣各地分布的大小溪河所形成的河系，都是台灣最重要的水資源命脈，滋潤了土地與生命，成就了台灣的社會與經濟發展。
台灣溪河有什麼特色
台灣位於北太平洋副熱帶季風區，氣候溫暖，除少數高山偶有降雪，主要的降水仍以降雨為主，全年總雨量豐沛，成為台灣河川主要的水源。換言之，台灣河川流域屬於雨源型，各區域河川受到地形、季風與雨量等氣候因素的影響。
台灣地區全年總降雨量雖然豐沛，但在季節和區域分布上，卻不平均。各區域河川由於受到地形、季風與雨量等氣候因素影響，形成明顯的豐水期與枯水期，河川流量豐枯變異懸殊。台灣河川的豐水期多出現於每年 5 月至 10 月的濕季，而枯水期則多在 11 月迄翌年 4 月。在季節分布上，乾季時雨少而蒸發量大，許多台灣高山源頭溪，水量消失，河床裸露，而雨季時則水量充沛湍急，成為季節性的間歇河。在空間分布上，台灣南部區域河川的流量豐枯變異，又比其他區域河川更大。
台灣地形多高山、且坡度大，加諸地質不穩定及雨季集中，使台灣溪河普遍具有短促流急、豐枯流量懸殊、侵蝕作用旺盛、 河水含砂量高等共同特徵。近百年來，台灣許多民眾逐漸在集水區居住與大規模開發，明顯影響到溪河的天然地文、水文與水質，進而改變原有的自然生態，甚而危及沿岸居民的生活。看看台灣山區土石流問題的日益嚴重，就是溪河生態環境被破壞而使水土沖蝕與水文失調的結果。我們生活在台灣的人，必須了解台灣溪河生態與水文環境的互動關係，也必須做好森林保育與水土保持工作，才能讓我們家鄉溪河的水文穩定。
家鄉河水怎麼變質了
溪河中水體的品質，簡稱水質，通常是指流水的化學物質與熱能等含量。溪河的水質，主要決定於河水流經的地層特質以及植被覆蓋，並受到野生動物與人類活動的影響。對台灣島內的流水而言，溪河的水質，大致可以從上、下游與人為影響等層面來說。
台灣溪河上游源頭溪的水質，在天然狀況下，林冠的罩蓋度高，水流湍急，水溫低，溶氧量高；當雨季豐水期時，沖蝕力大，水體中的懸浮固體物含量與混濁度增加，水體的透視度也就降低。這種現象，在人為的濫伐、濫墾、濫建之下，更為明顯。台灣溪河下游的水質，除受到天然地文、水文、植被等因素影響外，也有海洋潮水在感潮河段的影響效應。而人類在下游的開發與社區生活方式，更影響到了水質。
台灣河流的水質，受到水文枯豐變化而有極大差異，通常在 10 月至翌年 2 月間的乾季，河水流量小，因此其自淨力和排污力都遠較豐水期為小。早期大多數國人欠缺文化素養和環境保育觀念，河川常被視為棄置廢物的方便處所。這種將河川視為排水溝的生活習性，不是忽略了就是高估了河川本身的生命力。而長期以來，源自家庭以及各事業的垃圾和污、廢水，多未處理即逕行隨意的排放到河川中，造成河道淤塞、河水稀釋及自淨作用降低，導致河川污染程度與日俱增。
台灣河川水質的污染情形，反映了集水區人為活動的類型。目前上、中游的水質，因為土地開發及人為的影響，以農業活動所致的河水優養化，及礦業與砂石業所導致的水土流失為主。而下游的水質，顯然以受到家庭和工業等廢棄物的污染為典型。污染的程度，在河川水流量大幅減少的枯水期，尤為嚴重。而在各區域河川所興建的水庫，也普遍出現優養化的情形，都急需環境污染者──我們的搶救。
台灣溪河怎麼演替
我們生活於海洋台灣的生態島上，對於家鄉溪河，除了生活、文化上的情感外，是不是也了解這些溪河內涵的生態特色呢？我們可以從溪河的上、下游，來檢視台灣溪河演替的因素與趨勢。
在上游溪河的水域型態上，我們可以見到不同類型的生物，也常棲息在不同的水域中。台灣溪河的上游，主要發源於山林地區，這些源頭的森林溪河坡度較陡、水流湍急，而且底質多為中、大型的石塊。在這些水與石激盪出水花的地方，就是我們稱呼的瀨區。這些淺瀨或急瀨區，水中溶氧量高，加上有巨石的底質可附著，因此常是許多藻類與水生昆蟲賴以生活的棲息地。由於上游森林密佈，透光度極低，限制了光合作用的進行，使得水生植物往往無法在該處生存。而在透光的源頭溪段中，由於坡陡與水急，通常也不適於一般大型或浮游性水生植物生存，能存活的只有附著性的藻類。這些藻類為河流上游重要食物的生產者，主要附著在河床的岩土、沉積於河床的樹幹與落葉上，或其他動植物體之類的基質上。
此外，在高山溪河中，也有一些乍看之下好像一灘死水的水潭，其實也常是許多溪河生物的另類生活棲地。這是因為溪河源頭的活水，流到了這兒，將各種的營養鹽、養分與能量帶到岸邊的洄水潭中，再加上溪河兩岸森林掉下來的枯枝落葉慢慢被分解，洄水潭中就有了豐富的營養來源。這些豐富的食物、緩慢的水流，常成為許多溪河生物絕佳的孵育場所。
台灣溪河的下游，是由上游主、支流的水體逐漸匯集而成。因此，中游的溪河，部分受到上游連續的影響，部分受到下游集水區的影響，而有不同的生態演替。台灣的溪河由上游山區進入下游平地，河道逐漸開闊、坡度趨緩，因而像深潭之類的緩流型水體漸增。由於透光度以及水量的漸趨穩定，大型有根固著型的水草及浮游性藻類，明顯地取代了附著性藻類在河流下游的優勢地位。由於急流型的水域變少了，許多上游適合低溫與急流型的魚類與水生昆蟲，逐漸被體型較大的魚類或其他底棲生物所取代。此外，我們人類在溪河下游的活動痕跡，也越來越明顯。許多房舍、橋梁、道路的興建，農耕活動以及家庭污水的排入，對於溪河來說，都是一種環境壓力，也都會產生不同的生態影響與演替。
值得我們關切的是，台灣溪河原本是一條動態且連續的生態系統，而河口是河海相交形成的生態交會區，不僅有河川下游的生物，也有一些迴游性的海洋生物，生產力非常地旺盛。面對豐沛的生命力，我們不要再將河口視為城市的邊緣地帶，堆積垃圾的地方，我們要好好珍惜河海交會出的自然生態。
家鄉溪河怎麼生病了
台灣的溪河孕育了無數珍貴的生命，豐富了美麗寶島的生態，也豐富了我們的生活與生產。過去我們在努力提升生活水準的同時，並未顧及維續台灣溪河的生命。一條原本奔流的溪河，一個原本自然的生態系統，就在我們有意無意的破壞中，逐漸受到傷害而死去。寶島的溪河，究竟面臨了什麼生態問題呢？如果您有感於土石流對台灣造成的傷害，您是否也聯想到土石流災害背後，所反映出的台灣溪河集水區環境的破壞？目前台灣溪河所面臨的生態問題，主要歸因於人類在集水區的活動。在上游，以不當的森林砍伐與開發為主因，而在中、下游，則與工商業和家庭活動關係密切。當溪河的外在環境受到人為的干擾、破壞與污染後，就明顯地影響到溪河本身水域的各種生態，並造成溪河生物族群的減少與死亡。
台灣溪河的上游，原本是林濃草密的野生地，在人類農業活動上山後，就改變了溪河的自然生態演替。例如，台灣的農地、草地和花園等，經營者常使用大量的農藥、化學肥料及家畜糞便，增進作物的產量或維護綠地。這些富氮、磷等的營養物質，常被沖刷流入河水中，形成硝酸鹽和磷酸鹽等營養鹽類，促成藻類或水草等植物的大量繁生 (俗稱藻華), 這些現象就是所謂的河川「優養化」症候群。藻類和水草雖然是河川生態系統中的生產者，但數量過多時，常會影響原有生態系統的運作；而當其死後，又會耗去大量的氧來分解。台灣許多溪河出現優養化的藻華，就是有機物污染的指標，常破壞原有溪河的自然景觀與生態。
在台灣溪河的中、下游，是人類經濟建設與城鄉發展的主要河段，因此面臨開發工程與工業污染的環境壓力。早年台灣溪河有許多水利工程建設，如防砂壩、水庫或攔河堰等，只顧及人類的水利，而忽略了其他生命的存活。這些早年種下不善的因，就造成現在台灣溪河生物多樣性喪失的果。這些防砂壩和水庫，分割了溪河的生態廊道，也阻絕了許多水生動物在溪河溯游的通路。此外，台灣在工業上大量抽水，常造成水源枯竭，而其排放的廢水又常含高濃度的環境化學毒物或熱能，嚴重污染水源，導致河川水生物急劇地死亡。這種生態衝擊，在久旱不雨的枯水期，以及缺少衛生下水道的河段，尤為嚴重。
此外，我們引進許多外來種水生物，在觀賞或食用後，多已經由放生、放養或棄養等途徑，侵入台灣溪河，造成所謂的「生物污染」。這些外來種的水生物，對台灣原生種生物威脅極大，並已在溪河生態上造成嚴重的影響。值得慶幸的是，在台灣溪河生態保育的意識興起後，早年各地常見的毒魚、電魚等不當行為，已逐漸減少了。希望生活在台灣的我們，能本著尊重生命的生態倫理，好好守望台灣的溪河，免於人為所造成的傷害與病痛。
【活水台灣】
我靜躺在太平洋上
期待澎湃的潮水，在身旁婆娑
我仰望天上的行雲
期待落凡的雨水，在身上 SPA
這些在我體表逕流的活水
豐沛了肌膚的水舞，也激盪了
我對潮水、雨水、流水與生命關連的生態想像
許多人好奇的探究:「我」是誰
其實，就是許多生命依存
生活、生產與生態的
美麗之島
【落凡】
妳是上天的雲仙子
天上朵朵的行雲
是凌空雲霧的妳
山頭林林的天際
妳繚繞的迷情，躲躲又藏藏
蠢蠢欲動的妳
將會被我酷酷地感動
成了落凡的水仙子，雲氣活現
在我的山谷心底裡留下來
【溪河之爭】
是溪大，還是河大？大家多認為：溪小、河大
一般多說成：小溪、大河
不過台灣桃園縣，也有大溪
不過有句歌詞也說：我家門前有小河
為什麼
我小溪比你大河，先形成
許多人還叫我的小溪名
一直到我的度量變大
才換成你的大河名
為什麼
我的水力蘊量最豐沛，仍叫我大甲溪
我的流域長度最綿長，仍叫我濁水溪
我的流域面積最廣大，仍叫我高屏溪
為什麼
你的水力、長度、廣度都比我小
在北台灣，仍稱你淡水河、冬山河、宜蘭河
在南台灣，仍稱你愛河
還是他好
都稱呼我們：流水或溪河
【心水相映】
如果我們願意親近溪河的水世界
達到的不會只是腳步
如果我們願意靜觀溪河的水世界
看到的不會只是流水
如果我們願意傾聽溪河的水世界
聽到的不會只是水聲
那麼我們還會由衷感受到
許多生命相互在溪河裡
自然發生的喜悅
這些人們在溪河環境中
生態交會的自然體驗
是良性循環的互動
是珍貴無價的收穫
【出遊】
妳來自山裡
森林是妳的原鄉
妳為峻峭群峰擁抱
妳為濃林密草呵護
大地是妳的河床，任妳自在逍遙
地上滾滾的流水，是匍匐前進的妳
石頭是妳的襯底，與妳對話
生物是妳的夥伴，陪妳出遊
我觀妳來自內山的流水
點點滴滴，匯成清流
一路披著林冠葦髮
跌跌撞撞，潺潺淙淙
遮遮掩掩，搖搖擺擺
在我的山林心路裡流轉
在我的谷地平野裡舒展
顯露出妳逐漸豐腴的形體
【流浪之歌】
妳是大地發行的流水
風雨出巡，不斷遊走
流浪在太平洋之島
我觀妳這台灣源流活水
是否被人蹧蹋，流失水石
是否被人攔截，蓄成水庫
是否被人按上管線，流放他鄉
在山區土石裡亂流
在人家水槽裡浪費
在街道陰溝裡暗流
在農田溝渠裡消逝，還是
放養在任人消費的蔬菜水果裡
看妳這大地的流浪者
總是令人不停對妳迷思
真是讓我歡喜讓我憂 |
高密度鋰電池讓電動巴士動起來 | 高雄市購置 11 輛全電動低地板公車，預計於 2012 年底成立第 1 支國道電動公車車隊...... 在政府政策推動下藉由大眾交通工具的推廣，逐步實現綠能運輸低碳島的理想生活。台灣電動車的發展，最早可追溯至民國 80 年工研院機械所與多家業者合作開發 ZES2000 雛型電動機車；當年的電動機車雖開發成功，但卻有電池壽命短、成本高、充電時間長、馬力不足...... 等等缺點，讓電動機車一直無法普及。
然今日於奈米化學材料加持下，已大大提升二次鋰電池的儲能密度與充放電速度，讓百餘公斤的電池能輕而易舉的推動 3500 公斤巴士車體，同時時速高達百公里。此正因奈米材料展現的特性，包含：擴散速度、儲能容量、熱穩定度...... 等等，和傳統材料完全不同，使電池效能提升所致。
奈米化學究竟在電池裡扮演怎樣關鍵性之角色呢？首先了解二次鋰電池的基本架構：一般電池主要由陽極 (Anode, 以石墨為例)、陰極 (Cathode, 以鋰為例)、電解液，與隔離物 (Separator) 所組成，而陽、陰極的物質溶解在電解液裡，藉由溶解差異所造成的化學電位差 (電壓差異) 達到充、放電的效果，整個化學過程的氧化還原反應，轉變成電能就是電池的基本工作原理。電池效力不好，簡單說就是鋰離子到陽極速度慢，而石墨陽極又無足夠空間讓鋰反應，全卡在電解液中產生廢熱，還有高溫爆炸的安全疑慮。而藉由奈米化陽極與陰極，並改善隔離膜的耐熱穩定性，此讓二次鋰離子電池如同打通任督二脈般，儲能效率提升 5 倍以上，耐溫的安全係數也大大提升。
1. 奈米化陰極的鋰離子
當電池在充、放電時，需要鋰離子能夠快速自陰極進出電解液到達陽極，而一般固體材料擴散速度慢，讓鋰離子充放電速度受限；科學家將材料縮小至奈米等級後，鋰離子自然容易自陰極遷出到達陽極，身材嬌小、行動不受拘束，大幅縮短充放電時間。
2. 多孔性奈米碳管的陽極材料
固體的石墨陽極無法提供足夠的空間讓鋰離子進入，此正是充放電容量不易增加的主因。藉由奈米碳管自身重量輕，且中空的多孔隙結構取代固體石墨陽極，提供鋰離子更大的空間進入陽極，使充電容量獲得改善，解決電池的續航力問題。
3. 無機奈米混合物隔離膜
隔離膜主要功能是允許自由離子通過，又要隔絕陰陽極間電子流的通過，避免短路引發電池爆炸的危險。無機奈米混合物 (Inorganic Composite Membranes) 正是隔離膜最佳選擇，利用溶膠 - 凝膠法 (sol-gel) 技術將奈米顆粒無機金屬氧化物結合在不織布纖維墊材上，擁有極佳的熱安定性與尺寸穩定性，也藉由奈米級孔洞來隔阻電子流短路的問題，提升電池的使用安全。
電動車不是一個嶄新的名詞，但隨奈米化學材料之引入，改善電動車關鍵零組件：二次鋰電池之各項效能，因此讓電動巴士於 2012 年成為推動環保與低碳運動的尖兵。 (本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通」執行團隊撰稿)
責任編輯：楊谷洋 | 國立交通大學電機工程學系 |
邁向化學教育的第一步–簡而有趣的化學演示實驗 | 教學是藝術，也是技術。藝術重創意，技術求創新，因此教學要兼具創意與創新。成功的化學教育第一步是教學要能引起學生的興趣，因此化學教育要創新，改變傳統的「講與學」。化學是探究物質的性質及其變化的實驗科學，內容與生活息息相關，因此理應會受學生喜愛，但事實卻相反。現今的化學教育，大多屈從於升學考試的壓力，多數學生未能親自動手操作實驗，導致學生誤認化學是無趣而難於記憶的考科。補救的第一步就是簡而有趣的化學實驗。在這個演講中蕭教授演示了幾個色光變化十足的簡而有趣的化學實驗，例如神奇的七個杯子、筒中爆鳴、水火同源、奈米鐵的自燃等。
蕭老師用「禮砲」來開場，歡迎大家的光臨，他把酒精滴了兩滴在養樂多瓶中，然後套在點火槍上一扣板機，隨著一聲爆響，養樂多的空瓶就射了出去！隨後再試幾次，要響就響，要不響就不響，化學實驗似乎是蕭老師隨心所欲的遊戲，當然這是因為蕭老師有著深厚的化學知識，和豐富的臨場表演經驗。
蕭老師之後表演了浮沉子、七個神奇的杯子、氫氣的氣爆、筒中火、鐵粉自燃，以及紫色的碘蒸氣等多個代表性的化學實驗，包含了化合、分解、置換，以及氧化還原等現象，過程精采緊張、引人注目，不單是有明顯的顏色變化和聲光效果，也同時讓觀眾吸收了不少化學的基礎知識。當然我們知道，一位受學生歡迎的老師，不僅要知識豐富，而且在講解表達和內容安排上，也要能輕鬆活潑、逸趣橫生，蕭老師就是有這樣子的能力，雖然他的話不多，但總能恰到好處地解釋每個手邊的動作和現象，整個晚上就是一場知識豐富的聲光秀。 |
冬天的聖嬰和夏天的颱風,怎麼會有關? | 聖嬰現象 (El Niño-Southern Oscillation, 簡稱 ENSO) 到底是什麼？台灣學者最近的研究成果，如何證明發生在冬天的聖嬰現象，跟發生在夏天的颱風有關呢？請聽今天的科學三分鐘，主題是：新發現！聖嬰現象與颱風。
聖嬰現象？發生在聖誕節前後
聖嬰現象多半發生在聖誕節前後，不過可能延續好幾個月之久。聖嬰現象到底是什麼呢？其實，它跟表層海水的溫度有關。當赤道附近的東部、中部太平洋的表層海水，也就是南美洲祕魯和厄瓜多西邊的海面上，海水溫度異常地高，就叫做聖嬰現象。您可能還聽過一個名詞，叫做反聖嬰現象，簡單地說，就是在同一個地區的海面，海水溫度異常地低。
聖嬰現象的成因還不能完全確定，但科學家們大多認為跟當地常吹的東風，或者東北、東南風有關。在正常狀況下，當這個地區的海水被太陽曬熱之後，會被東風吹向西邊，引發對流，讓下層比較冷的海水向上湧出，表層海水就會比較冷。
但是，如果這裡的東風減弱、甚至轉變成西風，這種效應就會減退，造成表層海水比較熱，稱為聖嬰現象。相反的，如果東風太強，讓下層的冷海水湧上來更多，則會讓當地的表層海水比平常更冷，成為反聖嬰現象。
這兩種現象的成因跟風力與風向有關，而風力與風向又跟氣壓有關，所以氣象學家只要觀察赤道附近的太平洋中心和東岸的氣壓，就能預報聖嬰及反聖嬰現象。現在科學家更發現，這兩種現象有互補作用，常常會交替發生。
聖嬰和颱風的連結：跨越季節的秘密通道
聖嬰現象既然發生在冬天，怎麼會影響夏天颱風的強度呢？國立臺灣大學大氣科學系的林依依教授，參與了夏威夷大學金飛飛教授帶領的跨國合作，解開了這個謎團。
您可以這樣想，聖嬰現象既然是表層海水溫度升高，它就會累積熱能，而金飛飛教授早在 20 年前，就已經發現了這種熱能累積與釋放的機制。而最新的研究更進一步發現，從 12 月到隔年 2 月，東太平洋赤道的聖嬰現象累積的熱能，會在 6 到 9 個月之後，往南、往北輸送到緯度比較高的海面。這地區的緯度大約是 20 度，正好是東太平洋的颱風發展區。
為什麼夏天颱風比較多？因為颱風的生成需要熱能。如果冬季聖嬰現象累積的熱能，同時也輸送過來，加上氣象和海洋的條件符合，就可能讓颱風變得更強！這個熱能輸送的過程是在海面下進行，可說是過去沒被發現的「秘密通道」。研究團隊認為，研究這個「熱能的傳輸通道」, 將有助於預測颱風的強度。
今天的科學關鍵字，就是：聖嬰現象，簡稱 ENSO。您可以透過這個關鍵字，進一步查詢或做延伸閱讀。 |
颱風怎麼走(三):不確定性與系集預報 | 從上面尼伯特颱風案例我們可以了解，颱風路徑的不確定性和如何利用機率預報的概念來提供「不確定」的資訊，因此接下來討論系集預報的發展和應用。我們知道大氣是高度非線性，而數值天氣預報的結果，對初始條件微小改變非常敏感，因此可能千分之一的誤差，都會讓計算結果截然不同。過去在愛德華・諾頓・羅倫茲 (Edward Norton Lorenz) 提出混沌理論之前，大家都以為只要靠學理和統計就能夠精準預測天氣，但是氣象分析可能都是實際大氣的近似情況之一，真實大氣狀況卻是非常難以精準描述。 目前短期數值天氣預報中，誤差往往是來自於初始的誤差而不是數值模式本身的誤差。因此單一的預報值已經不能滿足我們的需求，同時也必須考慮數值預報的不確定性或是各種可能的情況。 愛德華・羅倫茲於 1963 年提出的羅倫茲吸子 (lorenz attractor)。假設圓圈為初始場的不確定量，在 (a) 不確定性成場緩慢的系統，結果可以被預測，但在 (c) 不確定性爆炸性成長的系統，最後的結果不確定性極大。(圖 / Palmer,《The ECMWF ensemble prediction system: Looking back (more than) 25 years and projecting forward 25 years》) 所以在系集預報中，我們會估算初始情況的誤差分布，然後根據此分布範圍，就可以得到一個初值的集合，在此集合中每一個初始情況 (成員), 都可能代表未來實際大氣的真實情況。然後透過不同成員的集合，最後得到預報的不同情境分布，此一方法即為系集預報。但是一個系集預報系統，並不是把所有預報成員都考慮進來就可以，必須討論其是否合理。因此理想的系集預報系統須包含三個要件: 每一個成員在預報系統的準確率應該差不多，不能發生某些成員的預報結果總是比其他成員來的好，這稱為成員等同性 (equal-likelihood)。 由於每個成員代表大氣可能發生的情況之一，當成員夠多時，大氣的真實情況就應該包含在系集預報中，因此系集預報成員間的標準差必須適宜，標準差不能太大 (可能是誤報) 或是太小 (導致漏報太多) 情況。 系集預報的標準差需能夠反應真實大氣情況的可預報性或是預報的可信度。當標準差較小時，可預報性愈高，則預報的可信度也愈高。反之，標準差越大時，容易造成誤報，因此預報可信度也較低。 目前集合預報的技術已經被廣泛應到各種尺度的數值預報試驗中，小至暴風尺度，雲尺度，大至季節、氣候的預報，都可以應用集合預報的概念。 一場對洪水系集預報案例，其中藍色實線為各流量預報成員，黑色虛線觀測流量，水平線則為警戒流量線。(圖 / Cloke HL, Pappenberger F. 2009) 目前水文預報對氣象上的降水系集預報寄予非常高的期望。水文系集預報利用大氣的數值預報模式 (Numerical Weather Prediction, NWP) 應用系集方法演算，產生多種氣象預報情境和預報的降水機率，然後透過降雨徑流模式推估水文模式之多種可能入流量，進而產生河川不同的水位和流量情況。 因此系集預報讓預報不像過去只能提供單一的確定值，還可以考慮到預報的不確定性，讓決策時能定量估計各種風險和後果，是預報與決策之間的橋樑，可使預報效益得到更好發揮。 |
楓葉紅了,植物色素的彩妝魔法 | 台灣在入秋後，可見楓葉轉紅，是賞楓好季節。
自然界的彩妝師，植物色素
在四季分明的地區，大自然就像一個魔法師，上演著一幕幕的美景，把整個空間裝扮得格外生動美麗。
每年三、四月百花盛開，樹梢長出粉紅色細嫩的新芽，告訴人們春天到了。到了夏天，大地布滿了綠油油的樹葉，一片欣欣向榮的景色。當秋天來臨時，大地又像一張畫布，任憑大自然揮灑，樹葉一下子由綠轉黃、變金黃、變紅，滿山遍野五彩繽紛，構成了美麗的秋天景色。進入冬天後，落葉樹張著光禿禿的樹幹，寒帶植物也帶著青翠的綠色樹枝，頂著皚皚白雪，伴隨著聖誕與新年節慶的到來。
這些多采多姿的顏色變化，背後的魔法師就是自然界豐富的天然色素。同時，這些天然色素也是維繫植物生長的光合作用所需要的催化劑。
植物體內含有許多色素，各有不同的功能，主要的植物色素有葉綠素、葉黃素、胡蘿蔔素和花青素等。葉子的色素存在於細胞質內的色粒中，分為綠色粒，呈綠色或黃色；無色粒，不呈現顏色；與雜色粒，呈紅色或黃色，等三種。隨著細胞的成長，色粒會分裂而增多，或分化變色。
葉綠素
葉綠素是一個巨大分子，其基本單位是普菲林環，結構與血紅素有些類似，但以鎂離子為中心離子，是葉子進行光合作用時，吸取光能的主要發色團，共有葉綠素 a、b、c 與 d 四種。葉綠素 a 及 b 存在於高等植物與藻類及氰細菌的葉綠體中，葉綠素 a 會選擇性吸收太陽光內 430 及 660 奈米波長的光波，吸收後剩下的光線經由反射便呈現藍綠色。而葉綠素 b, 最高吸光的波長位置是 435 及 643 奈米。葉綠素 c 與 d 則存在於藻類中。
一個葉綠細胞中可含百個以上的葉綠體，葉綠體的外層稱為囊膜，內有蛋白類的細胞間質叫基質，基質內有葉綠餅，葉綠餅是由多層的葉綠層所疊成，葉綠層內含有綠色的葉綠素及其他色素。葉綠素不溶於水，不會在細胞內流動。
植物細胞中的葉綠體。
在充足陽光與溫暖的環境下，植物可以用氧、氮、鎂、水、醣類等成分合成葉綠素，鐵、錳、鋅等微量元素則有助於葉綠素的合成。合成葉綠素的最適溫度，隨著植物種類而異，小麥的最適生成溫度在攝氏 26~30 度之間，馬鈴薯的最適生成溫度在攝氏 11~19 度之間。葉綠素並不穩定，葉子內各組織缺乏水分，或受到強烈陽光照射時，葉綠素便會被破壞。
胡蘿蔔素類
胡蘿蔔素與葉黃素通稱為胡蘿蔔素類，貯存在葉綠體及雜色粒內。胡蘿蔔素是碳氫化合物，不含氧原子，分為 α- 胡蘿蔔素和 β- 胡蘿蔔素。胡蘿蔔素結構高度不飽和，容易被氧化成為葉黃素，葉黃素在植物中的含量約是胡蘿蔔素的二倍。胡蘿蔔素類為脂溶性，不溶於水，但可被有機溶劑萃取出來。
胡蘿蔔素類是一種助吸光素，可以吸收藍、紫部分的可見光中的能量，最高吸光的波長是 466 與 497 奈米，吸收後剩下的光線呈紅及黃色。所吸收能量可以轉移給葉綠素，幫助葉綠素取得光合作用所需的能量。值得注意的是，胡蘿蔔素類比葉綠素穩定，不會因受到照光而分解。
花青素
花青素屬於類黃酮，不同於其他色素，花青素是水溶性，存在於表皮細胞的液胞中，但不與細胞膜相接觸，與光合作用無關，也不會干擾葉肉組織中葉綠體進行的光合作用。有趣的是，花青素的顏色會隨著酸鹼值而變，遇酸變紅，遇鹼變藍，顏色範圍從紅色、粉紅色、紫色到藍色，是一種天然的酸鹼指示劑。
花青素普遍存在於許多成熟果實中，果實顏色視其酸鹼值而定。例如，蘋果成熟時，表皮含有豐富的花青素，吸收藍光、藍綠光、綠光，而呈現紅色。相對地，葡萄表皮則呈紫色。
花青素很容易被水萃取出來，我們可以在家裡進行一個簡單有趣的實驗。紫紅色高麗菜含有豐富的花青素，常用於生菜沙拉、餐桌上裝飾或做德國泡菜。到市場買回半個，切碎後裝入五百毫升玻璃杯內，加滿煮沸的蒸餾水，蓋上蓋子，讓其自然冷卻後，倒出藍紫色液體，即得花青素萃取液。取出約二毫升花青素萃取液，滴入幾滴稀鹽酸，即變為鮮紅色；再滴入幾滴檸檬水，便呈紅紫色；滴入一些鹼性的肥皂水，又變成藍色。
另外，可以取一張白紙或濾紙剪成紙條，浸入花青素萃取液中，將之晾乾後，便是一張酸鹼試紙，滴上洗髮精或其他酸鹼試液，由所顯示的顏色，即可大約得知試液的酸鹼值程度。
物質的呈色機轉。
光合作用，維繫生命能量的魔法
植物進行光合作用，產生碳水化合物，才得以生長、開花與結果，同時提供了動物維持生存的基本食物。因此，光合作用是地球上的生物得以延續的主要方法。光合作用的奧祕在於葉綠素的電子傳遞與能量轉換機制，其反應簡式是
xCO2+yH2O+hv ─→葉綠素、陽光─→ xO2+Cx (H2O) y
光合作用產物是氧氣與以醣類為主的 Cx (H2O) y 碳水化合物，全反應是一吸熱反應，將能轉換成化學能，以碳水化合物方式儲存能量。
光合作用是依賴著一連串的電荷與能量轉移反應所推動，其中的關鍵性角色是發色團結構。分子內有許多電子軌域，各個電子軌域有不同且不連續的能量，有如樓梯一樣，電子裝填的原則是先填滿低能階電子軌域之後，再進駐高能階電子軌域。
依此規則，發色團結構的電子組態稱為基態，其中最高能量的電子軌域稱為「最高裝填軌域」。當發色團電子吸收光線，最高裝填軌域上的電子獲得光子能量，跳到高能階的「最低未裝填軌域」, 稱為激態電子。
葉綠素分子發色團為高度共軛雙鍵結構，將葉綠素的電子由「最高裝填軌域」, 激發到高能階的「最低未裝填軌域」所需能量很低，僅相當於紅色光波的光子能量，因此可以吸收太陽光的紅色光而呈現綠色。
當這個電子由高能階的電子軌域跳回到低能階的電子軌域時，即將這些能量釋放出來，轉移到水分子進行光水解作用，亦稱為光反應，促使水分子分解產生 H+、氧及電子，合成腺核苷三磷酸 (ATP) 與 (還原型) 菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADPH)。在葉綠素基質中進行暗反應，將二氧化碳固定化後，經由酵素催化，與光水解作用產生的 ATP 與 NADPH 反應，合成碳水化合物。
胡蘿蔔素是一種助吸光素，具有共軛雙鍵發色團結構，其激發能量高低隨著共軛雙鍵數目而定，共軛雙鍵結構越多，電子便越容易被激發，所需的光子能量也就比較低。C40 胡蘿蔔素具有 11 個雙鍵，其吸收光波長增加到 466 與 497 奈米，相當於藍綠色光波的光子能量，可以把「最高裝填軌域」電子激發到高能階的「最低未裝填軌域」, 該能量高於葉綠素芳香烴發色團結構的光子能量。也因為如此，胡蘿蔔素可以將所吸收的高能光子傳遞給葉綠素光子，由於胡蘿蔔素可以吸收葉綠素吸收不到的光波長，而使得光合作用的色光光譜變寬。
光合作用所需的二氧化碳與水分子，從植物的下表皮進入葉肉細胞的葉綠體進行光合作用，光合作用的產品氧氣則以氣態方式經過下表皮組織擴散到大氣中，碳水化合物產物則經過葉柄基部，運輸到樹木各部位。
光合作用簡式與植物色素的吸收光譜。
認識楓樹，楓葉變色的秘密
秋天裡可以看到許多變色的植物，五角楓、銀杏等植物的葉子，到了深秋變成金黃色，而葉子變成紅色的有野漆樹、烏木臼、槭樹、爬牆虎、欖仁樹等，秋天賞楓已經蔚為國民旅遊的風潮。
有賞楓經驗的人都知道，要觀賞到滿山楓紅的景色，事前需要詳細周密的行程規劃，包括選擇賞楓景點與安排恰當的時間，即使如此，還需要氣溫的配合，也就要些許的運氣，必須在天時與地利的配合下，才能演出一個完美的賞楓行程。完美賞楓困難度這麼高的原因，係因為楓葉變紅乃是一個精密的化學反應。
賞楓首先需要認識楓樹，我們到各大賞楓勝地觀賞的楓樹多是青楓。另外一種楓香樹與青楓長得很像，葉子大都呈現黃葉或綠葉，不如青楓紅得漂亮，我們可以由一些特徵予以分辨。
「青楓」亦稱為「槭樹」, 槭樹大多生長在溫帶地區，屬於槭樹科槭樹屬。「楓香」是亞熱帶落葉喬木，屬於金縷梅科楓香屬，在臺灣生長在低海拔至一千五百公尺的高度。就葉子而言，楓香葉是交互排列，葉形呈三裂的掌狀，就像把拇指和小指彎下比出「三」的手勢一樣，葉緣平滑。槭葉是兩兩對生，葉形呈五裂的掌狀，就像手掌張開一樣，葉緣呈鋸齒狀。就果實而言，楓香樹的果實像圓形有刺的蒴果；槭樹果實則呈八字型的翅膀。
在驚嘆楓葉變紅的大自然美景時，讓我們來探討有趣的顏色化學。植物體內主要的色素有葉綠素、葉黃素、胡蘿蔔素和花青素，葉子變色主要由植物體內色素的變化所主導。春、夏季日照長，光合作用特別活躍，葉片行光合作用除合成醣類外，也加速葉綠素的分解，夜晚時，葉綠素又開始合成。由於葉綠素持續不停地分解與再生，因此，葉子含有豐富的葉綠素。當葉子內同時含有葉綠素與胡蘿蔔素時，葉子會吸收紅光、藍光、藍綠光，剩下的光線反射，葉子便呈現綠色。
進入秋天後，日照時間縮短，夜間漸長，因應日照時間的變化，落葉樹種會在葉柄基部產生離層素，葉子因而脫落，卻也阻止養分的運輸。同時，溫度降低後，葉綠素合成的速率會變慢。葉內水分減少的結果，葉綠素在低溫發生分解，但葉綠素合成的速率卻來不及補充，因此葉綠素色素含量逐漸降低。此外，胡蘿蔔素遠比葉綠素穩定，即使葉綠素消失了，胡蘿蔔素仍可存於葉子中，葉片中的葉黃素、胡蘿蔔素等逐漸主宰樹葉顏色，導致葉片呈現黃色。
由於植物輸送養料的能力減弱，葡萄糖就被留在葉子裡，於是甜度越來越高。有些植物會將葉子內的葡萄糖和葉黃素在陽光作用下，逐漸生成花青素。
到了深秋，葉子的葉綠素不斷減少，葉子的綠色褪去，而花青素卻不斷增加，紅色增強，於是就變成鮮紅可愛的樹葉了。日光愈強，植物產生的花青素就愈多，溫差越大，葉綠素降得越低，葉片的顏色變得越紅。研究發現，楓樹缺氮養分時，楓葉會更紅，更早變紅。因此，楓葉變紅的程度與日照、氣溫、乾旱、污染、氮元素有關。
另外，紅色楓葉有遮光劑的作用，使得落葉時間延後，楓樹因而可以吸收更多的營養，因此，楓葉變紅的現象可以看成楓樹對自然界環境變化反應的結果。葉綠素與花青素相對含量與生成速率，也可以解釋植物的嫩芽和新葉呈現紅色的原因。葉綠素的生成速率高於花青素時，植物的嫩芽和新葉便綠得快。當花青素的生成速率高於葉綠素時，植物的的嫩芽和新葉就呈現紅色。等到葉綠素色素增加後，葉子就變回綠色。
楓葉紅了賞楓去！賞楓必須選在秋冬交替，氣候由暖乍寒，頭兩波寒流來襲後的三、四天，正是楓葉轉紅的時候。
臺灣的賞楓景點大多呈點狀或帶狀分布，整片楓樹純林只有在南投奧萬大、苗栗馬拉邦山、石門水庫等少數地區才可看到。賞楓必須選在秋冬交替，氣候由暖乍寒，頭兩波寒流來襲後的三、四天，是楓葉轉紅的時候，但這兩波寒流間隔最好約半個月到三周時間，若間隔太近，樹葉還來不及轉紅；若間隔太長，在第二波寒流到來之前，就已落葉歸根。
賞楓最好位置是北風吹得到樹的區域，例如稜線上，至於懸崖邊、空曠地等位於山谷、低窪地區的楓樹，通常還來不及轉紅，葉片就飄落了！。平地的楓葉因為日夜溫差太小，沒有辦法變紅。不過，你可以剪下一片楓葉，在家裡把它浸在砂糖水中，過些時候，糖分變成花青素，楓葉就變紅了。
一年四季，一幕幕美麗的大自然景致，都蘊含著自然的奧祕，在有趣的顏色化學背後，亦與地球萬物賴以生存的植物光合作用息息相關。科學家師法自然界的光合作用，發明了光觸媒，藉著光的能量催化許多有用的人造光合作用化學反應，包括太陽能電池、空氣淨化、有毒物質分解等，展現出人類智慧與大自然奧祕的結晶。 |
「鐵」定有效–土壤與地下水復育工程新技術 | 工業化加速了文明的發展，卻給環境帶來傷害。在土壤與地下水污染方面，最常見的是氯化有機污染物，它們來自工業界常用的三氯乙烯、四氯乙烯等溶劑。氯化有機物的比重大於水，如果滲漏到土壤中，會因重力而持續下沉，一直到難以滲透的岩盤或不透水層才會停止。而且，氯化有機物在滲透的過程中若遇到地下水層，會隨著地下水漫流，污染的區域會更加擴大，也嚴重影響當地水質。
為了拯救受污染的區域，土壤與地下水的復育工程技術相繼問世。清華大學生醫工程與環境科學系董瑞安教授主持的「氯化有機物在鐵還原環境中之生物與非生物共分解研究」計畫，就是探討鐵元素在不同的形態下對氯化有機物的還原機制，以及土壤微生物在其中扮演的角色。
董教授表示，利用氧化還原反應，鐵元素可使氯化有機物還原脫氯以降低毒性，進而解決污染問題。土壤復育的方法可分為天然衰減與人工添加物兩種。天然衰減是利用土壤中既有的微生物進行反應，成本低但反應速率慢；人工添加物則是利用工程技術在土壤中設置反應性材料，成本高、反應速率快。
在人工添加物方面，較常見的是「透水性反應牆」。這種現地復育工程是先評估污染區的地下水流，然後開挖一條深溝，在溝內建造一面透水性的牆，使地下水流經這面牆。牆內含有鐵元素材料，可把氯化有機污染物轉變成無害物質，並吸附水中的重金屬，處理後的乾淨地下水則從透水牆的另一側流出。
在土壤微生物方面，董教授指出，微生物本身就具有分解污染物的能力，而在鐵元素與氯化有機物的氧化還原系統中，微生物能促使鐵元素循環再生，進而增加其分解能力。
為了提高土壤與地下水的復育效率，董教授研製一種以「奈米多孔基材」為零價鐵的擔體，並可加入鈀、鎳等具催化效果的金屬。這種擔體具有多孔特性，可製作成圓盤或其他特殊形狀，施工地點較透水性反應牆有彈性，除了增加反應活性外，也可不受地形、地質的限制。他表示，未來若能進一步了解微生物、鐵元素、氯化有機物三者之間的轉換機制，將可提升氧化還原系統的反應速率，降低目前土壤復育技術開發的限制。
深度閱讀
地下水與生態復育研究:http://www.epa.gov/ada/pubs/reports.html,05/23/2007
董瑞安等 (2005) 奈米鐵氧化物與亞鐵離子共分解四氯化碳與銅離子之研究，界面科學學會會誌，27 (1),65-75。
高志明等 (2002) 以現地透水性反應牆整治污染之地下水，環保月刊，2 (3),101-108。 |
長期生態學研究 | 女：媽～昨天麥克又跟我求婚了耶，我到底可不可以嫁給他啊？母：好好好，我們來進行第 101 次的評估，首先他對妳的愛呢？女：嗯... 三年來 1,095 番的情書，加上 99,999 朵紅玫瑰，這應該證明他很愛我吧。
母：那他現在的經濟能力呢？女：上個禮拜他才剛剛繼承了遠房親戚一筆 200 億的遺產。
母：哈？200 億！呃... 那他體格有進步嗎？女：有啊，還參加了猛男訓練班，現在啊，已經是業餘猛男秀的台柱了。
母：媽告訴妳啊，男人就是需要一種長期觀察的動物。
女：媽～這樣子我到底還要觀察多久啊？專家解說:
唉啊，這不只男人需要被長期觀察，我們的生態也需要被長期觀察哦。科學家必須先了解大自然是怎麼維持生態平衡的，才能進行生態的保護。由於生態系的改變相當地緩慢，科學家往往得花好幾年，甚至十幾年的時間，來追蹤一個區域裡面許多自然生態的變化，這些資料包括了下了多少的雨、森林需要用掉多少水、森林土壤的養分會不會流失、有哪些養分會流到溪流的溪水中，以及整個生態環境中動植物族群的分布變化等等，透過分析和研究這些數據，科學家才能找到影響生態的關鍵要素，成為國內森林水資源以及國土經營的重要參考依據。
臺灣從十多年前開始，科學家就在個個具有代表性的自然環境裡，從高海拔到低海拔，設置了六個長期生態研究站，而福山植物園就是國內第一個成立的長期生態研究站。
女：麥可麥可，我媽媽做了十年的長期觀察，終於答應讓我嫁給你了
麥可：啊？可是我媽也做了長期觀察，啊妳已經被三振出局啦。
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颱風怎麼走(二):如何讀懂颱風預報? | 降雨機率怎麼算？在討論機率預報之前，想想看：當我們在看氣象報告的時候，會聽到氣象主播報告明天的降雨機率，如明天降雨的機率為 0%, 我們可能會問難道明天就真的不下雨了嗎？降雨的機率究竟是什麼意思？首先根據氣象局定義：在預報時間內測得 0.1 公厘或以上的降雨量，即算是下雨。降雨機率是針對固定區域的固定時段 (12 小時) 所訂出，它和降雨時間長短及面積的大小沒關係，也和降雨強度沒有關係。
因此當預報降雨機率為百分之 60, 其意義為氣象預報員會將明天的天氣預測圖與過去的氣候圖作比較、選出相類似的氣象資料。如果說選出了 100 筆資料中，其中有 60 筆資料為降雨，那明天的降水機率就為 60%。 因此機率預報數學上的定義為：假設所有成員是等權重的，計算某一件事件的成員與總成員的比例，即該事件所發生的機率。
路徑潛勢預報圖怎麼看？因此接下來我們來討論尼伯特颱風的路徑潛勢預測。圖 1 為尼伯特颱風 2016 年 7 月 9 日 11 時的路徑潛勢預報圖。
路徑潛勢圖為氣象局根據歷史上颱風的路徑和降雨量建立資料庫，然後根據目前 (新) 颱風路徑的變化，對照資料庫中過去颱風路徑最為相似的幾場颱風，並計算相似歷史颱風的最大雨量發生地點，提供主管機管參考。
但是颱風的前進方向或路徑，變數仍大，無法完全掌控颱風的動向，因此會出現颱風 70% 機率之誤差半徑，代表在該預報時間內，類似情況 100 次之中，有 70 次有會在該圓圈內，未通過者有 30 次。
透過機率圖的方式呈現，可作為大眾或是決策者風險的評估。我們知道颱風的路徑變化莫測，一但高壓系統產生變化，就可能影響颱風路徑，只是台灣民眾，似乎對於預報誤差的容忍度較低，加上颱風登陸與否跟小市民放不放假有很大的關係，當預報有較大的誤差，透過媒體的推波助瀾，很容易造成社會議題。
因此透過上述的討論，民眾應該對機率預報，和颱風莫測的路徑有進一步的了解，之後颱風來臨時，能夠秉持更客觀的角度去看颱風預報。
圖 1:2016 年 7 月 9 日 1100 LST 尼伯特颱風之路徑潛勢預報圖。(圖 / 中央氣象局網站) 圖 2: 颱風路徑潛勢預報圖圖示說明。紅色實線以內的範圍為未來颱風中心 70% 機率的可能落點，粉色圓圈為當下颱風 7 級風 (每秒 14 公尺) 暴風區。 (圖 / 中央氣象局網站) |
中國最偉大的航海行動——鄭和下西洋 | 鄭和航海圖 (圖 / Wikipedia)
鄭和下西洋的「西洋」是哪裡？從歷史上看，中國對外關係始於先秦，盛於隋唐，至明初三寶太監下西洋而攀登高峰。
鄭和 (1371-1433), 明永樂、宣德年間人，原姓馬名和，小字三保，雲南昆陽人 (今雲南晉寧), 回族，是中國有史以來最偉大的航海家，世稱「三保太監」。「三保」及「三寶奴」, 是「真主之僕」的簡稱，是鄭和的穆斯林「教名」。鄭和以「三保太監」揚名天下，有時也寫作「三寶太監」。馬和因軍功賜姓鄭，改名鄭和。鄭和《明史》有傳 (卷 304), 其先祖來自「西域」伊斯蘭地區。
「西洋」當時泛指印度洋及其沿岸地區，鄭和下西洋的航線必然要經過南中國海，當然也到過暹邏灣、蘇祿海、爪哇海、麻六甲海峽等處。鄭和七下西洋，每次種樹造船，準備經年，航行統率軍勇、傳譯、水手、商賈等超過萬人，多時更達二萬七千餘人。
「寶船」百艘，每船可容四、五百人，最大者更可容上千人，載重千噸。「船」不僅有名:「清和」、「惠康」、「安濟」、「靖遠」等，還有編號，每「號」母船有船十艘，編十號，其規模之大、組織之嚴密，不僅當時獨步中外，迄今也不多見。鄭和艦船「命名編號」始於六百年前，是世上各國海軍艦艇有「名」有「號」的始祖，並已成為一種國際典範。
鄭和七次下西洋 耗時 28 年
明朝永樂三年 (一四○五年) 十月十七日，鄭和首次率船隊自太倉劉家河 (今江蘇蘇州劉家港) 泛海，藉信風於福州太平港五虎門出洋 (今福建長樂閩江口), 直到明宣德八年 (一四三三年) 七月鄭和艦隊第七次下西洋回舶太倉劉家港止，前後共計 28 年。
鄭和在第七次下西洋返航途中逝世於印度西岸的古里 (今印度卡里卡特，Calicut), 未能回到祖國劉家港和他雲南的故鄉昆明！鄭和逝世後由皇帝賜葬在南京牛首山，鄭和墓今仍祭掃不絕。鄭和的死不僅結束了他自己的航海功業，也為中國歷史上唯一的一個大航海時代劃下了句點。
鄭和墓位在南京牛首山 (圖 / Wikipedia)
鄭和船隊七次縱橫往返於太平洋與印度洋之間，從東經 122 度到東經 44 度，從北緯 31 度到南緯 7 度，跨越赤道，從北半球航行到南半球，共跨經度 78 度，緯度 38 度，航程十萬餘里。往返都經過臺灣海峽和南海，除遍及南海周邊各國外，更遠抵紅海東岸「天方」(今沙烏地阿拉伯) 及非洲東岸「麻林」(Malindi, 肯亞)。
鄭和船隊遠航，船頭有羅盤，船尾有尾舵，導航則「過洋牽星」(古代天文航海的一種技術), 另有「針位圖」定方位，在當時都是了不起的航海技術，也是鄭和七航都能成功的原因。鄭和航海每次都記載所見所聞，對海陸行程更是實測詳繪，使所成的〈鄭和航海圖〉, 具備了當時最高水準的航海指南功能。
鄭和下西洋
—— 人類航海史一大里程碑
鄭和是明代初葉越洋跨洲航海、真正「下海」的領航人。鄭和下西洋，就是下今日的南洋和印度洋。鄭和遠航由東海長江口出發，先穿臺灣海峽經過南海，再穿麻六甲海峽進入印度洋，向西到印度洋西岸阿拉伯海各處。三寶太監先後遍訪了東南亞、南亞、阿拉伯和東非等地區的三十多國，這是世界航海史上前所未有的壯舉，是人類越洋跨洲航海史上的一座里程碑。
一四九八年五月十八日，葡萄牙人達。伽瑪 (Vasco da Gama, 1469-1524) 的船隻由一位印度人領航，經印度洋的西北橫越印度洋到達印度西海岸的古里 (Calicut), 開啟了歐洲人繞道非洲好望角東來開拓資源豐富亞洲市場的歷史。但麻六甲以東、東印度群島、印度支那半島 (中南半島)、中國和日本這個商圈的貿易，仍牢牢地掌握在華人手中。
鄭和由東向西航，從太倉劉家港出發，在一四○五年到達印度西岸古里。達。伽瑪由西向東行，從葡萄牙首都里斯本出發，在一四九八年到達古里。東西比較，航線雖然不同，但都抵達了印度洋岸的同一目的地。而鄭和的「寶船」要比達。伽瑪的「快帆」早了近百年，這是東西海上交通史中最值得我們驕傲的歷史紀錄。
鄭和下西洋駕駛的寶船 (圖 / Wikipedia)
在臺灣，「鄭和下西洋」壁畫僅見於臺南安平「開臺安平天妃宮」, 正殿左側一幅〈聖母護海圖 —— 明鄭和下西洋海上遇浪得聖母護航〉。此圖繪鄭和船隊在海中前進，風急浪高，天妃 (媽祖) 在雲端護衛的情形。此圖是近人作品，使用絳紅色大理石淺雕技法，構圖清雅。鄭和下西洋雖未到過臺灣，但在臺灣沿海漁民心中，鄭和仍是中華民族遠洋航海的代表人物，而受到崇敬。
中國航海三寶 —— 尾舵、羅盤、水密隔艙
中國指南針應用在航海，保守估計始於北宋，時當十一世紀。宋、元、明三代中國海船航海定向，都是使用「水羅盤」, 明代以後，則逐漸改用「旱羅盤」。航海全靠羅盤上的「指南針」, 航路依「針」所指的方向而行，故叫「針路」。
中國航海羅盤在宋代已經阿拉伯航海家之手傳入阿拉伯地區，隨後再傳入歐洲，成為歐洲人到達美洲發現「新大陸」, 及十五世紀末開拓亞、非殖民地，創造「地理大發現」的利器。中國以「子午」定南北向已成為地理學上的一個專有名詞，「子午線」就是通過地球南北兩極的半圓周線，也就是「經線」。
中國對世界航海科技史有三項重大貢獻，一是「尾舵」的發明，使船舶航行操縱靈活易行。二是「航海羅盤」的發明，使航行在茫茫大海中，有方向可認，有歸途可尋。三是「水密隔艙」的發明，使一艙漏水，不會波及另外一艙。這三項在航海技術史上的創舉，其基本原理在二十一世紀的各種船舶中仍繼續使用，無疑是促成今日航海文明最直接的大功臣。
鄭和航海圖 —— 中國迄今最古老航海圖
〈鄭和航海圖〉原名為〈自寶船廠開船，從龍江關出水，直抵外國諸番圖〉, 由明代兵學家茅元儀 (1594-1644) 收入所輯的兵書集成《武備志》中。
〈鄭和航海圖〉的首頁，收錄於武備誌中。(圖 / Wikipedia)
此圖僅有此一版本，能倖存六百年，茅元儀輯蒐之功實不可沒。《武備志》是一部集中國古代兵學知識大成的一部大書，全書二千餘萬字，分為二百四十卷，最末一卷 (第 240 卷) 是「占度載。度五十二。航海」, 此圖即收在此一「航海」卷中。因茅元儀指此圖與內監鄭和下西洋、奉使航海有關，而原圖名又太長，不宜讀寫，故我國學者和其他日、韓、新、馬等學者都習慣稱此圖為〈鄭和航海圖〉, 取其簡易、易讀、易記！但西方漢學家則稱此圖是「茅坤圖」(Mao Kun Map)。茅坤是茅元儀祖父，曾從胡宗憲平倭寇，故熟悉華南海岸形勢，又喜藏書、藏圖，所以一般相信茅元儀此圖，極可能由其祖父手中傳承，因西方文化有以「人名」表彰山名、橋名、建築名、商號名等的傳統，故乃直接以「茅坤圖」取代。當然用什麼「名」, 都未改變〈鄭和航海圖〉的實質內容與價值。
《武備志》成書後，隨即刊印發行，此書蒐羅資料豐富，茅元儀窮畢生之力，輯編嚴謹，全書除文獻資料達二百餘萬字外，在二百四十卷中另附圖 738 幅，〈鄭和航海圖〉殿後，列第 240 卷。〈鄭和航海圖〉不僅是中國迄今保存最早的航海圖，也是世界航海史中唯一存世的越洋跨洲最古航海圖，中外學者專題研究者甚多，是世界古航海圖中獨一無二的珍寶。
〈鄭和航海圖〉採中國傳統式「長卷」畫法，也就是類似〈長江萬里圖〉和〈清明上河圖〉的一字開展式，依前進方向手繪而成，手卷式原圖今已不存，估計展開長度約六百三十厘米。
鄭和圖在蒐入《武備志》時，為方便刻印及「線裝書」的規範，改為一「葉」兩幅，依序從「龍江關」出水，到東非「麻林地」止，共計茅元儀「序言」一「葉」, 航海圖二十二「葉」, 其中傳統中國式「針路圖」二十「葉」(四十幅), 進入印度洋後為「過洋牽星圖」二「葉」(四幅), 合計圖式四十四幅，是鄭和圖自明天啟年間刻版成書後，保存下來的唯一「版式」。
〈鄭和航海圖〉詳載方位及里程 能獨立導航
就圖論圖，這種改變後的書冊式鄭和航海圖，並未損傷原圖的型制及價值。可惜的是，這種中國古代航海實用「指南」, 宋、元的資料多已不存。例如宋朝徐兢的《宣和奉信高麗圖經》,「經」存「圖」佚，唯一圖文並存的僅宋末《海道經》(一二六八年)。明代《針經》雖有多種手抄本傳世，而配合的「圖」卻不見了。但〈鄭和航海圖〉因已在圖上記注「針路」(方位及里程), 所以不需依附於「針經」, 而能獨立用來導航，這也是鄭和航海圖的一大特點。
三寶太監下西洋的「西洋」就是印度洋，橫越印度洋用的是天文航海，也就是「過洋牽星」。在〈鄭和航海圖〉中，共有過洋牽星圖四幅，收在圖尾。其中「錫蘭山回蘇門達臘」, 是鄭和船隊回航太倉劉家港中的一段。「錫蘭山」也就是錫蘭，現在名「斯里蘭卡」, 是印度洋中的一大島，在赤道附近。「蘇門達臘」在鄭和時代指現在印尼的蘇門達臘西端，「南巫里」也就是今日蘇門達臘首府班達亞齊。
〈鄭和航海圖〉中的「過洋牽星圖」
鄭和船隊在印度洋航行以「星斗高低，度量遠近」, 或以「牽星為準」, 使用了當時 (十五世紀初) 先進的天文定位導航技術 (也就是牽星術), 這是我國古代天文航海術最光輝的一刻。
〈鄭和航海圖〉經學術界研究，一般都認為是鄭和第六次下西洋 (1421-1422) 回到南京後，經整理繪製成圖，也就是目前存世的圖本，但其「底本」則源自各種航海「針路」及「針經」, 歷史可上溯宋末、明初。
〈鄭和航海圖〉起首「龍江關造船廠」部分明確標示有「靜海寺」, 靜海寺為鄭和下西洋祈禱海上往返平安所建，建成於明成祖永樂年間 (1403-1424), 所以可推斷此圖的完成應在一四二○年代。
〈鄭和航海圖
〉不涵蓋第七次下西洋 仍為航海史之最
又〈鄭和航海圖〉尾的「過洋牽星」圖中橫越阿拉伯海進入「紅海」部分，沒有繪出「天方」(即今回教聖城「麥加」), 因鄭和第七次下西洋 (1431-1433) 時始遣「分舟宗」前往「天方」, 故此圖應完成於第六次下西洋後與第七次下西洋前，也就是一四二一至一四三○年間。由以上說明可知，論斷鄭和圖完成於一四二○年代是有根據的，但各航線所根據的原始資料早於此，也是完全可以理解的。
以上據以確定鄭和圖的成圖時期，仍是間接的，不是科學的絕對定年。由於「過洋牽星」最後一幅圖「錫蘭山回蘇門達臘過洋牽星圖」, 正巧是由「西」向「東」航行，牽「北辰星一指」(即測北極星高度約 2 度 20 分), 而現在科學航海已知由錫蘭 (今斯里蘭卡首都可倫坡) 航向蘇門答腊 (今印尼蘇門達臘島北端), 是沿北緯 6 度線向東航行。
由於地球黃道對北極星的偏移，經天文學家的計算，北極星每 175 年偏移 1 度，鄭和航海向東回航時北極星高出水平線約 2 度 20 分 (一指), 而現今觀測值是 6 度，相差 3 度 40 分，回算此「圖」應完成在一四三○年，誤差約二十年左右。
考慮到鄭和航海時使用牽星板目測北極星「出水」(即海平面) 高度的可能誤差，佐以其他史料，定此圖成於一四二○年代，不僅完全合於史實，也完全合於科學。
〈鄭和航海圖〉是中國航海歷史成就的最高峰，航程最遠、航線最多，由太平洋到印度洋，穿越赤道由北半球到南半球，是獨一無二、首屈一指的古代航海圖，全世界無一古海圖可以挑戰〈鄭和航海圖〉在人類航海發展歷史上的領先地位。 |
跨國天氣預警拯救更多生命 | 你知道嗎：同樣是水災，已開發國家與開發中國家的受害程度卻極度不均。
據統計，儘管每年只有 5% 的熱帶氣旋發生在北印度洋，但是這個地區卻占全球因熱帶氣旋死亡人數的 95%! 舉例來說，去年十月珊迪颶風 (Hurricane Sandy) 侵襲美國紐約，造成一百餘人死亡；然而，2007 年侵襲孟加拉的錫德氣旋風暴 (Cyclone Sidr), 與 2008 年侵襲緬甸的納吉斯氣旋風暴 (Cyclone Nargis), 卻分別奪走 1 萬人與 13 萬人的生命！我們不禁要問：為什麼開發中國家與已開發國家面對氣象災變的防災能力如此不平等？缺乏預警
一個很重要的因素是氣象預報的能力。已開發國家能對未來 10 天，甚至更長時間的災害性天氣進行預警；開發中國家即使有氣象預報的能力，最多也只有數天的預警，當地居民幾乎沒有時間應變。
主要問題在於，長時間的氣象預報必須納入全球尺度的氣象觀測資料。但是建立全球天氣預報模型成本高昂，只有少數已開發國家有能力負擔。由於這些模型以全球為預報尺度，並不完全符合各地區實際狀況，需要當地的觀測資料進行修正，因此開發中國家也無法將全球天氣預報模型的結果直接應用。
另外，即便理論上開發中國家可以藉由網路獲得模型預測的資料，但是開發中國家缺乏健全的網路基礎建設，造成資料傳輸過程的阻礙。於是，中介組織─諸如研究團體、大學與企業─便成了聯繫全球預測模型與當地實際需要的橋樑。
跨國合作
為了解決開發中國家天氣預報能力的不足，目前國際正在推動由已開發國家輸出技術與出資協助開發中建置符合當地需要的天氣預報。
以孟加拉為例，該國與歐洲中期天氣預報中心合作，建立氣候預報應用網路 (Climate Forecast Applications Network, CFAN), 美國國家科學基金會協助基礎的技術支援，資金由美國國際開發屬 (United States Agency for International Development, USAID) 出資補助。CFAN 的長期天氣預報成功預測孟加拉 2007 年與 2008 年的水災，有效降低風災的損失。
目前，聯結全球氣候預測模型與各地實際需求的中介組織仍相當不足，急需推廣此類組織的成立，最終的目標是幫各開發中國家建立長時間的災難天氣預報。專家估計，在南亞和東亞的開發中國家建置為期 10 到 15 天的災害性天氣預報系統，大約需兩百到三百萬美金，但是和受災造成的損失，這筆建置費用顯得頗具投資潛力。
全球氣候近年來越來越極端化，我們不應該讓國際間的發展差距成為面對天災時不平等的原因，要達成這個目標，有賴於國際間的努力與合作，而現在跨國的氣象預警合作剛起步，仍然有許多努力與改善。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)
責任編輯：鄭國威 | 元智大學資訊社會所 |
環境科學(一):氣候災難更頻繁 急需預警機制 | 新聞報導
政府間氣候變遷委員會 (IPCC) 在 2011 年發布《管理極端事件和災害風險，推進氣候變化適應特別報告》警告 21 世紀末，熱帶氣旋的最大平均風速將可能增加，全球強降雨事件的發生頻率也可能會不斷提高。
2012 年在卡達舉辦的第 18 屆聯合國全球氣候變遷會議中，聯合國發布報告指出，從 1992 年至 2011 年為止，全球發生 1 萬 5 千起極端氣候事件、造成 53 萬人死亡、2.5 兆美元的財務損失。
第 18 屆全球氣候變遷會議中，確認洪都拉斯，緬甸和尼加拉瓜，為這 20 年中受影響最嚴重的國家，孟加拉、海地和越南則緊追在後。2011 年，泰國、柬埔寨、巴基斯坦、薩爾瓦多和菲律賓等國家同樣被認定受到嚴重衝擊，其中泰國遭遇毀滅性洪水，直接影響超過 13 萬人的生命。柬埔寨發生極端降雨，也導致嚴重水災。台灣也出現類似的極端降雨事件，例如 2009 年莫拉克風災便造成嚴重災損。如何面對、調適極端氣候所帶來的災害，是每個國家未來都必須面對的一大挑戰。
近年來，水患造成的災難，不勝枚舉。儘管全球暖化是否為極端氣候盛行的原因，在科學界尚有爭論，但多數研究證據已經確切指向，全球平均溫度上升，直接影響降雨強度與分布，並帶來嚴重災害。
根據 IPCC 統計，近 30 年內，全球平均溫度大約上升了 0.6°C, 一般相信，溫度上升會造成大氣中水汽含量增加，進而增加降雨可能。2000 年，聯合國科學家正式宣布地球大洪水時代來臨。根據中央氣象局統計台灣地區在過去 100 年來氣溫，結果顯示，台北的平均溫度就比過去上升了 1.31°C, 是全球平均升溫的 1 倍。
不過，平均溫度上升的地區，不代表該區降雨強度必然增加。中央研究院環境變遷研究中心研究員周佳指出，不同於溫度變化，降雨形態會因地點不同而改變，使得人們難以準確掌握降雨究竟是增加或減少。
近年台灣的降雨趨勢，呈現出「乾季降雨減少、雨季降雨增加」的狀況。氣象專家彭啟明統計，從 1970 年到 1990 年，台灣要每十年才會出現 1 至 2 個雨量統計測站總雨量破千的颱風，但 2000 年至 2009 年莫拉克颱風為止的 10 年間，竟已經出現了 6 個。
研究指出，雨季降雨量增加，可能歸因於單一降雨事件的強度增加，或是降雨日數增加。彭啟明特別指出，降水及溫度的變化，很可能改變洪水的趨勢，造成嚴重土石流。
由於受限於觀測密度不足，使得在台灣準確預報洪水預報相當困難，降雨預報也有相同問題。目前中興大學和國科會合作，嘗試在惠蓀林場打造天然土石流觀測站，利用人工造洪的方式，模擬中型颱風的暴雨，監測壩體潰決前後的河川流量、水位、地下水變化等，分析土石流形成的機制，希望未來能建立預警系統，為台灣找到安渡極端氣候的方法。
新聞中的環境科學知識
土石流是指泥沙、石礫、巨石和水混合後，因重力作用而沿著斜坡、河道或溝渠，從高處流往低處的自然現象。換言之，土石流的發生，要有充足的鬆散土石，足夠的水份降低土石間的摩擦力，再加上足夠大的斜面坡度，才能夠使土石抵抗摩擦力而往低處流動。土石流是臺灣山坡地常見的自然災害，其特徵是表面流速快，底下流速慢。科學家根據所含的土石大小、土石顆粒和泥水的比例多寡、溪谷坡度而有不同特徵，將土石流分為 3 種類型，第 1 種是礫石型，主要由砂礫組成，其中 0.1 公厘的微細粒子含量小於 10%, 流速大約每秒 3--10 公尺；第 2 種是泥流型，主要由黏土、粉土構成，含有 0.1 公厘的微細粒子大於 50%, 流速約每秒 2 到 20 公尺；最後是一般型，介於前兩者中間，組成土石的顆粒大小分布很廣。
台灣有 73.6% 的土地為山坡地與高山林地，地表破碎、地質複雜、脆弱的特徵，又位處副熱帶季風氣候，每逢颱風豪雨產生大量的水，土石流發生機率原本就高。再加上人們為了生存與經濟效益，不當開發山區，包括建設道路、山區休閒產業、山坡農地和山坡地住宅等，破壞了自然原有水土保持，先天不良又後天失調，大大增加土石流的機率。近年來氣候變遷造成驟雨日益頻繁，科學家認為，若不制定有效防範機制，在人為和自然因素持續加乘下，台灣土石流問題將會更加嚴重。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─環境科學傳播與新聞產製」執行團隊編譯)
責任編輯：張春炎 | 卓越新聞獎基金會
校編：林傳堯 | 中央研究院氣候變遷研究中心
審校：劉昌德 | 國立政治大學新聞系暨研究所 |
洪水與土石流:水文循環與洪水 | 水在大氣、海洋與陸地三大系統之間，以不同的形式移動，使得三大系統中的水維持平衡。其中水從大氣以降水形式落至大地後，經由截流、窪蓄、蒸發散、入滲、滲漏，然後產生地表逕流，匯集至河川而流入大海，最後又經由蒸發返回大氣，形成水文循環。
在陸地上，從降雨到產生逕流過程的水文現象，即一般所謂的降雨 — 逕流關係。水利工程師嘗試利用數學方法建立降雨 — 逕流模式，以模擬洪水過程。在降雨 — 逕流關係中，每一個水文現象均與逕流發生的行為有關。簡單地說，水文循環現象即為產生洪水的基本機制，當流域水文循環系統產生超量逕流，使河川無法容納其流量時，即漫淹河川兩岸形成洪水。
水文循環與水平衡方程式
海洋與陸地水體，因接受太陽的熱能而氣化到大氣，此一過程稱為蒸發；另外，陸地上土壤與植物所含的水分也會氣化到大氣，則稱為蒸散。這些經蒸發或蒸散作用 (統稱為蒸發散) 的水氣，被大氣環流傳送到大氣上層，凝結成液態 (水滴) 或固態 (冰晶) 而形成雲。在適當條件下，大氣中的水氣會冷卻降落成為降水。在降水過程中，部分水滴或冰晶在降落途中，會再度蒸發成水氣，只有顆粒較大的水滴或冰晶有機會落到地面而形成降水。
部分降水直接落在植物葉面、樹幹上而未能降落到地面的，稱為截留。降落到地面的降水，部分又為土壤所吸收而入滲於地下，蓄存在地表下的土壤水，部分繼續滲漏而形成地下水。超過土壤入滲量的雨水形成地表逕流，沿著地表坡度向低處流動，填滿地面低窪處的窪蓄後，繼續向低處匯集形成河川逕流，最後再流入大海中，繼續蒸發為水氣，重新開始水的循環。
當考慮一流域系統的水文循環時，降水就是此系統的輸入量。截留、窪蓄、入滲與地下水是此系統的儲存量，蒸發散量與流出量是系統的輸出量。在一流域內輸入量應等於儲存量與輸出量的和，水平衡方程式可表示為:
輸入量 (降雨量) = 儲存量 (截留、窪蓄、入滲與地下水)+ 輸出量 (蒸發散量與流出量)
一般洪水模擬與很多水文模式，均依據此一水平衡方程式來設計。此方程式雖然簡單，水文學家已歷經長久努力，從觀測到建立數學模式，以計算其中每一項目，但仍很難做到精確的估算。主要原因之一是：影響水文現象的降雨、地貌、地文、地表覆蓋或土壤地質等因子，均有顯著的空間變化特性，人類在流域進行有限的點觀測所得資料，無法精確掌握空間變化特性。近年來衛星遙測技術的發展日趨成熟，能夠提供較完整的空間資訊，水文學家未來或有可能較為精確地使用水平衡方程式。
洪水是如何形成的
從水平衡方程式來看，發生洪水有兩種可能。第一種是水平衡方程式中的輸入量 (即降雨量) 太大所引發，可稱為自然氣候條件造成的洪水。當自然流域地貌與地文特性未受干擾，其截留、窪蓄、入滲、蒸發散與地下水的特性保持不變，即該流域的水平衡方程式中，儲存量大致上維持固定時，如果發生超量降雨，依據水平衡方程式，流域即會有大量的流出量，而形成洪水。
近數十年來，由於工業發達、物質生活提升，使得二氧化碳、甲烷、氟氯碳化物等造成溫室效應的氣體明顯增加，導致現今全球氣溫有上升的趨勢，進而影響降雨的型態。據聯合國跨政府氣候變遷研究小組二○○一年二月提出的研究報告指出，未來氣候暖化對亞洲國家的傷害將特別大，土地將更為乾燥，颱風、乾旱、洪水等極端氣候型態發生機率增加且程度增強。
當然，全球氣候變遷與區域之間的關係，仍需進一步研究與確認，但臺灣在幾年前，北部納莉風災、南部譚美風災及中部桃芝風災，都在各地形成百年難見的災難性降雨。此外，世界各地同時均有異常洪水災害的發生。
該研究小組在同一期的研究報告中也指出，英國泰晤士河與塞文河到二○五○年，因氣候變化因素，二到五十年重現期距洪水量大約增加 10~20%。其他地區如希臘中部 Ascheloos 流域、北歐與孟加拉共和國的氣候變化，未來對這些地區洪水的發生時間、延時或頻率等特性均有所影響。
發生洪水的第二種可能原因是水平衡方程式中的儲存量減少 (即河川流域的水源涵養能力降低) 所導致，在相同輸入量下，因儲存量減少而增加流域流出輸出量，這是人為活動所造成的洪水。
當人類活動干擾自然流域地貌與地文的特性時，比如流域土地利用改變與都市化後，可能改變流域截留、窪蓄、入滲與地下水的特性，使流域水文循環的儲存量 (即水源涵養能力) 減少，於是在相同的降雨條件下，因水平衡方程式中儲存量減少，導致流域的流出量增大而形成洪水。臺灣近年來不論在流域大量種植茶、檳榔、高山蔬菜等經濟作物，以及都市化後建築物與不透水面積的持續增加，均已明顯影響流域截留、窪蓄與入滲等特性，減少了對降雨的儲存量，致使流出量增加。
降水與洪災
水文循環中降水可能與洪水災害具有最直接的關係，降雨的特性包括降雨總量 (或降雨強度)、降雨範圍 (面積)、降雨延時與降雨規模 (發生頻率) 等。不幸的是，降雨的發生是那麼捉摸不定，年與年之間的降雨關係具有明顯隨機變動的特性。就以高雄市 50 年來年最大一日降雨量為例，我們很難從紀錄圖中找出規則性，以預測明年最大單日降雨量是多少。
目前普遍的處理方法是，利用觀測雨量紀錄，經由統計分析模型，來推論某一出現機率的降雨，做為設計暴雨的參考。比如重現期距為一百年的降雨，又稱為百年一遇降雨，即長期平均而言，每一百年會發生一次的降雨，但它不意味發生一百年降雨之後，不會馬上再發生同一規模的降雨，在統計上的解釋是，每年大於或等於此一降雨的機率是百分之一。
從統計觀點而言，一百年降雨的估計值本身為一隨機值，同時具有一個描述此隨機值變動特性的變異數，它可能遵循著某一統計分布。工程上我們採用一百年降雨的估計值只是該統計分布在大於或等於 1% 機率的平均值，它有時候會比平均值大，也有可能比平均值小，假如利用其變異數做進一步的分析，就可以估算出在某一信賴水準區間的結果，以提供工程設計較多的資訊。
用統計方法來分析、設計暴雨的基本假設條件是，未來降雨的統計特性與歷史觀測雨量紀錄的統計特性相似，但假如未來年最大降雨具有明顯的上升或下降的變動趨勢時，傳統工程統計分析方法就必須加以修正。
窪蓄與洪災
窪蓄是流域儲存逕流的現象。低窪地區、農田、洪水平原、及河岸、陸地與下游的河口濕地等，都是自然界提供水文循環中窪蓄現象的空間，在上游興建水庫則是人工創造的大範圍窪蓄，具有攔蓄洪水的功能。當降雨發生時，低窪地、洪水平原與濕地具有蓄存部分洪水體積的功能，可以減少洪水對下游地區可能造成的災害，由此可見低窪地與洪水平原，本身就是洪水期間容易淹水的區域。
當人口增加，經濟文明發達，對土地需求日益迫切時，人類開始開發原為洪水停留空間的低窪地與洪水平原。與水爭地的結果，使人類面臨更多洪水威脅，投入更多的防洪經費，崗山嘉興里、臺南科學園區與基隆河汐止地區都是明顯的例子。從水平衡方程式而言，增加流域的窪蓄能力應有減少洪水的效果，比如規劃洪水平原低窪地為蓄滯洪區、濕地維護或復育與利用休耕農地作為蓄洪池，都是非工程減洪的措施。其中河岸、陸地與河口溼地除提供生態活動空間外，在滯洪與蓄洪上也有一定的效果。
入滲現象與洪災
入滲是流域中土壤吸收部分的降雨而蓄存在土壤中，具有減少與延遲逕流形成的功能。因此如能設法讓更多的雨量入滲，為地面所吸收，理論上可減少逕流體積。通常經由正確的土地經營，對中、小規模的降雨可以收到一定的成效，包括廣泛造林，改善農藝方法與加強水土保持。然而當特大暴雨發生時，再好的土地經營，也可能無法防止洪水的發生。
森林是水文循環的重要一環，深植於土壤中的植物根部，將深層土壤的水分抽至莖葉，再蒸發散至大氣中；科學家研究發現，砍伐森林之後，蒸散量減少，而逕流量增加，亦即土地涵養水分的功能減少了。
都市化造成新的水文環境，人工鋪面如瀝青和混凝土取代自然植被，建築物取代了樹木，雨水下水道取代了自然水域的河川，這些土地利用性質的改變，造成不透水面積增加及排水管網密集，改變了降雨 - 逕流的水文過程，以致產生下述兩種變化。
水文循環過程的變化
天然流域地表具有良好的透水性，雨水降落地面之後，一部分下滲到地下補給地下水，一部分涵養在地下水位以上的土壤孔隙內，一部分窪蓄和蒸發，其餘部分則產生地表逕流。據北美洲安大略環境部資料顯示，都市化前，天然流域的蒸發量占降水量的 40%, 地表逕流部分占 10%, 入滲地下水量占 50%。
然而都市化後，由於人類活動的影響，天然流域被開發，植被受破壞，土地利用狀況改變，自然景觀受到大幅度的改造，不透水地面大量增加，使城市的水文循環狀況發生了變化，降水滲入地下的部分減少，產生地面逕流的部分增加。隨著城市化的發展，不透水面積的百分比愈大，其儲存水量愈小，地面逕流則愈大。由統計資料顯示，都市化前後，逕流量可由 10% 增加到 43%。
河流水文性質的變化
都市化的結果造成入滲量、蒸發量減少，增加了有效雨量，使地表逕流增加。同時在都市化的過程中，對天然河道進行整治與疏浚，道路兩側設置邊溝，雨水下水道系統的興建，在在都增加了河道的水力學效應，雨水迅速變為逕流，使河流流量增大，集流時間加快，逕流過程所需的時間縮短。所以當地區都市化後，必然使得該區域洪水逕流增加，洪峰出現時間提前。
維持水文循環的平衡
近年來自然氣候變遷與人為土地開發，對水文循環系統的平衡已造成顯著影響，尤其人類活動行為所造成的衝擊，已長期違反水文循環的自然平衡。例如砍伐森林與都市化的結果，造成水文平衡方程式中的儲存量減少，河川流域的水源涵養能力降低，使水土災害程度日益嚴重。為減少洪水與相關災害所帶來的損失，人類在發展大地活動過程中，應顧及水文循環的平衡，任一水文過程受到干擾，均可能影響水文循環系統的平衡，進而改變洪水發生的模式。 |
洪水與土石流:豪雨造成的土石流 | 山坡地由於地形、地質、土壤等自然條件的特殊性，再加上人為不當的開發，在颱風、暴雨及地震時，極易發生嚴重土壤沖蝕、崩塌、地滑、土石流等土體運動現象。這種現象，一般稱為山崩或崩山，依照土體的運動形式，山崩可分為墜落、傾翻、滑動、側滑與流動等五種類型，或簡單地區分為崩落、地滑及流動等三種類型。
土體墜落是體積大小不一的岩塊或土塊以自由落體的運動方式向下掉落，大多發生在陡峭邊坡或懸崖；土體傾翻是岩塊向下坡方向傾斜，然後發生滾落，常發生在路邊邊坡及河道邊坡；土體流動則是指土體像流體似地以流動的方式移動。土體流動速率差異很大，有的每年只有數公分，有的每秒幾公尺甚至數十公尺。土體流動非常慢的叫潛移，流動很快的在臺灣及日本稱為「土石流」, 在中國大陸稱為「泥石流」, 英文則稱為「debris flow」。土石流雖然在陸地表面、湖底或海底均可能發生，但一般所指的土石流是指豪雨期間，大量鬆散的土體與水的混合體，在重力作用下，沿自然坡面或溝渠由高處往低處流動的現象。
土石流的運動特性介於流體與固體之間，它的外觀有如預拌混凝土，因此土石流又常被比喻為「天然預拌混凝土的流動」。土石流中的土體種類繁多，其顆粒大小的分布範圍，有的較窄、粒徑較均勻，而有的粒徑分布很寬，從黏土、砂、礫石甚至巨石都有。含砂水體的流動如果按照泥砂體積含量來區分，可區分為挾砂水流、高含砂水流、土石流及地滑等四類，其中土石流體的含砂體積濃度介於挾砂水流和滑動土體之間，高濃度的高含砂水流常被視為土石流，而地滑也常被當成是土石流。
土石流是土體由不穩定狀態轉向穩定狀態的自然過程，它的主要特徵是發生突然、流動速率快、泥砂含量高、沖蝕力強、衝擊力大。一場土石流的過程包含發生區、流動區及堆積區：土石流發生區的坡度大約在 15 ~ 30 度之間，流動區的坡度大約在 6 ~ 15 度之間，堆積區的坡度大約在 3 ~ 6 度之間；土石流常在溪谷出口處 (坡度緩、寬度大的地點) 形成扇狀堆積地。
土石流往往對其活動區 (包括發生區、流動區、堆積區) 內的各種設施、人民生命財產及生態環境造成直接破壞和傷害，同時，大量土砂進入或堵塞河流，還會給河流上、下游地區帶來巨大危害及難以估計的損失。由於土石流的規模、性質、地形條件和受害對象的不同，危害也有所不同，常見的土石流危害方式有淤埋、沖刷、撞擊、磨蝕、堵塞、漫流改道、彎道超高、擠壓主河道等。
土石流雖然是一種自然現象，但是在土石流的運動過程中，常造成各項建設不同程度的損害，甚至人員的傷亡，因此「土石流」三個字又成為「災害」的代名詞，常令人聞「土石流」而色變。
土石流的分類
土石流體的組成物質主要是水、泥、砂、礫石甚至巨石，但是它們彼此間含量比例的變化卻是很大，因此土石流按照其物質組成，可分為泥流型土石流、礫石型土石流及一般型土石流。
泥流型土石流 (又稱泥流), 是指土石流中泥砂含量大而礫石含量少，其泥砂含量占 50% 以上；礫石型土石流 (又稱水石流) 是指土石流中礫石含量大而泥砂含量少，其泥砂含量占 10% 以下；一般型土石流是指土石流中土體物質的顆粒大小分布很廣，由黏土、粉土、砂、礫石甚至巨石等各種粒徑顆粒所組成，其泥砂部分的含量約在 10%~50% 之間。
土石流的類型主要是與當地集水區內鬆散土體的特性有關，在臺灣地區，這三類土石流均曾發生過，例如花蓮縣銅門村及南投縣豐丘兩地曾發生礫石型土石流，臺東縣豐濱鄉新社村及南投縣同富村曾發生泥流型土石流，而南投縣郡坑橋及神木村曾發生一般型土石流。臺灣地區近年來所發生的土石流中，泥流型土石流大約占 50%, 礫石型土石流大約占 20%, 而一般型土石流大約占 30%。將土石流在類別上加以區分，除有助於研究工作的進行外，更有助於規劃及執行適當的防治對策。
土石流過程與含砂水體的四種運動形態泥流型土石流正在流動的情形一般型土石流堆積物，含有豐富的黏土、砂、礫石及巨石。礫石型土石流堆積物，含有極豐富的礫石及巨石。
土石流的特性
土石流具有爆發突然、來勢兇猛、組成複雜及破壞性大等特性。豐富的鬆散土石、陡峻的坡度及充足的水分是發生土石流的基本要件。然而土石流往往爆發突然，很難準確地預知其發生時間與發生地點。理論上，土石流的發生與該區域內崩積物厚度、地質成分、地形特性及水文特性等因子有關。
土石流歷時較短，一次土石流過程一般從幾分鐘至幾小時；它的流速每秒可達幾公尺甚至幾十公尺，而且它的表面流速明顯高於其底部流速。土石流體組成粒徑非常不均勻，它的流動不穩定，有陣流現象，當前端受阻而停止時，其後續部分會因慣性而壅塞疊高，致使壓力增加而迫使前端再次流動。土石流前端呈波浪狀並有巨石集中現象，而其後續部分礫石的大小及濃度均較小。由土石流的橫斷面觀之，在前端部分其中央呈隆起的形狀，而其後續部分中央則呈凹陷的形狀。
土石流的流動有明顯的直進性，遇到障礙物或通過彎道時不易繞流或變向，因而產生猛烈的衝擊作用或爬高現象。土石流在完全發展的情況下，它的洪峰流量最大可高達上游水流流量的五到十倍；換言之，在充分鬆散土砂的情況下，一分的水可能引發五到十倍的土石流。
土石流的四大特性
爆發突然 土石流爆發突然，很難預知其發生的準確時間與地點，目前僅對土石流發生與降雨特性的關係有初步了解而已。
來勢兇猛 土石流泥位陡漲暴落，歷時較短，一場土石流過程可從幾十分鐘延長到幾小時，但是其流速每秒可達幾公尺甚至幾十公尺，其洪峰流量最高可達上游水流流量的五到十倍。
組成複雜 土石流的組成物質複雜，包括水、泥、砂、礫石甚至巨石，而且彼此間的含量比例變化很大，不易分析其流動特性。
破壞性大 土石流含砂濃度很高，前端呈波浪狀而且巨石集中，流動速率快，對障礙物產生猛烈的衝擊，破壞力極高。
土石流發生途徑
土石流發生的主要途徑，大致可分為下列幾種：沖刷溪床造成土石流、沖刷溪流邊坡造成土石流、壩體崩塌造成土石流、地下水位升高形成土石流及其他途徑造成的土石流。
沖刷溪流底床造成的土石流，是指溪床上原來就有相當厚度的土石堆積，洪水期間由於溪床表面沖蝕及地下水位上升，產生局部沖刷破壞，並逐漸擴大造成溪床整體破壞，而形成土石流。沖刷溪流邊坡造成的土石流，則是指溪床邊坡不穩定而產生大量崩塌，這些不斷崩塌的大量土石，與溪溝洪水混合後形成土石流沿著溪流流動。而壩體崩塌造成的土石流，是指溪流邊坡不穩定，以致產生大量崩塌，這些崩塌土石阻塞河道，形成一個小水壩，如堰塞湖，阻擋水流使溪水水位上升，當水位到達破壞水位，或高到超過土石堆時，造成土石堆崩塌而形成土石流。致於地下水位升高形成的土石流，則是指地表下岩層細縫中的地下水，受到他處高水位壓力作用，產生極大的孔隙壓力，造成局部土體的破壞或土壤液化而形成土石流。
其他途徑造成的土石流，是指除了前面四種土石流的發生途徑外，因其他原因所造成的土石流，臺灣地區曾經在下列三種情況下發生過土石流。第一種情況是因山坡上游泳池崩塌而造成土石流：民國八十六年八月十八日溫妮颱風襲臺，臺北市天母德行東路 338 巷內的民宅，其後山上方別墅的游泳池突然崩裂，大量水流沿著山坡流下，並急遽沖刷沿途坡面的表土層，而形成土石流，並淹沒一間三合院民宅，造成一家六死一傷的慘劇。
第二種情況是因山坡上棄土場崩塌而造成土石流：民國八十七年十月十八日瑞伯颱風襲臺，臺北縣五股鄉登林路「臺聯工程木業裝潢公司」廠房後山上方灰渣場，因排水不良大量積水，造成灰渣場土堤潰決，形成土石流沿著山坡沖流而下，沖毀數間民房造成人員傷亡。
第三種情況是因橋孔淤滿積水潰決而形成土石流：南投縣神木村神木國小前的霍薩溪橋，在民國八十五年賀伯颱風之前，其橋孔淨空約有十餘公尺，但在賀伯颱風之後，由於土石流的淤積，其淨空剩下不到兩公尺，賀伯颱風之後，數度小規模的土石流及河道輸沙使土石繼續淤積在橋孔下，終致橋孔完全被土石堵塞。民國八十七年五月九日，在一場小雨之後，由於橋孔淤滿溪水無法宣洩，致使霍薩溪橋上游溪面積水形成水塘，當水位逐漸升高到橋面時，橋面承受不了水的側向壓力，發生崩塌而形成土石流。這些土石流或許可歸類於壩體崩塌型土石流。
土石流發生的基本條件
形成土石流的基本要件包括豐富的鬆散土石、充足的水分及足夠大的坡度，此三條件缺一不可。豐富的鬆散土石，提供形成土石流所需的固態物質；充足的水分潤滑土石流內固態物質，並降低固態物質間的摩擦力與凝聚力，促使固態物質液化以助於流動；足夠大的坡度，提供土石流流動動力，使土石流克服其內部的摩擦力與凝聚力後，繼續向低處流動，並在流動過程中促使泥石與水高度混合增加其流動性。
自然土石流的鬆散土石來源，主要取決於流域地質特徵。在地質構造複雜、斷裂皺褶發達、地震多、山坡穩定性差、岩層破碎或山崩地滑多的地區，能為土石流的形成提供豐富的鬆散土石。人為土石流的鬆散土石來源，除取決於流域地質特徵外，主要由人類活動所造成。例如，山坡地不當利用與開發、森林被亂砍濫伐、山坡地的道路開發、工程棄土及礦區棄渣的處理不當等，均能為土石流的形成提供大量鬆散土石。
鬆散土石的堆積，一般需要較長的時間，但土石流的發生卻是突然爆發、歷時較短且來勢兇猛。發生大地震地區，由於地殼震動，將地表土層做水平及垂直方向的劇烈搖動，使得地表土層變得非常鬆散，甚至形成堰塞湖，因此是發生土石流的高危險區。
水不僅是土石流的組成成分，更是激發土石流的直接條件。水的來源大致上有三種：降雨、融雪及潰壩。降雨是臺灣地區水的主要來源，每逢颱風或豪雨，各地即常發生土石流。例如，一九九六年賀伯颱風經過臺灣本島帶來大量降雨，除了造成臺北市社子島及臺北縣板橋市的嚴重淹水外，更造成南部地區土石流災害，導致嘉義縣阿里山、南投縣陳有蘭溪附近村落及屏東縣好茶村居民及財物的慘重損失。引發土石流所需要的水量，各地不一，主要取決於地形坡度、鬆散土體性質及降雨特性。若土體顆粒細、疏鬆、含水量高、且具有較陡的地形，僅需少量的水即能引起土石流；反之，則需要較多的水量方能引起土石流。
坡度是提供土石流發生及流動的動力，坡度陡的地區較容易發生土石流。當土石流流經坡度較陡的地方時，由於其強大的侵蝕力，會侵蝕渠岸及渠床物質，使土石流規模逐漸增大；反之，當土石流流經坡度較緩的地方時，由於動力減小，部分泥石開始沈積，泥石與水相繼分離，使土石流規模逐漸減小，甚至停止流動。
一場土石流過程包含發生階段、流動階段及停止階段。理論上，水流流經溪床時，如果溪床上有豐富的泥、砂或石頭，而且在流速、流量足以激發土石流的情況下，最容易引發礫石型土石流，其溪床坡度範圍大約是 15~30 度之間，而引發泥流型土石流發生的溪床，坡度範圍大約是 6~12 度之間。斜坡面或溝床上堆積層的物質成分及植生情形，也是影響土石流是否會發生的重要因素。許多現場調查資料顯示，在不同地區，因為地質、地形、植生及水源特性等條件不一，發生土石流的條件也不盡相同。
土石流和降雨的關係
在形成土石流的基本要件中，水不僅是土石流體的重要成分，更是激發土石流的直接條件。在同一條土石流溝中，其流域內的物質條件與溝床地形條件，在正常情況下的一定時期內，可視為相對穩定，變化不大，但是流域內的降雨條件，隨時間的變化卻非常大。
在亞熱帶地區，形成暴雨土石流的激發條件是降雨，臺灣地區的許多土石流，也多是由於不同降雨條件所造成的。由此可知某一特定流域內，土石流的發生與規模大小，決定於流域內的降雨條件。因此若能釐清土石流流域內，降雨條件、物質條件及溝床條件在形成土石流過程中的關係，分析出流域內降雨條件的變化規律與發展趨勢，就可能利用降雨特性，進行土石流發生的預報工作。
然而，需要多大的降雨量 (或降雨強度) 才能激發土石流？依據過去的經驗，激發土石流所需要的降雨量與該流域內的土壤成分、結構、含水量及水的入滲強度等有密切的關係。降雨特性影響土壤含水量及入滲情形，也影響土石流發生的時間及土石流規模的大小。常用來分析土石流發生的降雨特性參數，包括降雨強度、降雨延時、累積雨量及前期降雨量。描述降雨特性與土石流發生關係的方式大致可區分為兩類，一是敘述式的土石流發生降雨條件，二是方程式化的土石流發生臨界降雨線。
敘述式的土石流發生降雨條件，是依據經驗敘述降雨強度、降雨延時及累積雨量，在何種條件下會形成土石流。例如，日本學者川上浩，研究日本宇原川土石流與降雨特性的關係，認為發生土石流的降雨條件有三種：降雨強度 30~40 毫米 / 小時以上的雨，持續下 3~6 小時，即會發生土石流；降雨強度雖小於 30~40 毫米 / 小時，但持續下 3~6 小時後，累積雨量達 150~200 毫米以上，即會發生土石流；及累積雨量達 400 毫米以上，一定會發生土石流。
成大防災研究中心謝正倫教授等人，曾經分析花東地區土石流發生與降雨關係，結果顯示降雨強度大於 27 毫米 / 小時 而且累積雨量超過 360 毫米 時，即有誘發土石流的可能。
方程式化的土石流發生臨界降雨線，係依據經驗或半經驗，建立降雨強度與降雨延時或累積雨量的關係式及關係曲線圖。當降雨強度落在關係曲線的上方時，表示會發生土石流；反之，當降雨強度落在關係曲線的下方時，則表示不會發生土石流。這樣的關係式或關係曲線，稱之為土石流發生臨界降雨關係式或臨界降雨線。臨界關係式顯示發生土石流所需的降雨強度與累積雨量 (或降雨延時) 成反比關係，也就是說，如果累積雨量 (或降雨延時) 很大，很小的降雨強度也可能激發土石流。
當場降雨量是土石流的激發動力，而前期降雨量則是土石流形成的潛在因素。前期降雨量的多寡，影響堆積物質的含水狀況，進而影響激發土石流所需降雨量的多寡，因此前期降雨量的多寡應予以適當考量。另外，前面所討論的激發土石流所需的降雨強度，均為小時降雨強度，但是許多資料顯示，短延時 (例如十分鐘) 降雨強度的峰值與土石流發生的時間，較日或小時降雨強度的峰值，來得吻合。
吳積善由雲南蔣家溝土石流發生的觀測資料中也發現，短延時 (如十分鐘) 降雨強度是激發土石流的主要因素，並以十分鐘降雨量及前期降雨量兩個降雨參數，建立土石流發生臨界雨量線及受災雨量線，在臨界雨量線以下為安全區 (土石流不發生區), 在受災雨量線以上，不但會形成土石流，而且會有土石流災害發生；臨界雨量線與受災雨量線之間為過渡區，在過渡區內很可能會發生土石流，但規模小不會有顯著災情。此臨界雨量線及受災雨量線曾經被實際運用到雲南蔣家溝土石流預警系統，做為發布土石流災害預警的依據。
地震的影響
民國八十八年九月二十一日，臺灣中部地區發生芮氏規模 7.3 的強烈地震。地震後，山崩地滑情形非常嚴重，山坡上大量崩塌的鬆散土石，在豪雨來臨時，非常容易發生土石流。依據地震後雲林縣、彰化縣、南投縣及臺中縣等地土石流發生的降雨資料顯示，地震後土石流發生的當日雨量大約在 17~116 毫米 之間，這遠小於地震前發生土石流的 115~546 毫米當日雨量。地震後各土石流發生地區的降雨強度為 1.42~9.27 毫米 / 小時，降雨延時為 7.5~42.5 小時，而地震前土石流發生地區的降雨強度為 4.69 ~ 20.8 毫米 / 小時，降雨延時為 9~ 86 小時。這些資料均顯示，地震後，激發土石流的降雨條件明顯改變，所需的臨界降雨量明顯下降，也就是說只要較低的降雨條件就可能激發土石流。
土石流預警
土石流形成的三個基本條件是豐富的鬆散土石、充足的水分 (降雨) 及足夠大的坡度，而且三種條件缺一不可，因此僅以雨量特性做為判定土石流發生與否的預警基準，當然是不夠的，在目前我們對土石流發生機制的了解很有限的情況下，要預期有很高的準確度也是不可能的。然而，即或如此的不夠精確，雨量基準仍然是最為方便且可行的判定土石流發生與否的方法，因為雨量資料的取得相對而言較方便，而且雨量資料所涵蓋的範圍較廣泛。
目前發生土石流的降雨臨界關係式，是屬於定律性降雨臨界關係式，也就是說，關係式中所採用的參數均是確定的數值 (一般採用平均值), 以二分法將臨界降雨關係曲線區分為土石流發生區及土石流不發生區。然而此種區分方式常與實際狀況不盡相符，不相符的原因是源自於影響土石流發生的水文及地文各項因素本身具有很高的不確定性，往往無法明確地定出某一個定值，因此未來有必要採用機率觀點來分析土石流發生的可能性，建立不同發生機率下的土石流發生降雨臨界曲線，進行土石流發生機率的預報。
土石流的形成原因及其流動特性非常複雜，在土石流的防災方面，不能完全依賴土石流發生預警及預報系統，也不能過度期望土石流防治工程，能夠完全抑制土石流的發生或攔擋土石流的流動。人們必須要有風險的觀念，了解土石流的發生與流動具有很高的不確定性。雨量大時，土石流潛在地區 (尤其地震災區) 發生土石流的機會就會比較高，當地的居民與政府就要有高度的危機意識，隨時參考雨量預報所提供的警訊，充分做好防災減災的準備與行動，以降低土石流災害。土石流無堅不摧，破壞橋樑，瞬間湧入、淤埋、掩埋房舍，造成人民生命財產的損失。 |
綠建築:臺灣綠建築政策的成就 | 建築的環保時代已來臨
近年來，人類對於環境破壞的規模已擴大至地球的尺度，氣候高溫化、酸雨、森林枯絕、臭氧層破壞、異常氣候等時有所聞，人類的生存已遭到嚴重的威脅。有鑑於此，1992 年的「地球高峰會議」, 史無前例地聚集了一百多個國家的元首及代表，共同商討挽救地球環境危機的對策，掀起了地球環保的熱潮。
1992 年 12 月，聯合國成立了「永續發展委員會」(United Nations Commission on Sustainable Development, UNCSD), 全面展開地球環保運動。1998 年的「京都環境會議」更制定了各先進國家二氧化碳排放減量的目標，顯示環保的問題已成為超國境的國際要務，「永續發展」也成為人類重要的課題。
臺灣是地球村的一員，也必須善盡國際環保責任。1996 年，行政院成立了「永續發展委員會」, 為配合這項政策，經建會特別把「綠建築」列為「城鄉永續發展政策」的執行重點。此外，營建署也透過「營建白皮書」宣示將全面推動綠建築政策。內政部建築研究所近年來更在建立綠建築評估制度與綠建築標章的獎勵辦法方面，獲得相當的成就。
以鄰為壑的臺灣建築產業
建築與都市建設是民生福祉中重要的產業，也是地球環保策略中的一環。營建政策從都市計畫、建築計畫到營建構造、結構、設備計畫，無不左右對環境的衝擊；營建產業則由材料生產、施工營建、日常使用、拆除解體到回收使用，深深地影響著地球環境。臺灣的建築產業消耗了大量的水泥，也排放了很多的營建廢棄物，建築物的壽命卻嚴重偏低。建築產業耗能所排放的二氧化碳，竟占全國總量的 27.22%, 影響環境至鉅。
臺灣過去的都市建築政策忽略了環保，使得居住環境急速惡化、人口過度集中、人造環境不透水化、建築物通風不良、能源浪費與都市高溫化。為了應付日益炎熱的都市氣候，家家戶戶大量使用空調來加速排熱，卻造成了都市更加炎熱的惡性循環。
如今在夏季，臺灣的大都會區中心與市郊的氣溫差已高達攝氏 3 至 4 度。根據臺電的統計，在夏季尖峰外氣溫每上升攝氏 1 度，空調耗電量約上升 6%。以此計算，夏季市中心的空調設備耗電量將比郊外高出四分之一，使得都市高溫化效應更有如火上加油。
另一方面，先進國家由於模板、砂石、人工昂貴，使得混凝土構造造價偏高，建築以鋼骨和木構造居多。但國內由於砂石價格低廉且鋼筋混凝土 (RC) 構造技術簡單，使得臺灣成為世界上鋼筋混凝土建築物最多的地方，比率約為 95%, 木構造與鋼骨構造的建築物則相對較少。而且因砂石的需求量約有 5 成盜採自河川山谷，所以也衍生出諸多社會問題。
921 地震、88 風災所引發的山河巨變，賀伯、象神、敏督利等颱風所引起的土石流與都市大淹水，在在都令人觸目驚心。大眾都把矛頭指向山坡地社區的濫建，或歸罪於暴雨量超過防洪標準。事實上，大部分災難都起因於環境過度不透水化，使得大地喪失了水的涵養力，造成地表逕流量暴增而水災頻傳。
過去都市防洪的觀念，都是希望把自家的雨水儘速往鄰地排出，並且認為政府必須設置公共排水設施，以便把都市雨水排至河川大海。因此住家大樓都把自家基地墊高，或者設置緊急馬達以排除積水。這種「以鄰為壑」的觀念，導致低窪人家每遇大雨總會望水興嘆，無語問蒼天。然而這些災難並非不可避免，山坡地也非完全不可開發，只要適當加強建築基地的保水、透水設計，就可大幅減少其弊害。
什麼是綠建築
上述都市建築環境惡化的解決之道，當以「綠建築」政策為最有效的對策。「綠建築」在日本稱為「環境共生建築」, 歐美國家則稱為「生態建築」(ecological building)、「永續建築」(sustainable building), 但以「綠建築」為國際最廣泛接受的用語。在臺灣，「綠色」甚至已成為環保的代名詞，例如「綠色消費」、「綠色生活」、「綠色照明」等都是民眾常用的用語，因此內政部決定以「綠建築」做為生態環保建築的表徵，以利推廣。
然而，「綠建築」的定義是什麼？至今仍眾說紛紜。即使在先進國家，也很難取得一致的共識。
臺灣把綠建築歸納為生態 (含生物多樣性、綠化量及基地保水 3 指標)、節能 (日常節能指標)、減廢 (含 CO2 及廢棄物減量 2 指標)、健康 (含室內環境、水資源及汙水垃圾改善 3 指標) 等 4 大範疇，並以之為「綠建築」的定義，即「生態、節能、減廢、健康的建築」。取生態、節能、減廢、健康的英文字首，這體系又稱為「EEWH 系統」。
綠建築與節約能源
我國目前的綠建築評估系統是從建築規劃階段開始，就從事建築生命周期環保計畫。例如，近年來臺灣許多建築設計很喜歡模仿寒帶國家的建築，再加上媒體的吹噓，以致許多業主以為金光閃閃的玻璃帷幕大樓才是科技與文明的象徵，便紛紛建造蔚然成風。然而這是一種很不適合溼熱氣候的建築，也違反了綠建築的規劃原則。
全玻璃帷幕大樓起源於歐美寒冷氣候的溫室，其原意在於寒冷氣候中可創造溼熱氣候，於今卻成為原已溼熱國家效法的對象，實在是非常諷刺。全玻璃帷幕大樓甚至被有識之士稱為建築上的「能源殺手」、「環保剋星」, 因為它大面積的透明開口會引進大量日射熱，使得空調尖峰負荷劇增。
全玻璃帷幕大樓不適於炎熱氣候的另一原因，在於玻璃具有「溫室效應」。所謂「溫室效應」是指玻璃可讓日光穿透入室內，卻不易消散至室外，室內因此累積了熱氣而越來越熱。
另一方面，玻璃大樓內的環境也較一般大樓更形惡劣。例如，曝曬於烈日下的大樓玻璃表面溫度有時高達攝氏 50~60 度，即使溫溼度感知器可定在舒適值範圍 (如攝氏 22~26 度、溼度 50~60%), 但室內分布懸殊的輻射熱，常使室內的實際溫熱感覺有如在冷氣房內面對烤箱一般，令人不適。再者，因玻璃大樓的空調控制較不穩定，常會造成部分空間焦熱如焚而部分冰凍如寒天，這一溫度環境很容易使室內人員的血管肌肉急遽放大縮小，甚至造成長期筋骨酸痛、體虛氣弱的冷氣病。
臺灣的 EEWH 系統，是全球第一個針對亞熱帶、熱帶氣候建立的綠建築評估體系，尤其強調通風採光與外遮陽設計，對於防止超大玻璃大樓設計與空調過量設計有莫大的功效，是建築節能減碳的極佳政策。
綠建築的效益
許多人都以為汽車、機械等工業所占的耗能比率較大，而建築部門的比率較小，因此從建築來實施節約能源的效果應該有限。其實這是一種嚴重的誤解，事實上，建築的節能效果遠比其他產業大。
從能委會的統計可知，設計不良的玻璃帷幕大樓全年空調耗電量大約是一般 RC 外牆大樓的 4 倍。亦即優良與劣質的建築外殼設計，其能量使用相差可達 4 倍之多，這種節能效果是機械、車輛等產業所無法達成的。一般而言，工業產品要達成 30~40% 的節能目標恐非容易，但建築外殼若設計得宜，能源節約將可輕鬆達到 50~60%。換言之，假如把建築物比為一部機器，過去的建築物有如能源效率不彰的機器，而這類機器才是最有改善餘地的。
建築節能比其他產業的節能更形重要的另一原因是，建築的使用壽命通常遠比其他工業產品長，因此其節能的效果更是影響深遠。一般建築物的壽命長達 50~60 年，其節約能源的效果當然遠勝於壽命短的冷氣機、冰箱、鍋爐，也就是說，致力於建築外殼的節能可收事半功倍的效果。這就是為什麼說「節約能源是綠建築政策最重要的一環」的道理。
另一方面，在政府大力推動「綠建築」政策下，預計每年可節約空調用電量約 46 億度，相當於 2.5 座的火力發電廠，或全國所有的水力發電廠，或一部大型核能機組，其貢獻不可謂不大！這節能效果也相當於每年減少 700 萬公噸的二氧化碳排放量，可減緩地球氣候溫室化效應，對於地球環保有莫大的貢獻。「綠建築」的重要性，由此可見一斑。
綠建築政策的成就
臺灣的綠色建築評估系統 EEWH, 是亞洲的一匹黑馬，也是全球第四個上路的系統，僅次於英國的 BRE、美國的 LEED 與加拿大的 GBTool, 它在 1999 年正式成為國家推動的政策。此後，全球綠色建築評估體系相繼成立。到了 2009 年，全球綠色建築評估系統已經接近 26 個。在短短 20 年中，綠色建築評估工具在全世界已呈現百花齊放、爭奇鬥豔之勢。
自 2001 年起，政府對公有新建物開始強制要求綠建築標章認證審查，至 2009 年底，綠建築標章共通過 483 件，候選綠建築證書 2,029 件。每年可節約總電力 813,898,570 (kWh)、水資源 36,091,779 公噸，相當於每年可節省經費約 23 億 3 千 200 萬元。
環視世界各國的綠色建築政策，很少能像臺灣一樣傾政府和民間的力量，以「綠建築標章制度」、「綠建築推動方案」、「綠色廳舍改善計畫」、「綠建築博覽會」、「綠建築專章」等具體政策，來進行綠色建築改造運動。尤其像「綠色廳舍改善計畫」, 是動用國家預算進行舊公有建築物的綠色改善工程，更是全球綠色建築行政的典範。
臺灣似乎已在世界綠色建築政策中一馬當先，甚至形成一股不可遏止的「綠建築改造運動」。對於臺灣的綠建築成就，世界媒體不時有所報導。2007 年在芝加哥舉辦的美國綠建築大會中，特為臺灣開闢了一個名為「打造一個綠色家園」(Greening a Country) 的專題討論會，可見臺灣的綠建築成就已廣受國際重視。
為了延續「綠建築推動方案」在過去 6 年來的成效，行政院於 2008 年更推出「生態城市綠建築推動方案」, 進一步有計劃地研究發展永續都市、永續社區。又於 2010 年推出「智慧綠建築推動方案」, 以便結合資訊與通訊技術 (ICT) 產業，提升綠建築智慧化產業，做為永續國家政策的接軌。
在這短短數年內，綠建築的思潮不但在臺灣的學界、媒體界蔚為風氣，甚至在政府行政部門也激起熱烈回響。如今，綠建築在許多大專院校都已開授課程；民間社區大學也開啟綠建築相關議題；政府要求 921 震災復建工程加入綠建築考量；甚至民間與政府的建築競圖案都要求綠建築規畫。這股席捲臺灣的綠建築風潮，代表飽嘗環境破壞與泡沫經濟煎熬的臺灣人，對於具體環保政策的渴望與支持。
在政府全面推行「綠建築」政策之際，欣見社會有所共鳴，這是臺灣邁向居住環境永續發展的契機。讓我們善盡地球村公民的責任，一起來推動建築界的綠色革命吧！為了地球，也為了臺灣；為了子孫，也為了自己。 |
山老鼠,砍老樹 | 全球超過 60 個地區，森林覆蓋率不到 10%, 但人類卻以每年 1,300 萬公頃的速度破壞森林，這將近是三個半的台灣面積，長久下來影響大自然甚巨。
森林是地球永續的基礎
森林乘載著生物生存的需要，可以涵養水源、保持水土、調節氣候、造氧固碳等，生物的多樣性形成大自然循環，並提供完整的食物鏈，是地球永續的基礎。
隨著環保意識興起，各國開始重視永續發展及訂定相關政策，來保護環境資源。我國的《森林法》、《國家公園法》、《環境影響評估法》、自然保留區等法律及政策，就是試圖以公權力維護台灣的自然資源。
然而，仍有不肖人士染指森林裡珍貴資源，如俗稱的「山老鼠」, 就是專門以非法手段，砍伐樹木掠奪自然資源的人。甚至有新聞報導，山老鼠受到追緝時，以衝撞警車的方式試圖逃離追捕。山老鼠盜伐嚴重影響到森林的樹種生存、山坡地的水土保持，我們除了就環保的立場關注這些盜伐行為外，也應該思考，為什麼在高危險下，這些人仍願意鋌而走險？暴利引發貪婪
台灣的扁柏、紅檜、牛樟等高經濟樹種，製作成家具或藝術品，質感及耐用度相當受人喜愛；尤其牛樟還可作為培育牛樟芝的原料，隨著媒體大肆宣傳療效，國人對此需求增加。近來政府以禁伐的政策保護山林，使得珍貴林木的供給成本增加，盜伐者販賣贓物的所得也隨之增加。
當市場需求大，供給少，商品價格就會上漲，吸引供給者投入生產。人們對物質的追求，帶動廠商製造商品，因此有不少了解山區環境的山老鼠，盜伐珍貴樹木運送下山，提供給廠商並賺取暴利。
莫讓自己成為共犯
事實上，進入深山盜取珍貴林木，需要耗費大量體能，並非所有人都能適應。根據研究，盜伐者往往有貧窮及教育程度低的共通點，上一代常沒有穩定的工作養家活口，以致於影響下一代受教育的機會，增加就業難度，有些人因此步入歧途，加入黑道甚至吸毒，讓他們無法得到正當的工作機會，過著正常的生活，而不斷惡性循環。
山老鼠盜伐珍貴林木的行為，違反《森林法》第 50 條及 52 條，儘管刑罰愈修愈嚴，受限山區遼闊，執法單位取締不易，因此山老鼠仍願意冒著被逮捕的風險，換取龐大的經濟利益。
近年來，颱風來襲時發生的水災、土石流愈趨嚴重，山地的濫墾濫伐，就是加重災害的主因；而森林地的盜伐，可歸咎於市場供需法則與社會的互動。當社會大眾在追究盜伐者的犯罪行為時，也必須反省自己對於稀世珍品的追求，是否默默地鼓勵山老鼠們鋌而走險，間接促進他們的盜伐行為？在追求生活品質的同時，莫讓自己成為破壞環境的共犯。(本文由國科會補助「犯罪問題新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)
責任編輯：陳則秀 | o’rip 採訪編輯
審校：呂傑華 | 國立東華大學社會學系暨財經法律研究所
相關法條:
1.《森林法》第 50 條：竊取森林主、副產物，收受、搬運、寄藏、故買贓物或為牙保者，依刑法規定處斷。
2.《森林法》第 52 條：竊取森林主、副產物而有左列情形之一者，處六月以上五年以下有期徒刑，併科贓額二倍以上五倍以下罰金:
一、於保安林犯之者。
二、依機關之委託或其他契約，有保護森林義務之人犯之者。
三、於行使林產物採取權時犯之者。
四、結夥二人以上或僱使他人犯之者。
五、以贓物為原料，製造木炭、松節油、其他物品或培植菇類者。
六、為搬運贓物，使用牲口、船舶、車輛，或有搬運造材之設備者。
七、掘採、毀壞、燒燬或隱蔽根株，以圖罪跡之湮滅者。
八、以贓物燃料，使用於礦物之採取，精製石灰、磚、瓦或其他物品之製造者。
前項未遂犯罰之。
第一項第五款所製物品，以贓物論，沒收之。
3.《刑法》第 320 條：意圖為自己或第三人不法之所有，而竊取他人之動產者，為竊盜罪，處五年以下有期徒刑、拘役或五百元以下罰金。
意圖為自己或第三人不法之利益，而竊佔他人之不動產者，依前項之規定處斷。
前二項之未遂犯罰之。
4.《刑法》第 321 條：犯竊盜罪而有下列情形之一者，處六月以上、五年以下有期徒刑，得併科新臺幣十萬元以下罰金:
一、侵入住宅或有人居住之建築物、船艦或隱匿其內而犯之者。
二、毀越門扇、牆垣或其他安全設備而犯之者。
三、攜帶兇器而犯之者。
四、結夥三人以上而犯之者。
五、乘火災、水災或其他災害之際而犯之者。
六、在車站、埠頭、航空站或其他供水、陸、空公眾運輸之舟、車、航空機內而犯之者。
前項之未遂犯罰之。 |
出航吧!尋找太平洋裡的金、銀島與女人島 | 講演綱要 (撰文 | 高英哲) 財富與美色，向來是驅動人性最強大有力的兩個因素。這在彰顯人性貪婪的大航海時代，就反映在聽起來荒誕不羈，但當時的航海家卻深信不疑的金銀島跟女人島傳說。李毓中教授為聽眾帶來這段大航海時代的趣事。 亞洲有個金銀島，只是傳說？金銀島的傳說，最早可追溯至羅馬作家老普林尼 (Pliny the Elder) 所著《博物志 (Naturalis Historia)》一書，裡頭提到傳聞在印度河附近，有金島跟銀島的存在 (不過他自己並不太相信這種說法)。幾百年後，西班牙牧師聖依西多祿 (Isidore of Seville) 在他編纂的百科全書《詞源 (Etymologiae)》中，再度提到金銀島。亞洲海域有金銀島的傳說，自此深植在歐洲人心中。 到了 1492 年，為葡萄牙國王服務的德國探險家馬丁・倍海姆 (Martin Behaim), 可能是受到馬可波羅對日本遍地黃金的敘述影響，在他繪製的世界地圖上，於相當接近日本的地方，首度明確標記出金島跟銀島的位置。這使得當時開啟大航海時代的葡萄牙人，開始認真想要尋找金銀島，他們認為琉球群島就是傳說中的金銀島，也曾經在漳州人的指引下，實際出發去尋找金銀島，但是並沒有什麼斬獲。 金銀島沒找到，卻找到女人島？到了 17 世紀，繼葡萄牙人之後，活躍於大航海時代的西班牙人，認為金銀島的正確位置，應該是在日本東南方海域，接近北緯 37 度的地方，並且在 17 世紀初嘗試進行幾次探勘，仍然沒有結果。荷蘭人接續了西班牙人尋找金銀島的熱情，認真規劃季風及洋流的影響，在 1639 年跟 1643 年，各派出兩艘船隻，在目標海域探索金銀島，然而不但鎩羽而歸，還折損了不少水手。 有趣的是在尋找金銀島的過程中，還冒出了「女人島」這個番外篇。在西班牙人的航海誌裡，曾經提到在日本小島不遠處，有一座名叫亞馬遜那的女人島，島上居民就如同古希臘傳說敘述的那樣，清一色為善用弓箭，削去右胸以便射擊的女人。相關傳說敘述得煞有介事，甚至交代了島上為何清一色都是女人：日本船員會固定造訪女人島，他們以類似聯誼抽機車鑰匙的方式決定交配對象，若生出男嬰就由船員帶走，生出女嬰則留在島上。就連記載這段傳聞的人，對天底下竟有這種「美事」, 也抱持著懷疑態度，但是有些船員言之鑿鑿，聲稱確有其事。 尋找金銀島，終究是夢一場 故事繼續說，島嶼繼續找。雖然尋找金銀島的努力始終沒有成功，但是到了 18 世紀，標示金銀島的海圖倒是畫得愈來愈精細，甚至連經緯度都標示出來。凡爾納在 1870 年的經典科幻小說《海底兩萬里》, 還提到他的潛水艇鸚鵡螺號，就停泊在銀島的位子上。時至今日，幾乎沒有人再相信金銀島或女人島確實存在；不過只要人性對財富跟美色的慾求不變，這麼離奇的故事傳說，永遠都會有市場。 科學史沙龍官方網站 科學史沙龍特稿與影音 臺大科教中心 facebook 粉絲頁 |
天氣預警零時差 | 馬來半島東岸近來經歷連續數日的豪雨，造成遍及 3 個州的嚴重水患，相關單位已經緊急撤離一萬六千餘人。一年之前，泰國首都曼谷也遭遇洪水肆虐。而台灣因為地形多變與地理位置緣故，每年的梅雨季、颱風季，甚至是午後雷陣雨，都有可能釀成水災。 近來極端氣候頻繁發生，強度極強的集中降雨越來越常見，但因為氣象觀測上的限制，準確預報小範圍與短時間內的劇烈天氣變化仍然有相當大的挑戰。2012 年年初中央氣象局建置了全國鄉鎮逐時天氣預報，將氣象預報的尺度從原來的縣市縮小至鄉鎮層級，除了讓天氣預報更加貼近日常生活，也能提升對於災害天氣的應變能力。 為了達成這個目標，一項重要的技術引入便是美國國家大氣研究中心 (National Center for Atmospheric Research, NCAR) 的自動即時預報系統 (Auto-Nowcast System, ANC), 以及都卜勒雷達變分分析系統 (Variational Doppler Radar Analysis System, VDRAS)。 VDRAS 能觀測近地面三維空間的風場，且具有高解析度和觀測間距短的優點。藉由 VDRAS 蒐集地面風場資訊，ANC 每五分鐘便可以自動產生未來 1 小時內的風暴初始位置預測，產生極短期的降雨機率預報。 ANC 其中 1 個基礎功能是辨識邊界層輻合線 (boundary convergence line)。邊界層輻合線是發展強烈對流的條件之一，強烈對流包含雷陣雨、龍捲風等小尺度的天氣現象，亦包括鋒面和颱風等中尺度系統。許多風暴都發生於邊界層輻合線附近，既有的風暴若出現邊界層輻合線強度亦會迅速增強。因此，觀測邊界層輻合線對於預測災難性天氣相當重要。 目前，中央氣象局已經完成 ANC 以及 VDRAS 氣象資料庫的本土化，未來 ANC 即可利用臺灣最新的觀測資料及數值模式資料，產生 30 分鐘與 60 分鐘的強烈對流預報。 災害性天氣預報的精準度一直是社會大眾與媒體關注的焦點，過去礙於觀測限制，精準的預測有其侷限。新技術的引入為台灣的天氣預測開啟新頁，未來對於災害性天氣的預報將更為準確。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿) 責任編輯：鄭國威 | 元智大學資訊社會所 |
海岸地帶的奇特現象:難以抵擋的海洋波浪——海嘯 | 海嘯如何形成？為何破壞性強？早期人們把海嘯和潮波混為一談，部分科學家也曾把海嘯稱為地震海浪。直到 1960 年左右，人們才把海嘯 (tsunami) 確定是由於海水受到衝擊式的擾動，所產生的一系列具有超長周期和波長的波浪。
「Tsunami」是由日文英譯而來，日文的原名是「津波」,「津」和中文的意思一樣，代表停船的地方 (也就是現在通稱的「港」)。通常船隻會選擇較沒有波浪的地方停靠，因此津應該不會有什麼波浪的，而波表示較大的浪，津波直接翻譯就是港裡的大浪。港內通常應該是沒有什麼浪，若有大浪就特別稱為津波。
海嘯主要由一些強烈的地質活動所造成，包括海底斷層、海面或海下地滑或山崩、海面或海下火山活動等，但大流星撞擊海洋或人為的高能量海中釋放 (例如核子試爆) 等也可能造成海嘯。強烈的地質活動常伴隨地震發生，因此人們也嘗試建立地震規模和海嘯強度間的關係，以地震規模來預測海嘯的強度。
能穿越大洋的海嘯幾乎都是由海底斷層引起的。例如 1960 年的智利大海嘯，2004 年發生在南亞的海嘯 (在澳洲、紐西蘭、美國西岸、加拿大西岸等太平洋地區，以及非洲南部和美國東岸等大西洋地區都記錄到海嘯波，是一個首次有正式科學紀錄影響及於全世界的「環球級海嘯」), 和 2011 年日本的東北海嘯等，都是海底斷層造成的。由於太平洋盆地周圍的地質活動非常強烈，經常有地震或海嘯發生，臺灣位於環太平洋地震帶上，發生地震或海嘯的機會很大。日本將海嘯稱為津波，直接意思指港裡的大浪。(圖 /wikipedia)
海嘯的周期約為十餘分鐘至數十分鐘，波長可超過 500 公里，在開闊海面上並不容易以肉眼觀察到。同時，由於波長較長，海嘯在傳遞過程中能量的衰減並不明顯。
大部分海嘯在海洋中行進時，都具有淺水波的特性，淺水波意指水深和波長的比值很小，主要的特性是它的運動速率等於「重力加速度 (9.81 公尺∕秒平方) 乘以水深之後的開平方根值」, 也就是說水深越深，海嘯跑得越快。在太平洋中，平均水深約 4,000 公尺，海嘯的速度大約可達 200 公尺∕秒，即每小時超過 700 公里，相當於噴射機的速度。
海嘯的波長在深海中可達數百公里，可想像當海嘯接近海岸地區時，它的前緣因水深減少，速度放緩，但後方因水深仍相當深，因此仍以較高速前進，使得在前部的波形波長變短且迅速堆高。在深海中波高未達 1 公尺的海嘯，到達近岸地區受地形淺化影響，波高可輕易地達 10 公尺以上，造成在海岸地區的毀滅性破壞。2014 年 4 月 1 日智利地震造成的海嘯在 21 小時後越過整個太平洋 (圖 / NOAA)
一般人認為海嘯來臨之前，岸邊的海水會先被倒吸至外海，但事實上，若是波峰先到達則先造成水位上升，若是波谷先到達則先造成水位下降。通常波峰先到達所導致的水位上升並不明顯，而其後的波谷卻使海水迅速向外海移動，這異常現象較易引人注目。
臺灣有過海嘯嗎？臺灣鄰近地區的海嘯紀錄，以西元 1076 年 (宋熙寧 9 年) 10 月 31 日至 11 月 28 日間，發生在泉州地區的海嘯事件為最早，《宋史。五行志》曾有敘述:「熙寧九年十月，海陽、潮陽二縣海潮溢，壞廬舍，溺居民。」
根據歷史文獻記載，臺灣過去確實有大海嘯發生。《臺灣采訪冊》有關「祥異、地震」的記載，提及 1781 年 4 月 24 日至 6 月 21 日 (清乾隆 46 年) 高雄曾發生大海嘯，「鳳港西里有加藤港...... 乾隆四十六年四、五月間，時甚晴霽，忽海水暴吼如雷，巨浪排空，水漲數十丈，近村人居被淹......」
1792 年 8 月 9 日 (清乾隆 57 年), 臺南附近也曾有大海嘯，「乾隆壬子歲六月，泊舟鹿耳門，船常搖蕩，不為異也。忽無風，水湧起數丈，舟人曰:『地震甚。』又在大洋中亦然，茫茫黑海，搖搖巨舟，亦知地震，洵可異也。」
此外，1867 年 12 月 18 日 (清同治 6 年),《淡水廳志》記載:「冬十一月，地大震...... 二十三日，雞籠頭、金包里沿海，山傾地裂，海水暴漲，屋宇傾壞，溺數百人。」這海嘯在阿法列茲 (Alvarez) 所著 Formosa 一書中也提到:「1867 年 12 月 18 日，北部地震更烈，災害亦更大，基隆城全被破壞，港水似已退落淨盡，船隻被擱於沙灘上；不久，水又復回，來勢猛烈，船被衝出，魚亦隨之而去，沙灘上一切被沖走。」
在 20 世紀內，臺灣地區曾發生超過 20 次的海嘯，顯示海嘯在臺灣地區發生的頻度相當高 (約每五年一次)。但是在海嘯規模方面，只有 1986 年 11 月 15 日發生在花蓮外海的海嘯，在花蓮港的波高紀錄是 2 公尺，其他海嘯的規模大都小於 1 公尺。值得注意的是，由於過去百餘年內臺灣地區所發生的海嘯災害並不明顯，使得人們對海嘯災害的警覺程度大幅降低，也忽略了未來可能發生的重大海嘯所造成臺灣沿岸地區的嚴重傷害。
雖然百餘年來臺灣地區未發生破壞性海嘯，但在過去的二、三百年間，確有破壞性海嘯發生，造成嚴重的人命和財產損失。海嘯和地震類似，都是因地質結構特性而發生，未來臺灣地區發生破壞性海嘯的機會仍然存在。
海嘯的破壞力到底有多強？海嘯對陸地的影響範圍是非常驚人的。米勒 (Miller) 在 1960 年的調查報告中指出，1958 年 7 月在美國阿拉斯加因山崩所引發的海嘯波，以每小時 160 公里的速度衝向陸地，在陸上的溯上距離是 520 公尺。
海嘯所造成的災害是很嚴重的，1869 年日本沿岸的大海嘯淹死 26,000 人。另一慘痛的海嘯事件，是 1883 年在印尼巽他海峽 (Sunda Straits) 由火山爆發所造成的大型海嘯，導致 30,000 人死亡。2004 年 12 月 26 日發生在南亞地區印尼蘇門達臘外海的大海嘯，造成近 30 萬人死亡的慘痛結局，主要是因為人們忽略了在印度洋區域內發生大海嘯的可能性，幾乎沒有任何準備，這重大海嘯事件值得我們警惕。
2011 年 3 月 11 日，日本東北地區太平洋海域發生大海嘯，陸上的溯上高度最大達 38 公尺，陸地浸水面積達約 560 平方公里，不但造成嚴重且大範圍的災害，也導致福島第一核電廠嚴重受損，更引發嚴重的核輻射外洩災害。依據日本警察廳 2011 年 11 月 25 日統計的災情，眾多建築物損毀或流失，道路、橋梁、港灣、機場、儲油槽等設施損壞，死亡人數有 15,840 人，失蹤人數也有 3,611 人，經濟損失高達 16~25 兆日圓，是日本有史以來經濟損失最大的天然災害。海嘯形成的過程 (圖 / Luckygod,wikipedia)
日本長年受地震和海嘯威脅，對於防災規劃和整備、防災設施興建、災害發生時測報和通告機制都相當完整，防災整備經驗十分豐富，常常是世界各國在防災規劃時仿效參考的對象。但因這次地震和海嘯的規模遠遠超乎預期，超越了原防災設施和結構物可承受的耐受力，因此仍然產生了十分重大的災情。如果這次海嘯發生在別的國家，災害嚴重的程度將難以想像。
大自然的力量難以捉摸，海岸保護設施終有它的局限。日本檢討未來防護海嘯規劃導向後，將由原本的「防災」概念，趨向二階段「防災、減災」的對策，期能在類似大規模海嘯再次發生時，盡可能減輕對人民生命財產的衝擊，並以「確保人身安全」為各階段最主要的防護目標。2011 年日本海嘯使海岸地區成為一片廢墟
海嘯的挑戰：面對與應對
海嘯災害本身具有應變時間短、侵襲範圍大、破壞力強等特徵，但若能有效及早預警，數分鐘的時間也可挽救無數人的生命。在減災和確保人民安全的前提下，海嘯測報和預警系統也相當重要。日本仙台市海岸在 2011 年海嘯災害前和災害後的差異。災害前海岸有大片綠色植物以及諸多的港埠設施；災害後綠色植物全數死亡，所有的港埠設施都被摧毀。(圖 / 台灣世曦專題講座：2011 年東日本大震災震後 6 個月 —— 港灣及海岸，台灣世曦工程顧問股份有限公司，2012)
日本在 2007 年已可在地震發生後 2 分鐘內，發布第一次海嘯警報。海嘯警報發布後，日本氣象廳會根據日本全國港灣海洋波浪情報網 (NOWPHAS) 的潮位觀測資料和分析評估結果，更新和發布後續海嘯警報，並即時透過日本 J-ALERT 系統對海嘯警報區域廣播警告，使居民能夠及早因應。
海嘯大多伴隨地震發生。日本氣象廳預測海嘯，先推算地震位置和規模，在海嘯預報資料庫中進行檢索，並利用檢索所得的海嘯預測結果，發布海嘯警報或注意報。(圖 / 日本港灣空港技術研究所，2011.05.11, 由台灣世曦公司張欽森經理提供。)
臺灣地區海嘯警報的發布作業，中央氣象局參考國內專家學者的建議，以及過去災害性海嘯紀錄，並考量區域性地震活動特徵和鄰近海域地體構造，把臺灣地區的海嘯危險性分為 1 至 3 級。其中新北市和基隆市曾經在 1867 年發生過災害性海嘯，因此被列為第 1 級最有可能遭受海嘯侵襲的地區。至於資料顯示可能有海嘯紀錄或疑似海嘯紀錄，但無海嘯災害的縣市則被列入第 2 級。各縣市政府因海嘯威脅等級的不同，而制定不同程度的海嘯應變計畫。
海嘯來襲的緊急應變措施建議，分為四個重點。
自我保護 —— 被海嘯追趕而無法逃脫時，最好設法抓住任何固定物 (大樹、鋼筋等), 如果有繩索，可把自己綁牢，以抵擋海嘯通過的衝擊；若海嘯波已到，如有水上救生衣，應立即穿上，或儘速尋找並抓住漂浮物、爬上大型漂流物。
在學校 —— 沿海地區可能遭受海嘯侵襲的學校，應規劃校內避難路線，有海嘯時，依路線迅速疏散至安全場所，或前往學校較高建築物 (最好是三層樓以上的鋼筋混凝土建築) 的最高樓層、屋頂避難。
在家裡 —— 攜帶逃生包和家人一起儘速逃至高地。若來不及逃到高處，盡可能打開建築物所有門窗，減輕海嘯衝擊，並往堅固建築物的頂層或屋頂移動。如時間允許，應開放建築物並協助鄰近民眾至頂層或屋頂避難。
在室外 —— 防災機關應在有海嘯威脅的海邊立牌警示，並在各路口標示海嘯時的避難方向。當聽到海嘯廣播時，應立刻依避難路線標示迅速疏散至安全場所，若無避難路線標示，則儘快往較高處避難。
規劃中的海嘯警示標誌 (圖 / 高雄市政府海洋局) |
海岸地帶的奇特現象:臺灣的豐富海岸景觀 | 海洋是生命的起源，資源豐富且具多樣性，從遠古到現在甚至未來，都備受人類謳歌。人類依海為生，對海岸的利用從漁獲生產、交通運輸、土地及經濟開發，到親水遊憩，真可謂休戚與共。近年來由於永續發展的理念與思潮，帶動了海岸生態、景觀保育與復育的行動，也促使人們正視與檢討對海岸的過度開發所產生的衝擊，並謀求改善策略。
海岸生態環境的分界
海洋是生物的發源地，生命繁榮的起點。而海洋中的生物大部分都集聚在靠近海岸的地帶，因為這地區的海水有較充足的氧氣和營養鹽類。臺灣海岸的地形缺乏灣澳或內海，港口建設或土地開發利用較困難，但因地理位置適中，正逢黑潮暖流和大陸寒流交會處，以及地形特殊，有斷崖、礁岩、沙灘、泥灘、沙洲、潟湖、珊瑚礁、沙丘等各種的海岸景觀，更由於充足的陽光，使得海岸蘊藏了非常豐富的生物資源。
海岸的海洋生物在某些特定的棲地經過長期的演化形成了固有性，只能適應這些特有的棲地生活，如潮間帶、紅樹林、潟湖等水淺近岸的地方。近一、二十年來，由於海岸的開發利用，包括海港建設、新生地填築、海堤護岸的興建等，侵占或破壞了各種生物的棲地。此外，沿岸地區過量捕撈的漁業行為，也使近岸水產資源逐漸枯竭，破壞了原本安定的沿岸海洋生態系。更嚴重的是，陸地的汙染進入了海岸和海洋，改變了臺灣海岸原有的生態系。
「海洋沿岸域」的範圍是從海水與陸地交界的水際線算起，到水深 20 或 30 公尺水底植物可以行光合作用的海域為止。在這區域有很多海洋物理性、化學性和生物性的變化，而且彼此互相作用，形成一個很複雜且獨特的生態體系。
沿岸海水中或底質若有適當的陽光、營養鹽，則可生成藻類、海草、浮游生物或底棲生物等。接著魚蝦等屬食物鏈中上位的生物便以這些生物為食而存活，而藻類、魚蝦等屍骸有機物又會轉變成水中的營養鹽。由陸地排放入海的有機物，也是營養鹽的重要來源，適當的營養鹽滋養了生物繁衍。
沿岸區域依水與陸地的交接狀況可分為 3 個部分，浪花可及的內陸區域稱為潮上帶；高潮線與低潮線之間的區域稱為潮間帶；低潮線以下的區域稱為潮下帶。潮下帶是好光性植物和植物性浮游生物增殖的場所，也是魚群等水產資源豐富的地方。潮間帶同樣具有豐富的生態系，動物以甲殼、貝殼等底棲生物為主。潮上帶則是動植物較少，生活條件較嚴苛的地區。不同地區的地理特性不同，也構成了不同的棲地環境條件。淡水河出海口五公里的紅樹林自然保留區 (圖 / 行政院農業委員會林務局)
臺灣的豐富海岸景觀環境海岸斷面圖 (上) 及視野壯闊，地質景觀多樣的礁石海岸。
海岸因為地形差異形成了不同的景觀，壯闊、磷珣者適於賞景，平緩的沙灘則適於親水遊憩。臺灣海岸景觀，北部屬沉降海岸，是侵蝕海岸，具特殊的海岸地形景觀，多岬角、海灣及口袋型沙灘；西部海岸則是沙質海岸，地形地質單調平直，坡降平緩。
例如：桃竹苗地區海岸礫灘發達，沙灘狹窄；雲林以北海岸，有開闊的海岸平原，低潮時露出廣寬灘地，泥質灘地潮間帶的生態豐富多樣；雲林以南沙灘延綿，但灘面不廣，有濱外沙洲及潟湖；高雄地區則是侵蝕性後退海岸。斷崖海岸多分布在北海岸及花東海岸地區，海岸線平原窄小，斷崖林立，地質景觀特殊，自然景觀壯麗，一側濱臨浩瀚的太平洋，一側是丘陵地形或中央山脈地壘。
有些海岸會築起人工結構物以抵禦惡劣海象或海岸侵蝕作用，例如臺灣西部海岸因為潮差大，就多築有海堤並拋置消波塊；雖然有綿延沙灘、潮間帶，可以賞夕陽、踏浪戲水，做生態觀察，但遊客得先爬過高高的海堤才能親近大海。
有些海岸因為經濟或開發利用形成了不同風貌，例如南部海岸有海埔地、蚵田、鹽田及漁塭景觀。漁港多，交通便利，可提供多樣的親水活動，是民眾休閒遊憩的好選擇，但停車場、大量的建築結構物，防波堤及消波塊等，都不是友善的景觀環境所該有的。
現在國外有許多柔性工法，在克服海象及侵蝕課題之餘，還可以提供較優美的視覺親水景觀、釣魚場所、戲水空間，或保護原有的海岸線形狀等。像臺灣西部海岸平直，若能適度引入這些工法，可以形成更多樣的海岸景觀面貌，這也是一種海岸利用的雙贏策略。
海灘：底質不同分三種消波塊是臺灣海岸的常見人工構造物
海灘是最常見到的海岸，也是最具親水、消能及淨化海水功能的地方。海灘有礫石灘、沙灘、泥灘等，因底質組成成分不同而在地形、景觀、生態上有所區別。
泥質海灘的形成需要相當平緩的坡度，趨近於海岸溼地。一般有明顯坡度的海灘以沙灘或礫石灘居多。泥質海灘土壤顆粒間隙小，水不易流通，空氣少，微生物不易生存，雖富含有機質，但底層缺氧。
沙質海灘土壤顆粒粗孔隙大，空氣易流通，有機質不易沉積，但也較不會累積汙染。礫石海灘則因底質較安定，除底棲生物外，還會有藻類等附著性生物生存其間。原則上，安定的海灘有較豐富生態性，但適當水流和漂沙對生物多樣性也有幫助。
前述以沙灘最具親水遊憩價值，可以賞景、聽濤，或進行各種戲水活動。如果再加上適當的波浪、風向和風速，就可以游泳、衝浪、玩風浪板。泥灘最特別的是漁業生產活動，像蚵架等，人們可以看到特殊的海岸人文景觀，退潮時也可以在泥灘採挖蛤貝。因此海灘不只是維持沙灘乾淨、水質良好就了事了，保持原有海岸的景觀及人文特色也很重要。
海岸溼地：豐富生態造就水鳥聖地
海岸溼地位於河口、潮間帶或潟湖地區，是海水所及而形成水生植物生長的區域，其中蘊含了豐富的生態資源，包括水生動植物、水鳥等。水生植物的根莖葉能吸收水中或底泥的營養鹽，有淨化水質、抑制浪潮和漂沙移動、景觀價值等功能。同時溼地水域蘊育著魚蝦，溼地底質蘊育著底棲生物，可吸引大量的水鳥來覓食。
普通淺海海底底棲生物現存量約每平方公尺 10~100 公克，潮間帶溼地是其 10 倍以上。此外，魚蝦及底棲動物的幼體、卵等會隨潮水外流成為海洋中浮游生物，使附近成為一個良好的漁場。因此海岸溼地具有淨化陸地及河川汙染物，並轉化其為高等生物食物來源的功能，就像是一座大型的自然淨化槽。
溼地不但生態豐富，具季節性變化的水生植物更增添溼地景觀的美，猶如水際綠色草原。更因為溼地吸引了很多鳥類棲息，所以有人賞景、有人賞鳥，交織成海岸最美的景緻。
潟湖：又靜又穩適合養殖
以沙洲或礁石做為與外海有某種程度或全部隔離的水域稱為潟湖，潟湖的水面會隨海水漲退潮而變化。潟湖提供了海洋生物生息的場所，對周遭海域的生態繁榮有很大的影響。海水透過沙洲或礁石進入潟湖時會被淨化，而且潟湖內較不受波流的作用，因此適合魚貝類的生育繁殖。
不同於其他海岸景觀，外海沙洲與潟湖生態或水產養殖設施，使潟湖兼具生態與產業人文景觀，又因為是個靜穩水域，所以許多潟湖現在都是生態或產業旅遊的勝地。例如：屏東大鵬灣潟湖原是重要的水產養殖基地，後經規劃成為國家級的觀光遊憩地區；臺南七股潟湖現已成為國內重要的生態旅遊據點。人與溼地交織成海岸最美的景觀
因潟湖及潮池具有高度的親水機能和生態景觀價值，所以在國外利用岩石或混凝土塊以人為方式建造而成的人工潟湖 (或稱人工潮池) 已不乏其例。
礁石海岸：人為設施、污染少
一般而言，礁石海岸的水域是海洋生態最豐富的地區。礁石海岸對於波浪作用的抵抗能力較強，即使有侵蝕作用，速率也很慢，因此可形成較安定的海岸，動植物有較充分的成長時間和空間。礁石是固定的基質，表面粗糙而多孔隙，易於使動植物著生在上面。同時在礁石間參差不齊起伏變化的空間裡，生物可以躲避掠食得到庇護，卵及幼魚也可以在這些空間裡孵化和成長。
礁石上著生的動植物大部分以水中懸濁物為食物，從水中吸收這些有機物質而成長。礁石上著生的海藻、海草也是一些魚貝類的食物，因此礁岩區可吸引大量的生物聚集，形成豐富的生態系。
在景觀上，礁石海岸最大的魅力就是有寬廣視野及多變的地質景觀，很多人喜歡在這裡釣魚，有些地點還可以浮潛。例如野柳公園的地質景觀就聞名國際，龍洞灣海洋公園的浮潛也深受國內外人士喜歡。這些地點還有一個特色，就是人為設施與汙染都比較少，水底能見度高，獨特景觀與湛藍海水令人留連忘返。
人工海岸結構物 —— 與自然共存的遠景潟湖適合從事水產養殖業，如屏東大鵬灣潟湖和臺南七股潟湖原先都以養殖漁業為主。
海岸結構物主要是為了保護海岸或港灣而建設，雖然目前在積極推廣柔性工法的應用，但大部分海岸設施仍以剛性的結構物為主。有研究指出，混凝土材料與一般石塊或礁岩有著同樣的生態效果，因此不論是用石塊或混凝土塊所構築的結構體，都具擬礁石海岸的特性。
如今，已知防波堤周邊有很好的聚魚效果，潛堤潛礁的設置可做為生態礁，離島建設的生態護岸可使周邊水域形成很好的漁場。因此對過去以防災為主的海岸結構物做適當的修正設計，可創造出很多海洋生物新的棲息環境。
但不可諱言的是，海岸結構物也會對景觀造成衝擊，要改善這個缺點，可能要對海岸整體環境進行審慎評估。在浪大水深需要堅固結構物的地方，盡量以色彩、線條和形狀使結構物與大自然融合；其他地點則根據海岸環境特質，儘量維持自然海岸，並營造出很好的海岸景觀。例如，結合陸側沙丘地形及植生的複合式海堤，不但改善了景觀，甚至可能成為很好的海岸休閒遊憩場所。複合式海堤提供了民眾親近海洋的場所 |
防治地下水污染 實在「管」用 | 民國 87 年，埋在高速公路旁地底下的中油輸油管線被盜油，管線破裂，洩出大量柴油。中油緊急委託成功大學資源工程研究所郭明錦教授擔任救火隊，到現場調查土壤及地下水污染情形，並著手執行初期整治工作。
郭教授經歷了這次的整治經驗，深刻地體認到，長途油管偵漏方法應該朝更經濟、快速又有效的目標前進，於是有「水平多孔隙管偵漏技術」的出現。
以往使用垂直氣體探針孔，偵漏半徑僅約 5 米，而郭明錦教授設計的「水平多孔隙管偵漏技術」, 偵漏距離可達 30 米以上，遠高於習用的垂直採樣孔的偵漏半徑。水平多孔管具平均分配流體及提升分配距離的特性，也適合應用在土壤及地下水的污染整治。
郭教授根據全國工業區地下水污染調查，發現碳氫化合物及含氯有機物是最常見的污染物。在國科會的經費補助下，他特別針對有機溶劑中的致癌物三氯乙烯，應用水平多孔隙管的基礎進行三氯乙烯的生物整治。
在國外，史丹佛大學使用傳統垂直井擠注「液態」甲苯進入受三氯乙烯污染的地下含水層，馴養現地微生物代謝三氯乙烯。但史丹佛大學遭遇工程瓶頸，現地微生物在井口附近過度茂盛成長，堵住井篩。郭教授針對這個問題，與中興大學盧至人教授合作，突破了史丹佛大學的困境。
他們利用的法寶，正是郭明錦教授實驗室的「水平多孔隙管技術」。郭教授想到，微生物生長除了碳源還需要氧氣，若把空氣通入文氏管使液態甲苯氣化成甲苯蒸氣，再與空氣混合，經由安裝在主管線的水平多孔隙管一起打進受污染的含水層，便可擴大甲苯分布範圍。結果令人振奮，微生物阻塞不再發生，同時三氯乙烯共代謝效率達到 90% 以上。
郭教授再接再厲，目前參與經濟部委託成功大學鄭幸雄教授主持的學界科專團隊，嘗試結合生物科技及水平多孔隙管工程技術，運用於土壤及地下水污染現地生物整治的復育工作。 |
海洋環境與保育:東北角珊瑚礁的現況與復育策略 | 工業革命後幾百年來，人們貪婪自私地揮霍自然資源，致使氣候產生急遽的變化，造成多種生物來不及適應而死亡乃至滅絕。天然珊瑚礁的形成需要幾十萬年，甚至百萬年的時間，而人為的復育方法只能在人們心中種下復育種子，很難在短時間重新建造一座海底熱帶雨林，但現在不做，將來必定後悔。
珊瑚礁生態的多樣性
海洋約占地球表面積的 70%, 其中珊瑚礁覆蓋率雖僅占海洋表面積的 0.2%, 卻有超過 25% 的海洋生物物種棲息於其中，是海洋單位面積生產力最高、生物多樣性最高、生物量最豐富的生態系，常被比喻為「海洋的熱帶雨林」。
珊瑚礁常被比喻為「海洋的熱帶雨林」(圖片來源：種子發)
珊瑚礁棲地所形成的立體空間結構是許多海洋生物生長繁衍的棲所，超過 1/3 以上的海洋魚種，牠們的生活史中某一段時間必須在珊瑚礁區度過。然而，構成珊瑚礁生態系的主體–造礁石珊瑚–屬於狹溫和狹鹽性的生物，很容易受到環境因子變動的影響，例如氣候變遷 (聖嬰現象) 和人為汙染 (水土養護不當、過度海洋遊憩活動、環境汙染整治不確實等) 都可能對珊瑚礁造成莫大的衝擊與破壞。
1980 年代後，伴隨全球人口快速增長及工業急速發展，溫室效應和氣候變遷的影響日益顯著，加上海洋休閒活動風行，全球各地珊瑚白化和珊瑚礁破壞的事件更加頻繁，促使各國政府重視及著手改善復育珊瑚礁棲地。
珊瑚礁總體檢是由霍奇森 (Hodgson) 在 1999 年所提出，是以標準化的定量調查方法了解珊瑚礁的健康狀況。台灣海岸線除了西岸屬砂質地形不適合珊瑚蟲著床外，北部、東部與南部沿岸都有珊瑚礁的分布，其他離島同樣有珊瑚環繞的景況，墾丁則是台灣沿海珊瑚生態最豐富的地區。
歷年在台灣選擇了 8 個海域 (東北角、宜蘭、東部沿海、南部恆春半島、綠島、蘭嶼、小琉球，澎湖) 執行珊瑚礁總體檢，每個海域調查 3~6 個地點，在各地點的二個深度各設置一條 50 公尺的橫截線，記錄底質類型 (包括石珊瑚、軟珊瑚、大型海藻、礫石、海綿、沙、死珊瑚、岩石、泥及其他 10 項) 出現的頻度，做為估算珊瑚覆蓋率及各類底質所占比率的依據。同時記錄指標魚類、無脊椎動物的出現頻率，以及各類汙染和人為破壞的情形。結果發現台灣地區的珊瑚礁正面臨氣候因素與人為破壞的威脅，使得珊瑚礁生長棲地環境遭受嚴重的破壞，亟需進行保護措施。
望海巷海灣，區內珊瑚礁遭受破壞，數量已逐年銳減。
珊瑚礁復育的方法
進行珊瑚礁復育時需要先篩選優勢的原生種苗來繁殖培育。珊瑚的生殖方式分為有性生殖及無性生殖，而現階段珊瑚復育採取無性生殖方式，並利用分株移植、種苗培育和群聚復育策略。當石珊瑚受到生物侵略或物理性傷害時，會產生斷裂生殖，這是石珊瑚形成珊瑚礁優勢種的原因。
現行復育種苗的繁殖培育，是先在陸上把珊瑚分株固定在附著板上，運用仿海底環境的培育槽培育。這方法主要是利用類似植物「接枝技術」的方式：先在珊瑚母株上採取約 4~5 公分的分株，再把分株移植固定在附著板上進行陸上培育。等到新株傷口痊癒且共生藻重新附著後，就能順利成長，再進行爾後的海灣移植。
陸上培育優質珊瑚種苗的方法及步驟，重點在適合生長的水質、水流、水溫、光照強度、競爭藻類清除等條件。
珊瑚礁復育並非只是單純地把復育種苗移植至海底，而是必須了解復育棲地的生態系組成結構，才不至於破壞原有的生態平衡。藉由蒐集東北角珊瑚礁總體檢資料，分析並統整東北角海域的珊瑚群聚特性如下:
(1) 相似性高 (70~80%), 物種歧異度低 (約 100 種)。主要珊瑚種類是菊珊瑚科、片珊瑚科、苔珊瑚科等的團塊形、表覆形及葉片形群體。但常見的造礁珊瑚包括軸孔珊瑚科及鹿角珊瑚科的種類在北部海域都很少，僅萼形柱珊瑚的豐度較高，顯示東北角海域的珊瑚群聚造礁功能不佳。
(2) 東北角海域地形變化多端，有峽灣、海灣、岩岸和沙岸，底質則以砂岩和頁岩為主，硬底質的海底大多有珊瑚分布。調查發現，活珊瑚僅占底質的 16%, 造礁石珊瑚分布在岩礁底質上，雖有些區域的石珊瑚覆蓋率達 30% 以上，但未發現有珊瑚礁形成，因此北部海域的珊瑚僅屬於珊瑚群聚，並非珊瑚礁。
(3) 宜蘭南方澳的豆腐岬構成獨特的珊瑚群聚。由水泥消波塊圍成的狹小灣澳中，珊瑚生長種類繁多，珊瑚種類組成與花東及南部沿海相似。推測是黑潮在流經宜蘭南部海域時，因蘇澳海脊的阻擋而轉向東北，使從南部熱帶海域帶上來的海洋生物幼苗在這裡滯留，再加上有人工灣澳良好的保護環境，因此附著生長形成獨特的群聚。
(4) 海膽聚集鑿穴而居的現象非常普遍，尤其在水深 5 公尺的平台上。海膽鑿穴不僅降低造礁珊瑚群體的堅固性和完整性，使其易受外力破壞，也使礁體的結構更加脆弱，易受物理侵蝕而崩解。同時，海膽的穴居和啃食會妨礙珊瑚幼蟲的附著和珊瑚群體的生長。
(5) 熱帶珊瑚礁的主要造礁種類如軸孔珊瑚、鹿角珊瑚等，在北部海域都很少。而且，造礁珊瑚的生長速率和水溫、光度有關，北部海域的冬季水溫低於攝氏 20 度，減緩造礁珊瑚的生長速率，對一些石珊瑚造成傷害。此外，北部海域的海水濁度較高，降低了日光在海中的穿透度，而在光度較低的情況下，造礁珊瑚的生長速率也會降低。
至於影響珊瑚生長的干擾因子，可歸納為下列幾項:
沉積物汙染–過度開發與水土保持不良，導致表土在雨季時被沖刷入海進入珊瑚礁區，沉澱下來並覆蓋在珊瑚表面上，使珊瑚窒息死亡，或阻礙珊瑚幼生附著，甚至改變珊瑚群聚的結構。少量的沉積物懸浮在海水中，也會降低珊瑚礁的光合作用和生產力，使珊瑚生長率降低，危及珊瑚礁的正常發展。
有機質汙染–隨著觀光旅遊事業的發展，大批遊客擁入珊瑚礁地區從事休閒活動，伴隨而來的是嚴重的有機廢水汙染，這些汙染源主要來自飯店、聚落、遊憩據點等。若汙水未經處理直接排入海中，會給珊瑚礁生態系帶來過量的營養鹽，導致生態系改變。
海洋遊憩活動的破壞–從事海域遊憩活動的人口大幅成長，帶給海域生態系很大的環境壓力。
東北角珊瑚的復育策略
藉由了解東北角珊瑚的特性及生長干擾因子後，初步研擬東北角珊瑚復育策略如下:
(1) 氣候變遷，異常降雨的機會增加，因而興建員山子分洪道，但大量陸源沉積物隨著分洪進入珊瑚礁區，對東北角珊瑚造成重大傷害。泥沙覆蓋在珊瑚表面會使其窒息死亡，懸浮在海水中的細微顆粒使混濁度增加，陽光穿透減少，珊瑚因得不到充足陽光而能量失衡或白化。再加上隨著陸源涇流帶入珊瑚礁區的營養鹽會導致大型海藻繁生而覆蓋珊瑚，也會使其窒息死亡。
建議使用衛星遙測的影像資料分析，建立員山子分洪道沉積物的擴散沉積模式，期能建立沉積物與珊瑚分布的生態模式，做為未來珊瑚復育點選擇的依據。
(2) 設立海洋保護區。杜絕人為活動對珊瑚礁的衝擊或破壞行為，使珊瑚礁生態系得到生息繁衍的機會，是現階段台灣珊瑚礁保育最迫切的議題，也是最有效的策略。
(3) 復育種苗，進行珊瑚礁復育。關於移植珊瑚對珊瑚棲地保育的影響，就邏輯性成長模式來說，珊瑚移植及其後續的生長對於珊瑚活體覆蓋率增加及整個珊瑚礁共棲生物容量提升是一種有效的操作模式，也就是移植珊瑚在珊瑚棲地的保育上所得到的效果是正面的。
(4) 進行特殊及稀有海洋生物資源的培育。由於珊瑚礁生物資源的過度或不當利用，許多生物資源都已枯竭，例如龍蝦、硨磲貝、石斑魚、蝶魚、雀鯛、大型貝類的族群量明顯降低。為了使珊瑚礁恢復生態功能，有必要以人工育苗的方式培育這些生物的幼苗，待牠們成長至一定階段後放流於珊瑚礁區，使自然族群逐漸恢復，並促進珊瑚礁生態系功能復原。
海科館的角色
國立海洋科技博物館 (簡稱海科館) 是一所推廣海洋科學與技術的社教館所，其下潮境海洋中心，地處於八斗子潮境公園的潮境工作站，其設立目的乃作為海科館「東北海域」之後場，主要任務為提供人員訓練、實習、技術開發、建教合作、館員研究、科學教育推廣、生物收集、蓄養與檢疫之場所。
本區原為長潭里垃圾掩埋場，地形是典型岬角，加上基隆多雨氣候因子，使得該地區海域的海水水質在下雨天地下水大量滲入海水時變得複雜多變。這些廢水含有過量的營養鹽，若未經妥善處理就排入礁區，會造成藻類大量生長覆蓋珊瑚，甚至改變珊瑚礁生態系的平衡。因此這地區是個可以做為珊瑚復育多模式試驗的海域，可取得多項研究數據，以做為未來東北角珊瑚復育的基礎資料。
海科館積極參與東北角海域環境生態保育，並提供下列珊瑚的養殖與保育工作:
推廣海洋環境教育–透過教育活動讓社會大眾了解海洋生態和珊瑚礁的重要性，以及它們在承受環境變遷衝擊時的脆弱性。
珊瑚礁及海洋生態保育的研究–東北角珊瑚群聚的確實分布範圍、環境特徵和群聚結構、群聚或族群之間的遺傳關聯性、珊瑚礁生態模式等，都必須積極進行研究提供基礎資料，以擬定面對環境和氣候變遷時珊瑚礁復育的因應策略。
復育珊瑚–以東北角原生的軸孔珊瑚為復育對象，選定 2~3 種軸孔珊瑚以斷裂生殖方式培育，建構室內養殖設施環境 (提供活珊瑚良好生長的人造環境條件，如適合生長的水質、水流、水溫、光照強度、競爭藻類清除等條件), 尋求無性生殖成長的最佳條件，以培育及提供足量的軸孔珊瑚進行爾後海灣移植，也減少對野外族群的依賴及破壞。
陸上珊瑚種苗培育情形，可見共生藻族群慢慢恢復而回復正常的顏色。
由潛水員把小珊瑚從實驗室裡移植到海底，期望能重現「祕密花園」的榮景。
控制二氧化碳排放量
在所有的生態系中，最先直接受到氣候變遷衝擊的就是珊瑚礁。溫室效應造成海水溫度逐漸升高，影響珊瑚體內共生藻類的生理。在高溫下，共生藻會因為光合作用的機制受到破壞而停止運作，甚而排出珊瑚體外。當藻類色素降低或共生藻密度減少到某一程度後，珊瑚呈現白色的骨骼，這就是「珊瑚白化」現象。
珊瑚白化是珊瑚面對逆境的反應之一，如果高溫的因子去除，共生藻族群會慢慢恢復而回復正常的顏色。但是，當高溫持續超過珊瑚和共生藻可忍受的極限時，會出現大規模的死亡。例如，1998 年海水溫度異常地高 (聖嬰現象), 就造成全球約 30% 的珊瑚礁消失。
Hoegh-Guldberg 教授等多位科學家在 2007 年《科學》雜誌上所發表的研究報告顯示，一萬年前的地球表面二氧化碳濃度約為 280 ppm, 自 1750 年工業革命開始以來，二氧化碳濃度增加到現今的 390 ppm, 地球溫度已升高攝氏 0.6 度，海水酸鹼度下降 0.2。今天看到許多珊瑚白化死亡，就是生長環境改變的徵兆。
根據這些資料預測，如果本世紀中二氧化碳濃度持續增加到 450 ppm, 珊瑚的造骨生理作用會因為水中碳酸鈣的減少而停止作用，加上溫度升高，珊瑚白化的發生頻率也會增加。到本世紀末如果二氧化碳濃度增加到超過 550 ppm, 海洋中會完全失去珊瑚造礁的能力，進而影響整體海洋生態的運作。因此，如何使二氧化碳控制在 350 ppm 以下，對珊瑚礁與地球生命的延續非常重要。
危機就是轉機
在氣候變遷的衝擊下，生物必須尋求出路來適應。台灣地區的珊瑚礁隨著水溫升高而逐漸北移，在北部和東北角海域建立繁盛的群聚。關於珊瑚礁的保育，不外是汙染防治、立法、執法、資源復育。最重要的是起而實行，做好珊瑚礁的汙染防治和環境資源保護工作，重新檢討沿岸土地利用的政策，加強海洋汙染防治的執法。透過政府和民間的積極參與，提供較佳的棲息環境以供資源復育，才能使台灣沿海的珊瑚礁延續發展。
生態復育是條漫長且艱辛的路，但正如證嚴法師所云:「想要解決問題，首先要面對問題，了解問題，解決問題，放下問題。」尋求志同道合的伙伴，為下一代保育生態資源努力是我輩職責所在，做對的事永遠不嫌晚。 |
生物多樣性世界與生態保育 | 生物多樣性 (亦稱為生物歧異性), 是一門新興的科學，著重於探討生命系統各不同層級，從基因、細胞、個體、族群、物種到生態系中，其組成分子間存在的異同程度、造成歧異的原因及其生態關聯與功能。威爾遜 (E.O. Wilson) 更進一步指出生物多樣性的研究，是要將原先分立的生物、經濟、農藝、政治、法律等多項領域加以結合，以整體生物多樣性及其起源的系統為範疇，探討如何維持及利用生物的多樣性，以造福人類。因此，如何保護自然環境及生物的多樣性，是人類今後生存及能否永續發展的主要關鍵，也是二十一世紀生物學的重要研究領域之一。
生物多樣性的層次與變化
多樣性是生命系統中最基本的特色，並反映在所有生物的細胞、組織、器官、族群和物種的發生，以及分化、生長、生殖及死亡等生命過程中。這個觀念可以運用到生物社會上，今日我們對生物多樣性的了解涵蓋了遺傳基因多樣性、物種多樣性及生態系多樣性三個層次，但在二十世紀以前，大多限於物種的層次，當時物種指的是不同型態的生物類別。
自孟德爾及二十世紀初期遺傳學的發展，以及五○年代以後對遺傳物質去氧核醣核酸 (DNA) 分子的認識，讓我們了解到生命現象的基礎是基因，並且靠它代代相傳。不同物種在生命現象上的差異，是因為有不同的基因，即使是同種生物群中，因為有不同基因組合的緣故，每個個體也不盡相同。於是，生物多樣性的概念，擴展到了基因的層次。
此外，二次大戰後生態學的進步也讓我們了解到，不同生物物種之間有非常複雜的交互作用，至少包括互利或片利共生、捕食、寄生、競爭...... 等。不同生物藉由這些交互作用連結成龐雜度不一的群落，再加上與氣候、光線、土壤、水、酸鹼度等外界的物理因子作用，而形成生態系。每個生態系都是獨特的，因為組成的生物種及物理條件不同，其所產生的交互作用結果也就不同。因此，生物多樣性的層次，也進一步延伸到生態系統的多樣性。
就生物層級理論的角度而言，又可將生命及生命現象歸屬於分類上的層級、親緣上的層級、結構性的層級及功能性的層級等四類；在此定義下，生物多樣性的概念，可以說是等同於一個活生生的地球上的所有生命及其所表現的各種生命現象、作用及過程。
單就物種而言，目前生物學家已知且命名的物種約有一百六十多萬種。然而，全世界的生物種類據估計至少在一千萬種以上，有些學者甚至認為達三千萬種。換言之，即使在最樂觀的估算下，我們目前所知的物種也僅是所有可能存在物種的七分之一強。
基因層次的複雜度更甚於物種層次，然而，我們對它的了解僅限於少數的幾種生物。例如：第一個完成基因定序的生命體是嗜血桿菌，約含 1,740 個基因，它在一九九五年完成，而果蠅直至二○○○年才定序出約 13,061 個基因，以及最近完成的人類基因組計畫，則定序出大約三萬到三萬五千個人類基因，全球每年投入數億美元以上的資金來進行這些研究。這些數字還不包括同一物種中，不同個體的基因變異。因此，若要估算所有生物的每一個基因，結果將是一個天文數字。
在生態系的層次，雖然我們通常粗略的將之分為：森林、草原、沙漠、河流、湖泊、溼地、珊瑚礁、深海等，其中每一類又可再細分為許多類型。例如森林又可分為熱帶雨林、熱帶季風林、溫帶雨林、闊葉林、針葉林等。即使如此，同類型的生態系在不同的地點也不盡相同。例如印尼和巴西的熱帶雨林在組成物種及氣候環境上均不相同。
就算是同一地點的生態系，因著輕微環境的差異，也有不同。例如位於臺灣南部南仁山的亞熱帶雨林，向風及背風森林中的樹種就完全不同；位於山腳下及僅僅相差二百公尺山坡上的樹種，也幾乎完全不同。若要將生態系的複雜，像基因一樣仔細地分門別類，恐怕也是一項既龐大又費時的工程。
全球生物多樣性現況
近五十年來，世界人口已由二十五億成長為六十多億，人類耗盡了地球上四分之一的表土，並可觀地改變了大氣的特質，相當程度的衝擊到生物生長的環境，其中最嚴重的生態問題是生物物種的滅絕。將化石紀錄顯示的物種平均存活史，與過去幾世紀以來的生物物種滅絕速率比較，估計出目前的生物物種滅絕速率約為每年一千種，是背景值的五百到一千倍，意味著一個新物種的演化過程中，將會有五百到一千種的生物物種從地球上永遠消失。
將全球棲地破壞現狀與預測速率和單位面積物種數目的關係合併考慮，預估到二○五○年時，高達三分之一的全球生物物種將滅絕或瀕危，另外的三分之一極可能在本世紀末也將走向絕路。一些對人類十分重要的生物，其遺傳基因的多樣性也正在迅速消失中。例如中國大陸自一九四九年到一九七○年間，為數一萬的麥類品種已經消失達 90%; 在印尼過去 20 年裡，已有一千五百種稻米品種絕跡。
遺傳多樣性的喪失，代表日後我們的作物一旦發生病蟲害危機，將更難找到抗病的基因來進行品種改良。此外，生態系多樣性也正以驚人的速度被破壞，熱帶雨林被砍伐的速度大約是每年七萬六千平方公里，依此速度，全世界的熱帶雨林將在 120 年後消失！而熱帶雨林中，約占全世界 50% 的物種，也將隨之消失。
以當前為維持地球上所有人類生存及社會運作所需來估算，我們已消耗或浪費了地球上陸生生物光合作用淨產能約四分之一至一半的生物生產力，及超過一半以上的可再生淡水；人類遂成為地球三十八億年生命歷史中，史無前例的絕對生態優勢物種，並且對大多數與人類共享這個星球的其它生物物種生存，造成持續性的威脅。
根據聯合國對世界人口成長的估計，到二○五○年將達八十五億人，至本世紀末人口將跨越一百億大關。但是，我們不知道屆時要如何才能提供足夠的糧食及衣物給這麼多人；當然，我們更不知道怎樣才能維持目前努力追求的生活水準。
能否及如何降低物種滅絕速率，直接攸關人類的生存與生活福祉。如果人類繼續坐視或促成地球上物種大量消失，我們將會目睹相當發生於六千五百萬年前，白堊紀末期的物種大滅絕，當時地球上的生物發生巨變，使得地球無法恢復其原有生物動力的演化過程期，長達五百萬至一千萬年之久。
由於我們對生物多樣性的了解極其有限，目前全球只有約七分之一的物種經科學鑑識和定名，究其原因乃是各國政府普遍對生物分類及相關研究投入的經費與人力相當有限，所能發現與描述新種的速率，遠低於生物物種滅絕的速率。
生物多樣性對人類衣食的價值
人類的生存倚賴著生物的多樣性，人類所有的糧食、大部分的醫藥、建材及衣物製品的主要原料、製造業所需要的化學原料、還有許許多多充實我們生活的物質，都是由各類的生物物種所提供；在農業方面，全世界約三十萬種的植物，目前我們僅用了其中的 30 種作為糧食作物，就養活了全世界 95% 的人口。
在醫藥方面，光是 41 種植物所提供的藥材，每年在市場上的產品價格就超過四百億美元。我們熟知的藥物，如阿斯匹林、青黴素、奎寧、強心劑 (毛地黃鹼)、嗎啡、抗癌藥紫杉醇等，全都是源自生物；在工業上所需的木材、橡膠、油、蠟、染料、纖維、甚至石油提煉的下游產品–塑膠，也都是來自生物。過去半世紀以來，由於分子生物學的快速進展，使我們對生命系統的了解有更廣泛的突破，而這些進展顯示，當我們朝向一個奠基於永續發展的「生物學的時代」而努力時，生物多樣性將提供我們寬廣無限的未來。
除了經濟層面外，健康的生態系及其蘊含的多樣生物組成，也提供了人類許多非常重要的環境服務，諸如保持土表、維護集水區、提供授粉的昆蟲、益鳥，形成可供其它生物生存所需的地區性環境，提供各式各樣有價值的產物，協助復原被人類干擾破壞的環境及當地生物物種。
除了上述這些生物多樣性在人類經濟及生態功能上的直接價值之外，我們還有道德上的義務，去維護地球上的生物多樣性，因為我們是地球上生物的一分子，除須仰賴其他生物而生存外，更藉由他們的影響來激發我們的人文藝術靈感，以提供心靈上的慰藉。自認為地球管理員的人類，必須負起責任確保它的未來前途，以作為自我保障的基礎。
生物多樣性與生態保育
綜合上面所述，人類的生存倚賴生物多樣性的存在，而地球未來是否能達成永續性的發展，也有賴生物多樣性的維繫。和其它許多地區一樣，臺灣的生物多樣性也具有地域上的獨特性，提供了諸多物種良好的研究素材。生長在臺灣的生物中，大約有四分之一是全球任何其它地方所沒有的特有物種。了解並保護這個島嶼的生物多樣性，使臺灣的自然資源得以永續，是居住在臺灣每一個人的責任，也可對未來全人類的福祉、健康及安全提供重大的貢獻。重視並推動生物多樣性的保育工作，特別是將永續性觀念作為主要考慮因子，將提昇世界各國對臺灣的了解及尊重。
我國自一九八○年後，對生態環境的保護已日漸重視，特別是在一九九二年六月在巴西舉行的世界高峰會議中，由 174 國所簽署的「生物多樣性公約」之後，我國為了因應國際上生物多樣性保護的趨勢，於一九九九年在行政院轄下成立跨部會「生物多樣性研究推動小組」, 由行政院副院長擔任召集人，推動生物多樣性相關研究及工作；行政院農業委員會更訂定二○○○年為我國「生物多樣性年」, 以引起國人對生物多樣性的興趣與重視。目前政府已在國內許多地區設立了保護區、保留區及國家公園，以落實生物多樣性保育工作的推動。以臺南地區為例，四草野生動物保護區的成立，就是一個典型的環境復育及生物保育的例子。
臺南四草野生動物保護區生物多樣性
四草野生動物保護區為一濕地生態系，包含生態環境保持良好的天然與半天然鹹水濕地。該地區因早期盛產「草海桐」而得名，古名亦稱「北汕尾」(位於安平之北，臺江外海鹿耳門之南的意思) 或「南汕」(安平及七鯤鯓列島的統稱), 原本是淤塞的浮覆地，一八二三年 (清道光三年) 七月，一場暴風雨氾濫成災，造成曾文溪改道，上游沖下大量泥沙使得臺江內海逐漸淤塞，形成海埔新生地，而原本廣大的內海在四草地區只殘留四草湖 (大眾廟東側) 及鯤鯓湖 (已闢成安平港) 兩處。
四草地區形成沼澤後，先民就進入此區開闢魚塭，自一九一九年起，日本人在此設立鹽田，最初只有 160 公頃，之後日漸擴大終成現今規模。由於先民的開發，天然濕地及人工溼地在四草地區並存，今日該地區的環境主要包括魚塭、鹽田、水路、紅樹林等，而這些多樣的環境提供野生動物一個穩定的棲息空間。
臺南科學工業區在一九九二年通過環境影響評估，設立於部分四草鹽田地帶。有鑑於濕地環境的日益減少，以及保育工作的迫切需要，同時避免進一步對環境造成衝擊，臺南市政府遂於一九九四年十一月三十日公告，將該區五百公頃的鹽田、魚塭劃設為野生動物保護區，作為物種保育及生態環境教育之用。
現今四草野生動物保護區共分成三部分，分別為臺南科工區北邊的高蹺行鳥保護區，面積 50 公頃；科工區南邊鹽水溪河口東岸，面積 335.1 公頃；及科工區西邊鹿耳門溪河口西岸，面積 130 公頃。以上土地目前分屬於公有地、公有河川地及公有承租養殖魚塭地，土地使用上主要包括濕地及養殖魚池兩類。
四草地區因匯集了嘉南大圳、鹽水溪及附近鹿耳門溪，曾文溪等河口，是個廣大的濕地，濕地環境特殊，富含重要自然生態資源，一旦乾涸或遭受污染，其中許多物種有滅絕之虞。四草地區是臺灣西南沿海重要的濕地，具有極高的生態價值。
保護區周圍溝渠縱橫，兩岸長滿紅樹林，種類包括欖李、紅海欖及海茄苳，以及其他鹽生性植物，為鳥類、魚貝、螃蟹等動物重要的棲息及繁殖地。另外，由於介於陸域及水域之間，魚蝦貝類與底棲生物豐富，成為眾多野生鳥類棲息、覓食的場所，亦是東南亞地區候鳥遷移時補充食物調節體力的重要中繼站。
據多項調查報告顯示，四草野生動物保護區的重要生物資源有以下數大類:
植物–現有 51 科 169 種植物，其中包括紅樹林植物紅海欖、欖李、海茄苳。
底棲類–至少有螃蟹 12 科 53 種及貝類 218 種底棲類。
魚類–四草地區魚類現有吳郭魚、蝦虎、帆鰭胎將魚、大肚魚、海鏈、雙邊魚、彈塗魚、銀鱗水滑、條紋雞魚、吉打參、漢氏綾堤、細紋輻、黑邊輻、長胊仰口輻、點帶叉舌鯊、大尾參、突吻牛尾魚、環球海鰶等。
鳥類–鳥類現有紀錄 44 科 186 種，其中多數為候鳥，約占 75%, 留鳥僅約 25%。其中以鷸、行鳥科種類最多，其次為鷗科、鷺科及雁鴨科。每年三至五月為候鳥北返的遷移期，九至十一月則為候鳥南遷的季節，大批過境的候鳥在此暫歇、覓食、補充體力，並有部分在此停留渡冬。每年夏天，亦有部分種類在此繁殖，包括東方環頸行鳥、燕行鳥等；更擁有臺灣最大的高蹺行鳥繁殖族群，其繁殖高峰期在五至八月。為提供高蹺行鳥在此區繁殖，四草野生動物保護區內特別劃設出 50 公頃的高蹺行鳥保護區。
其它可觀察到的鳥類尚包括唐白鷺、白鸛、黑鸛、白琵鷺、黑面琵鷺、松雀鷹、雀鷹、赤腹鷹、鳳頭蒼鷹、灰面鷲、鵟、澤鵟、老鷹、魚鷹、雕頭鷹、遊隼、紅隼、水雉、彩鷸、諾氏鷸、燕行鳥、短耳鴞、草鴞、小燕鷗、紅尾伯勞、喜鵲等，其中有多種保育類鳥種。
臺南四草野生動物保護區的成立，不僅代表著對當地多樣性生物資源的保護，也代表政府及民間對臺灣本土自然環境及生活品質的珍惜與重視。而要維持四草野生動物保護區在未來不受到任何破壞，需要完備的生態調查及完善的管理，多一分的了解，就多一分的關心，多一分的關心，我們的環境就會愈美好。期望這股動力能結合政府的推動，配合學術單位的研究及廣大人民的參與，使得不只是四草野生動物保護區，更包括臺灣各地的保護區及國家公園內多樣的生物資源，均能得到妥善保育，讓臺灣多采多姿的生物多樣性世界，能真正達到永續發展的最終目標。 |
生活中的神燈–觸媒:奈米小紅娘 | 奈米材料通常泛指介於原子、分子與巨觀物體中間的固體微細顆粒，在觸媒領域中類似原子簇，也就是說它大概是由幾十個到幾百個原子所組成的顆粒。奈米材料既非微觀系統亦非巨觀系統，因此它具有不同的物理與化學特性。
奈米粒子與一般巨觀固體的區別，主要在於它的總原子數中，表面原子數所占的百分率較高，表面原子較多時，原子的排列缺乏一般固體的有序度，也就是說它不具有固定的結構。由於表面原子數的增加，使得其電子結構與一般固體不同，往往同時具有均相 (類似液相) 與異相 (即固相) 觸媒的優點。
奈米觸媒的定義
奈米物質隨不同領域有不同的定義，對觸媒而言，當固體顆粒的直徑逐漸減小時，其催化性質亦隨之改變，大體而言，粒徑介於 1~100 奈米之間時，其催化性質與巨觀顆粒有顯著差異，此時即稱為奈米觸媒。
隨著奈米材料的研究日益蓬勃，有關奈米觸媒的定義亦日見混亂，但主要有下列幾種。依顆粒直徑定義–顆粒直徑小於 100 奈米的稱為奈米觸媒；依孔洞直徑定義–觸媒均為多孔性物質，故有人將孔洞直徑達奈米級，尤其是指小於 10 奈米的稱為奈米觸媒，例如沸石的孔洞直徑均為奈米級，故亦有人稱其為奈米材料；依孔洞管壁厚度定義–也有人將觸媒孔壁厚度在奈米級的稱為奈米觸媒，有時亦稱為奈米結構觸媒。
由於一般的多孔性觸媒，其孔徑和孔壁厚度均在奈米級，故要嚴格定義應以顆粒直徑做為標準。
奈米觸媒的基本特徵
粒徑小–奈米觸媒的直徑大於原子簇，小於一般的微粉，通常將奈米觸媒的直徑定位為小於 100 奈米，如此小的直徑使粒子的大小接近分子本身的大小，因而使得凡得瓦爾力 (Van der Waal force) 的效應特別強烈。
表面積大–由於粒子直徑變小，因而使得相同重量觸媒的表面積變大，而觸媒主要是利用它的表面進行反應，因此表面積愈大，能產生反應的機會愈多，反應速率也就相對變高。而表面上的原子，其電子組態與固體內部原子的電子組態不同，因此其觸媒性質也就迥異於大顆粒的觸媒。
奈米材料的基本特徵
對直徑為 1 奈米的金屬顆粒而言，表面原子數占總數的 90% 以上，而表面原子的幾何結構、自旋結構、原子間相互作用力與電子結構，均與顆粒內原子有顯著的不同。而在觸媒反應時，氣體分子須先吸附在表面原子上，再互相反應，其中亦包含了吸附氣體物質的擴散、表面原子的擴散與燒結，這些都會受到表面原子性質的影響。
例如乙烯的氫化反應如用奈米鉑做為觸媒，可將反應溫度由攝氏 600 度降至室溫；奈米鐵、鎳、三氧化二鐵混合物可代替貴金屬做為汽車觸媒轉化器；火箭使用的固體燃料推進劑中添加 1% 的奈米鎳、鋁顆粒，可促進燃燒，每克燃料的燃燒熱增加一倍；金在顆粒直徑小於 4 奈米時，其表面原子組態會有大幅變化，使其在室溫就可將一氧化碳氧化成二氧化碳，亦可催化二氧化碳與水反應生成一氧化碳與氫。
當奈米粒子的直徑與光波的波長，傳導電子的都卜勒波長與超導體的相關長度或深度等物理特徵尺度相當或更小時，其周期效應的邊界條件會被破壞，因此其聲、光、電、磁、熱力學等特性均會呈現與巨觀不同的小尺寸效應，例如光吸收顯著增加、磁性改變。
大部分的奈米觸媒均呈黑色，因為它對光的吸收顯著增加；鎳與銥原為不會相熔的金屬，但在奈米級時，二者變得可完全互熔，而形成合金，因此也會呈現新的觸媒特性，奈米鎳 - 銥合金的抗硫毒化性遠比鎳觸媒高，其壽命為原來的四倍；奈米鎳 - 硼觸媒的磁性變為鐵磁性，因此在反應後，可輕易地以磁性分離法回收觸媒。
大顆粒金屬電子能譜為連續能帶，當顆粒中所含的原子隨顆粒直徑變小而降低時，費米能階附近的電子能階由連續狀態分裂為分立能階。能階的平均間距與顆粒中自由電子的總數成反比關係，當能階間距大於熱能、磁能、靜電能、光子能量或超導態的凝聚能時，就必須考慮量子效應，這時奈米材料的磁、光、電、聲、熱以及超導電性與巨觀特性有顯著不同，稱之為量子尺寸效應。
在宏觀系統中，原被局限於某一能量阱中的能量狀態，由於量子效應，穿透過能量障壁，而進入另一更低的能量阱中，使得系統處於更低的能量狀態，稱之為宏觀量子隧道效應。此效應限制了磁帶、磁態進行信息儲存的時間極限，也限定了某些奈米觸媒微小化的極限。簡而言之，當顆粒直徑一直變小到某一個程度時，由於宏觀量子隧道效應，它的觸媒效果反而會變差，因此對某些反應，它會有一個最佳的顆粒直徑，太小或太大都會使得催化效果變差。
由於奈米粒子有很大的表面積，因此其整體性質取決於表面的特性，此表面特性對奈米粒子性質的影響程度遠大於單純的表面積增大。一般來說，表面原子的配位數都比較小，因此就奈米觸媒而言，其催化活性會較高。
奈米觸媒的種類與應用
奈米觸媒主要可分為金屬與金屬氧化物兩種，而金屬氧化物本身可做為觸媒，也可做為載體使用。奈米金屬觸媒也可分為無載體及有載體兩類。
無載體奈米金屬觸媒本身沒有使用載體，由於奈米金屬容易聚集，因此通常在低溫下製備，例如以硼氫化鈉等強的還原劑，還原金屬鹽類就可製得，亦可添加界面活性劑使奈米粒子不至於聚集在一起。將醋酸鎳以硼氫化鈉還原就可製得奈米鎳金屬，它可用在液相氫化反應，取代傳統使用的鈀或鉑等貴金屬與蘭尼鎳觸媒，例如奈米鎳可以將硝基苯氫化成苯胺，植物油可利用此氫化反應，使其成為飽和油。
利用與製備奈米鎳金屬觸媒同樣的方法，可製備所有的貴重金屬觸媒。奈米釕金屬可將苯氫化成環己烯，而不會繼續氫化成環己烷，環己烯可經水合反應生成環己醇，它是尼龍 6,6 的原料，此製程可取代原先經由環己烷的製程，且成本可降低 30%。奈米鐵觸媒可將一氧化碳與氫氣反應生成低烯類，如乙烯、丙烯、丁烯等，而一氧化碳與氫可由煤的氣化得到，此一利用奈米鐵觸媒生產低烯類的工廠，將於今年在大陸正式設廠運轉。
無載體的奈米金屬由於沒有使用載體，較容易聚集，尤其在高溫時更容易聚集而失去活性，一般是使用在低溫，尤其是液相的反應。但因凡得瓦爾力的作用，即使在室溫下，它們也很容易聚集在一起，同時也會粘附在反應器壁上。
要讓它穩定懸浮而不聚集有兩種方法：一種是添加界面活性劑，但界面活性劑有時會干擾反應；另一種方法是添加較大顆粒的惰性物質如氧化鋁等，奈米金屬會粘附在氧化鋁上，而不會自己聚集成一團，且添加氧化鋁可因輕微的攪拌就帶動氧化鋁的流動，而增加流體與觸媒的接觸機會，所以可避免外界質傳的限制，更能使回收奈米金屬變得容易。
一般而言，承載在載體上的金屬都是奈米級，有些甚至是以單獨的金屬原子方式存在，且都高度分散，目前工業用的貴重金屬觸媒都是奈米金屬載體觸媒這一類。載體包括氧化鋁、氧化矽、活性碳、石墨、沸石等，載體的目的就是使金屬可以在上面保持高度的分散。由於大部分的傳統觸媒都屬於此類，因此有很多人都認為觸媒老早就是奈米化的材料。
一般用來做為載體的金屬氧化物亦可成為奈米級顆粒，而使整個觸媒顯出不一樣的性質，例如氧化矽和氧化鋁可做成奈米級顆粒，做為金屬觸媒的載體。下面是幾個較出名的例子。
加氫脫硫反應–由於奈米氧化鋁具有較低的酸性，因此適合做為加氫反應觸媒的載體，以它製成鉬∕氧化鋁 (Mo/Al2O3) 或鈀∕氧化鋁 (Pd/Al2O3) 做為加氫反應的觸媒，其活性會顯著提高。
環己烯加氫反應–以奈米級氧化鋁做為鈀的載體，應用在環己烯加氫反應生成環己烷，其活性亦可大幅提高。
乙炔加氫反應–乙烯中含有少量的乙炔，必須將其氫化成乙烯，而且此觸媒不能將乙烯氫化成乙烷，應用奈米氧化鋁或氧化矽製備鈀 / 氧化鋁和鈀 / 氧化矽 (Pd/SiO2) 效果，對乙炔選擇性氫化反應具有很好的觸媒。
甲烷化反應–應用相轉移方法製備奈米硫化鉬 / 氧化鋁 (MoS2/Al2O3) 和硫化鉬 / 氧化矽 (MoS2/SiO2) 用於一氧化碳加氫反應生成甲烷具有很高的活性，而且此觸媒本身就含硫，因此完全不怕硫的毒化。
一氧化碳氫化反應–應用承載在奈米氧化鋁上的鐵錳觸媒，可使一氧化碳與氫氣反應，生成在汽油範圍的碳氫化合物的產率大幅提高。
甲醇合成反應–以奈米氧化鋁承載銅鋅，可做為一氧化碳與氫反應生成甲醇的觸媒，其活性比非奈米載體提高了 20%。
由於載體為奈米時，其酸性會降低，因而可避免酸性催化的副反應產生，而且承載在其上的金屬也以奈米化形式存在，因此金屬的奈米化特徵也就同時顯現出來。
奈米金屬氧化物觸媒
這類觸媒主要是金屬氧化物本身就是觸媒，金屬氧化物觸媒主要用在氧化、裂解、異構化反應，其中最出名的就是二氧化鈦。二氧化鈦製備成奈米級時，因眼睛看不見，故塗布在玻璃上仍為完全透明，而二氧化鈦可利用太陽光將油性物質分解，因此使得灰塵不易粘附在玻璃上，保持玻璃乾淨。
將二氧化鈦塗布在浴室的衛浴設備上，可達到清除異味與殺菌的效果，塗布在高速公路的隔音牆上也可有效分解碳氫化合物 (包含油污)。亦有人以其做為氮氧化合物 (NOx) 與氧反應的觸媒，使其變成硝酸 (HNO3), 而達到減少氮氧化合物的效果。
當兩種不同的金屬氧化物做到奈米級時，二者變成可互熔成一化合物，而顯現不一樣的特性，其中最著名的是氧化鋁與氧化鋇形成六鋁酸鋇奈米觸媒，在發電廠中使用可做為燃燒觸媒，以加速天然氣的燃燒，降低燃燒溫度，避免氮氧化合物的產生。
奈米沸石觸媒
沸石 (zeolite) 觸媒是工業上用得最廣的觸媒，例如石油裂解、異構化、烷化等反應，幾乎所有的煉油、石化及特化都會應用到沸石。但一般沸石粒子的直徑都是微米，利用特殊方法可製成奈米級 (約 100 奈米), 此時的孔洞長度最長只有 100 奈米，以致擴散距離變短，因而可使反應變快。
此外，由於表面的晶格能量與內部晶格能量不一樣，因而使其催化性質改變，沸石奈米化後表面的酸性點因外表面積變大也相對提高，此類酸性點的酸強度比一般的非結晶物質高，因此可利用此類酸性位置 (中等酸性強度) 來催化某些反應。奈米沸石的直徑不可太小，若小到 10 奈米以下時，它會不穩定而喪失原有的沸石結構性質，因此一般均是以直徑 100 奈米的方式應用。
奈米觸媒的性質迥異於大顆粒的觸媒，雖然已經有很多觸媒是以奈米方式應用，但隨著科技的進展，近幾年來奈米觸媒的研究更是方興未艾。奈米性質介於原子簇與大顆粒之間，同時具有巨觀與微觀世界的性質，在基礎研究與應用領域上都值得大家投入，有志之士，盍興乎來！ |
地理學中的人與自然:礦區土地復墾與再利用 | 礦區的環境破壞
採礦活動促進了人類社會、經濟和文明的發展，但大部分礦產的開發與利用不可避免地占用且破壞大量的地表，嚴重破壞原有的環境，而引起一系列的環境問題。例如，平原變成高低不平的坑洞，肥沃的農田變成沼澤地；塵土飛揚、廢水、廢氣滲溢；礦區地下水位下降、含水層枯竭、水體消失，井泉乾涸；山崩滑地、土地荒漠化加劇等。又由於礦藏位置具有不可選擇的特點，礦區的位置無法像其他工程建設那樣具有選擇性，因此往往造成難以避免的環境問題。
談到礦區的環境破壞，主要來自露天採礦場 (包括內、外排土場)、開採塌陷地、礦區固體廢棄物排棄場和選礦、燒結廠，這些都屬於人為破壞，一般又可分為「景觀破壞」和「生態破壞」。
所謂「景觀破壞」是指在礦區開發過程中對地表的破壞，例如移除大面積的原有植被及土壤，造成岩層裸露、地形水文改變、礦場棄土堆置等問題。至於「生態破壞」, 則是指礦區因為採礦的作業面積廣大、作業的時間長，以至於破壞礦區土地及其鄰近地區生物的生存條件，不僅導致當地野生動植物數量的減少，對人類也會產生不利的影響。然而，在許多礦區生態環境破壞因素中，土地的破壞可以說是最直接的，也是最大量的。
由於礦區的開採所引起的生態破壞，包括 3 個過程：開採活動對土地的直接破壞，如露天開採會直接破壞地表土層和植被，地下開採會導致地層塌陷，繼而引起土地和植被的破壞；礦區開採過程中的廢棄物需要大面積的堆置場地，因而導致土地的過量占用和破壞堆置場原有的生態環境；礦區廢棄物中的酸性、鹼性、毒性或重金屬成分，通過逕流和大氣會破壞周圍的土壤、水文和大氣，污染影響面會超過廢棄物堆置場的空間。
根據上述 3 個過程，可以在生態系統層次上概括礦區生態破壞的 3 個特徵，即景觀破壞、環境品質破壞與生物破壞。
「土地」是最珍貴的資源之一，人們生存所需要的水、礦物與能源大都取之於大地。人類進行的土地利用，不但改變了地表上絕大部分地區的原本風貌，越來越多的土地開發也使得土地資源逐漸枯竭，而人們對土地需求的增加更不可避免地導致土地資源的退化。國內採礦活動曾經十分興盛，難免造成許多環境災害，甚至在國家公園及風景區的範圍內，也經常面臨採礦活動與景觀保護之間的衝突。
此外，國內較少關注已經停採的礦區，且未能進行有效的環境監測。當採礦活動停止之後，停採的礦區常常被棄置或任其荒廢。有時候因為颱風、地震、山崩等自然作用，導致礦區鄰近地區民眾生命和財產的損失。甚至有不肖人士棄置有毒廢棄物、垃圾，造成土地資源的二度傷害。
臺灣地狹人稠，可供利用的環境有限。在追求資源永續利用的目標下，為了有效利用與開發礦產資源，又能保護生態環境，礦區的整建、復育與再利用就成為礦區開發、生產甚至停採時一項相當重要的工作。尤其政府當局更應積極針對停採礦區辦理礦區土地復墾與再利用，讓這些礦區「活化」起來！土地復墾的意義
唐萬新在 2000 年把「土地復墾」(land reclamation) 定義如下：對被採礦、挖沙、採石、取土、堆放工業和生活廢料、排放污水等破壞的土地資源，採取生物和化學等整治措施，使其恢復到可供重新利用狀態的活動。土地復墾程度可用土地復墾率表示，土地復墾率是土地經復墾後可投入利用的面積占被破壞土地總面積的比率，用百分比表示。
鄭仁城在同年也把「礦山復墾」(mine land reclamation) 定義如下：在礦山建設和生產過程中，有計劃地整治因挖損、塌陷、壓占等破壞的土地，使其恢復到可供利用狀態的工作，又稱「礦山土地復墾」。礦山復墾包括採空區復原、尾礦造田、排土場造林、建成新風景觀賞區等。
同年彭德福也指出，在進行礦區土地復育時，需要先規劃礦區生態重建的步驟，釐清礦區生態重建的目的，不是為了恢復原先的自然生態，而是因地制宜按照生態技術經濟規律，重建一個永續發展的生態系統。
通常恢復礦區生態環境的關鍵在於正確評估礦區廢棄地的類型、特徵，並從基礎上恢復植被，進而使生態系統實現自行恢復並達到良性循環。此外，地表植物生長和植被覆蓋率提高帶來了生物群落生長，會加速生態環境改造的過程。同時，植被恢復和生物群落生長也能促進土壤礦物質分解、形成腐植質和養分富集，進而提高土壤肥力。再者，植物群落對於廢棄地表層土壤也可達到明顯的保水作用，並能有效地控制水土流失。污染土地的修復、地貌景觀的美化與持續穩定，始終都決定於人工植被的建立。
有關礦區土地復育與生態重建，應該以恢復生態學為理論基礎。對於採礦所引起的土地功能退化、生態結構缺損、功能失調等問題，宜藉由工程、生物和其他綜合措施，恢復和提高生態系統的功能，最後再重建一個符合需求和價值取向的永續生態系統，以逐步實現礦區的永續發展。
礦區土地復墾與再利用規劃
當一個礦區採盡之後，會在地面留下殘破不堪的開採痕跡，而在地下開採的礦區則可能造成地盤下陷的問題。因此，礦區停採後的環境整復和開採中的環境維護一樣重要。對土地而言，採礦者只是一個中間使用者，開採完畢後，把礦區整復，土地也許能更加美觀，更具利用價值。一般來說，在進行礦區的土地整復時，主要的工作有 3 項。
土地再利用的計畫 規劃土地再利用通常可以分為 3 個階段：礦區開發前確立土地最終形式，礦區開發的作業期，以及礦區停採之後土地再利用的規劃設計。特別是礦區退化土地在經過復墾計畫後，必須可達到土地最終利用 (土地再利用) 的目的。土地再利用通常可以分成「柔性最終利用」與「剛性最終利用」兩大類。
柔性最終利用──需要不同程度的生態工法與生態系統重建，植物是最終利用的主要構成要素。柔性最終利用可進一步細分成生產性與遊憩為主，具有不同程度的保育價值。
生產性：耕種農業、牧草地農業、林業、能源栽培業、溫室作物與園藝。
遊憩為主：自然 (文化) 遺產、礦山公園、地質公園、鄉村公園、自然保留區、教育園區、露營地、高爾夫球場、都市公園，以及屬於硬性最終利用發展的景觀地區。
剛性最終利用──這種利用具有大量的工程建物，而且除了人類、與人類共生的生物、以及寄生物之外，缺乏其他種類的生物。例如工業設施、蓄水池、房屋、遊樂場、道路與停車場、商業發展和公共建設的大廈。
我們必須透過土地復墾的規劃程序，才能達到上述兩種最終利用之間的平衡。
整體景觀規劃 整體景觀規劃的最主要目的，是希望採礦完畢後的土地再利用方案，能把採礦跡地重建成一個與四周景觀調和的基地。其次，是希望減少採礦作業期間對視覺及環境可能造成的衝擊。
礦區的綠化和整復 根據潘國樑 1984 年的研究，有關礦區的整復大致可以分為二種方法，即工程整復法和植生整復法。工程整復法主要是整理土地，使地形合乎自然與美觀的需求；至於植生整復法，則是植生綠化的工作。
根據林妏嬪 1988 年的研究，世界上第 1 個礦區復墾的例子，是 1863 年歐洲的彼特 — 嘯蒙特公園 (Parc des Buttes Chaumont), 該區是一處石灰石礦廢棄地。然而，最早推動全面性礦區復墾的國家，首推英國。
英國推動全面性礦區復墾的主要對象，是境內廣大的砂石或煤礦廢棄礦區。從 1940 年代開始，英國就開始制定法令規章推動礦區復墾，然而當時的工作重點僅僅止於「綠化」。一直到了 1960 年代，英國有關單位及民眾才開始重視土地生產力、礦區的土地再利用、保護景觀生態等，工作目標也逐漸演變為「完成一適當的土地再利用計畫」。
除了英國外，德國、美國、加拿大、澳洲等國家也相繼積極推動礦區復墾工作，美國更制定了著名的「地表採礦控制及復育法案」。
我國在 1980 年代才開始重視地表採礦跡地的整復工作，但是重點僅止於水土保持及景觀綠化，而這股復原運動熱潮在 1990 年代已延燒到臺灣的採礦區。迄今，臺灣對於礦區的土地再利用、礦區的監測管理及法令規章等一系列課題的探討仍然很少，有待進一步研究與發展。
有關國內外礦區土地復墾與再利用的案例，略述如下。
奧地利的薩爾斯堡──鹽堡「Salzburg」翻譯成「薩爾斯堡」是採音譯，如果採用意譯，即「產鹽巴之堡」, 古代這裡就是靠生產岩鹽發跡的。在薩爾斯堡一帶，包括格姆登 (Gmunden) 在內，至今仍然出產岩鹽。某些歷史採礦坑洞目前已開發並做為觀光用途，其中艾本基 (Ebensee) 附近的鹽山是遊客造訪的重要景點。鹽山山麓有一座史前博物館，介紹當地岩鹽採掘及發現古文化 (哈爾修塔特文化) 的歷史 (註：哈爾修塔特是鎮名，即鹽鎮的意思)。在該地，可搭乘升降纜車參觀地底鹽礦坑。
美國西部常有廢棄小鎮──鬼城 (ghost town), 大都是早期西部開發過程中，採金後廢棄的礦區。有許多採礦跡地現在都改頭換面，成為觀光旅遊的景點。在眾多採礦中的礦區和礦坑，也有不少開闢局部地區做為觀光旅遊之用。以猶他州的賓漢峽谷礦山 (Bingham Canyon Mine) 為例，就設有導遊人員，專門辦理礦區旅遊。該礦區號稱是世界最大的露天礦坑型銅礦山，礦區旅遊活動的項目之一是參觀「復育與環境計畫」, 包括清洗廢棄礦渣與植生造林。其中一塊土地經復育後，就成為野生物棲息地。
在英國，位於威爾斯北方的「大奧姆礦」保存了銅器時代的採礦遺址。該礦區已建立了「銅器時代採礦中心計畫」, 遺跡中包括一座 19 世紀的豎井、開採面、骨製工具、石製槌子等。在中心的展示廳裡，有解說展示、視聽節目、禮品店及茶屋，另有導遊人員負責帶隊實地下坑參觀。
緊鄰劍橋大學東北方的米爾頓郡立公園，是一座以小湖泊為中心的休閒賞鳥景點，地方人士常在這兒舉辦各種活動。這座小湖泊原本是一個開採礫石的礦坑，經復育後成為郡立公園的小湖，也因而發展成為野生物棲息地，甚至自然公園，也成為地方上重要的遊憩用地。
日本有關礦區土地復墾再利用的實例不少，其中「石見銀山」因為具有下列普世價值，而被登錄為世界遺產：(1) 產生世界性重要的經濟及文化交流；(2) 沿用傳統技術的銀生產方式的遺跡受到妥善保存；(3) 石見銀山由挖掘到冶煉的作業全部採用純手工的方式進行；(4) 完整且明確地表示銀從生產到運送的全貌。「石見銀山」也是亞洲第 1 處以礦區為遺址的世界遺產。
石見銀山在 16 世紀初是日本最大的銀礦礦山，面積約 442 公頃，17 世紀採掘的銀礦量占全球銀礦的 1/3。由於遺址保存良好，在 1969 年列為古蹟。在銀山遺址中，被稱為「內山」地區保留有寺廟神社、民宅等，可以想見該地曾經繁榮一時。
石見銀山的所在地大田市，幾乎位於島根縣的中央地帶，面積是該縣最大，包含了海岸、平原、深山與山間市區。該地北鄰日本海，南望中國山地，山地延伸至海岸邊，整個市區的 60% 都是山地。大田市的發展以鎌倉時代末期發現的石見銀山為中心，除了有三瓶山、大田市海岸等珍貴的自然景觀外，還有在 2007 年被登入世界文化遺產的石見銀山遺跡，以及諸多和生活相關的傳統文化。
我國是在 1980 年代才開始重視地表採礦跡地的土地復墾工作，但是整個管理重點是水土保持和景觀綠化。過去有關地表採礦跡地的土地復墾研究工作，大多以砂石、石灰石、大理石、煤礦、瓷土等為主，而且也僅限於景觀綠化方面的研究。
經過二十多年的努力發展，我國在採礦跡地進行土地復墾的成果大致如下:
臺北縣金瓜石、九份一帶–金銅礦採礦跡地已建設為「黃金博物園區」, 金瓜石、九份地區也被行政院文化建設委員會遴選為 14 處臺灣世界遺產潛力點之一的「自然」與「文化」(複合) 雙遺產據點。
高雄市 (縣)–壽山、半屏山、大崗山、小崗山等石灰石採礦跡地已全面進行綠化。
臺北市北投區–貴子坑瓷土採礦跡地已闢建為戶外水土保持教室。
陽明山國家公園小油坑──小油坑採硫跡地已設有地質展示館。
臺北縣平溪鄉──新平溪煤礦已由私人成立「台灣煤礦博物館」。
苗栗三灣「巴巴坑道」──設有人造模擬坑道與煤礦坑口周邊範圍展示坑口作業環境，並搭配蕨類植物主題展示館。
花蓮縣新城鄉──亞洲水泥公司花蓮廠礦山規劃停採後將變身為「植物園」。 |
海洋與生命 | 是深邃、詭譎、神秘、征服，還是浩瀚、無垠、遼闊、靜謐？對於海洋的描繪，你會採用哪一類屬性的詞彙？被喻為世界文壇強者的海明威，用的是「lamar」這個西班牙字表達海洋那種糅合包容、任性、陰晴不定多樣化的個性。在《老人與海》名著中，有一段細膩的文字:「...... 他想到海洋，老是稱她為 lamar, 這是人們對海洋抱持著好感，用西班牙語對她的稱呼；有時候，對海洋抱持好感的人也會說她的壞話，不過說起來總是拿她當女性來看待。...... 他們提起她時，拿她當做是一個競爭者或是一個去處，甚至當做是一個敵人。可是這老人總是拿海洋當做女性，她給人或者不願給人莫大的恩惠。如果她做出了任性或缺德的事兒來，那是因為她由不得自己。月亮對她起著影響，如同對一個女人一樣，他想。」
十九世紀最具影響力的作家赫爾曼・梅爾維爾，在其著作《白鯨記》中，則是強烈地述說著搏鬥生死觀:「『我 (百戈號的大副史達波) 為了生活在海洋中捕殺鯨魚，而鯨魚又何嘗不會為牠們的生活而吃掉我呢？』史達波很清楚地知道，成千上萬的人曾被魚所殺害。」
文學家令人動容、驚歎的筆觸，轉換到海洋學者彼得・威怡 (Peter K. WeyI) 的思維中，卻是嚴謹的「相互影響說」。最膾炙人口的真知灼見發表於一九七○年:「就海洋學的主題，我的主張不在對海洋的描述，我認為探討海洋如何安定地球表面的環境更為重要，它是一個總體環境與生命所發生的自然現象。我不希望知道海洋有多深，而是要知道它為什麼是深的；我對海床形狀的興趣不高，而是要知道它是如何構成的。我的工作不在於準備一張海洋生命的分類清單，而是要了解海洋中生物如何彼此相互影響，以及海水、大氣和海床間的相互關係。」
其實，無論採用哪一類的詞彙或觀點論述海洋，都只能敘述一部分而已，畢竟她那歷經億萬年匯集而成的豐沛生命力，以及千變萬化的面相，是人類窮畢生之力都難以著墨書盡的。
海洋是地球生命的母親
從生命演化論的角度來看，雖然各派學者對生命起源的主張不同，但海洋是地球生命的母親仍是主流看法。
在地球形成之前，宇宙間有許多小行星圍繞著太陽旋轉，行星彼此之間會相互撞擊，原始的地球就是在撞擊下產生的一顆火球。地面到處是火山，布滿滾燙熔岩，天空中充滿著從地球內部發出來濃密的水蒸氣，形成地球早期的大氣。
隨著碰撞次數的減少，地球開始由外往內逐漸冷卻，表層形成了薄薄的地殼；而大氣中的水蒸氣遇冷凝結成雨，降落在地表上，雨水長期累積在窪處，形成原始的海洋。
為什麼我們相信早期生命是出現在海洋中 (其實用「水裡面」更為適合), 因為當時的環境，水中比陸地來得友善。陸地的溫度不是冷，就是熱；不是狂風，就是暴雨，變化很大，相較之下，雨水形成的海洋環境顯得十分穩定，非常適合生命的誕生及繁衍。
最早的地球生命大約出現在三十二億年前，這些生命只是最簡單的生命物質，必須要用顯微鏡才能看得到的單細胞體。經過數十億年不斷地演化，形成了現在各式各樣豐富的生命。
有關地球生物演化過程，可以用 24 小時的時間表加以說明。午夜零時，最初生命剛開始，但是直到晚上九點，生命才爬上了陸地，之前所有的生命都存在於海洋中，顯示在地球歷史上，海洋中生命的豐饒，自古已然。
據估計，現存的物種約為五百萬到五千萬種，但被記載的僅有一百四十六萬種，尚未記載的大多數仍存在於海洋中的未知角落；而全世界生物分類一共有 33 個門，海洋就占有 32 個門，而其中的 12 個門，只存在於海洋中，陸地上根本找不到。經常親近海洋，就會發現海洋生物的物種的確比陸地上豐富許多。
海洋表面有許多微小的浮游植物、浮游動物；中層海域有迴游的鮪魚、鯖魚、鯵魚；海底層的熱泉區有美麗魚蝦貝介；潮間帶有藤壺、笠貝、海藻；河口紅樹林有幼魚、稚蝦...... 等。
海洋之所以能夠容納數以百萬種、色彩繽紛，又各具特色的豐富物種，和多達三～六級的海洋食物鏈，與生存空間的廣闊有很大的關聯性。
海洋食物鏈是指在海洋生物社群中，從自營性細菌或光合作用形成的有機物開始，經浮游生物、草食性動物至各級肉食性的動物，依次形成捕食者與被食者的需求關係。食物鏈的結構和金字塔類似，底座很大，而每上一級就比前一級縮小，整個網路是由多種複雜的食物鏈所形成的。
浮游植物是食物鏈最主要的初級生產者，如藻類。在陽光下，浮游植物透過光合作用，把二氧化碳和水變成碳水化合物，也就是把太陽能轉變成化學物質中的化學能貯存起來，並供應給第二級的浮游動物 (如磷蝦) 及其他草食性、雜食性動物攝食。由於大部分的浮游植物是一群小到用肉眼都很難分辨的生物，很不容易瞧出它們的型態，但從衛星照片中所呈現的大片光合作用分布區來看，牠們才是海洋中的巨人。
小魚、蝦子是屬於海洋食物鏈的第二、三級，牠們攝食浮游植物或浮游動物。第四、五級則是處在食物鏈金字塔的上層，如鯊魚、鯖魚、金槍魚等。
就生存空間而言，海洋生物比陸地物種幸運多了。地球總表面積是五億一千萬平方公里，海洋就占了 71%, 達三億六千一百萬平方公里；而海洋的平均深度是 3,795 公尺，差不多是玉山的高度，在如此遼闊的空間中，海底地形和陸地一樣，有高山、狹谷、火山。從沿岸起，可分為大陸棚、大陸坡、海洋平原、海底山、中洋脊、深淵和海溝。縱使深度不同，壓力相差極大，但是理論上海洋生物只要做好壓力調節，就可以很悠遊地在大海中沉浮、覓食、求偶、繁殖。
海底熱泉附近的奇特生命形態
不同緯度、地形和深度的海洋，具有不同的物理及化學條件，因此造就了特色不一、各式各樣的海洋生物。
在一九七九年以前，許多科學家都認為深海海底是永恆的黑暗、寒冷及寧靜，不可能有所謂的生命。但是一九七九年，科學家首次在 2,700 公尺的海底發現熱泉，並觀察到和已知生命極為不同的奇特生命形式，進而改變了對地球生命進化的認知。二○○○年十二月四日，科學家又在大西洋中部發現另一種熱泉，結構完全不同，他們把它命名為「失落的城市」, 再度引發了科學家對海底熱泉的研究熱潮。
海底熱泉是指海底噴泉，原理和火山噴泉類似，噴出來的熱水就像煙囪一樣，目前發現的熱泉有白煙囪、黑煙囪、黃煙囪。在宜蘭龜山島所發現不斷往上噴出的海底熱泉，是一種黃煙囪，這是因為海底冒出大量硫磺所造成的現象，也是近年來發現最大的近海海底熱泉，水深從二、三公尺到三十幾公尺，約有八、九處之多。
在深海熱泉泉口附近均會發現各式各樣前所未見的奇異生物，包括大得出奇的紅蛤、海蟹、血紅色的管蟲、牡蠣、貽貝、螃蟹、小蝦，還有一些形狀類似蒲公英的水螅生物。即使在熱泉區以外像荒蕪沙漠的深海海底，仍出現了蠕虫、海星及海葵這些生物。
熱泉生物能夠生存完全是依靠化學自營細菌的初級生產者。在黑煙囪噴出的熱液裏富含硫化氫，這樣的環境會吸引大量的細菌聚集，並能夠使硫化氫與氧作用，產生能量及有機物質，形成「化學自營」現象。這類細菌會吸引一些濾食生物，或者是形成能與細菌共生的無脊椎動物共生體，以氧化硫化氫為營生來源，一個以「化學自營細菌」為初級生產者的生態系便形成了。
依照目前研究熱泉生物的了解，牠們的生長速度非常快。以貝殼來說，由於牠們是濾食性動物，會有鰓、消化系統及進出水口器官；可是海底熱泉的貝殼不一樣，牠們消化系統及進出水口已經呈退化現象，海底細菌則會住在牠們的鰓裡面，等到繁殖多了，就會被貝體利用，於是貝殼的生長速度也變得非常有效率。
無奇不有的特異魚類
世界之大，無奇不有，在深海海底，可以發現許多奇形怪狀的魚類，例如眼睛朝上面長的燈籠魚。為什麼眼睛不長在身體側方而會長在上面？這和牠們的生活習性相關。在白天，燈籠魚生活在八、九百公尺的海底，到了晚上，牠們會上游到 50~200 公尺之間的海洋表層覓食，天亮前再潛回海底。對牠們來說，深海是牠們居住的環境，十分安全，游到淺處的海洋表面卻有各種生物會捕食牠們，所以演化成眼睛長在上面，就是要特別看清楚海洋表面環境中的危機。
一般來說，深海生物的眼睛都特別大，或是離嘴巴都很近，為什麼呢？答案十分簡單，因為深海光線少，大眼睛可以看得更清楚，或是只要看到了獵物，一定會咬得到、吃得到。
有一種鮟鱇魚生長在深海底部，不容易遇見配偶，所以演化成「海枯石爛，終生不渝」的最佳典範。牠們為增加族群遷移的機會，鮟鱇魚產下的卵會飄浮到海洋表層，孵化後的小魚會再慢慢沉回到海底棲息地。在往海底潛游時，只要遇到了母鮟鱇，公鮟鱇就會緊緊咬著母魚不放，因此終生相伴，永不分離，這個做法就是為了確保繁衍後代的機會。
為什麼大多數深海的生物顏色是紅色的？因為陽光照射到水中，紅光很快就被水分子吸收掉了，所以紅色在海底看起來是黑色，一旦牠們浮出海面，在陽光照射下，紅色又自然顯現。對人類而言，紅色具有討喜、好吃的意義，所以紅色的魚貝類反而難逃饕客的饞嘴。
有一些海洋生物會發出生物性螢光，根據科學家的研究，這些光是辨認、溝通、求偶，或是迷惑敵害之用的。
潮間帶生物具十八般忍功
潮間帶是指陸地與海洋交界之處，由於受到潮汐的影響，每天都各有幾個小時會處在不是被海水淹沒，就是曝露在空氣中的規律現象。所以生活在潮間帶的海洋生物必須具備耐熱、抗旱、抗寒、抗鹽、固著力強、耐低氧量、生活及繁殖能夠掌握自然規律的十八般忍功。
螃蟹是潮間帶的代表性生物，目前世界上已有紀錄的螃蟹超過五千種，屬於海洋系的螃蟹高達九成，在潮間帶生存的螃蟹則以沙蟹科及方蟹科為主要成員，其中以每天背著一個家 (殼) 四處游走的寄居蟹最讓人印象深刻。寄居蟹有「隱士」的意味，意指牠像個隱居的蟹類，常常躲藏在貝殼裡面，而這個殼就像是一個活動洞穴，能夠提供寄居蟹在各種惡劣的環境中一個棲息之處。
由於河水和潮汐的長期交互作用，在河與海的交會處，往往形成寬廣的沼澤地形。沼澤區內具有河川沖擊陸地所帶來豐富的營養鹽，又加上海浪會移走廢物，帶來氧氣，數量龐大的生物和藻類遂在此處繁衍生長，因而吸引了許多鳥類來此覓食，最主要的是鷺科和鷸行鳥科，牠們均擁有一雙細長的腳和一張細長的嘴，可以很輕鬆地在滿是積水的沼澤區覓食。
每一處的潮間帶，都具有不同的微環境形態，所以居住在其間的海洋生物也各異其趣，獨特性非常強烈。
珊瑚礁生態系的多樣化
珊瑚是一種生態和經濟價值都很高的海洋腔腸類動物，多種珊瑚及石灰質藻類經過千萬年的生物累積作用後形成珊瑚礁，雖然目前珊瑚礁分布面積占全世界海洋總面積不到 3%, 但在所有的海洋生態系中，珊瑚礁的生物多樣性是最豐富的，所以被喻為海洋中的「熱帶雨林區」。
在珊瑚礁中，不但可以看見色彩繽紛的珊瑚，還有海星、龍蝦、海葵、海綿、貝類、蝦、蟹、多毛類、旋鰓蟲等其他物種。除了觀賞用途外，珊瑚礁中還有許多天然資源可以製造各種藥品、化學物質及食物，例如海綿動物就可用來製造一種可以治療皰疹及癌症的新藥；而某些特定珊瑚的組織，類似人體的骨骼，自一九八二年開始，有些外科醫生已使用珊瑚替代骨頭。
當珊瑚礁被破壞了，許多物種及牠們所具有的獨特基因型就會消失殆盡，所以保護珊瑚礁不只是在保護自然生態，同時在確保人類生命的延續及發展。
善待海洋就是善待人類
人類對海洋有非常高的依賴度，全世界有四分之三的大城市 (人口數以千萬計) 是依靠海洋生存的，有 60% 的人口居住在沿著海岸線一百公里以內的土地上。全世界同時有八萬艘船載滿各種交易物品在海洋上航行，以滿足人類的需求；每年人類從捕獲的一億噸海洋生物中，取得最基本的蛋白質營養素維生。
我們是這麼需要海洋，但另一方面卻對海洋極度不友善，就以垃圾為例，三年前有一艘深海遙測潛艇前往最深的馬里亞納海溝 (深度為 11,034 公尺) 進行研究，結果沒有發現任何新品種的魚類，倒是發現了塑膠袋的蹤跡。還有很多人到海岸沙灘遊憩，喜歡撿貝殼，結果讓貝殼少到寄居蟹必須住在破碎的啤酒瓶內。由小窺大，足見人類對海洋的不重視及破壞的程度，所以探討海洋問題，不是只有自然生命的問題，與海洋息息相關的，還包括知識生命、文化生命及教育生命。
國立海洋生物博物館成立的宗旨就是希望大家能夠看到臺灣海洋的生命，並且以教育、研究來引導社會重視海洋文化和保育觀念，所以從館址的選定、建築物的結構、夜晚照明的設計、展示生物組合的設計，在在都以海洋生命主題為核心。海洋生物博物館不僅要讓參觀者看到海洋生命的豐富性，同時還要讓大家瞭解為什麼要用最友善的態度對待多樣性的其他生命與物種。 |
救援石虎 | 人之所以成為萬物之靈，是因為能感受其他生命的苦痛。當求救的聲音傳來，聽到的人可能心中動念，正在猶豫之中，保育的先行者已經伸出了援手。
石虎的英文名是「leopard cat」, 所以又稱「豹貓」, 身上有類似錢幣大小的斑點花紋，也被俗稱為「錢貓」或「山 - 貓」。石虎的體重約 3 到 6 公斤之間，體長 55 到 65 公分，尾長 27 到 30 公分。體型比 - 家貓略大，如果石虎的平均體長 90 公分，家貓大約有 75 公分。乍看之下，石虎和家中養 - 的虎斑貓非常相似，差別在石虎的額頭和眼窩內側，有明顯的白色條紋，尤其在耳後，黑底 - 白色塊斑特別醒目，這也是多數野生貓科動物的特徵。另外，石虎的尾部粗短蓬鬆，散布著 - 黑色斑點，有別於虎斑貓尾部末端的黑色環節。
石虎和家貓在生態習性截然不同，石虎具有 - 強烈的狩獵本性，以鼠類為主食，在生態系中能控制鼠類族群的數量。豬、羊等偶蹄類的幼 - 獸、野兔、松鼠、鳥類、蛇、青蛙、魚和昆蟲等動物，都是石虎攝食的對象。石虎從不埋覆 - 排遺，反而用來標示個體的活動領域。石虎的叫聲，也遠比家貓具有威嚇性。
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7:28 石虎外觀特徵 / 與家貓比較
14:00 和時間賽跑，搶救被獸鋏夾住的石虎 (畫面真實，請斟酌觀賞)
25:26 石虎米的企劃如何進行
35:43 農家石虎出沒調查中！40:13 石虎野放的兩個故事 (南投)
農家石虎出沒調查中
在集集野放石虎集利的行進路線
石虎米的企劃討論進行中
搶救被獸鋏夾住的石虎
石虎外觀特徵 |