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氣候變遷–以古為鑑:小化石記錄大氣候 | 有孔蟲
海洋中棲息了一種原生動物，它能分泌鈣質的殼體，殼體上有細小的洞以供細胞質進出，因而被稱為有孔蟲。有孔蟲形體很小，有若沙塵大小，呈白色。若不注意看，會誤以為是一盤散砂，然而在光學顯微鏡下或經電子顯微鏡放大之後，你會看到花樣百出的房室結構、爭奇鬥巧的殼飾，及各式各樣的口孔。殼體的質料大多是碳酸鈣，有的晶瑩剔透，有的散熠著陶瓷光澤，還有像是象牙做的。另外有一種砂質有孔蟲，則是撿拾了一些石英砂並膠結一起披在身上權充殼體，如同叫化子般，襤褸骯髒，鳩衣百結。
這些形形色色的有孔蟲都是單細胞生物，簡單地說，是能夠分泌殼體的變形蟲。因為它們能分泌殼體，死後即使軟體部分腐化殆盡，而硬質的殼體仍能保存在地層中，不致「疾沒世而名不稱」。算算時間，它們在地球上出現也已經有五億多年了。
有孔蟲種類繁多，興衰更迭，每個地質時代各有其特殊的種屬，所謂「各領風騷數百萬年」。從地質時代綿長的時間來看，數百萬年也只是曇花一現，而這些「短命」的化石就成了地質時代的指標，就像綿延長途的道路上有了里程碑一般。
浮游底棲、繽紛多樣
有孔蟲根據其棲息環境可以分為浮游有孔蟲和底棲有孔蟲兩大類。顧名思義，浮游有孔蟲終其一生漂浮在海水之中，主要存活在離海洋表層五百公尺之內的水域，細胞質的偽足順著殼體上的小刺針向外放射出來，體積比原來的殼體大上百倍。偽足在海水中如同蛛網一般，黏捕周邊的微小生物為食。對那些微小生物而言，有孔蟲張起的捕食網，稱得上是「天網恢恢，疏而不漏」, 十分噁心恐怖哩！現生浮游有孔蟲約有四十多種，有的嗜寒，有的喜暖，隨著緯度分布各異，可以分成「極區」、「亞極帶」、「過渡帶」、「亞熱帶」和「熱帶」五個生物地理區，各區還可以更進一步細分。
底棲有孔蟲則依附在海底的砂泥或水藻的莖葉上生活，缺乏漂浮的能力，活動的範圍比較小，各有特定的適應環境，因此不同的海域各有其特有的種類。底棲有孔蟲小小一個軀殼，變化萬千，弄得分類學者目迷五色，莫衷一是，以致全球到底有多少現生種，一直是個爭論不休的問題。治絲益棼的另一個原因是，底棲有孔蟲還有複雜的世代交替，有性世代和無性世代的殼體形狀面貌各異，大搞變身秀、變臉秀，是海底世界的「百變金剛」, 有好多個分身。因此，到底現生種有多少種，實在很難說清楚，至少有幾千種吧！回到地質年代中，那些已經絕滅的，大大小小狀如「異形」的，種種匪夷所思的，其種類之多就更如天上繁星了。
然而，有孔蟲一方面能標幟地質年代，另一方面可指示古代環境，記錄氣候變化，所以是非常有用的化石，也難怪全球研究化石的「古生物學者」, 又以研究「有孔蟲」的人數最多。在石油公司、博物館、海洋鑽探船和大學研究室中你都會看到這些「微古生物學家」的身影。
氣候代言「蟲」
就像知名品牌的商品經常找知名藝人來代言一樣，海洋多變的環境中也棲居著各式特徵的有孔蟲種屬。遺留在地層中的有孔蟲化石，就成為古氣候、古海洋環境的代言「蟲」了，用我們的「行話」來說，有孔蟲是古氣候研究的「代用指標」。
時光飛逝，物換星移，百萬年前的地球環境早已消逝無蹤，當時既無人類，也沒有溫度計、晴雨計，要如何追溯當時的氣候型態和溫度變化呢？別煩惱，海洋中無所不在，繁若星辰的有孔蟲早已將之偷偷記下來了，有孔蟲就是我們的古溫度計，且讓我細說分明。
用有孔蟲化石組合推算古海表溫。有的浮游有孔蟲獨居於寒冷的極區海域，有的有孔蟲則鍾情於溫暖的熱帶風情，隨著緯度的高低而變化其相對含量，儼然與海水溫度存在著對應的關係。學者三十餘年來利用各種方法將這種對應關係數值化，建構所謂的「轉換函數」, 能將有孔蟲化石組合「轉換」成古海表溫或其他的海洋水文參數。
利用「因子分析回歸法」公式，根據有孔蟲組合可推算出年平均古溫曲線。海洋大學陳明德教授利用取自菲律賓巴拉旺島西北側的一根編號為 MD972142 的海洋岩芯中有孔蟲百分比的變化，解讀了南海東部過去十六萬年來的古溫變化。
近幾年來學者發現有孔蟲殼體中的鎂 / 鈣比例與其棲息的海水溫度有很好的對應關係，利用上述同一根岩芯的浮游有孔蟲 Globigerinoides sacculifer, 我們做了鎂 / 鈣比測定，也可以由此重建出過去十六萬年來的古溫變化。
十六萬年來的南海古溫變化
利用浮游有孔蟲的組合和浮游有孔蟲殼體中的鎂 / 鈣比，我們得到的二條古海表溫變化曲線，雖然彼此有些出入，但大體上描繪了過去十六萬年來的海溫變化的幅度、頻率與歷史。
過去十六萬年經歷了幾個冰期 — 間冰期循環。利用轉換函數所推估的海水表面年平均溫顯示溫度在攝氏 28.5 度與攝氏 23.5 度之間擺盪；上次冰期鼎盛期，也就是大約一萬八千年前，溫度降到最低。另方面，浮游有孔蟲的棲息位置大約是海面下 30~50 公尺的水深，因此利用其殼體鎂 / 鈣比所重建的古水溫約可代表次表層水的古溫變化。同樣的，次表層水的水溫也是在冰期時較低，最冷的時候大約是攝氏 23 度左右，而間冰期時較高，高溫時約有攝氏 27.5 至 28.5 度。一般而言，用有孔蟲組合所推估的溫度不準度約有攝氏 2 度，而用鎂 / 鈣比所推估的不準度約為攝氏 1.5 度，因此，南海在過去十六萬年來冰期 — 間冰期所呈現的溫度差異至少有攝氏 3~4 度應是可以確定的。
比較值得強調的是，在以往數個冰期 — 間冰期之中，由冷變暖的暖化過程似乎都非常快速，例如在十二萬八千年前及一萬六千年前，冰期的結束都非常突然，溫度在一至二千年間快速陡升。另一方面，地球變冷的過程就比較曲折，例如從七萬一千年前上次間冰期結束時，溫度緩步下降，但不斷來回振盪，要經過五萬年才降到上次冰盛期，約一萬八千年前的最低點。由此看來，冰期 — 間冰期的溫度起伏並非圓滑對稱的曲線，而是如同犬牙般上下跳動，呈現極不對稱的鋸齒狀構圖。
有孔蟲可以視做一個多頻道的「錄音機」, 不同的「音軌」上記錄了不同的古環境的訊息，本文只對「古溫度」這個音軌做了兩種方式的解讀。別的「音軌」, 例如有孔蟲殼體的氧、碳同位素、硼同位素、鍶 / 鈣比、鎘 / 鈣比、鋅 / 鈣比、硫 / 鈣比還反映出其他海洋化學及水文參數的變化。而有孔蟲殼體本身的形態變化又透露出蟲體在面臨大自然環境變遷時一些調適措施，藉改變其形態來適應環境，編織出一幕又一幕生命與環境變遷搏鬥求存的大戲。
近年國家科學委員會大力資助的海洋鑽探研究讓國內學者在南海、沖繩海槽及其他鄰近的西太平洋邊緣取得十餘口海洋岩芯，相關研究工作正次第展開，本文所呈現的只是眾多成果的一鱗半爪。事實上，學者已根據豐富多采的古氣候、古水文資訊進行了更深入的分析與比對，成果已散見國內外相關的學術期刊。 |
誰殺掉了臺灣的古象與犀牛 | 1971 年 9 月，化石愛好者潘常武先生在臺南左鎮溪床上看到犀牛化石，他很快地通知臺灣大學地質系林朝啟教授。不久臺灣省立博物館也得到消息，那年 12 月，一場長達 7 個月的地層挖掘工作正式展開。
翌年，兩位日本動物化石專家來到臺灣，他們以一種「美洲犀牛」為藍本，把找到的骨塊化石 (占整個犀牛骨架的 40%) 拼湊上去。這個發現是我國古生物研究上非常重要的一次，也是臺灣在原地層裡找到 40% 化石骨架的第 1 次，為了紀念曾在臺灣大學地質系任教的早坂一郎教授，便把牠命名為「早坂中國犀」, 相關科學文獻在 1984 年發表。前幾年國立臺灣博物館 (即原省立博物館) 發覺有些問題，又與大陸專家合作，以「印度犀」為藍本，重新組裝頭部。「早坂中國犀」做了第 2 次復原。
臺灣各地都有化石出土
左鎮地區出產許多「左鎮動物群化石」, 當地的地層因受造山運動的影響，已經傾斜，廣泛露出，總厚度約達 2 千公尺，分布在菜寮溪流域。每次大風大雨過後，一些埋在地下的化石便被沖刷出來堆在河床上，因而吸引許多化石愛好者在河邊撿拾。歷年來撿到或挖掘到的化石種類非常多，「早坂中國犀」是其中之一，其他還有劍齒象、猛獁象、梅花鹿 (有好幾個亞種)、臺灣四不像鹿、野豬、水牛、虎等。
四不像鹿非常特別，牠因為頭像鹿，尾像驢，蹄像牛，背像駱駝而得名，是一種偶蹄類溫帶動物，又名駝鹿，古名麈 (音主), 古人把牠的尾巴拿來做拂塵。明朝出產的瓷器上有牠的圖片，不過漢朝時的野外可能就已經沒有牠的蹤跡，如果還有，應是圈養在皇家的御花園裡。臺灣出土化石中也有四不像鹿，因此知道這種動物曾在臺灣出現過。
除了左鎮動物群化石外，澎湖漁民在進行底拖作業時，有時會拖到一些澎湖水道裡的「澎湖動物群化石」。至今已登錄在不同博物館裡的大概有一萬多件，裡面有古菱齒象、草原猛獁象、鹿、麂、四不像鹿、水牛、野豬、棕熊、鬣狗、虎、貉、鯨、晚期智人等。晚期智人是指臺灣左鎮人與大陸東山人，根據臺灣大學人類學系連照美教授的研究推估，晚期智人出現在距今 2 萬年到 3 萬年之間。
此外，中國大陸舟山博物館依照海中撈到的化石所繪的「舟山動物群」復原圖，圖中呈現約 2 萬年前臺灣海峽海水面降低時的想像畫面：犀牛、象、四不像鹿、德氏水牛等大型生物正倘佯在水邊草原環境中。
以上證據可以證明，一些大型哺乳類動物曾到過臺灣，可是現在為何不見了呢？其實不只是左鎮與澎湖水道，根據中央研究院陳光祖博士的整理，1920 年以來，臺灣各地從北到南的第四紀 (0 ~ 180 萬年前) 地層裡，多多少少都曾發現化石。可是這些大型哺乳類動物從哪兒來的呢？不是有臺灣海峽阻隔嗎？亞洲大陸的動物怎麼會在臺灣出現呢？若要解開這一連串謎題，就要回頭去看地球的歷史，看看昨天以前臺灣附近的地球是個什麼景象。
大陸動物南下避寒
現今臺灣東邊的海洋深度 4 千至 6 千公尺，但是西邊的臺灣海峽海水深度大都比 110 公尺淺。冰河時期的臺灣海峽又是什麼狀態呢？古海洋學研究中已有證據顯示，上一次冰期鼎盛期 (意即溫度最低時), 也就是地球上冰的面積發展到最大時，大概是在 2 萬年前，那時北美洲高緯度陸地上堆滿三、四千公尺高的冰。一大堆地球上的水被放到陸地上，海洋裡的水減少了，使得冰河鼎盛期的海水面下降約 120 公尺。在更新世冰期中，海水面只要下降 70 公尺，現今臺灣海峽底下的陸地就露了出來，從臺灣到福建一路上去構成一道「臺灣陸橋」(Taiwan Landbridge)。
過去 1 百萬年來，臺灣海峽海水深度比現在低 70 公尺的時間超過 50 ~ 70%。臺灣與大陸過去的地理關係應該是連在一起，而像今天一樣溫暖的高峰期，在過去 1 百萬年來可能不到 10%。氣候溫暖表示海水面高，因為冰融化了；氣候寒冷表示海水面下降，因為很多冰被放在陸地上。臺灣與大陸的地理格局大部分時間可能如此，因此「臺灣陸橋」不是曇花一現，而是過去百萬年的一種常態。
因為有「臺灣陸橋」, 所以生活在大陸的動物天冷了南下，天暖了回去。牠們來的時候海峽是淺淺的，當海水面上升後，就被困在臺灣回不去。這些情況應與造成生物絕滅的原因有關。近年來大陸邊緣海域包括東海、黃海、渤海等，也像臺灣一樣陸續找到很多化石。而且經證實，有些動物如臺灣古象，經鑑定後與屬於「淮河動物群」的淮河古象非常像。
總結來說：在冰河時代裡，臺灣海峽海水面比現在低 70 公尺時曾有「臺灣陸橋」, 一些大陸動物因為避寒而南下，經由「臺灣陸橋」來到臺灣西岸一帶。另外的重要發現是：在找到的鹿角化石上發現了人類刻砍過的痕跡，因而證明數萬年前的臺灣海峽曾有古人類活動。
誰消滅了臺灣的古象犀牛
現在仍能找到的犀牛有印度犀牛 (因為保育關係數量較多)、蘇門答臘犀牛、爪哇犀牛 (數量已經非常少)。早期中國、臺灣都有犀牛，為何現在沒了？普遍想法是人類闖的禍。現代人為了要用犀牛角或犀牛鞭製藥或強身而盜獵、屠殺犀牛。
清乾隆年間派來臺灣的一位叫做六十七的監察御使，曾請畫工把原住民獵鹿的景象繪成圖畫，並把聚眾捕鹿的行為稱為「出草」。1638 年，占據臺灣的荷蘭東印度公司出售 15 萬張鹿皮到日本，日本人用鹿皮做成武士穿的「鎮羽織」(甲冑外的披肩)。在「左鎮動物群」同時期的地層中，人們找到左鎮人的頭骨化石。把這些事件串連起來以後，真的令人覺得人類是殺害大型動物的兇手。可是之後找到的諸多證據卻顯示，實際情況並非全然如此，就事實看似乎另有蹊蹺。
今天所謂的臺灣大型哺乳類動物，是指臺灣獼猴、野豬、長鬃山羊、黑熊、石虎、山羌、水鹿等，這些動物除非被人飼養，否則大都分布在高山峻嶺、人跡罕見地方。而在臺灣考古動物群裡 (臺灣考古文化層從 1 萬多年前到 350 年前), 並無大象與犀牛的骨骸出土，因而出現一個疑點：臺灣先民並未看到大象與犀牛，他們如何成為加害大象與犀牛的兇手呢？更新世末期的大絕滅應該是全球性的大災難，這個問題絕不只發生在臺灣、大陸或東南亞，臺灣發生的問題可能只是全球發生的一部分。
19 世紀初期的人們，對於生物有否絕滅這件事還不太清楚，擁有解剖生物學之父美譽的法國科學家居維葉，從美國俄亥俄州出土化石所繪的乳齒象體認到:「以前存在的一些生物，現在沒有了。」之後他提出「災變論」, 並以地球環境曾經劇烈變化好幾次來解釋大型生物絕滅的原因，而這些劇烈變化被稱為「革命」。
這個理論有很多重要的後續文化影響，19 世紀中葉法國出版的《亞洲大洪水》(The Asiatic Deluge) 書上，有一張模擬巴比倫即將被洪水沖毀的想像圖，這個意境可以呼應聖經中所說的「諾亞方舟」, 也與居維葉的說法有關，更影響了人們對古生物絕滅原因的認知。
絕滅三理論
很多人接受「因為人類獵殺使得大型哺乳類動物絕滅」的說法。早期北美洲有長毛犀、乳齒象、劍齒虎、猛獁象等大型哺乳類動物，大約 1 萬 3 千年前，印地安克羅維斯族 (Clovis) 在北美洲大量建立居住群時，猛獁象等大型動物也在那個時候絕滅，因而出現「過度獵殺理論」: 長鼻類本來很多，現在已經絕滅，因為人類來了，人類成功就沒了大象。烏克蘭首都基輔南方附近也發現以長毛象骨頭堆成的「猛獁象村落房舍」。
2001 年 6 月，國際知名期刊《科學》(Science) 刊登一篇利用電腦模擬猛獁象被過度獵殺以致絕滅的文章，文章結論是：不必有氣候變遷，不必有別的原因，只要有原住民的常態性打獵，也不是特別針對猛獁象，只要打獵，大型生物就會絕滅......
縱然看法相當多，歸納起來，北美洲大型生物的絕滅大概有 3 種理論：一是人類的打獵或過度獵殺；一是氣候變遷造成的環境變化；另一是超級傳染病，如幾年前的 SARS 病毒，可能因為人類的移入帶入新的病毒、疾病，原地生物對這些病毒毫無抗體，因此短時間或幾年內大絕滅。當然大型生物也不是在同一個時間一起絕滅，每個地區有其個別特性，而其特別的絕滅時間應與當地的環境變遷和地理格局有關。如臺灣大型生物的大絕滅，大概在 1 萬年前到 1 萬 5 千年前，那時是地球上的「冰消期」。
全球暖化 生態系解體
在過去的 1 萬 8 千年中，前面 8 千年是「更新世」的後半期，之後的 1 萬年稱為「全新世」。「更新世」到「全新世」期間有一個溫度快速上升的「冰消期」, 冰的融解使得全球環境發生重大變化。例如巴拉望島西北面的南海溫度，可能在這六、七千年內從攝氏 22.5 度上升到 29 度。又依南沖繩海槽 3 萬年來古海表溫度的變化來看，1 萬 5 千年前到 8 千年前間，臺灣龜山島東方 55 公里處海表溫度可能從攝氏 23 度上升到 26.5 度，也就是說，5 千年內的臺灣東北海域溫度上升攝氏 3 度左右。
臺灣大學地質學系劉平妹教授和其研究團隊，探討「日月潭地區從上一次冰期到現在的植物林帶的變化」發現，這個地區原本很冷，例如一個陡坡上面的溫度，山上冷，下面暖。但在冰消期溫度上升以後，原來低海拔的植物往上爬升，原來高山上的更往上爬，這是暖化過程的必然現象，因而在同一時間裡，森林上移了 1 千 5 百公尺。依照現在天氣來說，高度上移 1 千 5 百公尺，溫度上升攝氏 8 度到 10 度，這就表示台灣陸地的溫度變化比海洋大。
於是知道：當年臺灣生物在陸地生活，經歷了一個攝氏 3 度到 10 度的溫度變化，這個變化造成生態系解體，同樣的問題也發生在全球很多地方。一個生態系是由很多動植物共同依附組成的，例如 A、B 植物種原本共同生活在一個地區，全球暖化後溫度開始上升，A 植物種比較不耐熱，為追尋原來喜好，就往上或往北跑；B 植物種比較耐熱，因此移植速度落後，最後出現兩種植物有部分重疊，可是依然各走各的。溫度上升後，因為各物種稟性不同、移居速率不同、適應能力不同，使得原來的生態系解體。
靜悄悄的多樣性大失血
劉平妹教授針對當年犀牛出土現場的地層花粉研究證實，早坂中國犀生存的環境原本是一個海濱草原雜林、氣候溫暖乾燥的環境，但在過去幾千年中變成以松科為主的森林。冰消期時，臺灣植生往上遷移或往北遷移，往上遷移 8 百公尺、1 千公尺換算成陸地是上千公里，也就是牠們已經離開臺 灣。
金恆鑣先生翻譯的威爾森名著《繽紛的生命》中，提到一種稱為「森地內拉型絕滅」(Centinelan Extinction) 的絕滅方式。森地內拉是厄瓜多爾安地斯山脈的一個山谷地名，1978 ~ 1986 年曾出現大規模的森林開發，學者們過了 2 年以後再去，原本看到的許多動物已經不見。這件事沒人注意，也未發生血淋淋的殺戮事件，可是動物就是不見了。這種方式的絕滅稱為「靜悄悄的多樣性大失血」。
查看厄瓜多爾森林的衛星影像就會發現，森林在 40 年間減少 90%, 物種消失 50%。這裡有一個很重要的「島嶼生物地理學 」(Island Biogeography) 概念，這個概念是哈佛大學威爾森和幾個研究者發展出來的：中美洲海域由古巴一路往東南延伸，有許多面積不一樣的小島，學者們調查每個小島上的物種後發現，島上有多少生物種與這個島的面積有關。這是島嶼生物地理學中非常重要的觀念，北美洲西半部就是一個很好證明。
如果把北美洲大陸當成海洋，把美國國家公園或保育區當成陸地，這些保育區有如海洋中的島嶼，因此可以援引島嶼生物地理學概念，而實際調查後也是如此：生物消失與保育區的面積有關係，面積越大越不容易消失。另一個重要概念是：棲地的縮小或棲地的破碎化，是造成生物絕滅的重要原因。以往談生物絕滅總覺得是什麼人把生物殺了，一定要有兇手、武器，還要有很好的動機。真實情況有可能是人類的集體行動和行為使環境變化，把棲地破碎化，造成「生物多樣性大失血」。
第 6 次大絕滅 已經開始
環境變化是造成臺灣大型動物消失的重要因素：海平面上升，氣候變暖，草原被森林取代，氣候從比較乾燥變成比較濕潤，象群、犀牛棲息的草原雜林地大量減少，最後物種絕滅。有些生物不必吃那麼多東西，體型較小，可以適應森林環境。牠們會往山上遷移，氣候變暖時，可能有些回到中國北方，有些可能遷移到臺灣高山上成為所謂的孑遺生物。
快速的溫度上升過程，對生物來說是個很大的威脅，因為在遷徙過程中，必須在氣候變化的威脅下想辦法存活。每 10 萬年來一次的劇烈氣候變化，像一個篩子，每次篩去一些動物，有的闖過，有的闖不過，過去百萬年來就是這樣子，最後一次是一萬多年前的一次。只是這次真糟糕，人類出現了，情況更為不妙。生物學上把動物族群縮小，努力度過的艱難期稱為「瓶頸期」, 瓶頸期是生物物種的危急時刻，也是演化新物種的最好契機。
古早前的臺灣海峽曾經歷過多次的「瓶頸期」, 因此臺灣有很多特有的生物種，東南亞、菲律賓...... 也有非常多特有種。只要度過瓶頸期，就能產生當地特有種；過不了關的生物，旋即絕滅！但在瓶頸期的最後一次，人類出現，以前的關闖過了，這次不一定過得了。
更新世晚期的大絕滅，以地質時間看也不過 1 萬年左右，對地質人來說，每談一次事件總是 10 萬年、50 萬年，因此滅絕在地質時間上只是一瞬間。現在正進行的一瞬間絕滅是第 6 次大絕滅，第 6 次大絕滅已經開始，昨天過後已經發生，以後的問題是明天過後，是第 6 次大絕滅的第 2 章、第 3 章，將來完結篇怎麼寫不太知道。到底完結篇要由誰來完結呢？且聽後面的人怎麼說。 |
火山:量測火山體溫–地溫監測 | 岩漿熱能
火山是由高溫岩漿冷卻而成，高溫岩漿的熱能到底從何而來？這是一個有趣的問題。地球內部熱能主要有兩種來源，一種是由放射性元素蛻變所產生；另一種是原始地球形成時，物質往地球中心移動，使重力位能改變成熱能。
供應地球熱量的主要放射性元素有鈾 (U)、釷 (Th)、鉀 (K)、鋁 (Al)、鈽 (Pu) 等，依半衰期的長短，在地球形成過程中貢獻的熱量不一。例如鈾、釷、鉀等放射性元素具有和地球年齡相同數量級的半衰期，這些放射性元素從地球生成至今一直提供熱量。而半衰期短的放射性元素如鋁和鈽，只在地球形成的早期有較大的貢獻。
由於岩石的熱傳導能力很低，因此縱使地球形成已有 46 億年，僅地表冷卻至室溫。它的內部依然儲存著可觀的熱量，並保持高溫的環境，可使岩石融化成岩漿，在地表一些特定地方噴發出來形成火山。
地底下熔融的岩漿溫度到底有多高？我們很難用一個溫度計直接插在熔岩中去量它，畢竟製造這種溫度計不容易，而且直接去量岩漿溫度對工作人員來講實在很危險。但我們可以分析岩漿冷卻後的岩石成分，再在實驗室內測量這成分的熔點，就可推測岩漿大概的溫度。
岩漿的溫度和它的化學成分有關，依化學成分不同大致可分成 3 種：基性玄武岩岩漿、安山岩漿和流紋岩漿。由實驗室分析得知 3 種岩漿溫度分別是攝氏 1,000 ~ 1,200 度、800 ~ 1,000 度及 650 ~ 800 度。基性玄武岩漿熔點較高，大都來自深於 40 公里的上部地函；流紋岩和安山岩岩漿熔點較低，產生於板塊隱沒帶或大陸地殼的底部。
量測和監測火山的體溫
在人類活動地區無預警的火山爆發，往往產生很大的災害，例如西元 79 年義大利維蘇威火山爆發，造成龐貝和哈克雷紐兩城市毀滅。1985 年哥倫比亞 Nevado del Ruiz 火山爆發，火山泥流淹沒整個河谷，造成近 2 千 5 百人死亡。科學家希望有一天能成功預測某一特定火山的爆發時間，以降低這種大自然活動帶來的災害。
火山噴發前會有徵兆嗎？過去科學家已發現，在火山噴發前可以用地球物理或地球化學方法得到一些蛛絲馬跡。2007 年 6 月夏威夷 Kilauea 火山噴發，研究人員就發現噴發前有地震次數增高、地表大幅度位移、傾斜、地溫增高、地底氣體逸出量改變、熔岩化學性質改變等現象。2004 年冰島 Grimsvotn 火山噴發前，也發現各種頻率的地震波振幅都增加、火山熔岩的流量突然大增等現象。如此看來，似乎是有機會可以預測火山何時爆發。
地溫突增是火山爆發的前兆之一。要了解一個火山的地溫是否異常，應先清楚這個火山地區的背景地溫，就好像想知道人體是否發燒，必須先知道正常人的體溫一樣。當一個人的體溫超過這個溫度時，我們知道他發燒了。因此要了解火山的活動，首先應得知火山的體溫。
接著，透過持續監測火山的體溫，可以推測地底下的岩漿活動強度是否改變。假設地底下已達到熱平衡，則地下某一深度單位體積內的總流入熱量等於總流出熱量，地溫隨時間的變化會等於零，也就是說岩漿活動或其他影響地溫的行為並無異常。若地底下溫度隨時間越來越高，則表示有新熱源提供額外的熱能，這暗示著有岩漿或高溫物質接近，火山爆發的可能性因而增加。
如何監測火山區地溫
由地表往下地溫越來越高，到地球中心溫度可達攝氏 6,000 度，然而從地表到地心，溫度並非依深度呈等比例增加。地表附近熱量傳遞以傳導為主，溫度隨深度增加 (稱為地溫梯度) 約 30°C∕km; 地球內部因有大規模的對流作用，地溫梯度較低。
地底下岩漿的溫度可以高達攝氏 1,000 度以上，若岩漿往地表移動，則地下岩層的溫度勢必升高。監測火山的活動通常是在火山區鑽一口深井，井底越靠近熱源越好。井內用一條纜線串連許多顆溫度感應器，每個溫度感應器所在的深度不同，如此就可呈現各個深度的溫度變化。溫度訊號經由纜線傳到地表的記錄器，以電腦儲存記錄器中的資料，工作人員每隔一段時間前往收取電腦中的資料。若電腦接上網路或其他通訊設備，也可以即時把資料傳回實驗室。
另外也有把溫度感應器、記錄器和資料儲存設備全部放在一起的小型溫度測錄器的設計。監測方法跟上述類似，用繩子把一顆一顆的測錄器垂放在井內，地表上不需再裝設記錄器和電腦。但每隔一段時間收取資料時，必須把繩子自井內拉出地表，才能獲得測錄器中的溫度資料。
影響地溫變化的因素
要得知一個測量值是否準確，必須先了解影響測量值的因子。影響地溫變化的因子，包括岩漿的活動、雨量、潮汐、氣壓、地表溫度的變化、地下水的流動、觀測井的直徑 (井徑) 等。對監測火山活動而言，上述因子中除了第 1 項外，其餘都是雜訊，必須予以排除或降低。
雨量、潮汐和氣壓都會引起地下水位的變化，進而影響地溫。降雨的影響跟地層的破碎程度有關，滲透率較佳的地層，雨水進入地層後引起地下水的移動較快，地溫反應也較快。地溫的變化隨深度常有延遲反應的現象，延遲的長短取決於地層滲透能力。氣壓通常和地下水位成負相關，也就是氣壓高時，地下水位會降低；氣壓低時，地下水位會升高。潮汐作用和氣壓類似，都會影響地溫。雨量引起的雜訊一般不易去除，但氣壓和潮汐有固定的周期，可分析它們和地溫變化的相關性以去除雜訊。
地表溫度的變化會往地下傳遞，但幅度 (振幅) 越來越小，振幅的衰減程度和岩層的熱傳導能力有關，並隨深度呈自然指數遞減。通常溫度日變化影響的深度約 17 公分，年變化影響的深度約 3.3 公尺。周期越長的變化影響深度越深，像數千年的冰河氣候周期，影響深度可達 1,000 公尺。
地下水流動常反應在地溫梯度的曲線上，地底下有裂隙、高滲透率的地層，地下水流動的速度較快，常會造成局部地溫梯度降低。若流體是深處來的熱水，則地溫梯度反而升高。不管流體的溫度如何，如果流速改變就會造成溫度的改變，影響地溫的監測。
井徑的大小會影響井內流體的對流作用。一般井內流體的對流包大約是井徑的數倍，因此一口直徑 20 公分的觀測井，它的對流包長度約 1 ~ 2 公尺，也就是在這範圍內的溫度幾乎是等溫，地溫梯度趨近於零。實際上由一口井的詳細地溫深度圖，可發現地溫曲線呈階梯狀，這就是反應對流現象。對流作用對大於數十公尺的深井監測影響並不大，可以忽略。
臺灣地區的地溫監測
臺灣地區後火成活動 (溫泉、地熱、噴氣孔、地震等現象) 較強烈的地方有兩處，分別是北部大屯火山區和東北部海域龜山島。雖然這兩處的火山目前已停止噴發，但地下的岩漿是否會再活動？地溫變化如何？值得進行基礎研究。畢竟這兩個火山離我們不遠，甚至很多人住在大屯火山上呢！這兩處是和平安詳的鄰居？還是有潛在暴力的惡鄰？我們可以透過地溫監測，調查一下它們潛在的傾向。
4 年前，中央地質調查所開始利用許多方法，旁敲側擊探查這兩位鄰居的「個性」。在地溫監測方面，目前在龜山島上設置 1 口 290 公尺深的監測井，並在大屯火山區竹子湖、菁山自然保育中心和擎天崗設置 3 口監測井，深度分別是 200、200 和 480 公尺，長期監測地溫的變化。目前各井都設置十餘支小型溫度測錄器進行自動監測。
地下的熱源藉由傳導方式或地下水的流通把熱傳到地表，因此地溫的變化通常緩慢。此外，地溫的變化通常很小，如要在短期間內察覺地溫的改變，就必須仰賴高解析的溫度測錄器。目前使用的溫度測錄器，解析度可達攝氏 0.0001 度，地底下的溫度若有變化，這種高解析測錄器應可觀測到。實際上，經兩年多的地溫監測，發現地底下的溫度變化真的很小，各溫度變化的標準差約為攝氏 0.005 度。若以一般解析度攝氏 0.01 度的溫度計來進行溫度監測，根本無法察覺地溫的變化。
儘管地溫的變化很微小，監測期間曾在龜山島觀測到溫度突然上升的熱脈衝事件，溫度變化幅度約攝氏 0.003 至 0.010 度。這種熱脈衝並非地底下熱源逐漸接近使溫度升高，而可能跟地底下的震動造成水位的震盪有關。目前尚無法確定地震動是否跟岩漿或熱液活動有關，然而這種顯著的訊號已足以挑動研究人員的神經。大家正拭目以待，期待觀測到下一個跳動的訊號。
火山甦醒前，它的體溫可能會逐漸升高，就像冬眠的動物嗅到春天的氣息後，體溫會慢慢上升一樣。科學家希望透過地溫的監測，獲得一些火山甦醒的訊息。但影響地溫的因素很多，為避免「誤診」火山，地溫監測資料須適當修正，使地溫能真正反應火山的行為。臺灣北部火山群的活動情形如何，已有許多科學家展開「會診」工作，未來累積更多資料後，將可讓我們更了解這些火山的「身體狀況」。 |
紅頭的蘭嶼:古老島嶼的形成 | 蘭嶼是地形為丘陵起伏的島嶼，海陸相連盡頭，海向外延伸，海闊天空，十分美麗。島上幾乎全是由安山岩質的火山碎屑岩及熔岩流所組成，最高點為標高 548 公尺的紅頭山，山頭 紅色的土質，可說是它的標誌。
其實在蘭嶼山頂通常有很厚的紅土層堆積，這是因火山岩崩碎的碎石堆，經過風化而發育土壤，又因氣候溫濕，使土壤中的鐵成分容易氧化，形成黏度 高的紅土，也成為了雅美族製造顏料和器具的好材料，但是，形成這些紅土的火山岩從哪裡來的呢？它和蘭嶼的身世有關。
蘭嶼屬於北呂宋火山島弧的一部分，是古南海板塊向東南隱沒到菲律賓海板塊之下，引發了島弧岩漿活動所形成。科學家推測火山活動約在 350 萬年前發生於深海環境，原始露頭已 被後來的火山活動產生的噴發物覆蓋，分布範圍已無法得知。
目前看到的最早的露頭是島南端的大森山，約發生於 330 萬年前。火山噴發活動持續到 100 萬年前，蘭嶼脫離了隱沒 帶之後，即開始迅速地向西北擠壓、抬升，又受到 50 萬年前到 1 萬年前四次大冰期海升、海降的影響，蘭嶼被反覆的侵蝕、風化、崩移、堆積，形成沉積性的地層，分布於現今的海 階和沿海平原上。 約 10 萬年前到現在，蘭嶼以每年 8.2 公分的速率向西北朝台灣靠近。 |
深入地底脈動–臺灣火山實探 | 臺灣地處歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊碰撞帶，因著地理位置的特殊，一舉造就了許多另人驚嘆的地質景觀。位於東北部海岸的龜山島，不僅是著名的觀光景點，更根據經濟部中央地 質調查所，以沉積岩年代分析、地熱溫泉現象及火山氣體的氦同位素分析等三種方法檢測，認定它是臺灣地區最年輕的火山島。此外，近年來，學者幾次運用「熱螢光」的原理和技術 , 對龜山島火山岩中的沉積岩進行年代分析，結果顯示，龜山島在過去一萬年以內有噴發記錄；加上龜山島海域四周仍有地熱溫泉現象，氦同位素分析也具有岩漿活動的徵兆，龜山島合 乎目前國際火山學會對「活火山」的定義。為了防範火山活動，可能對臺灣陸地及北部海岸造成的危害與影響，近年來，科學家們持續進行了多項的監測計畫，這其中不僅透過海域的精密地形偵測，發現了沖繩海槽中，為數眾 多的海底火山，更括及了精細陸域地形的重建、區域內地震與地熱活動的記錄、噴發氣體與火成岩的採集與分析。藉由本集節目的製作，將引領觀眾參與多面項的火山科學研究，並期 盼能對臺灣的地理環境，有更進一步的認識與了解。國科會「臺灣科普傳播事業催生計畫 — 媒體製作」補助慈濟大愛電視臺製作，2007 年 12 月 22 日首播本系列節目每週六晚 09:00 ~ 10:00 於大愛電視臺 (CH09) 播出部分已播畢內容可在本園及《發現》節目 YouTube 頻道重溫 |
環境科學(二):阿里山發展觀光 崩塌問題難解 | 新聞報導
交通部公路總局日前宣佈，受莫拉克颱風重創的臺 21 線新中橫公路南投信義至阿里山塔塔加段，已經修復完工；配合臺 18 線阿里山公路復建，可望提升交通品質、促進阿里山地區觀光產業發展。但環保團體及學者擔憂，繼續發展觀光，恐將為阿里山帶來更多災害。
中央大學應用地質系在 1996 年調查報告指出，新中橫沿線依地形特性大致可區分為兩段，其中從水里到神木附近沿著河岸走，公路直接受河流沖蝕，經常發生路基流失的現象，而邊坡不穩定所造成的滑動，土石方也經常直接滑到河道中。報告中坦言，新中橫的興建不但造成沿線邊坡及景觀上的破壞，棄土方更引致土石流。雖然這些新中橫開闢後的不良影響，經過工程補強使大部分邊坡一度趨向穩定，但 1999 年 921 震災後，中部地質劇變，對阿里山造成更巨大衝擊。
臺大地質系教授陳文山指出，阿里山在 921 地震後，陳有蘭溪集水區的崩塌率約為 3.7%,2004 年敏督利颱風來襲，崩塌暴增到 9%。由此可見，颱風和地震對阿里山持續帶來衝擊。後來的莫拉克颱風中，二萬坪車站果然崩塌劇烈、導致阿里山森鐵的地基幾乎掏空。
莫拉克災後，政府召開重建會議，臺灣大學土木系名譽教授洪如江多次疾呼:「山上開路最危險！只要山上開路，會比自然坍方多上 100 倍！」前交通部政務次長賀陳旦也呼籲，「新中橫不該修建」。但為了觀光需求，新中橫依舊貫通。
臺南社區大學理事長黃煥彰痛心表示，阿里山地質危險且脆弱，先有日本人砍伐檜木、後有山葵農墾殖，現在觀光上山之後，更是摧枯拉朽。他以阿里山森鐵的二萬坪車站為例，「林務局自己的探勘報告也指出，鑽探深達 5 公尺都還看不到岩盤！」
森林學者陳玉峰指出，1912 年森鐵開通之後，二萬坪就開始崩塌，「一直到 1941 年間，平均 1 年崩塌 33 公分。」1941 年之後，日本人在那裡打了兩口井。只要水到一個程度就趕快抽掉，二萬坪進入穩定時期。現在救國團活動中心後方的凹陷地，也有滯洪功能。然而目前抽水工作不但荒廢，有滯洪功能的凹地還變成遊客的停車場。
每年櫻花季阿里山遊客都破萬，為了觀光，交通單位至少花費 2,700 萬重建聯外道路，但投入的修復工程遲滯不前。臺南社大研究員吳仁邦指出，為了克服崩塌，工程單位造橋已跳過崩塌面，「但橋墩兩端還是要打地樁，打到 40 米深度，因為這個地方都是破碎帶，還打不到岩盤。」吳仁邦估計，未來不需要有莫拉克一樣的豪雨，這些崩塌就會再次釀災。2009 年，崩解的阿里山在二萬坪製造了 130 公頃、130 萬立方米的土石。這些土石沿著坡向流向阿里山溪，再往下衝擊 5 公里遠的來吉部落，讓部落幾乎滅村。目前嘉義市政府還希望開發阿里山纜車，讓來吉部落的住民相當擔憂。
雖然內政部在莫拉克災後表示要力推「國土復育條例」, 但迄今毫無下落。來吉村長陳有福擔憂，政府再不重新檢討整體觀光政策，阿里山將沒有未來。陳玉峰建議政府重新擬定阿里山以及嘉義地區廣大山坡地的保育政策，「否則山體全面潰堤，肉 (山林) 都爛掉了，皮 (觀光) 要附在哪裡？」
新聞中的環境科學知識
臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊交界，平均抬升速率為每年 5 到 7 毫米；而且年平均降雨量高達 2,500 毫米，大部分是颱風夾帶來的高強度降雨，這兩個因素導致臺灣山崩的年平均侵蝕率約 3 到 6 毫米。根據統計，20 世紀全世界 37 個最大的山崩事件 (體積介於 20~2,000×106 立方公尺), 臺灣就囊括了 5 件。2009 年莫拉克颱風造成約 274 平方公里的山崩，其中深層崩塌就有 22 處，以小林村崩塌最受矚目，面積達 248 公頃。
除了颱風、地震、人為因素，邊坡的穩定性 (包括層面、結理系統、摺皺、斷層等) 也與地質結構有直接或間接關係。中央大學應用地質所的黃筱婷等人研究阿里山公路，發現引發大型山崩的地質構造有 4 類：(1) 熨斗狀地形受層面與節理控制之岩楔破壞；(2) 褶皺軸部通過、地層破碎而重複發生之岩屑崩移；(3) 緊密褶皺、層面呈曲面狀而滑動規模受限之非典型順向坡滑動；(4) 向斜與背斜構造間受褶皺軸傾沒方向與傾角控制之平面型滑動。因此，未來政府在開發公路前，除了調查地形之外，也必須評估地質結構。(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 |
生成式 AI 正如何在全球各醫療場域,提升醫護工作效率與照護品質? | 生成式 AI 正在加速醫療照護產業的智慧轉型，大型語言模型能將包括病歷、診斷圖表和醫療影像等大量的醫療資料和數據快速轉換為結構化文件，改變了傳統耗時的人工記錄模式，醫護人員能快速且精確地存取重要資訊，進行診斷決策，使患者獲得更精準全面的照護。究竟生成式 AI 正如何為全球醫療產業帶來新的效益與應用可能？以今 (2023) 年四月在美國芝加哥舉辦的一場全球健康大會為例，數萬名與會者觀看了一項生成式 AI 技術展示：該技術利用 GPT-4 模擬醫護人員如何使用新平台，將患者與醫護人員的互動在幾秒鐘內即時轉化為臨床筆記，並自動辨識遺漏之處、提醒醫護人員修正。看診結束後，醫護人員能夠透過電腦審核 AI 生成筆記，再運用語音輸入或打字進行編輯，最後將內文提交至患者的電子健康記錄 (EHR, electronic health record)。生成式 AI 正在提升醫療工作效能在醫療院所的營運管理與臨床照護層面上，生成式 AI 技術進展飛快，例如 Google 最新發布的醫療聊天機器人技術「Med-PaLM 2」, 是一款由醫學研究團隊訓練出來的大型語言模型，能理解並分析各種複雜醫學內容，再從中歸納出重點、應對相關問題；也有美國醫療保健機構正著手優化臨床溝通與工作流程，運用 AI 與雲端技術打造能從醫病對話中提取醫療資訊、整理筆記的自動化解決方案，協助醫護人員降低行政負擔，保留更多心力給臨床照護工作。為了加快醫療智慧轉型的腳步，美國加州大學戴維斯分校、波士頓兒童醫院、柯林頓健康倡議組織等 30 多個合作夥伴，更共同推出 AI 醫療平台「 VALID AI」, 希望能為公私部門、各種規模的醫療系統搭建協作與溝通橋樑，並提出願景、結盟、學習、實現、傳播等五大核心價值，期待擬定具有凝聚力的策略和共同願景，並協助參與的成員組織在發展生成式 AI 的過程中遵守規範。此外，VALID AI 不僅會定期彙整世界各地的 AI 應用實例，再透過會議、簡報的方式與所有參與組織一同分享及學習；也會協助成員整合、驗證和實現生成式 AI 在醫療場域的落地應用，並藉由出版白皮書、期刊文章和專欄，持續推廣 AI 帶來的突破。至於在研發新藥的面向上，根據 The Economic Times 報導，數間世界製藥大廠正利用大型語言模型創造新的蛋白質結構，實際的研發成果之一包括將確認治療特發性肺纖維化 (IPF, idiopathic pulmonary fibrosis) 的候選藥物時間，從數年縮短至 21 天。國際研究暨資訊科技諮詢機構 Gartner 分析指出，到了 2025 年預計將會有超過 30% 的新藥品由生成式 AI 進行系統性研發，大幅降低研發成本。生成式 AI 應用在醫療領域的重要前提導入生成式 AI 技術固然能推動醫療產業進步，但前提是必須預先布局營運管理與人才招募等層面。特別是新人培育與員工再培訓部分，如何培養醫護人員使用 AI 平台的能力，並評估電腦提供的推薦做法，為患者提供更精準、個人化及高效率的醫療照護，將是生成式 AI 時代醫療產業發展的關鍵。此外病患隱私與資安疑慮，也可能讓醫療產業人員在使用 AI 技術時有所保留，因此如何保護病人機敏資料、建立良好資安環境，也是生成式 AI 應用在醫療領域的重要前提。未來當生成式 AI 技術更加成熟，也可能進一步與其他新興科技結合，譬如虛擬 / 擴增實境或其他形式的人工智慧，共同推動醫療產業邁向更高效且兼具醫療品質的新階段。 |
飛向太空 | 國家太空計畫室成立已經十周年了。猶記得十年前，我國從無到有、篳路藍縷地把太空計畫在臺灣建立起來。過去十年，我們辛苦耕耘的結果總算沒有白費，我們已有一些傲人的成果可以呈現在國人面前。
就在四年多以前，我國自立發展的科學衛星–中華衛星一號 (簡稱華衛一號) 裝載著由國內各大學推薦發展的三項科學儀器，在國人的期盼之下順利升空。四年來，華衛一號不負眾望地持續運轉，從三項科學儀器所收集到的衛星資料傳回地球後，造就了多項輝煌的科學研究成果。
配合華衛一號的發展，太空計畫室也建置了衛星整測廠房及衛星地面設施等硬體設備。華衛一號就是從我們全新建置的衛星整測廠房裡誕生的，升空後又由我們新建置的地面設施，包括衛星任務操作中心及在中壢及臺南的兩個地面站，負責軌道操作及衛星資料收集的工作。這些硬體設備在不斷地增新及擴充之下，將進行後續中華系列衛星的組裝測試及衛星任務操作等工作。
我國首期的十五年太空計畫包括三項衛星計畫，除了已完成四年科學任務仍持續運轉的華衛一號外，正在進行中的尚有華衛二號和華衛三號計畫。另外，在原規畫之外的還有「蕃薯號衛星計畫」, 已於二○○二年年初由國人一手完成衛星的製造和測試。未來華衛二號、三號及蕃薯號衛星的升空，將更加提升我國衛星科技的能量，並帶動國內太空科學廣泛的研究興趣。
中華衛星一號–飛向太空的里程碑
華衛一號科學衛星，於一九九九年一月二十七日，載著國人的夢想飛向太空，是臺灣航太科技進駐太空的里程碑。華衛一號有五項衛星本體元件及一項通訊實驗酬載元件是在臺灣製造的，這些元件都是衛星中具有特殊功能的組裝件。經由這些衛星元件的研發，使臺灣也能建立起自己的太空工業基礎。
華衛一號是距離地球表面六百公里的低軌道衛星，上面載有三項科學儀器 (或稱科學酬載，Science Payload), 分別是觀察海面生態環境的「海洋水色照相儀」、進行高空地球物理實驗的「電離層電漿電動效應儀」, 及測試高頻率 Ka 頻段 (一萬八千兆赫到四萬兆赫) 通訊性能的「通訊實驗酬載」。
四年以來，華衛一號順利地運轉，由臺灣各大學研究人員所組成的三個科學團隊，對於衛星所測得的各項科學資料都進行了詳盡的科學研究，已有超過 190 篇的論文在國內外各種科學期刊及學術專刊發表，深受國際重視。
截至二○○二年十二月底止，設在國立臺灣海洋大學的海洋水色照相儀科學團隊，已製成了超過五千張的海洋水色影像，應用於海洋學的研究。海洋水色照相儀並在二○○一年五月及二○○二年三月，從黃海地區拍攝到由戈壁大沙漠及華北黃土高原吹襲而來的大陸「沙塵暴」。沙塵暴是每年三月到五月在大陸發生的夾帶著浮塵、沙礫，使水平能見度降低到一至十公里以下的狂風。海洋水色照相儀成功地捕捉到大陸沙塵暴擴散到黃海的現象，同時提供了臺灣地區空氣品質與環境污染的預警功能，也增加了海洋水色照相儀的另一項用途。
由中央大學研究人員組成的電離層電漿電動效應儀科學團隊，除了利用在衛星上所測得的電離層資料，分析了電離層在赤道區的異常現象外，更進一步觀測到由太陽磁暴影響所造成的電離層內密度極低的「離子洞」。離子洞的存在會造成對該區域衛星電訊信號的干擾，嚴重影響地面的收視效率。
在二○○○年七月十四日的巨大太陽磁暴事件發生後，大量的太陽表層物質以極高速被拋射出來形成「太陽風」, 數日後太陽風抵達地球時即造成地球電離層密度不正常分布的現象。科學團隊分析觀測資料後，成功地發現位於巴西上空僅有外圍密度百分之二的低密度離子洞，創下了首次利用人造衛星觀測到離子洞空間結構的新紀錄。
由成功大學及清華大學組成的兩個通訊實驗科學團隊，利用固定式及移動式地面站，進行了地面站與衛星間以 Ka 頻段傳送及接收數位電視訊號、影像、及語音等測試。另外，由於 Ka 頻段衛星訊號會因下雨而減弱或扭曲，中央大學科學團隊也進行了 Ka 頻段訊號雨衰減的量測，這些資料都已經引起通訊業界廣泛的興趣。
華衛一號達成四年既定的科學任務之後，仍在順利運轉，證明華衛一號包括國產元件的設計和製作都在水準以上。華衛一號目前健康情況良好，預期還能再運轉 2 ~ 3 年。未來的計畫可能利用華衛一號進行一些不同的科學實驗，那將是華衛一號額外的豐收，我們拭目以待。
中華衛星二號–巨眼的二郎神
「西遊記」中的二郎神楊戩是唯一能戰勝齊天大聖孫悟空的天神，二郎神的特徵就是在兩眼中間另有一隻千里眼巨眼，由天庭就能看到地面的一切。目前正在新竹太空計畫室整合測試廠房進行測試的華衛二號，裝置有可觀測到地面兩米大小物件的遙測鏡頭，正是有這個能耐的高解析度遙測衛星。
華衛二號預定的軌道高度離地面 891 公里，仍屬低軌道衛星，每日將經過臺灣兩次，分別於早上十點及晚上十點。華衛二號除了每天早上進行臺灣本島及附近海域的遙測任務外，也兼具在晚上觀測高層大氣閃電的科學功能。華衛二號裝置全世界第一套科學儀器，進行觀測近年來才發現的高層大氣閃電現象。
華衛二號的主要任務是擷取臺灣陸地及附近海域即時的衛星影像資料，以做為土地利用、農林規劃、環境監控、災害評估、科學研究、及科學教育等相關的民生與科學用途。
隨著未來幾年商業遙測衛星數目的增加，預期衛星遙測的相關應用工業將在國內蓬勃發展。臺灣現正面臨經濟快速成長所衍生的土地利用變遷，和夏季颱風所造成的天然災害等問題。每當天然災害發生後，衛星遙測資料的適時性就非常重要。當我們有了自己的遙測衛星，就可以對經常發生於臺灣的天然災害做事先的預防，以及第一時間的應變和處理，使災害的損失減至最低。
華衛二號的科學任務是搭載一個具有先進技術的攝影儀，專門捕捉所謂「紅色精靈」的高層大氣閃電現象。一般由地面所見的白色閃電，都是帶電雲團向下放電的結果，而紅色精靈卻是帶電雲團從高層大氣向上釋放紅色閃電的奇特現象。華衛二號的紅色精靈科學實驗，將使臺灣在這項研究上居於世界領先的地位。
為了準備華衛二號的科學任務，科學團隊先在地面上進行了紅色精靈的觀測。在二○○一年六月，成功大學科學團隊成功地從物理系館樓頂拍攝到在西太平洋上空由海上雷雨系統所產生的紅色精靈 (距離約 200 公里), 這是第一次從城市中所拍攝到的紅色精靈影像。
成大科學團隊於二○○二年七月二十二日夜間，由墾丁地區往 500 公 里外呂宋海域上方觀測時，發現另一奇特的閃電現象。這是一種屬於藍光波段的閃電，於一九九四年首度發現後即命名為「藍色噴流」。藍色噴流和紅色精靈同樣是雲頂與電離層間的放電現象，但二者的光譜明顯不同；一為藍光而另一為紅光，且藍色噴流持續發光的時間是紅色精靈的 20 倍。另外，藍色噴流是從雲層向高空噴出，最高的發光部分約在 70 公里高的電離層，而且在上半部的發光體逐漸轉暗時，下半部的噴流持續上升到約 50 公里高處才慢慢消失，這與紅色精靈僅在高空發光但沒有噴射的現象完全不同。
華衛二號衛星本體的結構體係在國內製造，已於二○○二年年初完成測試及驗收。由華衛一號到華衛二號的發展過程，太空計畫室累積了甚多設計經驗；尤其是結構次系統的衛星結構體，我們已經做到從設計、分析到製造、測試的一貫作業，都由國人自力完成。
目前華衛二號衛星本體和遙測儀器及紅色精靈攝影儀已完成整合工作。整合後的華衛二號將於二○○三年中進行一連串包括性能及太空環境的嚴格測試，然後於二○○三年年底前發射升空。
中華衛星三號–太空中的天門陣
中華衛星三號計畫係中美合作的微衛星計畫，華衛三號是由六顆 70 公斤微衛星級衛星所組成的 700 ~ 800 公里低軌道星系。此星系將建立環繞地球的全球氣象量測網，正像在太空中布下的「天門陣」, 如天羅地網般地嚴密監控全球天氣的變遷，以進行準確的全球氣象預報。
華衛三號以六顆微衛星組成的星系涵蓋全球，其主要任務是進行全球氣象預報、氣象變遷研究及電離層動態監測。星系的六顆微衛星將跨越大幅度的陸地和海洋面積，合計可提供每日 3,000 個觀測點的大氣及電離層特性資料；而目前現有的地面探測站僅能提供每日 900 組的大氣資料。相較之下，華衛三號的微衛星星系可以每三小時提供一次即時氣象資料，且能同時涵蓋陸地及海洋區域；所獲得的氣象資料將遠優於目前以施放探空氣球為主的地面氣象探測。國際著名科學期刊《自然》(Nature) 於二○○一年五月亦曾顯著報導華衛三號的重要性，廣獲國際科學界的注目。
華衛一號、二號都屬於 100 ~ 1,000 公斤級的中小型衛星，而華衛三號屬微衛星級，每顆衛星僅重 70 公斤，約為華衛一號的六分之一及華衛二號的十分之一。未來的衛星發展趨勢是朝體積小、造價低的方向進行，所以華衛三號及其後續發展的微衛星是符合世界潮流的。
華衛三號圓餅狀的設計，是為了六顆微衛星可以折疊成圓柱狀，同時置於發射火箭頂端的酬載艙內。於是，一次發射任務即可將六顆微衛星帶到預定釋放的高度，再陸續將每顆微衛星釋放並置於不同的軌道面。每顆微衛星於釋放後，再由地面的操作中心控制，逐漸提升到預定的高度。微衛星星系的軌道布置要求所有微衛星有效地涵蓋整個地球表面，屬於高難度的技術；太空計畫室於華衛三號升空之後的後續操作中，將能夠學習到並掌握這項技術。
華衛三號已於二○○二年春季開工設計，將有十四項衛星元件在國內製造，遠超過華衛一號和二號的國產元件數目。除了首顆微衛星的飛行體在合約商處組裝並測試外，其餘的五個飛行體都將於太空計畫室整測廠房中，由國內工程師自力完成組裝及測試。
華衛三號六顆微衛星的星系預定於二○○五年發射。華衛三號計畫的完成，我國將獲得寶貴的微衛星設計製造及星系部署經驗，各型衛星的組裝和測試經驗也將更趨成熟。十四項國產元件的完工，將使衛星相關科技更全面化，並開創國內太空工業發展的新紀元。
蕃薯號衛星–五臟俱全的小麻雀
「蕃薯號衛星」是由太空計畫室結合國內研究機構、大學及企業界共同參與研發的第一枚皮級衛星 (Pico-Sat.)。蕃薯號的體積跟一顆蕃薯差不了多少，是你可以放在手掌上，一手掌握的袖珍衛星。但是，不要看它塊頭小，小得像個玩具，它可是五臟俱全的小麻雀。大型衛星上使用的一些維持衛星功能的重要元件，以及和地面站聯絡用的類似人體感官的各種感應器，蕃薯號可是一樣也不缺，只是性能比較單純，體積比較迷你而已。
蕃薯號衛星是每邊十公分的正立方體衛星，重量僅 857 公克，任務壽命為一個月，設計壽命為兩個月，軌道高度為 600 ~ 650 公里。衛星的科學儀器為應用微機電技術發展的微光譜儀，此儀器可以量測大氣層對太陽可見光譜的散射量，以進行大氣成分分析的實驗。
蕃薯號衛星的設計、分析、製造、組裝、測試及操作，皆由太空計畫室主導完成。蕃薯號衛星的製作，提供了多項國產元件太空驗證的機會，例如太陽能晶片、電池、電磁線圈、微控制器、記憶體晶片、機械結構及微光譜儀等，都是由國內廠家及研究機構提供。最後，組裝完成的蕃薯號衛星在太空計畫室的整測廠房進行了極嚴格的動力及熱真空測試，以保證衛星各次系統的製作技術及性能都合乎太空級的品保要求。
蕃薯號衛星計畫開始於二○○一年四月，已於二○○二年三月完成組裝及測試的工作，預計於二○○三年和其他美、日等國設計的皮級衛星共同搭載俄國火箭發射升空。
蕃薯號衛星計畫的運作已給國內科研界帶來極大的衝擊，繼續蕃薯號衛星的研製，國內已有成功大學和中央大學，都將在太空計畫室的協助下發展他們自己的皮級衛星。在可預見的未來，我們會看到衛星基礎科技在臺灣的蓬勃發展。衛星基礎科技在島內的深植，將有助於我國太空計畫進一步達到百分之百自主發展的目標。
衛星整合測試廠房–中華系列衛星的搖籃
位於新竹科學園區內的太空計畫室「衛星整合測試廠房」, 是中華系列衛星的搖籃。目前遨遊天際的華衛一號就是從這裡誕生和成長，最後在這裡完成發射前的測試準備工作。
這裡的衛星整合測試廠房是國內唯一符合衛星整測標準的廠房，於一九九七年開始運轉並正式啟用，順利完成了華衛一號本體及酬載的整合與測試。未來的華衛二號及三號，都將在這裡完成衛星相關的整合與測試工作。
衛星整合測試廠房是一棟兩層樓的建築，從二樓內部的巨型展示窗，即可看到廠房中央兩層樓高的挑高區，衛星本體的組裝、酬載儀器的整合及整個衛星的測試都在這裡進行。為了防止衛星在測試時被污染，挑高區具有極高潔淨度，內部可說是一塵不染，工作人員要經過嚴格的清潔處理並穿著防塵衣帽才能進入挑高區內。
挑高區的右端是動力測試區，裡面裝置了質量特性測試、音震艙與振動平臺等機械類測試設備。中央是熱真空測試區，裝置有可測試整個衛星的大型熱真空艙，及可測試衛星元件的小熱真空艙，本區也裝置有電磁干擾與相容測試設備。挑高區的左端是衛星組裝整合區，內有潔淨度為一般挑高區十倍的特高潔淨度帳篷，華衛二號各元件及酬載儀器的組裝，即視潔淨度的需要，分別在這些帳篷內進行。
衛星五項主要測試中最重要的就是「熱真空測試」, 熱真空艙內的測試環境模擬了太空中幾乎沒有空氣的真空狀態。艙內設置有液態氮的冷壁及加熱器，二者混合使用即可模擬衛星在向陽與背陽狀態下不同溫度的太空環境。
衛星組裝與整合測試為太空計畫室發展自主能力的關鍵技術，其目的為保證中華系列衛星在飛行中都具有最高的可靠度。華衛一號系統整合測試的成功，驗證了太空計畫室整測團隊已具有獨立進行小型衛星整合測試的能力。華衛二號和三號計畫的執行，太空計畫室將負責自元件程序起的組裝整合，以及進行各項完整的環境與功能測試。預期華衛二號和三號相繼升空後，太空計畫室除了具有衛星整合測試的自主能力外，並具有承接國內外小、微衛星整合測試的能量。
衛星地面任務操作–星際飛行鏡頭的重現
如果你去過「迪士尼樂園」的太空飛行區，你就能看到星際飛行操控室的實體模型。位於新竹太空計畫室十樓的衛星任務操作中心，正是星際飛行操控室的重現。你可以想像各型星際飛行器正在太空中盤旋飛舞，而這裡正是星際飛行器的控制中心。
當初是為了華衛一號的地面操作而設立了衛星任務操作中心，操作團隊是由太空計畫室及四家國內廠商人員組成。經過四年來華衛一號的實際操作，團隊人員已獲得廣泛的衛星操作及維護經驗，這些經驗將有助於未來華衛二號及三號的地面操作。
太空計畫室有兩個分別位於臺南與中壢的地面站，做為與衛星上傳和下傳通訊之用。華衛一號每天六次將所蒐集的資料傳送給地面站，再彙集到新竹的任務操作中心。如在緊急狀況下，位於印度邦加羅爾與非洲模里西斯的兩個海外地面站會對臺灣的地面站予以支援。
為符合華衛二號與三號的任務需求，太空計畫室已著手將任務操作中心升級為「多重任務中心」, 並增設及加強地面接收系統，以便能同時操作數個衛星。在太空計畫室財團法人化之後，多重任務中心及具有四年以上實作經驗的衛星操作團隊，將是我們積極爭取國際合作及步入商業服務市場的利器。
國產衛星元件–臺灣的驕傲
中華衛星計畫是我國長期性發展的太空計畫，從華衛一號計畫開始，太空計畫室即決定由國內廠商發展主要衛星元件，以建立我國太空工業基礎。
由於我國過去並無太空科技基礎，中華系列衛星的華衛一號、二號和三號的計畫，都是委託國外廠商製造衛星本體及酬載儀器。但對於每個衛星計畫，我國都政策性地選擇部分屬於我國強項的衛星元件在臺灣製造，我們稱之為「國產元件」。這些國產元件的發展，使臺灣能夠實質地從零到有建立起我們自己的太空工業，這才是臺灣的驕傲。
國產元件的研發也提供了國內廠商進入太空工業的契機，及提升技術能力與品保水準達到太空規格。藉由製造太空級元件技術的衍生效益，更使太空科技能夠廣泛地應用於一般商用產品。
目前，華衛一號的成功運作已圓滿達成國產元件預期的首段目標。華衛二號及三號計畫的國產元件項目已較華衛一號增加，後續的中華衛星計畫將持續貫徹國產元件政策，逐漸提升我國衛星本體、酬載儀器及元件的自行研發和製造能力，而以具備承接國內外衛星計畫的實力為最終目標。
華衛一號有五項元件由四家國內廠商負責開發，五項國產元件皆發展成功，獲得主合約商的認證並實際應用於華衛一號。四年以來，華衛一號仍持續運轉，此五項國產元件皆表現出優異的太空飛行性能。
華衛二號有六項國產元件，由六家國內廠商負責開發與研製，均已通過主合約商之驗收並安裝於衛星本體之內。其中華衛二號主結構體係由太空計畫室設計 / 分析，漢翔及臺翔公司合作製造。
華衛三號係由太空計畫室和美國大學大氣研究聯盟合作開發。做為臺美合作計畫的一部分，五家以上的臺灣廠商將於技術轉移安排下，負責十四項中華衛星三號本體元件的研製。
目前各國產元件參與廠商皆已建立製造太空規格的相關國產元件能力。在國產元件的研發過程中，已從國外廠商學習到各項元件的特殊設計、製造、組裝、測試等技術，同時也學習到太空級的計畫管理、品質保證、物料採購及製程規範等專業技術知識。因此，各國產元件廠商均能圓滿達成自國外先進衛星廠商技術轉移國內的任務。另外，各廠商的對外形象也因國產元件的發展而大幅提升，奠定日後進軍國際市場的基礎。
太空科技的未來
我國太空科技的未來發展有兩個目標:
建立獨立自主的衛星科技：以太空計畫室為核心，整合產業界、學術界、研究機構等太空科技團隊，發展國內自主設計製造的衛星。太空計畫室將維持核心技術團隊，並逐漸將技術能力轉移至相關的民間產業，以擴展計畫成效，並以發展獨立自主的衛星科技為目標。
成為世界太空科技的重要成員：歷經十年的發展，我國太空科技的自主能力已獲致成效。未來的衛星計畫，將以提供政府相關單位即時的衛星資料，並使我國由衛星資料使用國升級為衛星資料輸出國為目標。產業界則經由衛星元件國產化的落實，擴大參與，並以國際合作等方式爭取商機，促成國內太空產業的建立。學術界則經由實際參與國際尖端科學研究計畫，提升我國太空科學研究達世界一流的水準。 在十年來的努力下，太空計畫室已成為世界太空領域重要的成員之一。 |
森林事知多少:森林經營的利器–遙測技術 | 遙感探測 (簡稱遙測) 是利用可見光與看不見的電磁波，間隔相當距離從事量測；廣義的遙測技術應泛指不接觸實體進行量測所衍生的技術。一個遙測系統中至少應包含載體、感測器及處理系統等三大部分。舉例來說，當你遠遠地看見一個帥哥或美女走過來時，如何判斷來人是帥或美，其所依靠的就是遙測技術。亦即當感測器 (眼睛) 接受到來人的影像時，立即將影像反映至大腦 (處理系統) 記憶區，經快速比對後，即可得出帥或美、高或低等判斷，而眼睛靠身體 (載體) 的移動，可以到適當的地點去做觀察，這一切運作就是我們所謂的遙測技術。
遙測技術的概念
在臺灣，因為航空測量 (簡稱航測) 技術發展較早，當衛星遙測技術引進時，為有別於航測技術，一般即以「遙測」稱之，造成「遙測」技術幾乎可與衛星遙測技術劃上等號。但對資源分析者而言，所謂的遙測技術應包含航測、衛星遙測及其他遙測方法，而非單指衛星遙測的部分。本文所討論的遙測技術，即包括航測、衛星遙測及其他遙測方法。
一個遙感探測系統中至少應包含載體、感測器及處理系統等三大部分。載體為承載感測器及處理系統的載具，如飛機或衛星等。感測器是最為重要的部分，亦即利用不同感測器感應不同範圍的光譜並加以記錄。因感測及記錄方式的不同，而有類比式或數位式的分別。至於處理系統則可分為記錄處理系統、傳輸處理系統及事後處理系統，這些處理系統主要是為了將感測器所感應的訊號保存記錄下來。
如前文所說，「人」就是一個最好的「遙測系統」實例，人的身體是「載體」, 眼睛是「感測器」, 腦可算是「處理系統」。每當人走到不同的地方，眼睛看到不同的事物，便交給大腦去處理分析，到底看到什麼東西。所以從載體的不同來區別航測或衛星遙測，應是最容易的方法。
遙測技術的回顧
遙測技術應用的歷史可追溯至民國四十年代。早期在遙測技術的推廣上，因無專責機構，主要仰賴於臺灣省農林廳林務局轄下的農林航空測量所。直到一九七二年美國發射第一枚地球資源衛星，正式啟開資源衛星探測的新頁，也讓人們首次能從太空進行全球資源探測工作。
利用衛星來探測地球資源，不但開拓了人們的視野，更重要的是任何人均可選購資源衛星資料，從事資源探測的研究，促使興起一股地球資源研究熱潮。我國有鑑於發展遙測技術的重要性乃於民國七十三年在農業委員會下成立「遙測小組」, 專責推動遙感探測技術。歷經二十餘年的努力，不論在航測或衛星遙測方面均能日益成長、茁壯，且有相當不錯的成果。
在臺灣最早大規模應用航測技術，要算民國四十三年至四十五年間的第一次全省森林資源及土地利用調查。四十餘年來航測技術已廣泛應用在各方面，不論是資源調查、災害調查、臺灣地區基本圖與主題圖系統的建立，以及臺灣地區數值地形資料的錄製，均有顯著的成績，尤以最後者更是一個值得一提的成功案例。
農林航空測量所利用以往航測技術製作的基本圖資料，建構了臺灣地區的數值地形資料，可作為地理資料系統中的地形建檔基本資料。民國七十六年至七十八年間，量測錄存數值已達四千六百幅。此項資料出版後，廣受很多機關的歡迎與購用。自民國七十八年至八十一年初已有百餘個單位申請拷貝相關資料，且申請數量常達數千張。此一成果可算是資料流通與分享的成功個案。
我國遙測技術的應用，始於民國七十三年農業委員會成立「遙測小組」。至八十三年止，在遙測技術研究方面共有研究計畫成果三百餘項，其中大部分是自然資源的研究。
另外國科會國家太空實驗室於民國八十年二月起，委託中央大學太空及遙測研究中心執行為期三年的「設置資源衛星接收站」計畫。且於民國八十二年底，資源衛星接收站正式對外運轉使用，為衛星遙測技術的應用立下一個新的里程碑。資源衛星接收站的設立，對於日後資源衛星資料的獲得，提供了更便捷的服務。
在衛星遙測實際應用方面，經農委會水土保持局多年來的推動，衛星影像在山坡地違規開發的取締工作上的應用已達成熟階段，目前已推廣至縣市政府執行。
遙測技術的應用
遙測技術應用的項目相當繁雜，以下以林火跡地方面的應用加以說明。二○○一年二月十一日上午十時三十分國有林大甲溪事業區第二十三林班與民間果園接壤地發現森林起火，雖然隨即由林務局東勢林區梨山工作站進行動員滅火。但因氣象、地形及燃料因素的影響，火勢蔓延並擴大，無法及時控制。二月十二日這場被命名為「梨山林火」的事件成為媒體焦點，火場周邊聚集各種媒體並即時報導。直到二月十三日下午火場始獲得控制，並隨即在晚間十時宣布撲滅。總計在短短三天當中動員林務局、雪霸國家公園、警消、國軍等 394 人直接進入火場，其餘周邊支援人力也高達數百人。
「梨山林火」之所以被全國注目，除因林火擴展實況被媒體詳加報導外，也因位於雪霸國家公園範圍內，及與櫻花鉤吻鮭保護區接鄰，因而認為可能造成重大生態災害。依火後航照圖估測受波及面積約為 260 公頃，被燒的森林幾乎全為臺灣二葉松造林地，又根據林務局所擬復育計畫，該地區未來兩年復育工作須花費三千三百萬元。
一如往常，對於如此大面積的林火跡地，林務局都會派出航照飛機對火燒範圍，利用彩色紅外光底片進行攝影與判釋，區分出不同受害等級。此一方法常見的缺點包括判釋結果常因個人因素而有所出入，及在範圍的圈定上也會因目視轉繪而發生誤差。上述缺憾，現在已可利用中央大學太空及遙測中心地面接收站所接收的法國 SPOT 衛星影像資訊作為媒介，而有效地區分出受害的不同等級。
新的作業方式係利用衛星影像中紅光與近紅外光的反射資訊，所衍生計算的常態化植生指數減少的程度作為分區的依據。常態化植生指數是將兩期影像的近紅外光與紅光相減再除以二者之和，常態化植生指數愈大，表示植生量愈多。
對於正常的綠色植生而言，因吸收紅光進行光合作用，造成紅光反射量少，相對的植生因大量反射紅外光，所以其常態化植生指數偏高，在衛星影像圖中，呈現紅色區域。至於林火跡地則因地上植生已被破壞殆盡，因此在衛星影像上呈現一片黑色，常態化植生指數圖上也顯示出一片黑色區域，經比對後其區域確實能反映出林火跡地的範圍。
除了林火跡地範圍的偵測外，遙測技術在森林經營方面仍有許多應用。例如森林的分布、森林健康的偵測、森林生物量的估算等，均需仰賴遙測技術的協助。
森林資源經營者對於遙測技術的應用，寄予相當厚望，希望它能早日落實於森林資源的經營管理。雖然現有的遙測技術並不足以完全滿足這樣的需求，但已有許多應用實例，且其成效良好。可惜至今尚有許多森林資源方面的問題還是無法解決。所以在思考如何善用遙測技術之前，應先了解遙測技術的特性與限制，再選用適當的方法以發揮其力量，這才是有志者應該共同努力的方向。 |
遙測大地:一覽無遺–衛星遙測影像 | 什麼是衛星遙測影像？顧名思義，就是從人造衛星上偵測地球所記錄下來的影像。根據不同的需求，可以在衛星上裝置各種特殊功能的遙測感應器，來探測地球表面、大氣層、海洋等不同物質並取得各類資料。
相較於飛機等取得的低空遙測影像，衛星遙測影像的優點包括感應涵蓋整個地球表面、位置控制非常精準等。由於遙測感應器距離地球表面較遠，一般來說，其影像的解析度不如飛機遙測影像。然而近年來感應技術日新月異，目前新一代的研究及商業衛星影像的地面解析度可達 2~5 公尺，已經非常接近一般飛機遙測影像的 1~3 公尺解析度；至於國防用的機密衛星影像的解析度，就更不只如此了。
衛星遙測影像是透過遙測感應器所得到的，為了偵測不同介質的性質及探測各種物理作用，感應器可同時接收物質在不同波段的反應。地面上常見的物質如植物、岩石、土壤、水、建物等，對不同波段的反射及吸收程度並不一樣，例如植被對於綠光波段的反應特別強，而水對紅外光及熱波段的反應則非常敏感。記錄這些不同波段的影像，可以提供不同的應用。
過去幾十年來，世界各國陸續發射了許多遙測衛星，用途甚為廣泛，包括國防、通訊、氣象、地面資訊等。與地球科學研究相關的衛星遙測影像也有不少，如美國的 Landsats、ASTER 及 GOES-9、歐洲的 ERS、法國的 SPOT、臺灣的福爾摩沙衛星等。本文選擇介紹目前最為廣泛使用的兩種衛星遙測影像，SPOT 及 ASTER。
SPOT 衛星遙測影像是由法國國家太空研究中心 (CNES)、瑞典與比利時合作研發的，從 1986 年發射 SPOT 1 衛星起，陸續在 1990、1993、1998、以及 2002 年各發射了 SPOT 2、SPOT 3、SPOT 4、以及 SPOT 5 衛星。目前有 3 顆 SPOT 衛星仍持續運作中。
SPOT 衛星軌道的主要特點有二：(一) 被偵測地區的地面時間與太陽時間同步 (上午十點半),(二) 偵測同一地點的周期是 26 天。SPOT 遙測感應器設有全波段及不同光譜多波段的光學接收儀器，另外在最新一代的 SPOT 5 中，更裝置了高解析度立體影像儀，可以立即獲得 120 × 600 公里範圍、地面解析度是 10 公尺的立體像對。
ASTER 衛星遙測影像的英文全名是 Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer, 它是裝置在 Terra 衛星上的一組遙測儀器。Terra 衛星在美國太空總署「地球觀測系統」計畫下，於 1999 年 12 月發射；除了 ASTER 儀器外，Terra 衛星上還有其他可偵測大氣、海洋等不同性質的裝置。
ASTER 遙測感應系統是由美國太空總署、日本經貿工業部、美國地球遙測資料分析中心所共同合作發展的，它主要的目的在獲取地球表面的溫度、輻射性、反射性、以及高度起伏的形貌等。ASTER 遙測儀器系統包括可偵測 3 個不同波段的 3 個感應儀，即可見及近紅外光、短波紅外光、以及熱紅外光。
衛星遙測影像在地球科學相關領域的應用很廣，例如岩石與礦產的辨識與探勘、土地利用與規畫、水文學、火山學等等。
衛星遙測影像可以展示大範圍區域的地形概況，藉以了解各種不同地形地貌，如山脈、平原、盆地、海岸線、城市、河流、道路等的分布狀況；更細緻的地形分布，如山勢的走向、河流的流向與幾何形貌等，也可以一覽無遺。而由於不同的地形型態與岩石的種類及地質組成之間有密切的關聯，因此藉由地形影像組織、光譜反應等進一步的影像分析，可以更了解區域內的地質概況。
此外，藉由天然或人為災害發生前、後衛星遙測影像的比對及分析，可以很快地把發生災變的位置，如山崩、土石流、火災等，在影像地圖上描繪出來。不僅即時掌握災害現況，也可提供精確的資料，分析災害發生的原因。
在水文學研究上，利用衛星遙測感應儀對水物理性質在不同波段的反應，可監測河水、湖水、海洋等的物理性質變化，及了解與水物理性質變化相關的自然現象，例如紅外光反映出水的清晰度或穿透度；熱波段反映水的表面溫度。 |
21世紀的千里眼–遙測科技 | 離地表約 800 公里的高空上，每天有許多遙測 (remote sensing) 衛星飛過，不斷地把訊息傳回地球。幾年前轟動一時的高爾夫球場越界開墾弊案，就是在遙測資料中發現的；臺灣海域遭受嚴重污染事件，也是經由遙測衛星數據得到證據。遙測科技令地面活動無所遁形，地表上的自然環境、居住情況、交通設施，以及人類活動遺留的痕跡，在衛星影像中看得一清二楚。遙測協助我們改善家園，也可以指揮巡弋飛彈摧毀設施，究竟它是如何辦到的。
眼睛是最基本的遙測儀器
遙測是對目標物進行遠距離測量，因此要有一個遙測儀器做為訊息傳遞的工具，眼睛其實就是一個遙測儀器。遙測可以在陸上、海上、空中進行，因此遙測載台可以是衛星、飛機、船舶或汽車，可是衛星、飛機的速度非常快，在高空攝影時要如何得到清晰影像呢？克服這個問題的方法有兩種，一是縮短曝光時間，一是做「前移補償」。所謂前移補償，就是在拍攝的一瞬間，令攝影鏡頭朝前進中的反方向做逆向移動，在那一瞬間，被拍攝目標看起來是靜止的。
遙測有主動遙測與被動遙測二類。如果遙測儀器能發射電磁波，又能接收目標物的反射，稱為主動遙測，譬如透過雷達系統偵測地表的活動，即是一種主動遙測。如果遙測儀器接收到的能量來自目標物本身放出的電磁波，或是目標物對其他能量來源的反射，稱為被動遙測。在黑夜裡用閃光燈拍照，這時的照相機是主動遙測儀器。如果在白天拍照，因為有日光，不需要閃光燈，所以這時候的照相機是被動遙測儀器。
影像處理是核心活動
傳統的航空攝影測量並未因為衛星遙測的發展而失色，因為兩種測量各具優勢。航空攝影測量利用中央透視原理，能夠拍的「多波段數」只有藍、綠、紅、近紅外光等 4 種。
衛星遙測具有特別的偵測器，可以拍攝較多的波段數，也能拍高波段的遙測資料。拍攝較多的波段數，表示可以得到較多的資料層數，資料層數多，表示做資料處理時可以分辨更微細的差別，這是衛星遙測的優勢。然而也因為這個特性，使得幾何校正比較不好做，因為拍攝出來的影像空間解析力不如航空攝影測量好，也就是說，航空攝影測量的高空解析力比較好，衛星遙測的高光譜解析力比較好，兩者相輔相成、結合互補，才是雙贏局面。
無論主動或被動，所有經由遙測接收的訊息，一般先處理成影像，然後再從影像中做進一步詮釋、分析，以得到有用的資訊。在做影像處理時，會把光學資料、雷達資料等有用訊息保留下來，並把不重要的訊息剔除。所以說，遙測的核心活動是影像處理，而其主要項目是「輻射校正」與「幾何校正」。
輻射校正與幾何校正
「輻射校正」是剔除資料中的陰霾與陰影。大氣中的懸浮粒子會造成不同程度的陰霾，必須以光波波長、大氣成分等光線傳遞機制，計算出陰霾對照片的影響，然後剔除它，才能得到更清晰的影像。
又因為大部分時間太陽都是斜照的，拍攝到的圖像會有陰影，若要看清全貌，須把影像分成許多灰階 (從純白到純黑，分段越多，表示灰階分得越細), 再利用「影像增揚」技術把被陰影遮住，使肉眼看不到的部位在電腦上增顯出來。處理順序是把陰影資料做增揚處理後，再把增揚部位與旁邊的影像結合以恢復原來樣貌。這種方法並不完美，但就應用上來說已經足夠了。
「幾何校正」源自航空攝影測量。地表上的物件有高有低，在高空中朝地面拍攝時會產生幾種效應，其中一種與高低有關的效應稱為「高差位移」。譬如高空中拍攝的房子看起來像是倒下的，必須把它扶正，這個扶正手法就是幾何校正。不過在扶正前必須先知道房子有多高，因此要從另一個角度再拍一次，如此一來，同一物件就有兩個「高差位移」影像，然後再以幾何觀察 (立體觀察) 原理恢復影像高度。這是航空攝影測量的一個成熟技術，透過這種方法獲取的高度誤差只有幾公分。
利用航空攝影，在一個航帶裡以「每次重複拍攝 60% 區域」的方式拍攝全臺灣地型，再利用幾何觀察原理把地型恢復，就可得到每 40 公尺一個高度值的地型資料，一般稱這種地型是「40 公尺網格數值地型」。
若把陽明山國家公園的 40 公尺網格資料與從衛星上拍攝到的三維景觀套疊在一起，經過透視演算，就可在電腦上把陽明山國家公園的影像顯現出來，進行上述活動時要做幾何校正。又如要得到環境變遷資料時，須把不同季節、不同時間、不同方位拍攝的資料放在同一個幾何架構裡，才能測知有什麼改變，以及改變後的影響範圍有多大。但在影像資料裡常有些必須恢復的位移現象，因此偵測環境變遷時也要預做幾何校正。
巡弋飛彈命中率極高
當初發展遙測科技的誘因之一是為了軍事用途，現今美國軍事遙測衛星的解析度達 10 公分，幾乎可以看到地面上的人體動作。增加解析度的方法，是把遙測衛星的軌道換成橢圓形 (原本近似正圓形), 並讓預定拍攝的目標位在較接近軌道地點的正下方，如此便可拉近拍照距離，提高解析度。
至於巡弋飛彈命中率極高的原因，主要靠兩種系統的同時運作。其一是裝置在飛彈前端的攝影機，當飛彈貼著地面飛行時，攝影機會不斷地拍攝地形地物，並與飛彈內建資料庫裡的「影像導航系統」比對，以確定飛行方向是正確的，這是一種遙測技術。另一個是裝置在飛彈裡的全球衛星定位系統 (global positioning system, GPS), 可用它來確認飛彈位置的經緯度。因為有這兩種系統檢驗飛行正確度，只要設定目標，命中率就很高。
比較有趣的是，Google Earth 把全球的遙測衛星資料放在網站上，遇有機會就把部分地方的影像提升為高解析力的影像。但是這個做法受到許多國家抗議 (抗議國如北韓、印度、巴基斯坦等), 只要上 Google, 就能把對方的情況知道得一清二楚。這些抗議目前暫時達成協議，Google Earth 同意不把最新資料放上去，一定要隔一段時日以後才做更新，這是遙測科技裡的小插曲。其實不只在軍事上，對於環境變遷、環境監測、農林規劃、搜尋救難、國土利用等，遙測也能提供寶貴的資訊。
蛛絲馬跡全都錄
變遷偵測是遙測的一個主要活動，最典型例子就是透過一系列歷史資料了解整個設施的進展。譬如臺中港的演進，我們有 1972 年美國拍攝的多光譜衛星資料，以及來自較早期的地球資源遙測衛星的資料。1986 年法國 SPOT 遙測衛星看到的臺中港已有一些建設完成，1995 年可以清楚看到整個設施的進展。這是以其他方法無法達到的效果。
臺灣發生 921 大地震以後，中部地區出現一個非常典型的崩塌，針對 921 大地震，衛星資料已留下非常完整的記載。之後在天候許可下，衛星又把地震發生區域的景況全部拍攝下來，發現某些崩塌土石把溪水堵住而出現一個大池塘。地震災害外，造成臺北汐止淹水的原因，也可從衛星資料中搜尋到蛛絲馬跡。
1987 年中山高速公路興建通往基隆的路段，1994 年北二高路線施工也有進展，可能受到交通便利的影響，沿線房地產飛漲，建築物不斷興建，那時候有些什麼進度或衝擊全在衛星資料中保留下來。經過一段時日以後，或許因為設施不足，每遇夏天雨勢很大時汐止就淹水，若想了解發生淹水的原因和當時的工程建設與房舍興建有什麼關聯，衛星中保存的資料是一項很好的、客觀的分析依據。
山崩是環境變遷中的一種，在地面遙測接收站的電腦裡，幾乎可以很自動地偵測到可能山崩的範圍。航照資料涵蓋範圍比較小，但是具有較高的解析度，可先利用人工判釋衛星遙測資料，再與航照資料比對，就能快速掌握山崩資訊，施予及時的防災動作。2004 年 8 月艾利颱風來襲，之前已知有幾個地方已經崩塌，颱風過後從衛星資料中獲悉崩塌數量又增加不少。防災人員應可依據這些資料發布警訊，並協助居民快速遷離。
搜救任務當仁不讓
土石流也是環境變遷中的一種。每遇豪雨，山坡地或山谷中容易發生土石流，那些流速快、泥砂濃度高、沖蝕力強、衝擊力大的土石流，在重力作用下，沿坡面或溝渠，從高處往低處流，造成生命財產的損失。我們可以透過衛星偵測，把可能發生土石流區域的遙測資料放大觀察，或在颱風季節雨勢比較大時，利用衛星偵測把事後狀況記錄下來。又在環境監測方面，可利用雷達影像對台灣附近海域進行油污染監測，或利用雷達影像做淹水監測。最典型的例子是 2004 年南亞海嘯的入侵範圍可利用福衛二號偵測資料做界定。
在農林規劃方面，遙測可為森林分類做很好的詮釋，譬如以不同顏色把森林的屬性標示出來，這樣的結果可使後續的使用者便利很多。又如栽種果樹時，每棵果樹不能靠得太近否則影響發育，在這方面可結合遙測與「自動影像處理技術」, 推算出某一片土地有幾棵果樹，每棵樹冠的涵蓋範圍多大，就可預測水果產量。
不過，以遙測方式量測臺灣地形高低時有一個待解決的「植被」問題。地形高低是國家建設的基本資料，遙測本來可以在這方面發揮功能，可是臺灣四季都有植物，這些植物會把地表形狀遮蓋住，不像歐美國家，四季分明，冬天樹葉落光，能在冬天遙測地形高低。因有這種特殊限制，臺灣在建立「表面形狀資料」時，須先測出各地植物頂端的高度分布。
此外，遙測在救難搜尋方面也有相當大的應用價值。2005 年 2 月瑞太 8 號砂石船在海域失去聯絡，最後通聯時間在 10 日晚間 19 時 58 分，之後在 13 日上午 10 時 25 分尋獲救生艇。根據最後通聯位置與救生艇尋獲位置，搜救單位預測出砂石船可能位置後，立即通知福衛衛星拍照。衛星在沒有飛到目的地以前會朝前方看，飛到該區時會向下方看，飛過以後再回頭看，如此一來便可產生 3 個以上的連續航帶影像來協助搜尋，這是救難搜尋上的應用。
同年 7 月，蘭嶼機場南端漁人碼頭右側發生洩油事件，被天空中的 SPOT 衛星與福衛二號拍攝到，因此成為很有力的證據。
人類發明的千里眼
若要把過去累積的很多舊資料與遙測資料結合，便會用到「圖像套疊」與「影像鑲嵌」技術。譬如有個五千分之一的道路圖，上面有道路輪廓和水系向量影像資料，把衛星影像資料與向量影像套疊在一起的過程中，會有影像融合的程序。一般說來，全色態資料的解像度 (2 公尺解析度) 比較好，多光譜資料的解像度 (8 公尺解析度) 效果比它差 4~5 倍，透過融合技術把兩種資料融合在一起，就能把高解析力的特性和多光譜的特性做成一個融合影像，這是目前頗受偏愛的一種資料格式。
影像鑲嵌技術是把來自不同衛星的影像資料鑲嵌在一起。由於每顆衛星的拍照時間不同，因此會有不同的強度反射，表面看來沒什麼特別了不起的差異，其實裡面累積很多在不同天候條件下的衛星影像資料，鑲嵌以後可令影像資料更真實。
「不經過直接接觸，透過電波資訊傳遞取得資料」的操作模式，稱為遙測。在不同年分的遙測照片中可以看到社會的發展情形。透過遙測照片做農林規劃，可提高國土的有效利用。遇到救難搜尋時，遙測可提供協助。油輪污染、土石流傾瀉、洪水危害，乃至大海嘯來襲的淹水範圍，都可經由遙測資料得到許多資訊。有人把遙測定位為科學領域，也有人認為它是一種技術，若說它是 21 世紀人類發明的千里眼應該是很貼切的比喻。 |
環保的綠建築(下) | 水是自然萬物賴以為生的元素，水資源的保育不管在任何國家都是重要課題。其中的理由，除了供應民生所需之外，更重要的，它是這個世紀乾淨能源之母。將來的污染性的能源，也就是今天的煤，石油，鈾燃料，大概都不會再用了，這是常識，將來用的就是乾淨能源。所謂的乾淨能源，包括太陽能、風力能，還有最重要的，水資源。因為水可以分解出氫和氧，也就是氫氧燃料電池的動力來源。在全球一片節能減廢的聲浪下，水能源勢必是未來最珍貴的寶藏。而一棟講求自然環保的綠建築，理所當然的，把保水視為首要規劃條件。傳統的建築工程，強調的是把水往外排，愈快愈好。但真正把水資源留下來的綠建築，則必須讓雨水有充份滲透的途徑，確保地下水位不受建築興建的影響。第一要件就是要證明，在基地建設完成之後，當地的地下水位不會下降。因此在基地旁邊，我們看不到排水溝，即使有水溝，也都是滲透的草溝。用可滲透的草溝及自然建材，取代水泥溝，讓落在建築基地上的雨水，一方面向地底滲透，一方面順著地勢進入植物帶過濾，然後用傳統的水塘儲存起來。如果覺得在自家門前挖個水塘太浪費空間，也可以利用現代保水法，在地底下埋入輻射分布的地下雨水回收帶，將滲透不及的雨水引導至位於低地中心的集水井，這樣既能做好保存雨水的工作，又能將土地作其它用途使用。因此後院我們可以看到，大片的草皮，車道、停車位、游泳池，那上面的土壞我們依舊可以使用。運用綠建築工法，把原本要排到大海，流失掉的雨水，全部儲存在地下水庫中，需要時就可以抽出來使用。如此一來，因排水不及所帶來的淹水問題、因水庫沒水所造成的用水困境，都可一併解決。水能載舟亦能覆舟，如何運用得宜，考驗我們大家的智慧。2007 年東森電視台《科學大解碼》第一期 |
什麼藥吃不得,基因告訴你 | 診斷完畢，細心的醫師在開藥前通常都會加問一句:「對什麼藥過敏嗎？」現在，你的基因將為你回答這個問題。
中央研究院生物醫學研究所陳垣崇所長，自 2002 年從美國杜克大學醫學中心返臺加入「醫藥基因體學」陣容，便在藥物不良反應研究領域裡埋首耕耘。陳垣崇所長當初回國，看報紙發現幾乎幾個禮拜就有吃藥致死的報導，許多醫師也反應臺灣藥物濫用，導致副作用的問題嚴重。這個狀況讓從事醫學研究的陳垣崇所長自問:「該如何做，才能防範藥物的不良反應？」
一般的理解，會不會過敏通常跟體質有關，而中國人常說的體質，在陳垣崇所長的理解下，就是所謂的基因。而藥物基因體學，其實就是研究人類哪些基因，或哪些基因多型性會影響藥物治療效果的一門科學。若能找到藥物不良反應 (如藥物過敏) 的基因標記，致命的藥物過敏反應在未來就能預防了。
於是陳所長著手研究最易引起國人發生嚴重藥物過敏反應的藥物：抗癲癇與治療三叉神經痛用藥 Carbamazepine, 這種藥在白種人身上鮮少引發嚴重致命副作用，但引進國內後，卻是最嚴重的藥害。Carbamazepine 最可怕的副作用反應是史帝文生氏強生症候 (Stevens-Johnson syndrome, SJS), 除了引起皮膚起水泡、黏膜潰爛外，嚴重時全身皮膚黏膜脫落，甚至還可能導致肝、腎衰竭致死，3 個中就有 1 人死亡。
陳所長於是著手針對臺灣罹患史帝文生氏強生症候的 60 位病人，進行基因篩檢。經過一連串的努力，他的團隊與國內長庚醫院合作，領先全球發現在人類白血球抗原基因中，要是帶有基因型 HLA-B*1502 變異的病人，在吃了 Carbamazepine 之後，特別容易引發史帝文生氏強生症候，風險甚至是帶正常基因者的 1 千 5 百倍。後續國外的研究也證實，陳所長找到的 HLA-B*1502 確實是全世界第 1 個被確定的嚴重藥物過敏基因。
也因為證據非常具有說服力，衛生署在 2007 年 9 月下令在 Carbamazepine 的說明書上，要標示 HLA-B*1502 基因型變異的風險，並啟動 1 萬個病人參與的大型研究，要求醫生在開這藥前都先幫病人做基因型的篩檢。
這類政策一推，全球關注，不僅因為可能就此改變了全世界醫師的用藥方式，也象徵著「藥物基因體學」時代的來臨，臺灣將可能成為第 1 個邁向「個人化醫療」的國家。2007 年 12 月，美國食品藥物管理局 (Food and Drug Administration, FDA) 也宣布在用 Carbamazepine 之前，亞裔病人應做這個基因檢測。陳垣崇所長衷心地感謝研究團隊及中央研究院及國科會的支持，也開心地說:「這是全臺灣的驕傲！」 |
個人化療法救B肝 | 長久以來，肝癌一直是國人癌症死因的前幾名，肝炎或肝硬化也久居國人十大死因之一，「肝病」似乎成為台灣的國病。根據統計，國人肝病患者中近 7 成屬於 B 型肝炎，平均每年有近 8 千人死於與 B 型肝炎相關的肝病。
國內有無數專家學者致力研究 B 型肝炎的治療方法，臺灣大學醫學院臨床醫學研究所高嘉宏所長正是其中之一。他率先從病毒和宿主基因的角度切入，探討 B 型肝炎病毒、病患與干擾素治療三者之間的關係，並成功發展出一套個人化治療的方法。這項創新成果不僅為 B 型肝炎治療提供一個新方向，也使他獲得「行政院 2011 年傑出科技貢獻獎」的殊榮。
肝病三部曲
亞洲人罹患的慢性肝病中，「B 型肝炎」與「C 型肝炎」是最常見的兩種；在台灣，B 型肝炎患者的人數更遠超過 C 型肝炎。感染 B 型肝炎病毒的患者中，近 3 成屬於「慢性肝炎患者」, 這些人大都會逐漸發展成「肝硬化」。另外 7 成的「不活動帶原者」, 仍有少數會發展成「肝癌」。無論是哪一種類型的病患，最終都有 2~4 成的風險死於末期肝病。因此肝炎、肝硬化及肝癌儼然成為「肝病三部曲」。
B 型肝炎可以治癒嗎
高教授表示，目前大約有 7 種治療 B 型肝炎的藥物，大致上可以分成兩種類型。一種是「免疫調節劑」, 也就是所謂的「干擾素」。這種採用注射方式的藥物，主要的功效是壓制病毒，並透過調整患者免疫系統的方法，把 B 型肝炎病毒自肝細胞中清除掉。另一種是「口服抗病毒」藥物，這種需要長期服用的藥物，主要是以減少病毒在體內複製的方法壓低 B 肝病毒的數量，但本身並無清除病毒的功效。
綜觀來看，這兩類方法都有其優缺點。依據過去臨床經驗，「干擾素」大約只對 30% 左右的病患有效，剩下的近 7 成病患必須另求他法治療。另外，干擾素的單位成本較高，而病患在使用時，也會有類似發燒或肌肉酸痛等副作用。「口服抗病毒」藥物則需要長時間，甚至終生服用，且對於病毒只有抑制作用，基本上只是治標，病患並無法真正痊癒。
針對 C 型肝炎，治療過程和 B 型肝炎略有不同，目前在亞太地區已使用一套結合干擾素與口服抗病毒藥物的方法。臨床上，先分析病毒基因和患者基因，再適當地施用干擾素與口服抗病毒藥物，之後依施藥過程中患者體內病毒量的變化，細部調整用藥的時程。這種結合「基因分析」與「個人化醫療」的方法，使 C 型肝炎的患者有很高的治癒機會。
個人化療程 省時省資源
雖然使用干擾素治療 B 型肝炎，有清除病毒的治本效用，但僅有約 3 成的有效，效率實在過低。「難道沒有辦法提升療效嗎？」高教授在十多年前就萌生這個疑問。他選擇以十分先進的「基因」觀點出發，並結合個人化醫療的概念，試圖先找出 B 型肝炎病毒和宿主對於干擾素最有反應的基因特徵，再以此做為篩選適合使用干擾素治療病患的依據，進而成為一種個人化的治療過程。
針對 B 型肝炎病毒，高教授率先發現在台灣常見的「基因型 B」與「基因型 C」病毒中，「基因型 B」病毒對於干擾素的反應較佳。此外，針對病毒基因突變點，如果有「核心啟動子突變」, 對干擾素的反應也會比較好。再者，病患體內的病毒量越低，干擾素的效果就越好。而在宿主方面，高教授發現病患的某個特定基因如果具某一種特定基因型時，對於干擾素治療會有較佳的反應。
高教授表示，綜合 B 型肝炎病毒與病患基因的各種特徵，可以在病患開始治療之前，先篩除反應不佳或不適用干擾素法的族群，如此就可建議這些病患早點轉用其他方法治療。這不僅可以節省寶貴的時間，更可大幅減少醫療資源浪費和患者的副作用。此外，在進行干擾素治療的過程中，也可以藉由觀察體內 B 肝病毒量的變化、肝功能的變化與病毒表面抗原的量，調整患者個人醫療的時程。經由這樣的醫療過程，干擾素治療的效果可以大幅提升至 60~70%, 成效遠比過去高出許多。
研究過程 戰戰兢兢
利用 B 肝病毒與宿主基因的特徵，應用於患者的干擾素個人化治療，已成為一套完整的醫療概念與流程。回顧近 10 年的研究，高教授表示一路走來，除了遇到各種研究瓶頸與困難外，整個過程其實是戰戰兢兢、提心吊膽的。
在研究初期，由於各種假設與構想史無前例，因此各類實驗的設計與過程，高教授無不嚴謹要求，並再三仔細求證，深怕有任何盲點或閃失。直到陸續在國際頂尖期刊上發表各項研究成果的原著論文，並有包括日本、香港、中國等各方學者跟進研究，得到各界的認同之後，才放下心中的大石。如今，B 肝病毒基因型和基因體變異研究不再是一種概念或共識，而已擴大發展成為一個研究的學門。
最佳用藥組合 一滴血決定
高教授表示，目前 B 型肝炎治療的困境，在於病毒 cccDNA 存在於肝細胞的細胞核中，使用口服用藥無法清除。而以干擾素來治療，雖然理論上可以透過調節免疫系統的方式破壞肝細胞，藉以清除 cccDNA 和 B 肝表面抗原，達到「痊癒」的境地，但是成功率僅約 10% 左右，效果非常有限。未來，B 肝用藥發展的目標應以清除病毒 cccDNA 為主，期望能徹底治癒 B 型肝炎。
另外，高教授認為現在 B 型肝炎用藥種類實在太多，表示目前無法以單一種藥物或療程做有效的根本治療。放眼未來，把具有免疫調節功用的「干擾素」與各類「口服抗病毒藥物」做各種排列組合使用，應該是一種治療方向，而這仍然會建立在「基因觀點」與「個人化療程」的方向上。也許，未來 B 型肝炎病患在治療前，只需要抽取一滴血，就可透過病毒和個人基因的分析，決定選擇諸多組合用藥中最適合自己的那一種，藉以把治癒的機率提升至最高。
高教授團隊豐碩的研究成果，不僅為 B 型肝炎干擾素治療提供了一個新方向，更使個人化醫療向前邁進一大步。而這些創新的方法與流程，不僅省下許多醫療資源，更大幅提升 B 肝治癒的機率。高教授大膽假設、小心求證的精神，也為科學研究樹立了一個最佳典範。
【行政院 2011 年傑出科技貢獻獎得獎人專訪】 |
電磁波知多少:氣象雷達 | 自從赫茲 (Heinrich Hertz) 的電磁波實驗成功後，其應用範疇便逐年開展，而最先受到關注的是通訊產業。隨著天線設計的不斷研發，「雷達」也成為另一種大幅運用電磁波特性的領域。
電磁波與雷達
雷達源自二次世界大戰。當時，美國海軍開始將一種名為「RAdio Detection And Ranging:RADAR」的新科技運用在戰場上，這是一種能發射與接收電磁波的裝置，借由發送電磁波碰到物體會有反射回波的原理，進而掌握戰場上敵軍的位置，從此改寫了戰爭的形態。
雷達的用途，並不局限在軍事上。1950 年代，英國劍橋大學的卡文迪西實驗室 (Cavendish Laboratory) 首次將雷達運用於氣象觀測，此後氣象雷達便逐漸廣泛運用在即時的氣象觀測上，讓我們能在某些距離外即可掌握當時的天氣現象。氣象雷達基本上的運作原理和軍事上的雷達相似，都是先主動發射電磁波，電磁波遇到物體後，產生反射回波的情形，只不過氣象雷達所針對的目標，是四周空間中的天氣雲雨系統。
測站的輔助，遙測的利器
人類自古以來便對天氣十分關注，正式的氣象紀錄也有數百年歷史之久。有很長一段時間，人們都是依靠設立氣象站，以定點、定時的方式進行觀測。這種直接觀測的形態，雖然留下了長期、可信度高的氣象資料，但這種定點、定時的觀測方式，卻使得氣象資料因空間和時間的局限，而衍生資料分布極不均勻的情況，氣象預報的發展相對地也遭受許多限制與困境。
另一方面，有些天氣現象的發展十分快速，例如龍捲風、颱風或劇烈對流雷雨胞這類具災害性質的系統，傳統測站的觀測資料已沒辦法應付尺度這麼小的天氣系統，我們就需要更即時與空間解析度更高的資料，才能了解並應對之。
氣象雷達則為我們提供了另一種即時、遠距觀測的可能。中央大學大氣科學系廖宇慶教授表示，這種主動遙測的雷達，在運作時，碟型天線先由接近水平的角度，如時鐘指針般依序朝各個方向發送特定頻率的電磁波，走完 360 度之後，稍微調高仰角，再發送第 2 圈，如此重複，直到仰角接近某個預設的角度。整個流程十分快速，大約 7~10 分鐘便掃描完畢，最後我們便可得到這段時間內，以雷達為中心，半徑最遠約 450 公里之內，整個立體空間中真實的水氣資料。
如何「看見」看不見的雨和風
最早運用的傳統氣象雷達，只能接收電磁回波的強度，研究者再透過數學計算，反推空間中的雨水分布情況，二者大約是「雨滴越多，得到的回波訊號就越強」這種定性的關係。這樣的觀測結果，若轉化成圖形，便是常見於日常氣象報告中所謂的雷達回波圖。
若想利用雷達來測量看不見的風，便要借用雨和都卜勒效應的輔助。都卜勒效應是奧地利物理學家都卜勒 (Christian Andreas Doppler) 在 1842 年發現的，其原理是「當觀測者與波源發生相對運動時，觀測者所接收到波的頻率會產生變化」。舉例來說，當一輛鳴笛的警車朝我們疾駛而來時，我們聽到警笛的聲音，會隨著警車越近而音調越高，警車行經我們之後，警笛的音調則隨著警車遠去而快速變得低沈。聲波頻率的變化是直接表現在音調的高低上，所以警笛音調的變高轉低，完全是都卜勒效應的關係。
氣象雷達是以固定頻率，不斷地依序朝四面八方發送電磁波，而空氣中會反射電磁波的雨滴也會被風帶著流動，所以當觀測的環境中有風時，雨滴是在移動的情況下反射電磁波，這時便會有都卜勒效應產生。我們就可以依照回波的頻率變化情況，反推出雨滴移動的速度，也就可以計算風的方向與速度了。這種具有辨別回波頻率變化功能的氣象雷達，稱為都卜勒氣象雷達。
都卜勒氣象雷達雖然號稱可以測量風，但由於應用原理的限制，其實只能觀測到徑向風，也就是沿著雷達天線指向方向，接近或遠離雷達的風。因此，當觀測值為 0 時，通常並非表示該處靜止無風，而是風向剛好是垂直於徑向而已。不過，即使我們無法掌握風向的全貌，但還是可以利用前述這個特點，輔助我們觀測如龍捲風這種劇烈的天氣現象。另外，若是真想要得到三維空間中真實的風場，我們還是可以利用兩個以上的都卜勒氣象雷達，從不同的方向朝目標區同時進行觀測，再利用數學運算，將觀測資料合成而得到完整的風場。
更精準地估算雨量
傳統的氣象雷達雖然可以依照雷達回波的大小判定降雨的強弱，但終究只是定性的描述，若想知道是哪一種類降水，甚至是定量估計，則會有很大的誤差。我們若要更精確地估算降雨量，有一種較先進的雙偏極化都卜勒雷達提供了相當的助益。
雙偏極化都卜勒雷達最大的特點，在於它能夠發射沿水平和垂直這兩個方向振盪的電磁波，也可接收水平與垂直方向的回波。若把這兩個方向的回波加以計算與推導，便可以獲得雨滴的扁平度 (雨滴愈小愈趨近圓球狀，而大雨滴則像一個漢堡)。依據這些資訊，進而計算出不同大小的雨滴，各有多少數量，亦即所謂的「雨滴粒徑分布」, 這是估計降雨時最重要的資訊。此外，若再對應大雨、小雨甚至是冰雹等降水物在雷達回波上的特徵，還可判定偵測到的是哪一種類型的降水。
以往，我們只能定性地知道環境中是有較多還是較少的雨。現在，我們可以靠雙偏極化都卜勒雷達的掃描結果，來推知環境中降雨強度或降雨量等定量的資料，甚至天氣系統中是由那些大小的雨滴與那一種降水物所組成的。
可移動的氣象雷達
氣象雷達在功能上不斷地演進，從原本單純測量回波強度去粗估雨量，到現今發展成可精確估計降雨量與辨別降雨的種類，而在外觀尺寸上，也依照需求，有了不一樣的變化。基本上來說，雷達所發射的電磁波波長如果比較長如 10 公分，則天線直徑也要比較大，不過其所能掃描的距離也會比較遠，適合定點、長距離觀測。目前氣象局的雷達站，都屬於這種類型的氣象雷達。
另一方面，有一種天線較小、使用電磁波的波長較短 (約 3 公分) 的小型雷達。這種體積相對較小的雷達，甚至可裝載於中型貨車上，變成可移動式的觀測設備。雖然掃描的距離無法與固定式相比，但其機動性高，確實可滿足特定觀測的需求，也可補足大型雷達觀測的死角。中央大學大氣科學系即擁有一套移動式雷達觀測裝備，每當有劇烈的天氣系統接近台灣本島，便是觀測實驗的最好機會。廖宇慶教授說:「颱風天或劇烈降雨發生前，大家都跑回家裡避難，我們卻常常開著雷達車出去到一個事先規劃好的地點，親臨現場，搶著取得第一手資料！」
現在，電磁波的應用，已和百年前的情況有巨大的差異，而氣象雷達發展至今，在功能與外觀體積上，都有長足進展，在應用方面，也開始呈現多樣性，如屏東科技大學已有學者利用墾丁氣象雷達來觀測候鳥遷徙的情況。未來，氣象雷達的發展勢必以更多樣化方式出現在生活中。 |
地震研究:透視臺灣變臉的大地 | 地殼變形的過程非常緩慢，短時間內的變形量極為微小，僅數毫米至數厘米。但藉最近發展的全球衛星定位系統 (global positioning system, GPS) 測量方法，可精確偵測斷層活動、大區域的地殼變形與板塊運動。當有大地震發生時，更可獲知震前、同震及震後變形，使我們對地震的震源機制、地殼應變的累積與能量釋放過程有更多的了解。
全球衛星定位系統
全球衛星定位系統乃美國國防部為對海上、陸地和空中設施，進行高精度導航與定位的軍事需求而建立的。該系統自一九七○年代初開始設計研發，歷經二十餘年，於一九九四年初布設完成，並維持正常營運。全球衛星定位系統由分布於 20,200 公里，高空六個軌道面的二十四顆衛星組成，另有三顆備用衛星亦同時在軌道上運行，以隨時替換發生故障的衛星。衛星運行週期為十一小時五十八分。因此，同一地點每天出現的衛星分布型態相同，只是每天提早約四分鐘。同時位於地平線之上的衛星數，隨時間和地點而異，最少四顆，最多可達十二顆。
GPS 衛星使用 L 波段之兩種不同頻率的電磁波為載波，在載波上調制有測距電碼及其他訊息。每顆衛星裝有高精度的銣原子鐘及銫原子鐘，以提供精密的時間基準。
全球衛星定位系統定位的基本觀測量，是測站接收天線至發射天線的距離。只要測得衛星信號的傳播時間和傳播速率，就可計算衛星至測站的距離，即.. 距離 = 傳播速率 × 傳播時間。同時接收三顆以上全球衛星定位系統衛星信號，就可定出測點的三維座標。在定位及導航應用上，是將衛星的位置 (即軌道) 當做已知，據此推求測點位置。目前地面控制站預估，經由全球衛星定位系統衛星即時傳送的廣播星曆 (即軌道資料) 精度約 20 公尺。而國際全球衛星定位系統服務計畫，利用全球合作之大量地面監測站資料，延後計算而公布的精密星曆精度更可達 5 公分，使得地殼變形 GPS 觀測之軌道誤差幾乎可忽略不計。
衛星的原子鐘及接收儀內部石英鐘都有某種程度的偏差，使得衛星信號傳播時間的量測隱含一些誤差。而全球衛星定位系統衛星信號的傳播路徑，會通過電離層和大氣層 (或稱對流層), 因折射現象導致傳播速率的改變，這些因素都會造成 GPS 定位誤差。在不同地點同時接收相同衛星群發出的信號，藉差分方式 (信號相減) 消除大部分的各種共同誤差，再經嚴謹的誤差修正與資料處理程序，可達毫米級的定位精度，故可應用於高精度需求之地殼變形測量。
全球衛星定位系統衛星測量方法，可精確獲知測點的三維座標和測點之間的基線向量，具有全球性、全天候及連續性觀測的能力。只要測點透空度良好，無須測點間相互通視，較易根據研究目的而設計適當的觀測網形。因此，全球衛星定位系統衛星測量已取代傳統大地測量，而成為研究地殼變形與活動地質構造的利器。
台灣全球衛星定位系統測網與地殼運動速度場
台灣位於歐亞及菲律賓海兩大板塊交界處，由於板塊的隱沒與碰撞作用，台灣地區地震活動頻繁，地殼變動劇烈。中央研究院地球科學研究所於一九八九年建立涵蓋台灣全島及附近各主要離島的大型「台灣全球衛星定位系統測網」 , 並自一九九○年起每年實施一次全網之高精度全球衛星定位系統測量。
根據一九九二至一九九八年七次觀測資料，估算的台灣現今地殼水平運動速度場如圖所示，箭頭代表各測點相對於澎湖的速度，箭頭末端為 95% 可信度誤差橢圓。位於菲律賓海板塊上的綠島，和蘭嶼以 8.2 公分 / 年之速率朝西北方的澎湖靠近，使得台灣島的大部分地區受到不等的擠壓作用。此種地殼縮短現象在新竹以南的台灣西部平原區及麓山帶都極為顯著，地殼縮短率在中部地區約 2 公分 / 年，至西南部地區更高達 4 公分 / 年。跨越台東縱谷，有 3 公分 / 年的速度不連續，主要是因縱谷斷層的無震滑移所致。
台灣北部及宜蘭平原則因沖繩海槽的弧後伸張作用，呈輕微至顯著伸張變形。指示此區主要受張應力影響，與台灣中、南部受大地壓應力的情形不同。一般而言，台灣地區之地殼水平運動速度場分布型態與現今大地構造應力方向頗為一致。
集集大地震之同震位移
一九九九年九月二十一日凌晨發生規模 7.3 的集集大地震，造成長達 100 公里的地面斷裂，此斷裂帶大致沿著已知的車籠埔斷層線。斷層兩側瞬間數公尺的巨大錯移量，導致斷層沿線建築物的損毀、人命傷亡及地形地貌的改變。為了解集集大震後震央區附近的詳細地殼變動情形，地震發生後第二天，筆者與工作團隊立即展開震後全球衛星定位系統之測量。根據震前、震後兩次觀測結果比較，可獲知伴隨集集大地震的同震位移。
初步分析內政部及中研院的全球衛星定位系統連續觀測網資料獲知，集集大震造成的同震地殼變形範圍廣大，包括苗栗以南、嘉義以北的地區，自西海岸至東海岸都有顯著位移。因此，筆者與工作團隊選擇遠離震央區已無顯著變動的金門為參考點，比較震前與震後兩次觀測結果，計算各測點相對於金門的同震位移量。觀測同震水平與垂直位移分布情形，以箭頭指示同震水平位移方向，長短則隨位移量大小而異；測點上、下方的粗線分別表示上升及下陷量。圖中亦標示本區的彰化、車籠埔及雙冬等活斷層，集集大震造成的地表破裂帶，則以粗黑曲線表示。後者雖大致沿著原先推測或已知的車籠埔斷層線，但原先推測者有些地方仍有某種程度的誤差。
車籠埔斷層東側 (上盤) 的水平位移量達 1.1~9.1 公尺，呈西北至西北北方向，由南向北遞增；斷層西側 (下盤) 及豐原至東勢北側，則有 0.1~1.5 公尺朝東南至東南東方向的水平位移。鄰近斷層的上、下盤之間，有 1.2~4.4 公尺的垂直錯移量，東側抬升。上盤抬升量向東急遽減小，距斷層線約 15 公里以東的日月潭及埔里 - 霧社地區已轉為下陷。斷層下盤都呈下陷現象，最大者位於斷層線附近達 0.3 公尺。埔里的虎子山係原有台灣地理座標的起算原點，經此次地震已有 2.3 公尺朝西北方的水平位移及 0.6 公尺的下陷量。
集集大地震之震後變形
集集大地震的地表同震位移量極大，餘震分布範圍廣闊。藉由震後變形觀測，可以得知震源區之地殼及上部地函的岩石性質、斷層面的摩擦特性，以及了解大地震後地殼應力如何調整。主震發生後迅速布設的臨時全球衛星定位系統連續觀測站，提供震後變形研究的最佳基本資料。分析震後兩百多天的連續觀測資料發現，在鄰近車籠埔斷層的測站震後變形型態與同震變形相似，斷層西側的測站仍然向東或東南東移動，斷層東側的測站則向西或西北西方向移動。同震變形較大的測站，震後變形反而較小；反之，同震變形較小的地方，震後變形則較大。例如，位於主震震央附近的鹿谷 (I007) 向西移動 16 公分，上升 14 公分，南北分量則不顯著。在下盤的測站各分量較無顯著變化，位於台灣東部的固定站也有顯著的震後變形。
為了解震後變形如何隨時間演變，連續站將繼續觀測，其他測點亦將在震後一、二年內實施較頻繁的重測，以了解整個震源區的震後變形特性。集集大地震後十五個月期間，中部地區全球衛星定位系統測點的震後位移分布情形顯示，在扣除長期地殼運動量後，車籠埔斷層以東的地區，仍有高達近 30 公分的位移量，遠大於震前每年 2 公分左右的速度。
未來展望
由「台灣全球衛星定位系統測網」過去幾年的多次重複觀測資料，已能大致了解台灣現今地殼運動型態與應變累積情形。然而，台灣地區斷層密布，而該測網大部分測點間距為 10~30 公里，故仍難以獲知個別斷層的活動情形。若能進行鄰近各主要活斷層的密集全球衛星定位系統觀測，以估算現在的斷層滑移率，並與地質觀測的較長期間 (數千年至數萬年) 平均滑移率比較，即可據以評估個別斷層的地震潛勢。
集集大地震後，行政院國家科學委員會積極推動「地震及活斷層研究」大型整合計畫，其中一項重要工作為結合中央氣象局與學術界的力量，建立一個密集的「台灣全球衛星定位系統連續觀測網」。未來五年，在台灣地區新設一百五十個全球衛星定位系統連續觀測站，以即時掌握地殼應變累積的時空變化。將有助於了解孕震機制，並可做為地震潛勢評估的依據。 |
無處不在的空間資訊:地圖中的人文、科技、探索 | 你會使用地圖嗎？表面上，地圖和字典一樣，都是日常生活中的工具，地圖提供我們有關位置和地理環境的資訊，是生活的好幫手。然而，有關地圖的製作、使用與教學，也是一門學問，稱為地圖學。
「地圖學是有關地圖製作的藝術、科學與技術。」這個簡短的定義，說明了地圖學的幾個不同面向。有關地圖的學問，可以追溯到二千年前，因此地圖學稱得上是一門古老的學問。近年來，隨著資訊科技的創新，現代地圖的面貌也有了多元的發展，在地圖的各個不同層面上，有所變，也有所不變。本文從人文與科技層面，介紹地圖在人類生活中所扮演的角色及其最新發展，希望能引發讀者對於認識地圖的興趣。
地圖：一種人類文化活動的展現
繪製與使用地圖，是人類文化活動的一環。古今中外的許多民族，分別有他們的地圖，許多民族不見得有文字，卻有著它們自己特殊的地圖。到目前為止，考古學家發現最古老的地圖，出現在現今的伊拉克，當年巴比倫的兩河流域。這些製作於四千多年前的地圖，是將地形、街道、聚落等地理環境刻劃在泥塊上，再進一步曬乾。
在太平洋中的馬紹爾群島，居民使用樹枝和貝殼編織他們的地圖，每一個貝殼表示附近海域的一個島嶼，枝條則是用來代表島和島之間的方向和距離。這些太平洋上的島民們，為了航海探險的需求，就地取材以貝殼和樹枝將各個島嶼的位置及其間的距離記錄下來。
生活在北極地區的因紐特人，由於生活物資缺乏，常需要和環境搏鬥。早期的因紐特人，利用在河流中找到的漂木，刻劃出許多大小形狀各不相同的木塊，並且將木塊漆上不同的顏色，然後再安置到海獅皮上，這些木塊分別用來標示島嶼、湖泊、沼澤、潮汐灘地等各種不同的地形和位置。一九○四年台北盆地地圖上的聚落。
美洲的印地安人也有一些具有特殊風格的地圖。在印地安人所繪製的地圖上，地形資料出現的數量和類別比較少，準確度也不高，顯示他們對於河流、山脈等自然環境的敘述並不很重視，這特性和因紐特人的地圖有明顯的差異。但是在另一方面，他們的地圖則含有極強烈的圖畫性質，這些圖畫記錄了他們族群的生活史。這種地圖，事實上反映了印地安人對於歷史性和社會性事件的關心。
這些地圖分別記錄了當時居民生活上的重要資訊。在十九世紀末期發現的地圖中，因紐特人已經開始用鉛筆畫圖，雖然這些地圖的繪製並沒有使用到測量儀器，但是地圖上有關河流曲折的形態和數量卻非常準確，這可能意味著河川數量和複雜程度等自然環境是他們非常關心的。
就幾何層面而言，地圖上的距離不甚精確，然而科學家發現，地圖上的距離是因紐特人依照步行所需的時間繪製的，這種距離一方面可能是反映他們並沒有精確的測量工具，所以只能以步行時間的長短估算距離，另一方面也可能代表他們所關心的距離是通行時間的長短，而不是實際地面距離的長短。對於馬紹爾群島島民而言，如果錯失了方向或距離，可能就因此喪失了捕撈到魚獲的機會，也可能就因此迷失了方向而永遠回不了家。
在兩河流域、馬紹爾群島、印地安部落、北極、中國、印度，不同地方、不同文明都出現了地圖。繪製和使用地圖的能力，是人類文明發展的一種必然結果。許多民族雖然沒有文字，卻有他們的特殊地圖，生活在不同地區的居民，所能用來製作地圖的材料和工具不同，然而他們利用地圖記錄生活中各種空間資訊的需求則是一樣的。至於各個地區的地圖所記錄的資訊內容為何，則又反映當時人們生活環境的需求。
早期的地圖，主要在記錄自然環境，然而隨著社會的多元化，地圖的內容越來越豐富，例如地籍、土地利用、選舉結果、犯罪率，幾乎任何和位置有關的資訊，都可以利用地圖來展現。此外，地圖本身也是一種研究的素材，例如地理學者透過不同時期和不同形式的地圖，整合之後用來分析該地區的聚落成長過程，而這樣的結果又可以用地圖再來呈現。
地圖學的數學：怎麼投影？地圖繪製有其科學層面的要求，以地圖的投影轉換為例，這個既古老又新鮮的技術，就是地圖科學研究的一項基礎工作。地球是一個三度空間的球體，要將這個球體表面上種種現象轉換成平面的二度空間表現，這個過程是一個複雜的數學和地球科學的問題。
所謂「地圖投影」, 是將地球表面上的球面座標，有系統地轉換為地圖上的二度空間平面座標，在這樣的投影過程中，無可避免地會造成角度、面積、距離、形狀等幾何扭曲的現象，如何發展一個幾何扭曲程度比較小的投影方法，也就成為一項科學難題。截至目前為止，雖已發展出超過三百種的投影方法，科學家仍在持續追尋新的方法。由因紐特人 Sandgreen 所臨摹其祖先所製作之地圖，以木塊作為島嶼，在左上角有用鉛筆標記的方位。(圖 / Library of Congress)
地圖投影不只是科學，也有實際的應用價值。以水手在海上航行的工作而言，恆向線、大圓線等都是海上航行所必須的資訊，恆向線可以用來分析兩點之間的航行方向，而大圓線則是兩點之間的最短航行路徑。然而，這些資訊無法在地表上直接分析計算，拜地圖投影技術的發展之賜，這些資訊可以在某些地圖投影上取得。
(左) 恆向線 (Rhumb line) 代表了船始終航向同個方位的軌跡，其軌跡永遠與各個經線呈相同角度。(右) 大圓線 (Great-circle navigation) 代表了通過圓心又與球面的圓，是球面上兩點間最短距離。(圖 /(左) Alvesgaspar,wikipedia)
十六世紀荷蘭地圖學者所發明的麥卡托投影，就可以在地圖上直接顯示兩點之間的方向，讓水手們精確地掌握通往目的地的方向；如果我們將光源擺在地球儀的中心進行投影，在投射出來的地圖上，大圓線是一條直線，水手可以輕易地找出兩地之間的最近路徑。這些地圖投影的發展，提供了航海所需要的重要資訊，也顯示科學發展的實用價值。
科技時代：各式各樣的地圖現身
這三十年來，資訊科技的急速創新也帶動地圖學的許多發展。一九七○年代，電腦開始用來改善傳統手工繪製地圖的作業，大大提升了地圖的繪製速度。例如，以繪製一張世界地圖所需的地圖投影工作而言，從球面經緯度座標到平面座標，可能需要牽涉到數百萬個點的座標轉換計算，這需要耗費好幾個月的功夫，然而這麼龐大的計算量，在電腦中卻是輕而易舉的事情，所以我們可以輕易製作大量的地圖。
隨著電腦地圖科技的發展，電腦的功能不只在於更快，也在於提供更多元的地圖，甚至顛覆了對地圖的傳統定義。一般人所熟悉的地圖，可能都還是紙張地圖，然而現代科技發展出來的地圖，具有著許多不同的形式，包括地球儀、衛星影像、地圖集、電腦螢幕上的影像等。以地形為例，傳統的紙張地圖以等高線、陰影圖來展示地形起伏，然而，在電腦系統中，地形的起伏就有好多種不同的展現方式。
例如彩色暈渲圖是將分層設色圖和暈渲圖加以套疊所產生的，這種圖既可以透過不同的色彩呈現大致的高度，也可以由暈渲圖的陰影效果顯示細部地形。其製作原理非常簡單，然而人工作業卻非常繁瑣，需要分別繪製兩種圖並加以套疊，受惠於電腦繪圖軟體的發展，這種圖的繪製已經日漸普及。
漁網圖則是利用立體網格呈現地形的高低起伏，其網格是由一條條橫向與縱向的剖面交織而成，這種圖雖然可以由人工繪製，不過因為繪製工作繁瑣，牽涉到大量的換算，所以這種表現方式的普及也是受電腦繪圖發展之賜。漁網圖可直接呈現地形的起伏、高度、坡度、坡向等。
立體地形圖表現方式的原理和漁網圖一樣，然而除了地形起伏之外，還結合衛星影像所提供的地面覆蓋資料，貼附在漁網圖之上，提供更逼真的地形展示效果。立體地形圖可以顯示地形的起伏，也可以呈現地面覆蓋的資料。
虛擬實境是新興的地形展示方法，可以在全球資訊網 (WWW) 上展現，最常用來建立虛擬實境的一種方式，就是利用虛擬實境標示語言 (virtual reality mark-up language, VRML) 進行開發。其所呈現的圖像類似立體地形圖，但是增加了使用者操控的動態展示及互動功能，使用者可以自由旋轉角度，從任意方向和距離觀察地形。受限於現有的網路頻寬和電腦計算速度，這種展示方式在初期的應用有限，然而隨著網路頻寬的提升，這種表現方式的發展潛力不容忽視。
在空中鳥瞰地面是認識地形的一種方式，然而飛機飛行的路徑、時間、高度有種種限制，拜電腦科技之賜，這樣的飛行經驗可以由電腦來模擬。飛行動畫是由一系列的三維 (3D) 立體圖所構成，以每秒數張至數十張的速率播放，其資料量和計算量的龐大可見一斑。製作飛行動畫時，必須先選擇一條觀景路線，利用電腦模擬飛行來產生路線沿途的連續景象，並且儲存下來成為一動畫檔案，就好像拿攝影機搭飛機拍攝影片一樣。
由於電腦的輔助，地圖已經不再局限於靜態的平面展現，也可以是動態、互動的呈現，使用者可以選擇不同角度、距離來觀察地表資訊。在這樣的展現背後，地圖不再是紙面上的點、線、符號，而是數值資料的結合，我們看到的影像都是一連串 0 和 1 的組合。今天的地圖學者，所處理的資訊已遠超過早期所有地圖學者所處理資訊量的總和，舉凡自然環境及人文社經的現象，都可以用地圖來顯現它們的位置及空間分布型態。
資訊時代下 地圖的功能悄悄轉型？漁網圖，呈現地形的起伏、高度、坡度、坡向等資訊。
地圖的多元化，讓地圖可以出現在網路、光碟上，對於地圖資訊的傳播更為便捷，要查詢一條通往陌生地方的路徑，上網查詢就可以知道通往目的地的最短路徑。美國一家知名的維他命經銷商，在全美有數千家連鎖店，他們的顧客可以上網查詢住家附近的連鎖店位置，並且可以查詢如何到達這些連鎖店。這樣的功能並不局限在大型的連鎖店，一般的商店也已開始使用。
對於科學研究者而言，地圖的展示功能也在改變，一九九八年時任美國副總統的高爾所公開呼籲推動的「數位地球」概念，乃是要利用先進資訊與網路通訊技術，有效地蒐集、處理與利用這些源源不絕的地球偵察資料，更希望逐步擴及人類所能觀測到的所有其他星球資料，其目的在於建立一個涵蓋全球自然、環境、歷史與文化等各類訊息的虛擬應用空間。
這個數位地球網站的長期目標是要建立一個虛擬環境的界面，提供多元的互動性立體圖像，這項工程必須有大量的地圖資料為基礎。目前這個網站上已經有許多數值格式的地圖資料，供教學及研究運用，對於地圖的教育推廣及傳播有直接的貢獻。
各國政府機構使用地圖的情形日益普遍。日本的國土地理院專門負責地圖製作和供應，產品包括平面地圖和網路上的資料；日本一有火山爆發，他們的國土地理院網站，就會即時顯示火山爆發地區的地形資料，讓民眾可以充分掌握相關地區的資料，使得地圖的運用更為多元化。
目前國科會建構中的數位博物館計畫，即有數個網站利用電子地圖的概念來輔助查詢，包括玄奘西域行、臺灣文化生態地圖博物館、臺灣老照片博物館、淡水河溯源數位博物館等。這些網站的共同特性是，所呈現的資料需要結合座標位置資料，提供讀者以空間位置查詢相關屬性資料的功能，例如在地圖上點選某一個地點，然後由資料庫中找出這一點附近的相片或地圖。
太空中的千里眼：衛星所得的地圖
資訊時代各項科技的開發，對於地圖學的發展帶來許多新的可能。全球定位系統 (GPS) 和遙測衛星的發展，讓地圖資料的蒐集更為方便；大小如手機一般的 GPS 接收器，可以即時將所在地的座標顯示出來，並轉換到電腦中成為地圖資料的來源；太空中的衛星，可以顯示地表的溫度、氣候變化、土地利用型態，猶如空中的千里眼。地圖的內容不再局限於陸地，也可以包括海面下的地形地貌。
地圖資訊可以來自於衛星所拍攝的全世界即時環境狀況，也可以整合長期的地表環境資料，例如來自於大陸北方的沙塵暴，它們的行蹤就可以在美國國家太空總署 (NASA) 的地球寫真網站上取得。
至於每一個颱風的路徑，只要在氣象局的網站上就可以輕易取得。這些不同形式的圖像，呈現了地表的種種訊息，都屬於廣義的地圖。新時代的地圖，可以讓我們坐在家中，就能夠掌握全世界的地理狀況，也可以整合不同時期的資料，真正讓時間和空間的資料結合。
由 NASA 利用衛星拍攝資料製作的的全球土地利用圖與生態環境圖 (部分)
十五、六世紀的西方探險家，藉由地圖的引領，逐步向海外進行探險，每一次的探險結果，則又開拓了他們的領域，並且豐富了地圖的內容。藉由地圖相關科技的發展，二十一世紀的現代人正進行著更大規模的地理探索，這些探索的範圍小到一個社區，大到涵蓋全世界，整合了現在跟過去，也預測著未來。隨著人類對於全球環境變遷的重視，地圖會是我們認識環境、發現地球的有力工具。 |
高科技的隱形術–「有形無影」的新武器時代 | 二次大戰後，無線傳訊技術的發展可說是突飛猛進，尤其在軍事偵查方面的競爭，各國無所不用其極地希望能在探測技術上領先，同時，在匿蹤的隱形技術 (stealth technology) 方面也普遍受到重視。
基本上隱形技術並不是一種「不能被觀測到」的技術，而是透過降低武器裝備的信號特徵，使其難以被發現、識別、追蹤和攻擊的技術，其中包括了雷達隱形、紅外線隱形、雷射和聲納的隱形。以上各種隱形技巧的偵測方法各有不同，另就信號發射源、目標物、信號接收體而言也有所不同，此外在材料的運用上亦有所區分，加上信號頻率的高低變化，使得此一技術在運用上變化多端。
本文針對電磁波吸收體、紅外線抑制材料和可用於偽裝技術的材料做一報導，希望能使讀者了解隱形材料的吸收原理與未來可能的應用方向。
電磁波吸收體
雷達發出的電磁波在前進時，遇到不同的介質，可能發生的行徑有反射、繞射、散射、穿透或在介質內產生共振吸收等現象。一般而言，電磁波遇到金屬材料時，金屬表面會把入射的電磁波完全反射，而無穿透現象產生，故隱形技術和信號抑制並沒有考慮穿透的電磁波部分，而是著重於與金屬材質共振所產生的能量損失，和如何將電磁波「引入」吸收體的傳輸原理等問題。
電磁波在材料裡因共振所損失的能量，就是入射波在材料內部轉換成的熱量。電磁波在材料中的能量損耗方式，因材料的差異，可分為電阻性、磁性、介電性三種，以下就針對這三種吸收材料分別加以說明。
電阻性吸收材料就如同在鎳線上通入電流使其產生熱一樣，其原理是材料中傳導帶的自由電子，在電磁波電場的加速作用下，衝撞到電阻性材料內的原子，電子的運動就會受到阻礙，此時電子的運動動能就會轉換成熱能，此一熱量就是電磁波在材料中所損失的能量。以上是以微觀的材料性質來解釋。
另外在巨觀的共振效果中，則是利用吸收體材料本身有限的導電率與較小的自由電子密度，形成阻抗體或阻抗體薄膜，以多層的電阻性金屬護幕使電磁波在多層吸收體內產生共振，而消耗電磁波的能量，其中可以使用導電性金屬纖維或蒸鍍金屬氧化物、金屬氮化物薄膜製作多層電磁波吸收體的護幕。
當電磁波的磁場與磁性材料作用時，會使材料內部的磁偶矩 (magnetic moment) 順著磁場方向排列，當電磁波的磁場方向隨著頻率轉換時，磁場隨之改變，由於材料的矯頑力，發生磁滯現象，以致於消耗了電磁波的能量，所以材料的吸收特性會隨著電磁波頻率增加而有所改變。磁性吸收體的重量比其他材料重，但是厚度可以比較薄，一般是由彈性膠體，如異戊烯橡膠、月青基橡膠、矽硐橡膠等添加磁性鐵氧磁粉，如尖晶鐵氧體、平板狀鐵氧體或軟磁性金屬粉，混煉成薄片。
由於電阻性材料自由電子密度很高，會使得電磁波產生反射現象，所以在介電性吸收材料中，可利用降低材料中的電子密度，來幫助電磁波的吸收，例如石墨粒子分散在發泡的聚乙烯中，本身的電阻與石墨粒子間的電容會形成複雜的結構，使得電磁波在材料間產生微觀的共振，以消耗電磁波的能量。
電磁波吸收體的應用
讓雷達「看」不到的隱形技術主要在提高反雷達偵測的能力，雷達偵測的能力決定於目標物的雷達散射截面積 (radar cross section, RCS) 的大小，RCS 是指飛機對雷達波的有效反射面積，反雷達偵測的方法便是採用各種手段來減小飛機的 RCS。
例如美國 B-52 轟炸機的 RCS 大約是一千平方公尺，很容易被雷達發現，然而與 B-52 轟炸機同一機型，但採用隱身技術的 B-2 轟炸機，其 RCS 僅 0.01 平方公尺左右，一般雷達很難偵測到它。目前用來減小飛機 RCS 的主要途徑有兩種：一是改變飛機的外形和結構，二是採用吸收雷達波的塗敷材料和結構材料，在武器的匿蹤材料中多以蒙皮和塗料為主。
雷達和電磁波吸收體的應用，早期是為了軍事的目的，但是由於近來各種電機電子設備的數位化、高頻化，使得電磁波的干擾問題也越來越嚴重，所以電磁波吸收體在多數 3C 產品中是不可或缺的。例如將電磁波吸收材料直接貼附在 IC 晶片、傳輸線、電纜線、電路板或機殼上，其目的即是在避免電磁波干擾到儀器的正常運作。當電子產品運作時電磁波的相互干擾，可能會造成機器的故障或是訊號的失真，目前各國都已明文規定：在飛機上或醫院中不可使用手機，主要的用意即在於避免電磁波的干擾。
另外因為多路徑效應所產生的雷達假象，也可以利用電磁波吸收體加以克服。目前日本 Takenaka 公司，特別研究開發出可以吸收電磁波的瀝青和混凝土，希望運用在電子收費站、隧道內、大型橋梁甚至是大廈建築上，來防止船舶或者是車輛上所裝置的雷達受到多路徑干擾。
隨著科技的快速發展，材料也邁入了奈米時代，在奈米碳管開發出來之後，科學家便不斷地尋找奈米材料的發展契機，其中發現某些奈米級粉體或是其特殊結構，在雷達波吸收上有令人意想不到的功效。例如塗有奈米碳管或奈米鐵氧磁體的蒙皮，可以有效地降低戰鬥機被雷達偵測到的機會，在重量和厚度上也可大幅地降低。
此外，塗層技術的發展，在反雷達探測上也是非常重要的一環，以俄國新式戰鬥機蘇凱 - 47 (SU-47) 為例，它就使用了多層的匿蹤塗料。二○○○年以後，俄國即開發出多層塗料的塗層技術，可以在很小的厚度中鋪上多層材料，每一層都有不同頻率的電磁波吸收範圍，因而可以大幅增加適用頻寬。
美國的 B-2A 隱形轟炸機已改用碳纖、環氧樹脂和陶瓷材料來替代金屬結構，此外更利用第四代奈米塗料，以奈米塗層技術包覆機體表面，使得雷達波的吸收率達到 99%, 而厚度僅有數微米，不像以往的塗料由於使用了大量的鐵氧磁體而使機體重量增加不少。
仿生技術的應用和電漿匿蹤，也是未來隱形技術的研究方向之一。科學家發現某些生物雖然體積大小不同，但是以雷達掃瞄時，顯現出來的資料卻剛好相反，例如蜜蜂的體積遠比麻雀小，不過它的雷達反射截面積反而比麻雀要大上 16 倍，科學家也正在研究這些現象，試圖利用仿生科技，尋求更新的隱形技術。
而所謂電漿匿蹤的構想，是來自某次蘇聯太空船返回地球途中一度失聯，事後研究發現，歸因於當時太空船在回程時因高溫而產生的電漿等離子效應。於是俄國開始在飛機的某些部分製造電漿，藉由外部氣流使電漿包覆於飛機外表，利用控制電漿的離子濃度，達到吸收雷達波和折射的效果，未來此一方面的發展空間也非常大。
反紅外線探測技術與材料
一八○○年，英國天文學家赫謝爾發現了紅外線，而紅外線技術在軍事上的實際應用，則是在二次世界大戰期間，當時德國研製了一些紅外線裝備，其中最典型的是紅外線通信設備和紅外線夜視儀，戰後由於紅外線探測器和紅外線光學材料的迅速發展，更引起了軍事部門的重視。
紅外線是一種人眼看不見的光波，在自然界中一切溫度高於絕對零度 (攝氏零下 273 度) 的物體都不斷地輻射著紅外線，這種現象稱為熱輻射。它是由物質內部的分子、原子運動所產生的電磁輻射，是電磁頻譜的一部分，其波段介於可見光與微波波段之間，只要被測物體溫度和環境溫度差距大時，就非常容易偵測到。在以往的匿蹤技術中多半以冷卻內燃機的排熱系統為主，由於材料科技的進步，現代化的武器也漸漸走向用水霧、煙幕、塗料和遮蔽材，來減少武器運作時所產生的熱輻射，降低被偵測到的可能性。
以煙幕為例，施放方式有許多種，有煙霧彈、油霧發煙機和煙霧迫擊炮等，如瑞典 FFV 公司研製的 FFV266 式迫擊炮彈所形成的煙幕，能有效干擾工作波長在 14 微米的紅外線傳感器材。而美軍的油霧發煙機可發射直徑 2~20 微米，厚度 0.3 微米的鋁箔，形成鋁箔油霧，以此干擾 15 微米工作波長的紅外光器材。
一般而言，紅外線抑制塗料可分為吸收型與轉換型二種。吸收型塗料是利用材料本身或某些結構，讓吸收的能量在塗層內部不斷消耗或轉換，避免引起明顯的溫升，減少物體熱輻射。而轉換型塗料，其主要的作用是使吸收後再釋放出來的紅外線輻射，向長波長方向偏移，使得處於紅外線工作波長的探測系統無法有效地運作，而達到隱身的目的。如今更有利用複合抽絲法，將奈米氧化鈦、氧化鋅、氧化矽等粉末包覆於纖維中製成軍服，這種衣服對人體釋放的紅外線不僅有良好的遮蔽效果，同時兼具保暖作用。
也有科學家希望未來可以利用儲能的方法，製作防紅外線探測塗料，其原理是利用化學上的吸熱反應把熱能轉換成化學能，以降低運作時產生的高溫，在無安全顧慮時再行可逆反應，把化學能轉為熱能發散出去。
變色材料發展與應用
以往戰地的偽裝技術多採用迷彩塗料和布料為主，它需要依不同的戰地地形、地貌和植被來做不同的選擇，一旦進入一個未經事先考量設計的戰場背景下作戰，偽裝過的軍事武器反而成了明顯的目標。這時我們一定會想到武器如果可以和動物一樣，可以隨環境改變自身的保護色，必可降低被攻擊的機會，並方便不同戰場上軍事武器的調度。
在變色材料的分類中，大致可分為光致變材料和電致變材料兩種。這兩種變色材料的變色原理可說是大同小異，主要是利用光或電來改變材料的氧化和還原的狀態，或改變順反異構物分子的排列，以達到材料對於不同光譜選擇性的吸收能力。科學家更進一步發現，當材料的顆粒大小進入了奈米尺寸後，有一部分的物理現象已無法再用巨觀的理論加以解釋。
以光致變材料為例，東京大學工學系的藤昭教授及生產技研所的立間徹助教授等人發現，附著在氧化鈦載體上的銀奈米粒子，在藍光照射下會氧化成透明的銀離子，但在照射紫外線後，銀離子可還原回原先的銀奈米粒子，其中又可依粒徑大小呈現不一樣的顏色，遂將此一特殊功能應用在太陽眼鏡、戶外玻璃、光線感應器和戰鬥機的機艙玻璃罩上。未來，科學家更計劃把此一特性應用在高容量的光學記憶體中。
而電致變材料，目前以氧化鎢、氧化鈦和氧化鋯混合物的技術較為成熟。以氧化鎢為例，它是利用電子束蒸鍍或濺鍍的方法，以鍍有氧化鎢 (WO) 薄膜的導電玻璃 (ITO glass) 為基板，把含鋰原子的電解質鍍在基板上，當有電流通過時，會使其產生鋰化效應，依據鎢和鋰原子數量的比值 x, 會呈現不同的顏色。當 x 從 0 到 0.25 時，薄膜呈深淺不同的藍色；x 從 0.25 到 0.3 時，呈藍棕色；x 大於 0.3 時，呈棕色。且發現在 x 小於 0.25 時，材料的可逆性和穩定性表現都非常好，也就是說材料的耗損度很低，所以美國在很早以前就將電致變材料應用在軍事設備上了。
若不考慮材料的耐候性、強度、硬度等破壞因子，我們必須承認許多生物的偽裝欺敵本能，的確是現今科技所不及。如今就有生物科學領域的專家，正在研究如何複製含不同色素的皮層細胞，如果可以控制色層的轉變，相信不久的將來士兵在偽裝皮衣的保護下，可以隨著周遭的環境改變偽裝裝備的顏色，藏匿在敵軍陣營中伺機而動，恐怕連眼尖的敵人也未必能夠發現其蹤影。
當然，我們希望未來的科學發展，不是為了持續地研究製造更尖端的武器，但是不可否認的，各國在武器上的競爭，無非是想讓區域性的武力可以相互制衡，就維持和平的角度思考，若代表正義的一方可以握有更精銳的軍事設備，對一些比較激進的國家能夠產生嚇阻作用的話，未來軍事科技的進步，在人類的發展史上會是重要的一環。 |
探測地球大氣的利器–雷射雷達 | 雷射雷達是以雷射光代替無線電波進行遙測的技術，它的英文是 laser radar 或 Lidar。雷射雷達在雷射發明後不久就已經出現了，首先是在 1963 年由英國的費科等人，利用雷射對離地表二十多公里高空中的懸浮微粒 (又稱為氣膠) 進行遙測。在當時，所使用的雷射是人類所發明的第一臺固態雷射，具有波長 694.3 奈米的紅寶石雷射。雖然現在仍然有少數單位還在使用紅寶石雷射，但是隨著技術的發展，多數的雷射雷達已經被摻釹釔鋁石榴石 (Nd:YAG) 雷射所取代。
Nd:YAG 雷射的波長是近紅外光的 1064 奈米，但在經過倍頻處理後，變成波長 532 奈米的綠光，並廣泛使用在雷射雷達技術上。綠光的優點是不會被大氣層吸收，但缺點是對人的眼睛可能造成一些傷害。
在臺灣，中央大學 10 年前首先設立國內的第一臺雷射雷達，這套系統也是使用綠光雷射。過去 10 年間，中央大學用雷射雷達探測本地的大氣微粒、沙塵暴、雲結構和大氣溫度等的氣象資料，目前這套系統仍然持續運作中。
目前雷射雷達的主要應用，除了測量大氣的溫度、風速，和監測微粒、臭氧與硫氧化物 (SOx)、氮氧化物 (NOx) 等污染物外，還應用在天文研究上，主要是利用雷射光引誘在離地大約 100 公里左右，中氣層內的鈉原子發出螢光，製造所謂的人造星光。因為這是一種可以人為控制的星光，可以用來校正望遠鏡的光學系統，這些光學系統又稱為自適應光學系統。目前，世界上幾個主要天文臺都有這一類的裝置，效能可以媲美太空望遠鏡。
雷射雷達系統一般由雷射發射器、接收設備與信號分析系統三大部分組成。接收設備中最主要的是一個口徑比較大的望遠鏡，因為雷射光照射到幾十公里高空後，能散射回來的光子已經很少了，所以必須用最靈敏的方式偵測這些微弱的光。接收設備還包括非常靈敏的光電管和信號放大設備，用來解析雷射在高空的散射過程。以下就簡單地描述這些裝備。
Nd:YAG 雷射經過倍頻以後，產生平面偏振、波長是 532 奈米的綠色雷射光，再由可以調整角度的反射鏡反射到天空中。雷射光與大氣分子或微粒作用以後，產生的背向散射訊號由 45 公分的牛頓式望遠鏡收集，再使反射光通過一個窄頻濾鏡 (中心波長是 532 奈米), 以濾去大部分的背景光。
訊號再經過一個偏振分光晶體把散射光分成兩個分量，其中一個是偏振方向與雷射源平行的訊號，另一個是偏振方向與雷射源垂直的訊號。兩個分量分別由一支光電倍增管進行偵測，放大以後的信號，各由一部鑑別器過濾雜訊，再經過同軸電纜各自傳送到多頻道分析儀。
當雷射裝置產生一個雷射脈衝時，立刻觸發多頻道分析儀並開始記錄，多頻道分析儀對各時間散射回來的訊號加以區分累積，再透過電腦儲存資料，以備後續的分析。例如在中央大學系統中的多頻道分析儀，每一頻道設定成 160 奈秒，相當於 24 公尺的空間解析度。
多頻道分析儀是一種可以提供時間分辨的儀器，它把時間分割成許多頻道 (例如 1024), 每一個頻道有固定的時間寬度 (例如 160 奈秒)。當它被觸發後，就立刻進行分析。信號的來源主要是空氣分子的雷利 (Rayleigh) 散射，由於空氣濃度隨高度而遞減，所以背景散射也隨高度或頻道數增加而愈少。
雷射雷達系統
為了配合各種應用，雷射雷達系統已經發展出不同的形式，除了在天文學上另有應用外，主要的目的都在探測大氣的氣象資料。
光散射雷達 光散射雷達主要應用在探測空氣中的懸浮微粒或雲層。大氣中的微粒以各種型態存在，它們來自大自然、人為污染物 (例如汽車排放的碳氫化合物)、雲 (水氣)、海鹽、植物、沙漠、火山爆發等等，目前一概都以氣膠來稱呼。氣膠粒子存在於從地表到離地 30 公里的大氣中，在未受到污染的環境中，氣膠主要來自海鹽、沙塵和火山爆發等。但人類的各種活動，例如交通、燃燒、工廠，也釋放了許多化學微粒，但是它們大多數只存在於 10 公里以下的低空大氣層中。
離地 10 公里以上的氣膠主要是自然界產生的，例如由硫化物 (像二氧化硫) 變的硫酸滴，形成一種背景氣膠。它的主要來源是地球上不時爆發的火山活動。
過去十多年間，地球上最大的一次火山噴發是 1991 年 6 月菲律賓的皮納土波火山爆發，它向大氣層噴出了近 2 千萬噸的二氧化硫，對大氣造成極大的干擾，例如地面溫度降低 1~2 度、高空變暖、臭氧減少等效應。皮納土波火山爆發的情形，曾被人造衛星和世界上許多的雷射雷達記錄下來。大氣中的懸浮微粒對氣候、地表溫度及大氣化學有重要的影響。光散射雷達已經成為雷射雷達中最普遍的一種。
光散射雷達也是研究大氣雲層的重要工具，多年來各種衛星和雷射雷達一直針對 16 公里對流層頂由一種冰晶組成的稀薄卷雲 (cirrus cloud) 進行監測。在那裡的大氣溫度可以低到攝氏零下 80 度左右，因此，氣態水在那裡只占大氣的百萬分之一左右。卷雲的結構鬆散，還包含一種無法目測的卷雲，稱為「不可視卷雲」。
目前我們對卷雲的認識並不太多，僅知道它的冰晶有許多形態，例如玫瑰花形、盤狀六角形或桶形、子彈形。在當前的大氣臭氧和溫室效應二大主題上，卷雲都可能扮演重要的角色：在它的冰晶表面上可以發生化學變化，影響臭氧的組成，另外它能吸收紅外線輻射並散射太陽可見光，因此與溫室效應有密切的關係。
微粒的另一個來源是沙塵，地球上沙塵的最大來源是非洲的撒哈拉大沙漠。但是在東亞的戈壁沙漠附近，由於沙漠化的影響，沙塵也很嚴重，甚至會造成沙塵暴，引起全世界的關注。大陸北方由於氣候乾燥，春季時地面剛解凍，起風時常常發生黃沙蔽日，影響範圍可以達到十幾省，波及上億的人口。
沙塵暴對東北亞，例如日本、韓國等地區，也造成嚴重的環境與經濟影響，它甚至還可以傳送到北美，對臺灣的影響也不可忽視。因此，日本從 1997 年開始，建立了亞洲雷射雷達網 (Asian Lidar Network), 結合了包括日本、韓國、大陸等地的十幾座雷射雷達站，協同進行沙塵觀測。
中央大學的雷達目前正努力在探勘每年春天發生的大陸沙塵暴，因為來自大陸北方的沙塵已經成為臺灣地區的重要污染物之一。大陸來的沙塵飄到臺灣時，會集結在距地面 3 公里以內的大氣中。在春天的早晨，如果你起床發現車子或玻璃窗上集結了一層沙，可能就是從戈壁大沙漠來的。
臭氧差分光雷達 這類的雷達射出兩道光，一道光會被待測物 (臭氧) 吸收，而另一道光不會被吸收，比較這兩道信號的散射強度就可以推算出待測物的分布，所以又稱為差分吸收雷達 (differential absorption lidar,DIAL)。DIAL 最常用來探測臭氧，例如臭氧對 308 奈米的光有較強的吸收，而對 355 奈米的光吸收較弱，因此比較這兩道光就可以探測臭氧的濃度，這就是臭氧差分光雷達。
其實，308 奈米與 355 奈米的光都會被大氣散射而返回地面，但由於被臭氧吸收的程度不同，308 奈米光散射回來的信號比 355 奈米光小了很多，從二者的差值，就可以推出臭氧的分布。近年來，由於關切大氣臭氧層被破壞的情形，臭氧差分光雷達也因此在世界的許多地方設立起來，成為監測臭氧的重要工具。臭氧雷達的優點是可以提供連續的監測，就像光散射雷達一樣，既可以進行長時間 (幾年) 的探測，也可以做短期 (幾小時) 的觀測。
原子共振螢光雷達 空氣中的金屬原子數量很少，但是很特別的，在距離地面 90 公里附近的中氣層內，有一些微量的金屬原子，例如鈉、鉀、鈣、鐵等等，都是外太空隕石進入地球大氣層後燃燒所留下來的。高空的鈉原子可被陽光激發而發射黃光，在黃昏或黎明時，從地面上可以觀察到，所以科學家在很久以前就已經知道它們的存在。原子吸收光再發射光的過程稱為共振螢光，原子對光的吸收很強，因此共振螢光成為一種探測微量原子的重要工具。
以鈉為例，如果把雷射光的波長調整到 589 奈米 — 鈉的共振吸收光上，鈉原子就會再把它向四面八方射出，少部分回到地面被探測到。
鈉原子雷達近年來有一個很重要的應用，就是利用高解析度雷射光譜，可以探測它的光譜結構，從而推導高空的溫度，因此鈉或鉀雷達已經成為測量距地面 90 公里處中氣層密度和溫度變化的重要工具。在雷射雷達發明以前，50~100 公里高空的中氣層，因為飛機飛不到，而衛星又太高，一直無法很深入地研究。一直等到鈉原子雷達出現後，中氣層溫度的量測才有重要的突破。
大氣的最低溫位於中氣層頂，利用鈉原子雷達，我們對這大氣的低溫層有了全新的認識，發現與過去的認知相差很多。也由於這些研究，讓我們對中氣層的動力學與化學有了更深入的了解。
拉曼光雷達 1930 年代，印度物理學家拉曼發現光與物質作用時，會使分子射出與入射光不同波長的輻射，稱為拉曼散射。例如 532 奈米的雷射光射到氧氣，會散射出光波長 607 奈米的拉曼光，而對氮氣是 671 奈米，對水氣是 777 奈米。這些波長的轉換與分子內能有關，涉及到的是分子的振動能階。
因為拉曼散射十分微弱，所以需要很強的光源。例如前述的氮氣或氧氣的拉曼光，在 1 大氣壓之下，只反射原來入射光的十億分之一。幸好近代雷射技術進步，高功率雷射的發展很快，因此拉曼雷達的發展才得以順利進行。目前已經廣泛使用於偵測大氣中的水氣、臭氧等物質。
另外，分子轉動拉曼光譜則用來探測空氣的溫度。法國的一組科學家，利用轉動拉曼光雷達測量出地表到距地面 30 公里高空的溫度分布，並用來研究這一區域的大氣動力問題。這一區域的氣象資料，一般是由氣球攜帶探空儀器進行測量。例如中央氣象局每天在板橋發射氣球 2 次，用來獲得這區域的溫度、風速與溼度等資料。利用拉曼光雷達，每 10 分鐘就可以得到一次溫度的資訊，因此可以密集探測溫度的變化。在距地面 30 公里以下大氣溫度的長期或短期的變化，是了解目前地球溫室效應所急需的資料，因此拉曼光雷達等類的技術一定會逐漸受到重視。
溫室效應
地表致熱 最近，二氧化碳等溫室氣體所造成的溫室效應，頗引起世人的注目。根據氣候模式，地球正處於 2 千年來最熱的溫度。其實，這一上升的幅度並不大，相對於 1961-1990 年的平均溫度，21 世紀 (西元 2000 年) 的地面平均溫度，僅僅上升不到攝氏 0.2 度，雖然如此，我們還是感覺非常不習慣。估計全球的地面平均氣溫，到 2100 年會上升攝氏 1.4 到 5.8 度，根據最近的報導，甚至可能會高到 11 度。
假如全球都變暖和了，會給人類的生活帶來很大的不方便，例如，2003 年 8 月由於天氣過熱，導致法國上萬人死亡，這一類的事件會逐年增加。其他的相關效應，還有因為全球變暖使格陵蘭和南極區的冰山溶解，由於熱脹冷縮的原因造成海面升高。預期由 1900 年到 2100 年間，地球的平均海平面上升幅度，介於 0.09 到 0.88 公尺之間。
溫室效應是由於某些氣體的存在，使得紅外線輻射被氣體吸收，而影響到地球整體的能量平衡。從 20 世紀以來，由於工業化，而釋放出大量的溫室氣體，加強了「溫室效應」的作用。大氣層中的溫室氣體，主要有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氟氯碳化合物等等。
溫室氣體中，尤其以二氧化碳的增加最受注目，因為它對溫室效應的貢獻量最大。二氧化碳的主要來源是燃燒化石燃料，這是人類造成的，每一個人都要對此負責。根據觀測資料，地表大氣層二氧化碳的濃度，已由 1950 年代的 280 ppmv 升高到目前的 360 ppmv (百萬分之一體積), 按照這一趨勢，二氧化碳會在 50~100 年內升高到 600 ppmv, 這一個數據，是由加州大學聖地牙哥分校的基林 (Charles Keeling) 根據多年的觀測首先提出的。
其實大氣層需要有適當的溫室效應，這也是使地球保持在平均溫度攝氏 7 度左右，而適合生命繁衍的主要原因。但是過度的溫室效應會有很嚴重的後果，這也是造成金星十分不適合生物生存的原因。金星的地表氣壓高達 100 大氣壓，大氣中主要成分是二氧化碳 (占 95%), 這種特殊的組合造成地表溫度白天達攝氏 400 度左右，夜晚則冷到攝氏零下 70 度。
高空致冷 二氧化碳等溫室氣體會使地面附近溫度變暖，但對高空 (50~150 公里) 的影響正好相反，它會使高空變冷，也因為冷卻而使大氣收縮變薄。而且，這一冷卻現象比地面變暖更加顯著。
為何地面會變熱，但高空會變冷呢？地面空氣變熱的原因，是由於二氧化碳吸收地面所發射的紅外線輻射，而保存了這種熱能。但二氧化碳同樣會輻射一部分熱能，因為上層空氣的外部是外太空，所以它發射的紅外線逃逸到外太空一去不回，而由下方來的紅外線卻減少了，因此有淨熱能的損耗，造成冷卻的效果。
高空致冷的效應比地面變暖更加明顯。根據許多分析和模型的計算，在二氧化碳倍增的狀況下，離地 50 公里高空的溫度可能下降 15 度，是地面變化量的 3~10 倍。這一種長期冷卻的初步現象，目前確實已經由雷射雷達及人造衛星儀器觀測到。根據衛星資料顯示，60~70 公里高空溫度，在過去 1980~1990 年間，已經下降了 4 度左右。
為了測試這一種說法，筆者分析離地 17 公里處對流層頂的溫度變化。對流層頂是地表溫度最低的地方，我們都知道高山上溫度會變冷，而大氣隨高度升高而降溫的趨勢，一直到離地 17 公里處才停止，這一個停止點被稱為對流層頂，這個地方的溫度可以達到零下 80 度。
分析過去 11 年來 (1990~2000 年間) 對流層頂的溫度與高度，發現的確有顯著的變化。而根據中央氣象局與中央大學比對觀測的結果，顯示過去 11 年間，17 公里處對流層頂的溫度共降低了大約攝氏 1.5 度，幅度是每年 - 0.174%。而對流層頂高度有上升的趨勢，增加了 190 公尺，趨勢是每年 +0.10%。
根據理論分析，對流層頂溫度的下降與溫室效應是相關的。在多年前，我們還把溫室效應看成科學的假說，認為這是在很久以後才會發生的事，但是無數的科學證據指向溫室效應確實可能已經發生了。如果不幸在 50 或 100 年後，如科學家所預測的，地面溫度上升攝氏 1~5 度的情形，後果實在難以想像。當然，還需要更確切的實驗數據，才能使更多的人信服，因為溫室效應不僅是科學家的事，它和國際經濟、社會、政治也息息相關。
雷射的發明已經有 40 年了，這一段期間由於光學與電子技術的突飛猛進，也使雷射雷達的發展十分迅速。目前，除了地面觀測以外，在衛星上也裝置雷射雷達，由外太空由上而下向地球進行探測。幾年前有一項稱為 LITE 的計畫，在美國太空總署試驗成功，這計畫是以太空梭攜載雷射設備，在 600 公里上空向地球發射雷射光，成功地探測了地球的颱風、雲層和氣膠。目前，更新的太空雷射雷達還在計劃當中，由於雷射雷達在天文物理上的應用也很成功，許多大型天文臺也開始設置雷射雷達。
這 40 年來，地球已面臨很大的改變，因此人類需要更靈敏的探測工具來研究大氣的各種變化，而這些研究也導致臭氧破洞與溫室效應的發現。目前世界各國都不遺餘力地從事大氣與環境的科技研究，以便能把這些問題定量化，在這方面，各種雷射雷達技術會適當地扮演重要的角色。 |
剎車來得及 | 內容大綱
我們常說十次車禍九次快，但其實開的快還不怎麼打緊，最怕的，是剎車不及。根據統計，因為沒有注意前方、或是沒保持安全車距所造成的追撞，是車禍原因的大宗。為了保障行車安全，科學家研發了「汽車防撞警示雷達系統」。就像眼盲的蝙蝠，運用超音波防止自己撞上障礙物一樣。只是科學家替汽車裝上的，是比超音波更厲害的，毫米波雷達。跟超音波比起來，更適合高速行駛中的車子。
超音波基本上它是靠空氣來傳訊號的，所以車子的速度不能快。毫米波是一個電磁波，所以它在真空中就可以傳。它不是靠空氣來傳，所以基本上它的偵測能力，跟車子本身的速度，不會有太大的關係。
除了不會因為高速行駛而影響訊號傳輸外，因波長相對於空氣微粒的尺寸大很多，很容易穿透這些微粒，所以不受氣候限制，下雨、起霧，都不成問題。不過要讓這全天候雷達發揮效能，還要搭配適合的天線才行。
天線相對於雷達，就好像是眼睛相對人一樣。你眼睛張大一點，就看多一點；眼睛瞇起來，就看少一點。
一般而言，看的愈多當然愈好，不過在行車安全的考量上，可就不一定了。雷達天線要看的多遠、多廣，都要經過設計。例如裝在車頭的天線，視線就要集中，要看得遠但不能看偏，看到隔壁車道去。而裝在側邊的天線，就得負責看到駕駛的視線死角，才能面面俱到。有了這套行車防護罩，就能讓駕駛早一點注意到危險，早一點踩剎車，哪怕只是多個零點五秒，都可能是救命關鍵。 |
海上追氣象 | 最近的天氣變化很大，有時變起天來，連氣象預報也不見得準確。科學家為了要提高預報的正確性，發展了一項能夠蒐集外海氣候資訊的技術。在四面環海的台灣，能夠早一步知道外海的天氣，就更能掌握陸地上的天候狀況了。今天的科學大解碼就要帶您出海，去看看科學家，是怎麼利用海上的氣象資訊。
內容大綱
氣象預報，是許多人生活的一部份。冬天時，要看寒流什麼時候來；夏天時，要關心颱風威力有多強。所以氣象報的準不準，可以說是茲事體大。而說到氣象的觀測，在陸上有雷達、在天上有衛星；在海上，我們有海氣象浮標。
海氣象浮標是一座浮在海上的「無人氣象觀測站」, 浮標上裝載風速計、氣壓計、水溫計和波浪感測器等高精密的儀器，全天候將偵測到的多項海氣象數據，透過衛星，傳送到成大近海水文中心的電腦系統，做資料判讀。
所有的資料透過衛星，測完之後大概五分鐘就到我們中心來，我們資料整理好以後，馬上就交給，就傳到水利署，還有氣象局，還有觀光局。
這些資料不只是對從事海上活動的人有用，遇到颱風來時，更能發揮關鍵效果。因為佈放在台灣東邊海域的氣象浮標，可以提供更多海上實際的風雨等資料，補足雷達或衛星所看不到的面向。
等於守住我們東邊的海疆，讓所有颱風進來的時候 我們可以提早，半天到一天就可以知道，颱風確實的結構，這樣的話，氣象局在預報颱風在陸上，可能造成的影響的時候 就可以準確一點。
目前在全島海域，共有 11 個這種由國內科學家自行開發的海氣象浮標，未來將計劃布放更多測站，不眠不休地監測海上的氣象資訊，為四面環海的臺灣扮起守門人的角色。
2008 年東森電視台《科學大解碼》第二期 |
空間資訊:地理資訊新紀元–數碼城市 | 何謂數碼城市
你使用過汽車導航嗎？它透過全球定位系統 (GPS) 把汽車所在位置顯示在地圖上，引導駕駛到預定目的地。但你是否曾發生過到達目的地之後，卻找不到某個地址的窘境？這是因為汽車導航上的二維電子地圖與三度空間的真實世界間，在視覺上有著太大的差異，使得我們雖已被導引到正確位置，仍無法與真實世界相對應。這時如果能用三度空間虛擬實境的方式，模擬汽車前方所看到的景象，包括房屋、橋梁、樹木、河川、高山等，並呈現在導航系統螢幕上，便可避免這種窘境了。
為了達到這個目的，首先必須具備真實世界中每一地表物的「三維幾何模型」, 與這些物體表面的「紋理貼圖影像」, 然後以電腦繪圖技術來模擬所看到的景象。本文所討論的數碼城市，就是利用電腦複製出一個虛擬的城市，它擁有與真實環境大致相似的機能。這種景象與電腦遊戲所呈現的效果，最大的差異在於它複製真實的世界，因此它與民眾的關係更為密切、真實而有情感。
數碼城市的應用可以突破二維電子地圖視覺表現的障礙，支援政府部門進行相關的決策時，會更直覺有效，因此預期數碼城市將成為地理資訊新紀元最重要的一部分。
數碼城市的演化
地圖的用途在於提供地形、地貌、方向、位置、距離、面積等多項資訊，在還沒有發明電腦之前，人們只能使用圖紙式地圖。這種地圖在製作上不僅耗時費工，內容有限，也不易更新，使得應用上受到相當多的限制。自從有了電腦後，電子地圖的製作變得容易許多，也因而拓展了地圖的使用面，由地理資訊系統 (geographic information systems, GIS) 的蓬勃發展可見一斑。
現今存在於各地方政府的數值地形圖，是把所有點、線、面形式的地理資訊以二維座標來記錄其位置，並配合地形等高線與房屋樓層數來描述三度空間的世界。但在二維地圖上表現三度空間地理資訊的方式，已漸漸無法滿足民眾的需求。因為使用者不僅希望具有三維空間的資訊，也希望能在視覺上有親臨現場的感受，這使得數碼城市的相關研究逐漸受到重視。
數碼城市的內涵
前述的數碼城市僅討論到外表的呈現，但以文化層面而言，最重要的是它所擁有的內涵。也就是說，數碼城市除了可提供三度空間方向、位置、距離、面積、體積等基本量測功能，以及地形地貌特徵外，它還須具備人文、歷史等多方面的內涵。由於數碼城市具有豐富的都市紋理特徵與細緻的建築外觀，因此它可以呈現出一個都市演變與開發的歷史痕跡，甚至隱含的文化、經濟與政治背景。它不僅可以提供三維空間資訊，也可讓民眾更加了解所生活的環境，並深思個人與環境的關係和對環境的責任。
數碼城市的製作過程
數碼城市所涵蓋的內容包羅萬象，包括一般的點、線、面地理資訊圖層，例如觀光景點位置、房屋門牌地址、各式道路、行政邊界、河川、湖泊等。其中與人類生活環境最息息相關的就是房屋，因此以下將以三維房屋幾何模型重建，以及牆面紋理貼圖的製作為例，說明一個三維仿真數碼城市 (3D photo-realistic city model) 的製作過程。
我們須先了解一個觀念，在數碼城市的製作過程中，事實上是把生活環境裡的各種物體予以「數位化」及「簡化」。例如可以用六面體來描述一棟平頂的四面牆房屋。但這樣數位化後只有建築物外框，是否要繼續把門、窗、陽臺、梁柱、女兒牆等逐一數位化，以製作這些細部結構的幾何模型呢？它們表面的顏色、紋理與材質又該如何描述？這些問題都必須考量到應用面的需求，以及製作的成本效益。
雖然坊間有許多軟體套件可進行三維建物的模塑，例如 3D Studio Max、Maya、AutoCAD 等，但是其處理對象只是少數幾棟設計新穎或別出心裁的特殊建築，同時製作過程所需的時間與人工成本相當高，並不適合針對城鎮中密密麻麻的房屋建築來進行幾何模塑與紋理貼圖。
由於處理的對象是城鎮中的大量建築物，在製作時所採用的技術屬於非接觸式的航空攝影測量。「數位化」的目標僅限於屋頂面的幾何結構，必須再配合數值地形模型 (digital terrain model, DTM) 來求得屋腳高度，進而產生垂直牆面。至於牆面上的細部幾何構造，則是透過現場拍攝的實景影像來產生「牆面紋理貼圖」。
這種利用實景影像彌補細部幾何結構的優點，除了可以減少資料量之外，更可以提供建物外牆的顏色、紋理 (例如具重複性的四方形圖案)、材質 (例如磚塊、水泥、木頭或玻璃) 等資訊。就應用面而言，這種描述方式已經可以達到城市導覽、飛行演練、都市規畫、防救災演練、災害模擬、不動產買賣，甚至網路遊戲等的需求。
為了考量製作的成本效益與應用的需求，以下進一步說明如何透過航遙測 (photogrammetry and remote sensing) 技術進行三維房屋模型的重建，以及牆面紋理貼圖的製作，來建構三維仿真式城市模型。
重建三維房屋模型
所謂航遙測技術是利用載具，例如衛星、飛機、直升機等，攜帶特殊設計的感測器如照相機、雷射掃描儀等，透過適當的距離來探測地表物，以獲取地表面影像資料或離散式三維座標點雲 (point cloud) 資料。進而利用資料分析、特徵偵測、特徵萃取等方式來了解地表物的特性，譬如道路的位置、寬度，湖泊的範圍與面積，房屋的邊界、大小、高度等。
就三維房屋模型幾何模塑而言，常用的資料包括航空照片、高解析衛星影像、空載雷射掃描點雲等。隨著使用資料的不同，採取的房屋模型重建策略也會有所不同，例如完全人工、半自動化或全自動，使用單純一種資料或使用多種資料進行資料融合以截長補短，提升成果的精確度、可靠度或製作過程的自動化程度等。
如何利用航空照片重建三維房屋模型呢？用飛機進行航空攝影，可以得到空間解析度約 10~20 公分的航空立體影像，它的準確度可以達到 1:1,000 大比例尺數值地形圖製作的需求。假設已經利用空中三角測量技術求得每一幅影像在照相瞬間的方位參數，就可利用連續兩張影像，針對重疊區內的建築物，以人工方式進行立體量測，來得到房屋邊界及屋頂的三維結構線。
例如連續兩個屋頂角落的三度空間座標，其連線就稱為三維結構線。由於這些結構線彼此間可能不相連接，無法構成封閉的多邊形，不具位相關係 (topology), 也就無法描述房屋的外形。因此在自動化三維房屋幾何模塑的過程中，把所有三維結構線投影到平面上當成二維線段，並移除各個線段間不連接的現象，同時設定線段間的連續關係來形成封閉多邊形。
接著利用各個線段原先的高度，推斷各個封閉多邊形的高度與外形，包括水平屋頂或傾斜屋頂等。經過這些步驟就可完成屋頂面幾何結構的模塑。由於透過航空攝影測量的方式，並不容易觀測到牆面的細部幾何結構，因此先假設所有牆面都是垂直面，接著利用屋腳地形面的高度資料計算屋腳的高度，進而產生牆面的幾何結構，完成三維房屋幾何模塑的工作。
製作牆面紋理貼圖
紋理貼圖是一種補償幾何結構的不足，增加物體表面細節、材質與色彩的方式。就數碼城市的應用而言，通常採用兩種方法來製作紋理貼圖。第 1 種是以電腦繪製虛擬的牆面圖案來呈現門窗梁柱等，其製作過程容易，但效果不夠逼真。第 2 種方法是到現場拍攝實景影像，經過幾何改正後產生牆面紋理影像。這種做法的缺點是拍攝照片時經常會被建物前的汽車、樹木或其他物體所遮蔽，使得製作過程較為耗時費工，但效果最真實，被接受度較高。因此相關研究多在探討如何提升其製作效率，以及克服遮蔽問題。
先前曾提及所處理的對象是城鎮中的大量建築物，因此可以想見所拍攝的建築物相片數量會有成千上萬張。對於如何搜尋所需要的建築物相片，也成為操作者相當頭疼的問題。
究竟該如何利用近景攝影測量技術，配合 GPS 及 GIS 來提升紋理貼圖製作的效率呢？我們利用 GPS 數位相機，把拍攝地點的經緯度座標記錄在影像檔頭中，就可把大量的建築物相片透過 GIS 的環境，與航空正射影像或各式地理資訊圖資整合在一起，以地圖的方式來管理相片。當製作某一建築物外牆的紋理貼圖時，便可透過這種地圖式相片管理系統，選擇該建物附近的現場照片，大幅降低人工搜尋相片的時間，增加處理效率。
一般的相機都是以中心透視投影的方式來產生影像，因此無法避免各種幾何變形，例如鏡頭畸變效應會使得直線變成弧線，傾斜攝影效應會讓正方形變成平行四邊形等。為了減少人工處理的程序，可利用攝影測量技術，先對鏡頭進行率定 (calibration) 得到鏡頭畸變參數，再針對一幅建築物相片進行相機方位求解。接著在產生牆面紋理貼圖的過程中，同時解決幾何變形、鏡頭畸變等效應，進而得到高品質的紋理貼圖影像。
在求解相機方位參數時，利用建築物幾何模型中的牆面角落當作「地面控制點」, 並在建築物相片上找尋對應的「影像控制點」。當操作者在移動與設定「影像控制點」時，便可算出相機方位參數，並利用該參數把建築物三維幾何模型投射到建築物相片上。若模型外框與相片的建築物邊界吻合，就表示求解正確，可進一步製作每一面牆的紋理貼圖影像。這種視覺化的檢核過程，方便操作者「檢視」方位求解是否正確，不需專業知識就可完成建築物牆面的紋理貼圖工作。
數碼城市的應用
數碼城市的應用相當廣泛，由於它是真實世界的複製品，許多不適合在真實世界進行的實驗，都可以在數碼城市中進行模擬，例如空氣或噪音模擬、化學工廠毒氣外洩污染模擬、各種災害模擬等。在電影〈明天過後〉(The Day After Tomorrow) 中，美國紐約市遭受海嘯吞噬及冰封，洛杉磯市遭受龍捲風的摧殘等場景，除了高超的電腦特效處理外，若沒有數碼城市的幫忙，恐怕也無法達成如此逼真的效果。
在災害模擬應用以外，數碼城市也可以應用在城市導覽、飛行演練、都市規劃、防救災演練、不動產買賣、電子商務、網路遊戲等方面。
2005 年 6 月網路搜尋引擎巨擘 Google, 開啟了 Google Earth 與 Google Map 網際網路地圖與衛星影像的瀏覽與查詢服務。其中 Google Earth 甚至以三維動態瀏覽的方式，向世人公開全球各大城市的高解析衛星影像，以及美國主要城市的三維房屋模型。
這項服務在國際航遙測與地理資訊領域造成了極大的震撼，同時也帶給民眾從另一種角度來認識自身所生活的環境。它不僅讓任何人可以透過網際網路，以三維動態瀏覽方式觀賞地球上任何角落的地形與地貌，更可以透過社群的觀點，向全世界介紹自己周遭的人文、歷史、地理等特色。
雖然 Google Earth 所公布的三維房屋模型，是以水平屋頂面來描述所有建物的屋頂，並未提供斜頂屋、圓頂屋、弧頂屋等特殊造型的建築，也沒有牆面紋理貼圖等資訊。為了彌補這項缺憾，Google 透過 Sketch Up, 提供使用者自行製作仿真式三維房屋模型，並公布在社群 3D 倉儲中供大眾下載觀賞。Google Earth 所提供的服務，造成了網際網路地理資訊服務產業的重大變革。
電腦巨擘微軟也同時在 2005 年推出了網際網路三維地圖服務，稱為 Virtual Earth, 它的功能大致與 Google Earth 相似，但所提供的高解析影像及三維房屋模型較少。然而 Virtual Earth 比 Google Earth 更勝一籌的是，它提供了仿真式三維房屋模型，使得瀏覽效果更接近真實景象。
觀察 Google 與微軟兩大公司相繼推出網際網路數碼城市相關服務，可以想見數碼城市的應用具有相當大的潛在市場。2006 年美國《時代》雜誌選出「你」為年度風雲人物，事實上指的就是使用網路的「你」。由此可知這個市場不能沒有「你」, 因為「你」可能就是數碼城市的使用者，未來的「你」將可以藉由網路與數碼城市進行互動，譬如藉由社群討論提供都市規劃的方針。因此「你」會決定數碼城市的興衰起落，也就是說「你」與數碼城市的關係會越來越密切。 |
福衛五號:福衛遙測任務的啟動者 | 監測地球的必要
我們處在一個每天都在變動的地球上，不論是自然的或人為的災害，往往對人類生存產生巨大的影響；而都市發展與農業生產的規畫，也關係到文明的永續發展。因此，我們必須時時監測地球上的變化，做為事前防範與事後評估的參考。
目前，許多國家都把國土監測與災害防治列為優先的施政重點。做為眾多對地觀測的平台，遙測衛星一直扮演著非常重要的角色，目前已超過 25 個國家擁有各種不同解析度的遙測衛星。
遙測衛星因繞行地球運轉，能夠大面積取像，並在一天至數天內對相同的地區取像，因而可以周期性地針對某一地區進行大範圍拍攝，達到國土與災害監測的目的。面對不同且龐大的衛星影像需求，如何善用有限的衛星資源以獲取最大的效益，並滿足客戶的需求，是衛星遙測任務規劃與排程最重要的工作。
我國的遙測衛星
我國第 1 顆遙測衛星「福衛二號」於 2004 年 5 月 21 日發射升空，至今仍在運轉中。另外，已完成的第 2 顆遙測衛星「福衛五號」, 預計在 2016 年第 2 季發射。
福衛二號是我國首顆完全自主擁有的高解析度遙測衛星，衛星向地心方向取像的寬度是 24 公里，可以提供 2 公尺解析度的黑白影像與 8 公尺解析度的彩色影像。福衛五號則是我國第 1 顆完全自主發展的高解析度遙測衛星，與福衛二號的取像寬度相同，但可以提供 2 公尺解析度的黑白影像與 4 公尺解析度的彩色影像。二者統稱為福衛遙測衛星。
取像任務的安排
福衛遙測衛星每天取像的任務是由操作人員依據客戶的需求，考量各項因素後，操作排程系統產生遙測取像工作的任務時序報告，包含每一次取像時衛星開始轉動的時刻與所需的時間，衛星開始拍攝的時刻與所需的時間，以及其他取像所需的資訊。
任務時序報告送到衛星操控中心後會產生一系列的衛星指令，當福衛遙測衛星通過台灣上空時，利用位在中壢或歸仁的遙傳追蹤站把指令傳送到衛星上，衛星就會按照事前規劃的時間順序執行取像的工作，同時把影像資料存放在儲存器中，並在指定的時刻傳到地面接收站，最後把影像的快覽圖傳回太空中心影像處理中心。操作人員可以經由快覽圖判斷是否滿足客戶的需求，決定是否針對該區域繼續或停止拍攝。
因此，整個福衛遙測任務是一個封閉的迴路，而整個遙測任務的啟動者便是衛星排程與規劃。
目前，福衛遙測衛星系列都屬於光學遙測衛星，也就是利用太陽光經地表反射後進入遙測影像儀而取像。在規劃拍攝任務時，考量的因素主要包括衛星的性能、衛星飛行通過的地區、地面上的限制等。另外，若是有多顆遙測衛星則有更多的考量。
衛星性能的考量
衛星性能方面必須注意的是它的視角限制、改變姿態所需時間、儲存容量限制，以及電力與熱限制。
衛星沿著飛行方向的左右轉一個角度可以增加對地表觀測的範圍，這一範圍稱為可視域。視角越大，可以拍攝的可視域越廣，影像的地面寬度會增加，但解析度會變差。此外，所拍攝的影像如高山或樓房就好像平躺在地上一般。
取像區域的位置若不是位於衛星遙測影像儀鏡頭的正下方 (星下點), 衛星必須改變本身的姿態使遙測影像儀鏡頭指向取像區域，才能拍攝到目標區域。其改變的姿態量越大，所需轉動的時間也越長。若衛星能夠快速進行不同姿態的轉換，便能夠在同一軌道對更多的目標區域取像，新一代高性能遙測衛星大都具有這一性能。
衛星完成對地取像後，若附近區域沒有地面接收站，或無法透過中繼衛星把影像資料傳回地面時，則必須先暫存在衛星上的固態儲存器中，直到資料下傳至地面接收站為止。由於儲存器的容量有上限，為了能獲取最多組的影像資料，因此單次取像的資料量，也就是取像時間的長度受到一定的限制。
除非攜帶核能動力發電，絕大部分的衛星必須靠太陽能板獲取電力，才能長期在軌道上運行。此外，遙測影像儀需考慮溫度因素，無法長時間連續取像，避免過熱與消耗過多的電力。福衛遙測衛星每一軌道可以取像的時間是 8 分鐘，且可在同一任務軌道進行多次開關，因此能對南、北兩端相距超過 8 分鐘衛星飛行距離的目標在同一任務軌道取像。
衛星通過地區的考量
衛星通過的地方主要由其軌道決定，實務上，光學遙測衛星常選擇的軌道有太陽同步軌道與傾角軌道兩種。
大部分的光學遙測衛星是以太陽同步軌道為運行的軌道，因為地球是一個南北極較扁的橢球體，所以衛星繞行地球的軌道面會隨時間而改變。當軌道面繞地球自轉軸的速率和方向與地球繞太陽公轉一圈的速率和方向相同時，這種軌道稱為太陽同步軌道。
太陽同步軌道的主要特徵是，一年四季衛星軌道面與太陽的夾角都保持相同，因此衛星通過同一緯度地區的時間、太陽能量的接收量，以及衛星處於太陽被地球遮住照射區域的時間變動最小。這些特性不僅可以降低地面上影像處理與判識的困難，也能簡化衛星的設計。
軌道高度在 400~1,000 公里的太陽同步圓形軌道，其軌道傾角約介於 97 度與 99.5 度之間，因此地面軌跡涵蓋的範圍可以達到南北緯 83 度與 80.5 度間。
再者，透過適當衛星軌道高度的選擇，太陽同步軌道的地面軌跡會在繞行地球 D 天 R 圈後產生重複的現象，其中 D 與 R 互為質數。以 400~1,000 公里高度的圓形太陽同步軌道來說，只有兩種高度具有每日再訪 (D = 1) 的特性，分別是繞行地球 14 圈 (R=14) 的 888 公里，以及繞行地球 15 圈 (R=15) 的 561 公里。由於後者的軌道高度較低，受到大氣阻力的影響較大，執行軌道維護工作比較頻繁，因此太空中心選擇前者做為福衛二號的任務軌道。
此外，在 400~1,000 公里高度間，具有兩日再訪 (D = 2) 特性的軌道也有兩種，分別是繞行地球 29 圈 (R=29) 的 720 公里，以及繞行地球 31 圈 (R=31) 的 411 公里。基於上述同樣的道理，太空中心選擇 720 公里高的太陽同步軌道做為福衛五號的任務軌道。
從福衛二號在 45 度視角的取像涵蓋圖，可以看出在赤道附近，有許多地方在這視角限制下，是福衛二號無法拍攝到的區域。福衛五號兩天再訪，在 45 度視角限制下，可以拍攝全球大部分的區域。
衛星運行的軌道面與赤道面的夾角不等於 0, 且軌道面繞地球的速率不等於地球繞太陽公轉一圈的速率的軌道，稱為傾角軌道。
就實務上來說，採取傾角軌道的衛星其傾角都在 60 度以下，地面軌跡涵蓋的南北緯範圍與傾角相同，不如太陽同步軌道的範圍大，但透過轉動衛星改變視角可以增加對中低緯度地區的取像次數，因此有越來越多的民用遙測衛星採用傾角軌道。傾角軌道的缺點是對同一地區每次取像的光照條件不一致。
例如，馬來西亞遙測衛星 RazakSat 選擇高度 685 公里、傾角 9 度的傾角軌道，埃及遙測衛星 EgyptSat-2 選擇高度 700 公里、傾角 51.6 度的傾角軌道，而已在 2015 年 12 月中發射的新加坡遙測衛星 TeLEOS-1, 選擇高度 550 公里、傾角 15 度的傾角軌道。馬來西亞與新加坡選擇這些近赤道軌道，主要原因是這些國家都位在赤道附近。
地面上的限制
在地面上的限制方面，操作人員必須考量地面站的可得性及其接收仰角的限制。針對光學遙測衛星取像，天氣也是一個非常重要的考慮因素。最後是客戶的需求。
除非衛星能即時把拍攝的影像資料下傳到地面接收站，否則必須暫存在衛星的固態儲存器內，直到接觸到地面接收站可接收的範圍下傳資料為止。因此，若在衛星行經的每一軌道地區附近設置地面接收站，讓拍攝的衛星影像資料能趕快下傳，則衛星可以增加每天拍攝的影像資料量。
但實際上，廣設地面接收站並不符合成本效益。以太陽同步軌道衛星而言，它的地面軌跡可達到南北緯 83 度與 80.5 度間，衛星每天通過高緯度的次數較多，因此只要在高緯度地區有一個地面接收站，就可以增加衛星與接收站接觸的次數。以福衛遙測衛星為例，太空中心除了台灣外，在北極圈內挪威的斯瓦巴 (Svalbard) 也有接收站。一旦衛星進入接收站接收範圍，便可以下傳儲存器上的資料。
接收站的接收範圍會受到天線可接收仰角的影響，可接收的仰角越高，則衛星與接收站的接觸時間越短，能夠下傳的影像資料量越少。反之，可接收的仰角越低，則衛星與接收站的接觸時間越長，能夠下傳的影像資料量越多。但低仰角接收由於衛星與接收站距離太遠，有時會無法順利接收到影像資料。
光學遙測衛星無法如合成孔徑雷達遙測衛星一般，可以藉由主動發射雷達波穿透雲層觀察地表現象，因此拍攝目標點的雲覆量高低是取像成功與否的最重要因素。操作人員每天執行遙測任務的規畫時，除了考量上述因素外，也要考慮取像地區當地的天氣狀況。太空中心為了提高福衛遙測衛星的使用效率，避免拍攝到過多雲覆量的影像造成資源的浪費，在拍攝前會利用全球雲量預測資訊系統的雲覆量預測做為每日取像排程的參考，以提高取像的成功率。
客戶對於遙測衛星影像的需求，除了要求雲沒有遮蔽到客戶有興趣的地方，以及是否允許影像有薄霧或沙塵外，就是對於取像的時間有一定的限制。依據不同的應用，客戶會要求每隔一段固定的天數取像，如此才能觀測定點與定期的變化。
多顆遙測衛星的考量因素
近年來，單顆遙測衛星所拍攝的影像已不符人們對衛星影像的需求，因此有越來越多的國家或私人衛星影像公司發射多顆遙測衛星來因應。福衛五號發射進入軌道後，也會與福衛二號組成一個台灣遙測衛星星系。多顆遙測衛星除了可以提升總體對地的覆蓋率外，也可以增加對地的觀測頻率，但對於遙測任務的規劃與排程也帶來新的挑戰。
多顆遙測衛星的任務規劃與排程除了考量上面所述的因素外，另外主要考慮的因素是每顆衛星的負載平衡，也就是說每顆衛星所擔負的取像任務工作要平均，而不是僅仰賴單一顆衛星拍攝。在地面接收站方面，則要考慮多顆衛星同時進入接收範圍時，選擇哪顆衛星優先下傳影像資料。
做為衛星遙測任務的啟動者，任務排程與規劃是一件複雜的工作。唯有就各項技術、環境、客戶等因素綜合考量，才能有效運用遙測衛星有限的資源，以獲得最大的效益。 |
數位生活科技:用以建構數位香格里拉的虛擬實境 | 建構一個如真似幻的虛擬世界
近年來，在電視或新聞媒體上，經常可以看到利用虛擬實境，解決包括工程、醫學及日常生活上各種問題的相關報導。虛擬實境帶給人們的衝擊正與日俱增，而它的應用也日漸廣泛，例如迪士尼樂園中的三維立體電影及近年來快速發展的三維網際網路益智遊戲等，皆是希望利用虛擬實境的效果，建立良好的互動界面。
究竟什麼是虛擬實境呢？簡單地說，就是利用電腦等各種相關配備，建構出一個仿真的虛擬世界，使得人們可以在其中即時地與環境互動，所有虛擬物件皆具有「看起來真實」、「聽起來真實」、「觸摸起來真實」, 甚至「聞起來真實」的效果。
為了達成上述的效果，電腦及其他硬體計算配備，必須具有良好的感知偵測界面，以確知使用者的位置等相關資訊，然後計算出對應的影像、聲音等環境參數，並將之顯示出來。於是，學術界與研究機構發展出許多這方面的配備，如追蹤器、頭戴式顯示器等，配合目前快速發展中的三維立體顯示卡，再加上人們無窮無盡的想像力，使得虛擬實境的相關技術更趨成熟。
足不出戶即可逛街購物的電子商務服務
網路本身就是一個虛擬的世界，隨著硬體技術的發展和寬頻網路的普及，網路的應用也正在朝著三維立體的方向發展。網際網路三維瀏覽技術是一種應用於網際網路網頁上的三度空間技術，瀏覽者僅須下載瀏覽器的外掛元件程式，即可觀看網頁上的三度空間虛擬物體，而不需要任何硬體加速卡，所以可以說是一種應用於網路上的三維物體繪圖引擎。
有別於一般的三維軟體，網際網路三維瀏覽技術的開發是以「用最少的電腦需求，得到最佳的品質」為導向，而非以立體模型建構的功能為主要訴求。
由於電子商務的興起，「讓瀏覽者藉由有限的網路頻寬觀看立體的高品質商品」, 成為網際網路上一個迫切的需求，而網際網路三維瀏覽技術就提供了上述的可能性。瀏覽者可用十分直覺的方式，任意翻轉、放大、縮小、平移網頁上的三維物體，網頁設計者甚至可以加上按鈕等，讓使用者觀察商品在使用時的情形。這使得商品的資訊更加完整，而提高商品的吸引力，同時使用者在家便可享受到逛商場的樂趣與便利。
網際網路三維瀏覽技術中較著名的有虛擬實境模塑語言 (VRML) 及三維時尚語言 (CULT3D) 等。以虛擬實境模塑語言為例，它是一種可以敘述現實，或是包含了可以鏈結到其他文件及 VRML 世界中虛擬物件的想像空間的語言。目前 2.0 版的虛擬實境模塑語言已經可以提供聲音、動畫，以及與使用者互動的功能。
運用數位化科技讓藝術創作變得更便捷
在這個數位時代裡，各式各樣的藝術創作有朝數位化發展的趨勢。將創作數位化的好處，在於能夠既快速又便捷地保存、複製與修改作品，例如一般圖片及音樂的編輯器上皆有的復原功能，常常是挽救一張圖片或是一首曲子的利器。而許多商用編輯軟體提供的特效功能，也可以縮短創作者的製作時間，而將大部分的精力集中在創作本身上。此外，對於某些較昂貴的創作素材，虛擬實境的確發揮了節省成本的功效。
在虛擬實境的領域中，常會利用硬體裝置模擬真實世界中力量與觸覺的回饋，一般通稱為「力回饋裝置」。在進行虛擬雕刻、陶塑、繪畫等創作的同時，模擬出創作者手中工具與創作素材間的作用力。舉例來說，在一個虛擬雕刻系統中，當虛擬雕刻刀觸及虛擬木塊的表面時，力回饋裝置給予創作者一個與真實世界相仿的力量，使得創作者可以感知「已碰觸到木頭」這件事，因此能夠更直覺而方便地完成創作。
此外，透過立體眼鏡產生立體的視覺效果，或以頭戴式顯示器作為互動的界面，當使用者頭部移動或轉動時，虛擬物件也做出相對應的改變，這樣可以使創作者在雕刻素材時，對深度與距離感有更好的掌控。
虛擬主播與虛擬演員
虛擬攝影棚是目前許多新聞性節目及兒童節目常用的手法，這類型的節目常需要變化場景以配合節目的主題，或增進觀眾的視覺新鮮感。因為真實的場景需要廣大的空間和大量的人力及物力，因此使用電腦模擬出真實環境的效果，不但節省成本，也更具想像空間與可變性。
虛擬攝影棚的製作方式，是讓主持人事先在一塊藍色布幕下錄製節目，再透過後製作的方式，將虛擬的場景取代藍色的背景，這樣的技術稱之為「藍幕」。在現今許多娛樂益智節目中，以及多部好萊塢賣座電影裡，都大量地使用了這樣的技術。
另外，中視晚間新聞現場直播的節目裡，也曾經創造了一位麥克斯 (Max) 虛擬主播，透過動作捕捉技術錄製虛擬主播的動作，並配合真實主播一起播報新聞，未來甚至可以動用虛擬演員拍片，以節省片酬的支出。
建構一個色香味俱全的虛擬境界
當我們看物體時，由於兩眼位置的不同而造成視角上的差異，透過大腦便可感知不同物體間距離的遠近，於是產生立體感。立體電影即是利用同樣的原理，使觀眾在欣賞電影時，對片中的場景產生身歷其境的臨場感。
拍攝立體電影時，是以兩臺攝影機由不同的視角進行拍攝，以模擬人眼的立體視覺。當立體電影放映時，利用兩台加裝偏光鏡的投影機，同時將影片上的影像投射到銀幕上，其中一臺裝的是橫向偏光鏡，另一臺則裝縱向偏光鏡。因此觀眾需要戴上一副特殊的眼鏡，觀看時左右鏡片分別接收縱、橫偏光方向的畫面，使得兩眼各自接收到由兩臺投影機所播放的影像，因此在觀賞時產生了立體的視覺效果。
近年來，除了視覺上的身歷其境外，一些立體電影院，利用立體音效、噴水、吹風、震動、煙霧及氣味等特效配合影片演出，讓觀眾產生聽覺、觸覺、嗅覺上的真實感受，而更加融入電影的情境裡。
利用虛擬實境的技術，可以隨時神遊各地博物館
三度空間模擬技術也可以應用到視聽教材的設計上，虛擬博物館就是常見的一例。使用者在跑步機上走動，電腦透過跑步機的計數可以得知行走的距離及速度，然後根據設計好的瀏覽資料，將對應的畫面及簡介回傳至使用者所佩戴的頭戴式顯示器，讓使用者能夠感受到如同真實漫步在博物館內，且在觀賞館內一景一物的同時，也能接受到完整的導覽說明。
透過這樣的技術，使得我們可以恣意地漫遊馬雅的寺廟祭壇和埃及的金字塔墓穴，瀏覽中國的敦煌壁畫，或是法國羅浮宮的名畫。人們得以在「任何時間、任何地點」, 瀏覽世界各地一流的博物館珍藏與人類文化遺址。
隔空手術或診斷將不再遙不可及
在外科手術的應用上，將核磁共振所獲得的影像，利用體積顯像法便可以將病患的重要器官與病變組織顯示出來，只要即時將虛擬的影像與真實開刀時的景象結合在一起，醫師便可經由立體顯像的方式，在開刀時事先知道病變組織的位置，以避免傷害到其他重要器官。
而結合力回饋的虛擬手術系統，更可以用於醫師動手術的模擬訓練。系統根據醫師的操作，即時地計算出相對應的觸覺力道，並透過力回饋裝置反應至手中，進而產生十分擬真的手術訓練。這項系統甚至可以用來支援遠距離的手術，在偏遠地區或是身處外海船艦上，因突發狀況需要動緊急手術，而苦無專業醫師在旁時，便能夠利用這樣的互動系統，讓醫師在遠端遙控手術，於第一時間內拯救病患。此外，科學家也可以使用這樣的技術，透過遠端控制的方式，在人類無法到達或是極度危險的災難現場執行任務，例如美國太空總署在火星上所使用的遙控機器人，或是科學家利用遙控機器人探勘前蘇聯車諾比電廠的核災變現場。
大家齊聚一堂開會的場景將由立體視訊會議取代
立體視訊會議使身處各地的與會人員，能夠克服時空的阻隔，一起進行多對多的討論。在立體顯示的環境下，可以隨時改變自己的視角，以便真切地觀察每位與會人員的一舉一動，甚至從與會者的頭頂上方觀看，了解每個人的真實想法與需要，除了可以提供一個更趨真實的互動外，並可省去與會者長途舟車勞頓之苦。
香格里拉數位生活的早日到來
由於電腦在運算速度上的快速發展，以及電腦產品的生活化與隨身化，諸如筆記型電腦、掌上型電腦、可傳輸影像視訊的手機、數位相機等，使得數位科技的運用與日常生活緊密地結合在一起，加速了人們利用虛擬實境達成香格里拉數位生活的願景早日實現。 |
「算」出來的顏色 | 看黑白舊片，雖可發思古之幽情，但很多人可能會感嘆:「如果是彩色的該多好！」在網路上買衣服，消費者是不是也常希望能有個虛擬試衣間，來換搭不同的衣服才有真實感？這些有可能嗎？現在運用資訊運算的技術，影像的重新上色與換色不再是夢想。交通大學資訊工程學系林文杰教授運用「似規則化材質」(near-regular texture, NRT) 的技術，針對似規則性圖案，可以視需要做改變。
這是藉由捕捉似規則圖案在物體表面所呈現的規則度變化，經由特殊的演算法，推出其幾何與光影的變化函數，再把這函數套用到其他的材質圖案上。
雖然對處理靜態影像很成功，但想發展到動態影像，最大的問題在於原本定座標用的規則圖案，在快速移動及不特定地方被遮掩時就容易混淆，過去其他人的研究便在這裡遇到瓶頸。
林教授研究的貢獻是提出一個新的、以彈簧晶格機率場為基礎來定 NRT 座標的動態演算模式，並且發展出一個追蹤的演算法來有效地計算出動態 NRT 被遮掩的部分，然後再加上擷取的光影函數來替換動態影像中的似規則化材質，他也實際上從舊電影中擷取片段來測試。
林教授表示，目前還有其他的技術可以追蹤衣服的表面運動，不過有的要在衣服上黏貼標的物，有的要用多部攝影機同時拍，能夠直接拿舊片來上色、換色的，目前還是只有這個技術。不過他也知道，這項技術現在僅適用於「似規則化的材質」, 適用範圍還有很多限制。以後如果要做更多的應用，還需要下功夫去克服各類的挑戰。
林教授的研究領域在電腦圖學、電腦動畫及電腦視覺，他與成功大學李同益教授的研究團隊還合作開發出即時電腦動畫技術，可以動態模擬人走路時遇到各種狀況時的反應，例如遇到外力推拉、在光滑地板上跌倒等。這些技術在電腦動畫、電玩發展及虛擬實境上都可以有很好的應用，他非常鼓勵年輕學生投入這有趣、好玩又實用的研究方向。尤其喜歡打電玩或著迷電影特效的學生，何不親自參與背後數位影像與電腦動畫的技術開發呢？深度閱讀
林文杰教授網頁:http://www.cs.nctu.edu.tw/~wclin |
手機電磁波真的對人體有害嗎? | 發媽: (講手機) 呵呵呵～真的呀！我也這麼覺得說... 喔！真的假的啊？嗯嗯... 哈哈哈哈！好好好，那就先醬...OKOK, 好好好，哈哈哈哈，掰掰！柚子：天哪媽～我說妳手機也講太久了吧！竟然講了快兩個小時！橘子：嘿呀～媽妳是不是應該考慮一下去電台上班啊？我想你做節目一定永遠都不會辭窮！發爸：可是我怕那間電台會告我們害它倒閉...
發媽：哎呦～！你們講話還真的是一個比一個毒耶！有話想說就是要給他說出去嘛！如果像你們老爸這樣一直把話悶在心裡，小心哪一天頭腦會燒壞喔
柚子：媽～可是我覺得你還是先擔心自己的頭腦會比較要緊耶...
發媽：嗚... 你們好壞噢！齁呦～反正現在網內互打都免錢啊！有什麼關係？橘子：唉～可是妳都不怕這樣電磁波會對身體不好喔？發媽：也是齁～老公，這是真的嗎？發爸：嗯... 電磁波對生物的影響很複雜，每種電磁波因為來源不同，對人體的影響程度也都不一樣。不過一般來說，人體是效果很差的電磁波接收體，所以只要電磁波強度符合標準，大部份都不會超過安全範圍。
專家的話
電磁波簡單的說就是電磁場 (簡稱 EMF) 的波動，電場的變化產生磁場，磁場的變化也會形成電場，兩者交互作用的波動，稱為『電磁波』, 它與光和熱等相同，是一種能量，此種能量是以向空中輻射或利用導電體等兩種方式來傳送。手機產品電磁波的規範依據是 SAR 值，是指手機產品中電磁波所產生的熱能對人體產生影響的衡量數據，單位是 W/Kg (瓦 / 公斤)。目前美國聯邦傳播委員會 (FCC) 所公佈行動電話的安全標準值為 1.6, 而歐洲的安全標準值則是世界衛生組織推薦的 2.0, 因此只要行動電話的 SAR 值在 2.0 以下，都是在安全標準內的產品。
SAR 值表示行動電話的熱能會對人體會造成多少影響，數值越大，表示對人體的影響越大；反之則影響較小。目前還沒有確實的證據可直接證實手機電磁波會致癌並引發其他問題，眾多實驗報告的結果也都是好壞參半，無法否定也無法肯定。但在以健康為重的前提下，仍應以謹慎的態度使用才是保護自己與他人的最好方式。專家所提供的五個方法，能減少手機電磁波對人體的影響:
一、購買 SAR 值低的手機產品。SAR 數值越大對人體影響越大。
二、電磁波的強度和距離平方成反比，因此建議使用手機交談時，試著儘可能讓手機遠離身體，也可選用免持聽筒或無線藍芽耳機，這小於一般的手機電磁波強度的百分之一。
三、撥號時手機的電磁波最強，等到手機有接通後再拿到耳朵旁會比較恰當，並經常換耳朵來聽手機以分散電磁波的量。在行進的車內或收訊不良的地方，手機會自動增加發射功率以增強信號，所以最好避免在這些情況下撥打手機。
四、儘量長話短說，在身體組織能承受電磁波的時間內講完，如果真的得長時間使用的話最好轉用有線電話。也可以儘量選擇以簡訊傳遞訊息。成長中的孩子身體都還在發育，很可能對電磁波會相當敏感，因此除非緊急情況，否則避免讓小孩使用手機。
五、避免一直把手機帶在身上，或於睡眠時放在枕頭下及床頭櫃。特別是有孕在身的人，可以將手機調成飛航模式，來暫時停止手機發射電磁波。手機帶在身上時，最好讓有按鍵的那面朝向身體，讓手機本身的厚度來稍微減小一點電磁波的量，或選購可吸收電磁波的手機配件。 |
溪流河川:溪流鳥類的生態 | 溪流鳥類可分為山林溪流與平原溪流的鳥類。山林溪流的鳥類又通稱為溪澗鳥，羽色並不多彩，但叫聲卻能響透水流聲。例如「紫嘯鶇」的叫聲如同腳踏車緊急煞車的聲音，在潺潺的水流聲中也能聽到牠刺耳的吱吱聲。山林的溪流從低海拔到高海拔，環境多變、食物缺乏，所以鳥種稀少。平原溪流的鳥類因環境變化不大，加上氣候穩定，食物充足，所以鳥種非常多，如鷺科和秧雞科都是平原溪流的常客。
優質溪流不但是魚蝦的安樂窩，更是野鳥的天堂。何謂優質？溪旁有樹，樹下有草，沒有水泥，沒有污染，如此而已。然而要符合如此簡單的條件，卻屈指可數；事實上，許多生活在溪流旁的鳥類命運愈來愈坎坷。溪流旁的鳥類可依屬性分為親水性鳥種和依附性鳥種。
親水性鳥種不一定生活在溪流旁，也可以在稻田、溼地、池塘生活，只要在污染不很嚴重的水域都可生存。以秧雞科的紅冠水雞來說，我們常在清澈溪流旁發現牠的蹤影，也在布滿布袋蓮的溝渠中看見牠的芳蹤。因為親水性的鳥種較能適應多變的環境，所以這些鳥種多可在平地溪流中觀察到。而依附性鳥種必須和溪流生活在一起，既不能離開，也必須選擇清澈乾淨的溪流。譬如河烏，牠對溪流的選擇非常嚴苛，水質、水流、水的深淺都會影響牠的生存。因此，依附性的鳥種大多生活在高山溪流。
在臺灣，高山流水的源頭是眾人想一探究竟的秘地，所以談溪流旁的鳥類，我們就從高海拔往下談起。
小剪尾：是依附性的鳥種，所依附的溪流水質必須非常乾淨，還要有點小瀑布，像在合歡山的小溪和八仙山的十紋溪都可觀察到，牠是優良水質的指標，數量稀有，常成對出現。停棲時尾羽分開，一張一合像剪刀。
鉛色水鶇：對環境的要求沒有小剪尾敏感，可離開溪流到路旁的護欄或人工建物停棲。因可愛的體型和悅耳的叫聲，近年來興起飼養的風氣，每隻叫價三至五千元，但牠是保育類第三級，不得非法買賣持有。
紫嘯鶇：是臺灣特有種，分布於低中海拔溪流旁。喜歡在潮濕的樹林邊緣或岩石旁活動，不怕人的干擾。在人來人往的關仔嶺溫泉區也可觀察到牠的身影，顯然已逐漸適應人為開發的環境。
河烏：因特殊的眼膜構造和一身油亮的羽毛及銳利的爪子，所以是唯一能夠在水底行走的鳥。當然溪流必須是清澈沒污染，水流不能太急太深。喜停棲於溪流中的石頭上，身體不停上下擺動的特殊動作，非常的可愛。
黃魚鴞：潛伏於濃密的中低海拔山林溪畔，晝伏夜出不易觀察，以捕食溪魚和青蛙為主。因為野生魚類減少，所以經常於夜深人靜時，飛到人工養殖場偷捕鱒魚或香魚為生。
綠簑鷺：生活在低海拔山區的溪流中，偶而會出現在平原的溪流旁，但都是靠近山區的河段。羽色為灰綠色，在自然的溪流裡是最好的保護色。生性膽小，所以觀察不易，而且因族群稀少，所以對牠的生態習性了解甚少，只知部分為留鳥，部分為過境鳥。以魚蝦為食，覓食時很有耐性，可長時間靜止不動，等待魚蝦出現捕食，是鷺科鳥種中，最有耐心的鳥類之一。
上述六種為山林溪流旁的鳥類，除河烏、綠簑鷺外，黃魚鴞、紫嘯鶇、鉛色水鶇、小剪尾皆為保育類鳥種。而最難觀察的小剪尾族群愈來愈稀少，真是讓人憂慮。九二一集集大地震造成中部多數山區地形地貌、溪流河道、與溪水流速的改變，使得原本生活在此的生物遭到衝擊，不是死亡就是他遷。就以臺中八仙山的十紋溪來說，九二一集集大地震前，這裡的溪澗鳥有小剪尾、河烏、鉛色水鶇、紫嘯鶇，尤其是鉛色水鶇數量不少。地震後河道改變，水流變急，雖然水質沒有變化，但在整個遊樂區的近 200 公尺溪段中只觀察到一對鉛色水鶇，其他的鳥種都不見了。可見這四種溪澗鳥對環境的變化是非常敏感的。
平原溪流旁的鳥種較易觀察，從內陸的河道到出海口兩岸都可看到。但大部分的鳥種都是親水性的鳥種，並非得在溪流旁生活不可。牠們可選擇池塘、沼澤、濕地、水田生活。喜食魚蝦的鷺科鳥種，有蒼鷺、大白鷺、中白鷺、小白鷺、夜鷺、栗小鷺、黃小鷺。其中蒼鷺、大白鷺、中白鷺為冬候鳥，其他為本地留鳥。在鷺科鳥種中，除了夜鷺在夜間活動覓食外，蒼鷺也多在夜間覓食。白天牠們成群結隊棲息在濱海草澤區的避風處，動也不動地縮著脖子閉目休息、睡覺。一到夜色降臨，便開始聒噪，整個濱海的夜空都是牠們尖銳響亮的叫聲。栗小鷺和黃小鷺生性隱祕，喜躲藏於溪流兩旁的草叢中伺機捕食。這兩種鳥遇到干擾都會有擬態的行為，所以總是從水草中飛起時才會發現。
秧雞科的鳥種：紅冠水雞、白腹秧雞、緋秧雞、灰胸秧雞。這四種秧雞中，紅冠水雞最易觀察。牠對環境的適應力非常強，不論白天或夜晚都可活動覓食，是全年無休的鳥種。在城市邊緣的排水溝、公園的池塘，常常可發現牠們的繁殖行為及繁殖成功的例子。這種鳥對多變及污染的環境有其應對的能力。白腹秧雞、緋秧雞、灰胸秧雞這三種則比較神經質、生性膽小。牠們活動於溪流邊緣，遇到干擾立即鑽入草叢或灌木叢中，清晨或黃昏時比較容易觀察到。
翡翠科鳥種：翠鳥是溪流鳥種中最美麗的鳥，賞鳥人形容牠是一顆飛行的寶石。牠的羽毛在陽光照射下會反射出金屬的光澤，尤其是綠色和藍色的光澤非常耀眼。翠鳥，俗稱魚狗，即一般人所說的釣魚翁。牠常停棲佇立於水邊突出物上，伺機而動，俯衝入水捕捉小魚，也常在空中定點飛行，再衝入水中捕魚。牠在土堤上挖洞築巢繁殖，但因溪流堤岸的大量水泥化，堅硬的水泥堤岸使牠們根本無法挖洞築巢，所以適合繁殖的環境愈來愈少，族群也隨著減少消失。受害於水泥堤岸的不只是翠鳥，還有許許多多的野生動物，不是間接受害者，就是直接受害者。這是過度文明的產物對自然生態最明顯的傷害。
前述多種溪流旁鳥類的生態，只要您在野外細心地觀察，都會有所收穫。牠們多數是賞鳥人士認為應該出現於溪流旁的鳥類。然而最近，我們在低海拔山區觀察到非常難得的現象。翠翼鳩常出現於低海拔潮濕的樹林中。翠翼鳩因膽小隱密，美麗的身影常常讓人驚鴻一瞥，不易觀察。今年的繁殖季，我們記錄到牠非常珍貴的生態習性。我們觀察近十個巢，幾乎每個巢都築於小溪流的上方，其托巢的植物具有多樣性，而巢材非常簡單。育雛期間，幼鳥的排遺直接被溪水沖走，是牠聰明的選擇之一。因為鳩鴿科的排遺量非常多，如堆積在一處，必將巢位曝光。翠翼鳩非常喜歡沐浴戲水，更喜歡在淺水處撿食小蝸牛，所以我們將牠歸類為特別的溪流旁鳥種。
臺灣的特殊地理環境孕育出許多珍貴的野生動物，尤其是羽色非常豔麗的野生鳥類。大自然如果沒有野鳥的啼唱和跳躍，就成了死寂。不知誰那麼「鐵齒」, 認為「人定勝天」; 不知誰那麼「高見」, 主張「農業上山」。農藥和肥料污染水源，淺根農作物使土石流失。自然環境被人為破壞和改變，影響到自然生態。這不但是動植物的悲歌，也是人類的悲哀。我們常在生態保育的宣導海報上看到一句話「今日鳥類，明日人類」。這不是一句口號，它是一個真實的現象。當溪流旁不再有鳥類棲息時，它肯定是一條臭水溝。相同的，當重重的山巒不再有森林時，它也很難被稱做山。
桃芝及納莉颱風讓我們的山林變色，讓我們的城市淹水，讓我們的同胞被活埋於土石底下，我們的心和那些失去親人的家屬同感悲痛。這種災難是我們對自然環境過度的開發，讓自然界無法取得平衡的後果，也就是所謂大自然的反撲。我們當記取這慘痛的教訓，不再對自然資源予取予求。尊重自然，才能減少災難的發生。 |
禽、畜、人與病毒–變遷中的世界 | 去年 (二○○三年) 四、五月間，臺灣第一次出現嚴重急性呼吸道症候群 (severe acute respiratory syndrome,SARS), 當時曾引起社會大眾非常大的恐慌，後經醫療人員、政府與民眾的共同努力才使疫情趨緩。然而，公共衛生專家卻提出警告，等到秋冬天氣變冷時，SARS 可能會重現。如今一年過去了，牠似乎並未回來，果真如此嗎？其實不然，去年一、二月間，大陸廣東發現多位 SARS 感染者與動物有明顯的接觸史，這是 SARS 再次由動物感染人類的案例，但因醫療人員與公共衛生專家對 SARS 的診斷能力及警覺性已經提升，去年冬季的 SARS 疫情可說是有效地控制住了，而在廣東禁止販賣易受 SARS 感染的果子狸，就是其中一個很重要的策略。
為何 SARS 病原只存在於廣東呢？主因是 SARS 病毒與牠的宿主已共同演化多年，這個宿主極可能是某種動物，而動物的移動通常是局部性的。但是 SARS 又如何能傳播至許多國家呢？這要歸因於 SARS 病毒的新宿主 - 人類 - 在地球上的移動性。當時，SARS 病毒在短短幾個月內，透過快速突變的機制，成功地適應於人類族群，且在沒有防範的情況下，使得每位感染者平均再成功地感染二至三人。倘若不是人類應用智慧與科技，有效防阻病毒蔓延，SARS 有可能成為人類的常見病原之一。
有時候，當一個區域發生傳染病時，可能另一個區域也正發生著另一種傳染病。例如，當亞洲遭受 SARS 肆虐時，美國正出現與天花類似的猴痘病毒，非洲則有依波拉疫情。然而慶幸的是，這些病毒的宿主都是區域性動物，所造成的也都是區域性傳染病。而且二十世紀的人類，也可以運用科技來遏止病毒的傳播。不過，吊詭的是，人類又以當下進步的科技生活模式，如跨國貿易或搭機旅遊等，有效地幫助這些病毒傳播至世界各地。
到底這些病毒對人類會產生哪些影響呢？這主要與牠們的傳播生態有關。
變遷是常態，科學要釐清變遷的規律
一九八○年代末，公共衛生界與傳染病界提出一種「新興傳染病」的概念。從人的角度來看，新興傳染病由「某種動物病原跨宿主感染」的機率很高，尤其近二、三年來，世界上所出現的幾種新型傳染病，多數是由人畜共通所引起，在全無免疫力的情況下，人類對新興疾病所可能引發的病理及心理影響，產生很大的陰影與不安的情緒。
近年來，我以一個傳染病醫生的角色，從事公共衛生與傳染病的研究，在與國人共同度過多個重大疫情的過程中，獲得了一些領悟。其中之一就是:「變遷」乃生物世界的常態，科學要釐清這些變遷的規律，以及牽動變遷的各個因子及其相關脈絡。有了這個領悟後，在從事疫病防治的大風大浪中，我都能以平常心看待所發生的每一件事，然後清楚地蒐集資料、分析資料，而後提出防治方法。
世衛組織為健康把關
談到科學與防疫，不能不提到世界衛生組織所扮演的重要角色。在二十世紀，這個組織左右了幾種傳染病在全球的傳播狀況，如天花的根除。它是聯合國之下的一個專業機構，負責協調國際間與公共衛生有關的事務，同時也提倡各國在技術上的合作。又因為它可彙整各種重要疾病資訊，透過國家層級的行政機構在各國運作，因而能左右一些會影響疾病傳播生態的重要因素。
這個組織訂有一個國際衛生規範，例如一九五一年的重要疾病以霍亂、鼠疫、黃熱病、天花為主，因此，早期的衛生規範即訂有入境旅客必須注射黃熱病、霍亂和天花疫苗等事項，但是歷經五十年的變遷，現已完全不敷應用了。
為因應全球性疾病的改變、強化監測系統、控制疾病，也為了清楚地掌握疾病動向，規劃標準防疫程序，以期國家區域或國際領域的每一層次都能做好準備，舊的規範現正在修正中，俾便在疫病發生時能有所反應，同時還要建立一個因應未來的機制，以便及早監測、及早取得發生中疾病的最新資訊。
其實，全球每一個國家都負有報告疫情的義務。報告疫情可使狀況透明化，藉以降低不必要的危險與阻礙。倘若一個國家不公開疫情，它的鄰國會對未知產生揣測，它的人民有可能因其他理由而被拒絕入境。如果疫情公開，則可減低困擾，有效地達到控制疾病的目的，還可避免不必要的過度反應。
以去年 SARS 疫情的爆發為例，我們做了很多檢疫工作，如接觸過 SARS 的人需要檢疫十到十四天。但現在我們知道，不發燒的人不具感染性，已感染的人要等到發燒以後才會傳給別人。由於檢疫的目的是在防止疾病繼續傳播，既然不發燒的人不具傳染性，自然可免除檢疫程序。又因為知道 SARS 不會在街頭出現，所以在街上噴灑消毒劑的工作也不需要了。
公共衛生政策就是如此，有時在採取了多種防制策略以後，疾病雖然控制住了，卻不知道是哪一個策略真正發揮功效。所以必須進行國際性整體分析，把國家與國家間的異同整合、比較、分析，才能找到明確的方向，這就是國際組織所扮演的重要角色。
愛滋病毒，人傳人
由於愛滋病毒的傳播方式與人類行為有關，使得愛滋病的防疫工作相當棘手。愛滋病原是人類免疫不全病毒 (human immunodeficiency virus, HIV), 牠與猴子病毒 (simian immunodeficiency virus, SIV) 很類似，可藉由污染的醫療器材傳染，或經由特殊行為，如輸血或性接觸方式，直接由人傳給人。
大概在一九三○年左右，愛滋病毒從非洲黑猩猩身上傳給了人，之後成為適應於人類的病毒，不再回到猴子身上，這是常見的一種病毒演化情形。也就是說，當病毒進入一個新宿主並經適度的演化突變後，就開始在這個宿主圈裡傳播。而人類的第一個愛滋病毒，是一九七八到七九年間在美國發現的，但在一九三○年到二○○三年的七十年間，竟然有三十四到四十六萬個感染者，而且遍布世界各地！怎麼會有這麼多人受感染呢？因為一直有一群很少數的人在做很快速的傳播。又因人是遷移的動物，這些帶原者有可能到處去傳播，才造成遍布世界的情形。嚴格說來，愛滋病毒的傳播方式不算很有效率，倘若帶原者無性行為、或已戴保險套、或不去捐血，就不會傳給下一個人。倘若只有一個性伴侶，也只會傳給一個人，況且這位伴侶需要一段時間後才會感染。但若不戴保險套，而且和一千個人有性行為，就會傳給一千人中的絕大部分，這時，就算傳播者只是百分之一的極少數，仍會傳給很多人，如此的傳播方式卻又變得很有效率了。
登革熱一直在擴充版圖
在臺灣境內最令人擔心的疾病是登革熱。登革熱病毒主要是由蚊子傳給人，然後再回到蚊子身上。這個病毒的主要媒介是埃及斑蚊，臺灣南部很多，雖然另一種蚊子三斑家蚊遍布臺灣各地，但因牠的傳播效率低，不是很好的媒介，所以登革熱大都發生在臺灣南部。
從一九八七年開始往前推四十多年，臺灣未曾發生過登革熱，究其原因，可能是早期防制瘧疾時，把帶病毒的蚊子殺得很澈底，遺憾的是多年後又出現了登革熱。若從防疫角度看，人類在與蚊子的爭戰中始終未贏過，所以，不只在臺灣，登革熱其實透過蚊子，一直在世界各地擴充版圖。
若拿愛滋病毒與登革熱病毒比較，可發現前者是慢性感染，會持續蔓延，需藉助人類行為傳播，防制時需從人文社會角度來了解人類的行為模式，以做長遠規劃的防制策略。但牠不會急速瓦解醫療體系，只會侵蝕，慢慢耗損，且當人類發展出更多抗病毒藥物後，感染者會活得更久，也更增長了感染他人的潛力。登革熱則不同，牠要透過媒蚊感染，但不是由蚊子傳播的唯一疾病，所以我們不說防制，只能說控制登革熱，只要病媒蚊不擴充就算贏了。
成功控制漢他病毒
另一個非常有名的傳染病–漢他肺炎，在美國發現時非常轟動。這種疾病會使人休克且快速死亡，也是一種經由動物傳染給人的疾病。
一九九四年，美國西南部一位男性長跑健將在送進醫院後不久即因肺炎死亡，死前還有肺出血、肺水腫現象。待病人死後，醫生才發現，他的太太也在一星期前死亡，這位醫生立刻要求家屬不可把病人下葬，並開始作研究，同時又將病例呈報美國疾病管制局。疾管局人員從臨床資料上研判，這個人應是得了會使人發燒出血的出血熱病毒，這類病毒在美國屬於第四級病毒。
疾管局人員便依規定穿起第四級隔離衣趕往當地收集檢體，不料卻引起軒然大波。原來當地居民大都是印地安人，他們不信任白人，因為早年白人與印地安人打仗時，白人曾將感染天花的手帕丟給印地安人，使得沒有天花抗體的印地安人因罹患天花而輸掉美洲。如今突然有個穿著怪怪的白人在附近晃盪，當地居民一口咬定這是白人想把印地安人殺光的陰謀，一時間，媒體騷動，輿論嘩然。事後疾管局人員省思，穿著隔離衣在人家後院走來走去確實不妥。
不久後實驗室傳出消息，檢體中有一個血清發出很微弱的陽性反應，因而認出是漢他出血熱病毒之一，後來命名為漢他肺出血熱病毒。大家很震驚，因為傳統漢他出血熱病毒大多以腎出血為主，未發生過肺炎，於是立刻進行流行病學分析，發現當時約有七十多個類似病例。後經調查得知，得病者多曾和老鼠接觸過。原來，病毒的自然宿主來自兩種不同的老鼠，這種老鼠的糞便中帶有病毒，在糞便乾燥、汽化後，病毒跑到空氣中，一旦吸入這種空氣就容易得病。
於是疾管局開始蒐集很多資料來教人防鼠，例如，髒碗盤不要留給老鼠吃，水、食物要收起來，垃圾中的食物要綁緊不讓老鼠吃...... 等，甚至連如何戴口罩，露營時如何綁緊帳棚等小細節都教，同時也建立起全國調查系統以監控疾病傳播。在一九九四到九八年間，美國各州陸續出現一百多例，都很快地受到遏止，這是成功的疾病管制案例。
失敗的西尼羅案例
另一個西尼羅病毒的發現卻是個失敗例子，事情發生地點也在美國。一九九九年三月，紐約死了幾隻小鳥，有些學者開始研究原因，其中一位發現西尼羅病毒，這類病毒與登革熱、日本腦炎、黃熱病病毒類似，但未在美國出現過。可惜研究者的指導教授認為這個結果可能有誤，需再確認，所以沒即時公布。等到八月盛夏，紐約動物園裡一大堆鳥兒也都死了，教授才知道麻煩大了！那時候的病毒不但在鳥兒身上，也入侵了美國蚊子的生態圈。專家學者們都知道，一旦病毒進入蚊子生態圈以後，就真的沒完沒了了！後來才知道，當初是候鳥把西尼羅病毒帶進來的，隨後又再透過蚊子傳給當地人。現在，這個疾病已是每年夏天在美國廣泛出現的本土化疾病，甚至需要發展疫苗來控制。臺灣也有傳播這類病毒的類似媒介，大家應該注意哪！候鳥–流感病毒的自然宿主
另一個與候鳥有關的病毒是禽流感病毒，一九九六年在香港出現的即是一例。現在已知，無論人流感病毒或禽流感病毒，牠們原先的自然宿主都是候鳥 (水鳥), 這些候鳥不但不生病，還會很忠實地執行病毒傳播的工作。可是家禽就不一樣了，如果禽流感病毒 H5N1 或 H7 入侵雞隻或鴨子，就會使牠們生病。
一九九六年，H5N1 入侵香港雞隻，隨後傳給人，最後造成十八人感染，六人死亡，香港地區為了這個原因而殺掉很多雞。二○○四年，H5N1 病毒在亞洲多國引起雞隻疫情，造成三十三人感染，死亡率高達百分之六十。防疫人員為此相當忙碌，急著了解有沒有人傳人的情形，或者，有沒有人流感病毒的基因在禽流感病毒裡面，致病病毒基因有沒有重新排列組合？還好調查報告讓大家鬆了一口氣，因為，接觸過病雞的人遠遠超過三十三人，這表示，病毒從雞傳給人的效率並不是很好，發病者只是極少數的偶發病例，而且，這種病毒並未帶有其他動物病毒的重組基因。
至於人流感病毒，在一九一八、一九五七、一九六八年出現過全球性感染，其中又以一九一八年的疫情最有名。那時正逢第一次世界大戰，由於參戰國害怕軍隊、國王生病的消息曝光，因而嚴格控制媒體。當時西班牙未參戰，所以只有它們的媒體大肆報導疫情，這讓大家以為疫情只在西班牙發生，因此稱此為西班牙流感，其實疫情在很多地方都出現了。
現在我們仍不知道流感病毒是如何來的，可能是人和鴨的病毒在豬隻體內排列組合後變成的一種新病毒 H1N1, 而且，牠能夠很有效地感染給人。因為流感病毒一直在改變，所以世衛組織每年都需部署世界性合作，以便發布警訊、蒐集疫情、分析基因型，並在每年三月一日公布明年會是什麼型病毒，俾便製造疫苗。
霍亂弧菌肆虐，病毒不缺席
霍亂弧菌幾千年來對人類社會造成的不安，使我們對牠畏懼三分。人類只要吞進過量的霍亂弧菌，這個病菌就會在小腸中繁殖產生毒素，進而刺激細胞使小腸細胞無法吸收，更會主動地分泌水分、離子到腸子裡造成水便，人體會因腹瀉過度而脫水，最後死亡。但霍亂弧菌只待在腸子裡，從不進入人的體液裡，所以對付霍亂的方法就是不讓病人脫水，一直為他靜脈注射，補充養分、鹽分、水分，只要病人不死亡，就會很快地好起來。
霍亂弧菌很有趣，就像你認為世界是你的家一樣，牠也認為世界是牠的家，所以很自然地生存在這個地球上。牠有一百多種血清型，其中只有 0-1 型會造成霍亂疫情，而且在河海交界處特別多，其他都只是生態環境中的物質。
但又為何 0-1 型會致病呢？因為牠的構造外面多了一些絨毛，這些絨毛是一種弧菌病毒的產物，也是一種可接受外來病毒的受體，這使得原本無毒的細菌，因為第二種病毒的入侵而形成致病根源。現今霍亂仍年年在世界多處造成疫害。
疾病與氣候變化有關
談到霍亂，就不能不談氣候與環境對傳染病疫情的影響。除卻人為遷移的影響外，與地球氣候或環境改變息息相關的生態，也是左右病原滋生的重要因素，如候鳥遷移路徑的改變就可能為人類或其他動物引進新病原，使病毒找到了新宿主。
霍亂弧菌和氣候的密切關係也是近年來才逐漸發現的，從一九九六年到現在的許多資料顯示，氣象學家與生物學家一起做研究的機會愈來愈多。他們觀察氣候變化、海水變化，甚至透過衛星圖來記錄海洋顏色的變化，一旦氣候溫暖，海河交界處的水變溫暖了，許多藻類、蚌殼類動物開始增殖，長在這些生物表面上的霍亂弧菌也開始增加，很自然地，霍亂發生率也就會隨著增加。
此外，地層表面較溫暖的海水會周期性地多一些，再加上受到地球上許多因素的影響，這片海水會往太平洋東岸流，海裡的魚為避開熱水，又被迫往北游，約在聖誕節前後，大量魚群游到秘魯附近而被當地人捕獲，秘魯人認為這是上帝送的聖誕禮物，所以稱之為聖嬰現象。現在已知，聖嬰現象與森林大火或暴雨有關，而這些氣候上的變化，都可直接或間接地影響人類疾病的發生。在這類研究中，目前科學家最清楚的是瘧疾與氣候間的依存關係，只要雨量多、蚊子多，瘧疾就更嚴重。
其實，欲了解氣候對人類的影響需要很多資料，拉丁美洲已有跨國跨學門如生物、氣象、太空等專家學者共同組成的科學群，專門針對氣候與疾病作研究。此類研究工程浩大，但絕對值得，因為，這種研究可讓我們較容易看到影響人類健康的整體因素。 |
聞「禽」色變? 認識禽流感 | 海巡署於 2005 年 10 月中，緝獲巴拿馬籍貨輪自中國大陸走私進口禽鳥、鼠類及陸龜等活動物，其中 19 種禽鳥，經採樣送檢，結果顯示呈禽流感 H5N1 陽性。由於這批走私動物已全數銷毀，而能及時阻斷禽流感的入侵。大約同一時期，土耳其突然發現有數千隻鳥類大量死亡，經由實驗室診斷，證實是感染與東南亞同型的 H5N1 病毒。禽流感病毒已經隨著時間慢慢地傳播，由亞洲到歐洲、甚至擴散到全球，這個號稱是「殺手病毒」、「超級病毒」的禽流感病毒，到底對我們的威脅有多大？我們又應該如何面對它？什麼是禽流感病毒
禽流感病毒是一種 A 型流行性感冒病毒，可經由禽鳥或其生活環境與人接觸而傳染給人。這種病毒存在於禽鳥類的呼吸道及消化道中，受感染的禽鳥有些不會發病，有些則會發病致死。由於禽流感病毒對於感染宿主的專一性很高，所以通常不會傳染給人，但自 1997 年香港爆發流行之後，至 2005 年已陸續有一百多例人類感染禽流感病毒的報告。此外，除感染鳥類、鴨子、雞等，也發現可感染豬隻、家貓、老虎、美洲豹等動物。
禽流感病毒以感染的嚴重程度，可以分為低致病性及高致病性兩種病毒。當飼養的家禽被低致病性的禽流感病毒感染時，會造成羽毛明顯凌亂、食欲減退、停止產蛋、雞冠呈紫色等較輕微的症狀，而可能被忽略。若家禽感染高致病性的病毒，則病毒會快速且大規模地散布，造成多處器官衰竭，通常在 48 小時內，死亡率幾乎達到 100% 。
A 型流感病毒具有多種不同的亞型，這些亞型都是依據 A 型流感病毒表面的血凝集素 (HA 蛋白), 和神經胺酸酶 (NA 蛋白) 配對而成。A 型流感病毒的 HA 蛋白有 H1~H16 等 16 種，而 NA 蛋白可分為 N1~N9 等 9 種，所以 HA 和 NA 可配成各種不同的亞型。其中 H1N1 及 H3N2 亞型常見於人流感病毒，而目前禽流感則以 H5N1 亞型造成全球新型流感大流行的可能性最大。
禽流感病毒的散播
每年隨著季節遷徙的候鳥，已公認是自然界中所有 A 型流感病毒的溫床。這些候鳥可能已經帶著流感病毒好幾個世紀了，但流感病毒並不會對這些候鳥帶來明顯的傷害，因此，流感病毒可以一直存在於這些候鳥的體內，其中也包括了 H5 與 H7 型的病毒。
不過，在這些候鳥體內的病毒，通常是低致病性的禽流感病毒。已經有相當多的證據顯示，候鳥可以把低致病性的 H5 與 H7 型病毒藉由糞便等方式傳染給飼養的家禽，然後在家禽身上突變成高致病性的病毒。高致病性的病毒只有在很少數的情況下被發現，而且通常這些帶有高致病性病毒的候鳥是在遷徙途中被感染的。
因此，我們以前一直認為野生的水鳥所散布的是低致病性禽流感病毒。不過，最近卻發現有一些候鳥可以直接散布高致病性的 H5N1 禽流感病毒，而可能導致其傳播隨著候鳥的遷徙而變得更快更廣。
在家禽類中廣泛散布的 H5N1 病毒，主要由兩方面威脅著人類的健康。第一，病毒很可能直接從家禽傳染給人，造成非常嚴重的疾病。在少數可以跨越物種，而由禽類傳染給人的禽流感病毒中，以 H5N1 亞型為最，目前已經有許多被感染造成嚴重症狀，甚至死亡的人類病例。
這些病毒與人流感病毒不同，人流感病毒只會使大多數人產生呼吸道症狀，包括發燒、頭痛、肌肉痛、流鼻水、咳嗽、喉嚨痛或結膜炎。但是，H5N1 禽流感病毒感染初期的病徵雖與人流感類似，後期則會造成嚴重侵犯性的臨床症狀，包括肺炎、呼吸衰竭與多重器官衰竭，致死率相當高，甚至超過 50%。更引人注意的是在這些病例中，大部分都是健康的兒童或年輕人。
第二，更令人擔心的是，當病毒持續不斷地變異時，可能會突變成為一個對人具有高度傳染性的病毒，可以很快速地在人與人之間傳播，而造成全球性的流感大流行。
人類感染禽流感的病例
1997 年在香港首次發現人類感染 H5N1 禽流感病毒的案例，當年造成 18 人感染，其中 6 人死亡。幸好，香港立即採取了大規模的禽鳥撲殺，及時遏止了大流行的危機。之後在 2003 年香港又發現 2 人感染，1 人死亡，這兩個病患在感染之前曾到過中國南部，推測可能在大陸受到感染。
自 2003 年 12 月起至今 (2005 年 11 月 7 日), 經由實驗室確認的人感染禽流感病例，分布在東南亞的柬埔寨、印尼、泰國及越南 4 個國家，總共造成 124 人感染，其中 63 人死亡，死亡率達 50%, 其中以越南和泰國案例最多。此外，亞、歐洲等地至少 15 個國家已陸續發現禽鳥類的感染。由在禽鳥身上發現 H5N1 病毒的區域越來越多的情況來看，若無法有效防制人類的感染，在不久的將來，可能會有越來越多的國家出現人類感染的病例。
禽流感的傳染途徑
接觸禽類或其糞便污染的物體是人類感染禽流感的主要途徑。到現在為止，絕大多數的人類病例都是發生在農村或城市郊區，這些地方四處可見禽類自由進出人的生活空間，人與禽類之間完全沒有任何的隔離，因此很容易受到感染。
此外，在亞洲許多國家的人民會在家飼養禽類做為食物及經濟來源，而且許多生病的禽類也可能被屠宰及販賣，這可能會造成人類因此而感染。特別是在禽類被屠宰、去除羽毛以及烹煮的過程中，最可能使人暴露在大量的病毒下。幸好，現在並沒有任何證據指出，煮熟的禽類或蛋會是感染禽流感的來源。
全球性流行的危機
禽流感是否會引發全球性的大流行，與下列三者有關：是否是一種新的流感病毒亞型、是否可感染人類並造成嚴重的疾病、是否可有效快速地散布，造成人與人之間傳染等。目前，H5N1 病毒已經有其中的兩個條件：H5N1 病毒對人類來說，是一種新型流感病毒；感染案例已經超過 100 人，且有一半的病例死亡。目前只差一個條件就很可能引起大規模的流行：病毒散布容易且可以在人與人之間傳染。由於大多數人沒有足以對抗 H5N1 病毒的免疫力，因此很有爆發大流行的危機。
流感病毒可以藉由兩種主要的機制產生基因變異，增加其在人類之間的傳染力。第一個機制是基因重配 (reassortment): 當感染人類與感染禽鳥類的流感病毒同時感染人或豬隻的時候，不同源的病毒基因可能會利用這樣的機會開始交換。只要有這樣的機會發生，禽流感病毒就會變成更有傳染力、更有可能造成大規模流行的病毒。
第二個機制則是經由病毒基因突變，演變出可以有效地感染人類細胞的病毒。隨著病毒不斷地複製，病毒突變也可能持續增加，一旦突變成可有效地感染人類的病毒，便可能發展成人傳人的禽流感病毒 (有效性人傳人病毒)。
目前的禽流感必須要相當近距離地接觸病患，才會發生人傳人的情況 (屬於有限性人傳人病毒), 要達到真正人傳人的情況還有相當的距離。即便是有一些家族性感染病例的報導，但仍無法確定這些病例是藉人與人之間的傳染，或是因為暴露在同一有禽流感病毒的禽畜環境中所造成的。
但是，就目前禽流感 H5N1 病毒已經侵襲大部分亞洲國家的情況來看，受到感染的人類病例仍會繼續增加。當越多人受到感染時，病毒越可能突變成可以直接人傳人的病毒。同時，禽流感病毒藉由鳥類遷移所散布的地區也越來越多。因此禽流感已不是「會不會來的問題」, 而是「什麼時候來的問題」, 它引起全球性大流行的可能性仍在持續增加中。
疫苗及抗病毒藥物
我們對於即將來臨的大流行，是否完全束手無策呢？目前所發展出對抗病毒、防治病毒的感染與擴散的方法，包括施打疫苗與服用抗病毒藥物，而我們是否也可以利用這兩種方法對抗日益嚴重的禽流感疫情呢？同時，我們又會遇到哪些難題？目前在各大醫院及診所施打的流感疫苗，主要是用來對抗流感病毒，包括 A 型流感病毒的 H1N1、H3N2 亞型及 B 型流感病毒。這些疫苗是用來降低人感染人流感病毒的機會，並不能保護人們抵抗禽流感病毒。即使已經有些國家正在發展 H5N1 病毒的疫苗，但是仍未能大量生產，因此，目前並無法完全依賴生產禽流感疫苗來對抗禽流感。
不過，已經有一些研究正針對各種實驗室中現在所生產的疫苗是否具有保護效果，以及是否不同的製程可以得到更經濟、更大量的疫苗進行臨床測試。目前的隱憂是即便現在開始生產，產出的疫苗量仍遠低於大流行時所需要的。
在抗病毒藥物方面，目前已經有兩種藥物可以減輕一般性流行性感冒的嚴重程度，並且減少發病時間，分別是羅氏藥廠的克流感 (TamifluR) 及 GSK 藥廠的瑞樂莎 (RelenzaR), 這兩種藥需要在病人出現症狀 48 小時內服用才有效果。而對於禽流感病毒，雖然由臨床所得到的數據並不多，但早期給予這兩種藥物，也有增加病患存活率的效果。
至於其他的藥物如金鋼胺 (amantadine) 與金鋼乙胺 (rimantadine,C12H21N), 雖然也可以對抗 A 型流感病毒，但是已經有些 H5N1 病毒對這兩種藥物產生抗藥性，因此並不適合用於治療禽流感。然而，上述抗病毒藥物克流感及瑞樂莎生產數量不足，再加上一些國家藥物價格偏高，因此可能無法廣泛地利用。除此之外，由於生產的技術相當複雜且費時，若以現在的生產技術，可能必須花費 10 年的時間，才能生產足夠的藥物以治療全球 20% 的人口。
禽流感大流行可避免嗎
沒有人確切地知道應該如何預防禽流感的全球大流行發生，不過，最根本的方法應該是把病毒從禽鳥類身上移除，這樣就不會造成病毒大規模的散布，甚至感染人類的情形。然而，這樣的做法似乎有些不切實際。
在 2006 年初，羅氏藥廠將贈送 3 百萬劑抗病毒藥物給世界衛生組織。依據預測疾病流行的模組估計，這些藥能夠在禽流感一開始流行時，建立對抗病毒全面性擴散危機的防線，或至少減慢全球性的散播速率，以爭取生產禽流感病毒疫苗的時間。
臺灣對抗禽流感的準備
為了因應禽流感病毒的肆虐，國內衛生署一直積極地準備抗病毒藥物及病毒疫苗，並以雙軌方式爭取製造克流感，一方面向羅氏藥廠提出製造許可要求，另一方面以「國家緊急狀況」為由，向智慧財產局申請強制羅氏藥廠授權臺灣自行製造克流感，若通過將給羅氏藥廠補償金。國家衛生研究院日前也嘗試自行生產克流感，目前已成功合成純度達 99% 以上的產品。
此外，疾病管制局、國家衛生研究院、中央研究院、工業技術研究院等單位，也參與國際間 H5N1 禽流感疫苗的研發工作。國衛院將建置疫苗先導工廠，擬與廠商合作在臺設置疫苗廠，同時強化國內病毒實驗室，加強對禽流感的監控，希望能夠以最好的準備對抗禽流感病毒的侵襲。
「勿恃敵之不來，恃吾有以待之」, 我們只需做好萬全的準備，就能以平常心對抗禽流感可能的流行。 |
無處不在的空間資訊:防救災的地理資訊系統科技 | 臺灣位處歐亞大陸板塊與菲律賓板塊的交接帶，河短流急，地殼活動劇烈且岩石構造破裂。由於地狹人稠，導致山坡土地超限利用，每逢颱風或地震等各種天然災害發生時，容易產生重大的災情，嚴重威脅人民身家財產。因此建立一套完善的防救災體系，並且納入生活之中，成為當今政府與每一位國民所須面對的重要課題。
地理資訊系統 (geographic information system, GIS) 是一種包含硬體、軟體、圖形與屬性資料的空間資料庫，它能夠藉由電腦設備與地理資料的組合，快速準確地提供空間資料的連結、儲存、規劃、查詢、分析及展示等功能。此外，拜電腦快速發展之助，其成果已可由二維空間轉換成以三維方式展示，或結合物件導向程式語言，另行開發執行軟體，在視窗、圖形工作平台上作業，以建立適合各種需求與任務的決策支援系統。因此若將空間中的各項整合資訊應用於自然災害的防治當中，相信一定可以獲得極為顯著的成效。
本文除了介紹目前可應用於防救災技術的新興科技外，同時也介紹三個應用地理資訊系統技術於防救災科技，有相當成效的實際案例，這三個成果分別是「利用遙控無人飛行載具進行土石流災區的監測」、「避難場所的決策支援系統」與「土石流災害應變中心」。
由上述這些案例當中可以說明「防災地理資訊系統」的建置成效，平時可作為災害資料的蒐集與人員模擬訓練的應用，於災害發生時可作為救難搶修單位執行工作的資料來源，更重要的是，可於災後作為人員安置與重建時的重要參考。因此建立有效的防災系統與體制，是政府各部門當前極為重要的核心工作之一。
地理資訊系統的發展史
基本上，地理資訊系統的發展與空間資訊的應用，是息息相關的。所以地理資訊系統的起源，可以追溯到十九世紀人類對於空間資訊的運用開始，也就是地圖的運用。當時的地圖相當於圖形的資料庫，而描述地圖訊息的內容就相當於屬性的資料庫，兩者的結合可以說是一種地理資訊系統的雛形。
當然在電腦尚未蓬勃發展之前，這一雛形與理想的地理資訊系統有很大的差異。首先是在地圖上空間資訊不宜有過多的疊層分析，太多的資訊將會造成資訊辨識的困擾，另一方面資料的即時更新有其困難，更重要的是圖形數據與屬性數據是難以共同連結與分析的。
這個問題直到二十世紀五○年代才發生了改變，那時電腦已有了初步的發展，因此有人使用電腦來蒐集、儲存與分析各種航空攝影所獲得的資料，並使用電腦進行數據分析與資訊的取得，以作為處理問題的決策依據。但受限於當時電腦運算的能力，成效並不顯著，可以說是人類在這個問題上的嘗試期，所以二十世紀五○年代可說是地理資訊系統技術的啟蒙年代。
進入六○年代，地理資訊系統開始快速發展，最早是由一位加拿大籍的土地測繪學家唐林森 (R. F. Tomlinson) 提出地圖數字化管理分析的構想開始，這也是日後地理資訊系統開始發展的濫觴。他在一九六二年開始使用電腦進行森林的分層管理與統計分析，並獲得相當良好的結果，因此在加拿大政府的大力協助下，於一九六三年製作成世界第一套的地理資訊系統，並提出了地理資訊系統這個專業術語。同時，美國哈佛大學的電腦圖形研究室也開始積極投入電腦地圖的分析系統，並且發展出名為 SYMAP 的一套地圖分析軟體。
七○年代可說是地理資訊系統鞏固、發展階段。此時電腦技術已逐漸成熟，電腦設備也逐漸走入學校及各研究機構中，更重要的是電腦系統當中一個不可或缺的伙伴 - 磁帶，也在此時發展成熟，可提供電腦進行大量的數據儲存，特別是在空間數據的輸入、儲存、檢索與輸出提供了強而有力的協助，促使地理資訊系統朝向應用方向迅速發展。當時世界許多國家，例如加拿大、美國、日本、西德、瑞典等，都相繼發展屬於自己的地理資訊系統。此時，地理資訊系統這一技術，已受到政府、學術研究單位與業界的高度重視，而成為一個令人注目的新領域。
八○至九○年代可說是地理資訊系統普及與應用的階段。由於電腦硬體的成功發展，並且推出圖形工作站與桌上型個人電腦之故，使得地理資訊系統被廣泛應用於許多不同的領域；另一方面，由於網路的建立，使得地理訊息傳輸的能力大為提升。
地理資訊系統的軟體與硬體的發展，使得它可以用來解決許多公共工程規劃，如道路、人口分布、管線等問題，並且還可將其應用於複雜的區域發展分析，例如土地的合理應用、都市的發展及人口規劃與布置等，使其成為投資與決策不可或缺的資訊之一。此外，將地理資訊系統與遙感探測所獲得的資料結合，可成為分析全球性問題的有效工具，例如全球荒漠化、土地適宜性評估、酸雨現象、環境資源評估、溫室效應等影響人類生存或發展的各項重要議題。
時至今日，藉由地理資訊系統的幫助，人類在針對問題作決策時的想法與習慣早已有所改變，我們的日常生活也日漸受其影響。未來，地理資訊系統極有可能成為桌上型電腦系統的一部分，就如同現有的文書處理、簡報、試算表等，成為電腦系統的基本功能之一。也就是說，地理資訊系統未來將走入我們的生活中，成為日常生活的一部分。
地理資訊系統與防災科技的關係
近年來，隨著科技資訊的突飛猛進、個人電腦效率的提升、視窗作業環境的普及、網際網路的快速崛起與嵌入式作業系統的發展，再加上網際網路地理資訊系統技術、元件式地理資訊系統技術的發展，已逐漸改變了地理資訊系統發展的趨勢。這些科技資訊的發展，促使桌上型地理資訊系統與攜帶型地理資訊系統應運而生。
地理資訊不單可以透過多種不同的管道與界面，例如個人電腦、網際網路、個人數位助理 (PDA) 或行動電話，供使用者運用，使用地理資訊技術的成本也大幅降低，人們再也不需要花費大筆資金，購買昂貴的硬體與軟體，使得地理資訊系統得以走入普羅大眾的日常生活中，地理資訊系統的普及化已然成為未來發展的新趨勢。這樣的發展除可增進人類生活的便利與水平外，當災害發生時，就能轉變成災害評估與控管的利器；目前應用於災害控管的新科技，多集中於電子地圖、個人數位助理等方面。
對於電子地圖而言，基本上多是以網站的型態呈現於世人面前。一般而言，該類型的網站以提供生活資訊為主，配合電子地圖與地理資訊系統等功能，提供民眾有關食、衣、住、行、育、樂等相關生活資訊服務。
以「臺中任逍遙」網站為例，該網站提供了一個將地理資訊系統的電子地圖與生活資訊結合應用的良好範例，在地圖中囊括了生活上的食、衣、住、行、育、樂等訊息，透過圖形展示出來；另外，使用者可以透過多種查詢方式獲取生活資訊，如路名查詢、區域範圍查詢、地標查詢。地圖內容則包括購物、休閒旅遊、醫療、文化、政府機構、以及重要地標等 22 類生活設施，堪稱是目前台中市資料最完整的生活資訊網站。
此外，該網站所建立的相關內容，也是災害發生時不可或缺的重要資訊，例如相關處置及人員車輛指派、避難地區的位置、急救站的位置、公部門的相關位置等。因此電子地圖的功用，於承平時期為生活資訊的來源，在災害發生時即成為緊急救難的重要資訊。
隨著電子時代的來臨，利用電腦處理個人事務已越來越普遍，然而筆記型電腦在電池容量、體積、重量上還是無法方便到可以長期隨身攜帶。如果使用者只需用到「電話本」、「記事本」這種如殺雞般的功能時，動用到如牛刀一樣的筆記型電腦反而不見得合適，雖然筆記型電腦的速度快、容量大、功能多，但是個人數位助理也能適度地提供這樣的需求。
目前個人數位助理的資料建構方式，有無線資料傳輸、記事本、無線通訊、手寫輸入、快閃式記憶體等，以及具有文數字、圖形、影像資料處理等多項功能，體積小容量大，已成為未來行動通訊的主流趨勢，也是環境保育、工程查報與災害工作控管的重要工具。
上述的科技若能與地理資訊系統結合，將其應用於防災業務等方面，相信一定可以發揮極為有用的功效。接下來就讓我們一同來了解，目前地理資訊系統應用在防災業務上的最新發展，以及未來可能的發展方向。
以遙控飛機執行監測
臺灣的山坡地分布極廣，約占總面積的四分之三，各地區的災害發生原因並不相同，加上地勢險惡、交通不便且具危險性，通常在災害例如颱風、地震等發生後，人員無法深入災區查看受災程度。為了爭取時效與掌握救災重點，以及日後評估復建成效，通常使用遙感探測技術進行災區問題的監測。所謂「遙感探測」是利用航空載具攜帶感測儀器，從空中蒐集地表上各種光譜資料，加以處理、分析、解釋，以了解地面目標物特性的技術。進行遙測的載台種類甚多，一般耳熟能詳的有衛星、飛機、熱氣球等。
對於土石流災區而言，由於災害發生位處山區，災情分布又極為廣大，若使用上述的載台除了拍攝費用昂貴之外，準備工作也需花費一段時間，對於災害地區的搶救與復舊，顯得緩不濟急。於是人們嘗試使用另外一種價廉且可快速獲得災區影像的方法，雖然所獲影像品質與其他載臺所拍攝的影像仍有一段差距，但災區搶救，時間第一，利用遙控無人飛行載具進行災區監測，是目前較為可行的方法之一。
每一種遙控無人飛行載具都會受到飛機酬載重量及體積的限制，較大機身及發動機雖然具有較高的酬載量，卻有耗油及操控不易等缺點，故在載具及酬載器材的選擇上須妥善評估，以避免發生適用性的困擾。
土石流災情分析系統
遙控無人直昇機於災後可迅速攜至現場，經規劃飛行路線後，即可起飛執行任務，將災情以相片 (正片) 方式拍攝，拍攝後重新洗成照片，使用掃描器將照片數位化，並進行影像的幾何校正。所謂影像幾何校正，就是將拍攝回來的影像，配合適當的地圖與參考座標系，經由數學公式的轉換，就可獲得一幅具有地理座標系統的影像。
這類資訊透過地理資訊系統並結合數位地形模型 (digital terrain model, DTM) 等資料，就可評估分析災區土石流所造成的影響，如面積、土方量、工程受災情況...... 等，利用上述資料即可發展出「土石流災情分析系統」。此一系統可提供空間查詢分析功能，彙整並分析災情與變遷的各種情況，特別是在受災面積的計算 (水平 / 立體表面積), 以及土石方量等問題的評估方面極具功效。此外，它還具備立體動態飛行模擬能力，可以提供使用者自訂飛行路線、高度、視野，以監測土石流災情或土地變遷的場景。
數位地形模型 (DTM) 是利用電腦，以數位化的方式將地貌特徵記錄下來，因此我們也稱之為數位高度模式 (digital elevation model,DEM)。數位高度模式並非只是單純的地貌高度資料，我們可以利用這些點與點的數位化資料，進行類似在等高線地形圖上的分析，以取得如稜線、水系、坡度、坡向等資料。現今全臺灣已經完成了 40 × 40 公尺的規則網點地形高度資料。
最後將前面所述的各種資料加以整合，透過地理資訊系統就能以視覺化的方式展示土石流災情及土石流災後的模擬情境圖。
避難場所決策支援系統
地理資訊系統的另一項功能就是建立「避難場所的決策支援系統」, 以規劃都市緊急避難據點。由於當前國內各都會地區尚無避難路線的規畫，一旦災害發生，人員疏散將是一項極大的考驗；因此，此一決策支援系統是以逃生避難者的角度作為切入點，進行思考。一旦當災害發生時，該往何處去？哪些地方是合適的避難場所？如果避難場所無法使用、額滿或避難道路受阻，該如何應變？是不是另有可行的替代方案？這些都是決策支援系統所探討的重點。
另一方面，由於災害發生時會導致水電、通訊中斷，影響臨時安置所的生活機能，也造成政府在救災指揮及聯繫協調上的困難，無法充分發揮其調配與支援的功效。如果能事先選定避難場所，對政府在防災、救災、安置、重建及調查統計方面都有相當的助益，同時可以避免產生二次災害，造成民眾生命財產更大的損失。
此一決策系統採用國內外相關文獻及九二一大地震的現況調查，做為規劃未來避難場所的基準，以此規畫基準做為逃生避難路線與區域選擇的依據。此外，將逃生避難者的心理因素和避難行為，與避難場所的互動關係串聯起來，並參考九二一大地震後避難行為的現況調查，尋求較為合理的避難方式，再與適當的區位理論結合，使得避難逃生者有一較明確的逃生避難方向與選擇。同時也可以藉此評估目前避難場所區位的適當與否，並可預先規劃當避難場所無法使用、額滿或避難道路受阻時，其他替代的避難場所及逃生動線。
考量上述所探討的各項變因，並根據災害發生狀況與等級，定出某一地區的「緊急避難場所」、「臨時避難場所與臨時收容場所」及所謂的「中長期收容所」, 並且規劃出合理的區位選派模式。以一個相當典型的規畫案為例，首先利用地理資訊系統對某一地區進行基礎資料建置 (道路、公共場所、消防、醫療體系等), 根據遴選模式的評比，再考慮交通的狀況與災害範圍影響等因素，最後選擇出學校、公園、寺廟、停車場等地作為避難地區，進行災民的安置與災民的救助。當然這樣的系統，除可提供相關單位平時進行災前演練與物資調度外，一旦發生災害，也可使得災害所造成的影響降至最低。
土石流災害應變中心
最後談到另一個地理資訊系統的成功應用案例，那就是「土石流災害應變系統」的建置。建立此一系統的主要目的，是為了在颱風豪雨來臨時，有足夠的資訊提供給水土保持局土石流災害應變中心，以研判土石流發生的可能性，並適時發布土石流警報，讓民眾得以及時疏散。
此一應變系統是利用地理資訊系統與網際網路技術，將空間與屬性資訊結合，以提供展示、儲存、管理、分析與決策的決策支援系統。它不但可以進行多元化的資料展示，也可以充分提供管理單位多方面的資訊，以作為政策研擬的參考依據，提供管理者更宏觀的管理規劃。土石流資訊系統採用多階層架構規劃，以提升系統效率及穩定性。目前土石流災害應變系統硬體規劃架構，可區分中央氣象局、水保局土石流應變中心及使用者三大部分。
中央氣象局主要負責提供各種氣象資料，如颱風預報資料、衛星雲圖、即時雨量資料。目前水保局土石流應變中心與中央氣象局間以專線方式連接，前述資料由氣象局端 Linux 氣象資料伺服器，主動將即時氣象資料傳送到水保局土石流應變中心端的 Linux 雨量接收伺服器。
水保局土石流應變中心負責將氣象局傳送到水保局 Linux 雨量接收伺服器中的各種氣象資料，加值處理後儲存於資料庫中，並透過土石流發生基準值模式演算後，獲得各地行政區土石流警戒參考狀態。土石流應變中心的核心工作，分別由雨量加值工作站、土石流警戒分析工作站及土石流資訊伺服器三部電腦所構成。
雨量加值工作站主要針對氣象局颱風預報單、雨量站十分鐘即時雨量及衛星雲圖三種資料做加值處理。土石流警戒分析工作站主要針對氣象局雨量站資料進行內插，計算出各鄉鎮累積雨量及降雨強度等雨量資料後，透過土石流臨界值分析模式加以計算，以評估各地土石流警戒狀況。土石流資訊伺服器中架設有土石流資訊系統網站，可將雨量加值工作站及土石流警戒分析工作站處理後的結果公布到網際網路上，以提供民眾或其他防救災應變中心最即時的土石流警戒與災情狀況。
當災害即將來臨或正在發生時，為了讓土石流資訊可以快速地透過網際網路，傳遞到各級災害應變中心，以及讓民眾了解土石流最新相關訊息，此系統資料顯示界面採取網頁方式設計，只要透過瀏覽器即可連結到本網頁，瀏覽最新的土石流相關訊息、颱風資訊、雨量資訊等。土石流相關訊息包括土石流統計、土石流查詢、土石流分布圖、疏散路線圖、電子報訂閱等；颱風資訊包括颱風軌跡圖、台灣地區與東亞地區的紅外線雲圖與藍底雲圖、雷達回波圖；雨量資訊包括雨量站分布、各行政區或雨量站的雨量資料等。
透過地理資訊系統及新興科技的幫助，才得以建立各種災害預警系統，使民眾對於災害的預防與應變，有更為從容與妥適的處理能力，這又是地理資訊系統保護我們身家財產安全的另一成功實例。
未來展望
從以上的介紹來看，地理資訊系統在防災業務方面，實在是一個不可或缺的好幫手，相信在不久的將來，地理資訊系統的重要性就如同汽車、電器、手機般深植在你我的生活中，成為日日相隨的好伙伴。至於未來的發展，地理資訊系統會有怎樣改變呢？以目前系統發展的趨勢來看，在未來的幾十年內，地理資訊將朝幾個方向發展，包括資料標準化、資料多維化、系統物件化、網路化與應用社會化等。
在資料標準化方面，未來各種軟體開發的商家，在資料交換上將會依循共同的標準，以降低資料的重複建置與交換時的損失。在資料多維化方面，目前地球資訊系統的主要應用尚停留在地球表面資料的處理上，大多數地理資訊系統平臺都能夠支援點、線、面的空間物體，但對於曲面仍無法提供良好的支援，因此對於自然景觀或是曲面物體的表達無法逼真。目前多維地理資訊系統的研究重點，多集中在三維資料結構如數位表面模型、柱狀實體等的設計與展現，以及視覺化技術的運用等方面。
在物件化地理資訊系統發展方面，未來的各種地理資訊系統都會變成元件化，其特色就是類似「積木」般可任意組合，因此使用者可以視本身需求開發屬於自己合適的地理資訊系統。最後，網路化的效益就十分明顯了，透過網路的連結可以有效地流通資訊，而從全球資訊網 / 萬維網 (WWW) 的任一節點，網際網路用戶可以瀏覽網路化地理資訊網站中的空間資料製作主題圖，進行各種空間檢索和空間資料分析。
由於這些資料均取材自地球上的各種環境，當然這些資料可以整合成一個全新的數位化系統，也就是所謂的「數位地球」。數位地球的誕生，會為人類生活開啟一個嶄新的面貌，有助於社會進步與生活水平的提升。當然我們最關心的防災業務，將來也可完全納入此一系統中，如此一來藉由空間分布及屬性資料的展現，可讓決策者更能有效率地制定最佳的空間資訊政策。一方面可降低災害對人類的衝擊與損失，另一方面可有效達成災害預防與災後重建的目的。 |
地理資訊系統–為魚造屋選址 | 人工棲所
人工棲所 (artificial habitat) 在早期又稱為人工魚礁 (artificial reef), 是指把天然或人造的物體投入海中，藉著這些物體的特殊複雜結構，提供海洋生物一個棲息、避敵及索餌的場所。最早是許多漁民利用魚群會群聚在這些物體附近的特性，把一些天然的物體，例如椰子樹幹和捆紮木等等，投入海中，用來吸引魚群、蝦類和貝類，以提高漁獲量。
自 1950 年起，日本與美國陸續實施設置人工魚礁的大型計畫。1960 年以後，法國及澳洲也開始推動。我國最早於光復初期，在屏東林邊一帶沿海，投放 358 個空心水泥礁。民國 59 年沿著苗栗後龍一帶沿海，投置少量的魚礁。至於真正開始有計畫地投放人工魚礁，是在民國 62 年，持續迄今也有三十多年了。投放人工魚礁的效果，可以由許多魚礁投放後的效益調查報告得到證實。在 1988 年第 4 屆國際人工魚礁會議中，也因為肯定人工魚礁的效益，而正式把它更名為人工棲所。
然而，人工棲所的位置不是可以隨意選擇的，必須考慮非常多的因素，例如魚群的種類、經濟效益、水文環境等。因此，在哪裡及如何施放適當的人工棲所，都需要好好地事先評估。
近年來，由於漁具漁法的進步，臺灣沿岸海域的水產資源已日漸減少，海洋資源棲地如何復育已經成為漁業政策中不可忽視的重點之一。而人工棲所除了能改善海洋環境、提供海洋生物棲息、索餌、避敵的場所外，還可以間接防止拖網船侵入沿岸海域作業，保障沿、近海的漁業資源，也兼具資源培育和保護的功能，所以設置人工棲所可以說是一舉數得。
地理資訊系統
根據內政部資訊中心在 1993 年的定義，地理資訊系統 (geographical information system, GIS) 是一套可以幫助我們處理地理資料和協助空間決策的電腦系統，具備地理資料的輸入、處理、管理、分析及輸出等功能。由於是一套架構在電腦下的操作系統，所以它的發展與電腦技術的演進有相當大的關聯。
自從 IBM 在 1960 年代推出第二代電腦以後，地理資訊系統的技術也隨之萌芽。1963 年世界第一套地理資訊系統–加拿大地理資訊系統開始運作，主要應用在土地的利用和自然資源分布的調查上。
在 1970 年代，個人電腦問世，GIS 資料處理的能力大增，同時繪圖技術的進步，也逐漸取代了傳統的人工繪圖方式。在 1980 年代，dBase、Oracle 等關聯性資料庫的發展，為當時的 GIS 提供了良好的屬性資料處理工具。1985 年以後，許多 GIS 的軟體也逐漸轉移到個人電腦平臺，使得 GIS 的操作簡便許多。到了 1990 年代，GIS 已經是集電腦繪圖、遙感探測、電腦輔助設計和資料庫管理等 4 門領域的學問。這時，GIS 的應用領域漸廣，技術也日趨成熟。
至於我國 GIS 的發展，則在 1975 年就已開始萌芽。1980 年內政部成立「國土資訊系統推動小組」後，就開始大力發展。1990 年後隨著內政部「國土資訊系統」計畫的推動和電腦的進步，發展更迅速，到今天已經展現諸多成果。
資料處理流程
在 GIS 的建置過程中，最耗時、費力的工作就是資料的收集和匯入。所收集的資料型態可以區分成空間資料 (spatial data) 和屬性資料 (attribute data) 兩類。在空間資料的輸入方面，在這裡介紹的主要是採用紙圖數化的方式。所謂數化，是指把一般紙圖及文字資料轉化成電腦數值檔案的步驟。對於紙圖，一般使用「數化板點圖數化」和「螢幕數化」兩種方式。至於文字資料，則多採用鍵盤鍵入的方式。而在紙圖數化前，除了紙圖清繪工作以外，投影、座標系統和控制點的選定也相當重要。
空間資料和屬性資料數化建檔完成以後，就可以開始進行圖層的疊合和查詢的工作。所謂疊合是指把至少 2 張以上的圖層加以套疊，並進行分析處理的程序，但在疊合處理前需要先確認想要疊合的圖層的比例尺、座標系統和解析度等是否一致，以免影響所得到的套疊圖層的精確度。
以西南部的人工棲所分布位置為例，臺灣西南海域人工棲所的設置地點，主要集中在高雄、屏東沿岸一帶，還有一些零星礁區分布在臺南及嘉義沿岸。在查詢方面，除了一般簡單的查詢，例如人工棲所設置的數量和設置地點外，還可以利用結構化查詢語言 (structure query language, SQL) 進行空間和屬性資料的查詢統計，並用來檢驗它們中間的連結是否正確。例如可以利用 SQL 選取歷年投放在高雄縣沿岸的人工棲所，並進行投放數量的累加計算及輸出。
另外，也採用克立金法針對臺灣西南部海域水深、底質等參數進行推估，將網格解析度訂為 0.01 度，並把所得結果匯入 GIS 資料庫中。至此，相關 GIS 資料已大致建構完成，可開始進行人工棲所選址模組的研發工作。
人工棲所選址評估模組
人工棲所選址的評估程序，可以分為「階層篩選」和「多評準決策」兩方面。
階層篩選主要是依照人工棲所設置地點的可行性進行評估，先去除部分固定的因子，例如離岸 3 海里外、工業區和垃圾場等因子影響的範圍、河川出海口和其他如廢彈棄置區、航道等範圍。主要採用的篩選去除條件，可以區分成法規因子–離岸 3 海里外的範圍，人為的環境因子，自然的環境因子，以及其他因子–特定區域等。
多評準決策採用層級分析法進行人工棲所選址模組第二階段的研發工作。分析法的處理程序是建立層級關係、建立成對比較矩陣、求得各層級所屬的權重值、以及計算各因子的權重值。所得到的總權重值，就是人工棲所設置地點的適合度指數，數值越高表示越適合設置人工棲所。
進行階層篩選時，把海底電纜區、保護礁區、廢彈棄置區和禁止拋錨區等，依據各種不同因素進行不同範圍的環框處理。再把這些區域的環框範圍，從階層結果的圖層中加以濾除，就可以得到人工棲所區位選址模組中候選海域的圖層。
再把海底底質、水深和海底坡度等圖層經過統整處理以後，將層級分析法計算所得的權重值以 SQL 分別賦予這些因子，並計算各自所得的總權重值，這數值就是人工棲所設置的適合度指數。
如果把所得總權重值分成「最適合投放」(權重值介於 0.266~0.41 之間)、「適合投放」(0.132~0.265)、「尚可投放」(0.067~0.131) 和「不適合投放」(0.051~0.066) 等 4 個等級後，即可進行適合度主題圖的繪製。
人工棲所的設置情形
把歷年人工棲所分布的 GIS 圖層和行政區界圖層疊合以後，可以看出歷年來在研究區域設置人工棲所的情形，礁區分布較密集的有臺南市、高雄縣和屏東縣北端沿岸一帶。
至於在設置資料查詢方面，除了對人工棲所礁區經緯度、設置數量的一般查詢之外，還可使用 SQL 進行查詢和運算的工作。例如，如果想要查詢 86 年度在高雄縣彌陀魚礁區所設置的人工棲所資料，可以用礁區名稱和設置年度做為複合查詢的條件，配合 SQL 與 GIS 的互動查詢介面，從 GIS 資料庫中選取符合的資料，並把結果標示在空間展示圖上。如果，還想更進一步查詢它的屬性資料，可以直接點選圖上的標示，便可以得知它的經緯度、設置水深、礁型及數量等基本資料。
把歷年人工棲所分布位置圖層和人工棲所設置適合度主題圖相疊合後，可以發現歷年所投放的人工棲所絕大多數落在候選海域內，而且投放的效益和適合度指數相當一致。只有布袋、王爺港汕、漁福村、枋寮、枋寮第三及花矸嶼等魚礁區，落在不適合投放的海域內。
其中，枋寮第三魚礁區主要是因為垃圾場和保護礁等因子的影響，而花矸嶼則主要是保護礁的影響，其餘都是因為礁區位置超過沿岸 3 海里。尤其屏東漁福村魚礁區最為明顯，因為它離小琉球約 6~7 海里，而且投放的水域太深，對漁民日後的作業和事後人工棲所投放效益的調查來說，都非常不方便。日後應該避免投放在這一類的海域，或者在設立礁區時，應該縮短離岸距離，以避免這些缺點。
綜合來說，GIS 應用在人工棲所區位選址上，的確有它的可行性，這可以由得到的分析結果和過去設置的資料相吻合而得到證實。以後，如果能配合 GIS 資料的更新和其他選址條件的鍵入，並視情形調整篩選環框的大小和權重值的分配，相信未來選址模組可以更加完善方便，達到支援決策與提升人工棲所選址效益的目的。 |
福衛五號:太空飛行體的研發管理 | 福衛五號衛星光學遙測酬載飛行體及其關鍵元件，從設計到製造組裝都由國內團隊包辦。這是我國極具指標性的太空飛行體研發團隊，由國家實驗研究院的 3 個中心聯合，並與國內多個研究單位與廠商共同組成，打造第一具國產光學遙測酬載，開啟了我國自主發展遙測儀器及其關鍵元件的新紀元，建立國人自製高解析度光學酬載的技術能量。
光學遙測取像儀
執行對地觀測任務的福衛五號遙測衛星，所搭載的光學遙測酬載由光學遙測取像儀及遙測酬載電子單元兩部分構成。前者採用折反射式的卡賽格林式望遠鏡，基本上就是一具從太空對地觀看的望遠鏡，由光學元件、結構體 (含熱控元件) 及互補式金屬氧化物半導體 (complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) 型聚焦面組合所構成。
光學元件的研製包括主鏡片與次鏡片的拋光、檢測與鍍膜、透鏡研磨與鍍膜，以及帶通濾光片鍍膜。反射主鏡面直徑 45 公分、光學系統焦長 3.6 公尺，實際長度 1 公尺。其中反射主鏡面部分，突破了大口徑非球面鏡關鍵技術，並透過精密修正拋光使精度提升到奈米等級，只有幾個分子大小的誤差。這些元件還須通過太空嚴苛環境的考驗，如劇烈的高低溫度變化，可接受相當於地表 7.5 萬年的高能粒子輻射量，也要承受發射升空時劇烈的震動。
結構體使用先進的碳纖複合材料，具有高強度、低吸溼、高穩定度、可吸收溫差且遭到溼度變形時不會影響成像品質等特性，產生的應力也不能導致鏡面變形而影響光學性能，並需通過火箭發射動態環境及適應太空環境的需求。鏡面操作溫度範圍設定在攝氏 18~22 度間，工作時溫度則有賴熱控元件 (如多層熱絕緣材、溫感器、電熱器與散熱片) 以閉迴路控制。
CMOS 型聚焦面組合是光學遙測取像儀的影像感測器，由國研院太空中心與微像科技合作研發設計。它的核心是一互補式金屬氧化物半導體感測器，這樣的感測晶片從 1 片 8 英寸晶圓中只能切割出 5 片。
CMOS 感測器的長寬分別是 12 公分與 2.4 公分，含有 5 條長達 12 公分的線型感測器，搭配多光譜濾光片與處理電子電路後，可同時感測 5 個不同光譜波段的影像所產生的各種光譜組合，以滿足不同的遙測應用。這是全球第一顆成功應用於太空對地遙測的最大尺寸線型 CMOS 影像感測器，值得國人驕傲。
飛行體系統壽命周期
系統壽命周期依美國航空暨太空總署的規範可分成六個階段：(一) 概念研究 / 概念及技術發展，(二) 初步設計，(三) 最後設計及製造，(四) 系統組裝、測試與發射，(五) 運作及持續，(六) 結束。實際作業時，同時遵循我國科技部專案計畫管考作業的規定辦理。
自 2008 年以來，這個案子成立「遙測酬載技術研發整合型計畫」以前，以遙測酬載計畫管理會議與遙測酬載技術討論會議的方式共舉行 69 次，密集進行技術可行性探索，這是概念研究階段。
關鍵元件部分，也經歷了國研院「太空級 CMOS 影像感知器研發」計畫 (2005 年 7 月～2009 年 12 月) 先期研究後，分別於 2009 年 6 月通過「福衛五號國內研製 CMOS 感知器可行性評估」會議及 8 月通過「福衛五號國內自主發展遙測酬載可行性評估」會議。本案如此慎重投入可行性的研究，是為了提高後續計畫的成功率並達成任務。
2010 年開始，這計畫正式成立，進入階段 (一) 與階段 (二), 至 2015 年 3 月底，完成階段 (三) 的最後設計及製造後，飛行體已經遞交福衛五號遙測衛星。這一過程每周都由計畫室舉行計畫管理會議，檢討進度，討論問題，精進計畫的管理與技術，至研製完成遞交飛行體為止，五年多以來共舉行二百多次。
其他各整合工作團隊 (integrated product∕process team, IPT) 也定期舉行技術討論會議，解決所遭遇的問題，如光學遙測取像儀整合工作團隊於研製期間就舉行了二百多次技術討論會。
接著，福衛五號計畫會繼續其階段 (四), 直到階段 (六) 結束。
矩陣組織
這個案子屬於國研院的整合型計畫，責成太空中心主持，其他中心包括儀器科技研究中心及晶片中心共同參與，共分成遙測酬載系統、遙測取像儀與 CMOS 感測器驗證 3 個分項計畫。
遙測酬載系統分項計畫工作分為系統工程、電子單元、聚焦面組合、結構與熱控發展、計畫管理 5 部分。其中，電子單元由鑫豪科技股份有限公司負責研發固態記錄器及中山科學研究院負責研製遙測酬載電子單元飛行體，聚焦面組合由微像科技股份有限公司負責研製 CMOS 型聚焦面組合，結構與熱控發展由漢翔航空工業股份有限公司負責研製結構體。
遙測取像儀分項計畫工作分為遙測取像儀、鏡面與透鏡、支援設備 3 部分，CMOS 感測器驗證分項計畫的工作則是 CMOS 感測器驗證。
本計畫的推動有賴各工作架構分別進行，同屬福衛五號衛星計畫總工作架構項次 5.2, 這項次的工作架構下分計畫管理、系統工程、遙測取像儀、電子單元、支援設備、CMOS 感測器驗證等。
工作架構著重於作業流程、系統、服務或產品的產出，相關專業因工作需要組成臨時任務編組；計畫架構則側重於人力、經費及進度的規劃，分項計畫多分屬常設單位，組織學上稱為矩陣組織。意即，每一分項工作架構都需由各分項計畫完成，反之，計畫架構下各單位負責的內容也可在分項工作中對應出來。矩陣組織管理，就單位而言，能保持組織穩定的精進與成長，就計畫而言，可以獲得專業技術、人力與設備的完整支援。
整合型計畫管理
整合型計畫的管理審查會議除計畫內部舉行定期會議，檢討技術問題與進度之外，中心主任並親自監督，而計畫主持人每季需向院部作進度報告，對外接受科技部與研考會管制。
國家太空中心負責本計畫的推動，是依「福爾摩沙衛星五號計畫管理方案」作業規定進行計畫管理，所有元件、材料、飛行體成品都需置於太空環境中，通過功能與性能驗證，不能有任何不符規格的項目。除例行性計畫經費與進度管理之外，管控重點還包括系統工程、合約管理、獨立驗證等，以下另闢章節分別說明。
關於階段性成果審查，依中心的計畫審查手冊規定，於重大階段完成時，由計畫或分項計畫主持人召集中心內外專家組成審查委員會，進行審查及技術稽核會議。目前已經完成辦理包括併入福五計畫的任務設計 / 系統需求聯合審查，系統設計審查、初步設計審查、細部設計審查、整合測試備便審查、技術稽核等會議則獨立完成，運送前審查與結案審查也將再併入福五計畫中進行。
所有改善項目都存在品保資訊網的待辦事項紀錄中，並逐項追蹤至問題解決，相關會議簡報、技術文件也存入品保資訊網文件管理系統中。
由於衛星科技是各先進國家列為技術輸出管制的項目，因此研發過程若出現障礙，往往必須自行克服。例如，光學反射主鏡面固定裝置就曾經讓團隊足足困住半年之久，因為固定的鏡面需承受火箭發射時最大值 25G 的加速度，同時反射主鏡面與結構體膠合後加諸在鏡面的力量也不能影響鏡面精度。
剛開始不管是黏膠或鎖螺絲都會導致鏡面變形，光機組裝團隊於是陸續設計、測試、修改，直到第六次製程設計出特殊膠合技術才克服這問題。反射主鏡面變形量從起始的 2 微米、0.1 微米一直降到小於 10 奈米，終於確認鏡面固定的應力影響鏡面的變形量可被接受。
系統工程
配合系統壽命周期，系統工程發展出不同的系統活動展現方式，其中 Vee 系統工程模型包括很有效的二階段作業流程，並廣為人熟知。階段一，由上往下，從系統發展、次系統發展，進入底層構件發展，進行架構分解與定義作業流程；階段二，由下往上，從底層構件實現、次系統實現，進入方案 / 系統實現，進行整合測試元件與系統作業流程，以整合、確認與驗證系統符合原始需求。
Vee 系統工程模型的作業流程分別對應系統壽命周期從概念研究階段的可行性概念、概念及技術發展階段的頂層架構、初步設計及技術完成階段的功能基準、最後設計及製造階段的配置基準與產品基準，最後經歷系統組裝、整合與測試發射階段與確保運作及持續支援等階段，確認都符合產品基準，完成部署基準，直到結束階段。
合約管理
這計畫主要外包的關鍵元件包括 CMOS 型聚焦面組合與遙測酬載電子單元，合約管理都依科學技術基本法第六條第四項及科學技術研究發展採購監督管理辦法辦理招標、簽約、履約、驗收、保固等。在品質管理作為上，由技術與品保人員遵循合約文件的產品保證計畫書規定，在過程中進行品質與成果審查，隨時發掘問題、監督重要檢驗點、檢討改進與確保產品符合需求，最後驗收成品 (包括飛行體) 與相關文件。
上述每一件外包合約的執行過程 (包括品保作為) 都經過非常嚴謹的履約管理，並在遞交合約文件中詳實記錄。以 CMOS 型聚焦面組合外包合約為例，其中一份合約遞交文件「福爾摩沙衛星五號 CMOS 型聚焦面組合 (FPA) 研製案成品資料集」共計九百餘頁。藉由外包或外購獲取的任何元件、材料、加工、零件等，其品質都不容許有任何疏失，才能確保整體任務的成功。
獨立驗證
本中心所有任務型計畫，包括本計畫，都由品保組派駐品質保證小組進行獨立驗證，同時向品保組長與計畫主持人負責。依國際 ISO9001 品質系統規定，採用品質管理循環 Plan-Do-Check-Action (PDCA) 手法，按規劃 (plan)、執行 (do)、查核 (check) 與修正 (action), 建置與推展 ISO 9001 品質管理系統。每年並藉由一次自我的內部品質稽查，以及認證公司的外部品質稽查，出具管理系統證書的稽查總報告，以確保本中心 ISO 品質管理系統的有效性。
品質管理循環 PDCA 適用本中心各整合工作團隊所負責程序 (如整合測試、科技專案計畫管理、系統工程、型態管理、文件管理等) 與系統 (或產品，如光學遙測酬載、遙測取像儀、電子單元等) 的管理活動。
以程序管理活動而言，本研發計畫管理的進行，由計畫室與各工作團隊協力於各級管理階層的監督管理下，都依科技部核定的年度細部計畫書進行。每周福五計畫室及各整合工作團隊都舉行工作討論會議，檢討進度，討論及解決遭遇問題。每 1~2 月由主任主持中心科技專案管理會議，每季院部會派員參與季管理會議，以協助各中心的協調工作。
計畫室並定期彙整向研考會 (施政管理系統) 繳交每季計畫執行情形、期中 (年度) 報告、當年度科技計畫成果效益報告等書面資料。如主要預算及時程變更時，則需獲得院部同意及科技部核定後辦理。計畫預算由立法院審議，當接獲監察院監督的質詢時，於期限內也必詳實回覆。
總結
搭載於福衛五號衛星的光學遙測酬載飛行體已經完成研發及遞交，預計 2016 年起，會飛行於 720 公里高的太陽同步軌道，台灣地區定點最快兩天內就可拍到 2 米對地解析度的衛星影像。本案飛行體首次由國人自主完成研發，除了突破各項高科技的障礙外，所累積的太空級飛行體研製管理經驗彌足珍貴。 |
福衛五號:福爾摩沙衛星五號系統 | 人類對太空一直充滿著神祕與好奇，但是上太空有一定的困難度，因此一向只有具備太空實力的科技強國才能發射火箭搭載人造衛星進入軌道繞著地球旋轉，甚至更進一步去探月或其他星體。國家太空中心自 1991 年創立以來就一直是台灣探測太空的先鋒部隊，自 2004 年福衛二號發射成功後，台灣便具備對地進行光學遙測的自主權。只要天氣情況允許，福衛二號每天會在同一個時間通過台灣上空遙測取像。這 11 年來，福衛二號已累積全球的無數照片，對於本土以及全球遙測影像的使用者有莫大的貢獻。
福衛五號系統架構
由於衛星使用的零件都有壽命限制，為了接續福衛二號的任務並建立自主的衛星平台，太空中心在 2008 年提出新一代的遙測衛星計畫，這就是福衛五號的開始。這新一代遙測衛星雖然沿用了部分先前的系統架構以達到最佳成本效益，但為了能夠有更高的光學品質、更快的影像下傳速度，以及更好的影像處理技術，整個衛星系統也有一些新的設計。
福衛五號使用 720 公里高度的太陽同步軌道，每兩天會再訪一次，表示每兩天會在同一時間通過同一地點上空。在台灣本島設立了兩個地面接收站，以便操控通過的福衛五號，一般的衛星健康資料是使用 S 頻段傳送，遙測影像資料則使用 X 頻段下傳。因為衛星繞著地球運行，只靠台灣兩個地面接收站並不夠，所以在靠近北極的區域會尋找一個地面站以涵蓋全球。
福衛五號使用美國的獵鷹九號發射載具，發射地點在美國加州，發射後約二至三小時就會通過海外地面站上空，可以立即使用地面站檢查衛星發射後的健康狀況。在衛星操控中心有各領域的專家提供即時的回覆與處理方案，以確保其安全操作。國內外各有一個 X 頻段的地面接收站，傳送數量龐大的影像資料以提供涵蓋全球的遙測影像。
福衛五號衛星架構
衛星的架構比個人電腦複雜，其運作的核心是一部衛星電腦，電力的來源是使用太陽能板把太陽能轉換成電能，再透過電力控制單元與電池適當地調節後，再提供給衛星上所有的元件使用。
衛星由發射載具送入預定軌道後，雖然可以藉著重力持續繞行地球，但是若只是不斷地翻轉不能穩定，或不能受控制指向某特定方向，也無法執行遙測任務以獲取有意義的遙測影像，因此衛星有一個很重要的功能就是姿態控制。福衛五號使用太陽感測器偵測太陽方位，同時使用磁力計量測地球磁場，並使用磁力棒產生設定的磁場與地球磁場產生反作用力，便可以使翻轉中的衛星慢慢穩定。
但是這樣的控制並不夠精準到可執行遙測取像，因為衛星在 720 公里的高度，只要些微的角度誤差，地球上取像的位置就會偏差很遠。為了達到更精準的姿態控制，福衛五號設計了星象儀與反應輪。使用星象儀來比對衛星與外太空星星的相對位置，可以得到非常精準的方位，再利用多個反應輪來微調衛星的角度，就可以使衛星瞄準到要照相的方位。
衛星在太空中是利用全球定位接收器來標定自己的位置，在軌道上運行一段時間後，會因為各種阻力慢慢降低高度，這時候衛星的軌道參數會改變，就不再依原來預定的時間通過預定的地點。因此配置了燃料桶及噴嘴，當軌道參數變化至超過預設值時，把衛星噴嘴轉至後方，噴出適量燃料後使衛星加速，就可以回到原來的軌道。所有的中低軌道衛星若要有較長的壽命，都必須具備這項功能。
與地面站通訊的 S 頻段及 X 頻段天線也是必備的。為了讓衛星在翻轉時能與地面站通訊，在對地及對太空的方向各安裝一支 S 頻段天線。
福衛五號搭載的酬載
福衛五號衛星搭載了兩個酬載，其中一個是執行遙測任務的遙測酬載，這是由太空中心與同樣隸屬於國家實驗研究院的儀器科技研究中心結合國內技術能量自主開發而成的。遙測酬載基本上包含了光學鏡片、以複合材料製成的結構體、帶通濾光片、以互補式金屬氧化物半導體技術製作的影像感測器，以及數位影像資料處理單元。
光學鏡片是使用國外購入的光學材料，再由儀器科技研究中心使用特殊的拋光設備研製而成，它的特性是受溫度影響的變形量很低。為了建立高強度、低質量且不易受溫度影響而變形的光學結構體，因而選用複合材料當素材，並且在成品的保存期間維持低溼度環境，以避免吸收太多的溼氣而變形。由於遙測酬載須感測不同波長的光線，因此由儀器科技研究中心開發帶通濾光片來區隔不同波長的光線。
使用互補式金屬氧化物半導體技術來製作影像感測器是台灣電子科技的強項，具體的產品就是數位相機，但是製造符合太空環境且滿足衛星使用的影像感測器仍然是一項新的挑戰。國家太空中心以既有的太空環境驗證能量，整合國內的感測器設計團隊與半導體晶圓廠製造技術，成功開發世界第一片符合太空使用的大尺寸互補式金屬氧化物半導體影像感測器。這些自主技術研發的元件最後組裝成遙測取像儀，由福衛五號搭載送入太空執行遙測任務。
福衛五號另外搭載了一個科學酬載 - 先進電離層探測儀，由中央大學太空科學研究所負責研製，是國內自製科學酬載首度登上福爾摩沙系列衛星，也是國際間首創以單一探測儀實現多合一的電漿量測儀器，可量測離子密度、離子速度、離子溫度、電子溫度等。先進電離層探測儀的「最高取樣率」可達每秒 8,192 次，當衛星在空中高速飛行時，量測電離層「電漿不規則體」的空間解析度可由公尺級邁向公分級，對於電離層電漿不規則體的特性研究會有突破性的成果。
福衛五號的整合與測試
所有衛星元件都製作完畢後，會在國家太空中心的整合測試廠房進行福衛五號衛星的機械與電機組裝。整合測試廠房提供潔淨度 100,000、1,000 與 100 的無塵室，分別提供一般測試、衛星組裝及光學組裝使用。
在機械組裝階段，所有衛星元件會安裝在衛星結構體中預定的位置，並依需要在界面處安裝散熱或隔熱材料，以增加或減少安裝界面的熱通量，再搭配安裝在元件上的加熱器，便可以在外太空真空環境中把元件控制在適當的工作溫度。衛星外部也安裝熱輻射器或以多層絕熱材料包覆，以便在真空環境中利用輻射方式控制衛星的溫度。
在電機組裝階段，所有的衛星元件會用特製的飛行線束連接，以便接收衛星電腦的控制。飛行線束就像人體中的血管和神經，它提供電力給所有元件，並且負起傳遞控制訊號的責任。
衛星在完成組裝後，會經歷各種太空環境測試，以確認可以通過嚴苛的發射環境，並且在高低溫變化劇烈且真空的環境中正常工作。這些測試包含了振動測試、音震測試、太陽能板展開測試、熱真空測試、電磁相容性測試、質量特性量測等。在每次的環境測試期間，都會重複執行衛星功能測試以確保其正常運作，因此一個完整的衛星環境驗證約需要 2 年的時間才能完成。
福衛五號系統的驗證
衛星系統是由許多需求所組成，所有的測試或分析都是為了驗證需求而執行。在完成所有的工作後，須透過電腦系統的輔助對所有需求進行完整的檢查，以確認所有需求都獲得驗證。完成這些程序後，衛星才算正式通過驗證可以送至發射場發射。 |
氣候變遷–以古為鑑:深鎖在大鬼湖中的祕密–沈積物與中國人口的對應 | 氣候的變遷對人類政治、經濟、社會、文化等方面的影響非常深遠，因此建立過去氣候變化的模式，以預測未來百年的氣候趨勢，已是當前迫切需要研究的課題。對於古環境變遷的研究而言，湖泊沈積物是相當重要的古氣候紀錄器，特別是地處深山，人跡罕至，受到人為干擾較小，沈積物保存較完整的高山湖泊。
在國科會及環保署的資助下，學者研究了臺灣不同海拔高度的湖泊，如嘉明湖 (3,310 公尺), 天鑾池 (2,900 公尺), 撤退池 (2,230 公尺)、大鬼湖 (2,150 公尺)、小鬼湖 (2,040 公尺)、翠峰湖 (1,850 公尺)、鴛鴦湖 (1,670 公尺)、蓮花池 (1,100 公尺)、變色池 (940 公尺)、馬稜窟 (700 公尺), 及阿公店水庫 (40 公尺) 等，發現湖底沈積物的有機質成分可能受當地氣候的影響，其中又以大鬼湖的資料最為完整。
大鬼湖是臺灣南部的一個次高山湖泊。由於湖底幾乎終年缺氧，沈積物保存良好，故有利於古氣候或古環境的研究。學者們乃藉其湖心沈積物的相對亮度、碳 / 氮 / 硫含量，以及碳 / 氮、碳 / 硫和氮 / 硫比值，探討距今二千五百年來的氣候變化及其與中國人口消長的關係。
大鬼湖
大鬼湖又名「他羅瑪稜池」, 位於臺灣南部高雄縣茂林鄉的遙拜山北側，湖面標高約 2,150 公尺。南、北兩側皆以海拔 2,400 公尺的高山為屏障，地勢陡峭，坡面傾角為 24~ 27 度。但東、西兩側卻僅是二公尺高的土堤，土堤以外，則是深邃的山谷。大鬼湖是三個湖串連而成的，彼此以小溪相連。南側主湖面積最大也最深，東北側小湖次之，西北側小湖最小。主湖的東西最長可達 650 公尺，南北最寬約 260 公尺，三湖面積分別是 10.87、2.2 和 0.9 公頃。
平時湖水由主湖流經東北小湖，再到西北小湖，由其西面直瀉入山花奴奴溪，再依次匯入荖濃溪、高屏溪出海。大鬼湖的集水區面積為 90.3 公頃，大約是湖面的 6.5 倍，主湖的湖盆周緣也和集水區地勢一樣陡峭，坡度約為 25 度左右。湖盆平均水深為 15.4 公尺，在雨季時，最深可達 40 公尺，乾、濕季湖水位差約二公尺。另兩個小湖水深皆不及二公尺，卻常年不枯。
大鬼湖是目前臺灣所知最深的天然湖泊，除了冬季時湖面受冷，湖水短暫上下翻滾，使下層湖水含氧外，在全年大部分的時間裡，僅表層湖水含氧。由於整個湖盆幾近無氧狀態，湖底沈積物的分解作用及底棲生物的擾動極微，再加上湖盆陡峭與湖水夠深，不易受風擾動，所以湖底沈積物保存良好，可以忠實地保存沈積時的環境狀態。集水區的地層以硬頁岩與板岩為主。
沈積物的古氣候意義
研究人員在大鬼湖共鑽六口井，取得連續的沈積物柱狀樣本，大部分沈積物呈深褐色，夾有白色或淡黃色的薄層泥。沈積物的顏色與碳質物含量及成分有很密切的關係，例如深褐色沈積物的有機碳、氮、硫含量皆很高，比淡黃色層高約三至五倍，且隨著顏色愈深，即相對亮度愈低，而含量愈高。深褐色層的碳質物成分較類似集水區的高等植物，可能代表較溫暖、潮溼的氣候。相反地，淡黃色層較前者緻密，碳質物含量較少，其碳質物成分較偏向水中浮游生物，可能代表較寒冷、乾燥氣候的產物。
大鬼湖周圍集水山區的岩性單調，地形幾近封閉，但湖底沈積物的顏色與碳質物成分竟有如此大的差異，而且有時黑 (或深褐)、白 (或淡黃) 層界面分明，顯示環境的改變相當急遽。因此，由沈積物的顏色和碳質物成分的變化，可以追溯過去暖濕 / 冷乾的氣候波動。另根據年代測定，此湖沈積速率約每年 0.5 毫米。
古氣候與中國人口消長的對應
在一三○○~ 一九五○年期間，此區氣候似乎較乾冷，但在一○○○~ 一三○○年期間則較濕暖，兩者可分別與全球性的「小冰期」及「中古暖期」相對應。同時，西元元年、五○○、六五○、九○○、一三五○、一五七○年等主要的乾冷期，也大多可和中國的乾旱期、寒冷期、高塵暴期，以及秘魯冰芯所記錄的乾冷期相對應，似乎可表現大尺度的氣候變動。目前推測，每逢乾冷時期，中國的沙塵可能隨著氣流大量飄送至臺灣，而在沈積緩慢且擾動極少的大鬼湖中保留下來，所以顯現低碳質物含量之白色沈積物。
研究顯示，大鬼湖沈積物反射光線的相對亮度指數，也與現今臺南及旗山兩氣象觀測站所測得的雨量有直接關係。利用臺南站過去一百年的雨量，以及由文獻推估而得的過去三百年的相對亮度指數，對比與大鬼湖相對亮度指數的關係，可推估大鬼湖過去二千五百年來的雨量變化。有趣的是，中國過去人口的消長時期與大鬼湖推估的雨量變化，似有相當良好的對應關係。
中國二千五百年來的第一次人口大量減少的時期發生在秦朝，死於飢荒的百姓遠多於戰死沙場的士兵，因此全國性飢荒與戰亂應為人口減少的主因。
漢武帝晚年時，一方面非生產性的勞役及賦稅太重，使得人民荒廢農田而逃亡，再加上赤地千里，淪落到了以人相食的地步。《漢書》中再三提及人口減半，也就是第二次明顯人口下降的時代。
第三次大規模的人口減少出現於王莽天鳳年間，即一四一九年。天下旱霜連年，百穀不成，人相食，人口又由高峰期往下跌。一九三年夏六月，「寒風如冬時」; 一九四年七月大旱，「人相食啖，白骨委積」。到三國鼎立時期，約二二一年，人口已減少了四分之三，這是第四次人口遽降期。甚至到了二二五年十月，魏王曹丕以舟師自淮河攻擊吳國時，因「是歲大寒，水道冰，舟不得入江，乃引還」, 這是史料上第一次發現有關淮河結冰的紀載。
四二○年開始，南北朝長期對峙，人口相對穩定，到五二○年為極盛時期。隨後的戰亂使得南北朝末期，約五五七年，出現第五次人口遽降的趨勢。之後人口回升，到隋煬帝大業五年 (六○九年) 又達到極盛期。不過，不久之後天下又大亂了，隋亡時 (六一八年) 人口第六次遽降。
經過唐朝初期的一百多年盛世，人口增加。不過長期的戰爭紛擾，加上隋唐盛世時毫無節制地在黃河上游地區墾殖、破壞草原與森林，造成土壤沙化、水土流失，使得許多原來水草豐沛，宜農宜牧的地區變成荒漠、禿嶺。到天寶十四年 (七五五年) 安祿山造反，七五九年史思明稱王時，天下大亂，唐朝由盛而衰，於八二○年時，人口又減少超過一半，此為第七次遽降期。後期雖有回升，但經過五代的動亂，到了末期，約九六○年，人口又減少，這是第八次遽降期。
北宋時期人口基本上是穩定成長的，於一一二四年達到前所未有的高峰。隨後，一一二五年金兵第一次南下，到一一四一年岳飛被殺時，全國人口再受影響，此為第九次遽降期。一一四二年宋金締和之後，人口再度回升。不過蒙古興起後，戰爭使人口再度跌入谷底，到一二七九年宋亡時，人口第十次大幅度降低。
元朝人口曾經一度短暫地上升，但元末天下大亂，群雄並起，一二九四年時又降至谷底。明初人口再持續成長，於一三九八年到達頂點，不過小冰期開始，一四○四年時又出現第十一次人口遽降期。此後於一六二六年再度回升到高峰。一六四四年明亡時，有數以千萬計的百姓死亡。一六四六～一六四九年四川連續四年大旱，「全蜀大饑，人相食，逃亡殆盡，畜無遺種」, 這是第十二次遽降期。
順治後期及康熙年間人口不斷上升，於一七九四年人口達到高峰。但當年貴州作亂，延及湖南，次年湖北白蓮教作亂。到嘉慶二年，即一七九七年時，人口第十三次下降到谷底。
中國人口於一八三○年首度突破四億。但一八五○年太平天國作亂、一八六○年英法聯軍攻陷北京後，又有回民作亂，一八七○年人口再度下降，這是第十四次遽降期。一九五九～一九六二間的人口停滯，雖然是肇因於政治動亂，但是三年的旱災，可能也有很大的關聯。
這些人口、雨量下降的動亂年代，又多與改朝換代時期相符，可能是乾旱導致災民鋌而走險，造成動亂。此外早期外族入侵，亦是導致戰亂的因素之一。如四二○年晉亡之前後一百年間的五胡亂華，即三三六～四四三年，介於第四、第五次人口突降期之間，可能是肇因於北方雨量減少，胡人迫於飢餓，只好南下牧馬，這也是氣候造成人口下降的間接因素。 |
氣候變遷的衝擊:當經濟研究遇到氣候變遷 | 經濟研究的角色
在 2 月的法國，人們竟然已經徜徉在沙灘上；在 3 月的臺灣，人們發現必須開冷氣；在 4 月的美國中西部，卻發生暴風雪；而在澳洲竟發生百年來難見的乾旱。這些現象正是我們親身體驗，看得到、聽得到的一些自然界的不尋常變化。也正是如此，最先引起人們注意氣候變化議題的就是氣候異常。
自然科學家在這一個議題上，經常以不同而且多元的衡量方式，告訴我們過去氣候的變化，和未來的 1 百年全球氣溫將上升攝氏幾度、海平面將升高多少公分、冰雪覆蓋區及北極圈冰層將改變多大的面積、動植物將如何遷移等的預測或觀察。屬於社會科學類的經濟研究，在這樣的議題上似乎顯得無用武之地。真的是如此嗎？當然不是！經濟研究可以在這些議題上做些什麼貢獻呢？基本上，經濟學不是教人如何賺錢的學科。經濟學是在社會共有的規範與認定的公平正義原則下，研判社會整體對於人力、資本或土地 (包括土地上和地表下蘊含的所有自然資源) 的使用是否達到最高效率，也就是這些資源如何在現在及未來為我們帶來最大的餅。衡量整個國家餅的大小的就是所謂的「國民生產毛額」(gross national product, GNP), 或簡稱「國民所得」。
當然，我們也關心個別產業，例如農業、高科技業、服務業所製造的餅的大小。不過就個人而言，可能更關心自己口袋中的餅有多少吧！因此，經濟學的「經濟」概念與一般人慣用「經濟」一詞的共通點，就是都隱含或其實就是代表金額、多少錢的意思，比如說，「太座是我們家的『經濟』大臣」、「唉！最近手頭很緊、『經濟』不好，買不起名牌的包包」等用語。因此，不論衡量那一個層面的餅的大小，都是以最常用的貨幣金額來表示。
在面對氣候變遷的問題時，除了歸納過去長久累積的結果之外，站在防範未然的立場，自然科學家經常採用各種模型，藉由自然界走過的足跡，進行設定與模擬，以預測未來氣溫、陸域、海域、生態等的變化。這些都涉及不同的物質或物理性影響，而經濟研究如何把這些包山包海的影響層面都以貨幣金額來表示呢？產品數量與價格的改變
經濟研究在探討這些議題時，基本上是接受自然科學家提供的前置訊息，評估在不同的時間、地點，以及在各種不確定的未來情境下，氣候變遷對於市場的財貨、產品或是所提供的服務的直接或間接影響。
站在個人的立場，你關心的可能是大衣是否還派得上用場，或者應該賣掉它來抵換其他東西，或家裡的冷氣電費是否會飆高等。在大一點的層面上，你或許會關懷糧食生產是否會改變。雖然，飢餓可能離你很遙遠，但在糧食生產原本就不足的非洲國家，糧食是否會因此而更缺乏？同樣地，你也會關心氣候變遷是否會帶來水資源的減少、各種能源的使用是否有增減變化。位在極圈的國家可能正期盼，何時風水可以輪流轉到他們那一方，讓他們的農業得以蓬勃發展。
糧食、水資源、能源、觀光這些都是有市場價格的產品，如果因為氣候變遷而改變這些產品的數量，連帶也會影響價格。價格與數量的改變，就能歸結至貨幣金額。
除了可以關注個別產品外，經濟研究當然也可以如自然科學一樣，採用各種模擬方式告訴我們，當全世界面對如此的情況時，整體的 GNP 會有何種改變。以全世界來說，目前大氣中二氧化碳的濃度大約是 380 ppm (parts per million, 百萬分之一), 每年並以 2 ppm 的速率增加。如果能抑制二氧化碳的排放，要求不必太高，只要未來都能維持在 500 ~ 550 ppm 間，則根據推估，全世界每年的 GNP 就要為此付出 1% 的代價。
百分之一的代價很高嗎？以最新年份的資料來看，在 2006 年，臺灣的 GNP 大約是 3,660 億美元，我們常常拿來作典範的瑞士大約是 3,712 億美元，美國、日本、韓國與中國分別是 132,765 億美元、44,904 億美元、8,880 億美元及 26,263 億美元。只計算這幾個國家 GNP 的 1%, 就有 2,202 億美元之多，況且還有其他未包括在內的一百多個國家。換句話說，所有國家 GNP 總和的 1% 是很可觀的。
貨幣能容納包山包海的影響
經濟研究除了發揮最擅長的能力，處理產品、財貨或各種服務價格與數量變動的關係之外，在自然科學家所提供有關氣候變遷的訊息，及氣候變遷對局部或整體環境與生態的影響等面向上，經濟研究也有參與的空間嗎？當然有的。
以臺灣來說，面積雖然很小，但孕育著得天獨厚的物種，動植物種類豐富，而且地形特殊，堪稱是生態王國。為了極力維護這些景象，相關主管機關以自然保育為目的，在全國劃設自然保留區、野生動物保護區、野生動物重要棲息環境、國家公園、國有林自然保護區等 5 種不同型態的自然保育區共 82 處。
但由過去的研究紀錄得知，在這 82 處自然保育區中，只有在 6 處國家公園中，每一個地點都有一些價值評估的成果。至於其他的，則只有 20 處的自然保育區或其周邊相關地點，有完整或是局部價值的評估。這一種現象可能是研究地點相對的可及性，或是一般人易於接觸的普遍性所造成的。其他如野生動物保護區及野生動物重要棲息環境，則尚有非常多待評估的處女地。
掌握這些自然資源在現階段的貨幣價值，對於未來進一步評估這些自然資源與環境受氣候變遷影響的程度是很重要的。特別是我們比較關心氣候變遷所帶來的負面衝擊時，除了借助由自然科學所提供的基礎訊息得知環境或生態受損的程度外，經濟研究還可以告訴我們損害值多少錢。
過去在內政部的委託下，筆者曾經評估過墾丁國家公園整體資源的總價值是 60 億元。也接受過國科會的經費支援，評估屬於野生動物重要棲息地的臺南七股黑面琵鷺保護區資源的價值。評估的結果顯示，這個屬於物種與人類互動頻繁的生物多樣性環境的價值，對鄰近的台南縣市居民來說，一年是 3.4 億元，而對全國居民來說，一年則大約是 37.4 億元。
當然與氣候變遷議題連結時，尚需進一步掌握每一個自然保育區的生態及物種資源的數量或功能，與特定溫室氣體的改變及相關氣候條件改變的關係，才能得知這些自然資源所受到的衝擊，以及如何在這些基準點上做適當的增減變動。
在較為富有的國家，針對氣候變遷對於生態系統與生物多樣性貨幣化的損失，有學者曾經以 1990 年的物價水準來評估：挪威每人每年願意付出 15 美元的代價，來維護瀕臨絕種的灰熊與狐狸的珍貴棲息地；美國人願意付出 12.4 美元，來維護他們的國鳥–禿鷹的棲息地；澳洲人願意付出 28.1 美元，來保護他們的 Nadgee 自然保留區；英國人則願意付出 40 美元，來維護他們所有的自然保留區。
評估的結果普遍顯示，氣候變遷對於空氣品質、水質、物種保存、生態維護等的環境衝擊與影響的價值，大於以 GNP 衡量的各種有市場價格財貨的總值。
貨幣化環境生態衝擊
把環境或生態這些在市場上沒有買賣價格的資源進行貨幣化的做法，你可能認為不可思議。這種做法對於把生態保育視為一種道德的發揮，或者認為是民胞物與精神的一種展現的人，更是一大挑戰。持這個觀點的人認為以人類的滿足為中心，而把「無價之寶」的資源轉換成有限的金額，是過於功利的做法，如此的質疑與人們認定生命是無價的觀點相同。因此，把生命估算成有限的價值，不僅蔑視生命尊嚴，更是不人道的殘忍作為。
雖然，人們會以生命無價的理由反對如垃圾場、焚化爐、核廢料掩埋場等的設置，但是，實際的經驗卻顯示，人們為了領取相對於無價生命的少量回饋金，願意搬回這些地點居住。因此，由人們實際行為的表現可以看出，即使認定資源保育或環境的價值完全不應倚賴人的經驗與滿足的生態中心主張者，事實上，仍然無法跳脫以人的滿足來支持他們以道德為出發點的價值觀。
然而，許多沒有市場價格，但它們的存在卻是對我們有價值的資源，其實就環繞在我們周邊。比如說，我們會因為漫步在社區小公園的步道上，或沐浴在國有林自然保護區的芬多精中而神情舒暢。這些資源如果因為氣候變遷而受損，當然也是我們的損失。於是，如何把它們的價值呈現出來，也成了另一個關注的焦點。
自從 1970 年中後期以後，世界各國在這類工作上的進行已經非常頻繁。一是因為所得增加後人們對環境品質的要求日益提升，再者是電腦軟硬體的進步，使得許多工作不再只是紙上談兵，或是學者象牙塔中的想像，而是變得可行，且可以更精細地有效操作。在 1989 年，埃克森 (Exxon) 石油公司在美國阿拉斯加的漏油事件，損及美國人普遍認為珍藏了他們最多天然資源的保護地點之一，而創下全世界到今天還是最大的一樁天然資源損害的民事賠償。這正是經濟研究採用適當方法估算出受損資源價值的典型之作。
天下沒有白吃的午餐
面對解決氣候變遷所造成的千頭萬緒的影響，和自然科學家告知我們有關未來氣候的變遷情況時，站在不怕一萬、只怕萬一的保守立場，人們總是期待可以事先掌握逆境發生時可能面對的損失。
經濟研究基本上是建立在環境價值可以貨幣化的信念下，著手評估各種對環境負面影響所帶來災害的大小，然後決定降低或減除逆境發生的必要手段或對應措施所需付出的代價。
然而，面對一個由全世界各國長時間累積所衍生的問題，世界各國不論是為展現身為地球村一員的模範表現，或真的是擔心覆巢之下無完卵的無奈配合，或者畏懼國際社群壓力所帶來的實質懲罰，經濟研究可以在棍棒 (課稅)、胡蘿蔔 (補貼)、或是市場那一隻看不見的手 (交易) 之間，研擬設計不同的手段與方法，以期有效改變人們的行為。
各國面對國際協議所產生出來的手段與方法，除了要考量如何在有限經費的配置下，決定出最佳的方式來解決並因應這些影響與衝擊之外，或許更務實的做法是如何找到最省錢、付出最小代價的方式達到理想的境界。
是否要以風力發電或核能發電廠取代火力發電廠？是否要大興土木建造大眾運輸工具，或是努力植林種樹呢？在各種不同的可能間進行選擇取捨的決策，其實是我們時時面對而且絕不陌生的課題。小至早餐的飯糰、饅頭或三明治的選擇，大至畢業立即就業或出國深造的取捨，更大的到門當戶對的媒妁配對，或是兩小無猜的青梅竹馬邀約，有些決定可能只需要腦筋一閃便可以當機立斷。然而，對於事關眾人、影響久遠的選擇，經濟研究也有特定的流程、方法與步驟，告訴我們如何精打細算做出最明智的抉擇。
當然，面對氣候變遷所衍生的問題，經濟研究除了告訴我們社會的餅因此受損的程度，或者需要付出多少代價來使損害降到最小外，針對跨國性的議題，要取得共有的規範與全體可以接受的公平正義準則，也是經濟研究樂於接受的挑戰之一。
當全世界要達成讓二氧化碳濃度維持在 500 至 550 ppm 之間，也就是未來可能發生的各種情況中所謂「最好程度」的中間情形，GNP 會因此而下降 1%。這些代價其實並不會平均地由每一個國家來分攤，一般而言，越貧窮的國家負擔的比重越大。這時，你認為國與國之間的公平正義原則該是如何？如果縮小範圍來檢視一國之內所受到的影響與衝擊，不同的產業、個人受損的程度或需要付出的代價也各不相同，此時，該是平均分攤，你讓我、我讓你，剪刀、石頭、布，還是比拳頭呢？深度閱讀
Stern, Nicholas (2006) Stern Review on the Economics of Climate Change,http://www.hm-treasury.gov.uk/independent_reviews/stern_review_economics_climate_change/sternreview_index.cfm |
防災2.0專題:導言 | 資訊，是災害管理的關鍵要素。台灣地處太平洋西緣，也正好是菲律賓板塊與歐亞板塊的交界處，颱風、洪水、土石流、地震等災害的頻率高，可說是「多災多難」的地方，災害的資訊管理極為重要。
就功能來說，政府需要災前的預警資訊與災中的災情資訊，才能判斷哪個地區的居民要疏散撤離，以及知道要去哪裡救災和調度資源，從而作出正確、快速、有品質的決策。我國政府的災害管理工作，分散於中央與地方的許多權責機關，近年導入資訊化的作業模式，包括：行政院建置「中央災害應變中心應變管理資訊系統」, 以及國家災害防救科技中心建置「災害應變決策輔助系統」。未來，行政院將進一步規劃「防災雲」。
普羅大眾也有災害資訊的需求。人們要知道可以去哪裡避難、目前災情的狀況、親友是否安全、日常生活會受到哪些影響、災區缺乏哪些物資和志工等等。關於這些資訊，政府以前主要是透過電視台、報紙和廣播來發布，但隨著資通訊設備的普及化，許多從事防救災任務的機關已透過官方網站，甚至開發 App 來提供民眾最新的資訊。
然而，政府從事災害防救的能量有限，即便已導入資訊化，仍不可能完全取代人力。舉例來說，災情通報的電話受理以及資訊系統的訊息登錄，仍有賴於人工。一旦大量的報案電話同時湧入 119 或 110, 警消單位就會「被打爆」。當受災者向政府通報受阻，就會利用社會媒體，比如透過 Twitter 發布訊息、將災情的影音圖文上傳到 YouTube 或 Facebook。然而，民眾透過網路來通報災情，訊息的傳遞速度快，某種程度上可彌補官方通報體系的不足，但也容易形成資訊重複、真偽難辨的情況，成為主管機關的另一負擔。
2009 年的莫拉克颱風，是社會媒體、民間資訊志工發揮救災功能的好例子。莫拉克風災期間，台灣數位文化協會便派出數十名資訊志工，與中央與災區縣市的災害應變中心合作，協助政府彙整網路上的災情資訊，並透過單一的網站，整合性地揭露不同機關的官方資訊。
美國國土安全部於 2008 年元月提出的《國家回應架構》(National Response Framework, NFR) 中，明白揭示國家在因應災難時，非政府組織除了要援助有特殊需求的個人、結合志工，也必須作為各級政府間的溝通介面。換句話說，非政府組織必須協助各級政府，在層級節制的結構中即時、有效地傳遞資訊，使下情上達、上情下達。我國台灣數位文化協會與政府合作的公私協力模式，在重大災時成功打通政府與人民的資訊流，正符合這趨勢，足以作為未來推動災害資訊管理的重要範例。
總之，因應重大災害的爆量資訊，政府與民間必須攜手。在具體的作法上，除了建置與持續優化政府的資訊系統，也應建置防災雲、開放資料，以及結合社會媒體，並打造災害資訊志工體系，以因應不知何時又會到來的巨型災害。本專題將帶領各位讀者，介紹災害應變決策輔助系統、防災雲端，以及社會媒體於災害管理的發展與運用實例。(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 | 元智大學資訊社會研究所 |
找利基 拚R&D | 有些人以為「經濟學就是發財學」, 但事實不然。經濟學家除了著名的凱因斯是大富翁外，很少人擁有令人稱羨的財富。那麼，經濟學的葫蘆裡到底賣什麼藥，讓諾貝爾獎在自然科學獎項外另設經濟學獎？答案也許可從經濟學的定義得到啟示 — 經濟學是如何在「稀少資源」下做出「最佳選擇」的學問，也就是說，要用「最有效率」的方式來滿足個人、國家的需求。
對中正大學經濟系王釗洪教授來說，「效率」就是經濟學研究的精髓，而擁有龐大資源的國家如何把每一分錢做最適當的運用，更是經濟學研究的重要課題。對此，王教授在 Research Policy 上發表了一篇論文，比較 30 個國家在研究發展 (research and devel-opment, R&D) 上的資源投入與產出效率。
王教授選用一個國家的《科學引文索引》(Science Citation Index, SCI)、《工程索引》(Engineering Index, EI) 及「專利」3 個項目來代表研發成果，同時選擇「資料包絡分析模型」(data en-velopment analysis, DEA) 併同計量經濟方法來分析。他發現不同國家各有長處，有的國家是基礎學術研究表現搶眼，有些則在應用專利上有亮麗的成果。
一般而言，影響國家研發成果的因素，除了「經費 / 資本」、「高等研究人員」、「技術人員」等基本投入外，王教授進一步發現「高教水準」、「資訊化程度」與「英文使用能力」也是一個國家研發表現的重要因素。也就是說，國民使用資訊設備的能力，代表一國在科學、工業技術上升級、突破的潛能；國際語言「英文」的使用能力，則代表吸收新知，讓研究想法在國際上快速流通、獲得回饋，進一步刺激研究的潛能；而促使知識及研發能力提升的高等教育，更是不可或缺的要素。
根據王教授的研究，臺灣近幾年的研發經費約占國內生產毛額的 2.6%, 資源投入 / 產出效率在國際上也處於前段地位。這樣的好表現主要歸功於國民普遍擁有良好的資訊能力，以及對教育的重視，培育了大量的高級研究人員與技術人才。同時，這份研究也顯現了問題，臺灣雖然有良好的研發環境，但沒有達到最佳的產出效率。
究竟有何方法可以提升臺灣的研發效率呢？王教授認為關鍵在於使用「經濟學方法」。例如，可以從經濟學比較利益的觀點去思考，究竟哪些科學產出項目是臺灣的專長，找出臺灣科學研究的利基，「重點投資」加以發展。同時，在國家研究資源分配過程中引入「市場經濟概念」, 鼓勵研究單位用「績效表現」爭取資源投入，讓資源的使用達到最佳效率。
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Wang, Eric C. and Weichiao Huang (2007) Relative efficiency of R&D activities: A cross-country study accounting for environmental factors in the DEA approach. Research Policy, 36 (2), 260-273. |
福衛五號:遙測影像的生產鏈 | 人類史上第 1 張衛星遙測影像於 1959 年 8 月 14 日，由美國探險家衛星六號從 27,000 公里高的外太空傳回地球，由此開啟了遙感探測的新紀元。
我國的太空科技產業緣起於 1991 年 10 月，國家太空中心係經行政院核定所設立，做為我國太空計畫的執行機構。國家太空中心所擁有的福爾摩沙衛星二號 (福衛二號) 是我國第 1 顆自主擁有的高解析度遙測衛星，於 2004 年 5 月 21 日凌晨順利發射升空，歷經兩周的早期軌道操作與轉換，終於在 6 月 4 日把第 1 張遙測影像拍攝、下傳並處理成功，實現了我國探索太空的理想。
遙測是什麼
遙測又稱為遙感探測 (remote sensing), 其名詞源於 1960 年代的美國學者所提出，顧名思義是指在不與目標物直接接觸的情況下，透過特定的感測器量度並獲取該目標物的特性和資料，並加以分析與應用。
遙測與我們平常使用工具或儀器測量物體的方式不同，舉例來說，用直尺量測長度、使用體重計秤重量，直尺、體重計都必須和目標物直接接觸，才能獲得物體的長度、重量。
雖然遙測在概念上很玄，但遙測的使用早已不知不覺地融入我們的日常生活中。其實，當你在閱讀這段文字的同時，你也正在進行遙測！我們透過眼睛做為感測器看物體，從而捕捉到物體反射的光，再傳送至大腦分析處理與判斷，最終獲得與物體相關的訊息，這樣的過程便完成了視覺上的遙測。其他如聽覺、嗅覺等，也是人類與生俱來感官知覺中遙測的例子。
光其實就是一種人類眼睛可以看見的電磁波，遙測技術即運用電磁波反射的物理特性，才得以透過遙測感測器遠距獲取目標物的訊息。
就人造衛星的角度來說，遙測則專指從距離地表數百公里以上的高空，利用特定的感測器以地球表面為觀測目標，藉由電磁波獲取地球的自然環境、資源等資訊。這種從人造衛星上偵測地球所記錄下來的光學資訊大多是以影像的方式呈現，我們稱為遙測影像。衛星遙測影像因具有綜觀、多時等特性，相當適合做為大範圍環境監測的工具，可有效掌握並管理我們賴以生存的家園–地球。
遙測衛星的優勢
相較於傳統航照，太空衛星遙測不受限於人，具有大範圍觀測、位置控制精確等優勢，且因衛星運行於軌道的特性，較能進行即時、穩定且重複的取像工作。對於大面積的天然災害或其他因地形地物阻隔而難以到達的地區，衛星遙測影像提供了強大的高空俯視能力，不僅能輕易執行廣域的環境變遷監測，更能即時掌握災害現況，支援現場勘災與應變。
由於每顆衛星有其特定的軌道高度和繞行路線，加上衛星有其視角範圍與記憶體容量，可取像的地區、時間與長度等的限制，為能有效運用衛星資源使取像任務的效率達到最佳化，必須建立一套標準的作業流程，包含取像後影像下傳所需的資料處理、影像產製與校正等複雜的程序，至最終完成遞交到使用者手中，整個過程堪稱一個遙測影像的生產鏈。
各國或各家衛星公司的處理方法和順序不盡相同，國家太空中心制定了一套符合福衛規範的遙測任務及影像處理流程，包括衛星取像任務的規劃、影像的接收與處理、影像產品的製作、影像品質的檢驗與維護等。
取像任務的規畫
遙測任務的取像規畫與排程在整個遙測任務中扮演著啟動者的角色。當有客戶或使用者向國家太空中心提出取像需求時，衛星任務規畫人員便開始依照任務需求的輕重緩急做等級上的區分，對欲取像區域進行可行性分析，包含考量衛星遙測影像儀與運行軌道的特性、衛星資源是否衝突、外在氣候條件等因素，以評估客戶所提出取像規畫申請的成功率，並把該取像需求納入取像排程系統的每日任務分析之中。
以福衛二號為例，取像排程系統的核心就是一個強大的引擎，其主要功能是依據排程訂單中的目標區域位置及取像日期，計算取像操作參數，包含衛星姿態參數、拍攝時間等，並在地圖中進行軌道取像的模擬。由於福衛二號每日繞行地球 14 圈，排程引擎每日便須安排 14 個軌道的任務時線 (mission timeline) 傳送至任務控制中心，提供任務操控人員產生相應的指令序列以上傳至衛星，如此一來，衛星便能根據指令序列的時間執行事先安排好的取像規畫。
訊號接收與處理
衛星在針對每一目標地區取像後，衛星上遙測酬載的電子單元便會率先把收到的影像訊號做即時壓縮，整理成源格式 (source format), 並加上必要的輔助資料，包含取像時間、衛星軌道姿態等信息。為防止衛星資料在傳輸過程中遭竊取，接著便執行加密，再進行資料編碼與亂數排序的過程，隨即把資料暫存在衛星的記憶體 — 衛星固態記錄器 (solid state recorder) 上，直到衛星進入地面接收站 X 頻段天線的接收範圍後，才依照國際通訊協定 CCSDS 的規範進行資料的下鏈。
相對於影像資料在衛星上的處理程序，地面系統則是在接收到天線收集的原始資料 (raw data) 後以逆向操作程序處理，也就是依序對訊號進行還原亂數資料、解碼、解密，再進一步執行源格式的重建與解壓縮，最後把解壓縮後所得的訊號以及所有後處理程序所需的輔助資料彙整，原始衛星影像就可初步以等級 0 (level 0) 的資料格式呈現，以供後續影像處理使用。同時，地面系統可利用移動視窗顯示 (moving window display) 同步輸出影像快覽圖，以利第一時間判斷拍攝任務是否成功。
影像產品的製成
在接獲原始影像資料及其他系統輔助資訊後 (等級 0), 資料處理系統會依照使用者的需求再製作成相應的影像產品。依處理需求的不同，可區分為等級 1A 與等級 2 兩種標準產品；前者主要強調影像的輻射校正，後者則將系統的幾何校正運算包括在內。
隨著衛星升空後，無論是時間或空間環境造成的差異，都可能使遙測儀上各頻譜的感測元件產生不同程度的衰減及變化。這樣的衰減及變化會使遙測儀中各個頻譜感測元件的反應效能 (response performance) 產生差異，導致衛星影像在推掃取像方向上產生明顯的條帶 (stripes) 現象。因此，藉由完善的輻射校正作業，就遙測儀各個感測元件對光反應特性函數的差異進行補償，可有效消除條帶現象，使影像產品得以忠實反映地表反射特性的分布。經輻射校正後的影像，就稱為等級 1A 影像。
經過輻射校正處理後的影像已具備一定的品質，若利用一般影像處理軟體開啟，也可初步辨識出地表相貌。然而，此時的影像是依據衛星在取像的過程中，地表在遙測儀的像平面上所形成的影像，由於受到衛星位置、速度、姿態、地球曲率、地形、大氣折射，以及遙測儀器本身性能等的影響，造成感測的影像像素位置相對於地面目標實際位置發生擠壓、扭曲、伸展和偏移等現象。
為了克服這些誤差，我們建置適當的幾何轉換模式，並據此運用影像重新取樣方法以修正影像的幾何形變。經系統性幾何校正處理後，就可產生與地圖座標系統正確對應的校正影像，稱為等級 2 影像。以福衛二號為例，為確保遙測影像品質在幾何方面能保持穩定，福衛二號利用全球已知的 14 個蘊含多個地面控制點 (ground control point) 的場地，修正影像地物與實際地理座標間的誤差，並調整參數以補償系統誤差，使其保持在 450 公尺之內。
以上系統性的誤差通常具有可預測性，然而遙測影像中常存在有非系統性的誤差，通常與當地地貌特性及地形高低起伏有關，並且不具可預測性，需要倚靠所拍攝的當地現調資料輔助修正。
一般而言，若以現調所得的地面控制點輔助加工做較精密的幾何校正，我們稱為等級 3 影像。若更進一步利用地形高程資料 (digital terrain model) 消除影像中的高差位移，則稱為等級 4 影像，又稱為正射影像 (ortho-image), 可套疊於地圖上且與地表上的山脈、湖泊、道路對應，以提供影像產品與地理資訊整合應用的需求。
品質保證
影像成品在遞交至客戶手中前，尚須經過最後一道手續，以保證影像產品的品質符合應有的標準與規範。國家太空中心制定了一套影像品質管制程序，包含檢驗影像範圍與資料格式是否與客戶需求相符、影像成品是否有掉線 (loss line) 或錯位 (shift) 的現象、色彩真實度的確認等，以確保所有遞交出去的成品達到最佳質量。
此外，為確保遙測影像品質能夠長久維持穩定，國家太空中心在澎湖設有福爾摩沙衛星校正場，以黑白交錯的田字型圖案設計，定期利用衛星在任務軌道上所拍攝的影像資料計算調制傳遞函數 (modulation transform function), 以檢測影像的清晰與銳利度來確認衛星的健康狀況，並維護遙測影像的最佳品質。
以人為本
隨著科技的日新月異，生產遙測影像的各個步驟與環節雖然都已趨向電腦自動化，然而在一連串的處理程序中最重要的還是「人」。
福衛二號升空迄今，國家太空中心在光學衛星的遙測資料處理上，已累積了一定的技術能量與操作經驗，其下的任務操作團隊除須維持整體流程的正常運作外，在任務決策、衛星訊號監控、成品檢驗、系統檢測與偵錯等的工作過程中，更扮演著不可或缺的關鍵角色。
由於衛星任務目標的具體實現取決於地面任務操作的成功與否，因此團隊的一舉一動都要經過嚴格的訓練並且驗證合格。福衛二號十多年來歷經了上百次的大小考驗，許多突發事件和緊急情況更是必須仰賴多年的危機處理及實務經驗，操作團隊常年秉持著以人為本的理念與認真負責的態度，為的就是確保福衛的使命必達。
奠基於福衛二號堅實的基礎與豐碩的成果，福衛五號憑藉著國人多項自主研發的關鍵技術上太空，將使我國在太空科技產業的發展上有所創新及突破。未來福衛五號也將接續服務福衛二號的使用者族群，以傳承探索太空的理想與經驗，帶領我國太空科技邁向新里程！ |
衛星科技 | 衛星的歷史
基本上，凡是繞著行星在固定軌道上運行的物體，都可稱為衛星。不過，人造衛星並非只限定於繞著地球或其他行星的人造物體而已，如美國的 SOHO 衛星，繞著太陽進行觀測太陽的任務，應該算是「人造行星」, 但仍稱為人造衛星。
第二次世界大戰後，火箭工業的發展突飛猛進，以美國與蘇聯兩大陣營為代表，都把發射衛星列為重要目標。一九五七年十月四日，蘇聯搶先發射了世界上第一顆人造衛星 - 史普尼克一號 (Sputnik 1)。同年十一月三日，蘇聯的史普尼克二號將一隻名為萊卡的小狗送上了太空，這是人類首度將生物送上太空。一九六一年四月十二日，蘇聯將太空人蓋加林 (Yuri Gagarin, 1934-1968) 以東方一號 (Vostok 1) 送上太空，這是人類首度 「踏上」太空的領域。
目前有能力發射衛星的國家有美國、俄羅斯、歐盟、日本、中共、印度與以色列，但這並不代表只有這幾個國家才擁有衛星，早在六○與七○年代，加拿大、印尼、巴西、義大利等國家就已有自己的衛星。
衛星的基本構造
衛星的外型以柱體的設計居多，因為要把一顆衛星塞到運載火箭的頭部，唯有柱狀能獲得最大的空間。衛星主要可分為兩大部分，一是有特定用途的酬載，另一部分就是衛星本體，包括各種次系統。
「酬載」就是裝載在衛星中的「乘客」, 如各種探測、照相設備，或是通訊天線等。何謂衛星的「次系統」呢？衛星除了因應任務所搭載的特殊儀器外，尚須有各種輔助系統來完成運作。一般包含在衛星載臺上的次系統，有主結構、電力系統、姿態和軌道控制系統、推進系統、熱控制系統、遙傳、追蹤和指令系統等幾類。
衛星的功能根據其酬載而不同，以下便是一般常見的衛星分類。
科學與技術衛星
應用在天文觀測、太空與大氣狀況研究，或是新科技與儀器測試上的科學衛星因位在外太空，觀測宇宙時少了大氣層的阻礙，所以能看得更遠、更清楚，如同太空偵察兵，負責蒐集太空中星體、銀河、星雲等的資料。例如聞名世界的哈伯太空望遠鏡，能屢次傳回令世人驚奇的天文照片，以驗證科學理論，增加對宇宙構成與產生的了解。還有當太陽活動稍微旺盛時，大量的輻射線對地球上的通訊或電力設備可能造成嚴重的干擾或破壞，因此，如美國的 SOHO 衛星便是用來監測與觀察太陽表面的活動。
地球大氣的觀測也是科學衛星的重點工作。如中華衛星一號，在六百公里的低軌道上觀察大氣中電離層的特性，並進行無線通訊實驗，同時對海洋水色進行觀察，獲取海洋的資料，做為環境、漁業、工商業及學術界研究的根據。
此外，藉由科學衛星可以製造在地球重力影響下生產不出來的材料、藥物等，也能了解無重力對生物會有何影響。科學衛星也是衛星發展的先驅，能為各種儀器作先驅測試，如太陽能板、探測儀器、訊號接收與發射器等新型技術的改善。
地球 (海洋) 資源衛星
資源衛星應用於礦物探測、海洋資源探測、地質測量、地圖繪製、土地開發、地震與災害評估、農林漁木資源及考古等用途。國家的土地、河川、森林、農業分布與礦產等資源，需要清楚地掌握，在沒有資源衛星以前，往往都要耗費許多的人力與數年的時間才能得到結果，但這些結果往往因自然或人為的變遷，經過一段時間後即失去它的實用性。
早在一九七○年，蘇聯與歐美等國家便發射一系列的地球資源衛星，進行各種資源的探測與土地的測繪，如美國的陸地衛星系列 (Landsat)、法國的史波特衛星 (SPOT) 與臺灣的中華衛星二號 (ROCSAT-2) 等。以中國大陸為例，以往花費無數人力與時間也未必有成效的尋找礦產工作，因發射了一系列的返回式遙測衛星與接收來自美國的衛星資料，幾乎每年都可發現重要的礦藏、稀有金屬與地下水源，同時也將海岸線由原本的九千公里更正為一萬八千公里，沿岸島嶼由三千三百個增加為五千一百多個，西藏湖泊由五百個更正為八百多個。
地球資源衛星能有這麼大的本事，要歸功於遙測技術的進步。其原理為，任何溫度高於絕對零度的物體必定會放射或反射電磁波，不同的物體放射或反射的頻率不同，因此所有物體都會有屬於自己的光譜。藉由地球資源衛星上的光學儀器，可以針對可見光、紅外光、紫外光與微波做觀測分析。
氣象衛星
早期氣象預報依賴氣球、氣象火箭、氣象站與觀測船等，可信度並不高，原因是各國觀測氣象的規模均只是區域性的，而氣象的變動卻是全球性的。氣象衛星是第一個實用化的衛星，早在一九六○年，美國即發射了世界上第一顆氣象衛星 - 泰羅斯一號 (Tiros-1)。氣象衛星依軌道不同可分成兩種形式，一種是極軌道氣象衛星，軌道高度大概是九百公里，可以對全球做完整的掃描，但不能持續地觀測某一特定的區域。另一種則是地球同步軌道氣象衛星，軌道高度是 35,786 公里，它可以對赤道兩邊特定區域做持續不斷的觀測。世界氣象組織就是依賴這兩種軌道的衛星與分布全球各地超過一百多個的地面站與觀測設施，為全球提供免費的氣象資訊。
氣象衛星配備有可見光與紅外線等掃描儀器，其探測的原理就如同地球資源衛星一般，只是探測的重點不同，主要是雲圖資料、溫度、濕度、風速、風向、氣壓、臭氧含量與大氣輻射等氣象資料。接著將所有資料傳回地面站，由氣象人員加以分析預測天氣。一般看到的雲圖其實不是衛星傳回來的原始色彩，而是經由電腦處理加工後的假色彩，色彩十分豐富，目的在幫助使用者能一目了然。
通信衛星
隨著國際間交流的增加，傳統的書信與有線電話已不敷所需，國際通信衛星也就因應而生。通信衛星運作的原理跟電視臺的中繼站一樣，當地面站將所要傳遞的訊息藉著調整電波的頻率、振幅或相位後，發送給衛星，經由訊號放大與頻率調整的工作後，送回地面上的另一個工作站處理信號，再向當地廣播就大功告成了。
通信衛星在一般人的生活中所提供的功用，最明顯的要算收看電視，前一陣子流行的小耳朵，便是衛星廣播節目的應用。或者電視臺經常使用的 SNG 轉播車，透過衛星連線，只要車子到得了的地方就可以為突發的新聞事件做即時的轉播。對於國土遼闊或分散的國家，如俄國、美國、中國大陸、印尼或印度等，偏遠地區的通信問題是很難兼顧的，這時只要發射國內通信衛星，便可橫越高山、離島等地形的阻礙進行通信，對於偏遠地區也可以利用通信衛星進行教育的工作。
相對於固定地面上的通信設施，飛機船艦等交通工具無法架起巨大的天線接收衛星訊號，所需的通信衛星就得有較大的發射功率。早期飛機或船艦航行在茫茫的天空或大海時，遇到事故只能使用中短波無線電話或拍發摩斯電碼求救。而這些波段的訊號經常會被電離層的狀況所干擾，以致接收不到。現在有了通信衛星的幫助，再配合導航衛星，飛機與船艦在航行時皆能保持聯絡，同時可以接收到氣象、位置等有助航行的訊息。
導航衛星
冷戰時期，在茫茫深海中的潛艇想以核子彈攻擊敵方領土，首先得清楚自己的正確位置，因此美蘇雙方就各自發展應用導航衛星。早期的導航系統都是軍方在使用，後來為了經濟利益的考量，美國與蘇俄便相繼在一九六七年與一九七八年開放導航訊號給民間使用。
早期的導航衛星容易受到太陽風或其他引力的影響，有較大的誤差。不過隨著科技的進步，第二代的導航衛星已解決這類的問題。在一九七○年，美國發射了一系列的導航星系 - Navstar-GPS, 亦即現在大家耳熟能詳的 GPS 衛星。其軌道高度在一萬九千公里左右，共有 24 顆衛星，導航的距離誤差可在 10 公尺左右，若用於偵測飛機的速度，甚至可以達到每秒 0.1 公尺的誤差。
近年來因導航衛星的廣泛使用，使得交通運輸更有保障也更有效率。舉個例子來說，若是經由導航衛星的引導，可以使鐵路運輸班車間的間隔時間縮短，那一天就可以多開出好幾班列車，在沒有擴充機組的情況下就能擴充運量，收益將十分可觀。相同的原理對航空公司營運的幫助更是明顯，一般航空公司的營運成本有將近一半都花在燃料上，如果因為精確地導航而縮短航程的話，即使只節省 1% 的燃油，對航空公司來說也是不得了的利潤。
軍事衛星
早期刺探敵情，除了派遣諜報人員之外，便是利用偵察機深入敵境一探究竟。然而使用偵察機，除了有被擊落的危險外，情報的獲取量也有限，機動性也不佳，因此人造衛星是很好的替代工具。一般來說，西方的偵察衛星，又稱間諜衛星，在軌道上有較長的壽命，可分為兩類。
一類是照相偵察衛星，專為偵攝敵方地面設施、軍隊部署等而設計的，分為可見光偵攝、紅外線偵攝與雷達波偵攝。三種偵攝方法中，以可見光分辨率最高，紅外線居中，最後則是雷達波。但有優點也有缺點，其中可見光偵攝受地球氣候的影響最大，只要被偵察的地點有雲層覆蓋，這種方法就失效了，而這時便需要其他兩種偵攝方法的輔助。一般照相偵察衛星為了任務的需求，大多處在極低的軌道，甚至只有一百多公里的高空。
另一類偵察衛星是電子偵察衛星，藉由截取敵方的各種無線電波，送回地面加以分析，由此得知敵方的機密通訊。其中如敵方電臺、雷達站、甚至是軍機、軍艦等的無線電波，皆是截取的目標。除了監聽的功能外，如果裝上電子反制裝置，便能對敵方的通訊發出干擾。
當然，軍事衛星不是只有間諜衛星而已。在冷戰時期，美國雷根總統曾提出所謂的星戰計畫 (SDI), 在衛星上配備飛彈與高能雷射武器，以對抗蘇聯的洲際彈道飛彈來襲。此外，當時雙方都具有射程直達對方國土的洲際飛彈，因此為了獲得更多的預警時間，便有了預警衛星的產生，其工作原理是藉由偵測導彈尾部的高溫火焰達到監測的效果。
能源衛星
現今轉換太陽能的方式有收集熱能和轉換光能兩種。以轉換光能來說，大多是利用太陽能板將光能直接轉換為電能，幾乎所有衛星的運作都得依賴太陽能電池提供電源。所以人造衛星給人的一般印象除了許多的天線外，便是一片片包覆在衛星本體上的太陽能板，或是宛如展開翅膀一般的太陽能板。
此外，還有一項引人注目的轉換光能應用，就是利用太陽能衛星將太空中獲得的太陽能，經由太陽能板轉換為電能後，再以微波的形式傳回地面上的接收站，目前較有名的有日本的 SPS2000 太陽能衛星研究實驗計畫。不過這種衛星尚在研究與實驗的階段，因為依照現今的太空運輸技術，在軌道上建造大規模的太陽能發電衛星，成本比現有的任何形式的發電費用要貴上數十倍。太陽能衛星至今仍無法實現的因素，除了建造與運輸費用昂貴外，另一項因素是地面站需要極為寬廣的土地，才足以安排天線網接收自衛星傳來的微波，這些技術問題相信在數十年後將得以解決。
太空站
太空站的特點是可以讓太空人長期滯留在太空環境中，目前在太空中滯留時間最長的是俄羅斯太空人，已超過一年。俄羅斯對太空站的經驗也最豐富，其中最為著名的是在二○○一年三月間墜落的和平號太空站。
目前計畫中的國際太空站的製造，由美國、俄羅斯、加拿大、日本、歐盟等國共同出資合建，預計到二○○六年才能達到常規性的使用。這座太空站完成後，將是人類有史以來最為巨大的太空建築物，它運行於低軌道，一旦開始正式使用，會經常有超過七位以上的太空組員在其中工作，同時它的設立也將加速運輸科技及其他相關太空科技的開發。
太空站的另一項功用，是可以做為星際航行的中繼站。NASA 的火星計畫，便打算利用國際太空站為前進火星的跳板。太空旅行對一般人來說目前只能算是一個夢想，或許數十年後，隨著科技的進步，到太空觀光將不再是遙不可及的事！人造衛星的應用十分廣泛，不僅是國家工藝技術的代表，也方便了人民日常的生活。臺灣在衛星科技這方面的努力，雖然時間並不長，但太空計畫室負責團隊有經驗、有願景，也已有中華衛星一號的實際成果，相信在國人的支持下，臺灣亦能成為具有衛星工業的國家。
(本文取材自國科會大眾科學推廣教育，〈遨遊太空衛星科技篇〉, 作者林穎裕、蔡禹擎，民國九十年十月) |
氣候變遷下的災難須知(二):決策者需要最完整的災變資訊 | 氣候變遷充滿了不確定性，不是 1 個單純的科學問題。從平均狀態改變到極端事件，做好準備，降低風險絕對不容輕忽。國家災害防救科技中心 (簡稱：防災中心) 是中央政府面臨防災救災時諮詢的首要研究單位，我們特別採訪了陳永明組長，請他告訴我們目前台灣防災工作的最新狀況。
防災中心如何與民眾溝通？陳：一般民眾從網路就能取得災害疏散避難地圖，專業研究者則是透過災害風險地圖，進階到風險解讀的層次，但是現在也希望能夠將專業資料簡化成民眾能夠閱讀的版本。
為什麼民眾也需要風險解讀能力？過去政府使用「因為專家這麼說」來說服民眾配合政策，但現在專家的預測也不見得準確的情況下，政府無法繼續用過往模式要求民眾全盤相信專家。但是如果有管道讓民眾親自解讀專業訊息，能夠藉由雙向溝通的的方式達成共識。地圖比起冗長的專業文字，更能夠讓一般民眾理解，是災害風險溝通中常見的形式。
另一種防災工作中實際溝通的例子是防災社區，防災社區通常位於災害風險較高的居住地區。經認定後的防災社區，常藉由活動形式讓社區民眾自發性參與，透過公家機關支援防災資源，居民從航照圖、立體模型深入了解身處環境，以及疏散避難場所位置。此外，防災社區也結合民眾親自繪製、屬於社區的防災地圖，加強居民的參與感跟責任感。
防災中心有哪些支援任務？陳：評估風險的科技在歷史上是分階段的。早期在 2001 年納莉颱風之前，政府單位會在災害發生後開始救災行動；納莉颱風之後引進災害前預警措施，包含氣象、洪水、土石流預報，還整合衛星遙測的資訊，在事件即將來臨卻還沒有釀成災害時發布警報；然而儘管防災科技日漸進步，2008 年卡內基颱風、莫拉克颱風的傷亡人數反而比過去更多。
台灣位於環太平洋火山地震帶，又位於颱風頻繁的亞熱帶地區，防災工作在台灣已經推行三十幾年了，經驗相當豐富，像是土石流、淹水等個別災害研究都有相當水準，但是台灣面臨的是「複合型災害」, 是指同一時空之下，發生不止一種災害類型，譬如颱風來襲時土石流、淹水同時發生，就是一種複合型災害。
而政府面對同時複雜的多重災害，又要能針對不同區域即時做出決策是相當困難的。防災中心研發「災害應變決策輔助系統」, 整合了各種災害資料，包括颱風訊息、淹水預報、土石流警戒，甚至哪裡有橋梁可能會斷，讓公家單位有判斷依據，災難影像快拍也會呈現在這套系統當中，能夠協助規劃搜救行動。
防災科技中每個領域都有專家，但每個專家對其他領域也要有所了解，才能面對複合性災害進行有效整合。
面對氣候變遷，民眾可以做哪些應對措施？陳：氣候變遷之下，災害嚴重度會比以前高，住在高風險地區的民眾需要了解潛在危機與災難應變措施。降雨分布越來越不平均，面對水資源匱乏，民眾要培養節約用水習慣。全球暖化、溫度上升導致疾病更容易傳染，民眾得更留意疾病主管機關的指示。
台灣人過度依賴進口食物，在氣候變遷之下是相當嚴重的，當國外受到極端氣候衝擊，糧食來源便斷絕了。民眾需要將食品需求導向在地的糧食來源，多買台灣生產的農糧產品。
以地方為主的防災力量蓬勃、企業防災概念興起
陳：近年來許多大學成立了防災中心，有些大學的土木系改名為土木與防災系。人們意識到災害具有地方的特色，不同地方的學校、學生在研究防災時也回饋當地。有些公家機關也與學術機構組成協力團隊，台南市政府與成功大學的防災中心合作就是一個顯著的案例。
過去防災研究容易忽略企業，然而災害影響企業將會造成巨大的經濟衝擊，連帶影響人民生活。災害預測本身已經是困難的工作，想要能夠預測天災發生在小區域的產業園區其風險如何，更是目前技術所不及的境界。不過除了預測風險，提升調適能力更是企業防災的具體作法，在日本 311 大地震之後，國內外更加重視企業災害的復原能力，推動企業永續計畫，目標降低產業面的災害損失。台灣過去在這方面做得不夠，可以加強。(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 |
臺灣的太空夢—臺灣首枚太空級GPS導航接收機 | 對科學似是而非的誤解，輕則帶來謠言的流傳，重則造成傷害或危險。為此，2014 年一月起，IC 之音的新型態科學節目《似是而非》, 期待發掘各科學領域中，常見的「似是而非」的誤解，或「意想不到」的科學知識或突破，並邀請專家辯證與辨正。破除迷思，日新又新，《似是而非》期許在每一集的節目中，為您帶來一點點觀念上的突破與收穫。歡迎收聽！臺灣是個小地方，也可能有太空夢嗎？我們是否可能善用優勢，在相關科技上獲得突破？從汽車 GPS 到人造衛星的 GPS 導航接收機，有哪些觀念值得了解？在今天，無論是飛機飛航或汽車行駛，都高度依賴 GPS 導航的協助。但您知道嗎？其實人造衛星也需要 GPS 導航接收機，舉凡衛星分辨白天或黑夜、計算衛星姿態及天線指向、決定衛星酬載操作時機等，都仰賴 GPS 接收機所提供的時間與位置資訊，說它是衛星的命脈之一，也不為過。
本集《似是而非》節目，特別為您邀請到國研院國家太空中心余憲政副主任、林辰宗組長兩位專家，從 GPS 的基本原理，相關的似是而非觀念，一路談到臺灣太空科技發展的困難與最新突破。臺灣也能有太空夢嗎？夢想成真的過程點滴，就在本集《似是而非》!
【本單元由行政院科技部補助製播】
2014-03-14 18:30:00 播出 |
乾旱 | 在臺灣，有一句氣象諺語是這樣說的:「有錢難買五月旱。」它的意思是說，臺灣地區從每年的 10 月開始，便進入少雨的季節，如果到了隔年的 5、6 月間，梅雨季還是沒有帶來充足的雨水，即使有再多的錢，也都難逃缺水的夢魘。最近的例子便是在 2002 年春夏交接的時候，北臺灣所發生的嚴重乾旱。破紀錄的少雨，使得 2 座供應北部用水的石門及翡翠水庫都無法提供充裕的水源，以致接續實施分區輪流供水、稻田休耕等抗旱措施，反映出水源不足的旱象。
乾旱所帶來的負面影響，在一般生活上只是缺水的不便，但在農工商產業上，則會因為生產停頓或減產而造成經濟損失。而嚴重的乾旱更可能導致國家的衰敗，甚至是文明的滅亡。在中國歷史上最著名的例子莫過於明朝末年的動亂，連年的乾旱使得華北地區餓殍遍野，朝廷無力處理飢荒，引發了以李自成、張獻忠為首的饑民暴動，最後導致明朝的滅亡。
國外也不乏因為乾旱而使得文明滅亡的史實，北美洲的阿納薩齊族 (Anasazi) 就是一個例子。根據考證，從 11 世紀中葉到 12 世紀中葉是阿納薩齊族文明最興盛的時期，而在這以後的長期性嚴重乾旱所帶來的水源不足問題，使得阿納薩齊族從 12 世紀末便開始逐漸凋零，最後只留下令人讚嘆的懸崖宮殿等遺跡供後人憑弔。
乾旱對人類文明的衝擊
水是萬物之源，人類文明的發展自然也離不開水。從世界四大古文明都發源於有充分水源供應的大河流域的事實，就可以了解水對人類文明發展的重要性了。但是水太多的洪患問題及水太少的乾旱問題，一直困擾著人類，妨礙文明的進步，也迫使人類利用各種方法來抗衡大自然的災害。
在農業社會以前，游牧式逐水草而居的生活有來就有因可以遷徙到水源充裕的地方，可以避開乾旱的侵襲。但是，在農業社會形成以後，人口的增加使得各行各業的用水需求快速成長，發展相關的工程技術以提供穩定的水源，便成了抵抗大自然災害的必要利器。因此，灌溉工程在人類文明發展史中起源甚早，美索不達米亞地區所留存最早的灌溉工程遺跡，已經約有 6、7 千年的歷史了。
中國最著名的灌溉工程，當屬位在四川岷江的都江堰。都江堰對成都平原的貢獻，可以由《華陽國志》中〈蜀志〉的記載得知:「旱則引水浸潤，雨則杜塞水門...... 水旱從人，不知飢饉，時無荒年，天下謂之天府也。」這也難怪在二千多年以後的現在，四川仍然是物產豐饒的天府之國。
引取河川豐沛的水源可以供應生活或灌溉用水，但是在河川枯水時期，仍然會有無水可引的窘境，因此必須發展各種工程技術來克服枯水期的用水問題。例如以埤、塘、水庫等蓄水設施貯蓄豐水時期的水量，供應枯水季節的使用。在半乾燥的地方，例如在新疆地區，則以坎兒井汲取地下水源來灌溉農作物。
這些人類智慧結晶的工程措施，在某種程度上可以抵抗乾旱，使生活不至於完全受到大自然的擺布。但是，長期且大規模的嚴重乾旱，仍會使得水利設施無從發揮蓄豐濟枯的功效。特別是在中國，以農立國，人口眾多，乾旱所帶來的不僅是飲用水不足的問題，水源不足導致農產歉收而發生飢荒的事，史不絕書。
許多歷史上有名的動亂，大概都跟當時所發生的嚴重乾旱脫離不了關係，例如東漢末年的黃巾之亂、晉代的五胡亂華、明末流寇的猖獗等。有「康熙百科全書」之稱的《古今圖書集成》中的〈曆象彙編庶徵典〉對中國歷代所發生的災害，都有詳細的紀錄。其中最早有關旱災的紀錄是在商朝成湯元年 (西元前 1783 年), 而從商湯到明朝末年的三千四百餘年期間，中國各地總計發生了九百餘次旱災。也就是說，平均不到 4 年就會發生 1 次旱災。
臺灣地區雖然潮濕多雨，但也難逃乾旱的侵襲。連橫所著的《臺灣通史》中，也對臺灣地區所發生的乾旱有所記載:「(康熙) 五十三年...... 秋大旱......」雖然它沒有詳實地敘述該次旱災的災情，但發生在 1714 年的這一次乾旱，大概是臺灣歷史中最早的一次乾旱紀錄。
世界上許多民族也都曾遭受乾旱的肆虐，讓許多璀璨的古文明如曇花一現般地消失。例如位在美索不達米亞的阿卡德 (Akkadian)、墨西哥東南部猶加敦半島的馬雅 (Maya)、祕魯海岸的莫奇卡 (Mochica)、南美洲的蒂亞瓦納科 (Tiwanaku) 等，都曾經有過相當顯赫的文明，也都因為乾旱問題相繼衰亡而消失，僅僅留下被淹沒在綿密森林中或深埋在滾滾砂土裡供人憑弔的斷壁殘垣。
根據聯合國的統計資料顯示，單單從 1991 年至 2000 年的 10 年期間，全世界因為旱災而傷亡的人數便多達 28 萬人，經濟損失高達數千萬美元。因此，有人稱乾旱是影響人類最嚴重，而且損失最巨大的天然災害。
認識乾旱
乾旱是大家既熟悉又陌生的名詞。熟悉的是每個人總會有幾次親身體驗的經歷，例如媒體總會在乾旱時大肆報導乾涸見底的水庫，再加上政府官員一再呼籲節約用水，而且在運氣不好時，可能還會碰上分區輪流供水，甚至得動員全家到配水站提水。除了打開水龍頭仍然是涓滴無水之外，乾旱到底代表了什麼？是正常的自然現象或是異常的極端氣候？是天然的災難還是人為的禍害？多數人卻不甚了解。
東漢許慎所著的《說文解字》對旱的解釋是:「旱，不雨也。」這也正是一般人對乾旱的認知。但是多久不下雨才算是乾旱呢？這並不是一個容易回答的問題，原因在於不同地區對不降雨的感受的差異很大。在草木不生、人煙罕至的沙漠地區，長期不降雨並不值得大驚小怪。但是對有「雨都」之稱的基隆來說，如果幾天不下雨，可能就會擔心天氣是否異常了。此外，即使多雨的地區在一年之內也會有一段少雨的時期。因此，要認知乾旱 (drought) 必須先了解它和乾燥 (aridity) 及乾季 (dry season) 之間的區別。
乾燥是長期穩定少雨的氣候狀態。德國氣候學家柯本曾經依據各地的氣溫及年平均雨量，再配合植物的分布，把全球的氣候分為熱帶多雨、乾燥、中溫潤濕、低溫潤濕、極地、高原等 6 種氣候主型。他對乾燥氣候的描述是:「乾燥氣候區的年蒸發量大於年降雨量，即使在最濕潤的時期仍然是非常地乾，因此不適合種植終年需水的作物。」沙漠就是一種最典型的乾燥氣候。因此，乾燥是絕對的少雨狀態。
乾旱則是相對性的少雨狀態，屬於短暫性偏離多雨常態的一種現象。通常，經過一段乾旱時期後，就會回復到常態。因此，乾旱可能發生在任何的氣候區，而且乾旱不一定是每年都會發生。另外，每年都會重複發生的一段雨量比較少的時期，則稱作乾季。例如臺灣地區的年平均雨量雖然高達 2,500 公釐，但每年從 11 月到隔年 4 月的半年期間，降雨量只有年平均雨量的 22%, 乾濕分明的情況非常明顯。
乾旱是雨量少於常態的現象，所引起的河川流量變少、湖泊及地下水位降低、土壤含水量減少等都是乾旱的現象。但是和其他天然災害相比，例如地震、火山爆發、颱風等，乾旱缺乏一種可以直接觀察的對象，使得乾旱的定義較模糊。通常都是間接察覺到某些災情，例如農作物因為缺乏足夠的雨水而枯萎等，才了解乾旱已經發生了。
乾旱不同於其他天然災害的地方，主要在於它發生的速度非常緩慢，緩慢到不容易察覺是否已經發生或結束。此外，乾旱發生的範圍通常非常廣闊，不僅僅局限在一個國家的某一個地區，而可能是跨國際，甚至是跨越洲際的。
由於乾旱影響的層面甚廣，不同的領域便發展出許多不同的乾旱定義。除此以外，不同地區發生乾旱的頻率、嚴重性也都不相同，它對社會經濟的影響也有所不同。因此，許多學者指出很難有一個通用且能完全被各界接受的乾旱定義，有人主張依不同的分類來定義乾旱，以免因為上述因素使得乾旱人言言殊。
常見的乾旱分類有氣象乾旱、水文乾旱及農業乾旱，分別指降雨、河川流量及土壤含水量的缺乏。雖然是不同類型的乾旱，但它們中間還是有一些關聯性。長時期不下雨或少雨的氣象乾旱，使蒸發量增加，導致土壤含水量因為蒸發而逐漸減少，而產生農業乾旱，同時也減少地下水的補注量。再加上氣象乾旱也使得地表逕流減少，因此河川流量也會逐漸減少，而產生水文乾旱。
不同類型的乾旱都是起因於降雨的不足，因此以雨量來定義乾旱最為普遍。但各國間因為氣候等因素的影響，使得氣象乾旱的定義差異甚大，例如印尼巴里島定義 6 日無雨為乾旱，但是位在非洲的利比亞則定義兩年無雨才是乾旱。臺灣地區早期是農業社會，乾旱對作物的生長影響很大，因此以不降雨日數對農業可能產生的影響來定義，如果一個地方連續 50 日不下雨，便會呈現旱象，如果連續百日不雨，便成大旱災。
乾旱的影響
乾旱對國家社會影響的深遠，從二千五百多年前春秋戰國時期著名的宰相管仲與春秋五霸之首齊桓公的一段對話，便可略知一二。在《管子》的〈度地〉篇中就有這樣的一段記載:「...... 故善為國者，必先除其五害...... 桓公曰:『願聞五害之說。』管仲對曰:『水，一害也。旱，一害也。』......」也就是說，要治理好國家，就得先去除五種災害，而洪水與旱災就是其中的二種禍害。可見水資源對一個國家的整體發展具有舉足輕重的地位，即使到了科技如此發達的今日，回顧管仲所言仍然不失為真知灼見。
乾旱影響的層面非常廣泛，所引起的衝擊可概略分為三方面。
經濟上的衝擊：由於水源的不足，直接的經濟損失包括農工商產業停產或減產的損失。例如不足的水力發電量必須由火力或其他發電方式來補足，以致能源生產成本增加；河川水位過低，以致部分航運須利用陸運來彌補而增加運輸的成本；泛舟、遊湖等水域遊憩業受到水位降低的影響而停業。其他的衝擊還包括食物價格的上漲、水資源開發成本的增加等。
環境上的衝擊：乾旱會使河川、湖泊等水域環境受到影響，包括水量的減少及水質的惡化，甚至會危害到動植物的棲息環境，使得物種滅絕。另外因為降雨量較少，造成水及空氣品質惡化、河川及湖泊水位降低、景觀惡化等，都屬於乾旱對環境的衝擊。
社會上的衝擊：由於供水量的不足，導致不同用水標的間的衝突，增加社會的不安定性。天乾物燥也容易引起森林火災，而且空氣及水質的惡化也會降低生活品質。此外，失業率也會因經濟產業受到乾旱的影響而提高。
但是這些衝擊並不是每個地區都是一樣的，影響程度也會因各地區的氣候、生活型態、經濟產業等因素而異。例如用水量少的地區的經濟活動，受到乾旱的影響比較小，有較多蓄水設施的地區則具備較強的抗旱能力。
另外，乾旱的影響是跨越國界的，不只是因為乾旱發生的範圍可以包含數個國家，而且因為乾旱所引發的社會、經濟、環境等方面的衝擊，也會直接或間接影響到未發生乾旱的國家。例如某個國家發生乾旱而導致農畜產歉收，仰賴這個國家糧食進口的其他國家，自然也會發生糧食供應的問題。
因此，乾旱不能單純以天然的氣候現象來看待，因為它所帶來對社會、經濟的衝擊不容忽視。例如乾旱時期農業及工業除了因水源不足而會有損失外，彼此間也常因爭取有限的水源而引發衝突，如何協調紛爭而補償損失者，也是很重要的社會議題。
乾旱監測
乾旱由於定義比較模糊，再加上產生災害的速度較緩慢，很難明確地判斷。然而緩慢的發生時間，也讓人有充分的時間提前採取因應措施，以避免損失的蔓延與擴大。因此，許多地區紛紛建立乾旱預警系統，藉由氣象資料的蛛絲馬跡來預判乾旱可能發生的地點、強度及時間，以適時地提出警告及建議採取相關的措施，讓災害的影響減少到最小。目前比較常使用的方法是乾旱監測，也就是觀察氣象因子的變化情形，預判是否會發生乾旱。
由於各地區對水資源的依賴程度不一，各地區所發展的乾旱監測系統也不盡相同。比較常用的方式是把眾多複雜的氣象及水文因子，整合成簡單且以數字形式表示的乾旱指標，以易於預判乾旱的情況。例如美國有些州利用降雨量、積雪深度及水庫蓄水量組合成「地表水供水指數」, 它的數值約介於 + 4 與 - 4 之間。當指數低於 - 1 時，就表示未來可能發生乾旱，乾旱因應工作小組隨即成立，並且協調相關單位因應可能發生的災情。
目前使用在美國的乾旱監測系統，是由美國農業部、國家乾旱減災中心、國家海洋及大氣總署等單位共同研發的。該系統使用 6 種指標，包括帕瑪乾旱指標、氣候預測中心土壤含水量模式指標、地質調查所周流量指標、雨量百分比、標準化降雨指數及衛星遙測植物健康指標。各指標反應不同物理現象的乾旱情形，也因此各指標的範圍並不一致。
參照過去發生過的乾旱情況，並配合各指標的範圍，美國的乾旱監測系統把乾旱的嚴重性區分為中度、嚴重、極端及異常乾旱等 4 級。各級乾旱在各年發生的機率，大約是 10~20%、5~10%、2~5% 及 2%。也就是說，愈嚴重的乾旱發生的機率愈低。乾旱監測小組每周依所得到的 6 種指標資料，邀集相關學者專家評估對農業及供水可能發生的衝擊後發布結果。因此各地方政府可以依據各自的水源供應情形及農業狀態，評估是否需要採取相關的因應措施。
與乾旱共存
乾旱在過去的歷史中曾經帶來毀滅性的災難，雖然現代化的科技可以利用乾旱監測進行預警，並藉由工程措施來增強抗旱能力，但是仍然無法避免乾旱的發生。而且在人口持續增加，對水資源的依賴程度日益加深的情況下，相同嚴重程度的乾旱在現今所造成的損失，可能遠比以前來得大。既然乾旱是自然的現象，它的發生避免不了，我們就應該正視乾旱的存在，學習與乾旱共存。
面對乾旱應採取的對策，早在唐朝大詩人白居易所寫的〈辨水旱之災明存救之術〉裡就提到:「策斯亦圖之在早，備之在先，所謂思危於安，防勞於逸，若患至而方備，災成而後圖，則雖聖人不能救矣。」以現代的術語來說，就是要採取風險管理的觀念，而非危機管理的作為。
危機式的管理是在乾旱已經發生很久或災情擴大後，才被動地緊急尋求因應措施，由於缺乏事前妥善的規劃，因此較無效率，而且無法做出即時的反應。風險式的管理則是以積極主動的態度，事先縝密評估乾旱可能發生的情況、影響的層面，制定因應措施，並檢討執行的成效等，如此才能有效降低乾旱所衍生的風險。
由過去的經驗可知，利用人類的科技發展完全不缺水社會的代價必定非常高昂，而且在全球人口增加及經濟發展的雙重壓力下，未來對水資源的依賴也會與日俱增。但是在全球氣候變遷的威脅下，未來乾旱的發生頻率及強度可能更甚於以前，惟有以不破壞大自然水文循環的水資源開發方式，配合各產業採行節約用水措施，妥善研擬乾旱因應策略，方能與大自然永續共存。 |
環境新議題:氣候變遷對公共衛生的衝擊 | 根據聯合國政府間氣候變遷小組 (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 的報告，20 世紀全球地表平均溫度增加約攝氏 0.6 度，而中高緯度地區的增溫幅度尤其明顯，且冬季增溫明顯高於夏季。根據 IPCC 氣候模式預估，2100 年時，這些地區地表平均增溫可高達攝氏 3~5 度。這一全球地表平均增溫現象，對每一個地區的天氣系統都有一定程度的影響，而越來越多的證據顯示，全球的暖化已足以引起許多地區氣候系統的混亂、對生態系統的衝擊，並危及人類的生存環境。
氣候變遷及其相關的環境與社會變化，也可能對人類健康造成影響。歷史上，人類生活與生產行為對這些生態與生理環境所造成的改變，在經濟利益之外，也使公共衛生產生了新的危機，如轉移傳染源、減少潔淨水的供給與降低農業生態系統的生產力。
試想如果熱帶雨林消失，其連鎖反應的最終結果可能是什麼？首先，最具代表性的是導致當地氣候更趨乾與暖，而土壤的乾燥與有機結構流失的結果，會使當地在大雨時易氾濫成災，進而造成洪水、水污染、農作物受損與病媒傳染病傳播途徑的改變，危及人體健康。同時，森林的消失造成大氣中二氧化碳濃度上升，間接導致全球氣候變遷，並對人體健康產生影響。
隨著人類對環境的衝擊程度增加，維持地球生命的系統正產生大規模的改變。世界各國除了積極宣示對全球性溫室氣體排放予以管制，擬定並簽署公約外，也從生活及產業著手，研擬降低排放溫室氣體的管制策略，並在環境衝擊、生態衝擊及公共衛生衝擊上研擬因應對策。在氣候變遷對世界各國公共衛生議題的衝擊方面，目前至少包括 4 個主要面向，即熱效應、極端事件、空氣污染與傳染性疾病。
熱效應
全球氣候變遷除了使夏季更熱和冬季暖化之外，也可能伴隨著熱浪頻率和強度的增加。1988 年 7 月，當中國的南京地區每日最高溫度超過攝氏 36 度長達 17 天時，中暑病人及死亡率有驚人的增加。相同的情形也出現在日本，中暑病例數在日本東京溫度超過攝氏 31 度時，呈等比級數增加。使熱相關的死亡率增加的臨界溫度端看當地氣候而定，在較溫暖的地區其臨界溫度較高。在美國，資料顯示較涼爽的城市對熱天氣的敏感性較大。
根據英國的研究，熱浪來襲所造成的額外死亡率是因為心血管、腦血管及呼吸性的病因所造成的，其他如熱衰竭、熱痙攣、熱昏厥和汗疹的病症也會因熱浪而產生。與熱壓力相關的慢性健康損害，也可能表現在生理功能、代謝過程和免疫系統的傷害上。
極熱的夏季對人體健康的衝擊，可能因為濕度升高而更形嚴重。熱浪的頻率和嚴重性增加可能導致疾病和死亡數的增加，特別是幼童、老年人、窮人、身體虛弱和罹病者，以及那些沒有能力裝設空調系統的人。另外，特定接受藥物治療而影響到體溫調節能力的人，也是較敏感的族群。
熱浪在都市地區造成的健康衝擊，似乎遠大於鄰近的市郊及鄉村地區。因為熱島 (heat island) 效應和持續的夜間活動，使得城市通常會出現較高的溫度。在城市地區空氣污染通常比較嚴重，而高污染通常會伴隨熱浪發生。證據顯示人類生活在惡劣的居家條件下 (擁擠及通風不良), 以及在發展中國家的都市族群，由於有限的社會資源分布或較不理想的基本健康條件，特別容易受到快速都市化所加重的熱效應傷害。因此，溫度對死亡率的影響，在鄉村地區可能有不同於都市地區的表現。
極端事件
全球暖化會增加極端氣候事件的次數及嚴重性，例如暴風雨、水災、乾旱和颶風，還有相關的山崩和大火災，這樣的災害會增加死亡率和患病率，而其對健康的影響可分為立即性、中期和長期。立即性的效應主要是事件發生時的大量傷亡，如水災時的溺水、受大水衝擊撞到堅硬物體的傷亡，以及救難人員的傷亡與熱相關疾病的發生。中期的效應主要包括傳染性疾病的增加；長期效應則有營養不良、過敏原滋生、心理創傷等。
臺灣在過去 100 年呈現暖化的趨勢，但在不同地理區位、不同季節也呈現不同的趨勢，異常氣候狀況如暴雨、颱風、乾旱、沙塵暴等事件發生的頻率也有所變動。臺灣全島 75% 以上是山地、平均海拔 660 公尺，河川具有坡度大、水流急的特點。特別是多年來大規模的土地開發與都市化，使得土地含水能力減弱，對於暴雨及颱風的異常天候侵襲的抵抗力也降低，一旦災變發生，動輒損失慘重，除了損害民生基本建設、危及生命財產外，後續也可能影響其他生態、環境及公共衛生。
各國的氣象專家最近紛紛推測，因為海水溫度持續升高，未來全球颱風不但生成頻率會增加，形成強烈颱風的頻率也會增加。因此，臺灣應儘速加強防災應變體系，和民眾對於維持環境衛生和防疫的能力，才能因應環境變化的脈動。
空氣污染
不同氣象因子的變化也會影響污染物傳輸與前趨物質反應生成機制，而影響空氣污染物的組成與濃度，如生物性空氣污染物 (如花粉) 的產生與釋放，或人類產生的空氣污染物，或由於能源需求增加而產生的空氣污染物。暴露於空氣污染物中，已陸續證實會直接或間接造成嚴重的健康影響，研究顯示都會區的空氣污染事件發生時，伴隨著臭氧、酸性氣膠、懸浮微粒等污染物濃度增加，醫院呼吸道相關病患就診數也隨之增加。
嚴重空氣污染的事件發生後，也容易觀察到老年人死亡率增高的趨勢。歐洲地區的研究發現，空氣污染物對於健康的衝擊在夏季或高溫期間特別明顯，由於高溫與空氣污染的加成效應，對大腦梗塞及局部缺血是一個重要的風險因子。因此，瓦倫西瓦、巴塞隆納、西班牙、羅馬與義大利都發現二氧化硫、空氣污染物總量與心血管疾病致死率的相關性，在夏季比冬季較強也更為明確。
近年來受全球氣候變遷的影響，導致乾旱、降雨分配不均等現象，使大陸地區沙漠化情形日益嚴重，進而使大陸沙塵暴發生頻率及強度都有增加的趨勢。50 年代發生過 5 次，60 年代有 8 次，70 年代 13 次，80 年代發生過 23 次，2000 年一年間就發生 12 次。臺灣地區位處大陸沙塵暴下游，隨著大陸沙塵暴發生頻率、規模及強度的上升，臺灣地區在近幾年受其影響的次數明顯增加，預期在未來的 5 到 10 年間有可能更加劇烈。
根據環保署空氣品質觀測站的監控結果，大陸強沙塵暴發生時，在有利的大氣長程傳送條件下，臺灣的空氣品質會受到影響。其現象主要是空氣中懸浮物質急遽增加，在短時間內造成大規模空氣品質惡化。研究發現在沙塵暴事件發生後第 1~3 天，臺灣因心肺疾病而急診就醫人數明顯增加，而 24 小時心電圖監測儀檢查結果顯示患者心跳速率減緩，且其體內的發炎指標 hs-CRP 也有上升的現象，表示生物性感染的可能。
傳染性疾病
傳染性疾病的傳播動力學及生態學極為複雜，不同疾病在不同地方的表現經常十分獨特。某些傳染性疾病的傳播方式是人直接傳染給人，有些則透過一個中間病媒 (例如蚊子、跳蚤、蜱等) 傳播，也可能藉由感染其他物種 (尤其是哺乳動物及鳥類) 而發生。
動物性傳染病的傳染周期自然存在於動物族群中，當人類侵犯到這個生態圈或環境遭逢破壞與瓦解時，疾病則會伺機傳播到人類身上。舉例來說，各種齧齒動物會依據環境條件及食物可利用性，來決定其族群的大小及行為。1991~1992 年聖嬰現象的豪大雨過後，老鼠族群的大量繁殖被認為與美國漢他病毒肺症候群的第 1 次爆發流行相關。
由蚊蟲傳播的疾病，常在大自然受到某些因素干擾後流行，包括氣象變化、森林砍伐、人口密度改變、蚊蟲結構改變、脊椎動物宿主結構改變，以及遺傳上的變異。氣候變遷也對人類或獸類地域性的流行病產生正面或負面的影響，結果經常取決於疾病本身的特性。適合用來降低接觸病媒及齧齒動物傳播疾病風險的方法，包括提供旅遊者相關資訊、疫苗接種和預防藥物，以及防禦措施、監控及監測。
在大部分已開發國家，由食物引起的疾病發生率也在上升，這是由於行為、消費情形及貿易的改變所導致的結果。臺灣的高相對濕度也使得真菌類皮膚感染疾病有較大的風險，因為溫暖及濕潤狀況可提高真菌類皮膚感染，例如孢子絲菌病。濕度的降低可導致真菌孢子顆粒分散的增加，因而增加球孢子菌引起肺炎的風險。
若氣候變遷導致部分區域水源短缺，則可能產生更多灌溉需求，尤其在乾旱地區。如果灌溉系統擴展至符合需求，住血吸蟲病宿主 - 蝸牛族群可能會增加，導致人類和寄生動物一起感染住血吸蟲病的風險增高。然而，這樣的衝擊可經由建造不利蝸牛繁殖的灌溉系統來降低。
許多重要的傳染性疾病，尤其在熱帶國家，都是藉由病媒傳播。由於這些病媒無法調控自體內部體溫，因此對於外界的溫度及濕度變化反應較敏感。氣候變遷可能會改變病媒物種的分布，依據氣候對於繁殖地點的有利與否決定其分布範圍的增減 (例如植被、宿主或水源方便性)。溫度也會影響病媒體中病原體的複製與成熟速率，以及其存活率，因而進一步影響疾病的傳播。
可能影響傳染性疾病傳播的氣候因子，包括溫度、濕度、降雨量改變和海平面上升。至於判斷這些因子如何影響病媒傳染疾病和齧齒動物傳染病的風險，則是一項必要但相當複雜的工作。
決定病媒傳播疾病的規模與地理分布的因子錯綜複雜，包含了人口統計、社會、氣候等諸多因子。病媒數量或分布區域增加並不會自動導致疾病發生率增加，而疾病發生率增加也未必一定造成死亡率的增加。疾病傳播需要傳染窩、適當的節肢動物病媒、以及足夠的病原體同時存在於這個地區。
人類疾病的傳播與許多複雜且相互影響的因子有關，包括人口密度、住屋地點及型態、住家的屏障及空調的有無、生活習慣、可否取得安全飲用水、污水及廢棄物處理系統、土地使用及灌溉系統、病媒控制計畫的成效和可用性，以及一般環境衛生。如果以上這些因子都有利於傳播，則一些氣象因子就有可能會影響其傳播情形 (如溫度、相對濕度、降雨情形等)。所有上述因子都會影響疾病的傳播動力學，並在發生地區性或流行性傳播上扮演重要的角色。
過去數十年，由於人口成長、都市化、土地使用及農業操作改變、森林砍伐、國際旅遊、貿易、人類及動物的活動、環境微生物的適應及改變、公共衛生設施的損壞等人口與社會因素的變化，使得許多傳染性疾病，包括病媒傳播疾病，在世界多處地區有重新復甦、肆虐的跡象。
在一些海島國家，隨著氣溫及雨量的改變，一些病媒會擴展牠們的生活區域而擴大某些疾病的傳播範圍。舉例來說，瘧疾以前大致局限在西、中太平洋地區，目前則已向東擴展，甚至遠至斐濟都可發現其蹤跡。值得注意的是，許多海島的高地目前幾乎尚未有足以傳播瘧疾、登革熱及其他熱帶疾病的病媒 (如埃及斑蚊) 存在，但如果全球氣候持續暖化，則極可能會變成適合病媒繁殖的場所。
在拉丁美洲地區的調查結果顯示，當節肢動物類的病媒處於生活史中的感染寄生階段時，對於氣候及水文狀況，尤其對溫度、濕度、不流動的水池、池塘等特別敏感，溫度變化則是影響病媒傳播能力的主要因子。同時，一項英國研究指出由食物傳染的疾病發生率，與其盛行前 1 個月的溫度具高度相關性。這可能是因為蒼蠅、蟑螂、齧齒動物等是會對居家環境衛生造成危害的主要生物，其活動及分布會隨著氣候變遷而改變，再加上不當的食物處理所致。
依據學者專家的評斷，對氣候變遷最敏感的疾病包括瘧疾、登革熱、鼠疫、細螺旋體病、蜱媒傳播疾病的萊姆病與蜱媒腦炎、齧齒動物傳播疾病的漢他病毒、水媒傳染性疾病的隱孢子蟲症、梨形鞭毛蟲病與霍亂。此外，還有利什曼蟲病、住血吸蟲病、卡格氏病等。
在臺灣已著手建立的資料庫中，初步結果指出，現行的埃及斑蚊布氏指數監測，並無法有效預測登革熱周期性流行是否會爆發。然而利用溫度的變化卻可評量疾病是否爆發的相對危險性，但降雨量及相對濕度則無顯著的影響趨勢，顯示臺灣南部地區未來長期暖化趨勢，極可能助長登革熱在都會區的地方性流行。
過去人類在地球上生存的抗衡中面對過飢荒和戰爭，而我們這一代要面對的可能除了全球化的競爭之外，還包括全球氣候變遷帶來的各種負面效應。而與日俱增的科學研究顯示其惡果已不是「後代子孫」般遙遠的未來，是我們及現存的孩子們這一代就會遭遇到的挑戰。如何保護全人類共享的唯一家園 — 地球，已是刻不容緩的共同課題。 |
防災預警科技(五):沙塵蓋目 不速之客千里而來 | 台灣每年的 11 月至隔年 3、4 月，容易遭受來自中國的沙塵暴侵襲，城市籠罩在一片霧茫茫的白色沙塵之中，遠方景物模糊不清，新聞提醒老人與小孩盡量避免外出活動......。為了更了解這種「不遠千里而來」的自然災害，我們邀請到文化大學楊之遠教授與環保署環境監測及資訊處朱雨其處長，深入淺出地介紹各種空氣污染物與沙塵暴的成因與威脅，以及面對這些飄浮在空氣中的威脅，目前是如何進行監測與預報呢？空氣污染物知多少
在討論沙塵暴前，我們必須先知道，大氣中有哪些東西會對我們的健康造成威脅？環保署目前主要監測的空氣污染物可以分為氣狀污染物與粒狀污染物，前者包含氮氧化物 (NOx)、硫氧化物 (SOx)、一氧化碳 (CO)、揮發性有機物 (VOCS) 等等，而後者指空氣中的懸浮粒子，依粒徑大小可分為懸浮微粒 (PM10) 與細懸浮微粒 (PM2.5)。
空氣狀污染物主要來自人為排放，例如工業製程與汽機車引擎產生的廢氣。其中，氮氧化物與 VOC 會與陽光進行光化學作用，形成臭氧 (O3)。臭氧在高空能阻礙紫外線照射地面，然而，在地面附近的臭氧會對眼睛，呼吸道有刺激作用。
粒狀污染物的來源可分為自然與人為。自然來源包含海洋、火山、森林火災等等。而人為來源包含工廠、汽機車與工程施工的揚塵等等。
粒狀污染物中，PM 2.5 指微粒直徑等於或小於 2.5μm, 相當於頭髮直徑的 28 分之一，由於鼻毛無法過濾如此細小的顆粒，附著於顆粒上的細菌或病毒可能間接侵入肺部造成感染。每逢沙塵暴侵襲台灣，可觀測到各地測站 PM10 大幅飆升 (約為平常的 5~10 倍), 由於沙塵多屬較粗的顆粒，通常 PM2.5 增加不如 PM10 顯著 (約為平常的 2~3 倍)。
黃沙滾滾：沙塵暴的形成
台灣平均每年遭遇 2 次到 3 次較為嚴重的沙塵暴。世界上主要的沙塵暴來源主要有 4 個：澳洲、撒哈拉、中亞以及中國內陸的沙漠。
沙塵暴來源地地區的地表土質鬆軟、乾燥、無植被，在沒有積雪的情況下，搭配特定的氣象條件，如強烈的地面風、垂直不穩定的氣象條件及沒有降雨降雪，便會造成沙塵揚起，懸浮於大氣當中，高度可達 1000 公尺至 3000 公尺，再藉由西風帶的氣流向東傳送至日本、韓國，甚至抵達美國。
每逢冬末春初，尤其每年二月至四月，是沙塵暴最頻繁的時間。其中少數會影響台灣，這些沙塵暴主要來自中國的甘肅、內蒙古、黃河河套地區，這些沙塵可能伴隨東北季風一起南下。
沙塵暴對於人體的威脅
由於沙塵暴漂洋過海來台灣時，主要以 PM10 為主，能來到台灣的細小的 PM2.5 並不顯著，有研究發現，沙塵暴影響期間，台灣本地可觀測到少見或甚至未曾出現過的真菌，但是否由沙塵所挾帶，需要進一步研究證實。
沙塵暴可能攜帶生物性的物質，這表示沙塵暴也有可能攜帶病毒與微生物來到台灣，提高健康風險以及疾病傳播，甚至造成生態環境的破壞。
另外，沙塵暴過後數天內，過敏性病人急診人數大量增加；而根據 1994 年至 2007 年台北的統計資料，沙塵暴來襲期間，會增加非意外死亡和心血管疾病死亡的人數，其中老年者更易受到沙塵暴的影響，故台灣對於沙塵暴的侵襲不可不慎。
空污防治最前線：台灣空氣品質監測站
目前，環保署一共有 76 個空氣品質監測站，遍布台灣本島與金門、馬祖、澎湖 3 個外島，即時監測懸浮微粒濃度、氮氧化物、硫氧化物、臭氧等空氣污染物。這些測站的數據都是上網即時公開，民眾能透過網路了解當下的空氣品質狀況。
同時，這些空氣品質測站可說是偵測境外污染物的最前線。境外污染物包含東南亞生質燃燒，以及中國的沙塵暴與酸雨等等。
76 個測站中，部分測站由於本地污染源少，或者因為地理位置，境外污染物來襲時首當其衝，因此可作為背景測站。背景測站若偵測到污染物便可能是境外污染。
目前，環保署的背景站包含鹿林山、馬祖東引以及東沙群島。過去幾次沙塵暴侵襲台灣時，馬祖測站的懸浮微粒濃度為比台灣本島早數個小時提高，因此可視為沙塵暴即將來襲的預警。此外，本島的萬里、觀音、三義等測站也屬於背景測站。
沙塵暴監測與預報
目前環保署設有專門小組蒐集全球的觀測資料，如地面的沙塵觀測、衛星影像與各地的空氣品質，利用電腦預測模式，預測這波沙塵暴何時到達台灣，以及抵達時 PM2.5 懸浮微粒的濃度會有多高。
目前環保署在進行沙塵預報作業時，主要參考 6 個分別來自台灣、美國、日本、韓國與中國的沙塵模式，其中便以環保署與台灣大學大氣科學系發展的沙塵模式為最主要的參考依據。
這種研判沙塵影響台灣的方法，在時間點預估表現不錯，但是實際抵達台灣的濃度難以掌控。由於侵襲台灣的沙塵暴會先經過中國許多省分，如果能取得中國的觀測資料，對於實際評估沙塵威力將頗有幫助，建立兩岸監測合作機制已經列入環保署 2013 年的目標。
沙塵暴本來是自然現象，但是經過中國這幾十年來的過度砍伐森林、過度放牧等，沙漠化土地面積增加，使沙塵暴來源地更接近台灣，沙塵暴侵襲台灣的時間更快。目前中國已經開始正視沙塵暴的威脅，開始推動造林與其他監測空氣品質的措施。而台灣除了降低本身的污染物，對於境外污染物亦須做好防護措施，以將風險降至最低。(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 |
防災預警科技:導言 | 要掌握災害，就必須具備監測的能力，並藉以作出預警。隨著科技不斷進步，人們對於災害的掌握能力也漸漸提升，所謂「天有不測風雲」的狀況，已比古代少了許多。
台灣每年都會發生多起的土石流，而這種坡地災害與降雨的關係密切，並以雨量作為預警依據：當「預測雨量」大於土石流警戒值，主管機關即發布黃色警戒，勸導民眾撤離；當「實際降雨」大於警戒值，則發布紅色警戒，強制疏散民眾。本專題有兩篇文章探討雨量的預測與監測方式，包括雨量站的設置與雷達的運用，以及介紹「系集預報」的概念。
與強降雨類似，龍捲風也是一種強對流現象。在美國，龍捲風災害幾乎年年發生，並造成慘重的傷亡和損失。台灣龍捲風的發生頻率雖遠低於美國，但每年還是會有若干起，時而在陸地上，時而在海面上。對此，我們會介紹「都卜勒雷達」, 並說明如何將其運用在龍捲風的監測。
另外，台灣位在歐亞板塊、菲律賓板塊的交界處，地震頻率相當高。我們可從日本 311 大地震的經驗中看到，強震除了會震垮結構不良的建築，還可能進一步引發海嘯、核災，形成所謂的「複合型災害」。身處地震帶上的台灣，我們目前如何作地震監測，它背後的科學原理又是什麼，也是本專題所要探討的。
最後，每年 11 月到隔年 3、4 月期間，中國內陸的沙塵暴常伴隨季風侵襲台灣，不只讓視線變得灰濛濛，空氣中的懸浮物更是威脅民眾的健康。隨著中國的工業化程度越來越高，林地減少、土地沙漠化，沙塵暴也越來越嚴重。對於來自遠方的不速之客，我國政府已經建立一套監測與預警的作法。
透過監測技術的提升，我們對災害已不再一知半解，但現在的能力還是不足的。我們仍要不斷在技術上精益求精，以確保安全與健康。(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 |
伽利略發現木星有衛星繞行! | 木星最大的四顆衛星被命名為伽利略衛星，由左至右分別為木衛一到木衛四。(圖 / NASA,Wikipedia)
1543 年 (明嘉靖廿二年), 是西方科學史的里程碑，維薩琉斯 (Vesalius,1514-1564) 的《人體構造與機能》與哥白尼 (Copernicus,1473-1543) 的《天體運行論》都在當年出版。但是哥白尼以太陽為中心的「日心說」, 在當時的人看來，究竟算不算一場革命？其實大有疑問。
這個問題涉及到的西方學術史線索，頗為複雜。例如，當年許多天文學家將「日心說」視為方便天文運算的模型，而不是宇宙構造的「真相」。這在西方天文學史上，早有先例，西元二世紀，集古代天文學大成的托勒密，就是以虛擬模型協助天文運算的。而「地心說」, 其實不是源自基督教的正統學說，西元前四世紀亞里斯多德提出的宇宙構造圖像與論證，才是西方「地心說」的鼻祖。
至於追求知識的可靠門徑，在古希臘學術傳統中，就有過深入的討論，有些學者認為感官有其限度，因此不可完全依賴感官，還得善用理性，才能發掘真相。
不過，現代科學的精神，基本上是以客觀感官資料作為確定知識的最後判準，毫無疑問。哥白尼發表《天體運行論》之後，天文學家以觀測證據重建宇宙圖像的過程，伽利略 (Galileo, 1564-1642) 扮演了關鍵的角色，而伽利略賴以突破感官限制的，是望遠鏡。
人類感官的突破 —— 望遠鏡誕生了！望遠鏡的前身，是放大鏡、眼鏡，發明的需求是自然創造的，就是老花眼。但是直到十三世紀，才有人發現厚的玻璃球切片可以放大文件上的字跡。十三世紀結束時，義大利匠人已經開始製造凸透鏡眼鏡了。這些早期的眼鏡，佩戴並不舒適，鏡片的品質也不夠好。到了十五世紀，義大利匠人發明了矯正近視的凹透鏡，只是製造凹透鏡的技術仍很粗糙。
1500 年左右，以凸透鏡或凹透鏡製造的眼鏡，在歐洲已很普遍。但是仍然沒有人發現，一個凸透鏡加一個凹透鏡，或是一個凸透鏡加另一個凸透鏡，就能製造望遠鏡。理由很簡單，當時的透鏡品質不佳，而且光學的知識也不夠。
直到十六世紀末，義大利已有一些表演「異象」供觀賞娛樂的裝置出現，那是利用透鏡與鏡子的組合。因此，到了這時，發明望遠鏡的條件，可說大致成熟了。
詩人 Johan de Brune 對於 17 世紀荷蘭望遠鏡的描繪。(圖 / Wikipedia)
望遠鏡時代是在 1608 年九月下旬正式揭幕的，因為荷蘭政府收到了史上第一份望遠鏡的專利申請書。而且，政府官員還收到消息：各處都有人以望遠鏡表演奇觀，不只是在荷蘭，德國也有。很明顯，製造望遠鏡的技術並不是祕密。1609 年春，巴黎有人兜售望遠鏡，夏天，義大利也出現了。這時的望遠鏡，是裝了一個凸透鏡與一個凹透鏡的一根圓筒，放大率只有三、四倍而已。有些人試用之後，不免覺得失望。
市面望遠鏡倍率不夠看，伽利略著手改良
這時伽利略正在威尼斯的巴度瓦大學擔任數學教授。他自 1592 年起，就在那兒教書了，但是薪水並不高。而伽利略是長子，得挑起家計，妹妹出嫁，他都得出妝奩。大妹夫因為他沒有按約定付款，還告過他。雖然他沒結婚，卻有情婦，這時已為他生下兩個女兒，一個兒子。
伽利略得另闢財源。他在家裡開課，收寄宿學生；只有貴族或有錢人家子弟才負擔得起。他還雇用匠人，製造他設計的儀器出售。他就是在這樣的情況下，進行運動學研究的。因此，伽利略一直在留意機會，想增加收入與研究時間。
1609 年五月，他從朋友那裡聽說了望遠鏡之後，立刻就著手組裝了一個。這具望遠鏡是以現成的透鏡製造的，只能放大三倍。於是伽利略著手改良望遠鏡的研究。當時的光學知識對他沒有什麼幫助。可是，他是個傑出的實驗家，只消幾次嘗試錯誤，他就發現放大倍率與兩只透鏡的焦距有關。然而，街上賣的現成透鏡，沒有合適的焦距，於是他就自己動手。到了八月底，他製造的望遠鏡，倍率已達八、九倍，比威尼斯市上任何一只都高明。他拿這個望遠鏡在政府官員面前展示，讓任何有興趣的人試用。
伽利略向威尼斯大侯爵展示望遠鏡。(圖 / Wikipedia)
伽利略兜售他的望遠鏡，說詞全是軍事用途：無論在陸地、還是海上，使用望遠鏡，都能及早發現敵蹤。兩天後，他就將這具望遠鏡捐給威尼斯政府，並附了一封信，委婉地說明：他想繼續研究，以便日後能有更大的「報效」機會。
威尼斯政府很快就決議，給伽利略加薪一倍，而且他的教職改為終身聘。可是，他高興得早了一些，因為學校要等到他目前的合約到期後，也就是學年結束後，才會給他加薪。
人類視野大突破 —— 伽利略拿望遠鏡對準星空
因此，望遠鏡在伽利略手裡，一開始就不是個科學儀器。他將望遠鏡改良之後，也的確為他的科學事業爭得了利基 —— 穩固的職位與倍增的薪水。
但是他並沒有停下腳步，繼續改良望遠鏡。到了 1609 年十一月，他完成了一具放大二十倍的望遠鏡。可是，這時他開始將望遠鏡對準星空了。
伽利略 (左) 1609 年第一次以 20 倍望遠鏡觀察月球後，親手繪製的圖。
大約在十一月三十日與十二月十八日之間，他詳細觀察與記錄了月相的變化。他第一次公開他的觀察，是在 1610 年一月七日。那一天晚上，他寫信給翡冷翠麥迪席 (Medici) 家族的友人:
許多人相信月亮與其他天體一樣，表面均勻、光滑、又規律，但是，實情正相反，月亮表面粗糙不平。簡言之，根據望遠鏡觀察到的現象，清明的理性必然會達到的結論是：月亮表面上都是隆起與深溝，與地球表面上的高山與深谷相似，但是高得多，也深得多。
但是，使他名滿歐洲的，卻是那天晚上，他的另一個發現:
除了觀察月亮，我還觀察了其他的星星。首先，我看見了許多星星，要不是使用望遠鏡，那些星星以肉眼是看不見的。我在今晚才觀察木星，我看見木星旁邊有三顆恆星，它們非常小，肉眼根本看不見......
發現木星的四個衛星 —— 麥迪席行星群
由於那三顆「恆星」出現在木星兩側，連成一直線，勾起了伽利略的興趣，於是他連續幾個晚上，一直觀察它們。結果，到十一日他就確定了：那三顆星，其實是行星，由於太小，所以直到現在，才給他觀察到。再過兩天，伽利略發現了木星第四顆衛星。
格里斐斯天文台展示的伽利略望遠鏡複製品 (圖 / Wikipedia)
有趣的是，伽利略發現了木星與地球一樣，也有月亮圍繞運行，最關心的卻是：如何利用這個發現為自己的前途謀福利？而不是拿這個事實當作支持哥白尼日心說的證據。舉例來說，他大可以說，木星的例子顯示地球並不那麼獨一無二；那麼，日心說 (所有行星都繞日而行) 至少在義理上，更為合理。
伽利略立即用木星的四顆衛星向統治翡冷翠的麥迪席家族招徠，他說他為那四顆木衛想出的名字，是「麥迪席行星群」。
伽利略以貴族命名星星，仕途一片順遂
伽利略以望遠鏡發現的各種新現象，在人心中激起的想像，沒有一個比得上「麥迪席行星群」, 尤其是在歐洲的貴族社會中。地球上有哪個家族，能有機會讓姓氏登錄在永恆的星空上呢？法國宮廷甚至派人向伽利略打聽，是否能再發現一顆星星，以王室的姓氏命名？2009 年 8 月 25 日，Google 為了紀念伽利略望遠鏡發明 400 週年，特製紀念版首頁。(圖 / Google)
麥迪席家最後安排伽利略擔任比薩大學教授，不必教書，也沒有任何公務，同時，還擔任塔斯坎尼大公 (Duke of Tuscany, 當時由麥迪席家族掌門人擔任) 的首席數學家。至於薪水，則是翡冷翠公職中的最高等級。由於伽利略的大妹夫在翡冷翠擔任低階公職，他還要求大公免了他的妝奩債務。最後，伽利略提出，他的職銜除了「數學家」之外，還要加上「哲學家」。這時，他的研究計畫已包括哥白尼引發的「宇宙結構–世界體系」爭議，而不只是數學模型問題，這種「道通天地有無間」的研究氣魄，只有「哲學家」的頭銜才配得上。
這個安排在 1610 年七月十日宣布，威尼斯的有關人士非常不滿。但是，伽利略出生於比薩，在翡冷翠長大，就算不談錢與頭銜，威尼斯怕也爭不過翡冷翠。
【科學史上的這個月】 |
遙測大地:臥遊大地–數值航測 | 科技世代的生活，強調的是具象化、眼見為憑。電玩 2D 的聲光效果不夠過癮，還得 3D 立體化，才能讓玩家有身歷其境的快感。電影不能只有假假的攝影棚背景，求票房就一定要來個電腦特效，而如果可以進一步變為「立體電影」, 那就更讓人大呼過癮了！不只是休閒娛樂，我們每次打開電視看氣象預報，播報員後面幾乎都是一幅彩色立體的臺灣，讓你除了知道晴時多雲偶陣雨之外，還可以像搭乘飛機一般，從臺灣尾到臺灣頭瀏覽一番！其實，這個花花綠綠的臺灣模型，裡頭可是大有文章，它是來自一張張的照片，透過一種類似看立體電影的原理，讓立體的地形可以在室內重現。這種技術，稱作數值航測 (digital photogrammetry)。
立體視覺與視差
去過臺中自然科學博物館的人，一定會對其立體劇場印象深刻。進到劇場裡頭，會被要求戴上一副暗灰色的紙眼鏡，用這副眼鏡看身旁景物時與一般無異，但當劇場畫面播出時，卻可以看到火車朝你直奔而來、氣球離你遠去，或是水底的游魚彷彿就浮在劇場半空中觸手可及。這種特效，就是利用人類視覺的特殊原理設計而成的。
大家或許有過這樣的經驗，若是單眼受傷，而嘗試去接球或任何移動的物品，都會較不準確且危險。為什麼會這樣呢？這是因為「立體感」的消失。
人視物時所以會有立體感或距離感，是因兩眼與物體連線間有一個微小的夾角，我們稱它為視差角。這一夾角使兩眼觀察到的物品有些微差異，而呈現空間中的遠近層次，也就是所謂的「立體視覺」或「雙眼視覺」。在這種「立體視覺」的啟發下，不但促成了諸如立體電影等休閒娛樂的出現，科學家更發明了數值航測的技術，開啟人們探索大地變化之門。
什麼是航測
航測是指利用航空載具，一般是小型飛機，載有長焦距的特殊航測用鏡頭，在規劃好任務目標後，依照特定的航線拍下一連串的照片。依目的不同，這些照片有特定的拍攝高度與快門間隔。
製圖用的照片拍攝時的飛航高度較低，航線較規律，大多是正南北或東西方向，且拍攝時間間隔短，前後兩影像的覆蓋率在 60% 以上，目的在取得較佳的解析度及立體像對。救災用的照片拍攝時的飛航高度則較高，拍攝間隔長，前後影像的覆蓋率較低，偶有不規則的斜向航線，目的是針對例如颱風或地震後的受災區進行大區域普查。
照片取得後，由於前後照片在飛行中不同位置所攝，有如人的雙眼自不同位置看同一物體，必然有一視差角，如果能透過如反射鏡式立體鏡等器械，便可在紙面上重現有如從空中俯瞰大地般的壯闊景象！航測技術發展史
初期的航測技術，稱作「類比航測」。當時電腦軟、硬體都不如現在發達，航測作業完全透過光學機械操作。這種操作，以現今的眼光來看相當簡陋，它使用一種像車床大小、操作複雜的類比製圖儀，操作時須手腳並用，是種需要高度協調性的工作，要有長期的訓練與經驗才能勝任；稍後，是一個機械與電腦並存的過渡期，稱作「解析航測」, 這一時期所使用的儀器是解析製圖儀，它與類比製圖儀一樣須倚賴雙手雙腳的協調，進行實際的航照測量，並結合工作站電腦做後續處理。
電腦科技發展成熟後，便跨入所謂的「數值航測」時代，掃描的影像檔甚或數位相片取代了傳統照片，成為舞臺上的主角，在大型製圖儀不斷配合電腦的發展進行改良的同時，個人電腦上的數值航測技術也演進到幾乎可與匹敵的地步。
在臺灣，最早一批有系統的航測照片 (以下簡稱航照) 是美軍於 1940 年代末到 1950 年代初所攝的，這批照片幾乎涵括全島，可說是臺灣最早也最完整的一批影像紀錄。稍後，此一業務於 1954 年由「農村復興聯合委員會」成立「森林資源及土地利用航測調查隊」接手，再逐步演進到今日的「農業委員會林務局農林航空測量所」。該所有多架航測飛機與航測相機等設備，以及專業的解析製圖儀，能製作高精度的 1/5,000 像片基本圖，並且同步發展數值航測的技術。
數值航測技術
航高的影響 航測幾何的第一步，便是了解航高的影響。當我們想要拍攝一幢房屋的正視影像時，可以選擇站得很近，用廣角鏡來拍攝，或是站得較遠，用一般的鏡頭來達成同一目的。不過，這兩者會得到相同的結果嗎？底下說明兩者之間的差異在於：相機與物件的距離越短，所用鏡頭角度越廣，則由中心點向外的變形程度越高，陰影部分也較大，因此，相片中房屋面積會顯得較大；相反地，相機與物件的距離越長，所用鏡頭角度越窄，則由中心點向外的變形程度越低，陰影部分較小，因此，相片中房屋面積會顯得較小。
因此，如果相機從無限遠處來拍攝這房屋，則鏡頭角度可達到無限小，相機與物件間的所有光線可說是近乎平行，而變形近於零，是一個完全正視、無陰影影響的影像，但其面積會相對地縮小。
從這個簡單的幾何原理，可知如果想從單張航照來製作地圖，最理想的狀況是盡可能從高的地方拍攝，以得到最小的變形，這便是衛星影像製圖被廣為應用的原因。不過，受到航空照片成像方式的限制，當飛航高度越高，則「空間解析度」會變差，因此如何取捨須視任務與目標而定。
影像方位 當飛機在飛行時，由於機身傾斜或偏離航線等因素，會造成航照拍攝時並非完全平行於地平面或預定航線。在這種狀況下，影像便會在鏡頭變形外再加一層方位變化所造成的變形，這就是「外方位差」。外方位差的修正，在目前的技術中，是透過「地面控制點」來進行。
座標系統的轉換 接下來要做的是處理三個座標系統間的轉換。首先，是相機本身的二維相片座標系，這是以相片正中心點「相主點」為原點，再切割出四個象限。當相片掃描為影像後，我們需要讓影像上的座標與原本的相片座標連結，這時利用的是相片四邊上的「框標」。在影像上點明框標，並賦予其在相片上的座標，電腦便可以把這二座標系相連，而能直接計算內方位差，並進行透鏡修正。
最後，還要再修正因飛行偏斜所產生的外方位差。我們需選一些點，把影像上的座標與實際地表上的大地座標結合，這些點稱作「地面控制點」。「地面控制點」的選定很重要，多半會在屋角或路轉角等明顯不變的位置，這些點提供實際的三維空間資訊，而能讓電腦計算出影像本身是不是有偏斜，並予以校正。
空中三角測量
在臺灣，很多人應該對三角點不陌生，不論登小山或大山，都有機會在山丘上看到一個水泥基樁，上面註明是幾等三角點等字樣。不過，究竟什麼是「空中」三角點呢？在製作大範圍地圖時，必然需要使用多張航照，甚至可能會跨過「條帶」, 條帶是指沿同一航線上所拍攝的航照系列。然而，不同條帶間要如何結合在一起呢？由於前後上下航照間都會有一定程度的覆蓋，你可想像拿一個大頭針，把前後左右數張照片中相同的地物釘在一起，只要多釘幾個點，各張照片之間的連結就會相當固定了！這樣的點，我們稱作「影像連結點」, 它並不提供實際地表座標，而只負責把前後照片以及不同條帶的照片相連在一起。
另外，我們還要量測幾個「地面控制點」, 地面控制點提供實際的地面座標，做為影像二維相素座標與三維空間座標轉換的依據。一如地面上的三角點是實施三角測量時的基準，這兩種點位是實施航測時的重要基準，稱作空中三角點。當它們對整個模型做出良好控制之後，便可進行各種產品的產出。
數值航測的產品
前述工作，聽來簡單，做起來卻相當費時。雖然在數值航測時代，大部分工作已經由巨型測繪儀轉移到電腦上，但是在連結點與地面控制點的挑選上，一樣需要大量的經驗與時間，才能得到最佳的結果。最後所得到的產品，便是「數值地形模型」(digital terrain model, DTM) 以及「正射影像」(orthoimage)。
何謂數值地形模型？我們先回想國中或高中時代，在學習地理時必然會學到的等高線。每一條等高線連接的是在空間中具有相同高度的位置，代表 Z 軸上的座標，而地圖圖框本身，還會有 X 及 Y 座標。而數值高程模型，則是以點或網格的方式，取代傳統的等高線表達方式。地貌是由彼此相連且間隔固定的點或網格組成，每一點或網格都含有 X、Y、Z 資訊，也就是說，原本「圖形」格式的地圖圖框 (X、Y) 與等高線 (Z), 被轉化成「數值」格式的資料，如此一來，具有很多的優點。
首先是可以取代過去的紙本地圖，節省收藏空間；其次是結合地理資訊系統，可搭配地形圖、地質圖、衛星影像檔，或是各種特殊圖層進行綜合解釋；而數值格式還可直接進行各種空間分析與計算，如坡度、坡向、集水區畫分、主流長度計算等等；此外，搭配不同的商用套裝軟體，DTM 的數值格式能以不同的色階、暈染、打光、透明度、垂直放大、圖層套疊、放大縮小等方式呈現，因而能針對需求以最佳的方式表現。
另外一個數值航測的產品是「正射影像」。「正射」的意思是，已把所有影像中因內方位差、外方位差與地表起伏所造成的變形大致去除，因此影像上每一點都如同由其垂直正上方向下看，或類似由無限遠處看到的影像，同時，影像上也加入了 X 及 Y 方向的座標。
正射影像與 DTM 最大的差異，在於後者提供的是地表起伏變化的資訊，而前者是藉由影像上的顏色、組織、大小、形狀、排列與空間關係等要素，讓使用者可以清楚判斷出道路、建物、水田、林地等土地使用差異；不過，我們常合併使用正射影像與 DTM。在地理資訊系統中，把正射影像套入立體顯示的 DTM 之上，如此結合影像資訊與高程資訊，不但可以更精確快速地判斷地貌及地物，更可以像搭乘飛機一樣進行觀察，感受「秀才不出門，能觀天下物」的樂趣！不過，在電腦上看立體的 DTM, 嚴格來說只能稱作 2.5D。想觀賞真正的 3D 影像，也就是所有地形高處向螢幕外凸出、低處向螢幕內凹進去，還得要有特殊的工具才行！觀賞真正 3D 的影像，最簡單的方式便是先前提過的，用欣賞立體電影時配戴的淺灰色紙眼鏡。這副眼鏡稱作「偏光眼鏡」, 它的鏡片密封有萬條平行柵狀結構的偏光薄膜，這些柵狀結構只容許光波振動方向與柵格平行的光線穿透。
在拍攝立體電影時，是使用左右兩臺不同的攝影機同步拍攝，有如人用雙眼視物時，兩眼間有一視差角。放映時，為使觀者左右眼能各自看到左右攝影機所攝影像，便使一影像以垂直方向偏振，另一以水平方向偏振，則經過偏光眼鏡過濾之後，左右兩眼便可重現拍攝當時的視差影像，而產生立體感。
偏光眼鏡應用在電腦螢幕上，首先要解決的是如何使一個正常的螢幕，產生偏振的效果。目前最常用的兩種設備，一種是在螢幕上安裝發射器，透過軟體的控制，使畫面中具視差的影像以不同偏振方式顯現，再配戴偏光眼鏡以達到立體效果；另一種則是在螢幕前方直接外加螢幕，使其持續對左右眼影像進行偏振，也同樣要配合偏光眼鏡的使用。
這兩類設備僅限於用在傳統映像管顯示器上，不能用在液晶顯示器上，因為液晶螢幕本身已使用了偏光板的原理，所以當發射器或偏振螢幕發揮作用時，顯現的影像會是多重偏振後的結果，而無法正常顯現 3D 立體影像。
很可惜的是，一般使用在電腦上的這些偏振器材價格都不便宜。另外一個陽春卻具類似效果的便是紅藍眼鏡，或是紅綠眼鏡。一般航測軟體都有支援在輸出立體像對時，左邊那張只保留紅光，而右邊那張保留藍與綠光，再把兩張合為一張略為模糊且帶有視差的影像，觀看時配戴紅藍 (或紅綠) 眼鏡，使左右眼各自只看到紅與藍 (或綠) 光的左右影像，便可達到在電腦上欣賞 3D 影像的目的。不過，由於紅藍眼鏡是擷取部分色彩進行模擬，因此透過鏡片看到的顏色會失真，使用偏光眼鏡則會保留其原始色彩。
數值航測的應用
目前在國內，數值航測除了以製作像片基本圖為其主要的應用外，在地球科學上的應用則有活動斷層調查及山崩災害監測等。就活動斷層調查而言，研究者把數值航測產出的高解析度 DTM 置入地理資訊系統中，藉由暈染、打光、等高線生產等方式，探索地形起伏上的異狀。這類活斷層調查常需借助立體鏡以及航照的直接觀測，目的在於透過一個直接而快速的操作，針對地形上有異狀的區域進行調查，如此便可得到對該區通盤的概念，並且縮小、鎖定野外調查的範圍。
就山崩災害監測而言，利用已具有座標的正射影像，可直接判釋出山崩、土石流的發生地、發生面積、與周圍其他災區的相關程度等。倘若能收集到多年的航空照片，還可以對該區山崩、土石流災害史進行完整的調查，以做為土地利用決策時的重要考量。此外，還可以透過 DTM 上的坡度、坡向、地形變化等資訊，預估山崩土石流災害的發生潛勢。由此看來，數值航測真可說是災害研究的必備工具。
衛星時代的來臨
航測技術發展至今，可說是一種相當成熟的技術，其相關的軟硬體、計算模組與應用已達巔峰狀態。換句話說，未來的發展會有一定的限度。目前在遙測發展上，正逐步朝衛星之路邁進，最近升空的福衛二號，也可以用來生產 DTM, 更不用說歐美多枚運行已久的商用衛星，其空間解析度甚至可達 70~80 公分！衛星影像的優點，如前所述，是因為拍攝距離遠，受飛航高度、鏡頭角度造成的變形相對較小，許多影像在簡單校正下，就可以得到相當好的正射結果。在波段上，航空照片所能拍下的，只有可見光的紅綠藍三波段，而許多商用衛星都有特殊設計的感應器，有的可感應 50 個波段以上！因此，就影像的空間解析度與光譜解析度來說，衛星影像似乎都直追航測影像，甚至有後來居上的趨勢。這是否意味著航測在不久的將來就要被淘汰了呢？當然，一些任務透過衛星可能會更簡單、快速地完成，但航測還是有其不可取代的優點。首先，在空間解析度上，以一張解析度 1,200 dpi, 也就是每像素約 21 微米的標準航照掃描檔，如果航高是 8,000 英尺，則其空間解析度可達 30 公分，這樣的解析度，目前衛星影像仍無法與它比擬；其次，航測較具機動性，在任務擬定後，只要天候許可，隨時都可以外出拍攝，相對而言，衛星拍攝多半需要在 1~2 個月前進行預約，而且可能還要擔心拍攝當天因雲量太多，導致影像品質不佳的問題。
最後，當然還是價格問題。航測成本較低，以小區域的研究為佳；衛星影像成本較高，尤其要取得衛星影像立體對更是所費不貲，但它適合研究大區域或是飛機無法抵達的區域。
因此，認清目標，慎選工具才是一個聰明的使用者。總而言之，遙感探測技術一日千里，讓我們既可以綜觀也可以細察大地的變化，對地球與環境的了解是一大神兵利器！附錄
雙眼視差 左右眼同視一物時，「右眼 — 物件 — 左眼」間所夾的角即「視差角」。看遠處景物時視差角較小，看近處景物時則較大，由於視差角的存在，使物體看起來具有遠近的立體層次感。應用前述視差角的原理，倘若有左右分別拍攝的兩幅影像，影像彼此間有所覆蓋但不完全相同，則同時看這兩影像時，立體影像就會自然浮現。
偏光眼鏡 觀賞立體電影時，使用者須配戴偏光眼鏡，其左右兩鏡片分別對水平與垂直偏振的光線進行過濾。拍攝電影時就使用兩臺攝影機，以固定的視角差異進行拍攝，再於放映時使用兩臺不同的投影機，一臺的影像進行水平偏振處理，另一臺則處理垂直偏振，透過使用者的偏光眼鏡，便會因兩影像間有視差角而產生立體感。 |
病毒與人:衝擊人類文明的新興傳染病 | 傳染病與人類文明息息相關
傳染病的流行，常常會影響人類的所有活動。歷史上的社會榮枯、文化起落、宗教興滅、政體變革、產業轉型、科技發展，都和傳染病的流行有密切的關係。戰爭的勝敗也可決定於傳染病的蔓延。在中世紀的圍城戰爭中，曾經將黑死病患者的屍體當作武器，以強力彈弓拋擲到城堡裡，讓守城敵軍得病死亡，進而不戰而勝。
公共衛生，是扼殺傳染病的最佳武器
公共衛生是基於社會正義與人道關懷，透過有組織的政府與民間力量，積極從事於促進健康、預防疾病、適切診療、復健身心、延長壽命、提升生活品質的志業。就公共衛生觀點而言，社會是一個生命體，每個人都是肢體，是葡萄樹的枝葉，是社會網絡的節點。任何肢體受到傷害，其他肢體也一起受苦；任何節點有所缺失，整個網絡就會動搖。要遏止傳染病擴散，就是做好公共衛生的預防工作，在全民動員下，全力防止疫情擴大。
很多防疫的措施，在還未發現病原之前，即可從事預防工作。在愛滋病的病毒被發現確認以前，美國疾病管制局即透過安全性行為和保險套的使用，來控制愛滋病毒在男同性戀之間的散播，而有效遏阻疫情的擴散。
在西元前一千年的埃及法老王木乃伊的臉上可以看到得過天花的瘢痕。(圖 / Wikipedia)
反過來說，人類在西元前一千年前即發現天花的傳染性，可惜一直沒有很好的對策，直到十七世紀英國醫師簡納發明了種牛痘預防天花的方法，當時天花病毒還未發現。二十世紀中葉，世界衛生組織積極推動全球性的天花預防接種，終於在一九七七年撲滅天花，這是預防醫學的重大成就，也是公共衛生的重要里程碑。
五花八門的傳染途徑
傳染病的傳染途徑可分成直接傳染和間接傳染兩大類。直接傳染是經由性行為、口、鼻、皮膚的直接接觸傳染，或是經由痰、唾液、噴嚏等的飛沫傳染。間接傳染經由水、食物、土壤、飛塵等媒介物傳染，或是經貝類、蟲類、甲殼類、魚類、鳥類、哺乳類等病媒動物傳染，也可經由飛沫核進行空氣傳染等。
SARS 可由飛沫傳染。
飛沫與飛沫核不同，打一個噴嚏會產生很多飛沫，其中大多數因地心引力而很快落到地面，少部分飛沫在還未落地之前，水分已經散發而成為在空中漫游的懸浮微粒，它們就是飛沫核，可以散布到很遠的地方，具有最強的傳染力。
目前的研究證據顯示，嚴重急性呼吸道症候群 (Severe Acute Respiratory Syndrome, SARS) 是由人對人近距離飛沫傳染，不是經由飛沫核的空氣傳染。所以只要 SARS 病患，務必戴口罩，即可減少在打噴嚏或咳嗽時，將飛沫傳染他人。醫事人員只要小心防護被飛沫污染的病房、用具，並養成消毒清潔習慣，即可減少院內感染的發生。
新種病毒的出現，極易全球散播
當新種病毒出現時，所有人類對它都沒有抵抗力，一旦傳染開來，流行就大為爆發，使得民眾陷入一無所知的高度恐慌當中。像二十世紀的多次流行性感冒、愛滋病和狂牛症等，在擴散蔓延的初期，帶給人們極度懸疑的不確定性和不安全感。一直等到醫學界闡明了感染途徑及擴散風險、重症與致死比例、易感受宿主特徵、病原體真面目、有效防治措施之後，人們才逐漸消滅心中的不安。
一九一八年流行全球的豬瘟型流行性感冒病毒，是一種由人、鳥、豬的流行性感冒病毒的基因重組所形成的新種病毒，人類對它沒有免疫力。該次流行，從中國大陸傳到阿拉斯加、美國、歐洲，再通過赤道傳到非洲、南美洲、澳洲，最後造成全世界至少二千萬人死亡。
注射疫苗是預防流行性感冒最有效的方法。面對經常盛行不同突變病毒的流行性感冒，疫苗製造廠商採取的對策，是收集每年在臺灣、泰國、馬來西亞、新加坡、澳洲盛行的流行性感冒病毒種類，以便預測下一年可能流行的病毒類型，再用以製造疫苗，以達到特定的疫苗專一性。
小兒麻痺病毒
造成全球兒童肢體障礙的最重要病毒是小兒麻痺病毒，雖然它在臺灣已經完全根除，但到一九八八年為止，全球還有三萬五千名兒童因為小兒麻痺而肢體殘障。
小兒麻痺病毒是經由口糞傳染，但是越早得到感染，越不容易發生肢體麻痺的嚴重症狀。SARS 病毒在小兒呈現的症狀比較輕微，值得探討是否其病徵的表現和小兒麻痺一樣。透過沙賓疫苗或沙克疫苗的接種，到二○○○年為止，除印度、非洲等地方還有野生性小兒麻痺病例存在以外，其他地區之小兒麻痺幾近根除，這是預防接種的成功實例，也是世界衛生組織的一大勝利。
登革熱病毒
日本腦炎、登革熱以及其它多種病毒性傳染病都是蚊子傳染的。(圖 / Pixabay)
體內有登革熱病毒的蚊子叮人之後，病毒會寄生到人體的白血球及淋巴腺繁殖，再散布在血清中。未感染的蚊子吸血後，病毒先在腸胃道複製，再在叮下一個健康人時傳播病毒。有埃及斑蚊的地方大都有登革熱，臺灣也因病媒蚊的孳生而成為登革熱盛行區之一。連原本不流行登革熱的地方，如美洲，現已開始流行起來。化石燃料的大量使用造成全球暖化，提供病媒蚊新的孳生地，致使蚊子傳染的疾病自然跟著擴大版圖。
蚊子傳染的日本腦炎在臺灣也很盛行。蚊子會咬人和豬，一旦叮到沒有打預防針的豬，日本腦炎病毒就在豬體內繁殖，更多蚊子受到感染後，再傳給沒有打預防針的人，導致日本腦炎的發生，這是病媒蚊、人、宿主動物間所形成的循環性傳染，豬則稱為日本腦炎的增幅動物。
日本腦炎、聖路易腦炎、西尼羅河腦炎，大都盛行在赤道附近或溫帶等蚊蟲較易滋生的地方，每當聖嬰現象出現時，紐澳等地區還會出現特殊病毒性腦炎，這也顯示，聖嬰現象會引起病媒蚊滋生的周期性循環。
愛滋病病毒
性接觸傳染最可怕的病症不再是梅毒和淋病，而是愛滋病。從一九八○年代發現第一例愛滋病開始，到二○○一年，全球已有三千五百萬愛滋病病人，而且死亡率相當高。
人類努力了 20 年，在面對愛滋病的嚴峻挑戰時，也只能使用控制病情惡化的藥物，至今並無有效的疫苗和殺死病毒的治癒藥物，因為愛滋病毒是 RNA 病毒，很容易出現基因的突變，對於新發明的藥物或疫苗，具有善變的抗藥性。二十世紀的性泛濫風氣，對於愛滋病的擴散全球，具有推波助瀾的影響。
病毒疾病的感染類型
病毒疾病感染的類型可分為共同感染與連鎖感染兩類。一九八○年代，上海曾經暴發數十萬人感染 A 型肝炎的流行，其主要感染來源是被病毒污染的雪蛤，這種在河中成長的貝殼類動物，同時受到衛生下水道含病毒污水的感染，在很短期間內就造成多數人發病，這是共同感染的例子。
病毒汙染下水道後，造成當地居民的共同感染。(圖 / Pixabay)
連鎖感染則是一傳十、十傳百的人對人感染，像麻疹、流行性感冒的流行都屬於連鎖感染。以 SARS 病毒為例，除香港淘大社區的情況有點像共同感染外，大部分 SARS 病人都可找到曾經接觸過前一個病人的證據，也就是大多數屬於人對人的連鎖感染。
人對人傳染的疾病的流行幅度，會受到有效接觸率和易感受宿主密度的影響。有效接觸率低，則擴散慢而幅度小；有效接觸率高，則流行暴發快而幅度大。易感受宿主愈多，流行時間愈短，受感染的百分比愈高。SARS 會讓人擔心，就是因為我們每一個人對 SARS 都不具有免疫力，也就是全世界人口都是易感受宿主，一旦病毒進入族群，就會被大規模感染。降低有效接觸率以避免受感染，為病人進行隔離治療，請接觸病人的人做好居家檢疫等，成了 SARS 的最佳防疫方法。
臺灣的傳染病防疫經驗
日本剛占領臺灣時，戰死者不到五百人，死於瘧疾者卻有上萬人。日本人很努力撲滅臺灣的瘧疾。一九一三年，日人訂定瘧疾防遏規則，規定每一個人都要採耳血檢查瘧原蟲，有感染者必須服藥治療。臺灣瘧疾盛行率很快地下降，可惜日本發動太平洋戰爭，使得臺灣瘧疾盛行率從原來的 10%, 急速上升到第二次世界大戰末期的 70%。
DDT 曾經是臺灣滅殺瘧蚊的利器。(圖 / Wikipedia)
二次大戰結束，臺灣大量使用 DDT 撲殺瘧蚊，使臺灣成為世界上能將瘧疾撲滅的極少數國家之一。臺灣的防瘧專家應邀到其他國家協助撲瘧工作，卻都沒有成功。撲滅瘧疾需要社會安定和全民配合，臺灣噴灑 DDT 滅蚊，連祖宗排位都要噴，沒有一個老百姓反對，當然可以成功撲滅瘧疾。中南半島各國、斯里蘭卡、印度、孟加拉的人民與政府，並未全面支持撲瘧工作，甚至發生內戰動亂，致使當地瘧疾無法根除。
然而，撲滅瘧疾的成功並未讓臺灣永保平安。一九九七年，一位臺北市民罹患瘧疾，看過多名醫生，沒有一位發現是瘧疾。當他到某醫學中心就診時，被送去作電腦斷層掃描，施打顯影劑時，又很不幸的遇到停電，將他的血液抽回顯影劑筒裡，在他後面七位注射顯影劑的病人，都得了瘧疾。這是全世界第一宗未經由瘧蚊傳染瘧疾的案例。
這個事件提醒我們，今天在奈及利亞出現的傳染病，明天可能被帶到臺灣，再經過醫院傳給大家。協助第一線醫護人員即時獲得國際疫情，並知道如何診斷各地時疫，是很重要的防疫工作之一。像 SARS 疫情的提早通知第一線醫護人員，即可有效防範多重院內感染病例的發生。
一八九六年，淡水鎮出現臺灣第一座自來水廠，一九○一年以後，臺灣在自來水供應、廁所興建、病媒管制、滅鼠工作上已有很好的成效。多種消化道感染症，包括 A 型肝炎感染，在臺灣地區的盛行率已降到很低。
人類與病毒的戰爭永不止息
預防病毒傳染病，接受預防接種相當重要。在臺灣，天花、小兒麻痺、日本腦炎、麻疹、B 型肝炎、腮腺炎、德國麻疹、A 型肝炎、流行性感冒，都有了周延的疫苗接種計畫，這些病毒引起的傳染病，也都得到很好的控制。對於還沒有疫苗可預防的 SARS, 即使在二○○三年四月，科學家已解開 SARS 的基因序列，但對基因功能還不了解，製造疫苗也還要一、二年時間。因此，遏阻 SARS 流行的最佳方法，只能從降低接觸率、隔離治療、居家檢疫等方法著手。
實際上，人類和病毒的對抗是一場永不止息的戰爭，人類要找尋生命出路，病毒也要，目前臺灣面對的新傳染病毒有登革熱、愛滋病、腸病毒 71 型、C 型肝炎、漢他病毒、狂牛症等，它們都是很強悍的對手。
人畜共通疾病造成大恐慌
在二十世紀裡，發生了很多次人類入侵動物的生存空間，以致引起人畜共通疾病的大流行事件。一九一八年，豬瘟型流行性感冒病毒，在中國大陸由豬傳給了人，蔓延到北美後，再由參加第一次世界大戰的美國士兵傳到了全世界。一九五七年，亞洲的流行性感冒，也是在中國大陸由鴨傳給了人，再傳給了全世界。
原本只出現在猿猴身上的伊波拉病毒，因為人類入侵熱帶雨林而傳入人群。愛滋病原本是非洲綠猿體內的病毒，卻因人類的意外接觸而傳入人群，後來當地鬧飢荒，受感染的婦女沿剛果河而到他鄉當妓女，經由性接觸的途徑，愛滋病快速地傳到全世界。
電子顯微鏡下的伊波拉病毒顆粒。(圖 / Wikipedia)
一九九八年，家豬被感染尼帕病毒的蝙蝠咬到，而得到感染，透過人豬共同生活的環境，造成新加坡與馬尼拉有 100 人死於尼帕病毒，這些都是人畜共通疾病所引起的恐慌。
由此可見，貧窮、戰爭與社會的動盪不安，會造成傳染病快速的蔓延。SARS 病毒是一種新的冠狀病毒，它是否經由人畜共通感染而產生的，仍有待進一步研究。
SARS 病毒引起全球震撼
在國際著名的《新英格蘭醫學期刊》和《剌胳針》所發表的論文指出，SARS 病毒是一種新的冠狀病毒，在遺傳基因序列上，與目前已知的人、鼠、牛、狗、貓、豬、鳥類、火雞的冠狀病毒有相當差異。
SARS 病毒的電子顯微鏡影像很像一頂皇冠，所以稱它冠狀病毒。(圖 / A novel coronavirus associated with severe acute respiratory syndrome,http://content.nejm.org/cgi/reprint/348/20/1953.pdf)
SARS 是一種由人對人密切接觸，經飛沫或體液而傳染的疾病。一旦受到傳染，經過二至十天，最常見者為三至五天的潛伏期，即呈現發高燒、咳嗽、肌肉酸痛、呼吸急促、呼吸困難等症狀，尚可能伴隨腹瀉、頭痛、食慾不振、倦怠、意識紊亂、皮疹等症狀。實驗室檢查發現，白血球、淋巴球、血小板數目下降、肝機能指數偏高等，胸部 X 光檢查則呈現肺部病變，最嚴重會出現瀰漫性肺炎，導致肺部缺氧，大約 10% 病人需要接受輔助呼吸器治療，其中半數會因呼吸衰竭而死亡。
世界衛生組織呼籲各國通報 SARS 病例時，因為不曉得 SARS 的病原，只好利用症狀症候和接觸旅遊史作為 SARS 的定義依據，並將它區分為「疑似病例」與「可能病例」。
曾照顧 SARS 病人的醫事人員，曾與病人同住一房、同辦公室上班、同教室上課，或曾接觸病人呼吸道分泌物或糞便的人，或有在發病前 10 天曾到過 SARS 感染區的人，只要呈現發高燒達攝氏 38 度，同時有咳嗽、呼吸困難等呼吸道症狀，通通稱為「疑似病例」。如果 X 光檢查發現有肺炎影像，即是「可能病例」。疑似與可能病例都必須做隔離治療。至於密切接觸者，應做好居家檢疫。
注意個人防護措施，避免受到飛沫傳染，在機場和港口出入境時測量耳溫，詢問有無咳嗽、呼吸困難等症狀，為防堵 SARS 疫情的重要策略。(圖 / 中央社)
B 型肝炎病毒引起肝癌
肝癌是臺灣男性的第一大癌症死因，而主要的病因是 B 型肝炎病毒的慢性感染。臺灣 B 型肝炎病毒大都是在分娩時由母親傳給新生兒，在懷孕時 e 抗原陽性的母親的傳染力又特別高。臺灣是屬於 B 型肝炎病毒的高盛行地區，一般民眾的慢性感染率高達 15%。
要了解 B 型肝炎病毒的感染狀況，必須從被感染者的血清標記來觀察。表面抗原陽性代表體內帶有病毒，並且會傳染給別人的帶原者，如果 e 抗原也是陽性，表示感染力特別強。如果這兩種抗原標記呈現陽性，表示體內的 B 型肝炎病原正在活躍地複製。一個表面抗原與 e 抗原都呈陽性的人，從 30 歲到 70 歲的肝癌累積發生率高達將近 90%; 只有表面抗原陽性的人，累積發生率大約 10%; 而兩種抗原都陰性的人，累積發生率只有 1% 左右。臺灣全國 B 型肝炎預防接種計畫已成功地降低了臺灣小兒的肝癌發生率。
導致肝癌的原因，除了 B 型肝炎病毒慢性感染外，黃麴毒素也扮演重要角色。有 B 型肝炎病毒慢性感染的人，又受到黃麴毒素暴露的人，發生肝癌會大幅增加。B 型肝炎病毒帶原者特別要注意避免暴露到發霉的玉米、花生或黃豆中所含的黃麴毒素。
B 型肝炎病毒慢性感染者的異物代謝酵素、雄性素接受器等基因的多形性，抗氧化維生素的攝取量，血清雄性素的濃度等因素，也都會影響 B 型肝炎病毒慢性感染者發生肝癌的風險。
Epstein-Barr 病毒引起鼻咽癌
全世界各種族當中，罹患鼻咽癌的發生率以華人最高。Epstein-Barr 病毒 (EBV) 是引起鼻咽癌的重要原因。臺灣的研究顯示，抗 EBV IgA 抗體血清標記陽性者，罹患鼻咽癌的危險性遠高於陰性者。鼻咽癌也有明顯的家族聚集現象，鼻咽癌患者的血親，罹患鼻咽癌的風險比一般民眾偏高很多。
鼻咽癌的發生也與人類白血球抗原、異物代謝酵素、DNA 修補酵素等的基因多形性有關。
人類疣瘤病毒引起子宮頸癌
子宮頸癌是臺灣女性的最主要癌症，它的發生與人類疣瘤病毒的感染有密切相關。受到人類疣瘤病毒感染的人，罹患子宮頸癌的危險性遠高於未得感染者。目前已研發成功的人類疣瘤病毒疫苗，希望在不久的未來有助於減少人類受子宮頸癌的危害。
人類文明衝擊防疫體系
在全球化的今天，在非洲的一個病毒，很可能明天就傳到臺灣，就如同在廣東佛山鄉下的山產廚師身上的病毒，也可能悄悄地在一夕之間傳到全球各地。都會化和專業化的發展，特別是醫療集中化的趨勢，使得原本不會被病毒感染的人，都可能因為到醫院看小病而得到感染。在人類文明愈來愈都會化、全球化、專業化的同時，人與人之間的關係反而愈來愈疏離，這種冷漠和隔閡是對全球防疫體系的一大挑戰。
對於傳染病的流行，平時防範比緊急搶救更重要。健康社會來自於健康的人，每一個人都是傳染病流行網上的一個節點，如果大家都有來自自然感染或預防接種的免疫力，大家都切實作好隔離檢疫工作，社會爆發傳染病流行的可能性就愈低。所以說「防疫如防災，人人有責」, 只要每一個人都全力以赴，一定可以對防疫有所貢獻。 |
地圖與地景:地景動態變遷與衛星監測 | 自然與人文交織的場景
地景 (landscape) 這個詞，直覺上令人想到的就是眼睛所見的景致，尤其認為應該會有青山、綠水的美景，也就是一般所說的風景。
臺灣素以「福爾摩沙」的美名傳揚國際，處處可見珍貴稀奇的自然地景，如位於北海岸野柳的女王頭、東海岸的清水斷崖、峽谷高聳的太魯閣、遍布珊瑚礁海岸的墾丁。此外，文化歷史也芬芳悠然，有臺南府城、淡水紅毛城等人文地景，又有追溯上萬年的史前文化，如長濱文化、十三行遺址等，發展橫跨舊石器時代、新石器時代與鐵器時代，使台灣成為一個交織著自然與人文景觀的美麗島嶼。
但從「地景生態學」的觀點又該如何解釋「地景」呢？地景生態學早期發展於歐洲，與土地利用規畫、人文地理、人類生態等研究有密切的關係。在歐洲，主要以土地的分類來區分生態系統，並習慣於把地表區分成一個個的生態系統。由於長久以來居住在歐洲大陸的人持續利用與開墾土地，原始地貌已經很少見了。
在 1980 年代以後，美國的學者逐漸引入新的議題，並以空間格局、生態過程與空間尺度的相互關係做為地景生態學新的發展主軸。從系統論的觀點來看，「地景」可視為一複雜系統，其組成包括「生態系統」。「生態系統」在空間上的分布構成了地景結構，連接著生態系統之間的關係就是地景功能。因此，地景可說是由地景結構與地景功能所構成的一個概念。
欲從抽象的概念去連結真實世界的地景，可能十分困難。但若從我們生活的臺灣經驗來看呢？臺灣的地表覆蓋著 6 種主要類型的生態系統，分別是闊葉林、混合林、針葉林、稻作、旱作與都市生態系統。因此，若把地景想像成是臺灣，地景結構正是由這 6 種生態系統類型交織成的臺灣地表。至於地景功能，則可想像成是穿梭在美麗福爾摩沙地表的河流、川流不息的車輛、撫吻著大地的清風等。
地景結構
地景結構要如何描述呢？地景生態學發展出一套特別的語彙:「斑塊」(patch)、「廊道」(corridor)、「邊緣」(edge)、「邊界」(boundary)、「基質」(matrix) 等。本文不一一介紹這些名詞，單舉「邊界」為例，說明在地景生態學裡是如何定義的。
在地景的尺度上，邊界通常是個多變的地帶，描述著不同系統之間物質、能量、物種或資訊流動的變化，例如集水區的邊緣是從田野到森林的交界地區。一般而言，生態系統的邊界是不固定的，不明確的，或是模糊的。但不同的生物與生態系統的邊界卻不可一概而論。以人類來說，個體有固定的外表，即使稍微會改變大小、長短，但變化也不大，因此外表的邊界是清晰的。
探討地景功能的一般特性時，包含了在生態系統和生態系統之間能量、物質或資訊的流動與交互作用為何，也包括能量、物質、物種或資訊在任何時間裡的變遷過程，因為功能與自然過程會隨著時間的變化進行調整與動態變動。舉例來說，景觀功能在生態面向上包含如水平衡、生態系統能量平衡、物質流動與平衡、群落變動等概念。
衛星遙測
遙感探測是很有用的工具，不用接觸物體就可取得物體的相關資訊以提供分析。這可實現從區域整體進行某物件特性的描述、觀察、量化與分析，並取得具有時序性變化的空間資料。近年來，衛星遙測已成為遙感探測的主要手段，是許多國家進行國土監測資訊蒐集與管理的最佳方式。
目前在臺灣與土地覆蓋、利用相關的研究領域，如地理、地質、動物、植物、生態、環境等，常缺乏最新的地表資訊。若要取得新資料，得從農林航空測量所拍攝的航空照片，或華衛二號等拍攝的衛星影像進行判釋。
航空照片的優點在於空間解析度高，可清楚辨認地物，但若缺少有經驗的判釋者時，判釋工作便不易完成。而且航空照片只能用來進行土地覆蓋∕利用判釋，無法像衛星影像能以輻射光譜推算地物的特性，例如分析建地與植被的差異。
航空照片也不若衛星影像可以在短時間內更新影像，因為航空攝影需安排照片拍攝專用飛機的航次，且需考量天候狀況。衛星則以固定軌道繞行地球，無論天候狀況好壞，都能取得影像。即使天候狀況不佳，地表被大量雲朵遮蔽，不利影像分析，仍能定期取得影像。一旦天候好轉，就可快速更新高品質的地表資訊。因此，衛星遙測可說是監測地景動態變遷的最佳工具。
目前，國際上有許多重要的衛星在進行全球性的影像收集。例如 TERRA 與 AQUA 衛星上搭載的中解析度成像光譜儀 (moderate resolution imaging spectro-radiometer, MODIS), 就是目前功能最齊備的感測器，可蒐集大氣、海洋、陸地等的光譜資訊，有助於長期觀測和研究地球系統的環境變遷。
TERRA 與 AQUA 衛星是由美國航太總署 (NASA) 發射，提供地球表面變化的整體觀測資料，主要目的在於從太空觀測取得海洋、陸地、冰雪圈的相關資訊，以利分析土地利用和土地覆蓋，並研究氣候在季節與年間的變化、自然災害監測、長期氣候變化、大氣臭氧層變化等。
TERRA 與 AQUA 衛星又與地球觀測系統計畫有關。在 1989 年，美國與一些國家共同發起「行星地球計畫」, 展開一系列以遙測方式觀測地球系統變動的研究，其中包括建立地球觀測系統 (earth observation system, EOS)。EOS 的目標在於:「建立針對地球的整合性空間觀測系統，研究地球系統的各次系統，如陸地、海洋與大氣，及相關自然運作過程。期待能建立整套的資訊系統，並持續蒐集至少 10 年以上各種完整的環境資料。」
最佳敲門磚
MODIS 具有 36 個光譜通道，分布在電磁波譜範圍 0.4 ~ 14 微米內，多波段資料可以同時提供陸地、雲邊界、雲特性、海洋水色、浮游植物、生物地理、化學，大氣中水汽、地表溫度、雲頂溫度、大氣溫度、臭氧、雲頂高度等資訊，適用於對地表、生物圈、固態地球、大氣和海洋進行長期的全球觀測。
MODIS 空間解析度很高，且每日或每兩日可獲取一次全球觀測資料。此外，MODIS 日夜都可提供影像資料，在軌道的白天時段，所有波段都能取得影像資料；在軌道的夜間時段，則只有熱紅外波段的影像資料。
為了建立資料處理模式和演算法，並指導 MODIS 資料的科學討論和應用，EOS 計畫籌組了 MODIS 資料處理和應用的國際研究團隊。這個團隊會把重要的新訊息與各種常態性說明放置在網頁上，也供下載各個科學團隊的相關技術文件，有助於快速了解 MODIS 各項研究的進展與成果。這入口網站請見 http://modis.gsfc.nasa.gov/。
MODIS 取得的影像資料可在下述幾個研究領域發揮重要的作用：地表覆蓋變化和全球生產力–包括區域性地表覆蓋變化的趨勢和模式、作物種類，以及全球初級生產力；自然災害監測–包括洪澇、乾旱、森林草原火災、雪災等；短期氣候預測–季、年的氣候預測，方便改進對短期氣候異常發生時間、地點的預報；長期氣候變化研究–幫助科學家識別長期氣候變化及其趨勢的機制和因素，包括人類影響；大氣臭氧監測–幫助科學家監測大氣臭氧的變化，分析變化產生的原因及對地球系統的影響。
從資源的角度來思考，MODIS 也可以應用於：土地資源 (土地利用現狀和土地覆蓋類型，精確到畝); 水資源 (山區積雪、地表和淺層地下水、土壤含水量、大氣水汽、雲中液態水、降水等); 生物資源 (植被、森林、草場、農作物和分類狀況、植物分類狀況、裸露地和沙漠化狀況) 及其旬 / 月 / 季 / 年變化的監測；氣候狀況 (日照、地表溫度 / 濕度、大氣溫度 / 濕度等)。
地景動態變遷
各種不同的自然與人文因子共同作用在地表時，最終會以地景的整體特性呈現，因此確實掌握地景的變化有其重要性。衛星遙測影像的優勢在於可即時取得地表現況，提供人類進行相關研究或政府做重大環境決策時的考量依據。
在國外，利用遙測影像進行整體性動態監測已經非常普遍。在臺灣，目前可用華衛二號進行遙測，但因先前受限於缺乏屬於臺灣的資源監測衛星，因此過往的研究大多採用 SPOT 衛星或 Landsat 系列衛星拍攝的影像，地面永久樣區定期監測的配合也非常缺乏。
臺灣的土地覆蓋主要由「森林」、「旱作」、「稻田」、「都市」等生態系統構成，其中以「森林」生態系統為最主要的類型。因此，針對森林生態系統的探討應該更加注重與深入。其次，以面積來看，「旱作」與「稻田」也占了非常重要的比率。
國內以往的相關研究，對於地景在時間序列上的觀察較少，原因在於缺乏能快速取得且覆蓋全區的衛星影像資料。MODIS 影像可使政府或研究者從整體上來觀察臺灣在時間序列上的變動特性，是個很重要的突破與改變。
目前，使用 MODIS 影像因缺乏地面樣區調查的配合，因此在生態研究的應用面向上，仍有許多的限制。未來若能配合地面樣區的調查資料，將能更進一步使衛星影像與環境生態研究緊密結合。例如地面樣區調查與從衛星光譜資訊演算而得的植被指數結合，植被指數可用來估計跟植被相關的變數，例如綠覆蓋面積、葉面積指數、被吸收做為光合作用的輻射量、蒸發散等。
由於地景具有動態變化的特性，若能透過整體性的觀察，且以時間序列進行同一地點不同時間點的監測，將能提供重要的環境生態資訊。因此以衛星遙測影像監測，是未來環境研究上不可缺少的重要方式。 |
臭氧會臭嗎? | 橘子：呼⋯⋯熱死了，太陽好大喔～媽！你等一下出門，記得要帶傘或是穿外套喔！發媽：拜託～都這麼熱了，你還叫我穿外套，是想害我中暑喔！橘子：媽！現在臭氧層變薄了，紫外線很強，曬久了會得皮膚癌耶！發媽：真的假的？你不要嚇我！等等⋯⋯你說什麼「臭氧層」? 可是我沒有聞到臭味啊？橘子:「臭氧」不是因為很臭才叫「臭氧」啦！像大氣臭氧層是會保護我們的，它可以阻擋對人體有害的紫外線大量照射下來，如果臭氧層出現破洞或變薄，就會增加我們罹患皮膚癌的機會。
發媽：這麼嚴重喔！對了，我前幾天在百貨公司有看到人家在賣「臭氧機」, 那是拿來做什麼用的？我還以為聞起來會很臭，害我不敢買勒。老爸！你知道嗎？發爸:「臭氧」有殺菌的特性，它的殺菌力是氯的 3,000 倍，還可以利用電氣分解的方式，來分解臭味，所以市面上賣的臭氧機，就是用人工的方式來製造臭氧，利用臭氧很強的氧化力，來達到殺菌、清潔的效果，不僅可以讓空氣變好，也可以讓水質變得比較乾淨。
專家解說
所謂的臭氧就是氧氣的同素異形體，也就是一樣都是由氧原子去組成的。一般的氧氣是兩個氧原子結合出來的〔O2〕, 那臭氧呢，〔卻〕是三個氧原子所結合出來的〔O3〕。
那臭氧是在 1785 年德國人在做使用發電機的時候〔無意間〕所發現的；1840 年化學科學家克李斯地安，他所定名的它的一個臭氧。臭氧他本身是一個非常非常強的一個氧化劑。所以呢，對植物、動物很多的結構，像塑膠啦、橡膠啦，都非常非常有傷害，所以像我們以前在美國做實驗的時候呢，產生臭氧基的時候，我們都會放一堆的橡皮筋在旁邊，因為它有很多的雙鍵，臭氧對物質裡面的雙鍵特別特別的有氧化的作用〔會打斷雙鍵，破壞結構〕。所以在目前在工業上呢，我們就利用它的這個特性呢，可以來產生臭氧來做一些化學實驗。〔但是一般在做這樣的化學實驗都在非常低溫下？〕所以呢，臭氧其實對人體來講是具有強烈的刺激性，吸入過量對人體有一定的危害。它主要的損害是刺激跟損害我們的〔發〕聲部，〔如〕呼吸道，並可以損害我們的中樞神經系統，對眼睛〔也〕有輕度的一個刺激作用。
當空氣的臭氧是 0.1 毫克〔每〕一米立方的時候，就可以引起皮膚跟喉頭的一個刺激。所以呢，臭氧並不是一個非常適合人拿來住在旁邊的。那到底什麼時候有臭氧呢？當非常熱的夏天，下一個午後雷陣雨的時候，那個香香的味道，就是臭氧的存在。
註 1: 本解說係由學者於訪談中，以「口語」解說臭氧對化學鍵的危害，特別是破壞「雙鍵」造成的嚴重影響；若有語意上難以掌握處，敬請見諒。
註 2: 克李斯地安成功分離出臭氧，並將其命名為 Ozone, 取自希臘文的「ozein」, 意思是「to smell」。 |
蚊子傳播登革病毒的機制 | 登革熱流行簡史
登革熱 (dengue fever) 自十八世紀末葉即已存在，到了一九○六年，發現埃及斑蚊能媒介登革熱；翌年，證實登革熱是由登革病毒所引起的一種疾病。登革病毒依患者免疫反應可分為四個血清型，彼此間雖有部分抗原結構相同，但各型所激發的抗體對其他型的病毒而言，則無法提供寄主交叉保護的作用，因此一個人可能先後感染不同血清型的病毒。
臺灣登革熱流行的紀載始於十九世紀末，近代的大流行首見於一九四二至一九四三年間，當時約 80% 的人口被感染。一九八一年，屏東縣琉球鄉發生二次世界大戰結束後第一次的大流行，在短短幾個月內，全鄉一萬五千位居民中，僅約二成的民眾倖免於被感染。一九八七年十月起至該年底，高屏地區出現 527 個確定病例，這次流行持續到一九八九年，兩年內累計有 4,405 個確定病例。
自此之後，小規模的登革熱流行頻率漸增，十多年來僅一九九○及一九九三年不曾出現本土病例 (仍有境外移入病例), 而臺灣第一個登革出血熱病例出現於一九九四年，當年共有 11 個病例 (其中一名死亡)。二○○二年高屏地區再度出現大流行，全年共 5,386 個確定病例，其中二百多例為登革出血熱 (含 21 個死亡病例), 疫情十分嚴重。
登革病毒的寄主及構造
登革病毒是藉由蚊蟲所媒介的病毒之一，罹患登革熱既影響民眾健康，也容易引起社會不安，近年來，在世界各地都備受矚目。埃及斑蚊和白線斑蚊是傳播登革病毒的兩種重要病媒蚊，大多數登革熱流行區以前者為主要的傳媒。多數蚊蟲所媒介的病毒僅感染人類以外的動物，但有少數例外，如日本腦炎病毒可在人、豬與候鳥身上繁殖，黃熱病毒可感染人及猴子。目前資料顯示登革病毒是以人為主要的感染對象，猴子雖可被感染，但病毒增殖效率並不高。
登革病毒為球形，直徑約 30~50 nm (奈米), 內部是一個 20 面體的核殼，外圍則是雙層套膜，此套膜含脂質，而且嵌入外套蛋白和膜蛋白。核殼內的核酸含有一萬一千個核酸，為單股正相的核醣核酸 (RNA), 也就是說病毒內所含的核醣核酸不但具有感染性，而且可直接轉譯成病毒所需的蛋白質。
登革病毒必須在細胞質內進行複製，整個過程共可產生 10 種功能互異的蛋白質，其中殼蛋白 (C)、膜蛋白 (preM/M)、外套蛋白 (E) 為組合病毒的結構蛋白，尤以外套蛋白在病毒感染細胞及誘發抗體上，扮演相當重要的角色。其他如 NS1、NS2a、NS2b、NS3、NS4a、NS4b 及 NS5 則為非結構性蛋白，它們是病毒複製及組裝時所需的酵素。
蚊子如何吸血
昆蟲的口器由大顎 (一對)、小顎 (一對)、上唇、下咽舌、及下唇 (癒合的第二小顎，端部有唇瓣一對) 所組成。蚊子的口器為了適應吸血的環境，已特化成刺吸式，其功能主要在穿刺皮膚與吸取血液，因此，蚊子在吸血時可以自病人的血液吸取或傳播病毒。但並非所有的蚊子都可媒介病毒，換句話說，若病毒被不適當的蚊子吸取，很快就會被腸道內的消化酉每破壞而失去活性，只有在病媒蚊 (如埃及斑蚊或白線斑蚊) 體內，病毒才能完成感染並複製。
蚊子的口器精緻複雜，其中下咽舌位於下唇內側中間，呈舌狀，端部有齒狀物，具調節唾管開口的功能，當蚊子吸血時，登革病毒隨著唾液沿唾管進入人體內。蚊子口器的切割功能，是由大顎、小顎執行，此二結構的末端都有微細的齒狀物，雄蚊的大、小顎均已退化，喪失穿刺皮膚的功能，只有靠攝取花蜜維持短暫的生命，也因此只有雌蚊才有傳病的能力。
雌蚊的吸血行為是由兩個肉質幫浦所調控，其中一個位於口腔至咽部的食竇幫浦，用來操控食物通道的基部；另一個是咽部幫浦，用來調節口部至中胸間的消化管運動，這兩個幫浦以括約肌和蚊子的中腸隔離。當蚊蟲吸血時，會先以唇瓣在皮膚表面探索，並反覆穿刺皮膚，以便選定最適當的吸血位置，而選擇標準主要是依據皮膚內微血管的分布密度。蚊子吸血時是藉下唇支撐，再將口針刺入皮膚，口針是上唇、大顎、小顎所組成可一體運作的結構，留在皮膚外頭的下唇，則向內彎曲成拱起狀。
蚊子吸血時，口針可直接刺入微血管，或利用口器的游移劃破微血管，形成血池後再吸血，在叮咬過程中，病毒隨唾液進入人體。事實上，蚊子的口器並非只是一支會飛行的針筒，其唾腺至少含 15 種蛋白質。目前所了解的蚊子唾液中，含中性球誘集因子，它會將中性白血球聚集於叮咬處，造成發炎反應，並引起紅腫及丘疹。人被叮咬後常出現刺激性感覺，此乃是被叮咬者對蚊子唾液的一種過敏反應。這些過敏反應和嗜伊紅性白血球及體內組織胺的濃度增加，可能都有關係。
而唾液的另一成分速積肽 (tachykinin) 因有擴張微血管的作用，有助於蚊子順利吸取血液。此外，埃及斑蚊的唾液內含有腺酸水解酶 (apyrase), 這種酵素能將腺三磷酸 (ATP) 及腺雙磷酸 (ADP) 水解成腺單磷酸 (AMP) 及無機磷，此成分有抑制血小板凝集的功能，由於並非所有的蚊子均具此酵素，因此這種酵素並非是吸血成功的必要條件。
病毒在病媒蚊體內複製
登革病毒隨血液被病媒蚊吸入後，即暫時貯存於中腸腔內，中腸腸壁由單層表皮層細胞組成，中腸是蚊子消化血液及吸收養分的器官，也是病毒在蚊子體內建立感染的灘頭堡。病毒進入中腸後幾分鐘內就可能感染中腸的表皮層細胞，資料顯示只有具特殊受體或酵素的細胞才會被感染，這類細胞主要位於中腸的後段部分。病毒在腸壁細胞被複製後進入蚊子的血體腔，再分散至不同的器官或組織中增殖，最後的感染標的為唾腺。
蚊蟲有一對唾腺，每對唾腺又分三葉，均由單層的唾腺細胞及所環繞的唾管所組成，每一葉的唾管最後集合形成總唾管後，連至口器。病毒感染時並不限定於唾腺的哪一葉 (側葉的感染率可能高些), 病毒主要的複製處，是在唾腺細胞內質網的膨大部分，或是細胞質的圓形囊泡。當囊泡膜破裂，成熟的病毒顆粒即釋放至同一細胞內的端腔，然後匯集於唾管，當蚊子吸血時，再沿著蚊蟲口器注入宿主的體內。
登革病毒可能造成部分唾腺細胞受損，但對其功能並無明顯不利的影響，有時候反而使蚊子在吸血初期進行探索時，其口器穿刺皮膚的頻率有增加的現象，有助於病毒的傳播。一般相信，病毒能否感染唾腺是影響蚊蟲媒介病毒能力的重要因素之一，但能否順利釋出病毒更是關鍵的步驟，病媒蚊的唾腺一旦被感染，這蚊子便能終身傳播病毒。
從病毒進入蚊子中腸內，到唾腺感染病毒，這段約 8~14 天的時間稱為外潛伏期，其時間長短和環境的溫度、吸入的病毒量或病毒品系及蚊蟲種類有關，其中溫度的影響最為顯著。曾有研究指出，當氣溫為攝氏 22 度時，登革一型病毒在埃及斑蚊中的外潛伏期為 9 天，當氣溫降至攝氏 16 度，埃及斑蚊的感染力隨即下降，顯示其外潛伏期變長；若溫度再回升至攝氏 22 度，外潛伏期立刻縮短，病毒複製加速，蚊蟲即恢復其感染力。
這些資料反映出，外潛伏期在高溫下較短，傳播效率高；反之，病毒的複製緩慢，外潛伏期變長，蚊蟲傳播病毒的效率因而減弱。這個現象可以解釋，何以蟲媒性病毒在熱帶地區比溫寒帶地區容易流行的原因。
一隻飽食的蚊子，約吸血 2~3 μl (10-6 公升), 因此蚊子從血液中獲取的病毒數目其實並不多，估計大約只有數千顆，但這些病毒在適當的病媒蚊體內複製後，可擴增至數百萬顆，擴增的病毒可能呈現多樣化遺傳結構的面貌。增殖後的病毒數目雖多，但經由病媒蚊傳播出去的，可能只有數百至數千顆，最終可能僅有某些的病毒族群被篩選並傳播出去。一般而言，病毒在自然界傳播的期間越長，同一病毒所產生的品系數就越多，而這正是病毒演化的動力之一。
患者的症狀及致病機制
由於登革病毒必須依賴蚊蟲傳播，因此在自然情況下，人類皮膚即是其唯一進入人體內的關口。當蚊蟲的口器穿入皮膚，病毒即釋放至叮咬處，再進入淋巴或血流。所以登革病毒進入人體後，進行複製的第一站應是皮膚。
皮膚中最早被感染的則是皮膚的樹狀細胞，樹狀細胞由骨髓生成，存在於周邊血液及淋巴器官內，約占所有單核球的 1% 左右，能呈現抗原以促成初期免疫反應。其次是皮膚組織內的巨噬細胞 (朗格漢細胞) 或淋巴球。樹狀細胞及巨噬細胞雖然具有促成免疫反應的功能，實際上也是病毒增殖的場所。
被感染病毒的白血球，沿循環系統散布至淋巴、肝、脾等處的網狀內皮系統中，然後在人體內再大量複製。因此在宿主的血液循環系統中，產生大量病毒顆粒，此段過程稱為宿主的病毒血期，通常始於臨床症狀出現前二天，而止於症狀出現後五天左右。從病毒進入患者體內，到出現臨床症狀約需五至八天，症狀通常可持續五至六天。
罹患登革熱的初期症狀包括發燒、頭痛、噁心等，後期症狀則有關節及肌肉疼痛、出紅疹，嚴重者甚至出血、休克或死亡。和許多其他由節肢動物為傳媒的病毒感染情形相似，有相當高比例的被感染者僅有初期症狀，甚至呈現無症狀的隱性感染。
當患者的血液出現足量的中和抗體時，病毒逐漸被清除殆盡，患者亦進入康復期。登革病毒的中和抗體在人體內可長期存在，因此患者對同一血清型的病毒有終身免疫能力。
登革出血熱 (或登革休克症候群) 除了會出現典型的登革熱症狀外，因血管通透性增加，患者在發病後三至七天血漿大量滲出、血小板遽減，死亡率高達 5~15%。從組織學的觀察，發現血管內皮細胞 (組成血管壁) 並未被破壞，因此患者的內出血現象，可能是由於凝血功能異常所造成，而非血管結構受損所致。至於引起疾病的確切原因目前仍無定論，但可能和不同血清型的二次感染，或是所感染病毒品系的毒力強弱有關。
登革熱的流行通常與病媒蚊孳生關係密切，而蚊子傳播登革熱的機制十分複雜，然就生物學研究的角度來看，這倒是個引人入勝的自然現象。無論是病毒與宿主 (包括人和蚊子) 之間的關係，或是彼此間的交互作用，都仍有許多令人不解的奧祕，而抑制病毒傳播的良方，也許就蘊含其中，有待識者勇闖藩籬，深入探索。 |
全球暖化的預測與因應:穩定未來氣候變化 | 氣候變化綱要公約
為推動全球抑制溫室氣體排放以穩定未來氣候變化，1992 年 6 月，聯合國在巴西里約熱內盧召開「聯合國環境發展大會」, 又稱「地球高峰會議」, 簽署通過「聯合國氣候變化綱要公約」(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)。這公約於 1994 年 3 月 21 日正式生效，至今共有 196 個國家與機構同意加入。
公約的目標是:「把大氣中的 CO2 及其他溫室氣體的濃度，抑制在一個不會危及氣候系統的水準，使得生態體系有足夠時間自然調整適應氣候變遷，確保糧食生產不受到威脅，並促使經濟發展轉變為永續性型態。」
這項公約把締約國分為：附件一國家，包括「經濟合作暨發展組織」(Organization for Economic Corporation and Development, OECD) 及東歐共 38 國；附件二國家，即 OECD 的重要成員；非附件一國家，包括開發中國家的 77 國集團與中國，以及新興工業化國家如南韓、新加坡等。非附件一國家對溫室氣體排放減量並無任何承諾，其中有 48 個國家被歸類為「最低發展國家」, 它們在公約中被歸類為應受特別照顧者，尤其是在資金協助與技術轉移方面。
在氣候公約第 3 條中，對於各締約國在採取相關行動減少溫室氣體排放時，應依據公約基本原則實現公約的目標，分別是:
責任不同：成員承擔共同但程度不同的責任與能力，附件一成員須率先承擔責任，採取行動防制溫室氣體的排放 (公約 3.1 條); 公平原則：應把公約中有特別需求或面臨特殊狀況的成員 (特別是開發中國家), 所可能承擔的不成比例負擔或反常負擔列入公平考量 (公約 3.2 條): 防制措施：採「經濟有效」及「最低成本」措施防制氣候變遷 (公約 3.3 條); 經濟發展：成員有權促進永續性經濟發展，並把經濟發展納入防制氣候變遷的關鍵考量因素 (公約 3.4 及 3.5 條)。
每年 11 ~ 12 月，UNFCCC 定期召開為期 2 周的締約國大會，討論公約推動過程中的許多原則與協議。最重要的應該是 1997 年 12 月 1 ~ 11 日在日本京都召開的「第 3 屆締約國大會」, 首次在會議結束後仍然進行閉門溝通，在最後關頭通過「京都議定書」, 要求附件一國家在 2008 至 2012 年間，須把二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物類、全氟碳化物及六氟化硫 6 種溫室氣體，削減至比 1990 年基準少 5.2%。各國被要求減量的幅度並不一致，其中歐盟削減 8%、美國 7%、日本 6%。
京都議定書也通過清潔發展機制、排放交易和共同執行 3 種彈性機制 (又稱「京都機制」), 史無前例地把經濟手段納入目標限量的規畫工作中，期待藉以協助各國在降低溫室氣體排放時，能以經濟效益的方式促進其永續發展。同時，也把森林吸收二氧化碳的匯 (sink) 納入減量計算。由於這議定書的設計異常複雜，現已成為各國學術研究、行政策略、企業因應等重要考量課題之一。
京都議定書生效的兩個條件是：在所有公約締約國中，必須有 55 國簽署且批准，以及批准國家中，屬附件一國家的 1990 年二氧化碳排放量，應占所有附件一國家總排放量的 55% 以上。2004 年 11 月 18 日，俄羅斯政府遞交同意書後，已有 128 個國家批准「京都議定書」, 其中「附件一國家」36 個，「非附件一國家」92 個，前者在 1990 年的總排放量比率已達所有「附件一國家」的 61.6%, 跨過 55% 生效門檻。議定書正式在 2005 年 2 月 16 日生效，耗時 6 年多，不過美國與澳洲至今仍不願批准。
依據京都議定書第 3 條第 9 項的規範，締約國至少應在第 1 個承諾期結束前 7 年，開始審議後京都時期的承諾。因此自 2005 年起，各國開始討論下一階段的減量協商重點，包括：溫室氣體長期穩定的水平；減緩氣候變化承諾的模式；減量參與者及時程；減量的嚴厲程度；適應氣候變化的行動模式、迫切性及參與程度；協商參與者、方式、時程等問題。並於 2005 年 11 月 28 日在加拿大蒙特婁「第 11 屆締約國會議暨京都議定書第 1 屆締約國會議」中，通過「蒙特婁行動計畫」。
其中主要的重點有二：(1) 京都議定書中規範的減量諸國，包括歐盟、日本、俄羅斯等，同意 2012 年後，當京都議定書的第 1 階段減量目標達成時，將持續進行第 2 階段的溫室氣體減量工作。而具體的減量目標會於未來討論確定。(2) 同意開始進行更大規模的合作減量討論，主要是建立一個結論開放的對話機制，期望能形成第 2 個議定書，讓未參與京都議定書的國家如美國、澳洲與開發中國家如中國、印度等，一起參與溫室氣體減量的工作。
「後京都」的協商在這數年內持續展開，而且是每年一次的 G7 高峰會議的重頭戲。G7 包括美國、日本、德國、法國、義大利、英國及加拿大 7 大工業國家，2007 年已加入中國、印度、巴西、俄羅斯等。顯然，必須由經濟角度出發協商出環保的共識。而如我國唯一參與的國際組織：亞太經濟合作會議 (APEC), 也在 2007 年的高峰會議中就能源效率提升議題獲得共識。即使是美國，也在 2007 年 9 月邀請全球 16 個二氧化碳排放總量達全球 80% 的開發國家，籌劃未來應如何獲得減量共識。
顯然，全球合作抑制溫室氣體排放，以期穩定氣候變化，是一個無法阻擋的潮流。
新能源發展
如果國際公約的制定是對所有國家的制約，它的另一個功能就是提供新興產業的發展空間。特別是傳統的能源相關產業，就是排放二氧化碳的主要來源，如何抑制其排放特性，但仍能提供經濟發展所需的能源，就成為新能源產業的發展重心。
風能與太陽能相關產業是目前全球成長最快速的產業，除了其不排放二氧化碳、無污染外，最重要的是取之不盡，而且相關的產業技術都已趨成熟。配合全球的需求量不斷上升，其單位發電的成本不斷地下降。
生質能也屬新起的能源之星，但受限於高能作物的生產，如氣候環境、生產面積、季節性生產規律等，並非全球各地都在同步發展。如巴西推動酒精替代燃料，但美國推動能源作物發電，我國則以生質柴油為重點。
氫能號稱能取代石油成為未來可以隨意輸送的燃料，而非如風能與太陽能般受限於固定的設備。目前，北歐已有氫能高速公路的設置，而如美國加州已有氫能公車四處奔波，各界都把氫能發展視為明日之星。
但是，煤仍是目前存量豐富，價格低廉，且不容易被取代的化石能源。因此產煤國如澳洲就積極推動「潔淨煤技術」, 包括直接燒煤潔淨技術，以及把煤轉化為潔淨燃料技術兩方面。前者包括燃燒前的淨化加工技術、燃燒中的淨化燃燒技術、燃燒後的淨化處理技術等；後者包括煤的氣化技術、煤的液化技術、煤氣化複循環發電技術、燃煤磁流體發電技術等。
其他如潮汐發電、地熱發電、深海甲烷水合物的使用等，都有其發展優勢，但是也有其限制。
碳捕捉與封存
海洋與森林是大自然儲存碳的主要處所，如林木藉由光合作用吸收大氣中的二氧化碳，並釋出氧氣，每增加生物量 1 公噸，約需要 1.6 公噸的二氧化碳，同時釋放 1.2 公噸的氧氣。但是，人為排放源如火力發電廠的二氧化碳排放量大，海洋與森林並無法完全吸收，每年大氣因此約增加 33 億公噸的碳。倘若能在排放源就直接把二氧化碳氣體捕捉，並予以儲存，就能大幅減少人為排放至大氣的溫室氣體。
碳捕捉與封存 (carbon capture and storage, CCS) 技術是指在 CO2 排入大氣前，從工業或相關源的排放中分離出來，輸送到安全的封存地點，保持長期與大氣隔絕的一個過程。目前，CCS 已是一項成熟的技術，全球大部分的 CCS 計畫主要用在油氣田上，如美國的 Permian Basin 油田，自 1972 年以來封存的 CO2 量已經超過 5 萬噸。
另外，挪威的 Sleipner CO2 封存計畫，自 1996 年開始從天然氣中分離 CO2, 並注入 800 公尺深的海底鹽沼池中封存。這項 CO2 計畫每日封存 2,700 噸 CO2, 預計累積封存 2 千萬噸 CO2。保守預估傳統的火力發電廠若使用這項技術，能減少約 80 ~ 90% 的二氧化碳排放量，但是因為需要額外約 10 ~ 40% 的能耗，所以其電價須增加 30 ~ 60%。
二氧化碳可以封存在地殼深層、深海或形成碳酸鹽礦物，但是封存於深海可能有增加海水酸化的風險，因此地殼封存被視為相當理想的做法，全球預估可封存 2 兆噸 CO2。
節約能源與目標減量
開源之外就是節流，因此提高能源使用效率與節省能耗已成為目前世界潮流。
如歐盟、澳洲、加拿大等宣布逐步禁止使用鎢絲燈，另外如美國把每年的日光節約時間提早 1 個月，以及日本本田汽車的油電混合車在全球熱賣等，都是以科技與管理策略來抑制能源消耗。歐盟更通過新的環保指令 EUP (Directive of Eco-design Requirements of Energy-using Products), 要求所規範的耗能產品須具備適當的產品環保評估系統並通過符合歐盟的認證。不符合的產品當然無法銷售至歐洲，也就是形成「採購障礙」來要求各項家電用品的耗能標準。
以臺北市而言，80% 的溫室氣體排放來自住商部門耗電，因此提高家電用品的能耗標準，加強民眾節約用電的習性，是相當重要的策略。但是，舊住宅不斷被拆除並改建為新高樓，造成耗電戶數持續增加，即使單位家戶的耗電量下降，整體的耗電量仍會持續增加。譬如捷運雙子星大樓將興建，其總層數比 101 大樓還多，所耗的電也會比 101 大樓還多，如此臺北市的總耗電量與其伴隨的二氧化碳氣體排放量，是不可能減少的。
因此，若要真正達到抑制溫室氣體排放，就必須制定總減量目標時程，再規劃個別項目的減量分配。譬如前述新大樓不斷增加的事實，就需搭配總樓地板面積限制，如此若臺北市將增加捷運雙子星大樓，就須考慮同時拆除相同耗電面積的舊房舍，至少可以期望總耗電量不變。
二氧化碳約貢獻全球 70% 的人為溫室效應，要穩定氣候變化，最重要就是減少能源消耗以抑制二氧化碳排放。因此，新能源發展、碳捕捉與封存、節約能源等，幾乎都以抑制能源消費過程中的二氧化碳排放為主。但是如水泥生產、煉鋼、紙漿製作等，都會大量排放二氧化碳，如何改善工業製程排放，也是重要項目。
此外，如改變農作方式以抑制甲烷與氧化亞氮排放，改變畜牧飼料抑制牛羊的甲烷排放等，同樣是現今各國的研究課題。最終，當後京都的協商獲致共識時，訂定未來總減量的目標時程仍是最有效的策略與規範。 |
漫談電化學— 電化學原理應用與未來能源 | 鎳鎘電池。
電化學的發展史
西元前七世紀，希臘的泰爾斯首先發現摩擦過的琥珀能吸引輕小物體的現象。十六世紀時，吉伯特根據希臘文中的「琥珀」而創造了「電」這個字，用以表示琥珀經摩擦後所具有的性質，並且認為摩擦過的琥珀帶有電荷。後來，人們發現有很多物質都能藉由相互摩擦而帶電，並且帶電物體之間存在著相互排斥或相互吸引的作用。一七五二年，美國物理學家富蘭克林把它們分別命名為正電荷和負電荷。
一七九一年，義大利解剖學家賈凡尼發現以金屬片接觸青蛙肌肉時，發生了收縮的現象。因此認為動物的組織會產生電流，而金屬只是傳遞電流的導體而已。一般認為這是電化學的起源。
一七九九年，伏特基於賈凡尼的實驗，進一步認為電流是由兩種不同的金屬產生的，可以用任何潮濕的物質取代那隻青蛙。因而發明了用不同的金屬片夾濕紙組成的「伏特堆」, 即現今所謂伏特電池。這是第一個能產生穩定電流的發明，也是化學電源的雛型。在發電機發明以前，各種化學電源是唯一能提供恆穩電流的電源。
一八三三年，法拉第發表法拉第電解定律，定量地算出電能與化學能之間互換的關係，為電化學奠定了定量基礎。此後，其他科學家利用伏特電池與法拉第電解定律，又發明了電解、電鍍等技術，製造更高效率的電池，開創了電化學的時代。
電化學系統的運作原理
在電化學系統中，電子在二電極間的外部金屬導線中移動，所走的是「陸運」; 而在溶液部分的傳輸則是依賴離子，所走的如同是「海運」。這種電子與離子的同步移動，構成了基本的電路迴圈。
基本的銅 - 銀電化學系統 將銅片置入硫酸銅溶液中，銀片置於硝酸銀溶液中，二溶液間以一 U 形管內裝鹽類連接，形成離子移動的「海運」; 銅片上的銅溶入硫酸銅溶液中變成銅離子，而將電子由「陸運」送出，原來在硝酸銀溶液中的銀離子接收由「陸運」流入銀片的電子，還原成銀原子附著在銀片上，至於「海運」部分，則靠離子的移動維持電荷的平衡。
在我們未施加任何外來電源之下，如果電路迴圈可自動導通，不斷地有電荷在移動著，則此系統稱為電化電池，簡稱電池。反之，在須施加外來電源下，電路迴圈才會自動導通，則此系統稱為電解電池，簡稱電解。
基本的銅 - 銀電化學系統。
不論是電池或是電解，當電子流出時，該電極會發生氧化現象，稱為陽極；當電子流入時，該電極會發生還原現象，稱為陰極。這種在電極 - 溶液界面有電子跨越的輸送現象，因為遵從法拉第定律，故稱為法拉第程序。在某些程序中，電極 - 溶液界面處並無電子的跨越，如吸附、脫附等，會將造成界面電荷的累積或減少，稱為非法拉第程序。這種現象已廣泛地運用在電容器的製作上。
電化學如何應用在生活上？因為電化學涉及電子傳遞的化學反應，所以應用領域十分廣泛。以下簡述幾種主要的應用。
各類型電池提供電流量 (功率) 與儲存能量 (高容量) 的分布圖。
電鍍 電鍍是在製品的外表上產生一層均勻金屬薄膜的技術，其原理是將鍍件當成陰極，浸於含欲鍍金屬離子的電解液中，另一端置適當陽極，而施加直流電，當鍍件表面偏壓至較負的電位時，金屬離子便會還原成金屬原子而沉積在物體表面上。
電鍍可以增加物品的光澤，達到美觀的效果兼防止銹蝕，如餐具、汽機車的零件等。或只用來防止銹蝕，如馬口鐵、鍍鋅的纜線繩索等。也可鍍硬鉻以提高表面硬度，增加耐磨耗性。
電鍍技術中，銅電沉積是近年內工業界最重要的技術之一。目前，銅沉積層用在許多領域，如印刷電路板材料電解銅箔、超大型積體電路裡銅金屬化製程、印刷電路板穿孔電鍍與銅金屬凸塊製程等。
銅金屬薄膜有許多沉積技術，如電鍍法、物理氣相沉積、雷射退火回流法以及化學氣相沉積法等。其中，電鍍法 (電沉積銅) 具有低成本、高產率、高品質的銅膜、良好的孔洞填溝能力等，優點最多。
無電電鍍是沉積薄膜金屬層的另一種電化學方法。就是在無需外加電壓的情形下，把溶液中的金屬離子藉由自動催化的化學反應方式，沉積在固體表面上。這種反應程序與電鍍極為類似，不同的是反應發生時，電子傳遞並不經由外部導線，而是藉由溶液中的物質在固體表面上發生反應的同時，直接進行傳遞。
無電電鍍的基本原理，乃是利用與金屬離子與共同存在於鍍液中的還原劑，在固體表面上，藉由化學反應將金屬離子還原成固態金屬，而逐層沉積於固體表面上。由於此氧化還原反應僅在具有活性物質的固態表面上發生，故無電電鍍的施行，並不會因為鍍件的表面形狀、大小或是否導電等因素而受到限制。因此，若想要在非導體如矽晶圓或塑膠等的表面上沉積金屬層，利用無電電鍍是一種兼具便利與效率的方法。
電池 電池是一種將化學能轉換成電能的裝置，因具有可攜帶、多種組合、高能量密度，以及無排放噪音與廢氣的優點，所以應用範圍很廣。
伏特電池可以說是今日電池的起源，其後的一個重要發展則是丹尼爾以鋅 (負極) 浸於稀酸電解質與銅 (正極) 浸於硫酸銅溶液所形成的丹尼爾電池，改善了原本電池電流遞減的缺點，增進連續放電時的性能。
伏特電池堆示意圖。
後來，電池性能不斷地改進，在一八六四年時，勒克朗舍提出了勒克朗舍電池，並幾經改良，成了現今一般乾電池工業的主軸與一次電池工業的基礎。然而一次電池受限於放電後即無法再使用的困擾，可反覆使用的二次電池因而誕生。二次電池始於一八五九年普朗特所發明的鉛酸蓄電池，因技術的開發與改進，又陸陸續續有鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池等的出現。
今日，電池的改進與新式電池的發明仍然持續進行中，像是鋰離子電池、高分子鋰電池、燃料電池、太陽能電池等，隨時因應不同時代人們的需求。
關於電池的分類，可以透過電池本身的充放電特性與工作性質大致區分為一次電池、二次電池與燃料電池。
一次電池僅能使用一次，無法透過充電的方式再補充已被轉化掉的化學能。此類電池常見的有乾電池、水銀電池與鹼性電池等。一次電池的應用最早也最廣泛，市面上販售的不可充電電池幾乎皆屬此類。
二次電池所指的就是可以重複使用的電池，透過充電的過程，使得電池內的活性物質再度回復到原來的狀態，因而能再度提供電力。這類電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池，以及鋰離子電池和高分子鋰電池等。
燃料電池與前述兩者有相當大的不同，又稱為連續電池。它的特色是陰、陽兩極並無活性物質，而是透過外部的系統提供，所以只要持續地提供活性物質，電池就可以持續地放電。在陽極部分，真正進行氧化反應的是空氣或氧氣；而陰極部分則是以氫或煤氣等為主。此類電池尚在發展中，且受限於體積較大，主要用在發電機組上或作為備用能源。近來由於技術的提升，有逐漸小型化的趨勢，並運用於電動車輛等領域。
此外，若以電池中電解液的酸鹼度來區分，則電池的種類又可以分為鹼性、酸性以及中性電池。上面所提及的都是將化學能轉換成電能的電池，如果我們所使用的是太陽能轉換成電能的電池，那就是太陽能電池了。
電池的發展導因於我們對生活的需求，因此，隨著各種科技產品與各式攜帶型電子產品等的開發，以及對環境保護的要求，現有電池的生態勢將產生極大的改變。
電雙層電容器 當我們在二電極施加一電壓時，在電極和電解質二者接觸的界面極小厚度內，正負電荷會呈現相對排列，而形成雙電荷層現象，此時二電極間的系統類似於二次電池的充電過程。而當二電極所施加的電壓去除時，雙電荷層中原先所累積的電荷便會往溶液中移動，產生電荷中和，並釋放出能量，此時二電極間的系統類似於二次電池的放電過程。
上述系統因為具有利用電雙層原理來儲存預備的能量，故稱為電雙層電容器。又因為此類電容器具高放電能力、充電時間快且比傳統電容器高出數百倍的電容量等特性，所以也稱為超高電容器。它的發展源於一九九○年代，是一種新型的儲能元件，具有介於電池和傳統電容器之間的特性。
這種超高電容器與二次電池相比，因為在充放電時，只是將溶液中的電荷吸附在電極表面上，並無任何伴隨的化學反應發生，所以可以用大電流進行急速充放電。目前，電雙層電容器不僅能作為電流 1 安培以下的供電元件，也可以作為電流 1 安培以上大的供電元件。超高電容器在很寬的溫度範圍內，表現出穩定的充放電特性，並不會像電池有嚴苛的溫度限制；與電池相比，也較不容易起火，危險性很小；另外，對環境也不會產生污染。
電雙層電容器的發展，目前正逐漸使其在某些情況下，能代替電池或者是將電雙層電容器和電池組合應用，以便用於需要大功率、大電流的產品上，如家電、電腦、汽車、自動控制、航空、太空等。
電化學在未來能源中扮演什麼角色？過去十年來，人類所關心的三大議題為科技、能源及環保。
在科技方面，幾乎任何電子產品均朝向輕薄短小且高效能的目標邁進，對於印刷電路板的銅箔電鍍，或是積體電路裡高密集、高堆疊的導線沉積，甚至是擔任高科技電子產品心臟任務的電池等，在性能及品質上的要求勢必會更加嚴苛。因此，如何在電化學技術與光學、表面技術間做更密切的合作，尋求更快速且複雜的電子反應，跨越一道又一道電子產品的製作瓶頸，實是當前的一大課題。
在能源與環保方面，以往化石燃料太過融入我們的日常生活中，由於石油與天然氣總量有限，且地球日益溫暖化之下，如何以更有效率且更乾淨的電力來取代內燃機，這個深具挑戰性的課題也益形重要。目前，這方面的最大阻力乃在於如何製作出一個重量輕、堅固、耐久、便宜且功率高的電池。因此，電化學在未來的能源系統裡將扮演一極重要的角色。 |
潛進歷史–水下考古:水下考古遺物的保存與維護 | 沉埋於海洋、湖泊河川和地下水層中的遺物，除了容易受到水中生物蛀蝕、腐化、造礁生物附著等影響外，也會因水下環境的因素，產生各種物理和化學變化。例如部分材質在水中會溶解，或因海水組成和水中各種有機及無機物質的影響而銹蝕，甚或因水壓造成破裂或潰陷等，當然也會受到海 (水) 流和漁撈作業等干擾，磨擦、敲撞而受損或脫離原來的位置。
經過長時間後，大部分遺物會因此失去原有樣貌而難以辨識或逐漸消失，只有一小部分埋藏於海床或位於海洋深處，因海洋底層缺氧與低溫的環境而有較長的保存壽命，但也會因長期與水作用而改變性質。
原址保存
考古發掘研究工作者，通常不會任意將遺物出水 (土), 把遺物留存在原有的位置與環境，除可維持原有的歷史脈絡外，更能保護遺址與保存這些脆弱的遺物。把水下遺物留在原址，更是 2009 年生效的聯合國教科文組織《保護水下文化資產公約》的主要目標。
把水下遺物留在原址，其實和大家熟悉的古蹟一樣，以最小干擾讓它自然存在是最基本的原則。但古蹟仍會受到空氣汙染、工業震動、生物活動、人為地貌改變等影響而加速劣損，因此需要持續進行維護及管理；同理，水下遺址也會受水、混於水中的各種物質、水流、水中生物等影響，更因水下遺址和陸地遺址一樣無法以肉眼看見，水底工程與底拖漁撈難以事先閃避，以致造成更多的破壞。
此外，水下遺址發掘工作也會造成海底地形改變與原本密實的底砂結構變得鬆軟，而讓海流改變及侵蝕遺址使遺物裸露而損壞，因此水下遺物也需要適當的保護。
就考古發掘研究而言，和陸地考古一樣，回埋是基本措施。目前在陸地上的遺址積極地推動遺址公園，在遺址上種植草皮減緩表層土壤流失，而最先大規模實施水下遺物就地保存的荷蘭 BZN (Burgzand Noord) 10, 則採用沙袋和聚酯網覆蓋所要保護的遺址，以避免受到海流沖刷及海洋生物的影響。
最近的研究更指出，回埋時覆蓋泥砂的高度會影響水下遺物保存的效果，且回埋後如同陸地的古蹟和遺址一樣仍需持續進行水下環境與保存狀況監測。各國因此紛紛建立水下考古地圖，以事先調查建檔並劃定保護區管理，避免不必要的人為破壞。臺灣的陸地及水下考古地圖在文建會的積極推動下，也已有初步成果。
遺物出水準備作業
水下遺物通常已相當脆弱，對環境變化更是敏感，且不適應大氣環境，發掘出水過程或出水後如沒有適當的保存措施，通常會迅速損壞，如飽水木材放任乾燥會劇烈收縮變形、金屬會快速銹蝕等。此外，遺物出水作業對水下考古人員的安全也是負擔，如因保存或研究等原因必須出水時，都需要詳細的規劃和準備。
遺物出水不僅是實驗室或修復室的作業而已，保存修復人員在出水前須先進行相關的準備和安排工作，大略的作業程序如下:
保存人員入水確認考古研究要出水的遺物，記錄遺物所處環境及保存現況，評估是否適合出水。
擬訂遺物出水計畫，準備水下包裝運送、出水方式與現場暫時性保存措施，以及和船務人員評估海象、推算潮汐，規劃進出港口及時間、裝載所需器械與作業安全等。如需典藏保存，則另安排實驗室進行保存維護處理和博物館進行後續典藏管理。
包裝運送材料的準備：許多遺物除水下或陸上運送過程中可能因碰撞或搬運不慎而損毀外，也會在出水的瞬間，因水的表面張力、浮力的消失、水的重量等因素造成遺物的崩毀，所以通常遺物出水前都需包裝保護。
水下作業時，保存人員在水下協助發掘、記錄，並包裝、運送等。
出水後的保存措施：運送期間的保護及考古工作室的暫時性保存處理。
調查記錄：分類處理、基礎資料登錄、測繪、攝影等。
以最近極受囑目的南海一號而言，單出水作業準備就耗費多年規劃，包含建造大型拖吊船、專用航道和碼頭，以及建造日後保存、研究和展示用的水晶宮等，後續的遺物處理與保存，更是無止盡的工作。
出水後的保存措施，可大略區分為考古田野現場及實驗室操作兩個部分。近年多數實驗室都推動人力和設備現場支援、就近處理與遠端監控的概念，以確保處理品質與程序的連貫，讓田野現場工作站也能有專業實驗室的處理水準。在考古田野工作室的暫時性保存處理措施方面，都須先依材質種類、遺物保存狀況與處理方式分類，再繼續進行表面清潔、穩定處理、暫時性保存等。
出水遺物的表面清潔
表面清潔主要是去除表面髒汙和有害物質、附著生物或凝結物等。水下遺物露出海床的部分，通常有造礁生物附著，如藤壺、牡蠣、管蟲、珊瑚等。附著的生物在脫離生存環境後就會死亡，生物體開始腐敗，微生物快速滋生，發出惡臭，這種狀況不但危害處理人員的健康，也會影響遺物的保存及後續處理。因此遺物出水後，都會在生物體還沒腐爛前就先剔除。
另外，造礁生物留下的硬殼，除因材質脆弱而特別保留外，如簡易操作就能處理的，在田野現場就會一併去除，但通常僅止於可供辨識器形或紋樣的階段。
另一種對遺物表面也會造成明顯影響的是凝結物，通常發生於金屬器物上，尤其是鐵器上。沒入水中的金屬器表面會與海水形成硫化物或碳酸鹽類等難溶性鹽，並與周圍的砂石形成凝結物。這些凝結物和生物附著物一樣，有些許的保護效果，但常使器物難以辨識原貌，需要清除才能鑑識或重建。而且多數情形是金屬會因持續銹蝕而消失，導致凝結物中僅留下空洞，無法由外觀判斷器物形貌。因此，通常會先進行 X 光攝影來判斷內容物，再決定如何保存處理。
通常表面生物附著物或輕微的凝結物，可使用手工具或氣動工具去除。必要時使用化學藥劑處理，但其過程通常緩慢而效率差，且會有不良的後遺症，如遺物材質會因酸劑而溶解、燒灼等，使遺物更為脆弱，影響後續材質科學分析結果，造成典藏管理問題等。
凝結物中的遺物如已消失，則採取樹脂鑄模方式取得遺物的外形輪廓。當然，專業修復人員除有經磨練後的靈巧雙手外，另一項專長與責任就是判斷遺物狀況，並選用最適當的方法確保遺物的穩定，以及盡可能地保留及取得遺物所蘊含的考古研究資訊。表面髒汙採用物理性清潔或化學性清潔方式，都需保存修復人員依遺物材質、劣損狀況與研究、典藏需求等綜合評估後實施。
出水遺物的保存與修復
在考古田野工作現場，出水遺物最基本的穩定處理就是提供遺物原有的水中環境，保持潮溼避免讓出水遺物乾掉。大部分的出水遺物會在乾燥過程中損毀，如飽水木材會因失去水分的支撐而收縮乾裂、陶瓷器會因水中鹽分乾燥析出結晶而撐破表面、金屬器被空氣中的大量氧氣快速氧化，因此保持潮溼、隔絕空氣是出水遺物基本的穩定處理措施。
更積極的穩定處理措施，則是去除危害物質。對遺物會造成危害的物質很多，難以全面實施，在實務操作上，都以去除會造成立即危害的含氯鹽類為主，且在考古田野現場也容易實施。以陶瓷器來說，即浸泡在乾淨的淡水中，讓陶瓷器內的鹽擴散出來，並定期換水直到鹽分去除。金屬器則多使用鹼液抑制氯化物與氧和水持續反應，或轉化氯化物成穩定的物質，如鐵器用氫氧化鈉和亞硫酸鈉混合溶液，銅器採用碳酸鈉溶液浸泡。
穩定處理大多需要一段不算短的時間，且一個水下遺址考古研究通常也需好幾個田野考古期。出水遺物大多需要持續保存在穩定處理的階段，讓考古人員得以記錄、研究。如何維持這一期間遺物免遭空氣 (氧氣、二氧化碳等)、環境 (溫溼度、紫外線等)、微生物等影響的暫時性處理措施，也是保存修復人員須考量的。
水下遺物出水進行相關考古研究後，通常會再回埋到原水下遺址，這樣雖然減少了教育推廣的機會，但提供了日後再研究的機會。如果遺物已不適合水下環境保存，或有持續研究及展示的需要，則須另進行保存修復和典藏措施，讓水下遺物能以原有的形貌在空氣環境中長久保存，必要時再依研究或展示需求修復。接下來就是一輩子再加上後續子孫保管文化遺產永遠的責任。
為便於博物館典藏管理及展示教育，通常須讓遺物可以脫離水槽和藥劑。而為讓已在水中穩定的遺物重新回到大氣環境，一般需要應用特殊的保存技術，把遺物材質轉變為在空氣中可以穩定的形式，或加固強化再進行脫水，其中以飽水木材乾燥以及金屬器物除銹的處理技術發展最受矚目。
陶瓷器通常於穩定處理階段完成脫鹽步驟，就可自然晾乾，但部分陶瓷器可能出現釉面脫落，或因某些組成已溶解而鬆軟。保存修復人員則會評估是否進行加固措施，目前大多採噴塗壓克力樹脂固定或塗刷有機矽酸鹽類藥劑，讓藥劑滲入後反應生成二氧化矽與器物結合而填補間隙補強。
有機材料一般很難保存，以木材來說，木材的基本成分纖維素、半纖維素、木質素等易受環境劣化及動物蛀蝕與微生物等分解，雖然在水中仍可以維持外觀形狀，但細胞壁結構缺損失去強度，含水率因而提升。以臺灣環境來說，通常木材的平衡含水率約在 12~15%, 水下遺址的飽水木材含水率則多了數十倍至百倍，如澎湖馬公港古沉船調查時出水的木材，含水率就高達 500% 以上。
已嚴重劣化的木材其組織變得鬆軟，在乾燥過程中因無法抵抗水的表面張力而發生潰陷收縮、龜裂變形，且一旦收縮變形就很難回復原貌。為了讓飽水木材乾燥後仍能維持原貌，目前針對木材的收縮原因，以及因應國際上文化遺產修復原則，近幾十年來已發展出許多處理方法。
例如為了去除水表面張力影響而開發的醇醚法，或應用真空冷凍乾燥技術填充支撐木材細胞組織的聚乙二醇浸漬法，和注入單體樹脂再以放射線促進聚合成木塑材等，目前以二階段聚乙二醇法配合真空冷凍乾燥技術最為普遍。近年也陸續發展出符合「可逆性修復材料」原則的乳糖醇浸漬法，以及能提升處理時程的羽 (角) 蛋白注入法等，希冀能解決因聚乙二醇的吸溼性及對金屬的腐蝕性所造成的後續管理困難。
處理作業通常需要很長的時間，以大家熟知的瑞典瓦薩號 (Vasa) 戰艦來說，於 1961 年出水，在特別規劃興建的建物中經過 17 年的聚乙二醇藥劑處理和再 9 年的乾燥過程，至 1991 年始略為穩定後開放參觀，並不間斷地進行溫溼度等環境控制。目前仍持續進行各種化學處理與保存設施改善中。
金屬器物都是人類把原來穩定的金屬化合物原礦經還原、精煉製成的純金屬或合金，在自然環境中並不穩定，容易受外界環境影響而反應成較穩定的狀態。在空氣中如此，在海底也是如此，即會產生人們認為的銹蝕現象，而以銅器及鐵器最易發生。
在水中含氧量及溫度都低的環境下，銹蝕速度較慢，因此能保存下來。但出水後，又遭受到空氣、水、熱等的影響，以及金屬表面與滲入內部的氯離子反應而快速銹蝕劣化。因此除進行抑制銹蝕的穩定處理外，通常會積極地採取將氯化物轉化成穩定的物質、去除有害銹和隔絕外界環境等保存措施。
處理技術很多樣，最基本的是機械性的清潔，如手工具、噴砂、超音波、雷射等。目前多數單位普遍採用電解還原法，把鐵器或銅器放入電解液中，通入直流電促使金屬遺物還原，是較能確保文物安全的方法。遺物經處理除銹後乾燥，再刷塗隔離劑如壓克力樹脂、蠟等或塗上防銹劑。
金屬銹不一定有害，如銅器表面的銅綠，除了讓文物看起來有古樸質感外，還有避免繼續氧化的效果，以保存修復而言，不一定要去除。但銅綠除具有保護作用的無害銹外，也有可能是銅的氯化物，這些氯化物會持續腐蝕銅器，且因重量輕容易隨風飄散，當附著於其他銅器時也會產生銹蝕，類似疾病的飛沫傳染，因此一般多稱為青銅病。保存修復人員通常須藉由分析儀器確認這些銹是有害還是無害，再評估保存處理方法。
保存處理後，接著配合典藏管理進行標記、登錄、包裝、庫存，以及各項預防性保存措施。也會因研究或教育推廣需要，進行併黏、填補、全色或修復。
遺物在水下遺址中時通常就會由考古發掘人員編號及標記，出水運至考古田野工作站時會重新標記，大多是臨時性的標記，如防水標籤和遺物一併套入網袋，或以塑膠條圈套於不易脫落的位置。在博物館典藏時，則會再進行正式的編號標記，標記標號時並非直接用簽字筆在遺物上編號，編號書寫的位置、材料和方式也有一定的原則，如不破壞遺物價值、不影響視覺、便於管理等。譬如小型陶瓷器會選擇底部圈足附近，以具可逆性的隔離漆塗薄層隔離後，使用黑色墨水筆書寫，再覆蓋一層保護漆。
接著如果是破片且能拼組，則視研究或展示需要進行黏合。就博物館典藏而言，一件破成數塊的文物並非一定要黏合，黏合破片有一些需要討論的層面。
首先破片重新組合的位置是否正確，再來這個物件本來或許就應該是破的，如歐美新船命名下水典禮時用來祈福的酒瓶，這酒瓶的碎片代表這艘船的誕生，也做為習俗演變的證據，你找到它後把它黏回時可能是不同的意義。又如台灣傳統結婚習俗中，迎娶新娘進家門，跨過火爐踩破瓦片，顯示了一個新生活的開始；若你把這塊瓦的碎片撿起來黏回，在展示教育時就可能誤導觀眾對文化的認知，這就是修護原則中有關真實性的探討。
另一個問題是黏合的膠，就修復原則來說，通常要求最小干擾和可逆性修復材料，黏合時除前面所提的不可臆測、歷史真實性外，如何讓膠不會汙染文物，又可讓後人可以輕易地再拆開，則是另一種挑戰。
填補和黏合有一樣的原則，另需考量修復的可辨識性。常看博物館古文物展覽的人會發現，陶甕缺損的地方用白色的石膏填補復原後，就沒有再進一步修飾成完整的狀態。其實以目前修復師的技術，修復到幾可亂真的程度並不困難，在古董交易市場就常看到。然而考古文物的修復師有一定的修護原則，填補是為了協助學術研究和教育推廣。修復師有責任讓研究人員和觀賞的人很容易地區隔哪個部分是原來的，而哪裡是修復人員創造出來的，以免誤導了人們對歷史文物的認知。
由於實體復原有很多難以克服的技術與無法符合修復原則的狀況，近年來已漸漸採用數位影像技術進行虛擬修復，或以逆向工程技術取代實體修復。
至於文物的典藏管理工作，文物和身體一樣預防勝於治療，須採取「預防性保存」。維持保存環境穩定與排除劣化因子是基本要求，不同材質的文物需要不同的保存環境。
降低保存溫度是典藏多數材質文物共同的原則，但也不是全部，如錫器就不能低於攝氏 18 度，以免發生「錫疫」; 保存紙張、木材時，相對溼度則需穩定控制在一定範圍內，不能太高也不能太低；而金屬則越低越好，庫房內金屬器通常會被密封包裝，並放置除溼和除氧劑以減緩氧化。另外，博物館展示考古遺物時，展場通常不是很亮，以避免熱和紫外線加速文物劣化。展櫃設計除展現遺物特色外，其實展櫃底下裝設有溼度控制設備，不明顯的角落還放置著溫溼度記錄器監測展櫃內的環境。
文物保存修復研究人員並不是考古學家，但在考古工作團隊的田野工作中，是不可或缺的專業人員，在水下考古工作中更是如此。遺物出水後需要即時有效的保護措施，以免生變，否則考古學家將失去重要的依據。
保存修復人員如不了解考古研究的需求，選擇了不適宜的檢測與保存措施，也會讓遺物蘊含的歷史訊息消失。文物的保存修復研究人員需要與考古學家密切配合，且文化資產的保存維護是眾多專業學科與技術領域的集合，因此保存修護工作需要一個團隊的合作。
保存修復方法及技術、材料材質會隨著檢測分析技術與材料科學的發展不斷進步，不變的是，各種先進的處理技術都是為了保全文物做為歷史證物的價值，以及讓文物不受外力干擾而能自然地存在。 |
環境新議題:全球暖化的因應 | 由於全球經濟快速發展，造成能源使用量大增，使化石燃料的消耗大幅攀升。加上土地資源的開發，大量砍伐森林，使得全球碳循環遭到破壞，造成近年來的暖化現象，並對氣候產生顯著的影響。例如北極海的冰層加速融化，青藏高原、格陵蘭和歐洲各地的冰河不斷縮減，西伯利亞永凍層土地的面積逐漸減少，大氣層中的二氧化碳增量也使海水酸化的情形愈來愈嚴重。而全球各地激烈氣候現象 (如颱風、高溫等) 的發生也更加頻繁，不只對自然生態環境造成了很大的破壞，也使人類社會經濟蒙受嚴重的損失。
大氣中二氧化碳的濃度從 1900 年的約 280 ppm, 快速增加到目前的約 380 ppm。依據氣候變遷跨國小組的預測，到了 2100 年便可能高達 540 至 970 ppm 之間，可讓全球地表溫度提高攝氏 1.4 至 5.8 度。何況依據國際能源總署的估計，到 2030 年時全球能源需求量會比目前增加 53%, 未來將無法使大氣中的二氧化碳濃度維持在歐洲國家建議的 450~550 ppm 範圍內。
為了積極因應溫室效應對於全球氣候變化的影響，各國政府於 1994 年簽訂聯合國全球氣候變遷公約，提出面對全球暖化和氣候變遷現象的兩項主要策略：減緩和調適。前者是指以減少溫室氣體排放或把它吸收貯存的方式，降低大氣中溫室氣體的濃度。後者則是指發展可以降低全球暖化和氣候變遷負面影響，甚至開發其正面效益的方法。
聯合國於 1997 年進一步在日本京都制定具有溫室氣體排放減量約束力的京都議定書，共同規劃符合公平原則的全球溫室氣體排放管理策略，配合技術研發、經濟誘因等手段來達成既定的溫室氣體減量目標。對於國際層次的環保議題，環保工作的推動須考量區域、政治、經濟、產業等因素，因而導致國際間相當分歧的溫室氣體減量做法。由於京都議定書限制了先進國家的溫室氣體排放，會直接衝擊各國的能源和產業結構，影響各國經濟發展，甚至損及國際競爭力。迄今，美國、澳洲等先進國家仍拒絕簽署京都議定書。
目前除了國際間應積極致力於人為溫室氣體排放的減量外，人類必須認真考慮如何因應「後全球暖化」的環境狀態，調整既有的生活型態和社會運作方式，以面對及因應似乎已經無法扭轉的全球暖化和氣候變遷現象。同時選擇更積極的措施，以降低未來須付出的代價。
然而溫室氣體對於全球各地氣候變遷的影響並不一致，舉例來說，高緯度地區的暖化現象比赤道地區更為顯著，會造成雨量分布的變化，進一步影響各地人民的生活與生產，以及自然生態系統的未來發展。
2006 年 11 月，聯合國環境保護署在肯亞首都奈洛比市舉行第 12 屆聯合國氣候變化綱要公約締約國大會議時，發表了一份「氣候變遷調適技術」報告。依據報告內容，全球暖化和氣候變遷的調適必須涵蓋政府和民間部門的共同努力，有些調適活動須落實到每個家戶或個人，有些活動則需落實公私部門組織的策略規畫。整體氣候變遷的調適策略，依目的可以分為預防性和反應性策略兩大類。前者的目的是為了預防氣候變遷造成災變；後者的目的則是降低氣候變遷造成災變後的傷害。
對於政府部門而言，針對未來發生的氣候變遷現象，可以採取的預防性調適策略，包括建立預警系統、建立新建築規範、築堤等。可以採取的反應性調適策略，則包括提供補償或補助、加強建築規範、灘地復育等。民間部門可以採取包括改變建築形式、購買災害保險、購置新消費性產品等預防性調適策略，以及包括搬遷、改變保險給付、購置空調系統等反應性調適策略。
其實面對激烈的氣候變化，許多調適策略已被人類廣泛使用。既有技術的改善和強化，確實在某些程度上可以調適氣候變遷的影響，但是有些調適策略可能需要以新科技、高科技方式來解決，甚至須依賴未來的科技發展。無論採用哪些調適策略，都必須考量氣候變遷的調適絕非一蹴可及，而是需要有效持續地實施，以及依據地區狀況和實施成效不斷地檢討調整，以確保其長期有效。
至於受氣候變遷影響最嚴重的幾個領域，依據聯合國全球氣候變遷公約的報告，包括海岸地區、水資源、農業、公共衛生、基礎建設等。
海岸地區的調適方式
全球人口中有很大部分生活在各地的海岸地區，從事不同的生產或投資活動，但是海岸地區也暴露在不同的自然災害，如颱風、水災、海岸侵蝕、海水入侵地下水等的威脅下。氣候變遷會使某些海岸地區遭受更嚴重的自然災害，以及因海水水位上升所造成的影響。據估計 1900 年到 2100 年之間，海水水位將上升 9 到 88 公分。面對氣候變遷可能對海岸地區的影響，可以採行的調適策略包括:
保護性技術 硬性建設如堤防等；軟性建設如海岸和濕地復育等；傳統性建設如植林等。
後撤性技術 設立後撤區；重置受威脅建築；限制暴露區位的開發；建立緩衝區。
適應性技術 預警和撤離系統；災害保險；新農業技術；新建築規範；排水系統；海水淡化系統。
水資源部分的調適方式
氣候變遷可能對水資源的供應和使用造成影響。在供應方面，會改變全球各地降雨量的分布，並加速地表水分的蒸發。在使用方面，會增加各地人民的用水量。雖然氣候變遷對水資源造成的影響，會因全球各地的狀況而不同，但是依據預測，目前已有水資源壓力 (過多或過少) 的地區，將面對更嚴重的挑戰。面對氣候變遷可能對水資源造成的影響，可以採行的調適策略包括:
生活用水 增加水庫蓄水；海水淡化；跨域轉運；使用低品質水源；降低漏水率；加強水質標準；使用免水衛生清潔設施。
工業用水 使用低水質水源；提升用水效率和回收。
水力發電 增加水庫蓄水；提升渦輪效率。
水運 興建渠道和閘門；改變船舶尺寸和航次。
水污染控制 提升廢水處理能力；物質的回收再利用；降低廢水排放；推動替代的化學處理劑。
防洪管理 建設水庫；保護和復育濕地；改善洪災警報系統；限制洪水平原的開發。
農業部分的調適方式
即使是短暫的氣候變化，都可能對農業生產造成顯著的影響。面對未來全球人口的增加，持續性的氣候變遷更會對農業生產和糧食的穩定供應造成嚴重影響。農業專家有一些經驗來面對氣候的變化，但是由於全球氣候變遷的影響範圍和程度都相當深遠，因此仍須發展一些新的調適策略來解決全球氣候變遷對農業生產所造成的影響。可以採行的策略包括:
使用不同作物 種植抗旱作物、研發新品種等。
改變地形 改善取水並防止風蝕。
改善用水 提升灌溉效率並防止水蝕。
改變耕作方式 設法保存土壤中的水分和養分；防止沖刷和土壤流失；改變農作時程。
公共衛生部分的調適方式
人類的健康有許多面向都直接或間接受到天候的影響。氣候暖化可能造成病媒散布、縮短病原發育時間；可能造成衛生用水不足，糧食生產不足，導致營養不良；可能增加中暑和循環呼吸系統疾病；或由於水災、風災、山崩等自然災害增加傷亡、災後創傷、病媒滋長，以及破壞供水衛生和醫療系統。由於氣候變遷對公共衛生產生影響的因果關係相當複雜，面對氣候變遷可能對公共衛生造成的影響，在以下狀況發生時，選擇何種調適策略仍應詳加考量。
激烈氣候 制定新規劃和建築規範；設置預警系統；發展都市計畫和空調技術。
空氣品質 加強空氣污染排放控制；限制交通運輸。
傳染性疾病 加強病媒控制；設置防疫網；加強健康教育。
基礎建設部分的調適方式
人類的生活需依賴許多形式的基礎建設來維持，包括水電、交通、環保建設等。這些基礎建設未來將面對氣候變遷可能引發的各種挑戰，包括如颱風、水災對水電、交通建設的立即破壞，以及如氣溫上升使土壤乾燥，長期可能引發地層下陷等。面對氣候變遷可能對基礎建設造成的影響，可以採行的調適策略包括:
建築部門 改善都市能源系統的效率，適當使用太陽能；減少鋪面，加強植樹，以緩和都市熱島效應，降低空調能源需求；限制洪水平原的開發；建立適當建築規範標準等。
交通部門 整合交通系統規畫和都市計畫；藉由財稅方式管制車輛；鼓勵使用都市大眾運輸系統。
產業部門 加強防洪硬體建設；降低產業對資源的依賴性；限制受威脅地區的產業開發。
雖然目前還無法對特定地區提出精準的預測，但已發生的暖化現象似乎比過去的預估發生的更早、更激烈。其對於每一個人的生活都會有或多或少的影響，尤其是對於居住在生態脆弱地區或貧窮地區人們的生命財產影響更是顯著。
然而大部分的影響和環境危機，仍有機會可以藉由過去累積的經驗和技術加以改善。有些調適策略則可能需要應用生物科技、遙測等新科技的協助，甚至是依賴未來的科技。但是無論如何，科技的應用必須配合妥善的管理規劃。顯然所有國家面對未來無可避免的「新」氣候狀態，調適都是必須採行的策略，因此應完善規劃國家調適計畫，即時評估最可能發生環境災變的地區，才能降低因全球暖化和氣候變遷現象可能引發的環境衝擊。 |
植物保護生技:基因工程蛋白質的生產–桿狀病毒表現系統 | 基因療法的新工具
桿狀病毒是一種桿狀、含有雙股 DNA 基因體的病毒，此病毒只感染節肢動物，但主要寄主是蛾蝶類昆蟲的幼蟲。長期以來，桿狀病毒被用來當作有效的蟲害防治微生物。由於防治的對象大都屬農作物，和人類的食物有關，各國都對這病毒做過嚴格的檢驗。在確認不會在人類細胞中從事病毒基因表現、繁殖，以及造成任何病原性後，已被世界各國批准成為作物蟲害防治的有效微生物製劑。
因為桿狀病毒有幾個極強的起動子 (promoter), 在 1980 年代初期即被開發成有效的外源蛋白質生產工具，從此成為極受歡迎的高品質蛋白質生產系統。在 1990 年代中，科學家陸續發現這病毒雖然不會表現自己的起動子，但若裝入可被人類細胞認識的起動子，則這病毒可進入少數人類細胞，如肝細胞，表現外源基因。由於桿狀病毒對人無病原性，也不會增殖，因此安全性比目前基因療法使用的腺病毒及反轉錄酉每病毒等人類病毒為高，將可運用在新興的人類基因療法上。
利用基因工程防治蟲害
桿狀病毒長期以來是蟲害防治的有效微生物，只是它的殺蟲效率雖高，但所須期間較長，在昆蟲死亡前，仍會嚼食過多的作物，而造成很大的損失。因此，若能以基因工程方法把有毒的基因，如蠍毒基因，植入桿狀病毒的基因體內，則當桿狀病毒在感染昆蟲，並表現蠍毒蛋白後，可在昆蟲體內快速製造蠍毒蛋白，而把昆蟲殺死，使得蟲害損失降低。
雖然昆蟲特異的蠍毒蛋白對哺乳類無毒，而且桿狀病毒也不會感染哺乳類動物，但把一個含有外源基因的桿狀病毒放入自然界或農業生態系中，仍有一定的風險，必須嚴密追蹤病毒的去處。傳統上病毒的偵測需要動用超薄切片及電子顯微鏡，處理過程非常麻煩。筆者的研究團隊曾經嘗試使用細菌的可顯色基因，含有這種基因所生產的蛋白質可染成藍色，也嘗試使用螢火蟲螢光基因，使蟲體產生螢光，但這兩種方法都必須把受質注射入蟲體，麻煩而不實際。
1986 年筆者與同仁們發現把水母綠螢光蛋白植入桿狀病毒，可有效偵測病毒的散布。這種綠螢光蛋白只需以紫外光照射，即可以非破壞性的方式偵測病毒去處。這方法效果良好，是第一個可有效檢測基因工程病毒所感染的生物在作物上散布的方法，同時也可測試不同起動子在家蠶身上的蛋白質表現量。
生產基因工程蛋白質
傳統上，蛋白質的生產都是採用以桿狀病毒感染細胞株的方法，其好處在於較易純化蛋白質，缺點則是所有過程都必須以無菌操作，若需大量生產，必須購買貴重且精密的發酵槽，價格昂貴。在 1985 年，有人成功地以桿狀病毒感染昆蟲來生產蛋白質，筆者的實驗室引入綠螢光蛋白後，更可以清楚地得知蛋白質生產量的高低。由於臺灣擁有可觀的養蠶產業，氣候也極適合家蠶的養殖，十分有利於以家蠶從事基因工程蛋白質的生產。
以家蠶生產基因工程蛋白質有很多好處。第一、家蠶是最馴化的昆蟲，一旦逸入自然界便無法存活，這一點對基因工程的安全性十分重要。第二、家蠶不似其他昆蟲會自相殘殺，可以高密度飼養。第三、國人對家蠶極為熟稔，反而，歐美人士不甚熟悉這項生物科技，因此我們具有重大的優勢。第四、臺灣目前在桿狀病毒方面的基礎研究水準領先全亞洲。因此國人若要發展生物科技，以家蠶為生產平臺的領域不可忽略。
合成起動子
桿狀病毒向來都是以早期的 ie1 等起動子，以及極晚期的多角體素 (polyhedrin) 或 p10 起動子生產外源蛋白質。利用早期起動子所生產的蛋白質品質甚佳，但是產量低。利用極晚期起動子所生產的蛋白質產量雖高，但品質不好，而且若採用晚期起動子表現不穩定的蛋白質，此蛋白質很容易在細胞內就被裂解。
為了解決這問題，我們避開從基因體尋找起動子的傳統方法，把新發現的加強子配合外來的微量起動子，組成一個合成的起動子。所謂微量起動子，就是只含一般起動子末端約 20~30 個核酸左右的序列，形成一個可在加強子幫忙時才啟動的起動子序列。這種合成式起動子可以在病毒感染的早期即可製造外源蛋白質，但產量比利用早期起動子的效果來得高，直逼極晚期起動子，而且蛋白質的品質佳，沒有明顯裂解。
由於傳統的起動子都是從基因體中發現得到的，加上基因體計畫的盛行，絕大部分的起動子都已被發現，若能以合成的方法製造全新的起動子，將可開風氣之先。
非胞裂性桿狀病毒
桿狀病毒感染細胞後，會裂解細胞，因此，所生產的基因工程蛋白質會外逸到培養液。而且由於細胞裂解後會造成蛋白酉每外逸，以致無限制地破壞蛋白質，使得所生產的蛋白質品質降低，這是桿狀病毒在蛋白質生產上很大的缺點。
為了製造一個不會溶裂細胞的桿狀病毒載體系統，初期我們曾把桿狀病毒的 p35 基因去除，發現病毒可進入潛伏感染，同時會以非胞裂性的方法生產蛋白質。但由於去除 p35 後，病毒會持續刺激細胞進行細胞自戕，使得能生產外源蛋白質的細胞數量受限，無法成為一個有效率的蛋白質生產系統。
後來，我們發現綠螢光蛋白在細胞溶裂時會外逸，使得細胞喪失螢光，透過這種鑑別方法，可大規模地尋找不溶裂細胞的桿狀病毒。首先，我們以化學誘變劑讓桿狀病毒基因體全面性地發生突變，然後挑選在病毒感染細胞後，細胞仍能保存綠螢光的病毒株。這方法十分有效，在約五千多的突變株中找到了十幾株不溶裂細胞的桿狀病毒。這些病毒的起動子強度不亞於野生種病毒，但由於它們不會溶裂細胞，使得蛋白質的回收量大為提高，而且品質也變得更好。
細胞內分析蛋白折疊
蛋白質是否正確折疊，關係著其活性及多種主要的蛋白質特性。因此，若所生產的蛋白質無法正常折疊，則無法期望它會是有正常用途的蛋白質。在細胞內，不正常折疊的蛋白質不但沒有功能，有時候反而會造成嚴重的疾病，譬如異常折疊的普恩蛋白質會造成病變，狂牛病等即是明顯的例子。由於無法折疊或折疊異常的蛋白質會危及細胞的生存，細胞也常會使這些蛋白質沈澱或變成不可溶，或予以裂解、消化並吸收。在基因工程生產上，蛋白質的不正常折疊，往往造成產量降低或無法產出可用的蛋白質。
傳統上量測蛋白質折疊的方法是把蛋白質純化，再以吸收光譜等方法測出其折疊度。然而要純化蛋白質不但困難費事，而且純化的過程也可能破壞蛋白質。所以筆者的研究室開始評估，是否可能在細胞內直接研究蛋白質的折疊。
由於任何單一細胞內都含有數以千計不同的蛋白質，要得知某單一蛋白質的折疊更是難上加難。我們的做法是，在欲探測的目標蛋白質兩端分別加入一個藍螢光蛋白與黃螢光蛋白，利用藍螢光蛋白受激產生藍螢光後在 100 埃 (一個埃等於 10-10 公尺) 的距離內，會激發黃螢光蛋白之螢光的特性，以探索螢火蟲螢光蛋白折疊的好壞。
結果這方法相當成功，當目標蛋白質正常折疊或折疊鬆脫時，甚或被蛋白酶分解時，所發出的光譜都不相同。利用這種光譜的差異，不但可以研究蛋白質的折疊，事實上可以「觀看」細胞內特定蛋白質的折疊。這全新發展出來的方法，命名為「蛋白質的螢光胞內折疊分析法」。
我們利用這種分析技術，研究胞裂性及非胞裂性病毒所生產蛋白質的折疊，發現在細胞內，非胞裂性病毒所生產蛋白質的折疊情況較胞裂性的好。這方法適用的目標蛋白質甚多，效果一樣好。由於蛋白質折疊是一個生物學、病理學上重要的現象，很多基因突變所造成的遺傳疾病也是由蛋白質折疊錯誤所引起的。因此，這項技術勢必會在遺傳疾病的研究及新藥發現上，扮演一個重要的角色。
SARS 病毒的模擬
嚴重急性呼吸道症候群 (SARS), 是由一種致命性的冠狀病毒所造成的，這病毒在 2003 年流行於世界各地，造成經濟、社會、以及人命上很大的損失。SARS 病毒是一種傳染性甚高的病原，連在最嚴密控管的實驗室裡做研究都有很大的危險性，從新加坡、臺灣、一直到中國大陸都有科學家因為研究這病毒受到感染，甚至死亡。為了製造有效的疫苗，筆者及同仁們已成功地創造了一個類 SARS 病毒顆粒，它是一個無病原性的基因工程產物，由於類病毒顆粒有病毒的形體，其抗原性會比單一基因工程蛋白質所激發的更好。
使用桿狀病毒來共同表現 SARS 病毒的膜蛋白及套蛋白，發現能形成類 SARS 病毒顆粒。由於 SARS 病毒的蕀蛋白具有主要的抗原性，因此把能表達蕀蛋白、膜蛋白及套蛋白的桿狀病毒，拿來共同感染昆蟲細胞，結果可生成具有蕀蛋白的類病毒顆粒。這種顆粒具有 SARS 病毒的蛋白質活性，但是因為沒有 SARS 病毒的基因體，因此不具感染性，將來應該可成為最好的 SARS 疫苗。
創新研發 開創新局
桿狀病毒是只會感染昆蟲等無脊椎動物的病毒，不會感染人類。但由已發表的報告顯示，研究或利用此病毒的報告比研究人類病毒的報告還多，顯示它相當有用而受到重視。雖然長久以來，桿狀病毒已被利用成蛋白質表達的工具，若再多加改良，其效用將可以大幅提高。
此外，由於桿狀病毒的基因體可在昆蟲細胞內被改造，然後再加以釋出，以做為哺乳類細胞的基因轉殖或蛋白質功能分析的工具，使其用途大為擴增。再由於這病毒對人類無害，病毒自身的起動子並不會在哺乳類細胞內起動，病毒基因體也不會在哺乳類細胞內複製，因此安全性比目前基因療法所使用的哺乳類病毒高，將來應有極佳的前景。
20 世紀是生物學大發現的世紀，一直延伸到 21 世紀初，人類漸次了解基因的組成，以及基因如何造成生命現象。這些「發現型」的研究固然沒有止境，但「創新型」的生物研究卻越來越趨重要。臺灣的科技和歐美國家有相當差距，因此受制於外國原創專利的束縛極為嚴重，創新型研究，尤其是高度原創的研發成果，是國人突破外人束縛的不二法門。
創新型研究可延伸人類的知識領域，幫忙進入以前無法探索的學門，可以創造更多更大的產業價值。以臺灣幅員狹小，物資缺乏，但民眾知識、教育水準甚高的情況下，創新型的基礎研究與應用開發，才是未來最值得追求的目標。 |
藥用及保健植物:勇抗肝炎的高氏柴胡 | 具抗炎、保肝功能的柴胡
柴胡為我國傳統醫學中非常重要的藥材，能解熱、鎮痛、解毒、消炎；含柴胡的柴胡製劑被廣泛用於炎症、過敏、代謝及內分泌疾患，如小柴胡湯被用於治療肝膽疾患，增強肝機能、及提高免疫功能等，為目前肝膽疾患最重要及用量最多的藥方。
有關柴胡的研究相當多，已註冊的專利總數就達 318 件，從抗 B 型肝炎病毒，抗肝炎、肝硬化、肝癌，抗胃及十二指腸潰瘍，預防及治療感冒、流行性感冒、過敏性鼻炎，增強及調節免疫功能，到防止愛滋病發病及各種婦女疾病等。近年來在保健方面則用於皮膚保養、化妝品、保健飲料及食品等，甚至用於動物飼料、肥料、生物殺蟲劑等，其用途十分廣泛。
臺灣的柴胡市場年需求量約三百公噸，而日本的需求量更高，據衛生署健保給付調查統計，使用量最多的方劑為含柴胡的柴胡劑。柴胡的基源植物非常多，中國、日本市場上常見的有 14 種，高氏柴胡則是臺灣原生及特有，其所含有效成分–柴胡皂素，研究顯示為大陸產北柴胡的 5~20 倍，品質特優。
柴胡為肝膽、呼吸道、消化器及內分泌等疾患常用的藥物，所含成分多元化，其中柴胡皂素已證實具抗炎、抗胃潰瘍、抗過敏作用；多醣體及多酚物質具抗胃潰瘍、抗氧化、抑制自由基形成及調節免疫等作用。坊間著名方劑–小柴胡湯，根據相關資料記載，當作藥物使用已超過兩千年，它具有改善肝障礙、防止慢性 B 型肝炎轉化成肝硬化、調節免疫、抗癌、提升慢性 C 型肝炎病患的免疫功能、抗高脂血症、抑制自由基形成及抗過敏等功效。
為達篩選優良品系的目的，首先利用高效液相層析儀，定量分析各品種所含柴胡皂素的量，以完成高氏柴胡優良品系的選拔，再進而建立優質且高產量的栽培技術。依實際培養的經驗，種子發芽率最佳溫度為攝氏 18 度，具四片葉片幼苗為最佳移植植株，密植優於疏植，八個月後採收，此時的柴胡根軟肥大纖維少，香味濃郁。
柴胡的療效
以下將針對高氏柴胡及其所含各種活性成分對保肝、抗氧化、清除自由基、治療慢性酒精性肝炎等功效，略加介紹。未來，柴胡製劑應可用於強肝、解毒、解酒、抗氧化等方面。
高氏柴胡根水抽出物，能抑制四氯化碳誘發的大白鼠急性肝炎，所含總皂素能抗炎症及抑制半乳醣氨誘發的大白鼠急性肝炎，高氏柴胡總皂素尚具免疫調節功能。
因為小柴胡湯有助於慢性 C 型肝炎病患 IL-10 的產生，並促進單核球分泌顆粒球增生刺激因子，所以有學者針對高氏柴胡具抗 C 型肝炎病毒活性的作用機轉進行研究。但由於有將柴胡製劑與干擾素併用，引發間質性肺炎而死亡的案例，柴胡與干擾素併用的可行性，有必要做進一步的評估。
柴胡皂素能活化小鼠巨噬或淋巴細胞，誘導小鼠黑色素瘤細胞分化或程序凋亡，抑制肝癌細胞生長。
目前有利用可分泌 B 型肝炎病毒的肝癌細胞株–2,2,15 肝腫瘤細胞株，來測試高氏柴胡所含成分及小柴胡湯對 B 型肝炎病毒、表面抗原、e 抗原活性的抑制效果。此外，也針對五種肝癌細胞株進行其抗癌活性的研究，以進一步了解免疫調節活性的關聯性及作用機轉，以期對 B 型肝炎治療藥物的開發有所助益。
柴胡皂素 d 可以使麻疹病毒及單純病疹病毒不活化，而小柴胡湯能抑制人類免疫缺陷病毒或愛滋病毒 (HIV) 的複製，增強拉美芙錠藥劑抗愛滋病毒 - 1 (HIV-1) 的活性，使受愛滋病毒感染的細胞產生細胞程序凋亡。某些研究團隊，已針對高氏柴胡抗病疹病毒、腺病毒及腸病毒的活性及其作用機轉，進行深入的探討，希望能進而開發抗病毒的藥物。
柴胡所含柴胡皂素合併臨床放射治療，能抑制腫瘤細胞生長，有保護正常細胞的功能。因此，有部分學者專注於高氏柴胡對各種腫瘤細胞的抑制作用，以及對遭受輻射傷害的正常細胞具有修復功能的研究，希望未來能將柴胡與放射線合併治療癌症應用於臨床上。
要了解柴胡具有的抗炎、抗過敏、抗腫瘤等功能，須針對高氏柴胡及所含成分的動物抗炎症活性，及其抑制肥滿細胞組織胺釋出作用的影響與作用機轉有所掌控；並以分子藥理學的方法，探討柴胡在細胞生長周期的調控，及在癌細胞生長調節作用機轉中所扮演的角色，方可獲悉高氏柴胡對免疫調節因子再生、合成及釋出作用的影響。
高氏柴胡藥用遠景不可限量
柴胡具有良好的保肝、抗炎、抗腎炎、抗過敏、抗胃潰瘍、抗癌、抗肝癌、抗氧化、調節內分泌及免疫活性等功效，而高氏柴胡的品質優於目前已知各品種柴胡。為因應我國加入世界貿易組織 (WTO) 後對農業的衝擊，將臺灣原生種優勢藥用保健植物高氏柴胡，充分開發成為高經濟作物，以突破外銷困境，增進農民實質利益；有必要整合學研單位與產業界，進行高氏柴胡相關生物活性研究與產品開發，培育本土特有的優勢藥用植物，使產品優質化。
此外，須進一步發展農業生物科技上中下游產業的標準化、國際化、科學化研發制度，積極開發各項生技產品，以成功進軍國際市場。再由農業生物科技的基礎，提升為新藥的研發，造福人類的健康。 |
惱人的腸病毒 | 民國八十七年，腸病毒大流行。共有四百零五個重症病例，造成七十八人死亡，其中又以五歲以下的幼兒，因為扺抗力較低，成為最容易發病的族群。從此之後，幼兒家長或幼教老師，只要說到腸病毒，無不人人自危。但腸病毒它究竟是什麼，有什麼本事讓人聞之色變？腸病毒其實是一種病毒的總稱，所以總共起來就是，將近七十種的腸病毒。腸病毒是因為，從喉嚨或是從腸胃道進入我們體內之後，它會在腸胃道一直複製繁殖，所以叫做腸病毒。但是並不是表示說，腸病毒的病患一定會拉肚子。再另外一個特性是它耐酸，所以吃到胃裡面雖然胃酸作用，它還是可以存活。不見得會拉肚子，卻可能引發致命的併發症，這樣一個厲害的病毒，結構卻很簡單。在電子顯徵鏡下，腸病毒家族大多是二十面體的病毒顆粒，中間有一個單股的核糖核酸，也就是 RNA。沒有會被溶化的外殼，所以常用來消毒的酒精也拿它沒輒。構造簡單，體積又小，對人體的影響卻是很大。經由飛沫，或是接觸傳染進入人體的腸病毒，會留在喉嚨以及腸道，繁殖一段時間之後，擴散到扁桃腺及淋巴結。沒有被免疫系統消滅的，就靠著它們過人的活性，入侵人體器官，而引發不同的症狀。例如：擴散到皮膚、口腔黏膜的手足口症，到呼吸道引發的氣管炎，到肝臟造成的肝壞死...... 等等。有的還會造成後遺症，不過目前醫學界，還沒發展出治療的特效藥。針對於腸病毒七十一型並沒有特效藥，所以還是得靠個人的衛生習慣跟健康習慣做起。那疫苗部分，我們已經知道小兒麻痺有疫苗，但是腸病毒七十一型的疫苗，還在實驗階段，所以其實目前並沒有特效藥，也沒有疫苗上市。沒有特效藥，也沒有預防針，除了加強幼兒的衛生習慣之外，大人更要注意。因為成人雖然不會發病，卻可能成為帶原者。對付看不見的病毒，就得全家總動員。 2007 年東森電視台《科學大解碼》第一期 |
微生物與健康產業:黴菌與健康 | 什麼是黴菌
黴菌的學名是「真菌」, 屬於微生物的一種，微生物依粒子大小與特性可分為 5 大類，分別是濾過性病毒、細菌、放射菌、真菌 (黴菌) 及藻類。現有文獻記載，已知的黴菌有 6~8 萬種之多。黴菌對於地球生態環境有淨化作用，在醫藥品及發酵食品的製造上也有其特定功能，對人體並非全然無益。但是，黴菌對食物、住宅、建築等造成的損害，不但影響美觀，也不衛生，人體更可能因此感染疾病或導致過敏。
黴菌產生分生孢子進行無性生殖的周期
黴菌的身體是由細長的細胞排成一列的菌絲組成，由菌絲分生出孢子，黴菌的顏色是由孢子或裝孢子的袋子顏色來決定的。組成菌絲的細胞，有的細胞和細胞間有分隔，如青黴菌、麴菌；有的細胞和細胞間沒有橫隔，如毛黴菌、水黴菌。黴菌屬於真核細胞，它們的進化階段比細菌高，由像管子一般的細胞組成。它們的細胞裡不含葉綠素，因此不能自己製造養分，必須附生在別的動植物，或其排泄物、遺體上面，靠分解這些物體來取得養分，是一種沒有根、莖或管系區分的原始植物，多數具絲狀構造。
黴菌的生長，一定要有可以取得營養、溫暖及潮濕 3 個條件。黴菌適合生長在氣溫攝氏 15~20 度，而且潮濕的地方。黴菌的孢子在空氣中飄浮著，隨時會附生到各種東西上。當生長的條件適合時，就會從孢子長出菌絲進行繁殖。
在橘子上面常因孢子掉落而長出毛黴菌
常見的黴菌
青黴菌 青黴菌常生長在麵包、皮革、果皮和衣類上，種類很多，約有一百五十多種。孢子呈青綠色，因此稱為青黴菌。青黴菌的孢子附在孢子梗上，呈串狀排列，稱分生孢子。青黴菌可以產生抗生去青黴素 (或稱盤尼西林), 是現代重要的藥物。
水黴菌 水黴菌附生於水中動植物的遺體上。種子或家蠅的遺體在污水中放置數日後，物體的周圍會長出狀似白棉絲的水黴菌絲。在池沼中，甚至也有附生在活魚身上，會侵害魚致死的水黴菌。
麴菌 和青黴菌類似，能產生分生孢子，只是孢子梗著生在漲大的菌絲頂端上。麴菌可用於製造各式醬類、醬油等。
毛黴菌 長在丟棄的食物上，形狀如頭髮一般。
培養皿中培養了不同種類顏色的黴菌
為什麼「黴」有問題
對食品的影響 食品中若產生微生物繁殖現象，食物成分便發生變化，喪失原有的形狀、顏色、味道等性質，發出異臭味或生成毒素，導致食品腐敗不能食用。
對建築物的影響 建築物會因為黴菌的作用使得材料變質、劣化、分解、腐蝕、崩壞而失去原有功能，形成微生物災害。
油漆、壁紙、木材、纖維、皮革類材料，玻璃如相機、顯微鏡的鏡頭都會產生黴菌。混凝土牆面常因水氣滲透產生壁癌。在下水道中，嫌氣性細菌會把水中的硫酸鹽分解為硫化氫，附著在下水道或污水處理廠的混凝土牆壁上方或水面附近。大氣中的好氣性細菌會把硫化氫轉變成硫酸，對建材造成腐蝕，日本就曾發生下水道遭腐蝕，導致道路下陷約 50 公分的事故。
一般認為塑膠不會腐壞，但實際上塑膠卻是黴菌的最愛。在住宅的浴室、粉刷壁面、磁磚縫隙、衣櫥背面、壁櫥內、衣服等，到處都會發霉。金屬類材質也會發霉，飛機的鋁合金製燃料箱就曾有因發霉而產生破洞的案例。
對人體的影響 潮濕的環境最容易使食物及物品發霉，居住在其中的人可能因吸入黴菌毒素，使呼吸系統受到影響，導致過敏或其他慢性病。黴菌引發人體病變分為感染、中毒及過敏 3 種，透過空氣中浮游菌、孢子或黴菌的代謝物，經由口或食物、接觸進入體內累積發病，嚴重者損害體內器官、神經功能，導致癌症。
家中的恐怖份子
黴菌是一種普遍存在於生活環境周遭的微生物，喜歡在溫暖潮濕的環境下生長。皮膚表面、指甲內或頭髮、生殖器等部位，都很容易受到黴菌的感染，再加上臺灣悶熱多雨的氣候，正適合讓黴菌大量繁殖，因此皮膚黴菌感染在臺灣是十分常見的疾病。感染皮膚的黴菌包括皮癬菌、皮屑芽苞菌、念珠菌等，其中又以皮癬菌最多。
報導之一：美國紐約的卡倫貝爾老太太從來沒想到，她所居住的公寓竟然差點奪走她的性命。15 年來，她一直住在同一間公寓裡，但身體和精神狀況變得愈來愈差，而且找不出病因。1998 年春天，她的體重掉了近 14 公斤，而且歷經 3 次休克，只能虛弱地躺在床上，且必須請護士在家看顧。當護士聞到臥室衣櫥裡一股強烈的發霉味道時，終於真相大白，原來是家裡高濃度的黴菌讓老太太產生中毒反應。
報導之二：從事飯店管理工作的尼克，曾經發現飯店內有嚴重漏水的情形，雖然目前已離職，但因長期吸入飯店中潮濕發霉的空氣，他的肺部纖維化，肺功能幾乎損失一半，且必須終身服用至少十多種藥物來維持生命。
近來，這些刊登在美國知名媒體《商業周刊》、《新聞周刊》的真實案例，讓許多人對平日輕忽的黴菌澈底改觀。
大雨過後，泡水的家具、車子或許可以維修處理，但是卻少有人注意到發霉的問題。事實上，發霉對身體健康造成的危害遠大於你的想像。因為造成發霉現象的黴菌，會釋放出過敏物質，引發過敏、氣喘，例如麴菌等會讓某些人產生頭痛、流鼻水、眼睛不舒服等類似感冒的過敏反應。有些黴菌本身有相當毒性，當累積到一定濃度時，便會對人體產生威脅。比方卡倫貝爾老太太的例子，不只是單純的過敏，而是一種對於毒物的反應。因此，美國環保署提出警告，黴菌可能造成潛在性的健康危害。
1999 年雪瑞 (David Sherris) 醫師在梅約醫學中心發表研究，93% 的慢性鼻竇炎感染患者是因為對黴菌過敏。臺灣的研究也發現，黴菌是造成中老年人過敏發作的主因，約占 37%。而且具傳染過敏能力的黴菌孢子 (種子) 體積微小，由空氣傳播，不僅容易飛散，且會隨著鼻腔、呼吸道到肺部停留。一些慢性疾病，如肺部疾病患者，特別容易因此造成感染，使病情加重。
黴菌的出現也會受氣候影響。多數黴菌孢子喜歡在乾燥多雲的氣候裡傳播，因此美國黴菌的高峰時間是在 7~10 月，冬天的寒冷會讓黴菌暫時消失一陣。但較溫暖的地區，四季都可見到黴菌的蹤跡，臺灣的氣候濕熱，從 3~12 月都是黴菌大量繁殖的季節。
值得慶幸的是，並不是每個人對黴菌都會有過敏反應。專家建議，如果你有查不出原因的頭痛、記憶喪失、注意力難以集中、不停咳嗽、流鼻水、呼吸困難、鼻子癢、慢性疲倦等情形，可以考慮到醫院做過敏試驗，看看是否對黴菌過敏。因為黴菌細小，一般濾網沒有辦法完全濾淨，因此最簡單的方式還是從防止黴菌生長下手。
食物和環境是誘發主因
臺灣氣候濕熱是適合黴菌生長的好環境，尤其是飄浮在空氣中的黴菌孢子或代謝物，易成為人類的過敏原，引發支氣管哮喘、蕁麻疹、過敏性鼻炎、結膜炎、腸胃炎、皮膚炎等過敏症。調查發現，10% 的過敏氣喘患者是黴菌過敏所引起的。近年來許多人的居家室內都使用溫濕度控制、冷暖氣調節，易導致居家密不透氣、通風不良，室內濕度維持在 70% 以上，如此的高濕度極易助長黴菌的繁殖。因此，臺灣具有過敏體質的人，極易產生各種過敏症狀，且有逐年上升的趨勢。
控制室內的濕度，是抑制室內環境黴菌及黴菌孢子生長的最有效途徑。清潔和保持乾燥，是解決黴菌問題的關鍵。下列的一些措施可供參考。
清潔時注意溫暖潮濕的地方，例如廚房、浴室等。特別留意冷氣機的出水口、水槽的排水孔、冰箱的底盤、浴缸等，是否有黴菌或漏水情形產生，通常黴菌可以靠嗅覺聞出來。辦公室的窗邊、牆壁、天花板、植物盆栽是黴菌容易藏匿的地方，清潔時要特別留意。牆壁上可見的黴菌孢子，可用海綿沾取稀釋過的漂白水擦拭，也可在溫水中滴一點白醋或檸檬汁，成為天然除霉劑。如有衣物、袋子遭黴菌污染，可在 1 加侖的熱水中，加入 1 小杯的檸檬汁和 1 小杯鹽巴，以布擦拭，可以清除霉污，記得要在通風的戶外清洗。
清潔時請打開窗戶及戴上手套或口罩，以免引起過敏反應。潮濕季節時，請使用空調和除濕機。家裡應保持良好通風，最好在廚房和浴室裝設通風扇。此外，維持室內濕度穩定，且最好保持在 40% 以下，以防止黴菌產生。如果清除後，黴菌仍然持續生長，表示可能有漏水的問題，要進一步檢查管線、天花板及地板，並請專人整修。對黴菌過敏的人，要注意如三溫暖、古董店、溫室花園、農場、工地、花店等場合。
黴菌感染在任何時候都會發生，尤其是對於免疫功能被嚴重削弱的人 (如正進行化療的病人), 一旦遭到黴菌感染可能非常嚴重。感染黴菌後要保持營養均衡的飲食，少喝酒 (因為酒會損害免疫系統)。唯有完好的皮膚、正常的免疫系統及必要的防護措施，才能夠防阻黴菌的入侵。在麵包、蛋糕上面常因孢子掉落而長出青黴菌 |
玻璃纖維與玻璃塑鋼–玻璃家族中的強者 | 如果有一天你到一家紡織廠去洽公，發現這家紡織廠的原料倉庫裡堆積的並不是棉花與羊毛，也不是苧麻與蠶絲，更不是尼龍與縲縈這些化學合成纖維，而是砂石、石灰石、蘇打等東西，你大概會懷疑走錯了地方。但是到生產現場一瞧，生產線上正在製造出一匹匹柔軟光亮的布，質地看起來像綢緞，但是這些布居然燒不起來，也不怕酸鹼的侵蝕，更不慮蟲咬。別懷疑，你沒走錯地方，這裏的確是一家紡織廠，只不過它不是傳統的紡織廠，而是大家比較陌生的「玻璃纖維紡織廠」。
用砂石製絲
這家紡織廠倉庫中堆積的砂石 (主要成分是二氧化矽，SiO2)、石灰石 (主要成分是碳酸鈣，CaCO3)、蘇打 (主要成分是碳酸鈉，Na2CO3), 正是製造玻璃的主要原料。把這些原料分別碾碎成粉末，並按一定比例混合後送入窯中加熱，溫度要加到足以熔化鋼鐵的攝氏 1,500 度，在此高溫下原料變成了透明有流動性的融漿。玻璃融漿可以拉伸成平板玻璃，也可以吹製成瓶罐容器，這些加工技術早已極為成熟，但是要把玻璃融漿製成極細極細的纖維，可就不那麼簡單了。
玻璃纖維到底有多細呢？如果把 50 公克的玻璃融漿拉成玻璃絲，會有一百公里長，可以將它從基隆拉到新竹，把上百根的玻璃纖維集在一起也沒有一根頭髮那麼粗。製造玻璃纖維的原料與一般玻璃並不完全一樣，除了相同的基本原料外，還要加入一些含有鋁、硼成分的化合物，以增強它的韌性與延展性。
這麼細的纖維製造方法大致如下：先根據性能要求的配方，將原料製成直徑約二厘米的玻璃小球，送入白金坩堝中再度熔為融漿。坩堝底上有上千個比針眼還要細小的孔，玻璃液順著孔流下就變成比蜘蛛絲還要細得多的玻璃絲，直徑在數微米至 20 微米之間 (微米即百萬分之一米，符號是 μm)。然後將絲束上油，並集束再送到高速旋轉的拉絲機捲繞筒上，拉伸而成為玻璃絲。
另外還有一種方法稱為直接法，不需要先製成玻璃球，可以直接把各種原料按組成比例同時投入窯中熔融，熔態玻璃經澄清後通過窯中的數十塊白金拉絲板的小孔流出，再按前述處理程序獲得玻璃絲。
通過白金拉絲板以機械拉絲方法拉製成很長的纖維，稱為連續玻璃纖維，俗稱長纖維。通過滾筒或氣流製成的非連續纖維，稱為定長玻璃纖維，俗稱短纖維。此外，如採用高壓蒸汽或壓縮空氣，噴吹剛從噴絲板小孔流出的玻璃流，將其吹拉成 12~38 厘米長度的絮狀、潔白無瑕、柔軟蓬鬆短纖維，稱為玻璃棉。玻璃纖維紡絲廠的廠房內明亮寧靜，沒有一般紡織廠紗錠旋轉的喧鬧與髒亂，玻璃絲與玻璃棉被送到織布廠加工，那裡跟普通的紡織廠差不多，只不過織出來的是玻璃布。
一種全新的材料
玻璃纖維的主要成分是二氧化矽、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等，根據玻璃中鹼含量的多少，可分為無鹼玻璃纖維 (氧化鈉 0~2%)、中鹼玻璃纖維 (氧化鈉 8~12%) 和高鹼玻璃纖維 (氧化鈉 13% 以上)。玻璃纖維的截面呈圓形，直徑在數微米至 20 微米之間，密度大約是 2. 4~2.7 公克 / 立方厘米。玻璃纖維極為強韌，抗拉強度大約是同樣粗細鋼絲的五倍，它所能承受的負載可達每平方厘米 70 公噸，一根手指頭粗細的玻璃纖維編織的繩子，可以把一輛十輪大卡車吊起來。
玻璃纖維能耐酸鹼的腐蝕，由它所織成的玻璃布在化工廠裡特別受歡迎。用玻璃布做的吸塵袋比棉布做的耐用二十多倍。以往在化學工廠中過濾腐蝕液的過濾布大半是用毛料做的，現今都已改用玻璃布了。
玻璃纖維屬於無機纖維，在化學性質上遠比有機纖維具有更好的耐熱性、耐濕性、不燃性、耐化學腐蝕性、抗霉、抗蛀、隔熱、隔音、電絕緣性等特點。在工業上，玻璃纖維主要當作過濾、防腐蝕、防潮、隔熱、隔音、絕緣、減震的材料。但是玻璃纖維有一個大缺點，就是性質較脆，耐磨性較差，為了補救此一缺點，可以用有機材料被覆在玻璃纖維外面，以提高其柔韌性，用來製成包裝布、窗紗、貼牆布、覆蓋布、防護服和絕緣、隔音材料等。
由於玻璃纖維可耐高溫，所以可拿玻璃布製成防火衣，這種防火衣看起來銀光閃閃，因為衣服表面噴鍍上一層鋁，以防熱的輻射。穿上這種防火衣，可以在幾百度的高溫下工作，隔熱效果不比石綿差，但穿起來輕巧的多。玻璃布的這項特質不止用在救火上，連太空人的衣服也有用塗了聚四氟乙烯的玻璃布製成的。玻璃棉的外觀柔軟輕盈、潔白如雪，是非常好的隔音、絕熱材料，冰箱、冷藏車、鍋爐都用得上它，甚至噴射飛機、太空梭都拿它當作隔熱材料。
玻璃纖維除有連續的長纖維和切成一定長度的短纖維供作織物用之外，為因應工業上的需要，近年來又發展出空心纖維、捲曲纖維、麻面纖維、表面塗層纖維等產品。在特殊用途上可做為有拈紗、無拈紗、膨體紗、混紡紗、染色紗、導電紗、股線、縫紉線、纜線、輪胎網線、氈片和各種織物製品。另外玻璃纖維還可做為材料的增強劑，用來製造強化塑膠、強化橡膠、強化石膏和強化水泥等製品。
在加工的過程中，要格外注意空氣中是否有懸浮的短玻璃纖維，以免吸入人體，造成傷害。
高竿的鳥人
你可能想像不到，在玻璃纖維的幫忙下，撐竿跳的世界紀錄居然提高近 30%。撐竿跳起始於一八六六年，運動選手使用的撐竿是木製的，當時的世界紀錄是 3.05 米。後來改用富有彈性且重量輕得多的竹竿，世界紀錄一下子就提高到 4.77 米，這是一九四二年的事。後來選手們又改用鋁合金桿代替竹竿，雖然鋁合金竿質輕而且牢固，可惜彈性不足，對撐竿跳的紀錄提升幫助不大，從一九四二年到一九五七年的 15 年間，撐竿跳高的世界紀錄僅僅提高一厘米而已。
運動員們都渴望能有一種又細、又圓、又有彈性、又勻稱、又結實，長度還得在五米以上的撐竿，要到哪兒去找呢？還好，就在大家為此一籌莫展的時候，化學家解決了這個難題。一九六○年代開始，有一種用新開發的材料製造的撐竿問世了，運動員靠著這種新竿子不斷地刷新世界紀錄。
在一九九四年的歐洲田賽場上，烏克蘭選手布波卡 (Sergey Bubka) 雙手緊握長長的撐竿，注視著前方不遠高高架起的橫桿，急速向前奔去，將撐竿準確地插入固定洞，猛然用力，身體騰空飛起。那長長的撐竿，被體重壓得彎曲下來，猶如一張拉彎的弓，剎那間，這根撐竿憑藉著優異的彈性，迅速地伸直，將布波卡穩穩地送過了 6.14 米高的橫桿，締造了新紀錄，這是目前撐竿跳的世界紀錄。製造這根竿子的材料是以玻璃纖維為原料的「玻璃纖維強化塑膠」(glass fiber reinforced plastics, GFRP), 俗稱「玻璃塑鋼」。
多用途的玻璃塑鋼
我們都知道水泥塊非常耐壓，鋼材十分耐拉，如果用鋼材當作筋骨，水泥砂石做為肌肉，讓它們凝結成一體，互相截長補短，就會變得非常的堅實，這就是最熟悉的建築材料鋼筋混凝土。運用同樣的原理，如果用玻璃纖維做為筋骨，用合成樹脂 (如酚醛樹脂、環氧樹脂、聚酯樹脂等) 做為肌肉，讓它們結合成一體，製成的材料，它的抗拉強度可與鋼材相媲美。
玻璃塑鋼是一項品種繁多、性能各異、用途廣泛的複合材料總稱，它是由合成樹脂和玻璃纖維，經複合工藝製作而成的一種功能性的新型材料。玻璃塑鋼除了具有重量輕、強韌度高、耐腐蝕、電絕緣性能好、導熱慢、熱絕緣性好、容易著色，以及能透過電磁波等特性外，與常用的金屬材料相比，它還具有以下的特點:
玻璃塑鋼可以根據不同的使用環境及特殊的性能要求而設計製作，只要選擇適宜的原料，基本上可以滿足各種不同用途對產品的性能要求。因此，玻璃塑鋼是一種可設計性高的材料。
玻璃塑鋼是一種節約能源型的材料。若採用手工糊製的方法，其成型的溫度一般在室溫下，因此成型製作所需能量很少。即使使用機械成型加工，例如模壓、纏繞、注射、噴射、擠拉等成型法，其成型溫度亦遠低於金屬材料及其他的非金屬材料。
玻璃塑鋼製作時可一次成型，與金屬材料不同。只要根據產品的設計，選擇合適的原材料鋪設方法和排列程式，就可以把玻璃塑鋼材料和結構一次完成，避免了金屬材料通常所需要的二次加工，故可降低能源與產品的物料消耗，減少人力浪費。
由此可知，與傳統的金屬材料及非金屬材料相比，玻璃塑鋼材料及其製品，具有強度高、性能好、節約能源、產品設計自由度大，以及產品使用適應性廣等特點。因此，在某些層面上來說，玻璃塑鋼材料是一種應用範圍極廣，開發前景極大的材料之一。玻璃塑鋼是近三十多年來發展迅速的一種複合材料，玻璃纖維產量的 70% 都被用來製造玻璃塑鋼。玻璃塑鋼堅韌質輕，噴射飛機用它做成油箱和管路，可減輕飛機重量。太空人身上背的微型氧氣瓶，也是用玻璃塑鋼製成的。
玻璃塑鋼加工容易，不銹不爛，不需油漆，廣泛用作小型汽艇、救生艇及遊艇的材料。化工廠也採用酚醛樹脂的玻璃塑鋼代替不銹鋼製作各種耐腐蝕設備，可以延長生產設備的壽命。玻璃塑鋼並非毫無缺點，若是經長時間的日光曝曬，會逐漸劣化變得易脆。曾經一度流行使用玻璃塑鋼為原料來製造水塔，由於水塔幾乎都放在戶外，日曬久了容易脆裂，如今都改用不銹鋼製的水塔了。
玻璃塑鋼沒有磁性，不會阻擋電磁波通過，用它來做飛彈的雷達罩，就好比給飛彈戴上了一副防護眼鏡，既不阻擋雷達的「視線」, 又有防護作用。現在有許多飛彈和地面雷達站的雷達罩都是用玻璃塑鋼製造的。
根據化學工業界三年前的粗略統計，玻璃塑鋼這種材料大約有 28% 用於造船工業、約 20% 用於建築工業、約 10% 用於化工耐腐蝕容器管路、約 10% 用於飛機製造工業，其餘用於車輛、機械和日用消費品方面。
玻璃塑鋼的成型方法有很多種，如噴射成型法、纖維纏繞法、模壓成型法、模塑膠成型法、拉擠成型方法等，這些都是專業的工藝知識，不在此贅述。最後，由一個例子來看看玻璃塑鋼的強度。
貯存液態氧氣一般都使用鋼瓶，需要能耐極高的壓力，它所承受的壓力要能達到 1.53 億公斤 / 平方公分。為了安全考量，製造時要求它能承受三倍的工作壓力，即達到 4.59 億公斤 / 平方公分不會爆裂才算合格。美國有一個工業安全檢驗機構曾測試一個用玻璃塑鋼製造的氧氣瓶，測出它能承受的壓力居然可達 7.14 億公斤 / 平方公分，可見它的堅韌程度，而它的重量不到鋼瓶的三分之一。
這個檢驗機構做了另一個測試，將另一個玻璃塑鋼氧氣瓶充氣到 1.53 億公斤 / 平方公分的工作壓力，從幾百米高的山頂推下山谷，一路碰撞著嶙峋的岩石，直到摔滾到谷底仍然沒有爆裂，順利地通過了品質鑑定的嚴苛測驗，可見它有多麼的堅實。 |
航空發展百年紀念:雛形設計的利器–電腦輔助工程軟體 | 時勢造英雄
近年來，由於國際的競爭及臺灣土地、人事成本的高漲，造成傳統產業競爭力逐漸衰退。為尋求轉型契機以創造另一波榮景，廠商除將人力密集的生產線遷往其他開發中國家，以求降低成本外，並積極學習歐美先進國家產業轉型的經驗，發展智能設計為主導的精緻化成品。至於競爭力較好的高科技產業，如電子、資訊及航太產業，為能在產品的精確度、可靠度及開發時效上滿足客戶的需求，以提供最好的服務，每家公司均不吝投入相當多的資金，設置研究發展中心或與相關學術機構合作。
在適應環境的轉型研發過程中，不論是傳統產業或高科技產業，均大量引進了電腦輔助工具，如電腦輔助設計、製造、工程分析與工業設計 (CAD/CAM/CAE/CAID) 及產品資料管理 (PDM) 等。
在軟體市場如此多元的需求下，相關電腦輔助軟體也如雨後春筍般地發展起來，若依產業特性來區分，這些電腦輔助設計、製造軟體可概分為：AutoCAD、Inventor、Unigraphics (機械製造業及鞋業)、I-DEAS (鞋業及汽車業)、CATIA (航太業及汽車業)、SolidWorks、Pro/Engineer (電子業及資訊業) 等。至於電腦輔助工程分析軟體則有：ANSYS (一般用途及電子封裝業) 及 PATRAN/NASTRAN (航太及土木業)。
其中 Pro/Engineer (Pro/E) 及 CATIA 二種軟體目前在臺灣擁有廣大的市場，此二軟體數年前即雀屏中選，成為國科會向校園及學術單位大力推廣的軟體。
電腦輔助軟體發展之初，以個人電腦 (PC) 為平臺的 AutoCAD 可謂獨占鰲頭。它的成功除軟體本身強大的二維繪圖功能外，並擁有多樣化的使用者親和介面 (user-friendly interface), 如圖像選單 (icon menu)、下拉式選單 (pull-down menu) 及對話式選單 (dialog menu) 等。
此外，AutoCAD 更提供了以 AutoLISP 及 ADSC 程式語言為主的開放架構，使用者可量身訂做適合自己公司產品的附屬指令，如此更鼓勵了一般軟體業者投入開發出繁多的 third party 軟體。所以 AutoCAD 持續風靡至今，使那些以工作站為平臺的高階電腦輔助軟體遠落於其後。其間具有 CAD/CAM/CAE 整合能力的三維高階軟體，如 Pro/E 及 Unigraphics (UG), 亦分別在新竹科學園區及臺中的中小企業發跡。
參數化的 Pro/E 軟體
Pro/E 原流行於美國加州矽谷的高科技電子產業，隨著臺灣竹科的興起，給予它另一個揮灑的舞臺。Pro/E 強調的是參數化的設計及資料管理，各相關檔案對同一特徵的更新會自動完成，增加了不少的方便性，缺點是一些未經深思熟慮的修改，常會造成特徵失敗的困擾。
與其他高階軟體一樣，Pro/E 功能相當完整，從零組件設計、組裝、基本機構模擬、工程圖、板金、開模、數值控制工具機製造 (可達到五軸加工)、基本模流分析 (外掛模組：Plastic Advisor)、基本工程分析 (外掛模組：Pro/Mechanica) 等一應俱全。若使用者需要更精確的工程分析資料時，可直接將相關幾何實體轉換成 ANSYS 規格的檔案，運用上極為便利。
然而初期的 Pro/E 使用者介面設計並不方便，需要鍵入大量的指令，至二○○一版仍以下拉式選單為其主幹，包含部分的對話式選單，只在草圖模組全面改為圖像選單，屬於較難學習的軟體，二○○三年最新的 Wildfire 版對此一缺點已有所改善。
自動化的模具設計軟體–UG
UG 是美國航太產業設計電腦化的先鋒，在法國達梭公司 (Dassault) 為設計幻象戰機 (Mirage) 而開發出 CATIA 軟體，並先後為波音 (Boeing) 及空中巴士 (Air Bus) 等國際航太製造公司採用後，UG 漸漸地退出航太市場，但在臺灣及大陸地區的精密模具業卻另有一片天。
相較於前述的 Pro/E,UG 強調的是智能引導模式 (knowledge based engineering), 主畫面也大量採用看似親和的圖像選單，並採用相當獨特的混合形式實體建模功能，亦即在建構實體時，除可直接叫用立方體、圓柱體等預設的基本三維實體外，並可依需求採用點座標輸入或草圖繪製輸入方式建構不規則形狀的實體。點座標輸入法類似於 AutoCAD, 草圖繪製輸入法則類似於 Pro/E, 然各有局限，使用起來都不很方便，操作者必須有很強的三維座標觀念才能得心應手。
不過 UG 倒是提供了非常自動化的模具精靈 (智能引導模式), 協助開模作業，使人印象深刻，或許這是許多模具業者採用此軟體的原因。
紛紛轉攻 PC 平臺
PC 硬體的繪圖功能，近幾年來拜龐大的遊戲軟體市場之賜，發展可謂一日千里，尤其成本更是大幅滑落，致使高階電腦輔助軟體，如 I-DEAS 及 CATIA 等紛紛轉移至 PC 平臺，形成市場群雄爭霸的局面。
以 I-DEAS 來說，是國科會最早以補助採購方式在校園中推廣的電腦輔助軟體，低廉的價錢著實吸引住校園師生的目光。為求時效，初期 PC 版的 I-DEAS 軟體，是以 Exceed 軟體模擬工作站環境方式直接轉植，因此操作畫面幾與工作站相同，卻也造成繪圖環境不如 Windows 方便與強大之憾，經完全改版以配合 Windows 的繪圖環境後得以改善。
較值得一提的是 I-DEAS 曾與 ADAM 高階機構分析軟體整合，大幅增加了模擬機構分析的精確及方便性。另外，I-DEAS 提供了一個自由度相當高的網點產生模組，可讓使用者單獨利用網點產生模組，做為其他工程分析軟體的前處理軟體。然以高階軟體而言，I-DEAS 的模組並不完備 (只有 CAD/CAM/CAE), 最近又與 UG 合併，因為其功能與 UG 重疊性非常高，所以定位較不明確。
另一個高階電腦輔助軟體 CATIA, 由工作站的 V4 版本轉植於 PC 平臺的 V5 版本，使用者介面設計得極為友善，操作自由度也非常大，讓學習者有事半功倍之感。此軟體經波音及空中巴士採用，並在 IBM 大力的行銷下，迅速在臺灣工業界占領了一席之地。
CATIA 的 V4 版便有極高的評價，包括的功能極為廣泛，除具備其他軟體所有的功能外，更增加了人因工程設計分析模組 (ergonomics design & analysis)、設備與系統模組 (equipment & systems) 及智能模組 (knowledgeware), 讓人看得眼花撩亂。尤其是強大的曲面設計功能，讓強調流線外型設計的漢翔航空、裕隆及中華汽車公司等飛機及汽、機車業者紛紛採納。但 CATIA 剛由工作站轉植於個人電腦時，品質極不穩定，且欠缺許多功能，所幸這些缺失現在已完全改正。
CATIA 較為人所詬病的是價位過高，動輒上百萬元的軟體成本，非一般中小企業所能負擔。所以法國達梭公司併購了年輕的 SolidWorks 後，便將開發 CATAI 的經驗及技術應用其中。SolidWorks 的工作介面設計極為精緻，使用者親善度堪稱一流，擁有 CAD/CAM/CAE/PDM 等功能，並可將 AutoCAD 等三視圖轉換成三維立體實體，更重要的是相對具競爭力的價格。因此在先占先贏的軟體市場習性下，SolidWorks 仍能以後起之秀的態勢抓住使用者的目光。
在 AutoCAD 坐失高階電腦輔助軟體市場之後，終於推出了所謂不受參數限制的「適應性架構」Inventor。這套 Inventor 無疑是三維電腦輔助設計及製造軟體的新生兒，與前述各軟體擁有類似的使用者介面，但缺乏全系列的支援軟體，因此還有很大的努力空間。
電腦輔助工程分析軟體
至於電腦輔助工程分析軟體的盛行，主要歸功於數值模擬方法的精進，如有限元素法 (finite element method)、有限差分法 (finite difference method) 及有限體積法 (finite volume method)。針對固態力學為主的市場，經十餘年的爭戰，最具代表的軟體為 ANSYS 及 NASTRAN, 兩者的計算能力在伯仲之間。
ANSYS 因具有類似 AutoCAD 的開放架構，讓使用者可自行撰寫程式，提升其方便性。另外，ANSYS 具有熱傳導分析功能，所以特別獲電子封裝等公司的青睞。它亦成功地以低價策略在校園中推廣，頗受學術單位的好評。
至於 NASTRAN, 則是早年受美國國家航空暨太空總署 (NASA) 支持而開發的產品，現在並搭配較方便的前處理軟體 PATRAN 而得以改頭換面，除航太業為其當然愛用者外，土木建築業亦多採用它做為結構的動、靜態設計與分析的參考。近來 NASTRAN 又納入了 ADAM 及 DYTRAN 等動態分析軟體，使其如虎添翼。
上述兩者承襲電腦輔助工程分析軟體一貫的缺點，即前處理介面不太友善，所以通常需利用 CATIA 或 Pro/E 等 CAD 模組協助模型的建構，再轉檔以進行數值分析工作，所以與前處理軟體的溝通變得至為重要。CATIA 本身功能完整 (包括基本的 CAE 功能), 因此與其他電腦輔助工程分析軟體的溝通上，只提供了 STL 及 IGES 等檔案規格，似乎不如 Pro/E 的選擇性多，相容性有待加強。
產業界與學術界的橋梁
在國科會深具前瞻性的推動下，近十餘年來校園電腦輔助軟體的提倡，成果相當豐碩。期間培育出許多熟悉電腦輔助工程技術的學生，他們步出校園後便可直接上線工作，相對縮減了產業界員工職前訓練的成本，同時，也引導學術界掌握到理論與實務串聯的工具，開創了與產業界共同合作研發新產品的契機，進而使電腦輔助軟體成為產業界與學術界溝通的橋梁。
相信臺灣的產業界，在積極運用電腦輔助科技投入研究發展下，必能突破世界經濟不景氣的困境，達到放眼全球，根留臺灣的理想。 |
航空發展百年紀念:飛行夢想的實踐者–萊特兄弟 | 一九○三年十二月十七日，萊特兄弟製造出世界上第一架比空氣重並且可以載人的動力飛行器。當天早上十點三十五分在北卡羅萊納州的吉特赫克小鎮 (Kitty Hawk), 由 29 歲的奧維爾。萊特 (Orville Wright) 成功地駕駛起飛，雖然只短暫地在 12 秒內飛行了 37 公尺，卻實現了人類飛行的夢想，從此改變了全世界。
飛行夢想的起源
韋爾伯。萊特 (Wilbur Wright) 於一八六七年四月在美國的印第安那州出生。四年後，奧維爾。萊特 (Orville Wright) 誕生在俄亥俄州迪頓鎮。他們兄弟從小跟平常孩童一樣上學，偶爾也會翹課，也會打工賺取零用錢。他們的母親是個手藝非常靈巧的人，家中大小事皆由她包辦，並且常幫這對兄弟製作玩具。父親是一位牧師，平時教育採用誘導的方式，讓他們儘量發揮自己的才能，並鼓勵他們追求自己的興趣。
一八七八年的某一天，父親帶回來一件禮物，他在這對兄弟面前把這件禮物拋向空中，它竟然自行飛上天花板，兄弟倆頓時被這小東西迷住。其實當時父親帶回的只是一個直升機模型的玩具，類似中國的「竹蜻蜓」。不過萊特兄弟所玩的是當時最新型的，以橡皮筋為飛行動力的玩具，只要上緊橡皮筋，鬆開手後，就可自行飛行。之後，兄弟倆不斷地練習把玩這件玩具，直到壞掉才罷手。從此他們對飛行產生了興趣，一次又一次地複製這種飛行玩具，甚至放大尺寸，重新設計，儘管不能夠飛，飛行的夢想卻已深刻地印在他們的腦海中。
一八九○年，奧維爾從學校畢業後，萊特兄弟決定開創自己的事業。當時，自行車風潮席捲整個歐洲及北美洲，成為流行風尚，因此，他們決定開設自行車公司。剛開始只是買賣自行車，隨後增加了維修的服務。直到一八九五年，兄弟倆開始自行設計與製造自行車，在過程中他們展現出機械的天分，創造了一種可以讓輪軸自行上油並靠著內燃機產生動力的方式，使得他們所製造的自行車，獲得很好的評價。
直到一八九六年，他們被一種新發明所吸引，決定放棄自行車的事業，因為聽說在德國有一位工程師發展出一種飛行器並嘗試飛行，頓時又重燃起他們對飛行的熱情。
最偉大的先驅者–李理恩梭
十九世紀時，德國有一位專門研究大氣飛行的工程師，名叫李理恩梭 (Otto Lilienthal), 當他是小男孩時，就很喜歡研究鳥類的飛行，曾嘗試用木製的滑翔翼飛行，並在一八八九年出版一些有關飛行的書。他認為鳥類能夠飛行，決定於翅膀的形狀而非長度，因為他發現鳥類的翅膀並非扁平面，而是一個弧形面，能夠上升飛行的關鍵就在於上方的翼面較下方的翼面略為拱起，若人類能夠仿造相同的形狀做成機翼，則所做出的飛機必定能夠飛行。
為什麼會造成升力？其實這就是物理學上所稱的柏努利定律 (Bernoulli's Principle)。因為機翼的翼面形狀特殊，上翼面的長度較下翼面長，當氣流通過翼面時，會分成兩道氣流，一道從上翼面流過，另一道自下翼面流過，最後會同時到機翼末端會合。由於氣流在同一時間走完不同的長度，因此上翼面的氣流流動速度比較快，作用在上機翼面的壓力變得較小，結果使得在機翼下方產生了向上的推力，因而機翼往上推升。
雖然李理恩梭了解升力的原理，但也發現在飛機上還另有一種力存在，即阻力。阻力主要是飛機在飛行時與空氣摩擦所產生的，飛機飛得越快阻力越大。為了解這兩種影響飛行的力量，李理恩梭不斷地在實驗室研究，並且製作出滑翔機做為飛行的測試器，有時還親自爬上自製的滑翔機上，不斷地試飛，漸漸地越飛越遠，有時更達幾百公尺，這時他研究飛行的名聲已遠播至美國了。
一八九六年夏天，李理恩梭在一次滑翔飛行中，遭遇到突如其來的狂風，他試著移動身體以保持飛機的平衡，不幸卻從約 15 公尺高的空中墜落而過世。當時遠在美國的萊特兄弟知道了李理恩梭的死訊，以及他對飛行熱忱的報導，深受震驚和感動，便決定延續李理恩梭的飛行研究，並尊稱他為最偉大的先驅者 (The Greatest of The Precursors)。
萊特兄弟的飛行研究
為了研究人類飛行，萊特兄弟開始蒐集有關飛行的資料。他們認為，世界上存在著很多會飛的生物，如昆蟲、蝙蝠或鳥類等，人們應好好地研究它們如何飛行。但在所居住的小鎮上無法找到有關鳥類或人類飛行的書籍。
一八九九年，韋爾伯寫信給華盛頓的史密森協會，向他們尋求有關飛行研究的資料。之後，史密森協會寄來了一些資料，其中有許多是發表在飛行刊物上的文章，和建議閱讀的書籍清單。萊特兄弟趁著自行車公司生意較清淡時，閱讀史密森協會所提供的文章和書籍，結果兩人發現，當時世界上還沒有人成功地探討過控制飛行器的基本要素與方法。
因此，他們分析閱讀的內容，並且融會貫通書中的理論，領悟出要創造一架成功的飛行器必須具備三個基本要素：結構體必須能產生升力、推力，以及能控制飛機的平衡。其實當時前面兩個基本要素的理論已經證實了，如李理恩梭對飛行的研究，他所設計的機翼結構，就具有產生最好升力的效果。另外一位美籍學者藍格利 (Samuel P. Langely) 也對飛行機械有所研究，曾經製造過蒸氣動力飛機，飛越過約四公尺寬的小河，也已找到產生推力的基本要素。
最後一個基本要素：如何控制飛機的平衡？就成為他們兄弟最大的問題。在他們之前，很多研究者認為飛機是一個非常穩定的飛行器，只是無法承受突然的狂風，就像李理恩梭的滑翔機一樣，以致發生事故死亡。但萊特兄弟卻不認為如此，他們以自行車為例子，認為自行車本身是不穩定的，但是經過人們不斷地練習控制，就可以變成一種安全的交通工具；飛機與自行車一樣是屬於不穩定的，但是透過駕駛員的控制就可以達到平衡。然而如何達成呢？萊特兄弟為這個問題困擾了很久。
有一天，韋爾伯單獨在自行車店裡，當時他拿出一個裝有車輪內胎的盒子，漫不經心地把玩著，並且試著扭轉盒子兩端，這時又想起以前觀察兀鷹飛翔的方法，當兀鷹在空中飛翔要改變方向時，就使翅膀的翼端彎曲。就像那裝有內胎的盒子一樣，同時以不同方向旋轉兩端，使得盒子兩端彎曲，某一時刻他可以看到盒子的左上角和右下角，換一個方向他可以看到盒子的左下角和右上角。現在他了解如果滑翔機的機翼能夠隨著風彎曲或扭曲，或許就有辦法達到平衡了。
同年夏天，萊特兄弟製造了一架雙層機翼的風箏，橫向約有 1.5 公尺，並像放風箏一樣綁在繩子上進行試飛，風箏雙翼的兩端翼尖可以各自上下扭動，就像裝有內胎盒子的兩端一般。當時他們自創飛機兩端翹曲的翼尖，就像現代飛機的副翼，可以用來改變機翼的角度，使飛機穩定，調節平衡並控制飛機的飛行。
經過風箏試飛的成功，鼓舞了萊特兄弟的士氣。在一九○○年，他們製造了第一架雙翼滑翔機，機翼長約五公尺，這架滑翔機並沒有尾翼，而是使用可以控制升降的水平翼面，安裝在機翼的前端，用以控制飛機機首的上下。同年十月，開始進行載人的飛行試驗，經過多次的飛行練習後，他們成功地用水平升降舵控制，讓飛行員輕易地降落滑翔機。
一九○一年，萊特兄弟設計了一架更為龐大的雙翼滑翔機，機翼長約七公尺，並提升翼面的面積為以前的兩倍，他們期待比以前飛得更好更遠。有一次，由韋爾伯駕駛飛行了 12 公尺遠，試圖轉變方向時，滑翔機失去了控制，經過迅速調整後，才幸運地平安降落。
問題似乎出在滑翔機的機翼，他們製造的滑翔機是承襲李理恩梭的設計，他們發覺機翼彎曲的角度不對，於是改變了原先的設計，不過卻又發現更多的問題，這些問題似乎在短時間內無法解決。他們開始懷疑，李理恩梭的設計及所參考航空動力的資料是否有錯誤？最後，他們決定自行研究與測試。
萊特兄弟知道，要做機翼的研究與測試並不需要建造一架真正的滑翔機，只要建造縮小的機翼模型來做測試，就可以獲得足夠的資料。一九○一年，他們利用風扇產生氣流，完成了世界上第一個風洞，他們用不同種類、形狀的翼面，甚至大小不同、厚薄不同、單雙層翼等方式進行機翼的測試。最後從一大堆的數據中，他們終於得到答案，確定以前的飛行資料並不正確。
一九○二年，萊特兄弟建造完成他們的第三架滑翔機，是當時最大的雙翼滑翔機，配備有控制飛機升降的前翼升降舵，和可以用來控制機身搖晃的翹曲翼尖，機尾還增加了可以控制飛機轉向的垂直尾翼。同年八月，他們開始針對第三號滑翔機進行上千次的試飛，最高曾創下在 26 秒，航程達 190 公尺的紀錄，整個飛行過程皆是由自己操作控制，像鳥兒一樣自由地飛翔，接下來他們所需要的是一架配備有發動機的滑翔機。
動力飛行的紀元
滑翔機試飛成功後，若能再取得發動機，進入動力飛行的階段，一架真正的飛機才能誕生。剛開始，萊特兄弟認為取得發動機應該非常簡單，只要跟製造引擎的公司，如海軍的船艦、蒸氣火車、及汽車等製造公司購買即可，但皆不如所願。因為他們的需求是一部具有八匹馬力，且不超過 90 公斤的發動機，所有接觸過的公司都無法滿足他們的需求，也沒有人願意為他們特別製作，使得他們的心情跌入谷底。
因此，他們決定自行製作，由奧維爾進行設計，並請自行車公司內的一位技師製作，在短短的六星期內就造好並完成測試。這部發動機比當初他們預期的效能還好，具有 12 匹馬力，重量約 80 公斤。
但另外一個問題又困擾著萊特兄弟，就是螺旋槳的設計，他們計劃模仿當時船舶的螺旋槳，因此翻遍了所有圖書館文獻，依照書上所寫的資料設計螺旋槳，但經過多次的試驗都失敗了。
在分析原因後，卻發現了一些以前從來沒有人提過的理論，他們發現螺旋漿就如同以旋轉方式運動的機翼，旋轉時可以促使飛機往前飛。但是設計一個螺旋槳必須考慮很多複雜的因素，如螺旋槳旋轉的速度、葉片的角度、飛機前進的速度、風速等等，彼此互相關聯，只要其中一個因素改變，其他的隨即改變。經過三個月的研究，萊特兄弟把這些問題都克服了。
一九○三年，萊特兄弟創造了他們的「飛行者一號」飛機，這並不是把一九○二年的滑翔機改裝成具有動力的成品而已，而是一架全新的飛行機器。它的翼長是 12 公尺，總重量約 270 公斤，並具有 12 匹馬力的發動機和兩個木製螺旋槳，由自行車的鏈條連接帶動。
由於天氣惡劣，萊特兄弟直到十二月十四日才能試飛他們的新飛機，他們以擲銅板的方式，決定誰先試飛。韋爾伯贏了，他爬入位於下機翼的駕駛座，但是由於起飛瞬間速度太快，飛機越飛越高，突然間失去控制，一頭栽進了沙堆裡。這次的試飛雖然只維持了三秒半，但萊特兄弟仍深具信心，因為他們知道只要再稍微注意及練習，就可以使飛機飛起來。
「飛行者一號」經過修復後，十二月十七日又是一個好天氣，這次輪由奧維爾駕駛，現場並有五個救護人員觀看他們的試飛。發動機啟動後，奧維爾與他哥哥握手，便爬入駕駛座，於當日早上十點三十五分成功地起飛，隨後在 12 秒內飛行了 37 公尺，創下了世界上第一次靠飛機自身的動力，並由飛行員自己操作與控制的飛行紀錄。當天共進行了四次試飛，最好的一次是在 59 秒內飛行了約 260 公尺。
由於一百年前萊特兄弟對於飛行夢想的執著，使得現代人們可以利用飛機快速地穿梭於世界各地，出國旅遊、傳遞訊息、及運送貨物等多項功能，帶動了全世界的經濟。不過，很多國家利用飛機做為武器，尤其是兩次世界大戰期間，飛機成了殺人武器，造成人類大量的傷亡。無論如何，現代人類飛行天際，或翱翔太空的夢想得以實現，都要歸功於萊特兄弟偉大的發明。
萊特兄弟年表
1867 年 4 月 16 日：韋爾伯。萊特 (Wilbur Wright) 出生在美國印第安那州。
1871 年 8 月 1 日：奧維爾。萊特 (Orville Wright) 誕生在美國俄亥俄州。
1878 年：萊特兄弟第一次收到父親送的飛行玩具，開啟他們的飛行夢想。
1892 年：萊特兄弟自行創業開設自行車公司，展現出他們機械方面的才能。
1899 年：韋爾伯為研究飛行，寫信給史密森協會，並獲得一些資料，研究之後就開始他們的飛行生涯。
1899 年：萊特兄弟製作一架 1.5 公尺翼寬，類似風箏的雙翼滑翔機，並像放風箏一樣進行試飛。後來發明了翹曲的翼尖，用來改變機翼的角度，就像現代的副翼一樣，穩定調節飛行。
1900 年：萊特兄弟製作第一架大型的滑翔機，翼長約五公尺，並加裝前翼升降舵，以控制飛機上下，首次進行有飛行員駕駛的試飛。
1901 年：萊特兄弟建造第二架大型的滑翔機，翼長約七公尺，並提升機翼的面積為第一架的兩倍，但在第二次試飛時失敗。
1901 年：萊特兄弟為研究飛機及得到正確的飛行資料，發明了風洞進行機翼測試。
1902 年：萊特兄弟以風洞的測試結果與前兩架滑翔機的經驗，建造第三架滑翔機，是當時最大的雙翼滑翔機，並在機尾加裝垂直尾翼，以防止轉向時發生翻轉，並進行上千次的試飛。
1903 年：建造「飛行者 1 號」飛機，十二月十七日的飛行，創造出歷史上第一次配備有動力裝置的飛行器，由飛行員操作控制、自行起飛且成功持久的飛行紀錄。
1904-05 年：萊特兄弟相繼製造「飛行者 2 號」及「飛行者 3 號」飛機，其中「飛行者 3 號」創下連續飛行 38 分鐘，航程達 38 公里的新紀錄。
1909 年：萊特兄弟建立並一起經營「萊特飛機公司」, 測試飛機，訓練飛行員，參加飛行展示，激發並延續人們對飛行的狂熱。
1910 年：萊特飛機公司飛行員受雇於俄亥俄州百貨公司，從事世界第一次航空快遞。
1912 年：韋爾伯死於傷寒，享年 45 歲。
1913 年：奧維爾繼續經營他們的飛機公司。
1948 年：奧維爾在一月逝世，享年 76 歲。在他去世前，歷經了兩次世界大戰，目睹飛機成為殺人武器，更成為載運原子彈的幫兇。 |
熱力學:高熵合金 | 傳統合金的合金概念
自古以來，金屬材料的發展對人類文明有著極大的影響，人類由石器時代進入銅器時代再進入鐵器時代，幾千年來一直把金銀銅鐵錫等五金當作飾品、器具、工具、武器的主體材料。工業革命後，尤其是近百年來，人類所開發的合金系統有如雨後春筍，技術更是突飛猛進，不但造就了今天工商發達的局面，並使我們的生活水準大幅提升。
例如鋁金屬一直到一八五五年才由法國人還原獲得，而鋁合金則在十九世紀末才開始發展。人類利用它輕量化、高反光、耐大氣腐蝕及高導電率等特性，大量應用在交通工具、運動器材、建築門窗、欄杆、電纜線、易開罐等上面，年用量從一九六○年代即超越銅成為僅次於鋼的金屬材料。
至於超合金在一九三○年代開始發展，不但使飛機噴射引擎得以實現，推進力及效能更不斷提高。若缺乏這些金屬的開發，我們可能還停留在農業社會，無法向前邁進。
整體而言，人類已開發使用的實用合金共有三十餘種系統，每一系統皆以一種金屬元素為主，隨著添加不同的元素而產生不同的合金。例如鋁合金以鋁為主，加入微量的鎂及矽，可得容易擠型且具有中等強度的鋁門窗材料；若加入適量的鋅、鎂、銅元素，則成高強度鋁合金，可用於飛機、太空船結構體；而鋼鐵材料以鐵為主，加入碳得到碳鋼，碳越多強度越高，當碳含量超過重量百分比 2% 時，就成為鑄造性良好的鑄鐵；另若加入鎳、鉻、鉬、釩等元素，可得性能不同的合金鋼。
到現在為止，傳統合金的配方仍不脫離以「一個金屬元素為主」的觀念，人類依此觀念配製不同合金，施以不同的製造加工程序，得到不同的材質，進而應用到不同的地方，都是在這個框架下運轉及收成。
高熵合金的出現
我們不禁要問，上帝是否只給我們三十餘種有用的合金系統呢？答案是否定的，研究人員發現我們擁有更多未開發的處女地，七年前有些學者率先跳出了傳統合金的框框，提出新的合金設計理念，即 「多元高熵合金」, 並進行研究而累積了不少成果，證實這個處女地不但是一個可合成、可加工、可分析、可應用的新合金世界，也是一個具有學術研究及工業發展潛力的豐富寶藏。
所謂「多元高熵合金」, 或稱「多元高亂度合金」, 就是多種主要元素的合金，其中每個主要元素都具有高的原子百分比，但不超過 35%, 因此沒有一個元素能占有 50% 以上，足以擔任老大哥的角色，也就是說這種合金是由多種元素集體領導而表現其特色。為了與傳統合金有明顯的區隔，且充分發揮多元素高亂度的效應，學者定義了高熵合金的主要元素數目 n≧5。
高熵合金與傳統合金熵的比較
混合熵對於高熵合金而言，著實扮演一個十分重要的角色，熵 (entropy) 是熱力學上代表亂度的一個參數，一個系統的亂度愈大，熵就愈大。我們的宇宙是一個很有名的系統，隨著時間增長，它的亂度越大，熵也愈大。
如果將 25 個白球及 25 個紅球分開排列，所得排列法只有一種，混合熵是 0 ; 如果採混亂的方式混在一起，則共有 w = 50!/(25!25!) 種排列，也就是混亂度是 1.26 x 1014。在熱力學裡計算混合熵的公式是 △S = klnw, 代入此式得到混合熵是 32.47k, 其中 k 是波茲曼常數 3.299 × 10-24 卡 /(K・分子)。如果我們把原子代替球，那麼 25 個 A 原子與 25 個 B 原子混合排列後的混合熵也是 32.47k。
但是當原子數目很大時，例如將 0.5 莫耳的 A 原子與 0.5 莫耳的 B 原子混合，其排列數是 w = N! /〔(0.5N)!(0.5N)!〕, 其中 N = 6.02 × 1023, 這確實是一個很大的數目。幸好我們代入上述公式後，可以採用近似法加以簡化，得到混合熵是 Nkln2 或 Rln2, 其中 R = Nk 是氣體常數 1.987 卡 / K・莫耳。同理，如果有 n 種原子混合，則每莫耳的混合熵是 Rln (n), 由此可了解元素數目增加，混合熵愈大。
由於兩個元素等莫耳合金的混合熵是每莫耳 Rln2 = 0.693R, 所以以一個元素為主的傳統合金，其混合熵應約小於每莫耳 0.693R; 而 5 個元素等莫耳合金的混合熵是每莫耳 1.61R, 所以高熵合金應約大於每莫耳 1.61R。一個物質系統的熵，除混合熵外還有原子振動組態、電子組態、磁矩組態等因為排列亂度所貢獻的熵，但對於合金而言，這些混合熵較原子的排列混合熵小，所以本文對高熵合金混合熵的計算以原子排列的混合熵為主。
基於以上估算，我們可以將合金世界以混合熵來區分，傳統合金屬於低熵合金的範疇，中熵合金則介於高熵合金與低熵合金之間，此範疇主要是指主元素的個數約為 2~4。上述定義雖然使用 0.69R 及 1.61R 作為界線，但實際上只能視為大約的界線，因為此界線值的計算畢竟是採等莫耳比的合金。
高熵是高熵合金的關鍵特色，因為高熵不但有助於「高熵合金微結構的簡化，而且使微結構傾向於奈米化及非晶質化」, 此一結果使得高熵合金具有更大的應用潛力。另一方面，中熵合金因熵不夠高，反而使微結構複雜化，性質傾向脆化，以致缺乏應用潛力。學者們認為中熵合金不成功的經驗是人類未能往更多元合金發展的主要障礙。
高熵合金範圍廣闊
在新合金觀念下高熵合金系統無以計數，遠超過傳統合金，例如從周期表 103 個元素中的 80 個金屬元素中，取 13 種有用的金屬元素配製成五元、六元、七元、八元、九元、十元、十一元、十二元、十三元合金，將可獲得 7,099 種合金系統。對於每一種合金系統我們可設計成簡單的等莫耳比合金，例如 CuCoNiCrAlFe 即為六元等莫耳比合金，也可設計非等莫耳比合金如 CuCo0.5Ni1.2CrAlFe1.5, 當然也可以添加次要元素改良材質，如 CuCo0.5Ni1.2CrAlFe1.5Ag0.02B0.1C0.15。
由此可見，高熵合金的合金系統數目是傳統合金系統的許多倍。如果像傳統的 30 個合金系統一樣來研究高熵合金，包括相、微結構鑑定，相圖、熱力學分析，物理、化學、機械等性質測定，製程、應用開發及各種原理機制探討等，人類顯然須花上更長的時間來了解。
高熵的效應
以往材料界未朝更多主元素的合金發展的原因可能有二：1. 傳統合金觀念尚有發展空間，缺乏突破舊觀念的動力；2. 由傳統合金的經驗使人誤以為多個主元素合金會產生多種金屬化合物，不但難以分析而且材質變脆，缺乏應用性。
然而學者們對高熵合金的研究發現並非如此，因為金屬元素多時，高熵效應反而會促進元素間的混合，混合成體心立方結晶或面心立方結晶或非晶質，而抑制脆性的金屬化合物的形成。
由於相及微結構的可鑑定性及單純性對合金的了解及研究發展極為重要，故高熵合金如同傳統合金一樣，是一個可分析可了解的合金領域，這是何其幸運的事。
亂中有序及奈米化結構
多個主元素傾向混亂排列，但它們仍可相約排成簡單的結晶，因為沒有人用過如此多種主元素做出單純的晶體結構，所以這一發現前所未見。由於原子大小差異會造成晶格扭曲，嚴重時就無法亂中有序，而進一步成為非晶質狀態。
奈米析出的現象是高熵合金重要的特色，藉由微結構奈米化可增進許多力學、電化學及物理性能。至於奈米化的傾向，則可由動力學理論加以解釋。簡言之，當高熵合金熔解時，所含元素混亂排列成為液體，凝固為固相後，因涉及多元素的擴散及重分配，將延後析出物的成核及成長，而有利於奈米相的形成。
對於快速凝固或真空鍍膜而言，高熵合金更能展現奈米化，甚至於非晶化的傾向。
豐富的應用潛力
高熵合金擁有許多特性，透過適當的合金配方設計，可獲得高硬度、高加工硬化、耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐腐蝕、高電阻率等特性組合，其特性優於傳統合金，且應用層面多采多姿，如：高硬度且耐磨耐溫耐蝕的工具、模具、刀具；高爾夫球頭打擊面、油壓氣壓桿、鋼管及輥壓筒的硬面；高頻變壓器、馬達的磁心、磁屏蔽、磁頭、磁碟、磁光碟、高頻軟磁薄膜以及喇叭；化學工廠、船艦的耐蝕高強度材料；渦輪葉片、焊接材料、熱交換器及高溫爐的材料；超高大樓的耐火骨架；和微機電材料等。
高熵世界的未來
高熵合金是傳統合金之外的新合金世界，因為屬於多個主元素的組成，所以其合金系統數目遠超過傳統合金。由於高熵的效應，高熵合金微結構的相趨於簡化，又由於多種元素原子，故不易有效地擴散，使得固相的結晶及析出呈奈米化且熱穩定性良好。
高熵合金是一個可合成、可加工、可分析、可應用的合金新世界，不但多采多姿，而且具有學術研究及工業發展的豐富潛力。
二十世紀末傳統合金研究已接近成熟及飽和狀態，我們很難再創造新的合金系統，或在舊的合金系統中創出新的合金，高熵合金為二十一世紀提供一個嶄新且長久的研究領域，讓大家進一步發掘及應用。 |
日地物理與太空天氣 | 地球上孕育了各種生命，多采多姿令人目不暇給，而太陽則是這一切動力的源頭。我們知道地球、其他行星與太陽之間有著萬有引力的維繫，也留意到太陽的升起與落下，感覺它似乎永恆地在天際帶給我們安定的溫暖和光明，如諺語所言–太陽底下無新鮮事。卻很少人知道太陽是活躍的、富變化的，在它的內部和表面存在許多另人稱奇的物理現象。而太陽與地球及行星交互作用的複雜與繽紛更令太空科學家忙於探討其中的奧祕。
可敬的太陽
太陽系形成的時候，幾乎 99% 的質量都被太陽所吸附，剩下 1% 的物質形成了九大行星以及其衛星、小行星和彗星等。它的直徑相當於一百個地球的大小，表面溫度平均約攝氏六千度，中心溫度更高達約攝氏一千六百萬度。太陽內部壓力大約是二千五百億倍的大氣壓力，主要組成的成分是氫與氦，還有少量的碳、鐵、氧等重元素。在這種壓力和溫度的條件下，太陽點燃了「核融合」反應，使得整個太陽系有了光與熱，地球上才能孕育出如此蓬勃的生命。
自從太陽點燃以來，已經歷約五十億年，如果沒有任何意外，它還會繼續發光發熱約五十億年，太陽每秒向四周輻射出的光與熱能，就足足可以供全美國用上九萬年，這麼龐大的能量，我們目前能加以利用的，卻是少之又少。
太陽的威力不只是如上所述，事實上在地面上進行太陽的觀測，只能讓我們看到部分的太陽物理現象，直到一九五七年衛星進入太空，人類正式進入太空紀元之後，我們對於太陽以及它對地球的太空環境影響、日地物理及太陽系物理，才有了較全面的認識。而隨著科技的發展，太陽上的活動已直接或間接地影響到現代文明人的生活了。
著名的太空天氣事件
一八五九年，全世界剛發展起來的電報通訊業務受到強烈太陽風暴侵襲，完全中斷。連平常只在高緯度地區出現的極光，居然也出現在位於北迴歸線附近的古巴、夏威夷等地。而發生在一百年之後的太陽風暴亦相當著名，當年紐約地區曾出現壯觀的極光秀。
一九八九年三月的太陽風暴，導致加拿大魁北克大停電，而一九九八年五月的一場太陽風暴，則是讓許多國家的衛星受損，摩托羅拉 (Motorola) 更是失去四個通訊衛星，損失慘重。
二○○一年三月，地球籠罩在極度惡劣的太空天候中長達六個星期，除了嚴重影響地面上的通訊、電力系統、飛機航班等外，因為太陽風暴所帶來的高能帶電粒子能穿透太空人身上的太空衣及損毀電子系統，造成執行太空站上的任務與火星探測計畫的困擾，而其他的太空計畫亦受到這次風暴影響而延期或是暫時取消。
二○○三年十月，美國太空環境中心密切監控太空天氣的發展並提出警告，全世界各大媒體也報導強烈太陽風暴來襲的消息。在此事件中，日本有兩顆衛星受損。
由以上的例子可以看出，太陽對於地球的影響可是不可小覷的。然而，太陽進行著這樣的活動，已有數十億年，只是到了科技發達的現代，人類才意識到它對我們有多重大的影響。
太陽黑子
自古以來，地球上的人們對於每天和我們息息相關的日月星辰等變化觀察入微。中國四千年前即對太陽進行觀測，記錄日食的發生。西元前二十八年也對太陽黑子有所記載，當時把太陽黑子稱之為「金烏」, 因為古人認為太陽裡面住著烏鴉，才會有黑點產生。西方世界則一直到了一一二八年才由英國傳教士伍西斯特 (Wocester) 畫下第一張太陽黑子的草圖。此時人類對於太陽的觀察都還維持在用肉眼觀測的階段，然而由於太陽亮度無法用眼睛直視，因此觀察時都選在清晨或是傍晚才能一睹其面貌。一六一一年時伽利略 (Galileo Galilei) 利用望遠鏡觀察太陽，並認為太陽黑子是太陽上的烏雲所造成。
直到一七四九年，天文臺開始每天記錄太陽黑子的數目，而一百年後，全世界終於建立起觀測網，有系統地對太陽黑子進行觀測。一八四三年英國人史瓦貝 (Heinrich Schwabe) 透過觀測數據的分析，發現太陽黑子具有 11 年的周期變化，在高峰期的時候，太陽黑子每個月可多達兩百顆，但在低峰期就只剩下十幾顆，有很大的差異。太陽黑子為什麼會是黑色的呢？主要是黑子的溫度和太陽表面的六千度比起來低很多，約只有四千度，因此看起來呈現暗黑色。而太陽黑子所出現的區域，雖然溫度較低，卻是太陽磁場超強的地方。我們現在知道，太陽黑子與太陽上猛烈的爆發活動–所謂的太陽風暴有很密切的關係。
來自太陽的「氣息」–太陽風
長久以來，我們一直認為太空即是真空，但其實太陽除了發出光與熱外，也對外噴出大量帶電物質，稱之為「太陽風」。太陽雖然每分鐘有數百萬噸的噴發物，但是在廣大的太空中，卻顯得非常稀薄，但不是絕對真空。如果我們把太陽風當成太陽呼的一口氣，那麼太陽的肺活量可以說相當驚人。科學家把從太陽到地球的平均距離 (約一億五千萬公里) 叫做一個天文單位，而太陽風卻可以吹拂到 150 個天文單位遠的地方。若以太陽風所及之處來算的話，太陽系的規模遠遠大於目前我們所知道的九大行星的範圍。
太陽風是肉眼看不見的，但是我們由彗星劃過太空時，可以看到太陽風存在的證據。對彗星的觀測，中國早在西元前四百多年就已經有所記錄。當彗星靠近太陽時，受到太陽光壓的影響，產生白色的塵埃尾；此外，彗星還會有藍色的電漿尾 (或稱為離子尾)。一九四五年霍夫麥斯特 (Cuno Hoffmeister) 和比爾曼 (Ludwig Biermann) 兩人由彗星電漿尾的擺動及彎曲提出太陽風的概念，認為離子尾是太陽風所造成的現象。
一九五八年派克 (Eugene Parker) 建立太陽風的理論模式，並預測太陽風的速度比音速更快。一九五九年衛星在太空中的觀測，證實太陽風確實存在；其平均速度高達每秒四百公里，比音速快約 1175 倍。太陽風的主要成分是電子與質子，並攜帶來自太陽的行星際磁場。
太陽風暴
一般太陽風是相當平靜的，但是有時候太陽表面卻會發生太陽系中最猛烈的爆發事件，其威力相當於一千萬倍的火山爆發。這種爆發我們稱之為「太陽閃焰」(solar flare)。一八五九年十一月，蓋林頓 (Richard Carrington) 與哈德森 (Richard Hodgson) 第一次觀測到太陽閃焰 (不尋常的白光) 的產生，並推測其發生在太陽黑子的上方，十八小時之後地球便發生了相當大的磁暴現象，也就是前述歷史上著名的太空天氣事件。這也是人類第一次建立了太陽上的現象與地球上反應的關聯。
太陽閃焰大約可以維持數分鐘之久，由於溫度高達數百萬度，會發出強烈的 X 射線與 γ 射線以及其他高能電子與質子。
這些高能輻射與帶電粒子約 8~30 分鐘即可到達地球，可穿透太空衣，對於在太空艙外執行任務太空人的生命與安全造成威脅，同時會損毀衛星的電子系統並干擾電波通訊。
太陽風暴除了太陽閃焰之外，還有所謂的「日冕拋射物質」(coronal mass ejection)。早期在地面上觀測日全食即知道有日冕的存在，但日冕的劇烈活動現象則是在一九七○年後，太空船攜帶望遠鏡到太空中，利用 X 光對太陽進行觀察才被發現。
當太陽進入活躍期時，日冕的活動也會跟著旺盛起來，日冕拋射物質發生時會噴發出大量的帶電物質 (稱為電漿團), 這些電漿團的溫度可高達幾百萬度，質量約一百億噸，在太空中的行進速度更高達約每小時一百至五百萬英哩，平均幾天即可到達地球。日冕拋射物質的能量相當於十萬個颱風，範圍則大約是 30~40 個地球大小。
太陽閃焰與日冕拋射物質的物理產生機制目前都不甚清楚，尚是研究中的主題。比較確定的是，其發生在活躍的太陽黑子附近，此處磁場非常強，磁力線極度被拉扯、扭曲，導致不穩定的結構，而磁能最終須獲得釋放時即會伴隨著劇烈的太陽風暴。
地球磁場–天然的屏障
太陽的活動如此猛烈，地球上的生命在其威脅之下卻仍能欣欣向榮，發展得如此豐富而多樣化，主要是因為地球自身磁場的保護──磁層宛如一個天然的屏障。
最早發現地球磁場並加以運用的是中國人，在一○○○年時發明了羅盤。一六○○年時，英國的吉爾博特 (William Gibert) 提出地球是一巨大磁鐵的說法。在一七四○年，葛拉漢 (George Graham) 發現羅盤上的指針會呈現不規律擾動，而攝西爾士 (Anders Celsius) 則發現羅盤指針變化與極光的活動有相當大的關係。但直到一八三○年全球建立了磁場觀測站，我們對地球磁場的變化才有較全面的研究，並發現太陽上的活動與地球磁場大幅擾動 (所謂的磁暴), 有很密切的關係。一八五二年英國人沙拜思 (Edward Sabine) 發現地球磁暴發生的頻率與太陽黑子數相關。一八五九年的大磁暴即是在觀測太陽閃焰 18 小時後發生，開始建立了日地物理與太空天氣的雛型。
極光–天空中的簾幕
極光是太陽活動對地球所產生的各種影響中，最美麗燦爛的一項產物。古羅馬時代視它為日出女神，亞里斯多德則稱之為發光的雲，甚至有天堂之門等等的稱呼，而到了一二三○年，挪威人才稱之為「北極光」。
富蘭克林則認為極光可能是雲層上端之閃電所發出的光芒。
極光可同時發生在北半球與南半球。最早發現這個事實是在一七七○年九月，英國人到澳洲時第一次觀測到南極光，而剛好同一天，在清朝的史書中也記載觀測到北極光，這是極光在南北半球同時發生之第一次紀錄。許多位於南、北緯 60~70 度的高緯度國家每年有上百次的機會觀賞到壯麗的極光秀；中緯度地區每年約有 10~20 次的機會可看到極光；而由於太陽黑子周期的影響，每 10 年約有一次可在赤道地區發現極光。一九○九年靠近赤道的新加坡也觀測到極光。
除了地球之外，太陽系中只要有磁場與大氣層的行星，如外行星的木星與土星，都可以發現極光的現象。
日地物理
在一九○○年時，電磁學的理論已經完備，因此對於觀測到的太陽黑子、太陽閃焰、地球磁暴、極光等現象，我們嘗試以電磁學理論與實驗了解其產生的原理及日地的關係。一九○二年挪威的科學家柏克蘭 (Kristian Birkeland) 在實驗室中模擬極光產生的實驗，他利用電子束打在磁球上會在磁球的南北極產生亮光的結果，提出極光是由來自太陽的電子束所產生。但是實際上地球的極光並非發生在地球磁極的正上方，其說法因而受到質疑。另一個科學家史湯姆 (Carl Stormer) 的理論研究則顯示，從太陽過來的電子會被地球磁場捕獲而無法自由進出南北極。
一九三○年夏普曼 (Sydney Chapman) 和法拉洛 (Vincent Farraro) 兩人提出太陽同時噴發出電子與質子等帶電粒子，而這些粒子在靠近地球磁場時會形成電流並將地球磁場規範在一個空腔之內。一九五九年高特 (Thomas Gold) 正式稱之為磁層。地球磁層是一個非常好的保護層，可擋住 99% 的太陽風，使其無法直接進入地球表面。但即使是只有 1% 的太陽風粒子可進入地球磁層也足以造成顯著的太空天氣。
一九五八年美國發射第一顆人造衛星，攜帶愛荷華大學的范艾倫教授的蓋格計數器，用來偵測太空中的高能帶電粒子。在這次的探測中，人類首次發現太空並非真空，而是到處都充滿著各種高能粒子，且在太空中形成環繞著地球的兩個類似甜甜圈的范艾倫帶。也就是這內外兩個范艾倫帶幫我們擋住了大部分來自太陽及外太空的各種高能粒子。
除了磁層與范艾倫帶在外圍阻擋與吸收大部分來自太陽與外太陽的帶電粒子之外，地球高層大氣的電離層 (高度在離地表 40~800 公里) 也幫我們吸收許多的高能輻射；而大氣層中的臭氧層則可以幫我們吸收掉太陽的紫外線，更往下的濃密大氣層也會吸收一些光與宇宙射線等，這一層層包裹著地球如同蠶繭一般的多重防護罩，使得地球上的生命得以在溫室中孕育與演化。
地球的磁層由於受到太陽風的吹拂與壓迫，因此不像普通磁鐵的磁力線，成為一個對稱的形狀，而是在面對太陽的向日面被壓縮得較扁，而背對太陽的夜側面則向後延伸形成如彗星尾般長長的磁尾。分開磁層與太陽風的邊界稱為磁層頂。當在日冕拋射物質的強力吹拂下，向日面的磁層頂會被擠壓靠近地球，有些原來在磁層內的人造衛星會因而進入太陽風中，而暫時失去磁層的保護並造成損壞。
除了地球原有的磁場，太陽風與日冕拋射物質也都帶有磁場。當磁場方向與地磁相反時，會發生所謂的磁重連現象。這情況發生時，太陽風或日冕拋射物質的高速帶電粒子會繞到磁尾進入夜側的地球磁層，並沿著磁力線進入高緯度地區的電離層。當這些帶電粒子高速撞擊高空大氣中不同的原子、分子或是離子，使其成激發狀態後，再釋出光子而形成了所謂的極光。
日地物理與太空天氣的重要性
太空紀元讓我們對太陽、地球的太空環境、日地關係、太陽系與整個宇宙有了嶄新的認識。原來似乎遙不可及的太陽與我們的地球竟是如此密切相關聯。太空天氣會影響衛星的運行、無線電通訊、導航、定位、或是電纜與油管導線等，以及太空人與經過極區飛機乘客的安全，甚至和我們息息相關的氣候等。未來人類將會越來越仰賴太空，各種太空計畫正加快腳步進行，太空站與衛星可能變得相當普遍，還有載人的行星探險等。太陽系物理的研究亦有助於我們了解宇宙中許多類似的電漿系統。增強對日地物理的研究與太空天氣的監控，才能讓我們作好萬全的準備工作，減少太空探索的風險、經濟上的損失與生活的不便。
科學是一種生活的態度，是一種運用邏輯思考的方法和追根究柢的精神，去解決在日常生活上和宇宙探索中所遇見的問題的態度。為了讓社會大眾了解科技發展的趨勢，由國科會主辦，中央大學理學院科學教育中心承辦的「2003 展望系列演講」於焉誕生，本篇為秋季「探索未知」系列，民國九十二年十月三日第三場講座的演講實錄。 |
地球上生命的起源和演化 | 想要了解地球生命的起源和演化，總不免抬頭看看，這個宇宙到底如何。在這個超過一百五十億年的宇宙裡，曾形成無數星球，也曾幻滅許多星球。像我們銀河系這樣的星系可能有上千億個之多。若將範圍縮小，只看地球所在的銀河，類似我們太陽的星球，約有兩千億個；每個太陽旁邊，又帶了些行星。可以想像，這個宇宙有多少像地球一樣的環境可以孕育生命呢？所以說，生命遍布在整個宇宙的想法是可以預期的。
生命起源說 各有論述
地球，大約在四十六億年前形成。過去二、三十年來，對於地球上生命起源的說法，一直在變，剛開始只是小幅度的改變，現在卻有較大膽的狂野想法。
過去的主流想法以「化學演化」來說明地球生命的起源。早期認為，地球生命開始於小分子、大分子到聚合物；從組成細胞、複製遺傳基因至細胞分裂繁殖，生命就開始了。但此場景究竟發生在什麼時候？產生了什麼樣的細胞？其實仍有很大的爭論。
其中一種想法是，生命可能來自於冰團。當海洋表面結成冰時，在冰晶縫隙裡，有機小分子聚成了大分子，生命於是開始。另一種想法是，受到月亮牽引潮汐的影響，海水蒸發，濃縮有機分子，岩石表面催化小分子的聚合，生命就這樣開始。最晚出現，大約一九七八年提出的想法認為，生命應從熱鍋開始：海底裂縫冒出的滾燙海水，最高超過攝氏 300 度，海水中夾雜很多特異的化學分子，這些化學成分和岩石作用後，不僅產生了海水裡的重要成分，生命也有可能從那裡開始。
生命跡象 出現在各個角落
化學演化說在過去幾年開始鬆動，大家不再那麼信心滿滿。七年前的夏天，美國太空總署對外宣稱，在一塊火星隕石上發現生命跡象。原來，一位美國女科學家於一九八四年在南極冰層上撿到一塊石頭，經分析確定，它是來自火星的第 12 塊被檢驗出來的隕石。見到石頭上微小的形體，太空總署有了些想法，這些想法，其實在過去 20 年裡已有許多生物學家提出。
究竟是什麼呢？在北投、在黃石公園、在一些可以把蛋煮熟的熱泉裡，竟然住著能行光合作用的細菌，它們不只耐熱還嗜熱。此外，若向地下鑽個三千公尺，那裡見不到陽光，得不到有機物滋養，卻也住了很多細菌，它們吃、睡、繁殖都在那兒，是一群會利用自然界化學分子與氧化還原反應取得能量的細菌。
另有些細菌，在琥珀裡睡了二千萬年後還能被叫醒。這樣的場景，在地球上很多地方都找得到。例如美國加州大學洛杉磯分校沈育培教授，她在中國東北的黑土底下找到許多古蓮子，用碳 - 14 定年後發現，這些蓮子是依照唐、宋、元、明、清的順序躺在地下，其中最老的一顆，經鑑定已有 1,288 年歷史。若拿銼刀銼皮，讓蓮子吸水，再放入水裡三天，它不但萌芽，還能長出新的蓮苗來。
所以說，不只是細菌的生命堅毅，其他生物的生命也很堅毅。如果在高壓、高熱、高酸等極惡劣環境下生命仍可以存活，那麼，有什麼理由認為，這些生命不可以在星際間旅行呢？有什麼理由認為，它們不可以從一個星球散布到另外一個星球呢？生命始於三十九億年前
這些堅毅的生命是從什麼時候開始的？科學界的說法不停地在修正，最近一次的說法是三十九億年前，那時候，天外流星仍不停地、猛烈地轟炸地球，在那擾攘不安的時代，生命已經開始。這個依據來自一些有機碳化合物的分子。
在寒冷的格陵蘭島上，某些磷酸鈣小砂礫裡包含著一些黑色的有機物質。雖然有機物質可以從自然界產生，也可以由生物合成，但是，分析當中的碳 - 12、碳 - 13 比例後可知，這些黑色物質是由生物合成的。因為，只有生命可以擾動碳 - 12、碳 - 13 的比例。若這個定義正確，那麼，在三十九億年前磷酸鈣形成的時候，那些小砂礫已經包住了細菌的分子。如果生命曾出現在三十九億年前，也有可能不只出現一次。地球上的生命曾遭遇多次浩劫，人類則是災難倖存者的後代。
共生 演化中的重要策略
想要為生命痕跡尋找證據嗎？疊層石是個好幫手。因為，疊層石是一種活石頭，在它的表面，有一群活著的細菌在那兒行光合作用。這些細菌，每天曬太陽、分泌膠質、將水裡的礦物質膠結住，也主動地把這些礦物質沉積下來。而石頭本身，就這麼一丁點一丁點地，一層層往上長。可以說，那些製造疊層石的生物，改變了地球空氣的組成，也決定了生命演化的方向。
地球就像其他行星一樣，在剛形成的時候沒什麼氧氣，只因氧是行光合作用的副產品，當氧氣隨著行光合作用的生物滋長且快速地增加以後，所做的第一件事，就是把地球給銹了。鐵，是地球上的第四大元素，在還原狀態時可溶於水，氧化後即沉積為鐵礦；現今煉鋼廠裡的鐵礦，大都是二十五億年前沉積的氧化鐵。沒錯，就在二十五億年前，疊層石生物產生的氧，把地球上的鐵都銹光了，之後，氧氣在大氣中開始侵害生命。
我們的祖先細胞因此面臨抉擇：滅絕，或是搬到沒有氧氣的地方居住。不過，聰明的祖先細胞選擇了「與細菌共生方式」存活下來。在此之前，細胞內沒有細胞核，所有化學反應都混在細胞質裡進行。當祖先細胞吞進原本獨立生活、又能利用氧氣的細菌後，開始發展「將不同反應放在不同細胞器官進行」的能力，既解決氧氣毒害問題，又強化了代謝協調的效率。細菌進入祖先細胞後，就再也無法和我們分開了，這是共生現象，是生命演化過程中非常重要的策略。
圓滾滾的動物胚胎
大約六億年到八億年前，至少有兩次，或者四、五次，地球凍成了冰球，每次凍結，就凍個千把萬年。地表上所有的水幾乎都成了冰，對生命而言，真是嚴苛的考驗，許多生命因此滅絕。
這現象一直維持到五億八千萬年前，地球回暖，大陸貴州附近變成溫暖的淺海。歷經兩、三億年後，貴州又逐漸變成陸地。四千萬年前，印度板塊與歐亞大陸板塊碰撞、擠壓，拱起了青康藏高原，也隆起了雲貴高原，於是，累積在貴州的三、四千公尺的岩石，開始面對幾千萬年的風化侵蝕，到最後，終於土崩瓦解，露出藏在五億八千萬年前那些溫暖淺海裡的生物紀錄。
在貴州瓮安縣有個五億八千萬年前的地層，裡面發現許多比小米還小的顆粒狀構造，圓滾滾的外形，大大小小有好多種。把它們拿出來用放大鏡看，就能看到上頭的裂縫，一個裂成二個、四個、八個、十六個......, 到底是什麼呢？動物的卵和胚胎！放在電子顯微鏡下觀察時，可清晰見到每一個細胞的構造；磨成薄片後，還可見到細胞與細胞間的界線，而且，每一個細胞核都在，連蛋黃構造都保存著。
到底是什麼動物能在遠古的歲月裡生下這麼多蛋呢？剛開始時，研究人員把石頭磨成薄片，或從裡面挑出胚胎，然後一個個去辨認；有時候敲開它們，看看內部構造。但對如此精美難得的化石，任何破壞都是一種罪惡，看來，要分析石頭裡的結構，非得研發更先進的技術不可。
非破壞性分析研究
正巧新竹清華大學隔壁是國家同步輻射研究中心，如果把粒子加很高能量後，可導出平行、高解析度的 X 光，這就可以為化石拍照，希望能顯現化石內部的細微立體構造。後來發現這個辦法真不錯，於是尋訪世界各國的同步輻射中心，看誰可以把這項技術做得更好。
如今這種非破壞性分析的 X 光顯微術研究，已在美國、韓國、瑞士、台灣等的同步加速器中進行。這些研究隱含著一個迷人的期待：十年以後，美國太空船從火星上帶回石頭，應該只有少數人有機會參與研究，到時候，誰有本事以非破壞性分析技術來看火星岩石裡面最細微的構造，誰就有機會爭取研究的優先權。
四月天 海底下熱鬧極了
從瓮安化石層一塊拳頭大的石塊裡，就可以找到上萬個動物胚胎，地球上還有這樣的場景嗎？其實在我們身邊就有。每年四月，月圓過後的第二天晚上，墾丁海底下的珊瑚都會集體產卵，無數的美麗卵泡，瞬間密布海水；不只珊瑚，很多無脊椎動物都在產卵，蚌殼把大量的精卵送出來，海膽、海星都在做這件事，四月天的夜晚，海裡頭熱鬧極了！同樣場景，也可能出現在五億八千萬年前的瓮安，四月天，月圓後第二個晚上，海洋中的無脊椎動物正大量地釋放精卵。但災難突然來到，發育中的大量胚胎，很快地被殺死，再沖到附近一個有大量磷酸與鈣的海域，這些物質，又很快地把胚胎化成不朽的石頭。
地質學家習慣把地球的歷史切成兩段，一段稱為前寒武紀，另一段的開端就是古生代的第一紀–寒武紀。過去一百多年來，寒武紀的開端 (五億四千萬年前) 被認為是動物出現的時候，然而，出土大量動物胚胎化石的貴州瓮安地層，卻比寒武紀的開始早了四千萬年。顯然地，在寒武紀之前，地球上早就出現了很多複雜的動物。
海口蟲 演化中的重要生物
大陸昆明東南 50 公里遠的澄江縣也有個特別地層。五億兩千萬年前，那兒是一片溫暖淺海，但不知怎麼地，大約每隔一百年，附近就有個災難。只要災難一來，大量細緻的粉沙，會快速地把住在淺海裡的生物掩埋下來；在極短時間內，脫水、壓扁，許多生物還來不及被細菌腐化，就被壓成扁扁的化石，所有的構造細節都留在岩石上。那兒有很大一片區域布滿了這種化石，這些化石總稱為澄江生物群。
在滇池旁有一個叫做海口的小鎮，研究人員在一處不到四平方公尺的範圍內，找到三百多條小蟲子，取名海口蟲。牠的肌肉已經分節，有消化道、尾巴、肛門與四對生殖腺，更重要的是，牠有一個脊索動物的特徵──軟的彈性構造。
脊椎動物的特質是脊索，在當時，我們的祖先沒有選擇堅硬的盔甲，反而長出背部的脊索以便彈性地應付這個世界；又因為捨棄盔甲選擇智慧，所以長出個大腦來。脊索與大腦，成為無脊椎動物與有脊椎動物的最大區別，而海口蟲兼具這兩種構造，牠被認為是生物演化過程中一個非常重要的環節，也是無脊椎動物演化成脊椎動物的典型過渡代表。
連續火山爆發 古生代結束
古生代有很多紀，每一紀的結束，代表一次災難；每一次災難，都是生物滅絕的時候。到了古生代末期，陸塊逐漸聚集，海岸線消失，陸地中央變成沙漠。所以，地球變得很乾，有些生物耐不住乾旱而逐漸滅絕。
但是，有一件事澈底改變了這一切。大多數說法認為，現今的西伯利亞地方，在二億五千萬年前發生了連續的火山爆發，這個爆發大到無以描述，在二百五十萬平方公里的面積上，累積了四公里厚的岩漿，如果將它攤平到全世界，大概可以攤到七公尺厚。岩漿噴了多久？沒人知道，但必定噴出大量火山灰，遮天蔽日；噴出很多氧化硫，折射陽光，使地球冷卻；噴出大量毒氣；噴上天的氧化硫，遇水變成硫酸，落到地下變成酸雨。可以想像，那是場大浩劫！結果，陸地上幾乎所有生物都死了，陸地上的大型動物超過三分之二消失；海洋裡，活下來的生物不到 5%; 災難後的地層裡，不再有卷柏、木賊的孢子，取而代之的是腐化這個世界的真菌孢子。你能想像那個悲慘歲月嗎？滿地毛茸茸的真菌，正快速地腐化死亡的生物遺體。然而，危機也是轉機，又有很多新生物開始出現，古生代結束，中生代開始！蟲鳴鳥叫 恐龍是主角
中生代有些什麼呢？爬行生物飛上天，變成翼手龍；入了海，變成魚龍。最後，大到無以倫比，長度可到六、七十公尺，走起路來地都震了的恐龍變成主角。而中國東北的遼西地區，從那兒出土的帶羽毛恐龍化石，震驚全世界，使得長達 150 年的「鳥的祖先可能是恐龍」的爭論，暫時停火。
回溯一億兩千四百萬年前，遼西地區是一片大森林，布滿沼澤，花已經演化出來，蟲鳴鳥叫，生機盎然。依照人們尋找化石的經驗，天上飛的鳥通常不容易保存為化石，但在那兒，卻有上百種、幾萬個鳥化石，有些精美的標本上，每根羽毛都在。當時在那兒必定經常發生火山爆發，每次爆發，就在地層裡留下一層層火山灰，有些厚，有些薄，頻率相當高。
稍微想像一下：火山爆發，火山灰，快速侵蝕那個生態世界，鳥、獸受到驚嚇，爭先恐後地逃出林子，拼命往水邊跑。有些鳥，飛到一半，被後頭的火山灰、毒氣趕上，栽下來，掉到爛泥裡，掉到火山灰裡。火山灰的粉末極細緻，滲入鳥翅膀的每個空間，鳥羽毛被完整地保存下來，細菌都還來不及分解，整隻鳥就變成了化石。帶羽毛恐龍化石，想必也是如此形成的。
自從一九九六年，第一隻帶羽毛恐龍化石被發現後，直到現在，這兒又陸續發現十幾種帶羽毛恐龍。但是，為何世界上其他地方未曾發現呢？除恐龍種類不同外，應是遼西地區特殊的地質條件和埋葬條件，使得羽毛能夠清晰地保存下來。
植物開花 生命共同演化
地球上有這麼豐富的色彩，這麼多種類的生物，能夠造就這麼多樣性的世界，都要歸功於植物開花。植物開花的目的不在吸引同伴，花蜜和花香是為動物製造的，一旦動物被吸引過來，就可幫忙傳播花粉，傳播種子。
昆蟲，在植物身上留下了蛋，蛋孵出來變成毛蟲，毛蟲開始啃食葉子；植物不喜歡，為了活下去，就做出毒汁、長出刺；蟲子要活下去，又演化新的能力，目的是要分解毒汁，閃躲刺。地球上生命的合作競爭，就這麼反覆發生，這就是生物學上所說的共同演化。
在很短時間內，共同演化造就了三十萬種以上的開花植物，和一百萬種，甚至一千萬種的昆蟲。在什麼時候，什麼場景下，哪一種植物在地球上開出第一朵花，是演化生物學家很想知道的答案。只是，花如此脆弱，在植物生命裡出現的時間這麼短暫，又怎能變成化石呢？因此，找到最古老的開花化石，是科學家極度渴望的事。
一九九八年，中國科學院南京地質古生物研究所孫革等人發現了遼寧古果化石，相關文章在英國《自然》雜誌發表，可惜化石上只有果子，沒看到花；之後中國地質科學院地質研究所的季強和孫華，在遼西發現保存完整的中華古果化石，相關報導在二○○二年《自然》雜誌上刊出。如今國際科學界已承認，古果化石是目前世界上已知最早的被子植物。
終於看到祖先的模樣
人類屬於「有胎盤哺乳動物」, 對於有胎盤哺乳動物的研究，最近幾年有驚人的發現。在遼寧淩源市義縣一億兩千四百萬年前的地層內，季強和美國卡內基自然史博物館的羅哲西發現真獸類 (有胎盤類) 哺乳動物化石，並取名攀援始祖獸 (Eomaia scansoria)。相關研究報告在二○○二年四月出刊的英國《自然》雜誌發表。
在過去，生物學家沒看過有胎盤哺乳動物祖先的模樣，古生物學家也只能從岩層裡篩出細碎的牙齒做研究。這次發現的攀援始祖獸化石，毛在、牙齒在、每根骨頭都在；牠的身長約八公分，體重約 25 公克，具有可以靈活攀援的肢骨特徵，屬真獸類，是世界上已知的，有胎盤哺乳動物中最古老、最原始的物種。所有包括人類在內的現有胎盤哺乳動物，都是真獸類哺乳動物的後裔。
天崩地裂 新生代來臨
對於中生代的結束，最盛行的說法是：六千五百萬年前，一塊十公里大的石頭，挾持著重量與速度，掉落在墨西哥海邊，瞬間，海水蒸發！這個石塊繼續往下鑽，碰撞到的岩石是碳酸鈣和硫酸鈣，碳酸鈣產生二氧化碳，汽化了；硫酸鈣產生二氧化硫，出去了。二氧化硫衝上了天，和水結合，變成酸雨落到地面；未結合的，就把陽光反射回去。石塊再繼續往下鑽，更底下是矽酸岩組成的花崗石，花崗石熔化成岩漿，噴到天空，冷卻後，變成黑色的黑曜石，在附近灑下一片玻璃雨......。
地球正在天崩地裂之際，海水則猛烈沖擊著海岸，變成海嘯，更在岸邊掀起四千公尺高的滔天巨浪。今天的德州，仍可看到一道三百公里長的石牆，可能是當時隨海嘯沖過來的石頭堆疊起來的。這樣的撞擊，或許又讓位在地球另一邊的印度發生地震，引發火山爆發。我們的地球，陷入了什麼樣的困境呢？有火山灰、毒氣體、酸雨、沒有光線、植物死亡、動物餓死、超過 80% 的海洋與陸地生物滅絕、中生代結束！少量倖存的生物，重新開始迎接新生代的來臨！ |
微生物與你息息相關 | 人類漫長的演化的旅途中，不管在什麼的環境下，微生物如影隨形，不斷對人類文明發展做出衛偉大的貢獻。有時，它可以使我們生病，甚至死亡。然而，絕大部分的微生物對人類的健康以及進化，都一直扮演着舉足輕重的角色。假若，世界上沒有微生物，恐怕我們也無法存活在這個世界上。
最近的研究指出：超過一千多種的微生物存在在胃、腸道中與我們共生，這些胃、腸道菌群不眠不休地替我們做消化以及吸收營養的工作，甚至提供我們多種賴以維生的必需維生素，同時也可以抑制胃、腸道中的致病細菌，以保持我們的健康。最重要的，這些有益菌群還可以喚醒我們的免疫系統，以防禦任何對身體有害的異物。
自古以來，人類已懂得利用微生物來理處食物，以增加食物的風味以及收藏期。中國古代已懂得利用發霉的豆腐來處理受細菌感染的傷口，經過數千年後的今天，我們才曉得，霉菌能產生青霉素等抗生素，因此可以做為殺菌之用。由於抗生素的發現，使人類免於細菌的感染，人均壽命因此得以延長。
廿十世紀、八十年代以後，遺傳工程的興起。自始，人類有用的基因可以利用簡單的微生物做為生物生產器，以低廉的成本，大量產生有藥用價值的重組基因產品，因而人類的健康又增加了一大保障。在這次的演講中，翟教授以微生物對人類的正面價值加以詮釋，除了醫藥健康的價值外，教授還與大家討論有關微生物在食品工業，環境保護，以及在農業應用上對人類文明所做出的貢獻。希望藉此可挽回人類對細菌的錯誤觀念。 |
防止地球暖化與森林的經營 | 規範氣候變遷的具體對策，即防止暖化條約，制定於京都議定書 (以下簡稱議定書) 中。議定書是在一九九七年十二月第三次簽約國會議 (COP3, 京都會議) 中被採納的，經過俄羅斯的同意，預定在今年生效。日本則在去年六月同意，以達成削減溫室效應氣體 6% 為目標，並開始擬定國內實施的具體方向。
森林在二氧化碳的吸收上占有重要的地位，對日本而言更有其莫大的意義。本文即針對議定書中，為了達成溫室效應氣體的減量，森林所能扮演的角色及其位階等問題加以敘述。
京都議定書與森林
在議定書中將森林評價為二氧化碳的吸收源，雖然對溫室效應氣體減量的目標而言，森林的吸收量有其限度，但仍認定應予編入，而以日本國內的森林與海外的植林為其對象。首先由日本國內森林的吸收源觀之，在議定書中，將一九九○年以後的森林吸收，定位為利用「森林經營」所達成的吸收。
而「森林經營」的定義是以利用永續可能的方法滿足有關森林的生態、經濟，以及社會的功能為目標，對森林所存在的土地經營與利用相關的一系列行為。但無論如何，是將議定書中的第一約束期間，亦即從二○○八年到二○一二年為止的五年間的年平均二氧化碳吸收量做為計算的對象。此外，在同一期間內，森林減少當然是計算在排放量中。
在國外的植林計畫，則是根據議定書中所指定的京都機制中的「共同施行」或「健全的開發制度」下植林計畫的實施，以做為吸收量的獲取。此議定書對森林做為吸收源的認知、植林的定義，或吸收量的計算方法，都未制定規範，而是在二○○一年十一月第七次簽約國會議 (COP7, 在摩洛哥馬拉克修召開) 上才同意其定義與基本規範。但健全的開發制度下植林計畫的實施規範則仍未訂定，預計在二○○三年十二月在義大利米蘭召開的 COP9 中可定案。
日本的暖化對策
日本的暖化對策的擬定，是為了達成京都議定書中所規定的溫室效應氣體的減量義務。議定書中規定，日本的減量義務是針對基準年一九九○年的排放量，即十二億九百萬噸的二氧化碳，到二○一○年須減少 6%。至於各國的減量率則分別是歐盟 8%, 美國 7%, 俄羅斯 0%, 三十八個先進國家平均每國至少削減 5%。
日本的暖化對策是根據地球暖化對策推行綱領 (二○○二年三月決定) 所進行的，綱領是以達成 6% 的減量目標來區分。在 6% 中的 3.9% 是屬於森林的吸收量，可見大部分的減量是仰賴森林。對 6% 減量目標而言，尚不足的部分則須藉由京都機制的活用來彌補，其中包含海外植林計畫。因此日本為了達成京都議定書中所規定的減量義務，國內森林及海外植林的吸收量，皆扮演重要的角色。
根據日本政府發表的數據，日本在二○○○年溫室效應氣體的排放量與一九九九年相比，約增加 8%。由於在議定書中規定須達成 6% 減量，若考量 8% 的增加量，則總共必須減量 14%。
隨著議定書生效日期的接近，且面對國內溫室效應氣體排放量的增加，對於綱領內的國內政策，政府有必要強力且具體地去推行。最近環境稅或國內排放量的買賣，引發許多的議論，實有其歷史的背景。政府在設計國內制度時，應針對防止暖化，結合社會、經濟的發展以及企業活動的活躍化來構築制度。歐洲各國的環境稅以及去年四月英國所實施的排放權買賣等先例，亦值得我們參考。
日本的森林吸收量及議定書
在議定書中，日本的森林吸收源，在「新植林」、「再植林」、「森林減少」等項幾乎全無，而以「森林經營」為主。日本每年約植林三到四萬公頃，很少在伐採跡地、農地或牧草地實施植林，議定書的定義也未將伐採跡地列入植林的對象，是以農地與牧草地為植林的對象。
在馬拉克修的會議中 (COP7, 二○○一年十一月), 已決定「森林經營」的定義與利用「森林經營」所達成的各國吸收量的上限值。日本的上限值是一千三百萬噸碳，相當於一九九○年排放量的 3.9%。但必須了解的是：這一千三百萬噸是在毫無運作下，平白地加入日本減量義務的 6% 之內。但根據所決定的「森林經營」的定義，必須是屬於在人類的行為下所增加的吸收量，才能確保所定的上限值。
林野廳則根據定義，將「森林經營」所能達到的吸收量，以約相當於日本森林面積二千五百萬公頃的 70%, 即 1,750 萬公頃來試算。以此 1,750 萬公頃，依據「森林經營」活動的定義實施的話，林野廳的試算結果認為相當於一九九○年排放量 3.9%(一千三百萬噸) 的吸收量是可能的。但是必須有新的施行政策加以配合，如果保持現狀而不採取任何新的對策，則能確保相當於一九九○年排放量 2.9% 的吸收量。此 2.9% 與 3.9% 的差 1%(330 萬噸的碳) 如何來彌補，便成為新的施行政策的目標。
在地球暖化對策推行綱領的第七章中列出了顯示具體的實施策略，而為了其實行，林野廳則規劃了防止地球暖化的吸收源的十年對策。十年對策主要重點是健全的森林整理，保安林等的適當管理，推行生物對森林使用量的利用，以及國民參與森林的建構等四點。健全的森林整理是以間伐等人工林的修整為重要項目，生產的木材必須予以適當的利用亦為重要的課題。
森林 / 林業的基本計畫是擬定二○一○年木材的用途和利用目標，根據此計畫，日本國產材的供給、利用目標從一九九九年的二千萬立方公尺到二○一○年增加五百萬立方公尺，達二千五百萬立方公尺。如無法達成此目標，則要利用森林達成相當於一九九○年排放量 3.9% 的吸收量將是困難的。目前日本國內木材的供給，八成是仰賴輸入，觀察日本林業及木材業界的現況，若不強力實施林業政策，要確保國產材五百萬立方公尺的增加，以及相當於一九九○年排放量 3.9% 的吸收量將非常困難。
無論吸收源–森林面積 1,750 萬公頃，或者是相當於一九九○年排放量的 3.9% 的吸收量，皆包含私有林的利用在內。在日本，個人或企業所擁有的私有林面積約為 1,460 萬公頃，占森林面積的 58%。因此私有林的吸收量如何考量，在暖化對策上，國內制度的檢討將是重要的課題。
在澳洲，多數的州是將森林的吸收以「碳權」的方式予以法律上的認知，且明確地規定屬於森林所有人。日本亦認為森林吸收量的權利，也應屬於森林所有人。政府對於森林經營者，究竟如何施行 「森林經營」才承認其吸收量，應及早提出因應之策，對目前低迷的日本林業，如何使其起死回生也是重要的課題。
京都機制與海外植林
京都機制是根據防止暖化，對費用與效果考量其市場機制的手法，在議定書中所訂定實施的國際制度，包括排放量買賣，共同開發機制，以及共同實施策略 (先進國之間暖化對策的共同施行策略)。在此主要是針對共同開發機制提出討論。
所謂共同開發機制是先進國針對開發中國家的溫室效應氣體減量及吸收計畫，提供資金和技術的協助時，減量及吸收的一部分，應由先進國與開發中國家共同承受的一種制度。例如日本某企業在印尼的植林事業，實施共同開發機制時，假設此植林事業吸收 10 萬噸的二氧化碳，此 10 萬噸二氧化碳的吸收量，必須由事業者的日本企業與印尼企業共同分配，日本企業將此分配量，納入日本企業的削減量，列入排放圈內，並可根據國際排放買賣制度予以販售。上述的計畫若在先進國之間進行者即為共同實施策略，日本企業在澳洲進行植林時即是屬於此一情形。
共同開發吸收源事業的機制，包含植林計畫，是經過馬拉克修會議同意的，但其施行細則須經今年十二月的 COP9 會議決定。由於日本政府與企業擁有國際合作及長年海外植林的經驗與技術，因此對共同開發機制或共同實施植林事業的期待極大。在共同開發機制植林事業上，對開發中國家的永續經營貢獻良多，在環境保護上亦有正面作用。
伐採林木的議定書策略
木材是將林木所吸收的二氧化碳以碳素形式來貯藏，在一立方公尺的木材中，因樹種而異，平均含碳量約為 225 公斤，木材將二氧化碳貯存，有延緩暖化的作用。
在議定書中，伐採林木即視為排放。然而伐採後木材是將碳素固定，因此伐採時不應馬上計入排放，而應在木材製品廢棄時計入。今後在簽約國會議上有關伐木的計入方法應加以檢討，二○一○年以後，決定第二約束期間的策略時，期望能適當地評估木材的碳素固定能力。
京都議定書中，有關森林的策略，在國際間不斷地引起討論。
在防止暖化問題上，將溫室效應氣體的減量，列為第一要務。增加森林或健全的經營、管理森林，對增加二氧化碳的吸收，都是有助益的。此外，木材的利用對暖化的負面影響也是一種誤解，適當地利用有利於防止暖化，更可將森林的吸收發揮更大的效用。
今後應充分留意森林或木材對防止暖化的效果所受到不正確的利用，並期望能達成京都議定書的目標，對森林的吸收能力予以靈活地運用。
(原文刊載於日本學士會會報第八三九號，二○○三年三月十五日出版。) |
美麗又危險的極光 | 古籍中的「極光」片羽
中國古籍中有豐富的極光記載，也多簡短地註明極光發生的日期、形狀、大小、方位，以及一些對極光的看法。
早在兩千多年前的漢朝，便有極光的記載。例如《漢書・天文志》:「漢惠帝二年 (西元前 193 年), 天開東北，廣十餘丈，長二十餘丈。」認為極光是天被打開後的情形，而且描述了極光出現的方位、寬度與長度。此外，在《古今圖書集成》中也有一段生動的記載:「漢成帝建始三年七月 (西元前 30 年 8 月 21 日至 9 月 19 日) 夜，有青黃白氣長十餘丈，光明照地，或曰天裂，或曰天劍。」顯示極光旺盛，亮度可以照亮大地，而且形狀一束一束像是劍狀。
還有一些記載清楚地描述極光的大小與形狀。例如《漢書・天文志》記載:「漢永始二年二月癸未 (西元前 15 年 3 月 27 日) 夜，東方有赤色，大三四圍，長二三丈，索索如樹。南方有大四五圍，下行十餘丈，皆不至地滅。」描述了南方極光下降的情形，顯示極光也有上下的動態，並注意到了極光並不會抵達地面。
更有少數記載了極光的聲音。例如在《晉書・帝紀》中記載了極光會發出聲音:「晉太安二年十一月 (西元前 303 年 12 月)...... 壬寅 (27 日) 夜，赤氣竟天，隱隱有聲。」這現象即使在現代也是一個待解的謎，因為極光發生的高度，離地面約 90 公里以上，大氣密度非常稀薄，比實驗室能產生的真空還稀薄，應該不會形成人耳能聽見的聲音。極光發生時，或許產生了某種機制，讓地面的空氣震動，產生我們可以聽見的聲音。
自古以來，人類對極光的認識，一直停留在觀察極光的外形、顏色與變化上，夾雜著情緒上的驚嘆、恐懼。直到 20 世紀，了解地球磁場與太陽風的關聯後，才認識了極光的起因與本質。
太陽風從何處來？日冕洞
風，在日常生活中隨時隨地感受的到。微風吹拂使人清爽，狂風使人驚懼，寒風刺骨，春風拂人......
那，什麼是風呢？或風是什麼？從電風扇或手搖扇可以知道，扇葉轉動或扇子搖動使空氣流動會形成風，也就是說空氣中的分子流動時就形成風。空氣分子越多、流動越快，風越大。同樣地，許多粒子由太陽表面發射出來，在太陽系的空間中流動就形成「太陽風」。不同的是，太陽風中的粒子不是一般的原子與分子，而是帶有電性的離子。
太陽表面溫度高達攝氏 6,000 度，許多原子都被游離成為帶電粒子，其中最多的是質子與電子，而帶電粒子會受到磁場的影響。與地球一樣，太陽也是一個大磁鐵，表面布滿許多磁力線。多數磁力線突出太陽表面又彎回太陽表面，形成一個個拱橋似的曲線。帶電粒子沿著磁力線運動，又回到太陽表面。
使用 X 光波段觀測太陽，可以發現太陽發出很強的 X 光，緊裹在色球之外，屬於內層日冕。由 X 光波段所拍攝到的太陽影像中，可看到許多亮點與拱弧形，這些都是磁力線變化劇烈或磁力線密集的區域。但是也可以看到一長條暗黑、不發出 X 光的條痕區，稱為「日冕洞」。在極區上空飛舞的極光
經由許多太空衛星或太空船的偵測，科學家一路追蹤太陽風粒子，可以追溯到日冕洞，顯示太陽風是由日冕洞發出的。經過太陽物理學家的研究顯示，日冕洞是太陽表面磁力線開放區。也就是說，磁力線由日冕洞延伸出去後並不會彎回太陽表面，帶電粒子沿著日冕洞的磁力線運行，就一路出發不復返而成為太陽風。
另外，太陽表面有一些磁場密集的所在，磁力線會突然崩解，磁能瞬間釋放形成「閃焰」事件，爆發出大量帶電粒子，形成太陽風。閃焰事件有大有小，規模大的閃焰可以把好幾千億噸的太陽物質一股腦兒拋射出去。閃焰爆發的速度可以高達每秒 900 公里，通常速度大約是每秒 300~500 公里，這些太陽風粒子約 1~3 天的時間就到達地球附近，會明顯影響地球的磁場與大氣。
地球的第一道防線：范艾倫輻射帶
地球磁場捕獲太陽風中的帶電粒子形成輻射帶，保護了地球上的生命，也是極光形成的原因之一。
如果高速運動的太陽風粒子直接轟擊地球表面，會對生命造成嚴重的威脅。所幸地球有一個磁場，當太陽風粒子吹到地球附近時，便會沿著地球磁場的磁力線運行。當進入磁極區上空後，會再反轉逆行。因此，帶電粒子在兩極區間流竄，形成「輻射帶」。
范艾倫博士在 1958 年負責火箭探空，在發射升空的探測者一號火箭上，裝置偵測高能粒子的蓋格輻射計數器，偵測到地球大氣之外有一個密集高能粒子的區域。隨後在同一年又發射了探測者三號，顯示地球大氣之外，有一個高能帶電粒子聚集區圍繞著地球。為了紀念范艾倫博士的發現，就把這個區域稱為「范艾倫輻射帶」。蘇活號 X 光太陽望遠鏡所拍攝的日冕，其中一條上下走向的粗黑條紋便是日冕洞。
「輻射帶」這個名詞很容易使人誤解，因為它的形狀並不是帶狀的，而是比較像甜甜圈。有人建議依據它的磁性而稱為「磁球」, 木星、土星等行星也具有類似的輻射帶，一般就稱為「磁球」。
太陽風、閃焰與極光
太陽風中的帶電粒子被地球磁場捕獲，束縛在范艾倫輻射帶中流竄。當這些粒子進入極區上空時，與極區上空大氣中的原子或分子碰撞，使大氣中的原子或分子被激發而放光，便形成美麗的極光，並隨著空氣的流動飄移，形成舞動的光幕，如絲如緞，動人心弦。
極光的顏色主要來自氧原子與氮分子的激發，一般有紅色、綠色，也有黃色與紫色。極光高度約在 100~300 公里之間，再高，通常沒有足夠的中性原子可供激發形成極光。
極光的學名叫做 aurora, 發生在北極地區的稱為「北極光」(aurora borealis), 發生在南極上空的稱為「南極光」(aurora australis)。范艾倫輻射帶示意圖 (圖 / NASA)
極光的顏色主要來自氧原子和氮分子受激發放出的電磁波 (圖 / Unsplash)
太陽活動與黑子數量有密切的關係，當黑子數量達到極大期時，閃焰次數增多，規模也比較大，轟擊到地球上的太陽風粒子也多而密集，使極光發生的次數較多、規模也較大，是觀賞極光的好時機。1989 年與 2001 年初正是太陽活動極大期，產生許多大規模的極光，讓專家與大眾都大飽眼福。
當太陽發生大型閃焰時，雖然有機會觀賞到壯觀的極光，但湧到的大量帶電粒子會對地球大氣造成影響。所造成的影響主要有兩項。一是大量帶電粒子轟擊地球大氣，影響游離層反射短波無線電的能力，使短波通訊受到干擾或斷訊。二是大量帶電粒子的轟擊加熱了地球高層大氣，使得大氣膨脹，增加了人造衛星的空氣阻力，讓人造衛星的速度減緩，高度也降低，縮短了人造衛星的使用年限。
在上一次太陽活動極大期時，所發生的一次閃焰就使加拿大海防部隊通訊中斷 1 天，也使觀察太陽的太陽極大期任務衛星縮短壽命，最後在 1989 年 12 月 2 日墜落於地球大氣的過程中焚毀。
科學家曾利用衛星測量極光的強度，但是 1989 年那次極光的範圍之廣，才真正讓大多數人見識到極光的不凡之處。
極光通常只能在高緯度 (60 度以上) 地區見到，在 1989 年發生的極光，卻是南至美國佛羅里達州的威斯特礁和墨西哥的猶加敦半島都可見到。有人被天空火光般的色澤嚇壞了，打電話報警，有些人則看得心醉神迷。
這一次的極光出現在加拿大魁北克上空後不到 90 秒鐘，伴隨而來的磁暴便癱瘓了魁北克全省的供電系統，6 百萬加拿大人有好幾個小時無電可用。同一時間，羅盤的讀數變得不準確，車庫電動門自行開關的事件頻傳，無線電傳輸與海岸導航系統遭到干擾，部分衛星回傳的資料也暫時中斷了。
觀賞極光的小秘訣
就像所有美麗的奇景一樣，雖然能夠預期極光發生的可能性，極光仍然是可遇而不可求的。如果遇上滿天雲或是暴風雨的天氣，即使發生極光現象，也無法觀賞。
人們對極光的認識，也與日全食、彗星一樣，花了數千年才從外貌、顏色的觀察而進入本質的了解，由驚懼轉為觀賞。人類對大自然的認識，由無知轉向了解的過程何其漫長，極光只不過是其中一例罷了。
極光發生的區域，圍繞著極區成為「極光帶」。美國阿拉斯加、加拿大育空位於極區邊緣 (北緯 60 度左右), 是觀賞極光的最佳地點之一。通常，每年的 9 月、10 月與 2 月、3 月，氣候比較穩定，適合觀賞極光。一般人觀賞極光的地點，最好找有合適旅館設施的地方。
極光分布圍繞著極區形成一個環帶，是適合觀賞極光的地區。
白天無法看見極光，即使黃昏或清晨微弱的光芒都會掩蓋微弱的極光。通常，午夜前後的極光最令人激賞。
極光的規模與次數與太陽的活動有密切的關係，當太陽活動處於極大期時，閃焰與日冕爆發之類的事件次數多、規模大，連帶地，抵達地球的帶電粒子數量也多、規模也大，便容易看到大規模的「極光秀」。
2002 年是太陽活動極大期，預計下一次太陽活動極大期是 2013 年，相信到時候仍然會引起一陣極光熱。然而喜歡觀賞極光的人，卻是年年可去，懷著「見之我幸」的情懷，即使看不到極光，極區風光仍有相當的特色。況且只要多待幾個晚上，總能看見極光的。
極光的網路資源
想要觀賞美麗的極光影像，可以到這網頁一遊，極光影像數量之多、變幻無窮，一定讓你驚嘆:http://climate.gi.alaska.edu/Curtis/curtis.html
「極區任務」是美國航空暨太空總署的計畫，在 1996 年 2 月 24 日發射一個繞極轉動的觀測衛星，每 17 小時繞地球一圈，以多重波段拍攝極光影像，包含了紫外線、可見光與 X 光，其網址是:http://www-istp.gsfc.nasa.gov/polar/。 |
尋龍高手——在中國找到極光與龍捲風? | 現代人熟悉的龍的形象，與早期古人描繪的龍不一樣。
追尋龍的起源不是現在才開始的，20 世紀許多研究者從人文觀點出發，已經產生各樣學說。倘若要從自然科學角度追尋龍的起源，首先要把心路思維拉到很久遠以前，那個屬於文化剛啟蒙的時代。但是早在 3 千多年前的中國古人，已經不知道龍的起源是什麼了。直到 20 世紀以後，西方科學方法導入中國人的思考體系中，才有人開始認真地問:「龍的起源到底是什麼？」我從地球科學角度追尋龍的過程，可用現代人追尋「燭龍」的思維模式做為參考。
北方幽冥之國有天上燭龍
東周 (西元前 770 年～西元前 256 年) 前後不知道哪些人寫了一部奇書《山海經》, 裡面記載著千奇百怪的怪人、怪事、怪獸 ...... 內容好像以訛傳訛，但也似乎有些道理，不像隨便說的。如《山海經・西山經》提到，西域某山上有一種鳥，羽毛青色，喙紅色，看起來像鴞 (ㄒㄧㄠ，貓頭鷹一類), 能說人語，名字是鸚鵡。對於沒有見過鸚鵡說話的人，這段記載有可能被叱為胡說八道。《山海經・大荒北經》提到的「燭龍」情況頗為類似。
《大荒北經》記載，赤水 (中國北方的一條河流) 北邊有章尾山 (現今山西北邊的陰山), 有神，人面，蛇身，紅色，身長千里，眼睛閉的時候是晚上，眼睛開的時候是白天，它不吃食物、不睡覺、不呼吸，名字是燭龍。由此可知，燭龍出現的地方，白天夜晚不是由太陽造成，而是由燭龍決定。
戰國時代 (西元前 475 年～西元前 221 年) 屈原在《楚辭・天問》中問了 170 多個古傳說中的有趣問題，其中一個是，太陽照不到的地方燭龍怎麼去照呢？羲和 (主日、月的神) 都沒有去照，怎麼會發光呢？其後王逸為這一點做了注解，北方有一個沒有太陽的國度，那個地方有燭龍銜燭去照。
既然《大荒北經》和王逸的注解中都提到北方國度，那麼，當時的人認識的北方是哪裡呢？戰國古籍《淮南子・地形訓》記載:「中國九州之正北泲州曰成土；其外北方曰大冥、曰寒澤；其外北方曰積冰、曰委羽 (高注：委羽在北極之陰，不見日); 其外北方曰北極之山、曰寒門。」又:「北方有不釋之冰，幽晦不明，天之所閉也，寒冰之所積也，蟄蟲之所伏也。」
我們知道，超過北極圈的北緯 66 度半再往北的地方沒有所謂的晝夜，冬季裡半年是晚上，那地方應該就是古人口中的「幽冥無日之國」。現在世界上發表的研究論文已經認定，這個蛇身、紅色、身長千里的「燭龍」就是「極光」。對於見到極光又不知道極光是什麼的古人來說，他們用一種神化的說法來描述這個現象應該是很自然的事。
燭龍的例子提供我們一個教訓和思考方向：古人記下了他們受到震撼卻不了解的東西，直到 20 世紀科學進步以後，我們才恍然大悟古人到底在說什麼。
磁場磁極點緩慢漂移
然而極光又是什麼呢？太陽會發光、發熱，同時發射出太陽風。太陽風是許多帶電粒子，這些粒子經由地球磁場引導，從高緯度的北極圈、南極圈附近進入地球高層大氣層。進入以後，帶電粒子因為撞擊到大氣層裡的空氣而發光，這些亮光就是極光，如果有人正好站在底下抬頭望天空就可看到。有趣的是：磁極點的北極和地球自轉的北極並不重合，地球磁場的磁極點長期都在南極、北極附近大約一、二千公里的範圍內，繞來繞去地漂移著。
太陽風中的帶電粒子進入地球時，撞擊地球空氣而發極光。(圖片來源：美國阿拉斯加州旅遊局，攝影: Mok Kumagai)
現在的北方磁極點比較偏向西半球，因此不必跑到特別北方，在加拿大、阿拉斯加南部就能看到極光。可是如果現在要在亞洲看北極光，就必須跑到很北邊。這麼說來，中國古人怎能看到北極光，還把它記載下來呢？這應該代表兩層意義，一是當時中原人和北邊人有往來和交通。另一是，因為磁極點的漂移，有可能 3、4 千年前北方磁極點在亞洲這一側。
實際說來也真是這樣，現在的北方磁極點若依勢再繼續漂移，可能幾十年後就要越過北極移向西伯利亞。我猜測，很可能遠古時期就是如此，早期中原人只要更靠近北方一些，就有機會看到極光。因此我做了一個小結論：燭龍走了，到美國去了，但還是會回來的。
<龍玉飾與極光 (圖片來源：美國阿拉斯加州旅遊局，攝影: Chena Hot Springs Resort) 是否有些神似？龍的來源是什麼眾說紛紜
而在追尋「正牌」龍的起源過程中，得先把現代龍的形象暫時拋棄，因為現在看到的龍的形象都是近世紀以來的演變圖像。
讓我們先從名字中有「龍」的資料開始推敲，首先把不是龍的部分先剔除掉。例如真實的恐龍絕不是中國人的龍。恐龍的英文是 dinosaur, 是由 2 個希臘字 dinos (恐怖) 與 sauros (蜥蜴) 拼合而成。西方龍稱為 dragon, 這是希臘字「巨蛇」的意思，牠的形象是有大翅膀在天上飛、長尾巴、嘴巴會噴火的大惡獸，與中國龍似乎沒什麼關係。弔詭的是，漢朝古墓磚畫上的某一種龍，竟與西方龍極為相似，這是一個有趣的研究題目。
另在中國龍方面，1987 年河南濮陽西水坡發現一個 6 千年前新石器時代的古墓，墓中有貝殼堆砌成的 2 個圖像 (稱為蚌塑), 一個是老虎，一個被考古學家稱為華夏第一龍。在我看來，後者完全像鱷魚。附近又有另一個古墓，裡面也有 2 個蚌塑圖像，考古學家說是一隻老虎與一個人騎著龍。以我的感覺，那人騎的像是一匹馬。不太了解這些圖像為何被考古學家認定是龍？從人文觀點研究龍的起源已出現許多學說。有一個說法認為，龍是蛇的神化與放大。又有一個說法認為，龍的原形是鱷。目前世界上有 20 多種鱷，但可歸納為 2 大類:crocodile 的嘴比較長；alligator 的頭比較短、圓，可是在現代中文中全都稱為鱷。其中 alligator 又再分成 2 種：一種現在仍生活在美國密西西比河流域的沼澤區；另一種生活在中國，原名鼉 (音駝), 現在幾乎快要絕跡了 (今名「揚子鱷 」是外國人取的)。然而，無論是蛇或鱷，都是匐伏爬行於地面的動物，怎麼也不像能通天的神物，龍。
另一個理論認為，龍是由多種動物集合而成，而非某一種動物，並認為上古時代各族有自己的圖騰，等到族與族兼併以後就綜合出龍的圖騰。這個理論稱為圖騰學說。例如，東漢時有龍的「九似」描述：角似鹿，頭似鼉 (駝), 眼似鬼 (兔), 項似蛇，腹似蜃，鱗似鯉，爪似鷹，掌似虎，耳似牛。可是上古時的中國各族並沒有很明顯的圖騰觀念，如果圖騰是很重要很神聖的象徵，為何中國文字中沒有字來形容呢？中文的圖騰是翻譯字，是從北美印地安人的名詞 totem 翻譯過來的。
除極光 (其實就是燭龍) 外，其他如雷電、虹、霓 (古字蜺)、月亮、松樹、雲等自然物與自然現象，都有被認為是龍的說法。但是看來都不像，它們不是太普通，就是太靜態，太規律。
龍是龍捲風
但是可以肯定的是，古人描述的龍是一種通天的神物。中文第 1 部字典，漢代許慎的《說文解字》中對龍的解釋是：鱗蟲 (披鱗的動物) 之長，能幽能明，能細能巨，能短能長，春分而登天，秋分而潛淵。據此推論，龍不但出現在天空，而且變化多端，出現在春天到秋天之間。
龍字的發音是沉重的風雷聲；龍出現時會伴隨雲，雨，風，雷，電，光，火，波，濤，泛，聲，色等現象。龍的動作有飛，升，捲，登，躍，騰，潛，吸，拈，吟；出現時有各種顏色。《管子》中記載：龍「被五色而游」。就五行看，應該是指青龍 (蒼龍，東), 赤龍 (南), 白龍 (西), 黑龍 (墨龍、玄龍、烏龍，北), 黃龍 (中)。
有一項重要關鍵線索來自「龍」這個字的古字。甲骨文是最早期的象形文字，甲骨文裡的「龍」字形狀有很多種，但都一律是大頭長尾、直立形，這是甲骨文學家已經認定了的。而近代收集到的商朝古墓玉器上，有一些被解釋為龍的雕刻物，其形狀與甲骨文中的龍字也完全相像。究竟古早先民們所謂的「龍」, 是在描繪他們心目中的什麼事物呢？把所有資料、觀念放在一起整體考量，我猜測：龍的起源是龍捲風。因為龍捲風能「通天」, 直立而且彎曲，就如同甲骨文、古玉器所描繪的。它們變化多端，來去無蹤，一般出現的季節是每年春分到秋分時節，完全有如《說文》所述，而且有不一樣的光影色彩，出現時伴隨暴雨、閃電、冰雹。
古人遇到恐怖的龍捲風時並不了解它，試想他們在心理上會做什麼反應呢？如果把它神化，去崇拜它，應該是很自然的事。這與人們把極光認為是燭龍的情況很相像，而且這些也都不是其他說法所認為的，如蛇、鱷、虹、松等所能比擬。
古人稱龍捲風為羊角
中國古籍裡確實有一些與龍捲風有關的記載，如《莊子・逍遙遊》: 有鳥焉，其名為鵬，背若泰山，翼若垂天之雲，摶 (音團) 扶搖 (旋風) 而上者九萬里。《爾雅・釋天》: 扶搖謂之猋 (音標);...... 迴風為飄。郭注:「猋，暴風從下上。」《說文》: 猋，狗疾行貌；作為風名時，與飆同義。《說文》段注:「飄，回 (迴) 風也，盤旋而起之風，莊子所謂羊角。」綜合這些記載可知，古人稱龍捲風為羊角 (由於其外形); 而扶搖、猋、飆，都是創作出來的名詞。
就在追尋現代用語「龍捲風」一詞的由來時，我得到一個結論，這個名詞是從日文捲風 (發音 tatsu-maki-kazi) 移植來的，在中文「龍」字中有 8 種古字寫法，「竜」是其中之一。
龍捲風是近代人才正式注意的事物，過去出現時只被當作一種傳說與奇異現象，直到近代才開始有人投入研究。現在全世界的龍捲風大都集中在美國中部大草原區，每年約有上千個。有的龍捲風在半空中出現，在半空中消失。有的把地面塵土吸起來，或白色，或黑色，或反射太陽彩光，全都奇形怪狀，甚至好幾個一起出現，出現時經常帶有閃電、冰雹，從開始到消失，一走幾十公里。
不過它的發生必須在溫度場、濕度場、氣流場的分布和相互作用都恰好的條件下，才能達到正回饋現象而形成強速渦流。美國中部草原區位於中緯度西風帶，地勢西高東低，每年春夏季從南邊海域來的濕暖氣流，遇上從北邊大陸來的冷氣流鋒面，因而形成孕育龍捲風的條件。這些條件與中國大陸的地理情況很相似。水龍捲俗稱龍吸水，是水面出現的小型龍捲風。(圖片來源：NOAA Photo Library,http://www.photolib.noaa.gov)
由長期氣候變遷來看，大約 10 萬年有一次冰河期的消長。1 萬年前的地球才剛從上一次冰河期裡甦醒過來，海水面上升 130 米。接著是幾千年的大暖期，一直持續到距今 3 千年前。依我猜測，三、四千年前，華北氣候與現在不一樣，那時候的華北就像現在的美國，龍捲風屢見不鮮。後來氣候條件改變，龍捲風逐漸減少，甚至絕跡，使得後代人開始不知道當初叫龍的東西是什麼，龍的起源也就逐漸失傳。我覺得有這種時間上的可能性，因此為龍做了一個小結論：龍走了，走到美國去了；但是會回來的！以上是個人藉由探索「龍的起源」以彰顯科學研究和邏輯思辨的過程，最後的推論是否能被許多人接受，倒是其次。重點是從一個新的視角，建立假設、蒐集資料、進行比對、做出結論，繼而深入科學研究的進程。這是科學工作的挑戰和樂趣所在。
本文取材自國科會「2007 秋季展望系列演講第 1 場」中央大學地球科學院 趙丰 院長的演講內容。已觸地的龍捲風 (圖片來源：NOAA Photo Library,http://www.photolib.noaa.gov) |
玻璃的藝術與科技:通訊用玻璃–沿著玻璃絲走遍全世界 | 自古以來人類就一直尋求更有效率的訊息傳遞方式，無論是軍事、社會、文化、經濟都需要快速而準確的訊息交流。古代使用烽煙和烽火台傳遞邊疆軍情，就是一種遠距離通訊。19 世紀初人類用電報和摩斯碼終於可以傳送較為明確的訊息，電話的發明更讓訊息的傳遞得到長足的進步，越洋電話纜線的架設使得地球村的概念逐漸興起。
通訊技術的進步刺激了社會各方面的發展，新的需求不斷地出現。在 20 世紀末原本只是傳遞聲音的電話，已經由類比信號轉換為數位信號，大幅提升音質的清晰度，但在訊號傳遞速率上則出現發展瓶頸。
由於電話用戶迅速增加，信號傳遞也由原先單純的聲音訊號，逐漸擴充為影音訊號與網際網路的大量資料訊號。如此一來，原本的銅纜線就出現無法負擔如此巨大訊號傳輸量的窘況。於是，隨著通訊市場的強烈需求，新的通訊技術和材料也就應運而生。玻璃光纖和無線通訊是當時被視為最有潛力的兩種方法，自從 1960 年代以來，這兩種訊號傳遞方法就一直處於既合作又競爭的態勢。
話說從前
1960 年代正值美俄兩國冷戰時期，由於國防和經濟的需要，可以說是科技發展的重要年代。當時 3 種主要通訊方式，除了以銅纜為主的有線通訊外，已經大量使用無線電波和微波通訊，但都受制於信號頻率的問題而無法大量傳輸。由於銅線的電阻會隨頻率增加而升高，頻率增加也會使得類比信號的雜訊增加，因此銅線傳遞信號無法承擔大量資訊的傳遞。
光波的頻率大約是一般無線電頻率的 1 萬倍，因此可以傳遞的訊號量遠大於銅纜或無線電信號。拿玻璃光纖與傳統銅纜線做比較，大約 2 公噸的銅線所能傳遞的信號，僅需要 0.5 公斤的玻璃光纖就可以達成。目前最新研發的光通訊技術，可以使用 1 根光纖同時傳送 6 千萬通電話，這是百年前的人類無法想像的技術。
物理學家很早就提出可以用光學信號傳遞訊息的理論，但如果沒有一種可以傳遞光學信號的介質與光源，就無法實現光通訊的理想。自 1960 年代起，美國康寧玻璃公司、美國電話電報公司的貝爾實驗室、以及日本電話電報公司就陸續開發製造光纖的技術，而雷射技術也在同一時間開發出來，因此光通訊的兩大支柱終於出現，更多商業投資進入光通訊領域，加速技術開發。
具體落實光通訊的概念是在 1980 年代，全世界第 1 條商業化的遠距傳輸用單模光纖電話線路，是在 1983 年由美國 MCI 電話公司委託康寧公司所建造，當時 1 根光纖的訊號傳輸量約為 1 根銅線的 6 萬 5 千倍。
可用來製作光纖的玻璃
光纖的基本構造是由纖核 (fiber-core) 和纖殼 (fiber-cladding) 所構成，纖殼玻璃的折射率比纖核玻璃的低，當光在纖核內行進時，應用適當的光學原理使得光在纖核內不斷地進行全反射，並用這種方式把光學信號傳送至遠方。只要滿足基本光學原理並能組合成上述結構的玻璃纖維，都有可能成為製作光纖的玻璃。
製作光纖的玻璃必須純淨，除了故意摻入的雜質外，應儘量避免金屬離子的污染，盡可能降低光訊號行進時被玻璃本身所吸收的損耗。玻璃的化學成分也必須分布均勻，儘量降低缺陷，以避免造成過高的散射。目前用於製造長距離通訊用光纖的玻璃，是以石英玻璃為主。石英玻璃光纖的主成分是氧化矽 (SiO2), 再摻入不同分量的氧化鍺 (GeO2)、氧化磷 (P2O5)、氧化硼 (B2O3)、氟離子 (F-) 等成分以控制纖核和纖殼的折射率。
光通訊用玻璃主要是製造成光纖，因此玻璃本身除了要有極佳的透明性外，耐用性也很重要，包括機械強度、耐侵蝕性、熱穩定性、抗結晶性等，都是需要考慮的重要因素。石英玻璃就是一種可以滿足上述各種性能的玻璃，雖然它的加工溫度高達攝氏 1,800 度以上，但在總體考量下，石英玻璃已經穩居光通訊用玻璃的領袖地位。
大家所熟悉的玻璃器皿、玻璃窗等都是在高溫熔融下製造成型的，但這種傳統熔煉玻璃的方式會在玻璃中留下過多的雜質，無法達到光通訊玻璃要求的純淨度。一般而言，光通訊用的玻璃中非人為摻入的雜質含量最好能在 ppb 的等級，因此製造光通訊用玻璃的方法也有所不同。為達到高純淨的目的，光通訊玻璃的製造是以化學氣相沈積法為主，原料可以在氣態時加以淨化，再經由化學氣相反應與熱加工形成玻璃坯棒後，把玻璃坯棒抽製成可以傳導光波的玻璃纖維。
目前以石英玻璃為主的光纖網路，主要是利用 1.3 μm 和 1.55 μm 兩個波長的光進行訊號傳輸。石英玻璃光纖在近紫外光區、可見光區、一直連續到近紅外光區都有很好的透明性，可以在 0.35~2.0 μm 波段使用。但離開這些波段，由於石英玻璃原子結構的關係，透明度降低，也就是光波在傳遞過程中會很快被吸收或散射而損耗掉。
在某些特殊狀況下，例如中紅外光區或其他特殊波段，需要使用光纖傳遞光波時，石英玻璃光纖就無法勝任，這時就需要選用一些特用光纖。特用光纖是指可以用在特殊波段的光纖，也可以是一些具有特異功能的光纖，因此所使用的玻璃材料也就有所不同。
創造光纖的特異功能
特用光纖隨著玻璃成分與微結構的不同，而展現各自的特異功能。例如硫硒玻璃可以用在波長大約 5 μm 與 10 μm 的紅外光區，氟化物玻璃可以用在波長 2.5 μm 的位置，這些紅外光纖在國防軍事與醫學上有很多應用。
在 1990 年代初期，摻鉺石英玻璃光纖被成功地開發成為光纖放大器，這項發明被喻為光通訊的第 2 次技術躍進。它不但大幅增加光信號的有效傳送距離，降低光電信號轉換次數，並使得光分波多工技術得以實現，而後者是建立網際網路高速處理信號的關鍵技術之一。
把稀土元素摻入不同的玻璃成分中，能發展出雷射玻璃和光纖雷射。前者已經使用於雷射引發核反應的發電技術，後者可製成高功率精密雷射，用於遠距離飛彈導引，或是次微米精密點銲和切割等用途，也可以用於精密雷射手術，在國防、半導體加工、醫學等領域中，是極具商業潛力的特用玻璃光纖。
下一次資訊技術大躍進
展望未來，光速網路將改變人類生活方式，玻璃將是光速網路的棟梁。摻鉺光纖放大器的發明，加速成就了今天的高速光纖網際網路，並且使全光學信號處理技術向前邁進一大步。目前科技界正全力發展全光學光信號交換處理器，如果成功發展出上述高速寬頻光信號交換處理技術，就有機會把目前的網際網路寬頻速率再提升 10 倍以上。屆時經由網路傳送的高畫質電視和網路影音電話，都會成為日常生活中的基本配備。
高速寬頻全光學信號處理技術與相關元件逐漸發展成熟時，也意味著光學計算機的發展又會向前跨進。藉由玻璃傳遞光學信號，光學計算機將因為使用比現有電腦更高的信號頻率，可以在更短的時間內處理更多的信號，屆時或許又會帶動另一波資訊革命。 |
第一張極光照片的誕生! 高緯度的絕美星空 | 1892 年 1 月 5 日第一張極光照片誕生。
第一張極光相片，是黑白的！高緯度地區夜空中絢麗燦爛的極光 (Aurora), 被許多攝影愛好者視為此生必看的奇景。歷史中也有諸多與極光有關的敘述，例如亞里斯多德、伽利略都曾描繪過天際出現紅色豔麗如同火焰又波動多變的光幕，引人遐思，但一直都不曾見盧山真面目。
直到西元 1892 年 1 月 5 日，德國天文學家 Martin Brendel 在斯堪地那維亞半島按下快門，人類才第一次以攝影的形式清晰地目睹到極光的身影。由於當時尚未發明彩色攝影技術，因此第一張極光照片是以黑白形式呈現。直到 1953 年才出現第一張彩色的極光相片。
1892 年 1 月 5 日第一張極光照片 (圖 / 1892: First Auroral Photography〉
攝影技術：天文學家研究極光的重要工具
極光研究與攝影技術的關連極為密切。清晰的極光照片有助於天文學家量化各地區極光的出現頻率，並針對極光特徵加以分類，甚至可以推算極光形成的高度。但早期因攝影技術的侷限使得極光的拍攝困難重重。
「降低曝光時間」是捕捉極光輪廓需克服的首要難題。由於極光的亮度非常微弱且形狀時時刻刻都在變動，故需要足夠長的曝光時間才能讓微弱的極光在相紙上留下痕跡，但太長的曝光時間卻可能讓影像糊成一團 (註 1)。
舉例來說，Martin Brendel 拍攝的第一張極光相片就花費了 7 秒，但照片中極光的細節仍不夠清楚。1885 年極光研究先驅 Sophus Tromholt 甚至在書中自嘲表示:「我試過很多種相機與底片來拍極光，不過就是沒有那個運氣。」
直到 20 世紀初期，挪威科學家 Carl Størmer 與 Kristian Birkeland 發現，若要精確計算極光現象發生於大氣中的高度，必須由數個相距數公里的地點同時來拍攝，並且曝光時間不得超過 10 秒。此外，透過實驗他們還發現，拍攝極光的關鍵點是攝影鏡頭必須不能過度吸收光譜中的藍光與紫外線。因此，鏡片必須足夠薄才可。
另一方面，膠捲也必須對藍光與紫外光敏感。據此研究心得，科學家發明了專門拍攝極光的 Størmer-Krogness auroral camera (註 2) , 並成功將曝光時間降至 1 秒。此型相機在 1915 年至 1950 年間，廣泛地為天文攝影家者與天文學家用於拍攝與研究極光。
1909 年，測試階段的 Størmer-Krogness auroral camera (圖 / Auroral Pioneer〉
史上第一本極光圖譜
有了能拍攝清晰極光紋理的工具後，Carl Størmer 進ㄧ步將常人以為隨機亂無章法的極光加以分類，提出了第一本極光圖鑑 (Auroral Atlas)。極光圖鑑將極光以型態區分為數類 (註 3):
1. 均勻極光弧與均勻極光帶 (Homogeneous Arcs (HA) and Bands (HB))
以磁場東西向呈現的弧或帶狀極光，長度為數百至數千公里，寬度為數公里，海拔高度為 90 至 100 公里不等。且 HB 型態較 HA 更為多變。
2. 極光弧與極光帶 (Auroral Arcs (RA) and Bands (RB) with Ray Structures)
與 HA、HB 相近，但帶有雷射狀的結構，此結構為動態可與鄰近結構合併或分裂，甚至可以捲動為螺旋狀。
3. 極光射線 (Auroral Rays (R))、 極光幔 (Draperies (D)) 與 極光冕 (Coronas (C))
極光射線通常清晰的單獨呈現，長度為數十至數百公里。有時光柱會摺疊為簾幕狀，下緣較為起伏甚至比上緣更亮。
4. 極光冕 (Coronal Aurorae (C))
極光以絲帶放射狀呈現，主要因為極光的射線狀結構與地磁場方向平行，中心點為磁頂點 (magnetic zenith), 即懸浮式磁力指針會指向的點。
Auroral Atlas 中分類的各種極光型態 (圖 / Auroral Pioneer〉
雖然沒有極光，但臺灣仍擁有良好的天文觀賞環境
臺灣位處低緯度地區，民眾幾乎沒有機會觀賞到極光，但中央山脈擁有高海拔與低大氣擾動等特質，故仍可提供一個良好的天文景觀觀賞環境。因此在 2019 年 8 月，合歡山國際暗空公園就由國際暗天協會 (International Dark-Sky Association) 正式認證成為臺灣第一座、亞洲第三座 (次於韓國、日本) 的暗空公園，公園範圍由合歡山鳶峰延伸至小風口區域。
認證申請過程中因需克服觀光發展而造成的光害問題，故須透過政府與民間簽訂公約保證減少由清境農場一帶民宿建築造成的光害，例如使用低光害燈泡、改變燈具照明方向等方式以減少人造光源的汙染後，才通過了國際暗天協會的認證。
全球首例光害管制條例
臺北市天文協會每年春季也會舉辦「梅西爾馬拉松」(Messier Marathon), 其目標是挑戰在一個晚上內觀測到由法國天文學家 Charles Messier 所建立梅西爾星表內的 110 個星體。
梅西爾星體無法透過肉眼觀察，須要會搭配星象移轉，還要平均每 5 分鐘找到一個星體才能完成此馬拉松比賽，這種富挑戰性且難得的觀測體驗讓參與的民眾都津津樂道。臺灣位處北緯 20 至 30 度間，是最適合觀賞梅西爾星體的地區之一。2018 年起，梅西爾馬拉松的舉辦地點由墾丁改至阿里山的小笠原觀星平臺。
參考資料
1. 〈Auroral Pioneer〉write by Alv Egeland & William J. Burke
2. 1892: First Auroral Photography
3. Hehuan Mountain becomes Taiwan’s first International Dark Sky Park
4. Hehuan Mountain (Taiwan, R.O.C.)
5. 光害太嚴重，合歡山將要設立星空保護區？！6. 跟星空賽跑！天文馬拉松第十年
註 1: 首屆國際極地年 (International polar year,1882-1883 年) 舉辦時的攝影技術必須曝光 4 分鐘才能拍攝到足夠清楚的極光形體。
註 2:Ole Andres Krogness 為 Kristian Birkeland 實驗室中的一位助理，與 Carl Størmer 一同開發專門拍攝極光的相機。
註 3: 其餘兩類為 Feeble Glows (G) 以及 Auroral forms equatorward of the auroral zone。 |
平穩的飛行原理 | 熱氣球、天燈緩緩升起，利用的是空氣體積和密度的改變。那麼滿是金屬打造的飛機，又是怎麼翱翔天際呢？答案就是升力、阻力，和重力、推力四種力的運用。重力就是飛機本身的重量，當飛機起飛，引擎會產生推進的動力；飛機在地面加速前進，氣流通過機身，會和飛機表面產生摩擦的力量，也就是阻力；另外當氣流通過機翼，上方的空氣會因為流動的速度較快，壓力較小，產生上升的力量。在這過程中，推力大於阻力、升力大於重力，飛機也就因此升空。除此之外，能夠承受負荷的結構和流線的形狀也是重要的關鍵。所以結構第一件事情就是要克服那四個力，就是它必須承受那四個力，所以大客機裡頭都會加壓，所以結構也要去承受，我裡頭加壓的那個壓力，形狀就是必須越流線越好，因為這樣他的阻力會變小。為了縮短飛機在跑道上加速與滑行的距離，在速度上也有特別的設計。因為我們在飛機的設計上有一個叫做失速的速度，英文叫做 stall speed, 所以這個速度相對就很慢的，那很慢的速度旁邊要是有任何的一個擾動進來，是不是就很危險，降落也是一樣。也因為如此，相較於飛行途中的平穩，起飛與降落通常是最危險的時候。但從統計數據來看，飛機仍是事故機率最低的交通工具，以科學方法運用自然力量，讓沒有翅膀的人類，也能在天空中來去自如 2007 年東森電視台《科學大解碼》第一期 |
世界民航機的發展趨勢 | 由於國際航空運輸的競爭特性，使得飛機製造商必須不停地推陳出新，以滿足日新月異的市場需求。基本上，國際航空運輸有以下的營運特性，使得飛機製造的革新與創新更趨白熱化，以合乎未來國際航機市場的需求。
航空運輸的營運特性
技術革新快速 隨著科技的日新月異，航空運輸市場經營環境的變化也日益劇烈。因此，航空公司必須能隨時應變，掌握正確的商機，過去不可能的事，在未來可能就變成日常生活中必備的常識，例如波音公司的 B747 型飛機使不著陸的洲際飛行趨於常態。飛機製造商必須不停地革新與創新，以掌握時代的趨勢。
具有跨國企業的特性 人們從事國與國之間的活動，像是政治、商務、旅遊等，日趨頻繁，因此國際航空市場具有跨國企業的特性。搭飛機出國旅遊與商務飛行成為生活的一部分，旅運的需求也愈來愈多。換句話說，人類每年花在飛機上的旅行時間，有日益增加的趨勢。民航機的舒適、速度、安全等的需求，也將有增無減。
龐大的沉沒成本 由於航空業的投入成本甚高，而且是資本密集的產業，固定成本遠大於變動成本，必須吸引較多的乘客搭乘才能獲利。新飛機的造價高昂，像是 B747-400 的造價可以高達 1.5 至 2 億美元，最新的空中巨無霸–空中巴士 A380 的造價，更高達 3.19 億美元。航空公司購買飛機所需的金額不訾，因此，除了考慮乘客與市場的需求之外，還必須考慮機隊的編成、人員訓練及後續維修的成本，這也使得飛機的研發計畫變得更加複雜。
國際市場競爭激烈 國際航空是屬於環球性多國籍的運輸業，在每一條航線上，往往會有數家航空公司從事定期客貨運輸的業務。因此，市場的競爭在所難免，像是以票價優惠、常飛顧客的酬賓計畫爭取顧客的忠誠與市場占有率，提升航空公司在市場上的競爭優勢。飛機製造商在推出新飛機時，也不得不使出渾身解數爭取訂單。
在 1996 年，美國麥道飛機製造公司被波音公司購併以後，全球飛機製造商已經成為美國波音公司與歐洲空中巴士集團雙雄並立的局面。從 1990 年代起，美國波音公司的 B747-400 是長程航線的主力機種。波音公司的 B777 雖然比空中巴士的 A340 晚 2 年問世，但是在設計上卻能超越對手。B777 的優勢包含有較寬的機身截面、較遠的航程、較高的巡航速度等。較寬機身的 B777 使得每一排可以容納 10 個座位，相對地，A330∕A340 最多只能容納 8 個座位。
基本上，波音公司製造客機的歷史悠久，享有較高的市場占有率，也正是它的優勢。在載客量大於 100 人座的各級飛機市場上，波音公司維持一貫的霸主地位。
相對地，在空中巴士集團 A330∕A340 系列中，A330 配備 2 具引擎，是中程航線的主力。A340 配置 4 具引擎，是空中巴士長程航線的主力。在剛推出時，它取代了 B747-400 成為全世界飛得最遠的飛機。
在設計上，A330∕A340 完全採取電腦輔助設計，線傳飛控 (fly by wire) 系統使操控飛機更簡單。此外，A330∕A340 最具有競爭力的設計是操作上的共通性，像是駕駛艙的儀表配置、側置式的操縱桿或線傳飛控系統，都延續著先前 A320 的設計，因此轉換訓練的成本很低。採用空中巴士機隊的航空公司，在機師培訓上可以省下一筆可觀的成本。
隨著國際石油燃料價格居高不下，對於環境保護的要求，以及人類對於環境變遷的自覺，未來民航機的發展有下列的趨勢。
極大型商用運輸機
未來民航機的發展趨勢之一，是極大型商用運輸機 (very large commercial transport, VLCT) 的開發。先進的科技使 A340 與 B747-400 的續航力不相上下，但是 B747-400 的載客密度較高，每班次有 400 人座以上。在座位供不應求的航線上，A340 還是無法與 B747-400 競爭。因此，空中巴士公司的新飛機發展的方向，其一是延伸目前的產品線，其二是發展一種能夠容納 600 ~ 700 人的全新客機，把航程與酬載推到更高。這樣的趨勢也促成極大型商用運輸機的誕生，A380 空中巨無霸飛機呼之欲出。
在 2000 年 12 月 19 日，空中巴士集團的董事會在正式批准 A3XX 巨無霸客機計畫的同時，也把這一型的巨無霸客機命名為 A380。這是被稱作繼協和號客機以後，歐洲航空史上最富野心的計畫，也等於是空中巴士集團在高於 100 人座的各級飛機市場上，全面挑戰波音的霸主地位。A380 的原型機在 2004 年中首次亮相，研發的投資總共是 160 億美元。
在 2005 年 1 月 18 日，首架 A380 客機在法國土魯斯的廠房舉行出廠典禮，並且在 2005 年 4 月 27 日試飛成功。在 2005 年 11 月 11 日，A380 首次跨洲試飛抵達亞洲的新加坡。在 2007 年 10 月 15 日，交付 A380 客機給新加坡航空公司。在 2007 年 10 月 25 日，A380 首次商業載客從新加坡樟宜機場成功飛抵澳洲雪梨國際機場。
這款由歐洲空中巴士集團推出的 A380, 是目前全球最大的商用客機。不過，A380 並非全球最大的飛機，這個紀錄由目前全世界最大的貨機，翼展 88 公尺，長 84 公尺，有 6 具引擎，最大起飛重量可以達到 640 公噸的俄羅斯安托諾夫 (Antonov) An-225 的飛機所擁有。
A380 取代波音 B747-400 型客機，成為世上最大載客量的民航客機。它的最大特徵是機體採全雙層設計，載客數在 550 人以上，續航力達到 8,750 英里。標準規格的 A380 有頭等艙、商務艙和經濟艙，共可容納 555 名旅客，比類似規格的波音 B747 多 139 個座位，外加前所未見的豪華設備，例如酒吧、臥房、健身房和休息室。A380 的操作成本比現有大型客機低了 15 到 20%, 卻多出 10 到 15 % 的額外航程。
此外，A380 提供的座位也多了 35%, 最大的載客量可以高達 880 人。因此，A380 不但可以提高每個班次的載客量，又可以疏解機場跑道容量飽和的問題。
針對 A380 超大型客機推出後的來勢洶洶，目前波音公司打算把 B747 客機翻新，計劃研發 B747-800, 座位數目前預估也有 550 位以上，可以與 A380 匹敵。更重要的，波音公司預估的研發成本只要大約 40 億美元，在 2010 年便可以交機，預估的售價只要 2.92 億美元，比 A380-800 的 3.19 億美元的造價更便宜。不過，波音公司認為未來國際航空的主戰場，是在省油與效率競爭的「直飛航線」的客機上，而 A380 是著重在航空轉運中心 Hub 的超大型客機，這並非他們在意的重點。
超級雙引擎長程客機
未來民航機的另一個發展趨勢，是雙引擎長程客機的開發。B787 是波音公司在 21 世紀發展的新一代民航機，一方面取代航程較短的廣體客機 B767, 同時取代可以長程跨洲飛行的 B777 系列，並且在省油與效率的直飛航線客機上力求突破，開闢一個航空新戰場。波音 B787 在概念發展時的代號是 B7E7, 中間的 E 字代表 3 個意義，Energy (能源)、Environment (環境) 與 Eight (八), 因此，B787 被稱作夢幻客機 Dreamliner。
B787 的原始設計概念，對航空公司客戶的最大價值在於能源效率，以及能夠符合世界各國在二氧化碳排放及噪音降低方面的規範。第 1 架 B787 在 2007 年 7 月 8 日出廠。B787 著重燃油效率勝於載客人數，全機體採用 50% 的石墨纖維複合材料，可以節省 20% 的飛行油料消耗，在高油價的時代，不啻是航空公司的新選擇。
B787 在座艙舒適度方面，也是前所未有的賣點。依據波音公司公布的發展重點，機身採用大量複合材料，不易腐蝕。因此，機艙濕度比其他飛機提高許多，旅客身體脫水的狀況也大為緩和。此外，除了座位比較寬敞以外，座艙的光源採取情境式照明 (moody lighting), 感覺更為柔和，可以讓旅客放鬆。座艙的窗口比現在大很多，靠窗的旅客可以俯視地平線，窗戶還可以由旅客自行調整明暗。最近波音公司更宣布旅客可以在飛機上上網，這也成為座艙服務的特色之一。
由於 B787 的成功，迫使空中巴士匆促地推出競爭機種 A350。當 2005 年空中巴士宣布推出 A350 時，被航空市場譏笑是改良版的 A340, 根本無法與 B787 競爭。在航空市場的壓力下，空中巴士公司在 2006 年宣布重新設計飛機，新機種代號改為 A350XWB (超廣體，extra wide body), 第 1 架 A350XWB 預計在 2014 年出廠。
A350 是空中巴士公司為滿足市場對遠程中運量的需求，而新推出的雙發動機廣體客機，包括 3 種機型：A350-800、A350-900 和 A350-1000。載客人數介在 250 人至 375 人之間，並且可以依據航空公司的需求，靈活地調節客艙布局。A350 飛機基本型的航程平均是 8,500 英里，是同級別的飛機中續航力最遠的，也是同級別的所有飛機中每一個座位營運成本最低的。
此外，空中巴士公司為了力拼美國波音公司的 B777 和 B787, 把雙引擎 A350 系列的飛機從原計劃的 3 種型號增加到 5 種型號。也就是 A350-800、A350-900、A350-1000、A350-900ER 客機和 A350-900F 貨機，形成一系列的 A350 機隊家族。空中巴士公司的目標，是讓 A350 結合 21 世紀所有的先進技術和 A380 機型的成功經驗，因此，全新的 A350 超寬體飛機會更有效率、更環保、也更安靜。
A350 家族新加入的 2 個新成員，例如 A350-900ER 型客機的續航力更提高到 9,000 英里，A350-900F 的載貨量也會達到 90 噸，續航力也有 5,000 英里。
因此，在未來的國際航空市場中，在長程航線的四引擎超大型飛機方面，將出現 A380 與 B747-800 (B747-800 預估 2010 年設計出廠) 競爭的狀況，而在中長程航線的雙引擎大型飛機方面，將出現 A350 與 B787-800 (A350 預估 2014 年設計出廠) 對壘的狀況。
面對的問題
在四引擎的超大型飛機方面，顯而易見的，A380 是藉由超大載客量降低每個座位的成本，達到乘客座位寬廣舒適的目的。加上機上的夢幻休閒設施，如吧台、免稅店等，甚至連經濟艙的座椅都可以大到睡覺可以躺平，這樣的服務達到前所未有的行銷效果。因此，A380 的出現是想取代 B747 數十年來長期寡占的大型飛機市場。然而，這樣的設計卻也產生若干問題。
目前全球的主要機場設施，大多數都無法容納 A380, 必須特別改裝、增建。因此，A380 能起降的機場受限是一個嚴重的問題。例如臺灣的桃園國際機場必須改裝，加大第二航站大廈的 D5 和 D6 登機門，尤其是增加一層更高的空橋，才能為 A380 超大型客機服務。
A380 以超大載客量減低每個座位的成本，對航空公司有利，同時又加大服務空間，以豪華的內裝、舒適的配備招攬乘客，對乘客有利。其實這兩者是必須取捨的，這正是新加坡航空 A380 的客機座位數僅有 450 個左右的緣故，主要是因為公共服務空間比較多。如果是以原設計的乘載 800 多名乘客來降低平均座位成本，夢幻的公共服務空間也會大幅減少。
很顯然地，波音公司看到了這個問題，因此打算直接把 B747 客機翻新，研發成為 B747-800, 用很低的研發成本，便可以與 A380 匹敵。換句話說，波音公司認為加大飛機的空間並非什麼大問題，不過在四引擎超大型飛機方面，A380 終究搶得了先機，飛機上空間與服務也達到前所未有的行銷效果。
反觀波音公司認為未來國際航空的主戰場，是在省油與效率競爭的直飛航線客機上，因此推出 B787 夢幻客機 Dreamliner。而空中巴士公司的 A350, 充其量只是在與 B787 競爭下所衍生的機種。空中巴士本來的 21 世紀的主力產品是 A380, 期待高運量帶來的經濟優勢取代已經飽和的 B747-400 機種。想不到 A380 的交機期一延再延，而且訂單也不如預期。反觀 B787 推出以來一枝獨秀，訂單已經排到 2015 年方能交機。
由於 A350 尚在規劃設計中，其性能並未完全確定。雖然據空中巴士表示，A350 的耗油量會比 B787 還低 7%, 其他的性能不是和 B787 接近，就是比 B787 還 好。然而，一般市場的評價是 B787 優於 A350。至於客艙環境方面，雙方應該各有千秋，目前 A350 尚無明確的設計。因此，B787 在雙引擎大型飛機方面，也搶得了先機，與空中巴士公司剛好在不同市場，平分秋色。
不過，在石油價格越來越昂貴的未來，飛機的省油性能是很重要的，加上國際環保意識高漲，噪音要低、廢氣排放符合規定也成為時代新潮流。在這一方面，B787 掌握了這個趨勢。然而，由於 A380 與其他空中巴士各種機型轉換訓練時間很短，公司可以彈性地運用飛行組員，節省訓練的時間與費用，這是建立機隊有利的地方。相信大家在航空市場上會各取所需，未來也勢必掀起另一波美國波音和空中巴士的龍頭地位大戰，好戲可期。 |
生命的起源 | 達爾文推測，生命的起源地也許是一個「溫暖的小池塘」。1952 年，美國芝加哥大學研究生密勒 (Stanley L. Miller, 1930-2007) 在老師尤瑞 (Harold C. Urey, 1893-1981;1934 年諾貝爾化學獎得主) 的實驗室，證明在原始地球上，大氣中的無機分子透過自然力量就能形成複雜的有機分子，如胺基酸。密勒把水、甲烷、阿摩尼亞、氫封入一個無菌玻璃球中，對混合物的蒸氣施加電擊 (模擬閃電)。一星期後，整個系統中的碳約有 10~15% 成為有機分子的一部分；2% 構成胺基酸，其中以苷胺酸最多。
後來有人主張生命是在外太空形成的，隨著隕石降落地球，在地球上一步步演化出生命圈。最近十年，科學家又開始對海底熱泉寄以厚望。不過，從來沒有人預期生命可以在沒有水的環境中演化出來。
今年 10 月上旬，美國天文學會年會在加州首府巴沙迪納舉行。10 月 7 日星期四，亞利桑納大學研究生莎拉。赫斯特 (Sarah Horst) 發表了類似米勒的實驗結果。只是她模擬的不是地球的原始大氣，而是土衛泰坦的濃厚大氣。在太陽系諸行星的衛星中，泰坦是唯一有濃密大氣層的一個；泰坦地心引力不強，因此大氣層非常厚。不過泰坦表面溫度是攝氏–179 度，大氣中完全沒有水氣，主要是氮、甲烷。
莎拉以無線電波模擬太陽紫外線，照射模擬的泰坦大氣層，結果她發現了胺基酸與核苷酸 (DNA 與 RNA 的基本單元)。這個實驗證明：不必在有水的環境中，就能自然形成基本的有機分子。當然，從那些分子演化出生命，還要經過許多步驟，其中許多步驟都需要水，或者在液態環境中才能發生。不過，泰坦高空中形成的簡單有機分子可能降落地面，進入甲烷大湖或大海，再進一步演化。 |
生命會自尋出路–細菌抗藥性 | 抗生素的發現
一九二八年，弗萊明 (Alexander Fleming) 在英國倫敦聖瑪麗醫院任職時，無意中在一個被污染的培養皿中發現，原本打算培養的葡萄球菌，它的生長現象竟被一種青綠色的黴菌 (青黴菌) 所抑制，因此弗萊明推測，青黴菌的分泌物應該具有抑制細菌生長的功效。由於這種抑菌物質是青黴菌的分泌物，因此弗萊明將其命名為青黴素 (Penicillin), 並於一九二九年，將其觀察到的現象首度發表在《英國實驗病理學期刊》, 但當時並沒人理會這個醫學史上的重大發現。
由於當時弗萊明並無法將青黴素純化出來，因此他只能以含有微量青黴素的粗培養液進行實驗，雖然這些粗培養液能夠有效殺死試管中的細菌，但當餵食給被細菌感染的兔子或老鼠時，卻發現無抑菌的能力。這樣的實驗結果，使得弗萊明認為青黴素在動物體內無法繼續維持其殺菌的效力，因此在發表幾篇論文後，就終止了這個研究，使得抗生素的發展停頓了將近十年之久。直到一九三九年，才再度由澳洲旅英病理學家弗洛理 (Howard Walter Florey) 及其同僚錢恩 (Ernst Boris Chain) 繼續進行這個抗生素的研究。
一九四○年，弗洛理與錢恩首度從青黴菌的粗培養液中純化出青黴素，並用「老鼠保護試驗法」進行動物實驗。首先，他們將致死劑量的細菌注入八隻老鼠的體內，其中四隻再追加那些初步純化出來的青黴素，結果發現只有那些注射過青黴素的老鼠存活下來。一九四一年，青黴素首度進行人體試驗，並證實它能有效治療經由細菌感染的症狀。同年，弗洛理到美國商談青黴素的量產方法，再加上第二次世界大戰的催生，因此在一九四二年，青黴素得以順利量產與應用。於一九四五年，弗萊明、弗洛理與錢恩三人，更因發現、純化與量產青黴素而獲頒諾貝爾生理醫學獎。
由於青黴素的發現及其神奇的療效，引起了其他抗生素的研究風潮，例如一九四四年，瓦克斯曼 (Selman Waksman) 在灰色鍊黴菌中發現鍊黴素，由於鍊黴素是當時第一個能夠有效治療肺結核的藥物，瓦克斯曼因而獲頒一九五二年的諾貝爾生理醫學獎。他的成功，再一次引起全世界科學家對利用微生物生產抗生素的研究熱潮。
氯黴素、新黴素、土黴素、四環素都相繼在一九五四年前發現，而萬古黴素亦於一九五六年，由東方鏈黴菌屬的發酵物中純化出來，接著往後的十年間，新的抗生素如卡那黴素、灰黃黴素、巴龍黴素、林可黴素、慶大黴素、妥布黴素陸續發現，直到一九六○年代末期，人類可用來對抗細菌的武器已不下十數種，這樣蓬勃的抗生素研究結果，讓人類順利地脫離一九四○年代前飽受傳染病威脅的窘境。
抗生素的種類與功能
抗生素是一種相當理想的殺菌藥物，因其具有良好的選擇性毒性，也就是說，抗生素只會針對病原細胞作用，而對人體細胞無害。一般而言，由於菌體細胞與人類細胞在結構與代謝模式上有很大的差異，如前者具細胞壁，而後者無，使得抗生素容易辨識並攻擊病原菌，所以這類藥物的選擇性毒性通常比較高，也就是說其副作用比較低。
自一九四一年青黴素應用於臨床以來，經各方微生物學家及生化學家的努力，迄目前為止，已發現的抗生素種類已達幾千種之多，依據美國疾病管制局的檔案資料顯示，目前臨床使用的抗生素就有一百五十多種。這些抗生素主要是從微生物的培養液中純化，或者經合成或半合成的方法所製得，依其抑菌模式可概分為核酸合成抑制劑、蛋白質合成抑制劑、細胞膜功能抑制劑及細胞壁合成抑制劑四大類。
「核酸合成抑制劑」的代表性藥物有磺胺類、啉酮類及立放平，它們都是藉由抑制菌體核酸正常代謝而達到殺菌功效的藥物。例如在去氧核醣核酸 (DNA) 的合成過程中，細菌必須自行製造葉酸，而人類細胞則可以自食物中取得，因此，若能抑制菌體內葉酸的合成，就能停止細菌的增長，而且不會傷害人類細胞，像磺胺類藥物，就是利用這個差異而選擇性地殺害病原菌。另外，啉酮類藥物是抑制螺旋酶的活性，使 DNA 形成超螺旋結構的步驟受阻而達到滅菌的效果。立放平則是抑制細菌核醣核酸 (RNA) 聚合酶的活性，使得 DNA 轉錄 RNA 的動作受阻，最後因無法合成必要酵素而達到滅菌的功效。
蛋白質是生物體必要的代謝物質之一，因此在不影響人類細胞的正常代謝下，任何具專一性，並能有效抑制菌體內蛋白質合成的機制均可用來設計藥物，目前利用這種作用機轉的抗生素有胺基醣苷類、四環黴素類、綠黴素等，這些藥物一般歸類為「蛋白質合成抑制劑」。此類藥物之所以對菌體具有選擇性毒性，主要是在於菌體細胞與人類細胞的核醣體組成不同所造成，而核醣體就是蛋白質合成的位點，因此藥物只要能選擇性地作用在菌體細胞的核醣體上，就能有效地抑制菌體合成蛋白質，進而殺死菌體。而這種機轉並不會影響到人類細胞中的蛋白質合成，因為此類藥物不會作用在人類細胞的核醣體上。
細胞膜是一種由磷脂和蛋白質分子所構成的半透膜，具有選擇性通透與主動運輸兩大功能，因此對菌體而言，其重要性並不亞於細胞壁。但由於黴菌與細菌的細胞膜構造與動物細胞的結構不同，所以較易受到多烯類或多黏桿菌素類抗生素的破壞，因而影響菌體細胞膜的通透性，這是抗生素另一個抑菌的方式，一般而言，這類藥物均歸類為「細胞膜功能抑制劑」。
例如大腸菌素與多黏桿菌素類，一般是具有界面活性的物質，能選擇性地與細胞膜中的磷脂結合；而制黴菌素和安福黴素 B 等多烯類抗生素，可與黴菌細胞膜中的固醇類物質結合。這兩大類的藥物均能使細胞膜的通透性增加，最後因菌體內的蛋白質、核酸、胺基酸、醣化合物和離子外漏而達到殺菌的目的。
菌體的細胞壁結構強韌，能抵抗菌體內強大的逆滲透壓，因此具有保護和維持菌體正常形態的功能。由於細胞壁是微生物特有且必需的構造，因此只要能有效地抑制細胞壁合成，就能選擇性地殺死病原菌，利用這個方式抑菌的藥物包括青黴素、頭孢菌素類、萬古黴素等，而這些藥物一般歸類為「細胞壁合成抑制劑」。簡言之，這類藥物的目的就是在細胞壁上打洞，使得該處細胞膜因失去保護而破裂，最後因細胞質大量外漏而達到殺菌的目的。
雖說這類藥物都是以破壞細胞壁為目的，但更深入些來看，其實青黴素與萬古黴素的挖洞方式卻有些不同，為了探討這個差異，後續將以更深入的化學觀點來描述細胞壁的合成及此類藥物的作用機制。
聚合與交聯作用使細胞壁具高強度
菌體細胞除了許多生物代謝模式不同於人類細胞外，另一個很大的差異是菌體細胞具有「細胞壁」, 而人類細胞沒有。由於菌體會利用主動運輸來濃縮溶質，使得體內的逆滲透壓高達 5~20 大氣壓，為了抵抗這股強大的壓力，菌體必須有個高強度的細胞壁來保護。然而，細胞壁為何具備這項特性，就必須由其結構來說明。
一般而言，革蘭氏陽性菌的細胞壁是由「N— 乙醯葡萄糖胺」、「N— 乙醯胞壁酸」、「短五胜肽」與「交聯胜肽」四部分所構成的，為了提供高強度的特性，菌體必須將這些構築基塊，依序串聯在一起。首先，二磷酸尿草 —N— 乙醯胞壁酸會依序與胺基丙酸、麩胺酸、離胺酸及一個雙胜肽 (D-Ala-D-Ala) 反應而生成二磷酸尿草 —N— 乙醯胞壁酸 — 五胜肽。接下來，二磷酸尿草 —N— 乙醯胞壁酸 — 五胜肽將與脂質攜帶者結合，然後再以醣酶鍵與二磷酸尿草 —N— 乙醯葡萄醣胺反應生成「雙醣 — 胜肽」, 接著再經交聯胜肽鏈修飾形成「雙醣 — 胜肽 — 交聯胜肽鍵」。這「雙醣 — 胜肽 — 交聯胜肽鍵」在脂質攜帶者的幫助下穿過細胞膜，緊接著與正在成長的胜醣反應並釋放出脂質攜帶者，這個反應將增加胜醣鏈的長度。最後在肽基轉移酶的催化下，進行重要的交聯反應，而生成具高強度的網狀細胞壁。
青黴素如何在菌體細胞壁上「打洞」
乙內醯胺類抗生素是目前全球使用最廣泛的抗生素，青黴素與頭孢菌素均屬此類；在化學結構上，它們都包含一個四環的乙內醯胺環，其生物活性與這個特別的結構有關，因此某些耐藥菌會產生乙內醯胺酶來破壞這個結構，使這類藥物失去殺菌的功能。乙內醯胺類抗生素主要的功能在於阻止菌體細胞壁正常的合成步驟，使得細胞壁脆弱而失去抵抗逆滲透壓的能力，最後因菌體破裂而達到殺菌的目的。
從化學的角度來看，此類抗生素之所以具備這項能力，其原因是在細胞壁的合成過程中，包含了「聚醣鏈的增長」及「聚醣鏈的交聯」兩個重要的步驟，而這些反應必須分別在「胜醣酶」及「肽基轉移酶」的催化下才能順利進行，青黴素就是因部分結構和短五胜肽鏈中的 D-Ala-D-Ala 在立體結構上非常類似，因此會競爭性地抑制肽基轉移酶，使細胞壁的交聯程序受阻，進而達到殺菌的目的。
細菌抗藥性的檢驗
自青黴素應用於臨床以來，由於它神奇的治療效果，使得抗生素被廣泛使用，目前甚至有濫用的情況，因此造成經由適應性突變而產生的耐藥細菌越來越多，使得「抗生素感受性試驗」的分析愈顯重要，其主要功能是用來檢測細菌的耐藥性，或確定病原細菌對哪些藥物具有抗藥性，以提高對症下藥的保證。
一般而言，抗生素感受性試驗的定性分析結果可分為「抗藥性」、「敏感性」及「中間性」三種。若分析結果為抗藥性，表示此藥物並無法有效抑制該株細菌生長，也就是說，醫生不能按常規或以往成功的經驗進行治療，而必須選用其他的藥物；相反地，若結果為敏感性，則表示該株病原菌對此藥並無抗藥性，因此醫生可以將其當成用藥的選擇。
在抗生素感受性試驗中，「紙錠擴散法」是相當常用的一種方法。一般而言，其檢測步驟是先將待測菌液以攝氏 37 度的條件振盪培養隔夜，接著利用無菌棉花棒沾取菌液，並均勻塗滿培養基，然後將已塗滿待測菌液的培養盤置於抗生素紙錠分置器之下，壓下各種抗生素紙錠，最後置於攝氏 37 度培養室中培養，隔日以尺測量抑制環的大小來決定其為敏感性、中間性或是抗藥性。由上述紙綻擴散法的分析流程來看，其特點是方便、易操作；且測定的藥物隨意可變，靈活性強；最重要的是紙綻擴散法有一套完善的品質控制方法，其結果可靠。
抗萬古黴素腸球菌的種類
在利魯唑 (Synercid) 與采福適 (Zyvox) 這兩款新藥臨床應用以前，「萬古黴素」一直是抗菌藥物的最後一道防線，素有「銀色子彈」的美名。由於近年來人類大量的使用，已陸續發現抗萬古黴素腸球菌 (VRE) 及抗萬古黴素金黃色葡萄球菌 (VRSA), 並引起專家學者、醫療人員及大眾的高度關切及研究，期能求得解決的方案。
在一些對萬古黴素具抗藥性的細菌研究中，抗萬古黴素腸球菌可說是被系統化研究最為透徹的，一般根據其對萬古黴素及壁黴素的抗藥能力，而區分為 vanA、vanB 及 vanC 三種菌株。
「vanA 菌」是從屎腸球菌、糞腸球菌中分離出來的，一般而言，它們對萬古黴素及壁黴素都具有高度抗藥性。從生化的角度來看，vanA 型菌株的抗藥性基因是位於質體上，它可經由接合作用將含有抗藥性的基因傳遞到另一株細菌內，而這種傳遞方式亦可能發生在不同的菌種間，因而導致抗藥性的擴散與蔓延，這也是近幾年抗萬古黴素金黃色葡萄球菌 (VRSA) 激增的原因之一。
「vanB 菌」可從屎腸球菌、糞腸球菌、母雞腸球菌中分離出來，其抗藥性基因是位於細菌的染色體上，雖然它的傳遞頻率較 vanA 型菌株低，但依然可經由接合作用將含有抗藥性的基因片段傳遞到另一株細菌上。一般而言，vanB 型菌株對萬古黴素具有中度抗藥性，而對壁黴素則為感受性。
「vanC 菌」是從母雞腸球菌、酪黃腸球菌中分離出來的，其抗藥性基因所在的位置與 vanB 型菌株相同，都是位於細菌的染色體上，但該段基因不具有傳遞性。一般而言，vanC 型菌株對萬古黴素呈低度抗藥性，而對壁黴素則為感受性。
抗萬古黴素腸球菌如何對抗萬古黴素
一般來說，萬古黴素主要是用來殺害像腸球菌、鏈球菌及葡萄球菌這類革蘭氏陽性菌的抗生素，但對革蘭氏陰性菌 (如大腸桿菌) 則比較無效，其主要原因是革蘭氏陰性菌在細胞壁外尚有一層外膜，它會阻礙萬古黴素直接與細胞壁前質結合，因此革蘭氏陰性菌天生就對萬古黴素具有很高的抵抗力。
萬古黴素類似杯形的分子結構與細胞壁前質末端的 D-Ala-D-Ala 在立體上有很好的契合，並以五個氫鍵呈現結合的專一性，使得萬古黴素易於跟細胞壁前質末端的 D-Ala-D-Ala 結合，因而阻止細胞壁前質加到正在成長的胜醣上，並使得後續的轉醣酶與肽基轉移酶無法繼續作用。經由上述一連串的抑制動作，使得新生的細胞壁鬆散而無法抵抗菌體內強大的逆滲透壓，最後導致菌體破裂而達到殺菌目的。
雖然萬古黴素巧妙地抑制細胞壁成長而達到殺菌的目的，但細菌並未因此而絕跡，由於其適應性的突變能力，為它們自己打造了一套抗藥的機制。例如抗萬古黴素腸球菌就將原來細胞壁前質末端的 D-Ala-D-Ala 改造成 D-Ala-D-Lac, 這種新型的細胞壁結構，使萬古黴素對其親合力下降達一千倍之多。也就是說，萬古黴素將無法有效地抑制轉醣酶與肽基轉移酶的作用，使新生細胞壁在萬古黴素存在的狀況下，依然能有效地增長與交聯，最後導致「抗萬古黴素腸球菌」對萬古黴素具有強大的抗藥性。 |
立克次–立克次疾病的研究先驅 | 人類的立克次疾病
立克次病原體 (rickettsia) 在生物分類上，是屬於革蘭氏陰性細菌，它們體型比一般細菌微小，呈球狀或接近球形的短小桿狀。它們無法在一般的細菌培養基上生長，必須在活的宿主細胞內寄生繁殖，通常藉由節肢動物 (如跳蚤、壁蝨、體蝨等) 的吸食血液或是糞便污染，而傳染給新的宿主。除了人類外，許多脊椎動物尤其是哺乳類，都可被其寄生而造成各式各樣的疾病。立克次疾病通常會造成身體發燒與皮膚上出現斑疹，嚴重的還會致命，是人類主要的傳染病。
人類較主要的立克次疾病包括：(1) 斑疹傷寒–病原菌是普氏立克次體，由體蝨在人群間相互傳遞，是人類歷史上惡名昭彰的一個重要疾病；(2) 地方性斑疹傷寒–病原菌是莫氏立克次體，由跳蚤自鼠類傳遞給人類；(3) 戰壕熱–病原菌是五日熱立克次體，曾在第一次世界大戰期間流行於歐洲戰場上，經由鼠蚤的咬噬，把病原菌從鼠傳給人，或是人傳給人；(4) 洛磯山斑疹熱與非洲壁蝨斑疹傷寒–都是經由壁蝨傳染給人的立克次疾病；(5) 立克次痘疹–病原菌是痘立克次體，以梁類為媒介，從家鼠傳染給人類；(6) 恙蟲病 (叢林斑疹傷寒)–病原是恙蟲病立克次體，常發生在東亞與日本等叢林中，是由恙蟲把病原從野生動物傳染給人的疾病；(7) Q 熱–一種由家畜傳染給人的立克次疾病，可經由吃了污染的乳品，甚至吸入空氣中的病原顆粒而感染，是一種流行於農場與屠宰場工人間的疾病；(8) 犬艾莉希症–於一九八六年才鑑定出的一種立克次疾病，病原體是艾莉希立克次體，經由壁蝨從家畜或寵物傳染給人的疾病，也是家犬主要的疾病之一。
生平與求學經過
霍華・泰勒・立克次 (Howard Taylor Ricketts,1871 - 1910, 以下簡稱立克次) 於一八七一年二月九日出生在美國中西部俄亥俄州的芬利。他的父親安得魯與母親南西是虔誠的衛理公會教徒，非常重視子女的教育。立克次從小生活在家境小康的農莊，長得高大健壯，充滿活力。初中畢業後，他的父母把他送到離家數百英里外伊利諾州的埃文斯頓念高中。埃文斯頓位於芝加哥北方的密西根湖畔，風景優美，文風鼎盛，也是著名的西北大學所在地。
一八九○年，立克次高中畢業後，便就近進入西北大學就讀。次年，他的父親把全家搬遷到內布拉斯加州的林肯市，因此他也轉學到內布拉斯加大學，主修動物學。但是好景不常，一八九三年美國發生經濟大危機，他的家庭也遭遇財務上的困難，因此只好自籌學費與生活費完成大學學業。
一八九四年他申請進入西北大學醫學院就讀，並幸運地在該校醫學博物館覓得一職，才得以無後顧之憂地完成學業。他於一八九七年獲頒醫學士學位，畢業後進入庫克郡立醫院擔任實習醫生，次年獲任為芝加哥羅施醫學院的病理學研究員。一九○○年四月八日，他與美拉・塔伯 (Myra Tubbs) 結婚，婚後生活極為美滿。
展開研究工作
剛自醫學院畢業意氣昂揚的立克次，醉心於追求新知識及研究工作，因此他接受芝加哥大學病理學系系主任海克頓醫師 (Dr. Ludvig Hektoen,1863 - 1951) 的建議與推薦，遠赴德國柏林進修醫學。他的兒子亨利便是在柏林出生的。之後，他又轉赴當時微生物學的重鎮–在法國的巴斯德研究所進行研究。這些經歷大大地擴展了他的視野，更重要的是讓他有機會進入當時正蓬勃發展的微生物學領域。
一九○二年，立克次回到芝加哥大學擔任病理學副教授，年薪一千美元。他對於微生物傳染疾病有濃厚的興趣，但是卻不願意用傳統的實驗方法來進行研究。他有時會進行一些「非正統的研究」, 例如把病原微生物注射到自己體內，親自感受微生物致病的效應。他首先研究一種感染人類皮膚的黴菌疾病–芽生黴菌症，並發表了一系列的論文。一九○四年，他被任命為當時芝加哥大學醫學院院長道得遜 (John M. Dodson) 的助理。一九○六年，他出版了第一本專書，書名是《感染、免疫及血清治療》。
研究洛磯山斑疹熱
一九○六年春天，立克次到蒙大拿州的密蘇拉度假，在那兒他注意到流行於當地的一種不尋常的疾病。於是他決定要對這個疾病展開研究，而他也因此而留名青史。這是一種被稱為洛磯山斑疹熱的傳染病，流行於當地洛磯山脈地區的居民中，立克次觀察到這疾病似乎局限在特定的地理區域中。病患起先會產生頭痛、肌肉痛、以及關節疼痛，繼而在皮膚上出現出血性斑塊，如無適當治療，死亡率可高達 80~90%。這疾病的潛伏期大約是 4~8 天。在當時，無人知曉這疾病的成因與致病的病原微生物。
立克次於是從麥科明克紀念研究院、蒙大拿州政府、芝加哥大學、以及美國醫學會募集到研究經費，對洛磯山斑疹熱展開研究。而他的生活也一分為二，一方面要經常抽空遠赴蒙大拿州野外蒐集病人檢體，一方面則須兼顧芝加哥大學的教學與實驗室內的研究工作。在當時，一般人多認為洛磯山斑疹熱的病原是一種稱為梨漿蟲的寄生性原生動物 (也稱為焦蟲或巴貝斯蟲), 至於它的傳染媒介，則眾說紛紜莫衷一是。
立克次首先用顯微鏡觀察病患的血液，他發現在這些血液樣品中出現一種接近球形的短小桿菌，很可能就是病原細菌，但是他卻無法用一般的培養基進行體外培養。其次，他把病患的血液注射到天竺鼠體內，或是以壁蝨吸食病患血液後，再去咬噬天竺鼠，都可以導致天竺鼠罹患相同疾病。他也試驗了各式各樣的吸血媒介昆蟲，發現只有壁蝨能夠傳播這個病原菌。他成功地證明了洛磯山斑疹熱的病原體是一種在宿主體內絕對寄生性的細菌，而不是一般通認的梨漿蟲。
他還發現帶菌的壁蝨所產的蟲卵中含有大量的病原菌，因此能透過蟲卵把這種病原菌垂直傳染給壁蝨後代。經過三年的時間，這一系列嚴謹而完整的實驗，澈底釐清了洛磯山斑疹熱的成因與傳染途徑，也因此才得以使公共衛生學家們進行預防的工作。由於立克次無法在體外的培養基上培養這個病原細菌，因此他並沒有對這個細菌定出學名。但是後世科學家們為了表彰與紀念立克次在研究這種特殊病原菌上的貢獻，因此把他發現的這種病原體命名為「立克次病原體」或「立克次菌」。
如今我們已經了解，立克次病原體經由媒介昆蟲的咬噬進入宿主的皮膚後，首先在傷口處開始繁殖，然後侵入血液以及血管內皮細胞，導致細胞受到損傷並釋放出立克次菌的內毒素，而這一系列的反應則造成了宿主的發燒與皮膚出現斑疹。由於立克次菌無法在體外培養，因此對病原菌的檢驗通常是採用螢光抗體來偵測患病組織檢體，或是用酵素連結免疫吸附分析法 (簡稱 ELISA) 來檢驗病患的血液。
在立克次逐漸釐清洛磯山斑疹熱的同時，他的發現卻導致了當地房地產的下跌，惹惱了不少開發公司及建築商人，甚至一位來自美國農業部的昆蟲學家也斷然地反對壁蝨就是傳播這疾病的媒介。儘管如此，立克次仍然決心要打贏這場戰爭。
在那之前不久 (一八九三年), 美國一位史密斯醫師 (Theobald Smith,1859 - 1934) 曾發現「德克薩斯牛瘟」也是由壁蝨所傳播造成的。他強制採用牛隻浸水去除壁蝨的方法，成功地消滅了牛瘟，也挽救了美國牛隻畜牧業。一九○九年，立克次也決心採用相同的方式，首先消滅傳染媒介物壁蝨，使洛磯山斑疹熱的病原菌傳染的途徑中斷，疾病自然就被消滅了。而他所建立的病媒控制制度，也證明是當時預防洛磯山斑疹熱最有效的方法。
研究斑疹傷寒
一九○九年，墨西哥市爆發斑疹傷寒。由於洛磯山斑疹熱的研究已告一段落，因此立克次接受邀請，於十二月抵達墨西哥市協助對抗與研究斑疹傷寒，這是因為斑疹傷寒與他先前所研究的洛磯山斑疹熱極為相似的緣故。利用他先前的研究經驗與技術，立克次與他的一位名叫威德 (Russell M. Wilder) 的學生很快地便發現，斑疹傷寒的病原細菌與洛磯山斑疹熱的病原菌非常相似，都是一種無法在培養基上生長，而必須在宿主細胞內絕對寄生的細菌。他也認為斑疹傷寒應該是由一種類似壁蝨的節肢動物為媒介所傳遞的傳染病。
先前在非洲，一位法國醫生尼科 (Charles Jules Henri Nicolle,1866 - 1936) 便曾主張體蝨是傳遞斑疹傷寒的病媒，尼科也因為研究斑疹傷寒有重大的貢獻，而於一九二八年獲得諾貝爾醫學生理獎。立克次在當時並不知道尼科已經發現體蝨是這個疾病的病媒，但經過他在墨西哥市的獨立研究，證實了尼科的發現，也就是體蝨確是傳遞病原菌的媒介。
英年早逝與身後的榮耀
在墨西哥市，立克次全心投入斑疹傷寒的研究工作，經常親自診視病患與採集檢體，在隔年四月中旬竟因而感染到斑疹傷寒。由於病勢猛烈，延至五月三日不幸過世，時年僅三十九歲。消息傳來，震驚各界。《芝加哥論壇報》稱他是「具有高度的勇氣，為人道理想而獻身。」墨西哥市則設立了以立克次為名的紀念實驗室，向這位為醫學而犧牲性命的優秀科學家致敬。他的遺體則被運回伊利諾州的科克伍德市安葬。
一九二○年，立克次的妻子美拉為了紀念他的丈夫，捐出五千美金給芝加哥大學作為基金，而由基金衍生的利潤則用來作為一年一度的「霍華・泰勒・立克次獎」(Howard Taylor Ricketts Prize), 專門頒發給在病理學或細菌學上有傑出研究成果的學生。而芝加哥大學也向各方募捐，在該校的病理、衛生與細菌學系建立了一棟「立克次實驗室」。這棟建築物在七年後因校務的發展，而更名為「科斯坦物理教學中心」。
但是立克次並沒有被人們遺忘，如今「霍華・泰勒・立克次獎」已經成為美國病理學與微生物學界極為知名的獎項，許多科學家都以能獲得這個獎而引以為極大的光榮。二○○三年，芝加哥大學從美國國家衛生院獲得一筆一千七百萬美金的補助款，以及校方的一千三百萬美金配合款，用來重建一棟新的「立克次實驗室」。這棟實驗室的主要目標是用來提供各種傳染疾病的檢測、預防、撲滅等方面的研究，其中還包含了針對危險傳染病特別設計的最新穎的「生物安全」實驗室。
除了上述的種種榮耀之外，立克次在細菌學上還有著永遠不會被大家忘記的的功勳，那就是以他的名字所命名的立克次目、立克次科、立克次屬、以及立克次種 (科、目、屬、種都是生物分類學上的分類階層)。而談到立克次體 (或稱立克次氏體) 造成的疾病，大家也都會再次憶及這位為科學而犧牲奉獻的傑出細菌學家。
立克次有如科學界的一顆閃亮流星，雖然他只活了短短的三十九年，但是他留給人類的遺產卻非常的豐富。他不僅打開了立克次疾病的研究大門，使人們能夠依循他的腳步繼續前進，對抗立克次病原體造成的疾病；更可貴的是他那無私無我、犧牲奉獻的高貴情操，鼓舞了無數的年輕學子投入傳染病學與細菌學的研究。
附記
在中國古籍上也記載有立克次病原體所造成的疾病–「恙蟲病」。例如「恙蟲」二字便出現在《說文》中，而一般人也會用「別來無恙」來彼此問安。在唐朝顏師古的《匡謬正俗》一書中也說:「恙，噬人蟲也，善食人心。古者草居，多移此害，故相問勞，曰無恙。」可見恙蟲病在唐朝時就是一個常見的疾病了。
晉朝葛洪 (284 - 343) 在他所著的《肘後方》(中國古代一本著名的醫書) 一書中便首次提到恙蟲熱，他把恙蟲的幼蟲稱為「沙虱」, 這是世界上最早的恙蟲熱紀錄。而書中對恙蟲熱也有一段極為精確的描述:「初得之，皮上正赤，如小豆黍米粟粒；以手摩赤之，痛如刺。三日之後，令百節強，疼痛寒熱，赤上發瘡。」恙蟲熱就是由這種形似小蜘蛛的沙虱做為媒介而散播的一種傳染病，其病原立克次病原體經由恙蟲吸食人血時而傳入人體內。
這病症流行於東南亞及我國東南沿海各省，葛洪明確指出，這病多發生於嶺南，是由沙虱所傳染的。 有關沙虱的生活習性，他言道:「沙虱水陸皆有，其新雨後及晨暮前，跋涉必著人。」又指出「其大如髮之端，初著人便入其皮裏。」因此預防的方法是，在山澗浴後「以布拭身數遍」, 再用舊帛「拭之一度」, 以防止恙蟲侵入皮裡。而治療上則可用熱蒜片覆瘡灸治，或用樹葉的葉尖把沙虱挑走；如果已侵入皮裡，則需「以針挑之」。
在居家衛生的防治上，他更指出可以養鵝、鴨來吃食沙虱，消除病媒，便可減少得病的機會。在一千六百年前葛洪這段對恙蟲熱及病媒恙蟲所做的觀察與描述，與今日醫學院教科書上所記載的知識及防治方法，基本上並無二致。古人的這種成就，實在令人佩服與感到驕傲。
梁朝陶弘景 (456 - 536) 所著的《肘後備急方》也說「射工」、「沙虱」咬噬的刺口會產生豆粒狀的潰瘍，而不產生潰瘍的則稱為「溪溫」。他所謂的「射工」和「沙虱」指的也可能是我們現今所說的跳蚤、壁蝨和體蝨之類的節肢動物，是傳遞立克次病原體的媒介。
中國與臺灣常見的立克次疾病是由一種學名稱為「東方立克次病原體」所引起的，侵入人體後，潛伏期大約是 10~14 日。出現的症狀有寒顫、暈眩、頭痛及發熱；2~3 天後，淋巴結開始腫痛；4~8 天間，出現暗紅色的斑疹，首先出現於臉部，然後擴展到胸、腹和四肢。斑疹最後會形成潰瘍，但不出膿，稱為腐痂。痂子後來會變成黃色，體發高熱，劇烈頭痛，可持續到 21 天左右。其他症狀還包括發冷、咳嗽、噁心、肌肉與關節疼痛、頸部強直、腹部壓痛等。
中國歷史上的立克次疾病多發生在江南，尤其是嶺南為多，這是因為恙蟲喜生長在潮濕、炎熱、排水不良的地方。家禽中的鵝、鴨會吃食沙虱，故多飼養家禽的人口密集鄉村，較少發生立克次疾病。古代人用熱蒜片覆瘡溫灸來治療恙蟲熱，現代則可用抗生素來治療。但做好環境衛生與個人衛生，則是最佳的預防方法。 |
世間的精靈–昆蟲:醜陋的天使–談蠅蛆的利用 | 蛆 (maggots) 是一種以扭動軀體爬行的蠕蟲，雖然在日常用語中已被擴大解釋使用，甚至在昆蟲學通俗名稱的使用上，也沒有一定的準則，如某些蛾類毛蟲狀的幼蟲也常用蛆來稱呼。但嚴格來說，昆蟲中僅有雙翅目蠅類的幼蟲，可以稱為真正的蛆蟲，牠們無足且缺乏完整的頭殼，一般用蠕動、扭曲或延伸來移動或彈跳，並用藏在頭部的鉤狀口器以刮食的方式來取食。
「腐肉生蛆」是人類對蛆蟲的初始印象，我們現在已了解如果只有腐敗物而沒有蠅類先來產卵，腐肉也不會長出蛆。這個印象當然多少也反映出人類對蛆蟲在自然界中分解者角色的認知。
做為代表蠅類完全變態的一個時期，蛆在大多數的種類中都有一些共同的特色。例如生活史相對於整個壽命來說是較短的，通常在短短幾天內就會完成，幼蟲通常有 3 個齡期，卵孵化及脫皮兩次後化蛹。蛆的形態構造非常簡單，除了口器、氣孔外，通常沒有其他明顯特徵，因此在種類辨識上一般極為困難。
蛆在自然界中扮演主要分解者角色的地位已無庸置疑，牠們無所不在，具有很強的環境適應力，也是近年來強調生物多樣性研究中不可或缺的一環。當然這裡所謂的分解者，完全是用人類的觀點來看，分解一些人類製造或認為廢棄無用的垃圾。然而這種消極的看法，在近年來已慢慢開始轉換成積極的應用。以下就以常見的蠅類蛆蟲，特別是高等蠅類的幼蟲為例，說明這些令人厭惡的蛆蟲如何轉變成人類的幫手。
在法醫學中的應用
利用昆蟲學知識協助刑事案件偵查的一門學科，稱為法醫昆蟲學。或許大家有興趣的是，在科技高度發達的今日，昆蟲證據還能夠提供什麼資訊呢？在死亡案件的刑事偵查和法醫鑑識中，並不是所有的證據都可以直接且輕易地從死者身上獲得。在屍體分解腐敗過程中扮演主要角色的昆蟲，便成為資訊來源和分析的重要工具之一，法醫昆蟲學可提供如死亡時間、死亡地點或死亡原因的推估。
簡單來說，昆蟲在屍體上的活動和生長模式是可以預測的，一旦發現超出預期結果的資料，顯示該屍體必然經過了某些非自然因素的影響。利用昆蟲的種類、分布、發育速率和消長模式等資訊，有助於協助釐清這些問題。
在眾多的昆蟲類群中，雙翅目的蠅類可以稱得上是最重要的分解者，特別是麗蠅及肉蠅，通常會在很短的時間發現屍體，並在屍體上產卵。一般從幾小時甚至短至數分鐘內，第一批蠅類便會到達屍體，也因為這種特殊的習性，蠅蛆非常適合用來估算屍體死亡到被發現的時間間隔，也就是死後間隔時間 (post-mortem interval, 簡稱 PMI)。PMI 估算於是成為近年來法醫昆蟲學的研究主軸。利用溫度與發育時間乘積所得的定值積溫，可以回推麗蠅的產卵時間，進而決定屍體死亡暴露的時間。
然而麗蠅在死屍上的產卵與幼蟲發育狀態，並非是全然不變的，除了溫度外，其實還有許多可能的變因。這些影響產卵發育的因子，到目前為止仍是法醫昆蟲學努力研究的方向。常見的狀況如屍體和外界隔離而延緩蠅類接觸產卵，用包裹掩埋等手段，會使得屍體昆蟲相發展延遲許多。又如屍體先前歷經了焚燒、浸水或風乾等過程，會在某種程度上加速或延緩麗蠅的產卵，或改變幼蟲生長發育的速率。
1990 年代開始興起的法醫昆蟲毒理學，是藉由分析蠅蛆體內的化學成分，了解其與取食屍體的體內毒品、農藥或其他化學成分如火藥殘留物等的關聯。近幾年更有學者嘗試自蛆蟲體內找出可供辨識死者身分的 DNA 片段。在一些特殊的場合，蛆蟲胃含物中的人體粒線體 DNA STR 片段序列，會有助於釐清蛆與屍體的關係，並提供身分鑑定的直接證據。
許多影響蠅蛆在屍體上生長和活動的生物或非生物因子，都已在近幾年陸續提出。藉由法醫昆蟲學證據而破案的例子，多歸功於學者對於這些蛆蟲的深入研究。
蠅蛆症與蛆療法
蛆與人類最重要且直接的接觸，是一類稱為蠅蛆症的疾病，它是指蠅類幼蟲感染人體或脊椎動物的組織器官所形成的一種疾病。蠅蛆利用寄主活、死的組織或消化過的食物為食，蠅蛆症會導致寄主中、重度的生理障礙，有時甚至造成死亡。蠅蛆症可依侵害寄主的不同部分來區分，如皮膚、胃腸、尿道、陰道、眼、耳、口、鼻腔蠅蛆症等。人類蠅蛆症病例在衛生環境比較好的地區其實已經不多見，倒是在豢養的家畜中，依然是一項可能造成危害的問題。
暫且不提蠅蛆症的為害和防除等問題，蠅蛆在動物身上的活動倒不一定是完全有害的，用蛆做為醫療用途就是其中一個例子。我們了解現今許多人類的醫療方法或配方，最早是來自於其他生物的貢獻。最常被提到的包括取自於真菌的盤尼西林抗生素，以及水蛭、蛇、蝙蝠的唾液抗凝血物質。
依非正式的估算，目前販售的處方藥中，有超過 40% 的藥物是直接或間接取自自然界中的其他生物。以種類最具多樣性的昆蟲而言，已有許多的生化物質被人類所利用，像費洛蒙及毒液等。而直接拿活體昆蟲應用在人體醫療的例子中，最特殊的莫過於蛆療法了。
人類對蠅蛆活動在傷口產生正面效應的了解，其實可以回溯到幾世紀以前。蛆療法在清理傷口的醫療功效，主要起源於 1860 年初期的美國內戰和 1910 年代的第一次世界大戰期間，對受傷士兵的治療。1940 年代開始的抗生素醫療，大大降低了這種傳統療法的使用。近年來醫學界對蛆療法的重新重視，主要是對於部分慢性傷口感染及一些對抗生素產生抗性的超級病菌的處理。
雖然並不是所有的傷口感染都適合使用蛆療法，但國外已有許多醫院開始使用這類方法，治療一些如糖尿病患者的慢性潰瘍傷口、褥瘡、燒燙傷，或是如福耳尼壞疽等難纏的發炎，有的治療也已獲得了很好的效果。
蠅蛆在傷口上的醫療機制，一般認為至少具有清除壞死組織、抗菌和加速癒合等功效。在使用蛆療法時，最大的挑戰除了病患的心理障礙外，應該就是如何取得安全衛生的醫用無菌蛆。在歐美等地，商品化的特殊敷料已成功地開發出來，目前有傳統使用蛆在傷口中取食的含蛆敷料，和新近開發的蛆袋敷料兩類商品。到目前為止，雖然還無法了解蠅蛆在治療傷口時的完整機制，但最近的研究顯示蛆蟲的分泌物質有高度抗菌效果，且有極佳的穩定性，可能有開發成為新一代抗超級病菌藥劑的希望。
授粉的應用
約在 1975 至 1980 年期間，臺灣南部種植的芒果面臨了大範圍開花但無法正常結果收成的問題，當時的初步判定是授粉失敗所導致。我們滿懷希望地把授粉的重任寄望在蜜蜂身上，大規模地在臺南玉井、屏東枋山等地芒果園進行了罕見的果樹罩網試驗，來評估意大利蜂對芒果花授粉的效益，然而結果卻非常令人失望。
約莫就在同時，南部的果農們開始採用藉由大量的腐敗魚屍，吸引麗蠅在果園活動的授粉方式，其起源據聞是因為隔鄰養雞場的金蠅活動，會提高芒果結果率而來。在口耳相傳之下，幾年內這個問題已獲得了解決。後來的研究顯示芒果花對蜜蜂幾無吸引力，花蜜中所含的酸性和黏性物質，更是蜜蜂所不喜歡的。在自然環境的芒果園訪花昆蟲調查結果中也顯示，並無任一類原本活動於果園中的昆蟲足以勝任授粉的任務。
然而用麗蠅為芒果授粉之後，隨之而來的問題是因棄置腐魚所造成的環境污染，和對於鄰近居民生活的干擾問題。每到芒果開花期，果園附近惡臭四起，麗蠅密度太高令人不勝其擾。在過去曾有用人工方式大量飼養麗蠅並野放芒果園的構想，但後來發現如此並不能讓麗蠅留滯果園，達到授粉的效果。只有把產卵誘因長期留置園中，吸引成蟲前來產卵，並維持蛆蟲至下個或數個世代於這種環境中，才能配合芒果開花期持續完成授粉。換言之，營造適合產卵或蠅蛆生存的環境，才能真正達到芒果授粉的目的。
近年來農業改良場推廣用黃豆粉和魚粉的配方，放置在果園中飼育蠅蛆，但味道和環境污染的問題還沒能完全解決。不過肯定的是，蠅蛆和成蠅的活動對於芒果園的授粉是絕對必要的。
以蠅蛆為食物或飼料
以蠅蛆為食物或許很不可思議，但如同用其他昆蟲做為人類食物一樣，最大的問題只在於人們刻板印象所造成的心理障礙。大家比較熟悉的炸蟋蟀、蠶蛹等之外，蠅和蠅蛆也確曾被使用做為食材。在墨西哥有著名的水生蒼蠅和蛋混合做成的煎餅，更不用說中藥曾使用蠅蛆磨粉入藥等的用途。
從飼育的角度來看，昆蟲特別是像蠅類這種短生活史的昆蟲，牠們的食物消化轉換效率其實是很高的。所謂的食物消化轉換效率，指的是動物所取食的食物中用在生長的百分比。也因為這個特性，使得開發蠅蛆做為食物成為一個很有潛力的途徑，至少在開發成動物飼料方面已有很好的成效。
蛋白飼料資源缺乏一直是養殖業急需解決的重大課題，除常見用魚粉做為動物蛋白飼料外，用快速生長的蠅蛆來生產高蛋白飼料，利用農副產品 (如酒糟、麥麩、米糠、動物廢料甚至人、畜的排泄物) 做為飼養蛆蟲的原料而轉化為動物性蛋白，可以替代魚粉。並已證明在混合飼料中摻進這種活飼料餵養蟹、魚、鱉、蝦、牛蛙、蛇及家禽家畜等，都可以明顯增加養殖產量。
蠅蛆蛋白開發成本低，周期短且飼養簡單。據中國大陸的評估概算，生產 1 公斤蛆蟲的成本不到 1 元人民幣，一個周期只有 5~7 天，且營養價值超過一般植物性飼料 8~25 倍。每公噸乾粉成本約合臺幣 8 千元左右。近幾年來，牠們的市場價格很高，每公噸鮮蛆在臺幣 8 千元左右，蛆粉臺幣 4~12 萬元間，有些甚至高到約每公噸 30 萬元，看起來是一項投資報酬率不錯的行業。
這個新興的動物蛋白來源的品質和產能，幾乎已可完全取代傳統的飼料添加物魚粉，且蛆蟲羽化後脫下的蛹殼，更是萃取優質幾丁質的原料。1995 年國際市場每公克高純度幾丁質價格高達 27 美元，是飼養蛆蟲的另一項附加價值。除此之外，蛆蟲生產主要以使用農副產品為主，不會產生有害物質。在嚴格的管理下，在成蛹前收成使用或烘乾成粉，並控制羽化成蠅，基本上沒有污染問題，不會破壞生態環境，養蟲後的廢物還可再利用發酵做為飼料，稱得上是一個環保的綠色產業。
在無知中持續探索
蠅類是具有高度種類多樣性和生態多樣性的一群，蛆則是其生活史中重要的幼蟲時期。儘管外型、生活習性不是那麼討喜，但對於人類直接或間接的貢獻，其實是遠遠超出牠們的外型所能比擬的。本文所提到的主要是針對中、大型高等蠅類和其蠅蛆在近代的應用方向，還不包括像小型蠅類在農業、養殖、防治運用或科學研究上的功能，如我們所熟悉的果蠅在遺傳學上的貢獻，和寄生蠅在生物防治上的運用等。
恐懼或厭惡在某些角度看來其實是來自於無知，這可以說是人們對蛆蟲最好的寫照。我們對於這類奇特、多樣的小生物，到目前為止，還是處於一個在無知中持續探索的時代。 |
環保再生能源–太陽能 | 太陽釋放到地球表面的輻射能，叫太陽能。一分鐘地球所吸收到太陽的熱量，相當於燃燒四億噸的煤炭；從這裡就不難想像，太陽可能貢獻的無窮價值。目前臺灣太陽能的利用，除了技術純熟的光電系統，就是把太陽輻射轉換成一般熱能的太陽能熱水器。太陽能集熱器主要依照循環系統，分作兩大類來使用：自然循環式和強制循環式。
自然循環式的集熱器大小，是兩米乘一米。這樣的尺寸規格，能夠供應一般小家庭，兩個成員的每日用量。每平方公尺集熱器，大約能加熱七十五公升，五十度 C 的熱水。而一般人每天只需要六十公升，五十度 C 的熱水，來和冷水作混合使用。
太陽不會給你寄帳單，裝了之後每一個月，你會節省掉很多瓦斯燃料的費用。
從整體效益看，每平方公尺集熱器，一年可以減少兩百公斤左右的二氧化碳排放，連帶節省一千九百元的瓦斯費，並提供二十八噸左右的洗澡熱水。
自然循環系統，不利用其他機械和電力操作。當日照量愈多，室外的溫度愈高，系統供熱的效果也就愈好。當冷水在集熱器被太陽輻射加熱，水溫不斷地升高，密度跟著變小，產生的自然浮力往上，將水輸送到儲水桶。原本儲水桶裡的水，溫度較低，密度較大。受到這股熱水推擠的結果，於是順勢往下流入集熱器。這個對流循環的自然過程，我們叫做虹吸現象。能幫助創造零污染的安全居家環境，更是拓展太陽能生活迷人的地方。
你在冬天，你在密閉的空間，如果燃燒不完全的話，它的二氧化碳就會，一個二氧化碳可能會累積，另外當然瓦斯的管線有破損的話，瓦斯也會外洩。
另一種強制循環式系統，是靠裝置好的控制器，來控制泵浦的工作時間。把驅動工作和流體循環作結合，來傳輸熱能；這類系統的集熱器，可以經由規劃和建築物整合搭建，儲熱桶也不一定要裝在集熱器的頂部。不只是熱水設備，從積極研發的太陽能車，到上班族最愛的日光盆栽，都是現代人貼近太陽能生活的最佳寫照。炎炎夏日，生活在亞熱帶的你，是不是早也已經不知不覺，提前融入了這波環保節能的綠色風潮呢？ |
核安全機制 | 為了降低國人對核電輻射線的恐懼，同時提高供電的潔淨與安全性，光是原子爐的安全設計部份，科學家們就足足用了 5 道圍組體來杜絕放射線，除了硬體的設備之外，還有哪些核管技術？這些安全機制是否真的能掌控所有突發的危機？透過下面的報導，讓我們一起來解碼。內容大綱講到核電，國人普遍對它的安全性存在著恐懼感，而這份恐懼，來自於看不見的物質 -- 輻射線。臺灣土地面積不大，卻已經發展到興建四座核電廠的進度，這麼密集的核電廠，是否真的會威脅島上居民的健康呢？其實，在歷經一、二十年的發展之下，核能發電的安全設備以及核管的監督機制，已經逐漸完備且成熟。像目前正再建造的核四廠，就具備了科學家口中的 Inherently Safe。也就是所謂的自動安全機制。所以它發生事故的時候，會有一些我們所謂的被動，就是不需要人為刻意的去驅動它，就會有一些被動的機制會啟動，這些安全裝置，讓原子爐能保持在最安全的狀態。針對發電的放射性問題，在原子爐的結構設計上，先把具放射性的鈾燃料包封，製成質密堅硬的燃料丸，再置入可以承受高溫高壓的燃料棒裡，當作第二道防護，包封放射性氣體，當燃料棒集結，置入燃料匣後，再以後重金屬材質製成的壓力槽，將爐心圍阻包封，杜絕殘餘的放射性物質。不僅如此，在原子爐的壓力槽外，還建造了一道水泥圍阻體，圍阻體外還有一道，厚約 2 米的強化鋼筋混凝土結構外牆。所以有了足夠的安全措施，核電的安全，至少我們的統計數字告訴我們，在跟其他化石燃料能源電廠的事故，來比的話，它的事故比例是非常非常低。當然除了這些硬體設備之外，不可或缺的還有核安人員的訓練，以及核管機關的機謹監督，才讓核電安全作最完善的把關。在確保發電的核管機制之後，目前科學家正積極解決核廢料的安全問題，同時解除國人的疑慮與恐懼，讓核電成為一個，既安全又穩定的主力供電能源。 |
抗生素的研究 | 小檔案
盤尼斯林 (或譯盤尼西林) 是第 1 個發現的抗生素，它能殺死病菌。在第二次世界大戰時期，它救了很多因受傷感染病菌的士兵和平民。盤尼斯林是英國亞歷山大・佛萊明 (Alexander Fleming, 1881-1955) 醫師在 1928 年無意間發現並從青黴菌中提煉出來的。
鏈黴素是第 2 個治療感染疾病最有影響力的抗生素，是早期治療肺結核病的特效藥，它是 1940 年代美國謝爾曼・瓦可斯曼 (Selman A. Waksman, 1888-1973) 從土壤中的微生物提煉出來的。鏈黴素是 1950 年代最有價值的 10 大專利藥物之一。
抗菌肽素是 1986 年美國的札斯羅夫 (Michael Zasloff) 從非洲有爪蛙的外皮提煉出來的，它有殺菌作用，尤其對皮膚感染症，如糖尿病腳潰瘍和囊性纖維化引發的肺感染，以及對「革蘭氏陰性細菌」特別有效。
靈機一動
1928 年的秋天，一個連續 4 天休假的周末，佛萊明帶著家人回蘇格蘭老家看望母親並度假。度假回來，他注意到一個放在實驗室窗口旁的葡萄球菌培養皿中長了一圈綠色的黴菌，心裡有點埋怨助理忘了把窗子關好，才引進外來汙染的黴菌。正當他準備把這長了綠色黴菌的培養皿丟到垃圾桶時，偶然注意到培養皿裡綠色黴菌的分布很不均勻，放在顯微鏡下觀察，發現細菌在有黴菌的地方都死掉了。
佛萊明靈機一動，推想這種青綠色的黴菌可能是一種殺菌的物質。他把這種黴菌分離出來再加以培養，發現培養出來的黴汁中含有一種可以殺死細菌的物質。他把這殺菌物質稱為「青黴素」, 這是第 1 個從黴菌得來的抗生素。
瓦可斯曼早在 1930 年就從事土壤微生物的研究，1932 年曾經出版了一本將近 900 頁的《土壤微生物原理》。1935 年，他的學生來茵斯 (Chester Rhines) 無意中發現肺結核桿菌跟土壤混在一起時就都死光了。同年他的同僚，家禽病理教授比優特 (Fred Beaudette) 的實驗證實肺結核桿菌被土壤中的微生物殺滅。1939 年，瓦可斯曼才開始全力研究土壤中含有抗生素的微生物，並提煉這些抗生素。1943 年，學生夏茲 (Albert Schatz) 從土壤中分離出並純化得到鏈黴素。
札斯羅夫是位小兒科醫師及生物化學家，1986 年夏天在美國國家衛生研究院實驗室做非洲有爪蛙的解剖實驗，把開過刀的青蛙縫合再放回不乾淨的水缸。兩天後，這些青蛙的傷口居然很快就癒合，他猜想可能是這些青蛙的外皮含有特別成分能殺菌滅毒，才沒有感染現象。進一步的研究發現青蛙的外皮含有兩種多肽 (polypeptides, 肽是蛋白質的片段), 並命名為抗菌肽素。
青黴素
佛萊明進一步研究，發現青黴素對動物沒有毒性，1929 年把研究結果發表在《英國實驗病理學期刊》(Brit J. Expt. Pathology, 10: 226-236), 但是這項發現並沒有引起當時醫學界的重視。一直到 1939 年，英國牛津大學的生化教授佛羅雷 (Howard Florey) 和他的助理錢恩博士 (Ernst Chain) 想開發能醫療細菌感染的藥物，發現青黴素可能是一個很值得研究的藥物。於是就聯絡上佛萊明，而佛萊明也很快把他保存的青黴菌菌株寄給佛羅雷做研究。
在佛羅雷和錢恩的研究過程中，發現盤尼斯林是一種內醯胺抑制劑。內醯胺是細菌的代謝產物，阻斷內醯胺的合成就破壞了細菌的細胞體。1940 年 5 月，佛羅雷利用感染了鏈球菌的小鼠做實驗，發現未注射青黴素的小鼠全部死亡，而注射的小鼠仍然健存。經多次的重複實驗，找到適當的療劑量，這些研究結果發表在《刺絡針》(Lancet) 期刊上。隨後做人體臨床實驗，證實青黴素有神奇的殺菌威力。
但那時候，青黴素必須由青黴菌菌株培養再純化，所得到的量供不應求，如果想要使青黴素成為一個普遍的藥物，必須另找生產路線。1941 年，第二次世界大戰爆發，治療士兵傷口感染的藥物突然變得非常急需，佛羅雷因而向美國政府求助，以推動青黴素的研發和生產。
美國的研究團隊立刻設計適當的培養液，大量培養青黴菌。在短時間內生產量就提高了 10 倍，並開始尋找及篩選適當的青黴菌，發現菜市場裡一個發霉的甜瓜是最佳目標，其所含青黴菌的青黴素高達百倍。另外，威斯康辛大學的研究人員還利用紫外光照射菌株使它產生突變，進行菌種的改良和篩選，使產量提升到 900 單位。不久又提升到 2,500 單位，比佛羅雷最初的 4 單位高出 600 倍。
1944 年，青黴素開始大量生產，成為人類有史以來第 1 個商業化的抗生素。它的化學結構 R-C9H11N2O4S 是由桃樂斯・何吉金 (D.C. Hodgkin) 定出的。現代的多種盤尼斯林是用化學合成方法生產的，用不同的取代基 R 做出藥性稍微不同的盤尼斯林類抗生素，如 Ampicillin、Penicillin G、Penicillin V、Carboxypencillins 等。
鏈黴素與抗菌肽素
瓦可斯曼雖然早在 1930 年初期就開始做土壤微生物的研究，1935 年就知道土壤中有微生物能殺死肺結核桿菌，但他並沒有進一步追究是什麼微生物有殺菌能力。
5 年後，他才著手全力投入土壤中微生物的研究，於 1940 年分離出放線菌素，1942 年得到 streptothricin,1943 年得到鏈黴素，1946 年得到 grisein,1948 年得到新黴素、fradicin、candicidin、candidin 等抗生素，因此有人稱瓦可斯曼為「抗生素之父」。其中鏈黴素是 1943 年由學生夏茲從雞的樣品中分離出來的，後來也從土壤中分離出來，次年梅奧診所 (Mayo Clinic) 臨床實驗證實它對肺結核桿菌的療效並找到適當劑量。
1980 年初期，生化學家從昆蟲和小動物找到多種蛋白質具有抗生素功能，例如從小蟲找到 cecropins, 從小動物找到 defensins。1986 年，札斯羅夫從非洲有爪蛙的外皮找到兩種多肽有抗生素功能，並進一步定出它們的分子結構，發現有很類似的胺基酸排列順序，都含 23 個胺基酸。這些蛋白質能破壞細菌的細胞薄膜和中斷代謝程序而達成殺菌目的，但對人體細胞無害。
掌聲回響
佛萊明從倫敦大學聖瑪莉醫學院畢業後，就留在醫學院做研究，訓練出科學家的求真求實的精神。他喜歡採取與眾不同的方法去做一件事情，譬如，他打高爾夫球就是從頭到尾只用同一隻球桿，也常和助理或同事用不同規則來比賽。
由於青黴素的強力功效，因而救了無數人的生命，尤其是第二次世界大戰的士兵，1943 年佛萊明膺選為英國皇家學會的會員，1944 年被冊封為爵士，並獲頒皇家醫學會的金牌獎章。1945 年佛萊明和佛羅雷、錢恩 3 人共享諾貝爾生理醫學獎。佛萊明在接受諾貝爾獎時說了一段心有所感的話:「科學的許多重要發現是靠運氣得來的，在許多情況下，那些偶然觀察到的現象往往會把我們帶進一個新的知識與實際應用境界，尤其是生命科學，因為生物機制與我們的知識有一段差距。」
佛萊明的確是好運，但是如果他沒有準備的心，可能會把發霉的培養皿丟掉，也就錯過青黴素的發現，正如法國生物化學家巴斯德說的:「幸運之神會眷顧有準備心的人。」(Chance favors a prepared mind–Louis Pasteur)
瓦可斯曼是出生在蘇俄農村的猶太人，高中畢業後隨父母移民美國，1918 年獲加州大學柏克萊校區的生物化學博士。1952 年因發現鏈黴素的功能並加以分離和純化，使鏈黴素成為第 1 個能消滅肺結核桿菌的藥物，而獨獲諾貝爾生理醫學獎。
曾有人批評他的學生夏茲應該和瓦可斯曼分享諾貝爾生理醫學獎，然而諾貝爾獎列舉瓦可斯曼的貢獻是「發現鏈黴素，第 1 種能醫療肺結核疾病的抗生素」, 其實這是瓦可斯曼積二十幾年來的研究成果，是利用瓦可斯曼所發展出來的方法和技術才發現的。又夏茲曾經和瓦可斯曼發表過鏈黴素的論文並申請到專利。
札斯羅夫的醫學訓練和好奇心，使他能發現抗菌肽素。其實在這之前，青蛙能在髒水中生長是大家都知道的事情，但只有他會去細心觀察和推測，並進一步藉由生物化學和分子生物的研究方法定出分子結構，找到蛋白質抗菌的機制。
深度閱讀
Alexander Kohn (1989) Fortune or Failure: Missed Opportunities and Chance Discoveries, Chapters 5 and 6, Basil Blackwell, Cambridge, MA.
Royston M. Roberts (1989) Serendipity: Accidental Discoveries in Science, Chapter 24, John Wiley & Sons, New York.
http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1945/index.html
http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1952/index.html
http://en.wikipedia.org/ |
親愛的,輻射把聖誕紅變色了! | 這是我們熟悉的聖誕紅，小小的花，大大的苞葉，鮮艷亮眼的大紅色。這些也是聖誕紅，雖然它們其實沒那麼紅。桃紅聖誕紅、粉紅聖誕紅、白色聖誕紅，這些異於傳統的顏色，都是因為它們照過輻射線，也就是所謂的輻射誘變。
輻射誘變是利用放射性元素鈷 60, 釋出高能量的 γ 射線，跟一般的光線比起來，γ 射線的能量較高、波長較短、穿透力也較強。以聖誕紅為例，輻射照射後，聖誕紅生長點的體細胞有的變異，有的正常，最後的結果，就是像這樣的不規則表現。最明顯的，就是顏色的漸層。
聖誕紅的原種，是一個紅色的品種。經過照射以後，它的顏色會漸次的變淡的一個變化。
從喜氣的大紅色，愈變愈粉嫩、愈變愈夢幻，只是這花，照過令人聞之色變的輻射線，消費者買回家，難道沒有副作用嗎？專家說，別擔心。
鈷 60 它放出來是一個 γ 射線，它照射到我們的東西以後，它會變成一個熱能，存留在裡面。而不會變成一個放射能，不會因為你照射了它，它就變成有放射性。
因為劑量少，能量低，所以一從照射池裡拿出來的聖誕紅技條，就已經安全無慮。等它成功育種繁殖，到消費者手上時，早就跟輻射線一點關係也沒有了。要育成一個新品種不容易，動輒要花上十幾年。在農業、核能科學家，跨領域的合作下，聖誕紅的世界，變得更加多彩多姿。 |
新興科技與社會風險–RFID 的效益與風險 | RFID 做為新興科技的風險
無線射頻辨識 (radio frequency identification, RFID) 技術是新興型態的識別及追蹤科技，可以應用於對物的編碼、流通、追蹤、管理，和對人的編碼、辨識、資料攜帶、追蹤，或藉由物的識別追蹤而掌握對人的行動資訊或位置的控制。因此，可以說 RFID 技術構成了對物、人全新的控制系統。
在物的方面，被廣泛地運用在商業、物流和管理領域，例如悠遊卡、動物晶片、自動感應門、圖書管理、貨物編碼後的出入流通、倉儲和管理等。在人的方面，也將廣泛應用於如醫療照護、身分證、健保卡、晶片護照等。
從資訊控制革命的角度來看，RFID 不僅僅是單純的辨識追蹤技術，由於它和電腦資訊嵌合的特性，也構成了當代新興的電子控制系統。因此，RFID 科技系統的控御特性一方面促進了物流、行政、人員管理、醫療、安全防護的效率，另一方面也帶來了個人資料外洩、隱私侵害、犯罪、社會歧視、國家監控等風險。
基本上，RFID 技術是一種非接觸式的自動辨別技術，利用射頻信號自動辨識目標物件來進行辨別和資訊傳送。但在辨識資料和傳送過程中，有被遙控側錄、盜取資料的安全問題，和它連結的資料庫也有因管理或濫用，造成隱私侵害、國家監控、犯罪等的風險。
RFID 的效益取向
目前，RFID 廣泛地運用在物流管理、軍事、智慧卡、醫藥照護系統、圖書管理、畜牧管理、電子護照上。一般而言，這個技術有以下優點。
迅速便利 RFID 應用在物流管理上，可以透過編碼監控方式，迅速掌握倉儲和貨物的流向，使業者減少成本。應用在智慧卡上，例如捷運悠遊卡，可以快速通關。應用在醫療照護系統上，可以透過植入皮膚下的晶片，追蹤失智老人的行動，或者利用特殊儀器掃描，醫院便能迅速獲得病人的醫療紀錄。應用在圖書館管理上，可以編碼監控圖書借閱出入和趨勢。應用在畜牧管理上，可以迅速統計畜牧數量，並且可以從食物源頭發展食品履歷制度。
目前我國規劃把 RFID 運用在晶片護照上，未來更將與生物資料辨識結合，使得旅客通關過程方便，不用擔心遺失或損壞證件、密碼遺忘的問題，可用於簡化入境的手續。
效率高 RFID 的適用性廣泛，可依安全性需求做適當的調整，它的應用領域主要有:
門禁系統：運用於需要高度安全防護地方的門禁管理，如政府機密部門、銀行和金融中心、化驗室、私人住宅、航空站、運動場等場所，也可做為工作出席狀況的紀錄。
身分鑑定：如針對自動提款機作業、電子商務，可在金融機構、自動提款機等財務處理的提款卡或信用卡上，嵌一小片存有生物特徵資料的晶片，以補強原本的安全防護措施。同時，身分鑑定的功能也可協尋失蹤老人或小孩。
其他應用領域，包括電腦使用開機、行動電話、PDA 等個人資訊用品使用者的身分確認；自動安全監控 (工廠、社區、大樓等); 打擊犯罪，執法單位用於鎖定嫌疑犯、逮捕犯人；海關通關檢查，出入境身分的確認；人性化機器人的製作、醫學上的用途等。
安全性和辨識率高 RFID 應用在物流、醫療管理、國境管理上具有高度的編碼監控安全。對於業者而言，RFID 提供的物流監控及辨識精確度，有助於市場競爭的效率。醫療面向上的編碼監控，將有助於迅速取得患者的醫療紀錄。在國境管理上，目前國際民航組織逐步推動以 RFID 技術為基礎的生物晶片護照，未來將逐步納入臉像、指紋、虹膜做為通關辨識資料，強化防偽和國境安全。
RFID 提供了對物和人編碼監控的強大功能，具有實質的效率和效益。以目前的發展趨勢來看，許多連結 RFID 技術的資訊監控和辨識產業的發展將越來越蓬勃，成為新興科技產業中重要的一環。然而，在編碼監控的辨識連結系統上，無論是對物或對人，一旦連結上個人資料，尤其是涉及敏感性的個人醫療、生物或行動資料，便使 RFID 由單純的技術問題外溢到社會的風險面向。
RFID 的社會風險取向
如果 RFID 編碼監控系統只是單純地應用在物流的管理上，則較不涉及社會風險問題。然而，一旦連結到個人的行動、醫療、生物等相關資料，則有侵犯個人隱私，引發社會歧視、犯罪或國家監控的風險爭議。也就是說，應用 RFID 到個人身分資料，會產生技術之外的複雜性，而構成系統性的社會風險問題。重要的是，由於系統的偶連特性 (contingency), 由單一部門應用 RFID 產生的資料洩露風險，將可能隨著不同的制度或事件脈絡而迸發出更嚴重的政治社會問題。以下依照不同風險問題的類型加以討論。
位置和行動資訊監控 例如國道採用具有身分追蹤式的遠距電子收費，使得個人位置資訊暴露而造成行動可以被監控。廠商在運動鞋上植入 RFID 晶片，使得消費者一旦穿上這雙運動鞋，他的位置資訊便被記錄並可能暴露。如果再配合全球衛星定位系統 (GPS), 則當事人的行動資訊隨時可以被掌握。
消費者行為資訊的統計、利用和監控 目前最受到矚目的是英國沃瑪百貨在出售的貨品中嵌入 RFID 一案，該公司利用這項技術追蹤消費者的購買行為並加以統計利用，引發社會的爭議。藥品公司在藥瓶底部嵌入 RFID, 藉以監控藥品使用人每日使用藥品的情形，也引發了隱私暴露的問題。同時，圖書館採用 RFID 借閱書籍系統，可以追蹤借閱人借閱類型，可能造成隱私外洩。
另外一例是自 2007 年 3 月，在臺北市教育局的規定下，各級高中小學學生須全面使用數位學生證，規定學生進出校園必須刷卡感應以利監控。這種以 RFID 為基礎的學生證結合了悠遊卡，往後將進一步結合學生學習護照、電子錢包、數位聯絡功能等，把學生的進出校門時間、學習歷程、消費習慣、親師聯絡等事項，完整地記錄在一家民間廠商的電腦中。這個做法引發了校園師生的強烈爭議，認為它違反個人資料保護原則，並產生引發犯罪、侵害隱私等的風險。
醫療資訊的監控和外洩 目前較受到矚目的是美國 Verichip 醫療科技機構發展的，把具有醫療紀錄的 RFID 晶片植入病人身上一案。這種做法雖具有迅速獲取病患醫療紀錄的功能，能夠追蹤監控病人或失智老人的行動，但由於涉及相當敏感的醫療資料和資料管理不當可能產生的資訊外洩，而引發高度的社會爭議。這樣的做法雖然具有一定程度的效率性和便利性，但敏感性的醫藥資料一旦外洩，會引發不同程度的社會歧視或犯罪威脅。因此，當 RFID 應用到醫療資訊領域時，必須嚴格規範限制納入相關資訊的範圍。
生物資訊辨識的監控和資訊外洩目前最受到矚目的是我國政府在國際反恐壓力下，將於 2008 年規劃發行的晶片護照一案。如果依照國際民航組織目前推動的情況，晶片護照將納入個人敏感性的生物資料，造成公部門運用 RFID 編碼監控個人的問題。這種以生物辨識為基礎的晶片護照，雖然宣稱具有高度的效率和國境安全的控管功能，但仍然有科技安全的不確定性和社會風險的外溢效果，現在分別討論如下。
辨識錯誤和科學不確定性風險：晶片護照在龐雜資訊系統的技術運作上，可能面對 RFID 辨識精確性的問題。比方說臉貌或虹膜辨識過程中，需要龐大的電腦儲存資料的運算，要是設定辨識參數或擷取影像的參數產生差異，就會造成誤認的風險。
另外，這些生物資料庫需要系統性的儲存和連結，因此會面對密碼破解、侵入連結、參數改造的風險，因而在眾多的傳輸連結或單位運作缺口或漏洞中，無法確保系統的安全性。雖然管理單位宣稱具有各種防火牆和安全鎖鑰的防範入侵功能，但龐大資訊系統的駭客事件層出不窮，個人敏感性生物資料被盜取的風險相當高。一旦在辨識技術精確性上產生模糊狀態或錯誤，將可能隨機地引發巨大的爭議，或演變為社會、政治事件。
資訊安全破解：不同電腦專家已證明可破解護照的晶片密碼，並順利地把病毒植入晶片，造成電腦系統癱瘓。生物資料的外洩也包括了非科技因素，如人為因素。各單位往往會宣稱 RFID 資料系統的儲存、流通、管理等安全鎖鑰的嚴密性，然而，在許多環節上經常有疏漏的地方，導致資料外洩，如不誠實的員工濫用電腦、缺乏適當的監控和防護措施等。
也就是說，透過對 RFID 技術的破解，不但能影響晶片護照內資料的安全性，也會連帶地衝擊到 RFID 電腦資料庫的安全。更何況，由於生物資料庫需透過電腦連結到各機關，也隨時有被侵入盜取或改造資料的問題。
國家濫用資料和國家監控的全球化 以上各種私部門和公部門應用 RFID 而產生的資料統計、儲存，都可能被轉化為國家運用這些資料監控當事人的行動，或產生濫用資料的情形。尤其是消費者的消費資訊或敏感性的醫療和個人生物資訊一旦被蒐集，就隨時可能透過電腦的串聯被監控。特別是晶片護照問題，一旦決策形成需全面收集和儲存敏感性的國民的生物特徵 (指紋、虹膜、DNA 等), 引發的風險和後續的不可知後果將難以估量。
首先，從國內的角度而言，發行生物晶片護照著眼於精確辨識、防偽、快速通關等利益，有助於國境的安全控管。然而，在利益衡量上除了必須考量科學安全的不確定性本質外，也必須考量如何防止資料外洩或盜取、生物特徵電腦資料庫的破壞、不法分子或恐怖分子侵入等成本。特別是當資料控管產生漏洞或資料大量外洩時，涉及的國家安全破洞不再只是國內的層級，也可能是全球網絡的層級。
此外，各國政府為了反恐行動，可能交換或選擇性地釋出國民的生物資料，使得生物資料庫在全球資訊網絡流通中被盜取的機率提高，同時會產生老大哥監控的全球化問題。尤其是一旦機關濫用資料並和他國串連，將形成新型態的全球監控系統。換句話說，思考生物晶片護照風險已經被迫提升到全球性的高層級，一方面需要重視如何防範在全球資訊網絡中資料外洩的可能，另一方面需要重視國民生物資料暴露造成的全球性犯罪效應、政治監控和社會衝突。
近年來，我國已發生不同類型的資料外洩事件，甚至產生各種詐騙、犯罪問題，且這些事件已變成日常生活中正常性的混亂 (normal chaos), 對於正急速發展資訊社會技術系統 (包括 RFID) 的我國是一大警訊。因為，如果未能建構一套完整的資料控管體系，或未理解敏感性資料蒐集和儲存的特殊性，而一味地推行資訊技術系統，卻任由資料輕易外洩，從風險感知的角度來說，將累積性地產生公眾對社會資訊系統建構的不信任，進而使整個社會陷入混亂、爭議的困境。
因此，在建立這套 RFID 資訊技術系統時，必須掌握該技術衍生出的社會系統性風險，以及系統複雜性中衍生出的各種衝擊和問題。無論在生產面、消費行為面、物流管理面、醫療管理面、醫藥資訊面、個資辨識面、生物資訊辨識和國家安全等，都會產生一定程度的風險，這些都需要審慎地規範，並且透過公眾衡量社會價值的討論，來決定該技術系統使用的範圍、目的和使用者的進入資格及權限。 |
能量的概念與轉換 | 可以相互轉換的能與功
能是什麼？在物理學上說，凡是可以作功的物理量就稱為能。那什麼是功？施予力量，使物體產生位移，就是對物體作功。當一個作用力克服了阻力，並使物體在作用力的方向移動時，就是作功。換句話說，一個物體能夠對外界作功，就說這個物體具有能量。反過來說，作功的過程也是將能量由一物體傳到另一物體的過程，因此功與能量的關係極為密切。
能可以轉變為功，功也可以轉變為能。能量是一種作功的能力，舉例來說，球桿撞球時，球從靜止狀態變成運動的狀態，這球獲得了動能，動能是一種能量，它可以作功。
我們對一物體作功時，有時這物體所獲得的能量並不是動能，而是另一種儲存起來的能量，叫做位能。把東西舉到空中時，它便獲得了位能，這種位能是屬於重力位能。舉得越高，重力位能越大，它作功的本領也越大。把弓拉開使弓變形，這時弓及弦並不動，故無動能。然而它已獲得了一種能，亦即具備了作功的本領，這時如果我們搭上一根箭，把扣弦的手一鬆，弓弦就會把箭推出去而對箭作功。故張弓時，弓便獲得了勢能 (即位能), 這種勢能就是彈力位能。
用力拉長彈簧，即對彈簧作功，因此它便獲得了彈性勢能，這是一種儲存起來的能量，可以用來作功。彈簧拉得越長或壓得越短，彈性勢能越大。換個較通俗的講法，能是物件 (包括我們人) 要完成物理動作，如走路、拿起杯子、使水變熱、或播放電視等，所需要的東西。
各種形態的能
大概除了光形態的能之外，能本身不是一種東西，而是指東西的一種狀況或狀態。譬如我們上面所提到的，舉到高處的物體，具有勢能 (或稱位能), 因為它具有一種狀態，可以掉落下來撞到下面的桌子或打破在它下面的玻璃。揮打出去的高爾夫球具有能量 (動能), 因為相對於地面，它具有速度，也具有位能，因為它在地面之上。
若把許多東西聚在一起稱為系統，這系統在某一狀態下具有的能稱為內部能量 (internal energy) E。兩個平衡的狀態，其內部能量的變化 (△E =E2-E1) 等於傳入系統的熱 (Q) 減去系統作功所消耗的能量 (W), 即 △E=Q-W。
一個系統有內部能量，還有系統變化過程的轉移能量 (transitional energy), 即熱和功。內部能量包括儲能 (stored energy) 及動能，兩者可以互相轉變。轉移能量不能儲存，或者個別保存，因為它們是依過程而定。
儲能又稱為勢能 (potential energy), 就是以不同形態儲存起來的能，動能則是指工作能 (working energy), 即在運動中具有的能。儲能的形態有內能、位能 (重力位能和彈力位能)、電磁能、光能 (輻射能) 等，內能又包括化學能、核能、分子動能、分子位能等。從基本的觀點而言，這幾種形式的能量無法清楚地加以劃分，例如熱能與物質內分子的動能有關；輻射能包括光能，是電磁波所攜帶的電磁能等。
一個堅硬不變形的物體在運動時，通常包含了兩種運動，一是移動，一是轉動。這兩種運動都會產生動能，就是移動動能和轉動動能。對物體作功時，可能使其獲得動能，或重力位能，或彈力位能，這些都是力學能。聲音也是一種特殊的力學能，因為聲波也可以傳遞力學能。
電磁能包括電能和磁能，磁能的例子常見的是永久磁鐵，它能吸引鐵釘，因而對鐵釘作功，這個作功的過程是把磁能傳遞到鐵釘成為它的動能；至於電能更是我們日常生活所常見，電風扇的轉動、電動車的行駛都是電能的具體表現。
電磁能中還可再分出磁位能與電位能來。如懸吊兩個磁鐵，把它們的北極相互推近，則它們有互相排斥的趨勢，當我們用力把它們擠近，我們便對這兩個磁鐵做了功，這時兩個磁鐵的磁位能增加了，當我們鬆手時，這兩個磁鐵會跳開，亦即把磁位能釋放出來，變成兩磁鐵的動能。如將兩個帶異性電荷的物體靠近懸在一起，則它們有互相吸引的趨勢，當我們用力把它們拉開，我們就對物體做了功，它們的電位能增加了，如果我們鬆手，這兩個帶電物體會互相跑向對方，將電位能變成動能。
位能有一點很重要的是：當兩物體之間有作用力時，不論是重力、電力、磁力、核力...... 它們之間與此力有關的位能 (或勢能) 是屬於它們共有，而不是單獨屬於其中任何一個物體的。
各種形態的能量可以互相轉換，而且我們為了使用方便，也往往特意把某種形態的能量轉換成另一種形態。當能量的形態改變時，固然一直維持著總能量的守恆，但其中總會有一部分的能量是我們無法使用的，以致損失了這部分的能量。例如燃燒汽油使汽車引擎運轉，主要是把化學能轉換成動能來用，但在這一過程裡無法避免地會使引擎發熱，而這個熱量對我們並無用處，只能任它逐漸散逸到大自然中，這一部分能量便損耗了。當能量的形態在各種過程中一再改變時，能量的損耗也就一再地伴隨發生。
化學能與核能
某些物質由於它們本身特有的化學組成而擁有潛在的能量，叫做化學能。往往在發生化學變化時，這些化學能就可以釋放出來而作功，通常是以熱能的形式出現，但有時也會以光能或電能方式呈現，因此化學能也可看成是勢能的一種。例如汽油含有大量的化學能，當它燃燒時可以放出大量的熱能，把水燒成水蒸氣，推動活塞而作功；又如電池，可以把化學能轉變成電能作功。化學能與核能也都可以看成是勢能，亦即儲存起來的能量。
核能是原子核內所潛藏的能量，當某些原子核如鈾和鈽等，分裂時會放出大量的能。一公斤的鈾在核子反應器內分裂時，所放出來的能量，比一公斤汽油燃燒所放出的能量大兩百萬倍。又當某些較輕的原子核在高溫之下融合成較重的原子核時，也會放出大量的能。核能也是勢能的一種，經過上述的核反應及相關設備，可以把核能轉變成熱能，用來發電。
在地球上，太陽是萬能之源。在太陽內部，核子的融合反應一直不斷地進行著，能量也不停地向外釋放，這種能量以太陽光的形式傳到地球上。太陽光是電磁波，以各種波長的電磁波傳遞能的過程，稱為輻射；各種電磁波的能，總稱為輻射能。
我們每天從太陽接收大量的免費能量，但是到目前為止仍然只有極少數有效的方法可以用來擷取這些能量，並把它轉化成更有用的能量形態。太陽電池是其中一種方法，利用某種特殊材料吸收陽光，以化學能的形式儲存或直接變成電能。太陽電池的構想，是從大自然本身得到的啟示，也就是植物體中的光合作用。
維持地球上所有活動的總能源，絕大部分來自太陽。全人類所需要的糧食和部分燃料是透過光合作用，把二氧化碳和水變成醣類而得來的。在所有的能量中，化學能是最重要的可儲存能量。目前我們使用的能源，主要是水力和化石燃料 (包括石油和煤), 而水力是依賴太陽熱能維持水文循環所得到的；至於化石燃料的成因，是過去數億年來在地球表面靠植物的光合作用累積下來的，也就是以化學能的形態保存下來的古代輻射能。
熱能
熱從高溫的物體傳到低溫的物體，或者從一個物體的高溫部分傳到低溫部分，有三種方式，即傳導、對流和輻射。
在化學反應中由反應物到最後的生成物，所放出的熱量或所吸收的熱量是一個定值，也就是說與中間產物的形式無關。
若光能完全被一物質吸收，該物質所含的熱能即增加。若該物質與周圍其他物體無任何熱的交換，則該物質所吸收的光能，通常會完全轉換成為熱能。而光電池是將光能轉變成電能的裝置。
我們也可以用光的能量促成化學反應，在這些反應中，物質的分子吸收了光，在還沒有來得及轉變成熱能 (原子的動能) 之前，就改變了物質的組成而將光能量轉變成化學能 (就是光化學反應)。
能量守恆原理
能量雖有各種不同形態，但能不會無中生有，也不會自行消失，而只可由一種形態變成另一種形態。「宇宙間的總能量保持不變」, 即是能量守恆定律，但在日常生活中，我們會發現單一形態的能，以力學能為例似乎不守恆，例如單擺最後會慢慢停下來，也就是說力學能其實會隨著運動的進行而越來越少，只是每擺動一次所減少的量很細微而已，這些減少的能量是因單擺與空氣的摩擦，而變成熱能，此一現象便稱為能的逸散。
物體在運動的過程中，位能與動能的總和是一定的。此外，實際的物體與質點並不一樣，它還有內部的能量。能量可以在一作用系統中轉換成不同形式，若予以仔細計算，其總能量在作用過程之前、中或後都是保持一定的。
例如，砲彈在空中爆炸之前，具有運動的動能，而其位能則是因為它在地球重力場中由於位置的關係所具有，另有炸藥中的化學能量。為了證明能量守恆原則，就要做些不輕鬆的量測工作，諸如分析爆炸後每一碎片的動能、位能、內部能量，還要量測產生的熱氣的內能 (熱) 及其動能等等。
科學家做過無數次的實驗測試，已證明了能量守恆原理，它不是自然界中的新定律，而是操控我們宇宙的自然定律。
能量的單位
基本物理學教科書使用焦耳 (joule) 做為能量的單位 (是熱能的單位)。一焦耳大約等於把一公斤的質量舉高一公尺所增加的位能的十分之一，也大約是這個質量自一公尺高處自由落下，在剛要觸及地面之前動能的十分之一。一焦耳等於一千萬耳格 (107 erg), 也等於一安培電流在一秒鐘內流過一歐姆的電阻線路時轉化為熱能的量 (一瓦特秒)。
我們常用的公制熱量單位為卡 (或卡路里，calorie), 一卡是一克的水升高溫度攝氏一度所需的能量。一焦耳約等於 0.24 卡，一英熱單位 (B.T.U.) 約等於 252 卡，或者一卡約等於 4.18 焦耳，4.18 又稱為熱功當量。
另一種能量的單位是住家所熟悉的瓩小時 (kilowatt hour), 即一千瓦的功率作功一小時的能量，也就是通稱的一度電，我們的電費是按這種單位計算的。一瓩小時相當於 3.6 百萬焦耳，你只要付幾元新臺幣就可得到這麼多的焦耳！一秒鐘使用一焦耳的能量等於一瓦特 (watt)。
不過，在微觀的尺度上，討論次原子粒子的能量時，我們需要新的量測單位。即使是一焦耳也是巨大的能量，所以我們就用電子伏特 (electron volt, ev) 做為能量單位，它代表著把一個電子「提高」一伏特電位能所需的能量，也等於一個電子跨過電位差為一伏特的電池兩電極之間的空隙，所得到的能量。要有 6×1018 ev 的能量才等於一焦耳，這兩種能量單位間的比值差距這麼大，也可以顯示出微觀的量和我們日常生活的規模有多大的差異了。
系統的溫度也可以用來量測系統中粒子的平均動能。凱氏溫標 (K) 一萬度時，系統中每一個分子的平均動能約為一電子伏特。因此，一物體在室溫 (約凱氏 300 度) 之下，分子的平均動能大約是一電子伏特的三十分之一。
能的來源
前面曾提到能有不同的形態，各形態之間可互相轉變，但總能量保持不變。我們現在取得石油的化學能 (亦是來自古代的太陽能), 燃燒變成熱能，再轉變成車子的動能等，基本上，總能量前後並沒有改變。種植甘蔗，是由太陽吸取最初的能源，轉化成化學能，將甘蔗壓榨出糖汁，經發酵的化學反應製成酒精，又是另一種化學能 (酒精具有化學能), 酒精可以經過不同途徑變成車輛的動能 (如以酒精做為燃料), 其總能量在宇宙中還是維持一定。
宇宙創造伊始之際，最初能量從哪裡來？在極高溫的初始條件下，物質與能量混沌在一起，現在的高能物理學家和宇宙學家，正在探討大霹靂當時能量、物質的來源，也許有朝一日，可以給我們較清楚的答案。 |
空間資訊:新世代的測量車 | 測量車的發展
隨著科技的進步，地理資訊系統 (geographic information system, GIS) 的應用越來越廣泛。當空間和屬性資料的時效性及正確性都足夠時，地理資訊系統和資料庫就可發揮它的效用。然而在各式的應用中，空間資訊與地理資料的採集與管理，仍然有很多技術上的瓶頸。
以傳統的測量技術來採集空間資訊無法滿足成本上的考量，因為傳統測量及屬性調查作業所需的時間較長，從資料蒐集到系統建置完成往往需時半年以上，不符合科技發展的趨勢與成本效益。不過近年來由於測量與空間資訊技術逐漸改善，結合了測量製圖的技術與整合式導航定位定向系統，並搭配多種影像感測器來蒐集空間資料，而逐步實現了即時性的移動式測量及空間資料蒐集平臺 - 測量車。
測量車的發展使得空間資料的蒐集更有效率，能滿足 GIS 系統中迫切需求的空間資料完整性與時效性。測量車上裝載了各種感測儀器，主要元件可以分為兩個部分，即整合式定位定向系統及負責空間資料蒐集的遙測感測器。前者的核心架構是慣性導航系統 (inertial navigation system, INS) 及全球衛星定位系統 (global positioning system, GPS), 後者則包含數位攝影機或相機、多光譜感測器、雷射掃描儀等影像感測器。兩者的結合可以加速空間資料的獲取及分析，並提供空間資料庫系統最新的資訊。
歷史上的第一部測量車是由美國俄亥俄州立大學的製圖中心所研發的 GPSVan, 它包含一個 GPS 接收儀、航位推算系統、兩臺數位相機及兩臺彩色攝影機。
GPS 接收儀接收衛星傳送的電碼訊號來計算相機所在的位置。航位推算系統包含陀螺儀及里程計數器，主要提供 GPS 訊號中斷時相機及攝影機的位置，另外也提供每次拍攝時相機的方位資訊，來計算相片中物體的空間位置。攝影機的功用則是用來獲取空間的屬性資料及物體的辨識。藉由 GPS 訊號的計算，拍攝物體的精度只能達 3 公尺左右，距離製圖要求的公分等級尚有一段距離。此外，使用航位推算系統來取代衛星定位的效果也未盡理想，因此後續發展的各種測量車便以定位定向精度的提升為首要任務。
有多部測量車及移動測圖系統，例如 GPS/Inertial Mapping 與 GPSVision, 使用某些更高精度的導航定位系統。例如它們接收 GPS 載波相位訊號後，用差分法計算相片位置，並使用慣性測量元件 (inertial measurement unit, IMU) 來獲得導航資訊。差分法提升了絕對精度，而 IMU 不但可以在 GPS 訊號中斷時提供精確位置，所提供的方位資訊也較航位推算系統來得精確。這種系統確實改善了 GPSVan 在定位定向上精度不足的問題。
近幾年最受矚目的測量車，是加拿大卡加立大學空間資訊工程學系發展的 VISAT 系統。VISAT 包含 8 臺數位攝影機，拍攝測量車外各個角度的影像，也配備更高等級的 IMU 來提供更好的影像方位參數，輔以接收雙頻訊號的 GPS 接收儀以提供更精確的定位。這些最先進的感測器及導航定位系統所提供的空間資料，將可滿足 GIS 資料採集精度及測量製圖的精度要求。
全球衛星定位系統
全球衛星定位系統 (GPS) 是美國國防部於 1973 年發展的導航衛星定位系統，原本是提供美軍全天候使用的導航系統。使用者利用天線及訊號接收儀，透過觀測與超過 4 顆已知座標的衛星的距離，便可以提供使用者定位的資訊。目前 GPS 的定位技術已經廣泛地應用於測繪製圖、工程測量、地球地殼變形監測、汽車與飛機導航等方面。
GPS 目前有 28 顆衛星運行於地球表面約 2 萬公里的軌道上。由於設計至今已約 30 年，它的定位精度逐漸無法滿足日益升高的使用需求，因此美國已經著手進行 GPS 系統的現代化，增加新的、品質改善的電碼觀測量，以及更重要的，把原有的雙頻觀測系統提升為三頻觀測系統。
GPS 系統的現代化已於 2005 年展開，同年 9 月發射的 GPS 衛星已經開始傳送雙頻的電碼觀測量，可以幫助地面接收儀對於載波觀測量的連續接收，並提供強度較原電碼觀測量更強、品質更好的訊號。第二步的重大改變是在 2007 年發射更新一代的 GPS 衛星，該系列總共包含 9 顆衛星。這些衛星將傳送第 3 個頻率的觀測量，屆時 GPS 也會由雙頻觀測躍升為三頻觀測系統。
除了美國的 GPS 定位系統之外，俄羅斯也有自己的衛星定位系統，稱為 GLONASS。俄羅斯發展的 GLONASS 導航衛星系統曾於 1995 年完成部署，隨後由於衛星生命期只有 3 年及俄羅斯政府財力不足，衛星數目由 1995 年的 26 顆降至 2001 年的 7 顆，終於導致系統無法順利運行。然而基於國家安全及導航系統自主性等考量，俄羅斯政府決定繼續維持 GLONASS 的運作並提出現代化計畫，預計在 2010 年把衛星數量提高為 24 顆，以提供全球覆蓋的高精度導航服務。
至於歐盟，早在 1990 年初期就針對歐洲北部發展較佳定位精度的民用衛星導航系統。歐洲太空總署並於 1998 年開啟一個名為 Galileo 的導航系統，它獨立於 GPS 及 GLONASS 之外，且主要是民用系統，經過一系列的研究，在 3 年後進入緊鑼密鼓的發展階段。目前第 1 顆 Galileo 衛星已在去年底升空，而其餘 30 顆衛星也預計於 2012 年發射完畢，並提供完整的導航服務。
因此未來的衛星定位系統，將不是只有美國的 GPS, 俄國的 GLONASS 和歐盟的 Galileo 也會成為全球衛星導航系統 (global navigation satellite systems, GNSS) 的重要成員。根據各系統發展的規劃，一般的使用者在未來 10 年內可以使用多達 80 顆以上的衛星，和多個民用頻率的多頻率 GNSS。然而未來的 GNSS 在市區、地下道、隧道、森林等地區，仍會受到訊號遮蔽或干擾的影響，因此 GNSS 勢必要與其他系統結合，構成新一代的整合式導航及定位定向系統。
慣性導航系統
慣性導航系統 (INS) 由慣性測量元件 (IMU) 及導航電腦所組成，它的原理是牛頓三大運動定律的具體實現。以一度空間的運動為例，高中物理課本已說明若載體初始速度及位置已知，利用加速度計觀測載體的加速度，並透過一次積分獲取速度，再次對速度積分則可獲取載體的位移。而慣性導航原理就是把上述理論應用到三度空間，當然，整個系統也會變得更複雜。
一個 IMU 包含了 3 個單軸的加速度計及 3 個單軸的陀螺。加速度計監測物體在載體座標系統中獨立三軸的加速度訊號，而陀螺監測載體相對於導航座標系的角速度訊號。這些訊號傳輸至導航電腦進行系統誤差補償之後，再經過相關姿態計算、重力改正、加速度積分、速度積分等數學運算，最後輸出載體在導航座標系統中包含 3 個位置、3 個速度及 3 個姿態的定位及導航資訊。
換言之，透過姿態矩陣即時地把載體的加速度訊號轉換成在導航座標系統中的加速度，再把轉換後的加速度加上重力改正後進行積分，來獲得載體的定位及導航資訊。慣性導航的優勢在於它本身不需依賴外來訊號就可完成定位計算，可以在 GPS 無法接收到足夠訊號時仍能運作，並且更進一步提供方位的資訊，這個資訊在獨立的 GPS 架構中是無法直接得到的。
早期的 INS 都由軍事平臺所建立，因此 INS 一直被視為敏感度極高且受美國管制的導航系統。但是近年來由於固裝式慣性導航系統技術的急速發展，市場上也漸漸有民用的慣性導航系統可供選擇。不過目前該等級的系統單價尚高，暫不適合使用在車用及個人導航系統上。
目前在慣性導航及定位系統方面發展的新趨勢，是應用微機電技術製造的微型慣性導航裝置，這種系統具有單價低廉、體積小、耗電量低及適合大量生產的特性。不過目前微型慣性測量元件的精度及穩定度仍有待提升，預計在未來 5 至 8 年內才會量產符合一般車用及個人導航定位精度需求的微型慣性測量元件。
慣性導航系統的定位原理是相對定位，與前述 GPS 採行的絕對定位方式大不相同。慣性導航系統需要初始的位置及姿態，供加速度的轉換及積分運算。此外，由於陀螺及加速計的品質不同，使得所提供的位置、速度、姿態等資訊都無可避免地會隨時間而累積誤差。這是目前慣性導航系統的主要瓶頸，也因此使得目前許多領域在使用慣性導航系統時，會把它和 GPS 或是其他感測器 (例如里程計數器) 進行整合，來減少定位誤差的累積。
INS/GPS 的整合架構
整合式定位及導航系統能夠克服單一系統的缺點，且提供更穩定的導航及定位成果，因此目前不管在軍用或民用，即時導航或後處理的空間資訊擷取的整合系統發展，都趨向於使用 INS 及 GPS 的整合式定位及定向系統。其主要的動機在於這二系統具有互補的特徵，例如 INS 具有高採樣頻率及短時間內高精度的特性，因此可以用來解決 GPS 所遭遇諸如訊號遮蔽、低採樣頻率、周波脫落、易被干擾等限制。而 GPS 在無訊號遮蔽的環境下，可以提供穩定的定位及導航資訊，因此可用來改善 INS 隨時間累積的定位誤差。
因為空間資訊工程領域所發展的遙測製圖及測量系統，對於定位及姿態的精度要求較導航嚴格，整合 INS 及 GPS 的系統已逐漸成為新一代空間資訊擷取系統的核心元件。這趨勢正逐漸改變相關整合式定位科技發展的概念，除了穩定及不間斷的需求外，符合遙測製圖及測量系統高精度需求的定位及定向系統，正是目前國內外學術界及業界努力發展的方向。
數位影像多感測器
傳統的攝影測量使用的是光學相機所拍攝的照片，近年的發展趨勢是以數位相機來取代。雖然在航空攝影測量上，數位相機的解析度並未達到相當於光學相片的水準，但若是用在車載的攝影量測系統時，由於相機與物體的距離比航測時短了許多，因此很容易滿足解析度上的要求。加上數位相機與其他儀器的整合能力相當強，使用數位相機時，透過時間同步的處理，每張影像對應的時間及方位資訊都可以由 INS/GPS 整合系統提供，更加速測圖及資料處理的速度。
另外一個重要的進展便是數位的多光譜影像，例如透過載體上的感測器系統，自一段距離外感測物體在不同光譜波段的反射現象，來蒐集地球表面的資料和接近地表的環境資料。利用數位的多光譜影像所分析的資料，對於探測自然資源、植物物種分類、健康研究及土地管理的應用上都有很大的幫助。
除了利用數位影像及多光譜影像等方式蒐集地面資料外，使用雷射光束的掃描式測距系統 - 光達或稱雷射掃描儀，也是蒐集資料的有效工具。光達技術的發展，源自 1970 至 1980 年代美國太空總署的研發，之後因應全球定位系統及慣性導航系統的發展，使得精確的即時定位定姿態方法得以實現。
德國 Stuttgart 大學於 1988 至 1993 年間把雷射掃描技術與即時定位定姿態系統加以結合，產生初始的空載雷射掃描儀。把雷射掃描儀固定在飛行載臺上，由空中向地面以高頻率發射雷射光束，並由感測器接收反射訊號後，記錄發射脈衝到接收反射訊號之間的時間差，並且以差分 GPS 完成精密的動態定位，同時利用 INS 獲取慣性姿態角度。每一次掃描都建立從雷射載臺到地面反射點間的空間向量，進而可推導出地面投影的三維座標，這種計算步驟稱為直接地理參考。
直接地理參考在移動式的測圖系統上也是可行的，而且是讓定位定向資訊與影像資料可以整合在一起的關鍵技術。由於光達在量測時的速度非常快，每秒約數十萬個點，因此可以測到很小的範圍，一般在 1 千公尺的高度可以測到地面上 10 公分見方的點。這特性可用以直接測量高度，建置高精度的數值地形及都市中的建物模型。
未來的應用與發展
綜上所述，測量車的整合式導航系統可以在採集空間資料的過程中提供精確的位置資訊，多種的感測器可以讓測量車有能力去獲取各種應用領域的屬性資料，加上電腦運算能力與容量一直在增加，整個移動式測圖系統處理空間資料的能力越來越強，也因此測量車可以應用的領域也就更深且更廣。
未來測量車與多感測器測圖系統將可以運用在許多領域中，自動化的地形測繪與影像製圖是整個系統最基本的能力，測量車的機動性以及對數位影像處理與採集的能力，可以節省許多傳統平面測量所需要的人力及時間。在都市規劃與設計方面，測量車透過雷射掃描及影像處理，可以建立一個 3D 的都市模型，做為都市設計與規劃的依據。
此外，把建立都市模型的相關屬性做進一步的擴充，並與空間資訊系統結合，便可以建立一個虛擬的都市用來模擬各種狀況。其中一個很重要的應用就是模擬天然災害造成的損害，來建立都市對於天災的預防及應變措施。其他還可應用在例如建立交通標誌的資訊來規劃都市道路交通，或用來調查都市地區的基礎公共建設，如人孔、變電箱、電線桿等。
自 2004 年以來美國國防部還有一個測量車相關應用的競賽，即 DARPA Grand Challenge, 目的就是在發展無人操控的自動車。這種自動車的核心元件與測量車相同，整合了 INS 與 GPS 的精密定位及定向元件，以及若干遙測感測器。參賽車輛必須在無人控制的情況下，獨自行駛所規劃的數百公里路程，而且沿途要能閃避障礙物。
近兩年已經有若干團隊可以完成全程，不過前幾年的賽場都是在人煙稀少的郊區，相對於都市區而言，所遇到的狀況比較單純。今年開始的比賽場地將移至都市區進行，預期所遭遇的問題及挑戰都會比以往困難許多，這也是移動測圖技術在未來可以延伸發展的方向。 |
有「核」不可?–核能疑慮面面觀 | 兩年前的 3 月 11 日，日本福島第一核電廠，因強烈地震引發的海嘯，沖毀了電力系統，造成核電廠反應爐冷卻系統失靈、導致反應堆溫度飆高，燃料棒損壞，以致輻射外洩，震驚了世界，也引起臺灣民眾的恐慌，及對核電安全的重視與疑慮，更進一步引發反核浪潮，政府也因此希望在最近的未來以公投決定核四存廢。展望未來，非「核」不可？有「核」不可？「核」去「核」從？讓我們先從核能發電的基本原理，以及核能電廠的基本特性談起，來探討核能安全、核輻射，與核廢料的相關議題。演講一開始，周教授以「潘朵拉的『核子』」為標題，先簡單介紹了原子能的發展、核能應用的歷史，以及清大核工系的設立和周教授自己的求學任職過程：全球第一座原子爐建於 1942 年的美國，而在 1951 年美國建立了第一座實驗核電裝置，當時的功率僅為 1 千瓦，臺灣當時對核能的發展不落人後，在 1961 年於清華大學就建立了臺灣第一座反應爐！周教授接著介紹核能發電的基本原理：目前的核電技術是利用核分裂以釋放出原子核的巨大能量。周教授以剖西瓜為比喻，一個原子核經中子撞擊後，產生兩個較輕的新原子核並射出數個中子，就有如將西瓜剖半，同時會飛出幾粒西瓜子一樣。第一次核反應所釋放出來的中子，又可以觸發其他原子核的分裂，進而產生鏈鎖反應，放出龐大能量。這些能量怎麼來的？在反應的過程中，有一點點質量會消失，損失的質量，會依照愛因斯坦的方程式 E = mc2 轉成能量，一次鈾元素的分裂反應可以產生約兩億電子伏特 (eV) 的能量，所以一顆小指頭大小的燃料丸可以產生相當於燃燒一噸煤的能量！一噸煤大約可以裝滿應力所演講廳的一半空間，核反應所能提供的能量確實驚人！人類所能控制進行的核分裂所使用的母原子主要是鈾 - 235、鈽 - 239, 和鈾 - 233, 但是後兩者為人造產物，不存在於自然界。又因為鈽 - 239 可以用在核子武器中，為了防止核武擴散，多數國家選擇以鈾 - 235 做為核電廠的燃料。鈾 - 235 雖然也可以用在核武，但大自然中鈾 - 235 的濃度僅 0.72%, 同位素鈾 - 238 為 99.28%, 鈾 - 235 分裂時放出慢中子引發鏈鎖反應，然而同位素鈾 - 238 卻可以吸收慢中子以作為鏈鎖反應的緩衝，所以一個是「油門」(鈾 - 235), 一個是煞車 (鈾 - 238)。低濃度的鈾無法產生大規模的爆炸，所以若要製造原子彈，需要把鈾精鍊到武器等級 (例如：廣島原子彈中鈾 - 235 的濃度為 70%), 需要高度的離心濃縮技術，將鈾 - 235 的濃度大幅提升，但是核電廠燃料棒中的鈾 - 235 只經過低度濃縮，濃度約為 3 ~ 5%, 無法產生類似原子彈一樣的爆炸，所以坊間媒體常常將核電廠比擬成原子彈是錯誤的，因為兩者完全無法類比。我們如何將核能轉換為電能呢？周教授深入淺出的講解了三種核反應器，分別是：快中子反應器、慢中子反應器 (或稱輕水式反應器), 和石墨水冷反應器。 快中子反應器是先以快中子撞擊鈾 - 238 產生鈽 - 239, 再以鈽 - 239 進行核分裂反應。然而，呼應前面所述，鈽 - 239 有著核武擴散等疑慮，因此這類反應器較少興建；輕水式反應器為多數國家核電廠採用。可分為沸水式 (核一、二、四) 與壓水式 (核三)。沸水式反應器，顧名思義即是將水直接煮沸，以蒸汽推動氣渦輪機發電，是直接循環的單迴路系統。壓水式反應器則是透過熱交換器將通過爐心的迴路 (加壓水不沸騰) 與通過氣渦輪機的迴路分開，是間接循環的雙迴路系統。輕水式反應器以水中的氫原子 (和中子質量相當，撞擊時的能量轉換就像撞球中的「定桿」一樣，可以將慢中子的速度大幅減緩) 和鈾 - 238 為吸收劑。 石墨水冷反應器則多由蘇聯運轉，兼有發電與製造核武原料的功能。然而使用石墨當作中子吸收劑的效率較差，而且為了要常常取出新生成的核武原料，所以沒有圍阻體設計，危險性較大，1987 年車諾比核電廠事故即是一例。 周教授接著為大家解說核電安全的疑慮與迷思：上文提過，核電廠不可能像原子彈一般爆炸，理由之一是兩者燃料的濃度不同，而且鈾 - 238 含量越多的核燃料，當核反應越強烈時，吸收中子的能力就越大，因此分裂反應不會一直增強；另外水的「空泡效應」也會造成負回饋，減低反應的發生；此外核電廠事故與核爆所釋放出來的物質也不同，核電廠事故所放出的放射物質是短半衰期的碘 - 131 和銫 - 137, 不同於核爆所放出的長半衰期產物。周教授也提醒我們，從五零年代冷戰開始到現在的幾十年間，各個擁核國家所進行的多次大氣核試，已經在我們生活周遭留下了許多長半衰期的核物質，我們每天的生活中，放射線的背景強度許多是來自這些物質。談到過去所發生過的核災變，周教授作了簡單清楚的分析：美國賓州三哩島事故及福島的事故，都來自輕水式反應器。事故原因是在緊急停爐之後，燃料棒仍有「餘熱」釋出，這種「餘熱」即「衰變熱」, 是原子由激態掉回穩態所放出的能量，約為正常運轉功率的 6%, 這種「餘熱」若無法順利冷卻帶走，則會燒損鋯合金材料的護套，與水遇合產生氫氣，最終引發氫爆。為避免餘熱留存造成災害，核電廠多半設計有多套剎車：緊急爐心冷卻系統、裝有十萬噸水的生水池，以及圍阻體屏蔽，為了因應停電的困擾，有的設計是將緊急冷卻水位置提高，由重力效應將水注入。美國三哩島的事故帶給了核工界深刻教訓，於是將「單一失效」的想法轉換為「多重失效」風險的評估。而在福島事故時，電廠撐過了強震，卻因為海嘯造成置於地下室的緊急發電機淹水，再加上電池耗盡，而使爐心升溫產生氫爆。相比於距離震央更近的女川核電廠，因為是建在 14.8 公尺的高地上，設計基準較福島電廠為高，在這次地震加海嘯的複合式災難中女川電廠就能夠撐過來。 整場演講周教授提供了完整的核能原理的介紹，和核能安全及疑慮的說明，這就是我們希望在這個系列中所能提供展望聽眾的資訊：在決定臺灣如何走向「非核家園」及「低碳家園」的過程中，我們應該充分瞭解各項能源產生的原理和現況，在考慮整體國家的政策方向時，才能夠作出理性和平衡的決定。 |
太陽光電(一):太陽能帶來福島新生機 | 2011 年 3 月 11 日，日本發生芮氏規模高達 8.9 的強震，接連發生的海嘯，引發了核能電廠爆炸以及輻射線外洩。包括福島在內主要的震災區，屬於日本重要的農業地帶，尤其是水稻和蔬菜的生產佔有相當的份量。自從遭受核災之後，當地的農產品也受到輻射外洩的污染，福島縣生產的花椰菜、菠菜、甘藍菜、油菜等 11 種蔬菜，以及茨城縣生產的荷蘭芹和生乳，都檢測出超過安全值的放射性碘及銫，於是日本政府下令禁止販售這些受到污染的葉菜和生乳。台灣、美國、香港等地區，隨即禁止進口福島的農產品，包括牛奶、乳製品與蔬果，福島從此與輻射污染的疑慮如影隨形。
深受輻射外洩之苦的福島居民，不但自己的生命健康受到威脅，辛辛苦苦用心耕作，好不容易照顧到收成的農產品，竟然無法採收出售，鮮醇美味的牛奶也被迫銷毀，農民的心血在一夕之間全部付之流水，有人甚至因而傾家蕩產。於是經歷這場巨變的福島居民，下定決心不再讓同樣的憾事有機會發生；核能外洩發生的時間只是一瞬間，但這一瞬間卻讓我們對食物的安全性存疑。因此決定不想再依賴核能，而考慮利用太陽能發電。
根據日本朝日新聞 8 月 27 日的報導，來自福島三春町農家的 6 位女性成員，組成了「芹澤農產加工團體」, 開始將太陽能發電的電力，使用在冰箱、冰櫃和搗麻糬機，生產農產加工品。這些農婦因地制宜，直接將太陽能的面板放置在自己家裡的高處平台上面，從 2012 年 5 月下旬起進行發電，電力供給村裡農產加工廠。這些太陽能面板長 125.7 英寸，寬 97.7 英寸，共有 36 片，提供每小時 5 仟瓦電力，只花了 100 萬日圓的架設成本，就能滿足加工廠內的設施和照明設備運轉所需的動力。這家加工廠所有的原料和加工品，如味噌、漬物、麻糬、饅頭等，都要經過自行裝設的輻線測量機，通過比政府規定更嚴格的檢測值，才能夠出貨。不但在產品原料和製作過程遵循祖先的傳統，也從重視提供乾淨的能源開始做起，以徹底洗刷福島產品輻射污染的負面形象。
技術雖然看似一種中性的工具，與政治或權力無關，但當我們採用某種技術系統時，必然會帶來某種社會的秩序，選擇了這些技術也就選擇某種特定形式的政治生活樣態。例如核電廠必須由政府中央組織和專業菁英的管理者，才能建造運轉的系統，隨之而來的必須是集權式的關係。福島居民藉由核能事故的發生，領悟到依賴核能電力的風險，轉而利用天然資源產生的電力，同時也達到對環境友善和永續能源的效果。原來他們以為只有單一的生活方式，開始有不同選擇的可能性。他們從原來依賴政府集中式的大型核能電力系統，改用分散四處的太陽能系統，每個人在自己家裡就可以架設太陽能板生產能源，提供充足的電力，不但降低了發電成本，更在整個農產加工過程中，連能源取得都能夠自給自足。個人和社區有充分的自主權，可以更有效地管理自己的事務，更改變人民必須完全依賴政府提供能源的傳統觀念和權力關係。這是在 311 災難周年之後，太陽能帶給福島居民自立自強的新生機會。(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 |
花花世界:蝴蝶蘭的品種改良 | 由於工商業的迅速發展及經濟的全球化，臺灣農業將逐漸式微，在臺灣進入世界貿易組織後，多數農產品失去國際競爭力，唯有臺灣蝴蝶蘭能蓬勃發展，並且成為全世界蝴蝶蘭苗最大的外銷國家，這是因為我們擁有新科技的品種改良技術，善用原生蝴蝶蘭資源育成多樣化之品種，以及企業化經營農業，因而提升了在國際市場上的競爭力。
臺灣蝴蝶蘭產業發展歷程
一九八○年代，隨著臺灣花卉事業的發展，蘭花產業開始受到農業界產、官、學、研各方面的重視。蝴蝶蘭葉姿寬厚翠綠，花期可達二至四個月，細長的花梗前段成弓形彎曲，花朵好像展翅的蝴蝶，一左一右排列在花梗前段，乍看之下，彷彿一群蝴蝶翩然飛舞，奇美無比，堪稱蘭花之后。而臺灣是蝴蝶蘭原生地之一，因此，再創臺灣農業生機的蝴蝶蘭，有其本土性及悠久的栽培歷史，是一種具有指標意義的作物。
一九八六年，臺灣大學李哖教授及農委會官員積極推動發展臺灣蝴蝶蘭產業，臺糖公司也在一九八八年投入蝴蝶蘭等精緻農業，往後十多年間的發展與成就，證實這是一個成功且影響深遠的商業投資，這項投資不僅建立臺糖公司的蝴蝶蘭產業，並且徹底改變臺灣的蝴蝶蘭經營型態。
一九八八年以前，蝴蝶蘭的種植在臺灣已有數十年之久，但是長期以來，一直是民間愛好栽培者小規模的栽培。通常是以簡易溫室種植，空間從數十坪到數百坪，市場規模僅限於同好者間所流通；產品則是由各愛好者嘗試雜交後播種所得的分離後代：瓶苗或是未開花的小、中苗。育種者或購買者往往類似於購買彩券的心理，希望由分離族群中選拔到優秀的單株，繁殖後出售給不同蘭園或栽培者。
一九八八年，臺糖研究所成立園藝系，組成蝴蝶蘭研發團隊，從事育種、栽培、病蟲害、溫室設施、採收後處理等相關的研究。研發產品目標以外銷為導向，企業化經營蝴蝶蘭產業，各研究人員針對其相關事業領域，朝此一目標進行研發工作。
十多年來，臺糖公司對臺灣原生蝴蝶蘭產業的貢獻，包括:
引進荷蘭跨距 3.2 公尺的玻璃溫室為原型，進一步改良為本土化、規格化的蝴蝶蘭栽培溫室。這種精密的溫室，夏天透過遮光網、風扇和水牆的運轉，可將溫度控制在攝氏 30 度以下；冬天透過加溫及保溫設備可將溫度提高到攝氏 27 度以上。經由本土化的臺糖環控一號電腦自動環控設備，可將溫度、濕度和光照控制在適合蝴蝶蘭生長的環境內。
商品型態由初期設定的切花轉為中、大苗外銷，就是結合亞熱帶地區高溫生產苗株，溫帶地區涼溫誘導開花、銷售的特殊產業結構，形成互補共生的策略聯盟。這種結合兩地各自特有的環境優勢，不但增加雙方的溫室週轉率，而且避開切花不易包裝運銷的問題。
選定水草為栽培介質，使管理過程單純化、省工化，並且使帶介質外銷成為可能，輸入的苗株恢復期縮短，蘭苗開花期迅速。
有效控制病蟲害及病毒病害，尤其是軟腐病的藥劑防治成效良好。
品種改良的成效優異，各生產業者以自我育成的品種創立新品牌，如.. 兄弟蘭園之 Brother、一心蘭園之 I-shin、臺糖的 Taisuco 等，其中 Taisuco 白花蝴蝶蘭尤為聲名遠播。
臺糖公司建立其企業化經營的蝴蝶蘭產業後，除了大量外銷苗株賺取外匯外，也對民間蘭花業者產生顯著的影響。首先是國外客戶大量向臺灣訂購品質優良的蝴蝶蘭苗，其次是國內市場逐漸出現價廉物美的蝴蝶蘭盆花，並進一步帶動蝴蝶蘭盆花的消費習慣。這使得傳統的蝴蝶蘭蘭園經營面臨困境，以致嘉德利亞蘭的產業迅速萎縮。
情勢所逼，傳統趣味的養蘭業者轉型，以臺糖公司為師，投入蝴蝶蘭企業化經營的模式，建立精密性水牆溫室，以水草種植，販賣中、大苗，甚至利用臺糖的親本，進一步雜交育成自己的雜交種。另外，一些大型企業，如.. 陸仕企業、金車公司等，發現種植蝴蝶蘭有利可圖，也相繼投入蝴蝶蘭產業，蔚為風氣，使臺灣成為全世界最重要的蝴蝶蘭苗外銷國家。
原生蝴蝶蘭的分類與應用
蘭科植物的分布極廣，除兩極及沙漠地區外，幾乎無所不在，可能是顯花植物中最大的一科。全世界至少二萬五千種，其中約有 80% 左右的蘭科植物生長在暖熱帶，而美麗的大花種也多產於此區。臺灣位於熱帶及亞熱帶地區，原產的蘭花約有八十屬四百種，其中蝴蝶蘭因花期長、花序排列優美，因此特別受人喜愛。
蝴蝶蘭是發現最早的洋蘭，其屬名 Phalaenopsis 是由 phalaena (原意為蝶蛾) 及 opsis (意為形象) 而來，普通名為蝴蝶蘭 (moth orchid)。在植物界的分類地位是被子植物門、單子葉植物綱、雌雄合蕊植物目中的唯一蘭科、樹蘭亞科、萬代蘭亞族。目前已發現約有五十個原生種，多生長在森林或雨林的高樹上，其中六種可能已絕種，另有十多種已不易尋獲，常見的只有二十多種，本省也是其中二個種的原產地之一，目前臺糖研究所收集保存有四十二個種。
蝴蝶蘭屬植物自然分布區只限於赤道南北緯各 23 度範圍內的東南亞及北澳地區，一七四○年在呂宋島發現第一個種，一七五○年在印尼摩鹿加島也發現此屬植物，當時稱為 Angracum albm majus, 是「月亮蘭」的意思。
蝴蝶蘭的分類始於一八六○年，萊克茵巴克 (F. Reichenbach) 以唇瓣中裂片有無捲鬚的特徵，簡單將其分為兩群、十一個種。歷經一百多年後，目前以史威特 (H. R. Sweet) 博士依花瓣及萼瓣特徵進行的分類法較被接受。他雖以整朵花為分類依據，將蝴蝶蘭屬分為九節 (section)、四十四種，但唇瓣的型態變化仍為分類重點。
利用臺糖研究所自建的「蝴蝶蘭系譜電腦分析資料庫」及英國皇家園藝協會「蘭花資訊 CD 庫」, 進行蝴蝶蘭重要栽培種的親本系譜分析，大型白花的特性主要源自原生種 P. amabilis 及 P. aphrodite 所貢獻的遺傳成分。大型粉紅花性狀主要源自原生種 P. sanderana 及 P. schillerana, 再加大型白花提供大花型特性。
白底噴點花的特性源自原生種 P. stuartiana 及 P. amboinensis 白底噴點營養系。黃花的特性多源自原生種 P. amboinensis 及 P. lueddemanniana 黃底噴點營養系。白花紅唇源於原生種 P. equestris、P. lueddemanniana 等，香味花主要源自原生種 P. amboinensis 及 P. violaceae, 另外，原生種 P. lueddemanniana、P. schillerana、P. stuartiana 等具有香味，營養系經連續雜交育種的過程，也會貢獻香味特性。血紅花以 P. pulchra、P. fasciata、P. violocea、P. amboinensis 四種原生種相互雜交選拔，再加上引入異屬 Doritis pulcherrima 的紅紫色，育成粉紅到紫紅的朵麗蝶蘭屬商品紅花。
目前市場上大型花蝴蝶蘭的各種奇異花都有 50% 以上大型白花血統。蘭花育種選拔標準常隨流行趨勢而有所改變，不具經濟價值者將被遺棄而消失，而依某固定觀念進行育種，最後常面臨無法突破的困境，這時，原生種所具有的多樣性特質就可提供更廣泛的育種材料。然而現今除自然災害外，人為的生態破壞和任意採集，更加速原生種的滅絕，因此原生種的收集及保存就成為蝴蝶蘭產業發展的重要課題。
臺灣原生蝴蝶蘭及其應用
臺灣地理位於太平洋西緣，北緯 21 度 45 分至 25 度 35 分間，北迴歸線跨越中南部的嘉義縣，因受太平洋暖流的影響，終年四季如春，氣候很適合蝴蝶蘭的培育。臺灣有兩種蝴蝶蘭原生種:「臺灣阿媽蝴蝶蘭」(P. amabilis var. formosa Shimadzu) 與「姬蝴蝶蘭」(P. equestris (Schauer) Rchb. f.)。「姬蝴蝶蘭」產於小蘭嶼，粉紅色花，惹人喜愛，是迷你多花性蝴蝶蘭育種的主要親本。
「臺灣阿媽蝴蝶蘭」為中輪白花，產於屏東縣恆春、大武及蘭嶼等地 800 公尺以下的季節雨林樹幹上。本種曾在一九五二及一九五三年參加美國加州舉行的國際花卉展，獲得兩次冠軍，並得金像獎兩座；後於一九五六年，參加法國楠特城舉行的第三屆國際花卉展，獲得金質獎章一枚，此花一株開花約三百朵，贏得愛花人士嘆為觀止。
臺糖應用染色體倍加技術，從兩倍體原生種選育出短梗、花圓整、質優的臺糖阿媽 (TS97), 每年外銷日本數十萬苗蘭株，在日本蝴蝶蘭中輪白花市場獨占螯頭。
雜交育種程序
受限於蝴蝶蘭分生苗微體繁殖生產成本的考量，目前臺灣生產外銷的蝴蝶蘭，除了極少數品種是分生苗外，大部分以雜種實生苗的分離族群為主要的商品型態，由兩個優良的親本雜交，未成熟種子於試管內播種，萌芽後，經母瓶、中母瓶和子瓶等階段，再出瓶栽培為小苗、中苗、大苗，最後開花供評估選拔優良品種。
評估那個雜交組合實生苗最穩定，或其分離族群最適合市場的需求，是極為重要的工作，評估的方式是育種方法上的「後裔檢定」, 這是臺糖研究所為育成蝴蝶蘭商業品種所採用的育種方法。
育成符合企業化栽培的雜交種，必須收集各種不同特性的蝴蝶蘭讓育種者靈活運用，才能達成目標，有鑑於此，臺灣糖業研究所園藝系收集保存蝴蝶蘭原生種四十二種及一千六百多種優良品種為親本，並調查植株園藝性狀及開花性等資料存入電腦建檔。主要育種目標包括雜交稔實率高、生長勢佳易栽培、葉片挺立受光性佳、抗病、早花、矮梗、大朵、整型、色澤明亮、質地佳、多花、排列性好，以及好花率高而族群表現均一等特性。
每年開花期，育種人員根據育種目標，例如大型白花以增加抗病性、大型紅花以增加香味及加重紅色、黃色奇異花以加大花型及增加花朵數等，就保存種原的優缺點擬定適當組合進行雜交。雜交果莢成熟後，行無菌播種，經過一連串的培育過程，直到開花期，每一組合可供評估的族群，大小約在二百五十至五百株之間，評估分成三個階段，包括瓶苗、小中苗，和最後的開花期的評估。評估時，經育種人員初步選拔，入選的組合再經全體研究人員及現場栽培人員做最後的決選，推薦試銷。
每年開花期，約有一百至一百五十個組合，總數約三萬至五萬株實生苗族群通過前二個階段篩選，參加最後開花期評估，平均約有五至十個組合通過決選，進行試銷及登錄命名，這期間，除了比較個別組合的優劣外，並進行單株選拔，入選的優良單株，部分留作種原保存，以備進一步改良，部分則提供做為商業用分生苗品種。
蝴蝶蘭是單莖植物，要在短時間內供應現場大量的果莢，以生產實生苗，親本株數必須足夠，唯一的方式是透過分生的方式，也就是繁殖足量優良的親本，因為親本的繁殖須與雜交評估的工作同步進行，才可在試銷開始提供足量的親本生產果莢。
育種雜交的同年，馬上進行雜交親本花梗節芽插植分生的工作，在育種雜交用果莢母瓶播種完畢後，進行第一次的親本分生繁殖選汰工作，使雜交未成功或是播種後萌芽不良組合的親本停止分生，僅種子萌芽良好之組合親本繼續增殖。在中苗進入大苗前，也要根據中苗階段評估的結果，將表現不良組合的親本停止繁殖，表現良好的則繼續增殖。
在開花期決選後試銷的組合，其增殖中的親本，一半促根出瓶，準備生產明年試銷用的果莢；另一半則繼續增殖到一定數量後出瓶，準備生產後年量產用果莢，如此，可同步提供足量的雜交用親本，以供應生產雜種實生苗銷售。
臺灣蝴蝶蘭品種改良之成果
早在二次世界大戰時期，就有日本人米澤先生進行臺灣蝴蝶蘭的育種工作，其雜交種植株在戰爭後才見開花。中期蝴蝶蘭的育種多著力於單朵花的改進，以趣味栽培者為主要對象，交配親本也較特殊，因此，所獲稔實種子量較少，如獲得開出珍奇花的實生苗，則身價非凡。近年來，隨著蝴蝶蘭企業的國際化，從事育種者除了花形、花色外，花朵壽命、花梗長短、葉形葉姿、易養性、開花性、抗病性以及交配組合所能生產的種子量等，在選擇親本組合時也一併考慮，以期培育出符合消費者需求的花類，且能以大眾化價格供應國內外市場。
臺糖目前共選出 TS146 等四十五個優良雜交種，提供生產單位培育二百萬蘭苗出售及生產盆花或切花，並以臺糖公司 (Taisuco) 為命名首字，在英國皇家園藝協會 (RHS) 登錄一百七十六種。另外，也從所雜交培育之蘭株中選拔蝴蝶蘭優秀品種，進行大量分生繁殖，並參加世界性的蘭展。屢次獲獎肯定了臺糖蝴蝶蘭的育種成果。
一九九○年品種 TSC1 及 TSC6 曾在名古屋國際蘭展獲得日本蘭農協會 (JOGA) 銅牌；一九九二年品種 TSC11、TSC12 及品種 TSC8、TSC13、TSC19 在臺灣第六屆及第七屆國際蝴蝶蘭展，分獲美國蘭藝協會 (AOS) 之評審讚賞獎 (JC)、栽培獎 (CCM) 及銀牌 (AM)。品種 TSC20 在一九九三年日本東京巨蛋蘭展得銅牌，品種 TSC27 在一九九三年英國第十四屆世界蘭展贏得大會銀牌、分組冠軍獎、優良品種第一獎及大白花分組第一獎。
另外，臺糖蝴蝶蘭切花品質亦屢獲國際花卉界肯定，品種 TS316 紅花切花在一九九四年日本沖繩國際洋蘭博覽會，獲得海洋博覽會紀念公園管理財團理事長獎，品種 TS67 白花切花除獲上述獎賞外，一九九三年也獲得荷蘭阿斯米爾 (Aasmear) 第十六屆國際花卉展銀牌獎。品種 TSC32、TSC33、TSC34 又在日本東京巨蛋蘭展榮獲銅牌獎，品種 TSC22 在美國蘭藝學會得到銀牌獎，臺糖蝴蝶蘭在臺灣第八屆國際蘭展，共計獲得分組冠軍等二十四個獎，臺糖蝴蝶蘭切花及盆花也在法國楠特市第七屆國際花卉展獲得蝴蝶蘭組第一獎。
開發新科技及發展新產品是企業永續經營的基石，臺灣蝴蝶蘭產業在企業化經營下能蓬勃發展，得力於擁有優異的品種改良技術，育成多樣化的優良品種。展望未來，蝴蝶蘭國際市場的潛力依然無限，但臺灣必需隨時擁有優勢品種，才能在國際市場保有競爭力，往後臺灣業者及科研單位應繼續積極從事品種改良工作，除了應用傳統雜交育種技術，培育市場需求品種外，也應發展生物技術，輔助傳統雜交育種，提升育種效率，加速育成新奇品種，以領導市場。
此外，加速制定新品種專利保護法，發展低生產成本之分生苗量化生產技術，才能使臺灣繼續保有蝴蝶蘭王國的美譽。 |
核融合的秘密 | 要說這世界上最有效率的能源，誰能榮登第一名的寶座呢？是石油還是核電？把這兩個最常見的能源比下去的，是我們抬頭就看到的太陽。這裡說的不是太陽能，而是科學家口中的小太陽 —— 核融合。
核融合簡單來講，就是氫的核子，像氫或者重氫 (氘、氚), 經過融合，變成較重的一些核子，像氦的核子，在這個過程裡面，巨大的能量會發生。
與核能發電不同的地方是，核電運用鈾元素分裂時的熱能，來製造能源；而核融合運用元素加總的力量，讓氘和氚緊靠在一起，來產生反應。但是，因為氘和氚，本身都帶有正電，所以必須運用高達 2 億的高溫環境，讓原子核變成電漿狀態，使相斥的原子核可以互相依附在一起。而這項電漿技術，正是核融合發電最難克服的技術之一。
因為它是，又是帶電的，又是流動的，又是不平衡的，它比我們了解這個所謂固體物理要難得多。所以這裡面因此，它有很多所謂的渾沌現象，非常多的非線性的現象，這就是差之毫釐，失之千厘。
既然核融合發展技術這麼艱難，為什麼會被認為有發展潛力呢？原因就在於它存量豐富的發電原料。每一加崙的海水可提煉八分之一克的氘，而氚可以從岩石中的鋰原子提煉產生，不管是海洋或岩石，都不必擔心會有用完的一天。
而且核融合反應後的放射線，比現在所謂的核電相對低很多，所以不會有廢料放射性的安全問題。核融合需要克服的技術還很多，目前還處在實驗的研究階段，畢竟要做出一顆太陽，並不是一件簡單的事，因此，用核融合發電還有待科學家繼續努力。 |
燃料電池:燃料電池與電動車輛 | 電動車的發展歷史幾乎與引擎車同樣久遠，但是在速度與行程方面，都不易滿足消費者的需求，因此一直無法成為普遍使用的大眾化交通工具。
二十世紀可以說是石油的世紀，石油的使用帶動了運輸、科技與文明的進展，全球各型汽車累計達六億輛以上，消耗了大量的汽油，也在各地造成引發環境危機的空氣污染。
由於能源與環境的雙重壓力，電動車的開發與應用在一九七○年代重新受到各國政府的重視與支持。根據多年來的研究與推廣結果，使用鉛酸、鎳氫等電池的電動車，由於行程不足、充電麻煩等問題，只能做為自行車、代步車、高爾夫球車、機場搬運車、室內堆高機等使用，而無法作為路面上的主要交通工具，例如汽車、機車與巴士等。如果希望電動車能夠真正地商業化，則須採用新型的電池技術，才可大幅提升電動車的功能，增加消費者的接受程度。
燃料電池具有零污染、高效率、低噪音、低振動，以及起動快、壽命長等諸多優點，適合做為取代高污染與低效率的傳統汽、柴油引擎的選擇，因而成為近年來美、日、歐等國爭相研發的重點科技，也成為這些國家獎勵與推廣的產品。由於近年來燃料電池的技術突飛猛進，相關材料及零組件的成本亦持續下降，使燃料電池電動車的商業化可能性大為提高。
燃料電池
一八三九年，英國的威廉・葛羅夫 (William Grove) 利用水電解的逆向操作，將浸在硫酸溶液中的一對白金電極接上負載後，氫氣與氧氣即可反應產生直流電流，因而發明燃料電池。這種採用電化學發電的技術，經由後人的繼續研究，發現除酸性電解質外，在鹼性、熔融碳酸鹽與固態氧化物等電解質中也可產生反應，甚至以酸性固態高分子膜做為電解質也有同樣的效果。雖然都是利用氫氣與氧氣的作用，由於使用的電解質不同，因而先後發明了許多種類的燃料電池。
隨著研究的進展，逐漸瞭解甲醇、乙醇等也可取代氫氣做為反應物，但是使用氫氣的反應效率較高，因此目前主要的應用都是集中在氫氣系統。即使是採用甲醇或天然氣的系統，大部分都是先利用重組器將燃料轉換成含有氫氣的重組氣，再與氧氣進行電化學反應。至於反應物中的氧氣可以直接取自空氣，只有在鹼性燃料電池中，由於空氣中的 CO2 會與鹼性電解質直接發生化學反應，使電解質失去效用，因此需要採用純氧系統。
在各種燃料電池中，質子交換膜燃料電池，簡稱 PEMFC, 具有反應溫度低、能量密度高、材料選擇廣等優點，成為現行各國研發與應用的選擇重點。這種電池的電解質是質子交換高分子膜，是一種磺酸化的氟碳系高分子，不但堅固耐用，而且在吸收水分後就可成為氫離子的良好傳導體。
在高分子膜的兩側，分別塗布一層含有白金觸媒粉末的碳膠，便可產生陽極與陰極的功能，這種組合稱為膜電池組體。膜電池組體中的白金碳膠就是觸媒層，氫氣的氧化與氧氣的還原反應都是利用白金觸媒加速進行。在觸媒層的兩側，必須分別利用稱為氣體擴散層的碳紙或碳布緊密夾住，如此即可形成一個單電池。
但是一個完整的單電池組，除前述的組件外，尚需加上從外側導入氫氣的陽極導氣流場板與導入空氣的陰極導氣流場板。一般流場板都是採用具有導電性與氣密性的碳材，可以傳導電流，但是反應氣體不會穿透洩漏。
質子交換膜燃料電池的作用原理是將氫氣通過導氣流場板導至陽極，在陽極觸媒的作用下，一個氫分子會分解為兩個質子和兩個電子。這時，電子會由具導電功能的流場板導至外面，經由外部負載電路到達陰極而形成電流，質子則通過高分子薄膜到達陰極。在電池的另一端，氧氣亦通過陰極導氣流場板到達陰極，在陰極觸媒的作用下，氧分子與通過薄膜的質子和外部負載電路流入的電子，發生電化學反應而產生水及一些熱能。
燃料電池的反應物是氫氣與空氣中的氧氣，生成物只有純水、直流電流及廢熱，這三種生成物都是可利用的資源，而且整個過程不會產生污染，因此是一種環保的發電裝置。此外，燃料電池利用電化學反應原理，發電效率較高，又可把所產生的廢熱在汽電共生系統中作進一步的利用，因此也是一種高效率的發電技術。
燃料電池組與儲氫罐
單電池的電壓太低，而且電量太小，無法加以利用，因此需要將許多單電池組成一個燃料電池組，才有實用的價值。現行電池組的組合方式係採用單電池串聯結合，如此可形成緊密的結構，也可產生較高的電壓。在電池組中，氫氣與空氣的流動與流場設計非常重要，要能在導氣板中提供氣體流過燃料電池的管道，不但要儘量達到均勻地流過所有單電池反應面的效果，也要考慮減少壓降與帶出反應所生成的水分。
在反應時所產生的熱量，目前都是利用空氣或冷卻水流通方式，以達到散熱的目的，因此相鄰單電池之間需要插入冷卻板，以做為空氣或冷卻水的通路。質子交換膜燃料電池組的冷卻板，都是採用與導氣流場板相同材質的純碳板或摻有高分子的複合碳板，如此材料與加工單純化，而且可維持整體電池組的導電功能。在電池組的兩端，分別加裝金屬導電片以引出電流，並利用端板與螺絲產生緊密結合的效果，端板上則可安排各種氣體與冷卻水的接頭。
燃料電池系統的核心組件是電池組，另一項重要的組件是燃料供應裝置，藉此才能長時間產生可靠的電力。目前在世界各地試驗或展示的燃料電池電動車，主要的燃料大多採用氫氣；其中，巴士與汽車使用高壓儲氫筒，可以行駛較長的距離，至於機車與自行車，則是採用低壓合金儲氫罐。
根據美國能源部的研究指出，金屬氫化物是現行最安全的氫氣貯藏方式，小型車輛使用合金儲氫罐的理由主要是安全性的要求。儲氫鋼瓶的壓力大多在 200 個大氣壓以上，而一般合金儲氫罐多在 10 個大氣壓以下。此外，高壓鋼瓶只要發生洩漏就會瞬間釋出大量的氫氣，而合金儲氫罐的洩漏速率緩慢較無危險性。但是合金儲氫罐的缺點在於重量較重與合金較貴，在需要使用大量氫氣燃料的大型車輛中就不合適。如果考慮重量減輕與製程簡易，則罐體材料可採用鋁合金；若著重強度時，則選擇不銹鋼。
燃料電池引擎系統
傳統的車用汽油或柴油引擎，除引擎本體之外，還需要有油箱、油泵、濾油器、空氣濾清器、化油器、噴嘴與點火裝置等組件，同時排氣管裝有消音器與觸媒轉化器，而且水冷式引擎還需要冷卻水系統，因此整個引擎系統相當精巧與複雜。
採用鉛酸電池、鎳氫或鋰電池的電動車，主要的動力組件是電池組、充電器、電力控制器與馬達等，因此動力系統較為簡單。燃料電池組的反應物需要由外界供應，必須有提供氫氣與空氣的系統，同時要裝設電池組冷卻系統，因此燃料電池電動車的動力系統比一般電池電動車較為複雜。
將電池組、儲氫罐、馬達與其他相關組件加以整合，便可組成燃料電池引擎系統，以做為燃料電池電動車的動力來源。這種系統可分為水冷式與氣冷式兩種，前者的優點是能源效率較高，缺點是較為複雜，適合應用於較大型系統，如汽車與機車。後者的優點與缺點恰與前者相反，可以裝設於較小型系統，如自行車與代步車。
以電動機車用水冷式燃料電池引擎系統為例，可採用數支合金儲氫罐供應氫氣，這些儲氫罐安裝在夾套式氫罐插置承座中，並利用電磁開關啟動氫氣氣流，再經過減壓閥流入電池組進行反應。這種系統的氫氣管線都採用密閉式，亦即強迫所有流入電池組的氫氣都經由電化學反應消耗掉，但是為排除累積在電池組中的不純物與水分，需要裝設一個定時開啟的氫氣排放閥。
如果要提高反應效率，可另裝設小型氫氣泵，將電池組中的氫氣抽出，再由氫氣管線進口端送回電池組，造成氫氣攪動與循環的作用。在空氣供應方面較為單純，由於電池組可採低壓操作方式，因此一般選用直流、低壓與風量大的鼓風機供應空氣，鼓風機的前端需要裝設過濾器，以防止灰塵、雜物進入電池組。
電池組在開始發電後，溫度會逐漸升高，這時就要靠冷卻水來控制溫度。用一個低流量水泵，把冷卻水從水箱抽出，流經儲氫罐插置承座的夾套、電池組的冷卻板與散熱器中的熱交換盤管，最後再回到水箱，以維持冷卻水的循環。
由於電池組在反應時會放熱變燙，而儲氫罐在放氫時會吸熱變冷，冷卻水循環系統可巧妙地利用這種特性，將經過電池組時吸收的熱量送到儲氫罐插置承座的夾套以加熱儲氫罐。這一系統不但維持儲氫罐的放氫速率，而且可有效保持電池組操作溫度。
當電池組在高功率放電時，儲氫罐吸收的熱量不足以降低冷卻水的溫度，這時就須啟動散熱器的風扇，以提供額外的冷卻效果。此外，在冷卻水的管線系統中，裝設有一分流支管，使部分水流經過濾水器與樹脂交換裝置，因而維持冷卻水的純度。
當燃料電池的反應持續進行後，也就是電池組的溫度升高時，反應氣體的相對濕度隨之降低，因而高分子電解質膜所含的水分會逐漸蒸發。這種現象輕微時會導致電池組的電壓下降，嚴重時氫氣會直接穿透過高分子膜與空氣混合燃燒，造成部分電池的損毀。為避免發生這種結果，在空氣流入電池組之前，需要經過加濕裝置，以提高空氣濕度。至於加濕裝置的設計有許多種方法，例如利用反應後含有大量水氣的空氣，在流出電池組後，經由透水膜使進入電池組的空氣增加濕度。
整個燃料電池引擎系統的運轉與保護，都是依賴電力與操作控制器。在系統開始啟動時，先利用一顆小型二次電池提供驅動電力，包括開啟氫氣閥與轉動鼓風機等，等到電池組開始發電後，即可由電池組提供各種需要的電力。燃料電池引擎系統的體積、重量、功能與控制，必須達到節省空間、減少重量、提升效率與簡易操作的效果，因此需要有精巧的系統設計與適當的組件整合，才能符合實用的要求，並讓使用者能輕鬆地駕駛與操控。
燃料電池電動車與周邊系統
燃料電池引擎系統只是電動車的動力部分，尚需要搭配車架、車輪、煞車、懸掛系統、傳動系統、照明與電力系統、儀表與操控系統等組件，才能完成整部車體的設計與組裝。
目前研發中的燃料電池電動車，動力系統有兩種，包括只用燃料電池的車種，以及同時裝置燃料電池與二次電池的複合電池車種，其中主要的差別在燃料電池功率的大小。以電動機車為例，如果選擇功率為二千瓦的燃料電池組，則須配合鉛酸或鋰電池組以組成複合電動車；但是選用功率五千瓦的燃料電池組時，即能符合一般情況的加速與爬坡需求，不需仰賴額外的二次電池提供輔助動力。
以燃料電池電動機車為例，可利用現有市售電動機車的車體進行改裝，即以燃料電池引擎系統取代原有的鉛酸電池組。由於燃料電池組的體積與重量並不大，能夠安裝在座墊底下置物箱下方的空間，鼓風機、水泵與控制器裝設在置物箱內，水箱與散熱器懸接在後車輪與後車架之間，合金儲氫罐與插置承座則利用腳踏板下側的空間。將這些組件固定後，即可進行空氣、氫氣與冷卻水等管線與控制閥的安排與裝設，以及溫度、壓力感測器與電線的接合，最後再經過測試與調整，就可組成一部完整的燃料電池電動機車。
但是這種機車是牽就已有的車體組成，不易達到實用化的要求，例如車體前後重量分布不夠平均、儲氫罐體可能與路面突起物碰撞、置物箱已被占用無法放置雨衣與安全帽、腳踏板底下只能容納兩支儲氫罐造成續航力不足等，因此只能當做單純的研究與展示使用。
如果要發展實用化與商業化的燃料電池電動機車，必須針對燃料電池引擎系統的特性與構件，重新進行車體與車型的分析、規劃、設計等工作。例如將座墊下側的車體擴大，以容納電池組、鼓風機、控制器等，且可回復置物箱的空間；同時將前車殼架的車體擴大，增加的空間可裝設散熱器與四支合金儲氫罐。若將機車車體與燃料電池引擎系統作更佳的整合，改善重心配置與使用性能，增加可用空間與行駛距離等，將更具有實用的潛力。
一般汽車的動力負載大多為機車的 10 倍以上，對於燃料電池引擎系統的性能與效率要求更為嚴格，因此設計方法也遠較機車複雜。其中較簡單的車種是兩人座型燃料電池電動汽車，稱為近鄰電動車，主要做為社區往返或短距離代步使用。由於這種車輛的時速要求在 30 公里以內，可以使用功率 10 千瓦以下的電池組，而且燃料耗量與行駛距離不遠，不需裝載大量氫氣。這種小型車的燃料電池引擎系統與前述的機車情況較為相似，只是並不使用儲氫罐，而是使用高壓氫氣鋼瓶。
燃料電池電動車上路後，緊接著的問題是要到何處加裝燃料，因此需要有燃料周邊系統的設置。如果是使用高壓氫氣鋼瓶的電動汽車，則需要普遍建立加氫站以補充燃料；若是採用合金儲氫罐的電動機車或自行車，則須有氫罐交換站提供服務。
以電動機車為例，機車用戶可選擇就近的交換站，並以空罐換取實罐後繼續行駛。交換站在收集空罐後，交給定期巡迴的氫罐運送車，同時換取實罐以繼續提供交換服務。運送車將空罐送回充氫工廠填充氫氣，並將實罐再度運至各個交換站。至於充氫工廠所需的氫氣，則來自氫氣製造廠。
由此可知，一個適合電動機車的完整燃料周邊系統，需要包括交換站、物流中心、充氫工廠與製氫工廠四個部分。由於車輛的使用數量大與分布地區廣，燃料周邊系統的建置，不但需要龐大的投資，而且需要相當的時間，所需的安全管理規範也需要積極建立與嚴格執行。
商業化的發展前景
燃料電池電動車的技術已經相當成熟，能否商業化的關鍵在於消費者的接受程度，亦即在使用性能、壽命、價格與燃料周邊系統等，需要讓消費者能夠滿意。目前燃料電池、相關材料、系統組件、車輛製造與燃料供應等廠商，正在共同努力解決這些問題，但是也需要政府的支持、獎勵與補助，才能逐步營造出初期的市場。
只要商業化的進展能夠成功，在大量生產與使用後，車輛的性能就能不斷提升，而且價格也可以持續下降，此時燃料電池電動車就可逐漸全面取代引擎車，並可造就一個擁有清潔空氣的都市空間。美國、日本與歐洲已經在政府的支持下，與各國的燃料電池相關產業廠商合作，紛紛成立燃料電池夥伴聯盟，進行燃料電池電動車的教育與推廣工作。這些國家的政府部門也都在積極提供獎勵與減稅等補助措施，並協助建立初期的燃料周邊系統。
我國政府對燃料電池科技的推動也是不遺餘力，除利用能源基金與科技專案補助研究機構、大學與產業界進行技術開發之外，並在今年正式成立臺灣燃料電池夥伴聯盟，希望能加速推廣產品的實際應用。經由這些努力，期望臺灣在未來全球燃料電池電動車的商業化進展過程中，能夠積極參與和貢獻，並創造出優異的技術、新興的產業與美好的未來。
延伸閱讀
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替代燃料與再生能源 | 替代燃料及再生能源
所謂替代燃料，指的是可替代傳統化石燃料的燃料，一般指壓縮天然氣、液化天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇、生質柴油、氫氣及 P - 系列燃料。而所謂再生能源，是指可再生或新生的能源，如水力、風力、太陽光能及熱能、潮汐、生質能 (垃圾、能源作物、森林等)。
何謂 P - 系列燃料？美國能源部在能源政策法案中，在一九九八年七月又新增了三種替代燃料。這三種燃料都是乙醇、甲基四氫化呋喃 (MTHF) 和戊烷的摻配物，如果在極冷地區要使引擎有冷啟動性能時，就要添加丁烷。這些燃料被它們的開發者，純能源公司稱之為 P - 系列燃料。使用這一類燃料可享受到能源政策法案規定的使用替代燃料的優惠。
純能源公司所提出的 P - 系列燃料的規範可以因市場的特別需要而變動，被美國能源部批准的品牌有三種，即純普通級、純高級、和純寒帶氣候級等。它們的容量組成為戊烷 10~50%、甲基四氫化呋喃 15~55%、乙醇 25~55%、正丁烷 0~15%。其中乙醇和甲基四氫化呋喃可自再生資源中製造，如含纖維素的生質體 (廢紙、農業廢棄物、都市及工業木材廢棄物) 加入濃酸進行水解。
目前甲基四氫化呋喃是由糠醛來小量製造，以供特殊化學品或製程工業用。甲基四氫化呋喃與酒精一樣，可擴大自玉米等農產品或廢棄物中製造出來。
本文將帶領你認識這些污染較少的再生能源。
能源利用現況
萬物欣欣向榮，機器轉動不停，它們都需要一種東西來維持，這種東西就是能量。地球上大部分的能量均源自於太陽，經轉變後有的是存量有限，有些則可再生、循環使用。
早期生物活動的能量泉源靠的是食物，透過食物的攝取把它轉化成能量。隨著文明的進展，人類為改善生活而發明機械來替代人力，最早使用的動力能源是天然能源，如木材、煤炭、天然氣及石油等。自十九世紀的工業革命及二十世紀福特發明汽車之後，天然能源如煤炭、石油、天然氣、和鈾礦更被大量開採、運用。
然而自然資源有限，如果不能生生不息，終有耗盡的一天。依現今的估計，在各項初級能源中，石油可用 40 年，一般天然氣可用 60 年，煤炭可用兩百年，原子能的鈾可用七十多年。未雨綢繆，尋求資源的源源供給，並減少對環境的衝擊，尋找替代燃料及再生能源乃成為目前的當務之急。
我國於民國八十八年規劃的短、中、長程再生能源，包括了太陽熱能及光電能、小水力、風力能、地熱能、生物能 (酒精汽油、生質柴油、能源作物、森林及生質氫能) 及海洋溫差，另有廢棄物能源利用，包括農業廢棄物、工業廢棄物及都市廢棄物。希望到二○二○年，這些再生能源可達我國能源總供應量的 3%(日本到二○一○年將達 3.1%; 英國目前僅為 0.25%, 他們首相聲稱二○一○年將達 10%; 丹麥到二○一○年為 17~19%, 二○三○年為 35%)。雖然只是百分之三的比例，但要達成這個目標，仍需要各界努力配合才可以做到。
地球的永續發展
一九七二年六月聯合國在瑞典斯德哥爾摩舉行第一次「人類環境會議」, 發表「人類環境宣言」, 明示保護及改善環境是人類的責任，也是各國政府的義務，更應該共同採取行動。於此揭開了國際環保的序幕。
一九八五年的維也納公約和一九八七年的「蒙特婁議定書」, 是管制破壞臭氧層物質的國際性協定，這兩項協定已於一九九六年底，由 161 個締約國批准施行。
一九九二年六月在巴西里約熱內盧舉行聯合國地球高峰會議，會中各國同意簽署減緩溫室效應的「氣候變化綱要公約」、保護地球物種的「生物多樣化公約」、保護地球森林的「森林原則」, 提出「二十一世紀行動綱要」, 並發表「里約宣言」。
氣候變化綱要公約主要在管制導致溫室效應的氣體，如二氧化碳、甲烷、一氧化碳、五氟化硫、全氟碳化合物、氟氯碳化物等的排放。氣候變化綱要公約締約國，於一九九七年十二月在日本京都舉行第三屆會議，乃有管制溫室氣體排放量的「京都議定書」的研訂。
這些國際性的活動，其目的就在防止地球的溫暖化，減少全球二氧化碳的排放量。所以節省能源的使用，開發低污染性的能源，尋找替代燃料與再生能源，就成為各國政府施政的重要目標。
世界能源供應的展望
我們所倚賴的傳統燃料–石油，地球上目前的蘊藏量約 2.2 兆桶，具開採經濟價值約 1 兆桶。畢竟這些資源是有限的，終有耗盡的時候，預估再過 40 年將無石油可用，或許比我們想像的速度還快，可能 10 年後，它的供給就不那麼容易了。
所以從現在開始，我們必須積極尋找傳統燃料的替代品，絕對不能等到最後一滴石油用罄時，才採取行動。
可以取而代之的，有石油以外的碳氫化合物，如由天然氣、煤炭、或油砂轉製的液體油料，或者替代燃料如天然氣、再生能源、各種來源的氫氣等。每一種替代品都有它們特殊的產製流程、環保考量和經濟效益。隨著製程和技術的日新月異，再配合採用這類能源車輛的開發，這種更替的趨勢最慢在二○四○年前，最快可能在二○一○年前就會出現。此外，更替的速度，必須在傳統燃料還剩 50% 以前，就展現其可取代性。
除石油外，地球上的能源尚有非傳統的液體油料，一種由天然氣製造的液體燃料，可能達 17.2 兆桶油當量，煤炭資源約 46 兆桶油當量，而新近在極圈與海床下發現的甲烷水合物，其蘊藏量約有 137 兆桶油當量。如果可經濟地將前述幾種非傳統的化石能源開採出來，我們或可暫緩面臨能源枯竭的窘境。然而能源的開採對環境造成的影響，例如從油砂與油頁岩抽取原油需要開採大片礦區而破壞自然環境，處理這種原油並提升它的品質會產生固體及液體的殘渣、有害的重金屬、氣體排放物等，以及能源的使用所產生的溫室效應與空氣污染，都迫使我們必須積極地尋找更為環保的新能源。
末來的新能源
未來車用能源發展的重點之一，是燃料與電力混合能源。混合燃料車輛使用小巧且高效率的內燃機，並在加速時利用電池提供額外的動力。第一代的混合燃料電動車輛已經上市，美國及日本的汽車製造廠正在生產下一代的混合燃料概念車，預計在未來 10 年內將會有重大的進展。
過去十年來，燃料電池在技術方面已有很大的進步，今後交通、移動式或固定式的發電設備上，燃料電池的運用將會愈來愈普遍，這些系統在價格上具有相當大的競爭力，同時可減少發電對環境帶來的衝擊。不過在被大眾接受以前，燃料電池還須做得更小、更便宜。
未來的攜帶式電池將以鋰聚合體技術為基礎，其能源容量將可達目前市售電池的三倍。這項發展對於混合燃料電動車輛的開發極為重要，在手提電腦及手機上，消費者也會見到更好的電池。
利用生物來提煉燃料，將會隨著基因工程的研究而有革命性的發展，譬如可以種植快速生長的作物來製造酒精。種植此類作物猶如在種植汽油，一方面可以減少石油的進口，另一方面它不會增加大氣中二氣化碳的排放量。隨著 DNA 工程的進步，今後能源的生產將會像種植農作物一樣可行。
生質柴油是由植物油 (如黃豆油與油菜子油) 和醇類 (最常見的為甲醇) 反應而成的酯類，它常常被摻在柴油中供做重型車燃料之用，最常用的配方為 20% 生質柴油與 80% 的一般柴油。雖然生質柴油的性質與一般柴油的性質相仿，但燃燒產生的碳氫化合物、一氧化碳和懸浮微粒較少，同時可直接使用在一般的柴油引擎上。生質柴油的缺點則是排放的氮氧化物較多，價格也較貴。根據美國能源部的估計，生質柴油的生產成本約為一般柴油的三倍，所以技術還有待進一步的開發。
人類早就懂得利用太陽能，它是一種最理想的永續能源 (只要太陽還在), 但目前尚難有競爭性，主要是因為它很難經濟地大量獲取和儲存。然而專家們認為在未來 10 年內，太陽能的運用會有很大的進展，最近太陽電池效率 (包括太陽光電池) 的提高，使得廣泛使用這種資源不再是夢想，譬如將太陽能用在建築物的暖氣和冷氣系統上。
目前地質學家已發現極圈海洋底下有豐富的天然氣晶體的蘊藏，如果可以開採這些蘊藏物，對於未來能源的供應將是一大助益。目前只有少數幾個國家的政府在做試探性的研究，尚未有商業上的開採，不過這種能源未來的潛力無窮。
風力很顯然是一種再生能源，被喻為乾淨的能源，不過也受到部分環保人士的反對。因為風力渦輪機在感覺上是工業產品，會破壞環境景觀而威脅到環境，也會減低土地的利用價值，而且渦輪機的轉動也會帶來噪音。
風力發電雖較環保，但發電基礎要件是，長年需達每秒 5 公尺以上的風速，但當風速超過每秒 15 公尺以上時，為保護風力機齒輪箱，也會暫停發電，所以風力過與不及都不適宜。
全世界風力發電首屈一指的丹麥，目前有五千六百多座風車，供應丹麥 11% 的電力；根據丹麥政府的說法，到二○三○年全國風力發電可提供該國一半電力。風力發電電價每瓩為四美分，與其他能源比較極具競爭力。
我國首座風力發電機組由臺塑公司與經濟部能源委員會共同設立在麥寮工業區，於二○○○年十二月二十七日啟用，有四座巨型風力發電機組，每座可發電 660 瓩，合計 2,640 瓩 (大的火力發電廠發電量都在百萬瓩左右)。發電量雖不多，但運轉的數據和過程，可做為我國能源開發的重要參考。
駕馭海洋的動力一直是歐洲人的憧憬，直到一九九九年，這種願景才真正商業化。在蘇格蘭印福尼斯的應用研究及技術公司在愛爾蘭建造了一座二百萬瓦 (2 Mw) 的海浪渦輪機，另外附設了一座一百五十萬瓦 (1.5 Mw) 的風力渦輪機，以提供商業運轉。
海浪發電的利益還在邊際之間，其發電技術較特別，適合於偏遠的海上油氣平臺電力供給之用。為了進行這項計畫，在倫敦的英國婆羅乃石油財團購買了該國一家電廠 19.73% 的股份，以期利用海浪發電，在偏遠海上油田設立發電量達數百萬瓦 (Mw) 的電廠。
以上，是一些主要的再生能源，但是每一種能源都各有優劣，尚待能源工業界加以一一克服，以期達到更好的經濟效益。
能源與環保
在各種燃料中，其分子的氫 / 碳比例愈小者，燃燒後所排放之二氧化碳的量就愈多，亦即燃燒較重的油料及煤炭，就會排放較多的二氧化碳。舉例而言，天然氣中的甲烷，氫 / 碳比為 4, 液化石油氣的丙烷，氫 / 碳比為 2.67, 六碳的汽油為 2.33, 十六碳的柴油為 2.125, 二十碳的燃料油為 2.10。由此可見，在化石燃料中，愈輕者燃燒愈乾淨。而替代能源當中，包含了天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇、核能、燃料電池、氫氣等，其排放的二氧化碳都比燒汽油來得少。
基本上大部分的能源都是利用太陽的光合作用經由動、植物轉化而來的，有的需要很長的時間才能形成，例如煤、石油及天然氣，是古代儲存下來的化石燃料；有的形成時間較短，如木材的長成，需要數年至數十年的時間。使用化石燃料或農林漁牧產品後會產生各種廢棄物，包括工業廢棄物及都市廢棄物，造成環境問題。如何將上述的廢棄物加以應用創造新的能源，實在是我們需要努力的方向之一。
我國的能源研究
近年來，我國致力研究的新能源，包括太陽熱能 (如太陽能熱水器、烘乾機)、太陽光能、地熱能、風能、海洋能、燃料電池及生質能 (如工業廢棄物及都市廢棄物), 有些產品已走入我們生活中，有些則尚待加強其實用性，希望短時間內運用新能源的產品能大量應市。
依據工研院能源及資源研究所的研究，至二○二○年，在廢棄物能源發電方面，包括沼氣發電、沼氣燃燒、焚化發電、氣化發電及熱能利用，如我們全力以赴，將可獲得每年二百六十萬公秉油當量的能源，而太陽熱水器及太陽光電池也可帶給我們每年八十萬公秉油當量的能源，對新能源的挹注有很大的貢獻。
依據我國能源管理法及臺灣地區能源政策，為加強能源研究發展工作，特別設置「能源研究發展基金」, 並在能源管理法中規定基金用途，包括能源開發、節約能源的技術研究及人才培訓等。基金會設立的主要任務是，希望到民國一○九年時累積節約能源達 28%, 以及再生能源利用占總能源供應 3% 的目標，適時提供各項技術支援。 |
奈米薄膜打通太陽能電池任督二脈 | 午後雷陣雨過後總是烈陽高照，你是否有觀察到馬路邊水灘上的油膜總是映照著七彩反光？其實當任何物質薄到奈米等級的厚度時，光線穿透該物質，由於干涉現象會使光分出七彩的顏色，而這正是奈米光學薄膜。
太陽能板是矽半導體材料藉由光電轉換效應吸收陽光來發電，然而大部分的矽太陽能電池板只能吸收狹窄的陽光光譜，當全光譜的陽光照射下來，只有少部分的能量可以轉換成電，其餘都成為廢熱而浪費掉了。以目前最佳的多晶矽太陽電池為例，其也只有 19.5% 的轉換效率，一般市售產品的轉換效率更不超過 17.4% 到 17.8%。然而，在學理上紫外光的能量有 9%, 可見光與紅外光分別有 47% 與 44% 的能量，但我們卻無法有效轉成電能；這正是綠色能源備受重視，卻無法普及的最大關鍵因素。
在日本「nano tech 2013」國際奈米科技展中即展出了有關提高太陽能發電效率的濃縮板。如何將奈米技術與綠色能源結合，相信將會是在 2013 年 10 月即將登場的台灣奈米科技展中重要的議題。2013 年 4 月，美國加州理工學院 (Caltech) 的愛華特研究室 (Atwater research group) 提出了「超高效率太陽能技術」: 讓原本的太陽能設備效率從 20% 躍升成為 50%, 足足提升 1 倍以上。此一創新發明也榮獲 2013 年 MIT 十大突破技術 (10 Breakthrough Technologies) 的殊榮肯定。
此一高效能的太陽能電池設計不著重在矽晶材料上的效率突破，而是使用奈米多層薄膜堆疊，達成光學濾光片的效果。如同彩虹一般，取出各個顏色的光譜，將不同顏色的陽光導入不同吸收波段的太陽能電池板裡，讓陽光能善盡利用，沒有浪費的問題，而最後累加起來的效率，一舉突破了太陽能電池光電轉換的物理限制。
奈米多層膜的光學濾波器是藉由高低折射率的氧化材料堆疊而成，例如：二氧化矽 (SiO2) 與五氧化二鉭 (Ta2O5) 的組合，其折射率分別為 1.46 與 2.05, 當光通過每層大約 50~150nm 厚度的多層膜結構，由於折射率的差異所產生之光學干涉效應，而讓光線來回折射於多層膜結構當中。建設性與破壞性干涉效果，而產生高反射與高穿透的特性，讓特定波長的光能量穿透進入太陽能電池板吸收，而其他波長則反射給下一個太陽能板吸收利用。
奈米技術所發展的光學多層膜濾光片，就像是藏身在太陽能產業價值鏈後端的高手，在它出手奧援下，打通了太陽能電池的任督二脈，是產品加值與效率提升的關鍵角色。(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暨科技與社會中心智庫研究團隊 |
蓄勢待發的頁岩氣 | 近年來，美國頁岩油、頁岩氣 (shale oil and shale gas) 的生產逐漸增加，引起全球關注。英國政府於 2013 年 7 月宣布頁岩氣生產商的稅收優惠政策，鼓勵頁岩氣開發；同時間台灣行政院亦根據環球透視 (Global Insight,GI) 多篇研究報告指出:「頁岩油、頁岩氣增產對全球經濟成長存在正面效益，但需關注對環境保護可能帶來的衝擊。」
所謂頁岩氣 (shale gas) 就是從頁岩層所開採的天然氣。石油業者為了開採頁岩層的油氣，早在 1950 年代就開始研發相關技術 -「水力壓裂法」, 但因一直無法達到經濟效益，所以幾十年來都還只是一項試驗性技術，無法商轉；但美國石油業者在進入 21 世紀後，終於突破技術瓶頸，透過水平式高速壓裂技術，將天然氣自千米以下的地底頁岩層有效地開採出來，自此「頁岩革命」在低迷的世界經濟景氣中逐漸升溫，頁岩氣也成為美國能源安全政策的新寵。在歐巴馬總統口中「乾淨便宜」、「夠用 100 年」、「能創造大量工作機會」的能源，正是頁岩氣。
美國是個高度仰賴能源進口的國家，因此如何擁有足夠的能源以供戰備與民生工業所需，一直是能源安全政策的主要考量，也因此對於中東等產油大國，美國都十分謹慎應對，但近十年來，頁岩氣已占美國所有天然氣開採量的四分之一，專家預估在 20 年後，頁岩氣與頁岩油的產量將使美國成為能源自給自足的大國，甚至還可對外輸出。
頁岩氣除可保障美國能源安全外，對於經濟問題更是一劑強心針，例如美國德州，近年內已因頁岩氣的開發，有些區域的失業率驟降至 2% 以下；在天然氣價格下跌與充沛供應的驅動下，民生經濟更是顯著成長，頁岩氣確實是功不可沒。德州還因勢誘導，開始倡導使用天然氣汽車，設立更多的加氣站，期能同時解決汽車廢氣排放的空污問題，一時之間，頁岩氣成為最佳的綠色能源。
德州這種難得的經濟復甦景象已受到矚目，專家們預測在不久的將來，頁岩革命將向全美甚或全球擴展，一旦態勢形成，人們將可不用再忍受惡劣的空氣品質，並享有更低廉與乾淨的能源。不過，有得必有失，因為水力壓裂法的開採方式，確實會對環境保護產生重大衝擊。
在開採頁岩氣的過程中，除了必須灌注大量的水與氮氣外，還要添加化學物質，才能讓天然氣大量釋出至地表，而這些化學物質已被證明對人體會造成重大傷害，一旦滲入水源造成污染，其後果將難以收拾。截至目前已有許多案例證明水源污染的情況正在發生，有些區域的水質甚至會有點火即燃的狀況，由於舉證歷歷，讓許多地方政府對頁岩氣的開發持觀望態度，甚至下令禁採。
儘管環保團體質疑與不斷的抗爭，但在世界經濟普遍低迷的不利局勢下，頁岩氣似乎是解決經濟問題及提升競爭力的最佳處方，專家預測在未來的 10 年內，頁岩氣將會是全球能源爭奪的主要戰場，對於擁有開採技術的美國，世界各國勢必卯足全力，以巨資投資或併購美國的能源公司，其目的當然就是要取得頁岩氣的開採技術及礦區的開採權。
不論未來頁岩氣如何發展，對於能源極度短缺的台灣，在這一波的頁岩革命中當然不能置身事外，若能因此取得更低廉的頁岩氣，則國內天然氣價格的調降指日可期，對台灣民生經濟的穩定發展，及在國際的經濟競爭力提升，絕對有正面的效益，此外還可提高天然氣發電的比重，進而管控碳排放總量，減抑空氣污染，這些都是頁岩革命可為台灣帶來的經濟效益。不過，增加天然氣的使用，是否會引發對台灣不利的經濟或社會問題，甚至危害我們周遭的生活環境，就不得而知了，但必須持續加以關心。(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 |
替代石油的綠色方案 | 油價高漲，美國民用航空公司不得不發展節油方案，以減少燃油開支。與 2000 年相比，現在民用航空的燃油量節省了 23%, 所採用的方案是：更輕的飛機、更省油的引擎。西北航空公司改換了新型、更有效率的飛機後，每 1 公升燃油可以運送 21 名乘客飛行 1 公里。
儘管採取了各種節油措施，美國空軍的燃油開支自 2003 年以來仍然加倍。美國空軍的燃料花費，80% 用在飛機燃油上，一年差不多 60 億美元。因此，美國空軍與美國國防部的研究單位 - DARPA - 一直在研究替代方案。美國這樣的大國，由於環境與戰略安全的考量，對替代方案特別敏感。 美國空軍的著眼點是，要有安全、不依賴外國的燃料，使美國空軍可以隨心所欲地飛行與作戰，不受燃油限制。飛機燃油是戰略物資。
空軍是國家的戰略工具，美國空軍必須隨時待命、隨時受命執行任務。因此，找到安全、不依賴外國的替代燃料是首要目標。美國空軍已經核准 1950 年代老舊的運輸機 B52, 使用以費托法 (Fischer-ropsch) 從廢煤石提煉的合成燃料。費、托代表兩位德國科學家的姓氏，他們兩人在 1920 年代發展出這個技術。(按，預防結核病的「卡介苗」是同樣的例子，卡介苗是兩位法國微生物學者發明的，卡、介分別代表兩人的姓氏。)
介紹費托法，不妨從水煤氣談起。國中時我們就學過，使水蒸氣通過燒紅的煤或焦炭，就能得到水煤氣，它的成分是氫與一氧化碳。不過水煤氣的熱值並不高。
費托法是利用水煤氣的方法。首先，使煤在高溫下與氧、水蒸氣混合，得到氫與一氧化碳混合氣。然後再以觸媒把 H2、CO 混合氣轉化成液態碳氫化合物。(按，原油就是碳氫化合物，從原油提煉出來的柴油、汽油、煤油都是。) 這種液體經過精煉，除去雜質，如汞、硫、氨等，就是燃油了。
美國的煤藏量占世界的 1/4, 美國的電力有一半出自以煤為能源的火力發電廠。因此，美國有許多廢棄的煤礦石，也就是含煤量不高的煤礦石，可以用費托法轉化成燃油。例如賓州估計就有 2.6 億噸丟棄的煤礦石 - 每挖出兩噸礦石，有一半會丟棄。
美國戴姆樂 - 克萊斯勒汽車公司做過實驗，發現以費托法生產的燃油比傳統的無硫柴油更為清潔，廢氣中一氧化碳、碳氫化合物及微塵粒子都少。
美國空軍去年 12 月實驗另一種替代燃料，就是以天然氣轉變的液態燃料，以軍用運輸機 C17 試飛，實驗飛行相當順利。(按，C17 是美國在 1980 年代末期發展出來的戰略運輸機，使用的引擎與波音 757 一樣。)
天然氣的主要成分是甲烷。把甲烷與水加熱，同時加入催化劑，就能轉變成氫與一氧化碳的混合氣，然後以費托法把混合氣轉化成液態合成油。 |
追日計畫–文明的危機與夢想無限 | 文明有很多危機，現代文明正面臨著能不能存續的危機，最大原因來自環境與能源問題。對於前者，我們能做什麼至今尚無標準答案；對於後者，科學家已有努力方向，就是積極尋找使用再生能源的有效方法。再生能源包括水力、風力、太陽能、生質能、潮汐、地熱、波浪等，除潮汐與地熱外，其他都是廣義的太陽能，也因此，有效利用太陽能是本世紀的重要課題。
2000 年 2 月，臺灣大學機械系研究團隊正式投入太陽能車的研發製造。這群年輕學子從最基本的車身架構設計開始，胼手胝足，努力不輟，雖然研究經費不足、太陽能板效率不彰、駕駛艙內溫度高得像火爐，但都沒有退卻，甚至跑到國際上真刀真槍地參加競賽而獲得良好成績。太陽能車的研發，代表一種夢想、一種希望、一種向上提升的力量，尋找替代石油能源的研究，值得做，必須做，一定要做！邱吉爾開啟用油世紀
一般人以為「使用能源無窮盡」是理所當然的事。以「電」為例，對於「有電」這件事似乎沒人覺得有啥驚訝，反倒是沒電時會令人手足無措，很不適應。其實在電的背後，必須先有一個非常複雜龐大的系統以後才能有電，對於「從來不需要去煩惱這些事情」的這件事來說，在 21 世紀裡將不再是事實。這是因為現代文明的基礎架構在不虞匱乏的能源上，可是，日常生活中最主要的能源 - 石油，已經快要枯竭了。
遠古人類以人力或馴服動物的方式，或以食用植物、捕食動物等方式取得能源。17 世紀末到 18 世紀，人類開始使用煤。1782 年，瓦特改造舊式蒸氣機成為接近現代的蒸氣機，因而開啟了工業革命。20 世紀初，亨利福特開闢一條生產線大量生產汽車，使得一般平民也開得起汽車。
1911 年，英國首相邱吉爾下令英國船艦從燃燒煤改成燃燒石油，這個決定提升船艦速度 30%, 不只船艦取得致勝先機，也開啟人類使用石油的世紀。到了 2007 年，全世界使用能源的比例，石油 39%, 煤 24%, 天然氣 23%, 核能 6%, 其他 8%。
交通運輸用油最多
石油的來源有許多說法，大部分人同意的是：數千萬年前的浮游生物及動植物遺骸埋在地下，在缺氧環境中，經由細菌作用而逐漸分解，因為氧、氮等元素逐漸消失而留下碳、氫結合的碳氫化合物，隨著埋藏深度的增加、高溫高壓作用，以及複雜的化學變化，最後形成黏稠的石油。
不過，石油的形成仍需要地質條件的配合。石油在孔質岩石的縫隙中向下層移動，直到遇到緻密的岩層時才逐漸匯積形成儲油層。之後，當孔質岩石的上層又形成一層緻密岩層後，才把儲油層封閉在中間等著被挖掘。因為生物是依賴陽光而活的，所以可以把石油想像成埋在地底下的古老陽光。
取得石油的方法很直接，經由地質學家研判後，在海上或地上鑽探。地球這麼大，這件事做起來不容易，不過隨著科技的進步和人類足跡遍布全球，現在世界上哪一個角落有大量石油大致都已知道。如果在海上挖到石油，就用油輪把石油運到陸地儲存、提煉。提煉是經由不同溫度的分餾，把石油分餾成汽油、煤油、飛機用煤油等，提煉剩下的殘渣還可鋪柏油路。
現代文明因為大量使用石油而快速發展，如汽車、飛機等交通工具，提供食物來源的耕耘機、收割機，採礦，建設，救援，以及清潔劑、塑膠、電腦鍵盤、絲襪等都與石油有關。很難想像，萬一有一天沒有了石油，我們該怎麼辦。
但是使用石油也有問題，最大困擾就是造成污染。煉油會污染環境，運油輪船的漏油或沉沒會污染海洋，汽機車使用的汽油會污染空氣，生活在污濁環境中會影響健康，進而影響國力的強弱。
每秒燒掉 16 萬公升石油
紀錄片〈不願面對的真相〉提到，如果赤道附近平均溫度上升華氏 1 度，極地溫度就上升華氏 12 度。如果地球上沒有大氣，平均溫度就是華氏零度 (約攝氏零下 18 度), 因此大氣層很重要。就是因為有了一點二氧化碳，一點水蒸氣，一點溫室氣體，地球才能擁有攝氏 15 度這麼舒服的平均溫度。可是萬一地球溫度過度暖化，就會造成生物浩劫，這是大家不願面對的真相。
另一個大家不願面對的真相是，地底下蘊藏的石油快用完了。石油是太陽和地球長期合作幾億年後才準備好的，可是現在全球每秒鐘燒掉 16 萬公升石油，就算大家願意忍受污染，石油也會很快用完。
美國地質學家 Hubbert 在 1950 年代撰文預測：美國石油產量在 1970 年代達到頂峰，即所謂的 Hubbert's Peak。Peak 是頂峰的意思，即石油產量超過這點後地底蘊藏量只剩一半。可是這個說法未受到重視。1973 年爆發以阿戰爭，出現第一次石油危機，美國石油產量走下坡，無法增產彌補中東國家禁運石油造成的短缺，證實了 Hubbert 的遠見。
2001 年又有預測，全世界石油產量會在 2005 到 2010 年間達到頂峰，從全球一年用掉 260 億桶石油，新發現石油少於 100 億桶的數字看，這個預測有其可能性，也代表我們已經用掉全世界石油蘊藏量的一半。一般預估，石油剩下 40 幾年可用，天然氣 50 年，核能雖可發電但也支撐不了多久。2050 年人口逼近百億，那時候大概需要 2 個地球的資源才夠支撐現代文明！太陽是永續能源
嚴格說來，我們並非快沒油可用，地球的石油蘊藏量仍足以供應幾十年，甚至更久。我們短缺的是容易開採、容易提煉、硫含量低，比較便宜的高品質石油 (稱為輕甜石油)。超過頂峰是指石油蘊藏量還剩一半可以開採，只是開採工程越來越難，花費成本越來越高。早期開採石油的投資報酬率是 1 比 100, 現在是 1 比 20, 而且越來越低。許多阿拉伯國家的大油田已在灌海水，以便把剩下的油擠出來，但是那種石油不再叫作輕甜石油。
值得注意的是，新科技的出現無法解決油價高漲問題，科技從未生產過一滴油、一滴能源，科技只是開採、提煉，甚至發明很多東西來消耗能源、燃燒能源。
這就是科學家絞盡腦汁，努力研究如何有效使用再生能源的重要原因。水力、風力、太陽能、生質能、波浪等都是廣義的太陽能，水庫排水可以轉動水輪機，帶動發電機發電，但那靠的是地心引力，還必須靠太陽蒸發海水後的下雨來匯積，所以說水力是廣義的太陽能。風是太陽對地球的不均勻加熱所形成的。赤道附近很熱，空氣上升後形成低壓帶；高緯度地區的冷空氣下降，形成高壓帶。一旦空氣從高壓往低壓移動時，即形成平行於地面的風，而波浪也是由風所造成，因此利用風力或波浪發電都是使用廣義的太陽能。
太陽傳到地球的功率是 1.7 × 1017 瓦，照射地球 1 小時的能量 (功率 × 時間) 足夠人類使用 1 年！只是我們尚未學會如何善用太陽能。來自太陽的光與熱還有 45 億年可用，與人類壽命相比，太陽就是一種永續能源。
太陽能車不用引擎及汽油
在各種利用太陽能的研究中，太陽能車的研發製造是很大的挑戰。太陽能車利用太陽能板吸收陽光來發電，進而驅動馬達，帶動車輪轉動，不必使用引擎與汽油。但有一個很重要的製造過程，就是必須在車殼上貼太陽能板。太陽能板很薄，必須「封裝」, 封裝工程類似護貝，但其技術比護貝高明很多，也困難很多。
臺灣大學機械系研究團隊從 2000 年 2 月開始研發太陽能車，為其取名 FORMOSUN, 代表「for more sun」與「the sun of Formosa」的意思，FORMOSUN 第 1 代、第 2 代車的太陽能板是以單晶矽 (矽晶) 製造的。
矽原子的外圍有 4 顆電子，可是矽原子需要 8 顆電子才能穩定，若把矽原子製成結晶體，就可令其藉由互補彼此缺乏的電子而呈穩定狀態。倘若在矽晶裡混入砷 (或磷) 等雜質，砷 (或磷) 外圍有 5 個電子，即表示多出 1 個電子，這個電子會使得矽晶帶負電，稱為 N 型半導體。半導體的意思是，平常不導電，在特殊狀況下才導電。如果混入只有 3 個電子的雜質硼，會使得矽原子外圍少 1 顆電子，形成電洞，變成帶正電，這時候稱為 P 型半導體。
所謂太陽能板，就是把 P 型與 N 型半導體堆疊在一起，使得交界區的電子、電洞中和消失，並在接合處 (電中性區) 形成一道屏障，使得電子、電洞無法跨越，這時候是絕緣狀態，電路是斷路。當光照進來時，照射進來的光子能量只要足夠，就能激發電子，使得電子跨越屏障形成通路。這是太陽能板的基本發電原理。也就是說，把太陽能板兩極接到電路上再給予充足光源，就可驅動運作。
太陽能板是決勝關鍵
臺灣大學師生製造 FORMOSUN 的動機非常單純，就是為了到澳洲參加國際性太陽能車挑戰比賽。一般賽車大概 5 百至 6 百匹馬力，家用車大概 1 百至 2 百匹馬力，可是太陽能車只有有限的太陽能電力可用。以 FORMOSUN 第 2 代車為例：太陽能板是矽晶，系統電壓 100 V (伏特), 最大電流 (太陽在正午照射所能發出的最大電流) 15A (安培), 整個系統的最大功率輸出是 1,500 W (瓦), 約 2 匹馬力！1,500 W 相當於一台家用吹風機使用的電量，要用這麼小的電量令太陽能車跑得很快，顯然裡面有很大的挑戰和想像空間。
澳洲太陽能挑戰賽的比賽時間是從早上 8 點到下午 5 點，但是從日出到日落都允許曬太陽和為蓄電池充電，而且在途中有 7 個控制點要停靠以更換裁判。比賽路程從北達爾文一直往南到阿得來得，全程 3 千多公里，中間經過 3 個沙漠。
臺灣大學車隊在 2003 年 10 月第 1 次參加比賽，賽前 1 天在賽車場內的預賽獲得第 2 名，可是全程 3 千公里的馬拉松賽在 22 隊中拿到 13 名，主要關鍵在於太陽能板的效率。臺灣大學車隊經費拮据，只能以單晶矽 (一瓦成本 170 元) 製作太陽能板，平均效率約 15%。但是比賽前幾名的車隊都是使用砷化鎵太陽能板 (一瓦成本至少 6,000 元以上)。砷化鎵太陽能板主要用在人造衛星上，效率達 23 ~ 32%。
後來的 FORMOSUN 第 3 代車也改用砷化鎵製造太陽能板，可是擁有封裝砷化鎵高級技術的德國公司索價 5 百多萬元封裝費，因為負擔不起，學生們只好自己動手學封裝，歷經各種挫折，終於在最後關頭成功完成太陽能板封裝。2005 年在澳洲國際賽中獲得第 1 名的荷蘭隊，光在太陽能板上就花費 100 萬歐元，臺灣大學車隊製造第 3 代車的花費約 600 多萬元新臺幣，是全部參賽隊伍中最經濟的一隊。那年臺灣大學隊在 22 個參賽隊伍中得到第 5 名，而且多拿一個「技術創新獎」。
技術創新獎 一分耕耘一分收穫
大會規定：萬一太陽能車跑不動，參賽者必須準備一輛拖車，把太陽能車放在拖車上拖到終點。經費充裕的密西根大學從美國運來一部拖車，裡面有發電機、油壓機、空壓機、車床、銑床等，儼然一個小型活動工廠。
臺灣大學車隊只能租一部吉普車拖著一部空拖車，但有一樣東西是別隊沒有的，就是拖車上裝了臺灣茂迪公司提供的太陽能板，車底裝著從第 2 代車回收來的鋰電池。白天時，就利用太陽能板為鋰電池充電，當賽程中需要用電時，如通訊、電腦運作時的用電，以及支援車頂上閃黃燈 (像工程車一樣) 的用電，都由鋰電池 (太陽能) 供應。其他車隊在這方面需要用電時，全都使用汽油引擎發電。這是臺大車隊獲得技術創新獎的原因，也是辛苦多做一點工以後的甜蜜回饋。
太陽能車的研發是使用太陽能的良好示範。石油能源耗盡這件事，未來一定會發生，只是時間早晚而已。若能珍惜尚有石油的時候趕快行動，儘快尋找出路，未來文明就能更好。出生在這個快要沒有石油的時代，正是創造美好未來的機會。地球的未來屬於有夢想的人，我們不但要有夢想，還要令夢想無限！本文取材自國科會「2007 秋季展望系列演講第二場」臺灣大學機械系鄭榮和教授的演講內容。 |
海水資源:臺灣海洋資源的開發 | 海洋擁有地球上最豐富的資源，遠超過陸地上同類資源的蘊藏量。隨著科技的發展，陸續發現了蘊藏在海洋中的寶藏，因此開發海洋產業成為目前許多國家努力的目標。臺灣四面環海，海岸線綿延達一千五百多公里，東臨世界最大洋區，又位處西太平洋海上交通的樞紐，最適宜利用四周的海洋資源奠定繁榮富足的基石。
臺灣的地質環境特殊，坡陡流急，水資源不易涵蓄利用，傳統水資源的開發又日益困難。然而，因四面環海之便，臺灣其實擁有利用海水資源的優勢。為綢繆水資源供需可能失調的危機，行政院於 95 年 1 月核定「新世紀水資源政策綱領」, 推動海水資源多元化利用與環境保育，以達到未來海水資源永續經營的目標。
臺灣年平均雨量 2,510 毫米，約為世界平均值的 3 倍，在一般人的印象裡，水資源應該不虞匱乏。然而因為地理環境特殊，山高地狹，坡陡流急，加上降雨時空分布不均，使得大部分的雨水都迅速經由河川匯排入海，所以臺灣每人每年平均分配到的水量，其實只約為 1 千公噸，是全世界平均值的七分之一，而被歸類為缺水國家。但是，若能發揮臨海優勢，發展海水淡化技術，將有利於解決離島與沿海城市的缺水問題。
另外，深層海水 (或稱海洋深層水) 是近年來倍受重視的一項海水資源。由於深層海水的高附加價值，具有創造經濟倍數成長的利基，因而被譽為「藍金」, 有相當大的發展空間。
除了海水的淡化是目前世界各國極力發展的新興水資源外，我國也積極推展相關資源的開發。近年來，由於全球石油能源短缺及溫室效應議題發燒，各國紛紛開始尋找各種替代能源，例如風力發電、水力發電、太陽能、生質能、海洋能源等。其中海洋資源就包括了海洋動力能源與海洋生物及非生物資源等，實具有最大優勢。
海水淡化
海水淡化是一種海水處理技術，原理是利用能量把海水分離成兩部分，淡水與含高鹽量的鹵水。目前海水淡化常使用的方式，包括多級閃化法、多效蒸發法、蒸氣壓縮法、逆滲透法等。
臺灣的海水淡化技術已日趨成熟，現有海水淡化廠大都分布在離島地區。在海水淡化過程中會產生鹵水，若直接排放，可能對海域生態有所影響，因此應經適當處理以減輕對海域生態的衝擊。此外，這些鹵水富含天然的礦物質，可以製成具經濟價值的副產品，或經由再處理後做為休閒養生、工業生產、化妝品等原料。把它資源化後，一方面可以降低環境污染，另一方面對資源匱乏、工業原料端賴進口的臺灣也有所助益，可謂一舉數得。
深層海水
臺灣東部海岸位居海洋大循環的迴圈帶通過處，並且離岸約 2 ~ 3 公里就可取得深層海水，優越的地理位置與近海水文特性，使這地區極具開發深層海水資源的潛力。「深層海水」一般是以取自 200 公尺以下深海中的水為主，但廣義的「深層水」指介於 200 至 4,000 公尺之間的海水，取水深度則依取水地點與方式略有不同。
在這個深度的海水，由於光線無法到達，水質穩定且清澈乾淨，具有低溫、富含微量元素及天然礦物質、病原菌極為稀少等特點，因此可應用於水產養殖、食品飲料、溫差發電、休閒理療、醫藥研製等不同產業，以創造極高的附加價值。
近兩年透過政府的推動與企業積極的發展，臺灣已有 3 家企業成功地布管汲取深層海水。市面上也有廠商販售深層海水包裝的飲用水，深層海水相關應用的產品也蓄勢待發。未來若能整合產、官、學、研的力量，逐步建立具有臺灣特色的深層海水資源產業，以提升國際競爭力，就能開創更豐碩多嬴的局勢，使深層海水產業能永續發展。
海洋能源發電
海洋能源是指潮汐、潮流、波浪、海流、溫差、鹽度差等能源，海洋上的離岸風力也是可利用的能源。海洋能源的開發是針對海水的自然能量直接或間接地加以利用，使它轉換為電能。
海洋能源依能量轉換方式，可分為波浪發電、潮汐發電、海流發電及溫差發電，各類海洋能源的概要說明如下。
波浪發電 波浪發電是利用波浪上下振動的特性，藉由穩定運動機制，擷取蘊含在波浪中的能量，把海浪的動能轉換為電能。
臺灣全島海岸線綿長，沿海地區由於受到強大季風的吹襲，在廣闊的海面上經常出現洶湧的波濤，波浪中蘊藏的能量極為豐富，是一項可觀的海洋能源。工研院研究臺灣四周海域波浪潛能的結果顯示，西岸及西南沿海的波能較小，臺灣海峽北部及東岸沿海次之，澎湖西側海域、巴士海峽、東北部及東部外海的波能則較高。
潮汐發電 地球表面海水的水位，會隨地球自轉運動及月球繞地公轉間的引力作用而產生高低變化，這種海水高低起伏的現象就稱為潮汐。潮汐能源的擷取對象，主要是高潮與低潮的潮差產生的位能，以及因潮流流動產生的動能。位能與潮汐振幅有關，動能則與潮流流速相關。在潮汐水位落差變化中，把海水動、位能間的變化轉換成電能的發電方式就是潮汐發電。
經濟部能源局於民國 94 年針對各地的潮汐資源進行潛能調查，結果顯示金門與馬祖外島的潮差約可達 5 公尺，其次是新竹至臺中一帶的西部海岸，其餘各地都在 2 公尺以下。這些數值與具經濟價值的理想潮差，6 至 8 公尺，仍有段差距。由於臺灣西部海岸大多是平直沙岸，缺乏可供圍築潮池的地形，比較不具潮汐發電的條件。但對金門及馬祖離島而言，因小型火力發電成本較昂貴，發展潮汐發電應較具經濟誘因。
海流發電 海洋中的水體受到地球自轉與陸地邊界影響，所產生固定方向且生生不息的水流運動，就是海流的成因，其中以大西洋的灣流及通過臺灣東部海岸的黑潮最為有名。
臺灣沿海可供開發海流發電應用的地區，以東部海域及澎湖水道為佳。澎湖水道的海流由於水道突然內縮，使得通過的海流流速增加，造成海流潛能大增，約為每平方公尺 100 至 600 瓦。東部海域除了沿海地區外，多處外海的海流潛能達每平方公尺 600 瓦以上，臺東外海由於黑潮的流經，部分地區甚至高達每平方公尺 1,200 至 2,100 瓦。
溫差發電 海洋溫差發電是利用表層與深層海水間的溫度差，經過熱交換器及渦輪機來發電。一般而言，溫度差若達到 20 度就可有效發電。臺灣東岸海底地形陡峭，離岸不遠處水深就達 800 公尺，水溫約攝氏 5 度，海面又有黑潮暖流經過，表層海水溫度較高，約達攝氏 25 度。由於這些優越的地形及水溫條件，甚具開發溫差發電的潛力。目前已有業者投入深層海水產業，若能與海洋溫差發電的開發結合，將可提高海洋資源利用的經濟效益。
人類文明發展與環境生態系統的運作，都離不開水資源。雖然地球表面約 70% 的面積被水所覆蓋，人類可直接使用的水資源卻僅占全球水總量的 0.8%。因此，人類的生存其實尚需仰賴海水資源，而海水資源的開發，更是海水經濟發展的重點。在不危害生態平衡的原則下，能有效地開發及發展海水資源科技是時勢所趨。
臺灣地狹人稠，但周圍海域廣闊，若能有效配合生技、觀光、休閒、旅遊、食品、美妝、製藥、養殖等產業及學研界的研發中心，共同研究海水資源的開發與經營技術，做最有效的規畫利用，海水資源將可以為臺灣帶來龐大的經濟效益。
為了促使海洋能源的開發利用並永續經營，目前不只需要基礎潛能的調查，或國外技術的合作與國內技術的建立，更需有海洋能源相關法規的研究與擬定，以藉由政府的獎勵、補助、輔導與補償措施來培育海洋能源產業。
生命的起源來自於海洋，海洋孕育了多種生命族群及物種，在全世界追求永續發展的過程中，如何明智地開發與運用珍貴的海洋資源，是 21 世紀人類必須面對的共同課題。 |
環保再生能源–風力能 | 看到公路旁邊這個巨大的風車，很難想像它就是提供給我們電力使用的發電機。全臺灣目前有百分之九十八的化石能源，包括燃煤、石油、天然氣，以及用作核能發電的鈾，都是靠國外進口。根據國外的研究資料，全世界的化石能源，在三、四十年之後，會開始消耗殆盡。但風能來自於大自然，是永續的綠色能源。就臺灣來講，現在有十三個營運的風力發電場，和超過一百支的風力機，為我們提供綠色電力。每發一度電，大概就可以降低，零點六公斤左右的 CO2 的排放。所以，這樣子算起來的話大概，以現在來講的話，我們可能每一年就可以降低，差不多是二十五萬公噸的 CO2 (二氧化碳) 的排放。風力發電設備的運作原理，是藉著空氣流動，也就是風，來轉動葉片發電。當風吹到葉片使它轉動後，齒輪箱接著帶動在機艙內部的發電機，將機械能轉換成電能。這時候電力沿著塔架裡的輸電管，先進入區域內最近的變電箱，也就是控制器，再分送到一般家庭或工業用戶。目前大概一年可以發電的度數，大概是有四點二億度。那麼可能可以，應該這樣換算起來的話，大概是可以給差不多十萬五千戶的家庭來使用。風力機的葉片愈大，發出的電愈多，這個時候，塔架的高度也必需跟著增加。商業化風力機都使用電腦監控，風速達到每秒三到四公尺的微風時，便會開始運轉。但是風速一旦達到每秒二十五公尺，相當於十級的輕度颱風時，風力機就會因為感應到定額輸出的極限，而自動停止運轉，可以說是非常安全的發電設備。整體來說，單是強調如何省電節能只是治標。再過半個世紀，我們要過什麼樣的生活，取決於現在選擇使用的能源。就讓大家一起珍惜綠色地球，響應再生能源。 |
酸雨下呀下 | 小時後總是聽長輩說，大頭大頭下雨不愁；長大後卻看到醫學報導說，淋雨林多了會變禿頭。空氣品質差造成的酸雨，淋多了到底會不會變禿頭，被稱為酸雨的酸性有多高，對環境迫害的程度又有多嚴重，看看下面的報導，我們讓科學家來說分明。內容大綱很多人或許會說，酸雨是什麼？嚐起來並沒有酸酸的味道，嚐起來不酸是因為要達到人體味覺可分辨的酸鹼值，至少要在 pH 值 4.5 以下。而雨水的 pH 值只要低於 5.6 就可以稱為酸雨。這樣的酸鹼值大概只比蘇打水再高一點。我們看到的酸雨，含量最多的就是硫酸和硝酸。酸雨中的硫酸主要是來自電廠和工廠燃煤產生的二氧化硫，碰上空氣中的氧轉換而成；而汽機車所排放的氮氧化物，則會與空氣中的氧結合成硝酸。不過，這些酸性氣體在雨水中佔的比例並不高。它 (酸雨) 那個 99% 是水，剩下的那個雜質是酸，酸都是 10 的負 6 次方，就是說水裡面 10 的 6 次方的水，才含有一些酸。常常有人認為酸雨會造成禿頭，但科學家表示，酸雨成分中的酸性物質很微弱，對人體的危害並不大。反而對萬物賴以維生的大地之母 — 土壤，影響最嚴重。像農田那種地方，表面的鈣質流失了很多，受到酸雨的影響，這倒是潛在的危機。或許我們用肉眼還看不出來，但是其實土壤中的鈣質，接觸到酸性雨水中的硫酸，便形成了硫酸鈣，而可溶性的硫酸鈣會隨著水流被沖走，表層土中的中和力就會減低。過去我們都認為酸雨對森林和植物有很大的影響，但其實臺灣山高水急的地形，讓雨水在流動過程，無形中加強了水的中和力；反而是水流平緩的湖泊以及河川，容易累積酸雨中的酸性物質，湖泊與河川變酸了以後，許多魚類就沒辦法生存。說到底，酸雨直接影響最嚴重的就是水，為了享有純淨的水質，我們必須先正視空氣污染問題。2008 年東森電視台《科學大解碼》第二期 |
乾淨煤 | 在科學家的努力之下，現在，燃煤發電也可以愈來愈乾淨了，科學家稱這種新技術為「乾淨煤」, 氣化技術它所產生的氫氣不僅可以應用在燃料電池上，也可以轉化為氣體燃料，污染排放也比以往更低，燃燒效率更比傳統的粉煤來的高，符合政府大力推動節能減碳的目標。現在就讓我們從科學的角度來看看，這個氣化新技術如何讓燃煤變乾淨呢。內容大綱說到燃煤發電，大家都會直接聯想到吐著黑煙的大煙囪，成為暖化的大幫凶，現在，經由科學家的努力，開發新的燃煤發電技術，讓二氧化碳的排放量大大的減低。科學家為了讓煤的燃燒可以更環保，因此，開發了一種高效率低污染的發電技術，科學家稱這種新技術為「乾淨煤」。乾淨煤主要是，我們從固體燃料變成氣體燃料，這時候因為我們是高溫高壓的環境之下，現有的環境污染設備，它可以去除的非常好，一般效率來說，是傳統的粉煤鍋爐效率，相當於五分之一到十分之一的排放量，所以它是一個非常乾淨的燃料。為什麼這個氣化新技術可以讓燃煤發電變乾淨呢？因為煤粉進入氣化爐以後，會先與氧氣和蒸汽產生反應，經過不完全燃燒，成為一氧化碳與氫氣為主的合成氣，比較重的煤渣會往下掉，合成氣和比較輕的飛灰則會往上飄，經過冷却、除塵、除硫之後，最後產生乾淨的煤氣，便可以送入複循環機組發電，而分離出去的硫，可以再回收，煤渣則可以舖路再利用，提升不少的附加價值。乾淨煤氣化最大的特色就是產生 CO 和氫氣，這時候氫氣就可以當燃料電池的燃料，我們可以把它轉化為甲醇，或是汽油或柴油的燃料，都可以利用 CO 和氫來轉化。合成氣最大的好處是從煤炭產生，煤炭因為價格低廉又穩定，再加上蘊藏量豐富，在發電效率上，比傳統的煤炭發電來得高，污染排放也相對減少，有了這些優勢，讓燃煤技術也可以很環保。2008 年東森電視台《科學大解碼》第二期 |
打造綠色船舶 | 近年來油價不斷高漲，2008 年國際原油價格曾一度突破每桶 147 美元，2011 年 12 月國際海運燃油價格則達到每公噸 728 美元。燃油費用是航運公司支出的最大宗，如何降低燃油消耗，成為航運界重視的議題。同時，國際海事組織針對減少二氧化碳排放量，也訂定了船舶節能的各種指標。因此，基於成本考量與社會責任，造船界與航運界都努力推動船舶的節能。對造船業來說，如何應用科技與創新，對船舶能源的消耗錙銖必較，以達到節能的效果，是當前重要的課題。
船舶的節能方向
就船舶節能而言，首先可用「燃料費用營運指標」— 單位燃料費用所達成的運輸量 — 為準，指標愈大表示營運成本愈低。因此，船舶節能對策的主要方向有增大運輸量 (即提高船速或載重量)、降低燃料消耗量、採用廉價燃料或替代能源。
由於提高船速往往會增加用油，與節能的目標違背，因此幾乎沒有人採用，反而都在減速航行。以貨櫃輪為例，原本設計船速是以主機最大連續出力的 90% 左右航行，現在則有不少採用 25~50% 出力。因此，增大運輸量最有效的方式就是船舶大型化。20 年前，大型貨櫃輪都是剛好可以通過巴拿馬運河的極限型，可以裝載約 4,500 個標準貨櫃。現在，最大的貨櫃輪已經大到可以裝載 18,000 個貨櫃的麻六甲海峽極限型，相當於以貨櫃車裝運貨櫃，首尾相連從台北排到台中。
至於廉價燃料，大船已使用石油煉製最底下的重油了，其他替代能源如燃煤、風能、太陽能、波浪能、核能等，都還不能或不適於船舶目前的技術，因此降低燃料消耗量就成為造船界與航運界積極投入的方向。而如何降低燃料消耗量，就需要應用科技以及創新，對於船形幾何與推進裝置進行節省能源的設計。
船形的節能設計
適當的船舶尺寸可節省 10% 以上的油耗，因此船舶降低燃料消耗量從新船的規畫開始，就要考量船體主要尺寸及關係船形幾何的參數。
方塊係數 (block coefficient) CB=▽/(L×B×T) 是一個重要的船形幾何係數，其中 CB 代表方塊係數，▽代表排水量，L 代表船長，B 代表船寬，而 T 代表吃水。排水量是指船舶在特定狀態下的總重量，通常以公噸為單位。根據阿基米德浮力原理，浮力就是排開同體積的水重。因此，方塊係數就是在一個長方體 (L×B×T) 中，船形的飽滿度或肥瘦度。
通常方塊係數小，船舶的興波阻力 — 船舶航行時造波所增加的阻力 — 較小。而船舶形狀越是流線形，阻力也越小。基於這些原則，以固定船舶排水量的條件來比較，主要尺寸船長、船寬與吃水對馬力都有影響。
船長度增加，方塊係數下降，肥瘦度下降，而船舶細長比增加，更呈流線形，因此興波阻力下降，需要的馬力也下降。
船寬增加，方塊係數下降，肥瘦度下降，但這時船舶的細長比下降，因此需要的馬力是增加或減少就不一定。
吃水增加，方塊係數下降，肥瘦度下降，且船舶寬與吃水的比例也下降，更呈流線形，因此需要的馬力下降。
船形設計的節能方向
除了船長度、船寬與吃水的設定外，改善船體線形 — 船舶水下的形狀，也可以節省 5~10% 的馬力。船體線形的設計一般可從 4 個方向著手。
阻力性能 船舶阻力可以分為由船舶形狀決定的興波阻力與摩擦阻力，另外，水線以上建築的空氣阻力也是阻力的來源之一。在減少興波阻力上，可以採取球形艏或消浪的船艉形狀等，減少黏性阻力則可以設計貢都拉形狀的船艉 (源自威尼斯小船的形狀), 或採用減阻塗料等。目前發展的微泡減阻技術，就是把空氣打入水中以減少船舶表面的摩擦阻力。至於減少水線上的風阻力，則可以儘量把上層構物設計得更呈流線形。
推進性能 為了提高船殼效率，可以採取球形艉或非對稱船艉等。非對稱船艉是希望利用不對稱的船艉形狀，使進入螺槳面的水流對螺槳入流先產生旋轉效果，以提高螺槳的推進效率。
耐海性能 耐海性能是指船舶航行時，在不同海況下船舶的適應能力。以節能而言，就是船舶是否能在不同的海況時，都能有效率地行進。線形的設計就是在減少波浪中的阻力，方法有減少船舷外傾或採用破浪船艏等。
操縱性能 希望設計的線形能增加航向穩定性，減少動舵阻力。
省能源的推進裝置
在船舶形狀改善到極致或沒有進一步改善空間如現成船時，就可以考慮裝置適當的省能源裝置來補救，以提高船舶的推進性能。
目前船舶推進的主力是螺槳，由沿徑向分布的翼截面所構成，也就是每一半徑的截面形狀像飛機的翼形一樣。當螺槳轉動時，水流以一定攻角入流，經過翼形產生升力，在螺槳軸心方向的分量就是推進力，在旋轉方向的分量加上葉片的摩擦阻力後乘以距離軸心的力臂，就是船舶主機轉動螺槳所需要克服的扭力。
就推進系統來說，常見的省能源裝置可以概略分成 3 類。
第一類是提升螺槳效率的裝置。從螺槳的原理可以知道，提高螺槳效率的關鍵因素是螺槳入流和螺槳翼形所產生的升力。慢速肥大船 (如油輪，裝載礦砂、煤、穀物等大宗粒狀貨物的散裝貨輪) 因為船形很胖，水流流經肥胖的船身後往往讓進到螺槳面的流速降低且很不均勻，軸向入流速度的不均勻使得螺槳轉到不同位置所承受的攻角不同。當螺槳轉動經過低速區時攻角變大，轉到較高速時則攻角變小，造成推進效率不佳。
因此，可在螺槳前方裝置鰭片或筒狀的導流罩，使水流流向低速區，提高螺槳面的入流速度，並使入流變均勻，從而提升螺槳的推進效率。
既然螺槳的工作方式像產生升力的機翼，而機翼就是因為流體流經翼形時在上表面產生低壓，下表面產生高壓，上下面壓力差對機翼而言就是升力。但是這壓力差在翼尖附近需要傾洩出去，由於流體會從高壓區繞過翼尖流向低壓區，因此流體會旋轉而產生翼尖的渦流，對螺槳而言會降低效率，而且還會因為速度過快，發生液體低壓沸騰汽化的翼尖空化現象。翼尖空化所產生的空泡隨後可能因為附近流體的高壓而破掉，空泡破裂所產生衝擊波作用在船體上會產生振動與噪音問題。
因此，可以在飛機機翼末端加上端板，或把末端向上彎起的方式用在螺槳設計上，以減少翼尖的渦流，提高推進效率。加端板的設計是加在翼形的高壓面，以維持螺槳的高壓效果為主，稱為「CLT 螺槳」。而末端向上彎起的方式是彎向螺槳的低壓面，稱為「非平面螺槳」或「Kappel 螺槳」。
第二類是回收螺槳轂渦流能量損失的裝置。相對於螺槳的翼尖渦流，其實螺槳根部也會因為各葉片上下面的壓力差，使得流體離開根部後在螺槳轂部末端捲成一股強勁的渦流，稱為「螺槳轂渦流」。這股流體除了可能打到螺槳下游的舵，損壞其表面的鋼板外，對推進系統來說，由於流體捲在一起需消耗能量，也就減少了真正用在推動船舶的能量。因此，如果在螺槳後方的舵上裝設流線形的舵球，把螺槳轂渦流頂開後順著舵球體流過舵葉，就可以提高推進系統的效率。
另一種方式是在螺槳轂帽上設置小型葉片，把螺槳轂渦流導引成向後方的水平流動，以減少能量的消耗。這種螺轂帽鰭裝置由於簡單易裝，成本便宜，在能源價格高漲的環境下，獲得不少船公司的青睞。
第三類是回收螺槳旋向動能損失的裝置。螺槳是以旋轉方式工作，因此會帶動流經螺槳的流體做旋轉的運動。就能量觀點來說，螺槳所提供的旋向動能一部分用在推進船舶，一部分就浪費掉了。如果這些浪費掉的旋向能量能夠減少 (提高螺槳效率) 或再加以利用，就可達到節能的目的。而在螺槳後方再裝一組同軸反向旋轉的對轉螺槳，就可以減少旋向能量的浪費。這種系統成本高，但是回收效率非常好，以前多用於魚雷或小型潛艇，現在油價高漲之後，也開始在商船上推廣應用。
另外，在螺槳前方設置固定的葉片，產生跟螺槳旋轉方向相反的預旋流，可以抵銷螺槳旋向動能損失，或再由螺槳回收旋向的能量損失。這種方法有時可以回收相當高比率的能量，稱為「預旋流鰭翼」或「預旋流靜子」。
有的在螺槳前方加裝葉片，也有在螺槳後方加裝一組自由旋轉的渦輪葉片 (如同風車一樣), 就可以利用螺槳的旋向流帶動輪葉轉動，得到額外的推進力，這種設計以發明人的姓「格林」(Grim) 稱為「格林輪葉片」。它的能源利用效率很理想，在石油危機後的 1970 與 1980 年代曾風行一時，有些大型或超大型油輪都裝過。但船在海上航行難免會撞到漂流物，一旦輪葉的葉片打壞，就會因為葉片沒有辦法維持動態平衡而產生振動問題。
另一種方式就是改變螺槳後方的舵幾何，利用螺槳的旋流產生攻角使舵產生升力，從而轉換成向前的推進力。一般有兩種設計，一種是直接把舵葉扭轉，由舵葉產生向前推的方量，稱為「扭轉舵」。另一種是在舵上加裝凸出的大型鰭翼，也可使螺槳的旋流在鰭翼上產生向前推的力量，稱為「舵翼」。當然也可以兩者都用，也就是在扭轉舵加裝舵翼，以盡可能利用旋流讓舵產生推力。只是這樣一來，回收效率不盡然是一加一等於二，而且施工成本較高，投資回收的時間不免大增。
船舶科技日新月異，設計師莫不絞盡腦汁錙銖必較，用盡每滴燃油的所有效率。除了由船舶外部流體系統著手外，機艙內也開發出許多節能技術，如主機廢熱回收的渦輪發電機、低速航行時關閉主機部分的渦輪增壓器等，照明系統也在進步中。另外，利用氣象預報規劃最佳航路、調整最佳航行俯仰姿勢，甚至是像帆船時代般在船上加裝風帆推進來節省油耗、裝設太陽能板發電等，不勝枚舉。
造船工業由於受到成本與法規的壓力，應用科技以打造綠色船舶成為必要之舉，而在科技與創意的激盪下，會改變船舶的面貌。 |
二十一世紀的新能源–天然氣水合物 | 天然氣水合物是什麼？天然氣水合物，簡稱氣水合物，是一種外觀很像冰的白色結晶固體，主要是由水和天然氣在低溫及高壓條件下所形成的固態物。例如，在攝氏 0 度，壓力大於 25 個大氣壓，或者溫度為攝氏零下 10 度，壓力大於 17 個大氣壓的條件下，甲烷氣與水混合即可形成固態水合物。
天然氣水合物是由水分子組成的冰晶結構空隙中包含天然氣分子，為一種籠形包合物。當天然氣由固態水合物中分解或熔解出來時，一立方公尺的天然氣水合物，在標準狀態的溫度及壓力下，可產生大約 0.8 立方公尺的水，及大約 170 立方公尺的天然氣，所解離出來的水及天然氣，會隨著天然氣水合物組成的不同，而有些微的差異。
由於從北極永凍帶及海底地層所發現的天然氣水合物中，包含的氣體以甲烷氣為主，所以又稱為甲烷水合物；另外，因甲烷氣是可燃的氣體，有時候也稱為可燃冰，而有些人則稱天然氣水合物為甲烷水合物。
天然氣與水形成固態水合物的溫度及壓力條件，會隨著天然氣的成分而異，若天然氣含百分之百的甲烷氣時，其形成固態水合物需較大的壓力。若天然氣中除了主要的甲烷之外，還含有乙烷或丙烷等較重的碳氫化合物時，則與水形成水合物所需壓力較小，也就是說較易形成固態水合物。
因為天然氣分子只是被水分子包覆而形成固態晶體，所以，天然氣水合物的氣體分子與水分子之間的結合，並不需要藉由任何化學或離子鍵鍵結，這與一般以庫倫力鍵結所形成的結晶水合物完全不同。為了避免與一般結晶水合物在名稱上發生混淆，有些人採用天然氣水包合物或甲烷氣水包合物的名稱來作區別。
天然氣水合物的發現及分布
天然氣水合物的發現，起源於一九三○年代，當時因為在天然氣的輸氣管線中常含有水分，約在溫度低於攝氏 7 度以及壓力大於 65 個大氣壓的條件下，水分子與天然氣分子形成固態的天然氣水合物，阻礙了天然氣的正常流動及輸送，甚至導致管路及設備毀損，引起石油工業界對於天然氣水合物的注意與研究。只是當時的研究目的，主要是在防止輸氣管線被固態的天然氣水合物阻塞或損壞。
一九六五年，在西西伯利亞的麥蘇亞漢天然氣田中，首次發現含天然氣水合物的地層。後來於一九七○年代，又在美國東岸大西洋中布萊克外脊的海底沉積物裏發現天然氣水合物。在該處的震波反射中，含有擬似海底反射的現象，並且在擬似海底反射上面的地層，發現震波速度異常的現象。所以，史扥 (R. D. Stoll) 於一九七一年認為擬似海底反射的震波反射現象，是一種天然氣水合物存在的跡象。
一九七四年，北加拿大三角洲地帶的淺部地層，也發現天然氣水合物。因此，有人認為天然氣水合物可能遍布北極圈地區。後來，擬似海底反射在世界各海洋的海底沉積物中陸續發現，例如，北太平洋的白令海域、北極洋的畢佛特海 、北大西洋的西部、臺灣西南海域等。
希聰 (B. Hitchon) 於一九七四年的研究認為，具有商業開採價值的天然氣水合物地區包括美國阿拉斯加的北極邊坡石油區、 加拿大的麥肯辛三角洲及北極群島、俄羅斯的西西伯利亞北方及薇利亞盆地等。
天然氣水合物的埋藏量
天然氣水合物主要是埋藏在永凍土帶和海洋沉積物中，永凍土帶的天然氣水合物約為海底天然氣水合物總量的四分之一。卓菲馬克等人 (A. A. Trofimuk) 於一九七七年估算，世界上水深介於 300 公尺至 600 公尺之間的海底沉積物中約有 15 × 1015 立方公尺的天然氣水合物，在永凍帶的埋藏量約為 5.7 × 1013 立方公尺。麥克當勞 (G. J. MacDonald) 於一九九○年估算天然氣水合物在海底地層的埋藏量約為 2.1 × 1016 立方公尺，在永凍帶約為 7.4 × 1014 立方公尺。
在各個不同研究的估算中，以一九八一年都布雷寧 (V. M. Dobrynin) 等人的估算值最為樂觀–海底埋藏量約為 7.6 × 1018 立方公尺，永凍帶約為 3.4 × 1016 立方公尺；而以一九八一年馬克艾維爾 (R. D. McIver) 估算值為最小–海底埋藏量約為 3.1 × 1015 立方公尺，永凍帶約為 3.1 × 1013 立方公尺。雖然這些估算值差異很大，但是，保守估計全球天然氣水合物的埋藏量，也遠超過目前已知天然氣及石油的總蘊藏量，其總資源量約相當於全世界已知煤、石油和天然氣總量的二倍。
中國大陸以及臺灣研究學者於最近指出，在中國南海的震測剖面上，識別出天然氣水合物埋藏的顯示標誌–擬似海底反射，其厚度約達 80~300 公尺。據估算，這一地區天然氣水合物總資源量達到 469 × 109 至 563 × 109 桶的石油當量，約相當於中國大陸的陸上和近海石油天然氣總資源量的二分之一。因此，天然氣水合物很可能取代煤和石油，成為二十一世紀全球新能源。
天然氣水合物對自然環境的影響
當含天然氣水合物地層的溫度或壓力發生改變時，天然氣水合物將由固體變成氣體及液體，而由地層中釋放出，若該地層位於陸緣大陸斜坡，則有可能造成海床崩塌或滑移等地質災害，所伴隨的大量天然氣逸出海床進入水中，甚至進入大氣圈，將對自然環境產生極大的影響。因此，近年來也有不少科學家，致力於天然氣水合物對於全球環境破壞的研究。
由於在西南非陸緣海域的大陸斜坡與隆堆、美國東部大西洋大陸斜坡、挪威陸緣海域，阿拉斯加陸緣蒲福海域等地的海底地層，可能含有天然氣水合物，因此，這些區域的海底崩塌與滑移的地質災害，可能與天然氣水合物的解離作用有關。另外，如裏海及巴拿馬北部遠濱海域的海底泥火山等地質災害，亦與天然氣水合物所分解出的天然氣向上逸散等地質作用有關。
天然氣水合物的開採及研究近況
一九六○年代，在俄羅斯西西伯利亞的麥蘇亞漢發現天然氣水合物礦區。該礦區涵蓋約 90% 的海域和 27% 的陸地，主要是多年凍土區，都具備天然氣水合物埋藏的溫度和壓力條件。開發初期的主要目標，是生產 1,500 公尺深度以下地層中的天然氣。開始生產後，造成天然氣層上方的天然氣水合物埋藏地層 (地面下 500~1,500 公尺) 壓力減低，使得固態的天然氣水合物層逐漸分解成天然氣及水。換言之，生產天然氣造成的減壓效應，使得天然氣水合物層中的天然氣也同時被分解而開採。這是世界上最早開採的天然氣水合物礦區，至今已開採約有十七年之久。
此外，加拿大的馬根尼三角洲、美國阿拉斯加等地的地理位置都在北極圈附近，且都已確定埋藏有天然氣水合物。這些地區的特色是，多年凍土厚度大，一般為 400~500 公尺；天然氣水合物埋藏深度較深，為 320~1,500 公尺，且其天然氣水合物的主要氣體成分為甲烷。大陸青康藏高原的多年凍土區，主要分布在中緯度地帶，與極地多年凍土的狀態不完全相同，但是，青康藏高原多年凍土區具備形成天然氣水合物的溫度和壓力條件，有可能埋藏以硫化氫、乙烷和丙烷為主體的重烴類天然氣水合物，其埋藏深度較淺，約為 100~1,000 公尺。
日本政府從一九九二年起開始關注天然氣水合物，一九九五年由通商產業省資源能源廳石油公團，聯合十家石油天然氣私營企業，設立了「甲烷天然氣水合物研究及開發推進初步計畫」, 為期五年，投入的研究經費高達九千萬美元。經由對日本周邊海域，特別是南海海槽、鄂霍茨克海的調查，初估天然氣水合物資源量可供日本一百年的能源消耗。
一九九五年冬，以美國為首的 ODP164 航次海洋探測計畫，在大西洋西部布萊克海臺針對天然氣水合物進行專門的調查，首次肯定其具有商業開發價值。同時指出，天然氣水合物礦層之下的游離氣 (氣態天然氣) 也具有經濟價值。初步估計，該地區天然氣水合物資源量多達一百億噸，可滿足美國一○五年的天然氣消耗。美國參議院於一九九八年通過決議，把天然氣水合物作為國家發展的戰略能源，並列入國家級長程計畫，要求政府每年投入二千萬美元進行探勘，並計劃於二○一五年進行商業性試採。
隨著深海鑽探計畫中鑽井工程與震測探勘工作的進行，陸續發現離陸地不遠的海域沉積物中，也有天然氣水合物的埋藏。因此，科學家相繼對天然氣水合物的物理與化學性質、地質產狀與分布、成因、探採技術等進行研究。
臺灣西南海域的震測資料顯示有埋藏天然氣水合物的潛能，如果能更進一步地探勘與實際鑽探取樣，獲得岩心樣本和更多的地層參數，對於天然氣水合物的開採評估和研究，將有莫大的幫助，並且能有效地解決我國未來的能源短缺問題。 |