2009-01-07

土衛二的神秘噴泉

 
雙週 四 出刊.2009.01.08
 
本 期 目 錄 簡介/舊報明細
土衛二的神秘噴泉
遇火不燃、盛水不破的紙鍋
科學人雜誌1月訂閱專案
必勝策略,竟這麼簡單!
策略性思考的基礎!
最Hot科學 

土衛二的神秘噴泉

土衛二上皺摺起伏的地表與不斷新增的噴氣口,在在暗示了那裡是個蘊藏著地下水的神秘世界。

撰文/波可(Carolyn Porco)翻譯/甘錫安

重點提要

■在土星的衛星土衛二上,由粉狀的雪和水氣構成、富含有機物的噴流,正不斷由溫暖的「虎斑條紋」裂縫噴出。這個直徑僅略大於500公里的星體,為何會有如此劇烈的活動?

■答案可能是地下有液體,甚至有海洋,提高了潮汐效應的加熱效果。最近數次近距離探測飛行的結果,也支持這個理論。

■土衛二上如果存有液態水,則它將繼火星和木衛二之後,成為我們在太陽系中尋找外星生命的主要地點。

超過25年前,航海家2號飛越土星系時,距離土衛二(Enceladus)不到九萬公里,在那幾個小時內,太空船的攝影機傳回了數張困擾科學家多年的影像。在土星的衛星中,土衛二可算是相當奇特的一員;結滿冰的地表又白又明亮,就像剛下過雪一樣,而且它不像其他沒有空氣的衛星表面滿佈隕石坑,而是廣闊平坦、完全沒有隕石坑的平原,顯示以往內部曾經發生地質活動。土衛二直徑僅略超過500公里,體積太小,無法自己產生很多的熱,因此這個天體顯然曾經發生某些不尋常的作用,才能將表面的隕石撞擊痕跡抹除得如此徹底。

航海家2號和土衛二的短暫交會只是驚鴻一瞥,事後看來,它拍下的土衛二影像非常不理想。首先是幾張中解析度的北半球影像,接著是幾張低解析度的南半球影像,而且沒有拍到南極,我們很可能遺漏了什麼而不自知。

航海家那次造訪所引發的關注,使得詳細觀察土衛二成為卡西尼號最土星任務的主要目標(見2007年4月號〈卡西尼變奏曲〉)。卡西尼號於1997年發射,攜帶著最先進的儀器在太空中穿梭了漫長的七年時光後,進入外太陽系,並於2004年夏季終於到達目的地(見2004年7月號〈土星,我來了!〉),當年12月,它在土星最大的衛星土衛六拋下探測器,接著前往土星系統的其他地方,特別是土衛二。近幾個月來,卡西尼號太空船對土衛二進行了前所未有的仔細觀察。

卡西尼號可說是在這個地表滿佈裂縫的小世界中,發掘了行星探測人員的夢想。這個深藏在太陽系最壯觀行星系統中的小衛星,現在具有極大的重要性,它不僅擁有的熱足以促成改變地表樣貌的地質活動,還具備有機化合物,甚至可能擁有地下水道或液態水形成的海洋。能量、有機物和水正是我們所知生命形成的三項要素,在探測這個遙遠陌生地域的過程中,我們實際接觸到了可能適合生物生存的環境,這真是天大的好消息。

南極的那道光

重大發現即將現身的第一個提示,早在卡西尼號第一次接近土衛二時就已顯露端倪,但當時並未獲得一致認同。2005年1月,攝影機拍下了首批太陽在土衛二背後的照片,行星天文學家將這種觀測方式稱為「高太陽相位」,就如我們開車正對太陽行駛時,附著在擋風玻璃上的灰塵會特別顯眼一樣,我們面向太陽觀察時,太陽系各處極小的微粒也會格外明顯。在整個航海家任務中,這種觀測方式讓我們得以清楚觀察外行星和衛星不易看清的環與大氣,在研究土衛二時更成為重要關鍵。

在1月的影像中,有一道亮光從土衛二南極邊緣發出,我們航海家任務的資深人員立刻就聯想到木星的火山衛星——木衛一上的火山煙塵,以及海王星的衛星海衛一大氣中的雲霧。影像小組中有些成員認為這道亮光是有物質從土衛二南極噴發出來的確實證據,有些成員則提醒我們,這種狀況可能是正對太陽拍攝時經常造成困擾的鏡頭虛像。

我當時也不確定。但可惜我們當時正忙於規劃未來的觀測活動及撰寫論文,無暇分心去進行有可能解決這個問題的詳細分析,由於沒有時間驗證,我決定不公開透露任何訊息。我很清楚如果宣稱在大家認為地質活動已經停止的衛星上發現煙塵,最後卻必須承認只是畫面上的幻影,會是多麼難堪的一件事。還好,我們等待的時間並沒有太長。

2005年2月和3月,卡西尼號兩次近距離飛過土衛二赤道上空,傳回引人注目的結果。航海家太空船看到的平原其實一點也不平坦,而是間隔不到一公里的密集碎裂區域,整個區域縱橫交錯著各個年代的裂縫和溝槽,有些是筆直的,有些則是彎曲的;其他有些地方的地表則分佈著深達半公里的裂口。把範圍放大一點來看,大致平行的窄裂縫將表面劃分成一塊一塊。土衛二顯然曾經歷多次地殼構造活動,而且有殘留的痕跡可以證明。
推薦專欄 

遇火不燃、盛水不破的紙鍋

餐飲業者近幾年從日本引進一種可以裝大量水,並長時間於火上煮食的紙鍋,噱頭十足,然而紙為可燃物,為什麼紙鍋遇火不會燃燒,盛水也不易破掉?它有什麼特別之處?


文╱楊嘉慧
審稿╱中國文化大學化工系教授 李璜桂

近幾年,餐廳出現一種以紙做的鍋子,不僅能將其放於火上,還能煮熟食物。這種神奇的紙鍋是日本人在100多年前發明的,不過當時的紙鍋是在紙的表面塗上一層明膠,以防止水滲透,因此只能短時間加熱食物;隨著造紙技術的進步,現在的紙鍋不僅可以盛放大量高湯,還能長時間熬煮,有一定的實用程度。

水泡不爛的秘密

紙鍋可以當鍋子使用,主要具備兩項特性,即紙張強度及燃點都比一般紙高。紙的原料來自植物中的纖維,一般製紙過程是先利用泡水、煮爛及浸泡化學藥劑等步驟,從植物中分離出纖維(主要成份為纖維素,cellulose),接著磨碎纖維,再依用紙需求添加化學成份,最後經過壓平和烘乾等手續,纖維素之間就會以氫鍵相互結合,形成具有一定強度的紙張。

中國文化大學化工系教授李璜桂表示,氫鍵的產生是因為纖維素的組成單元葡萄糖分子具有多重羥基(-OH鍵),當纖維素間的距離夠近,羥基之間就會形成氫鍵,彼此吸引,不過氫鍵的力量相當微弱,只要一點外力,彼此的引力就會消失,使紙張破裂。此外,羥基也能與水分子形成氫鍵,水滲入紙張後,有些纖維素上的羥基會轉而與水分子形成氫鍵,原本纖維素間的氫鍵結合力因此喪失,使紙張容易破裂。

為了提高紙鍋的強度,製紙過程會添加濕潤紙力增強劑(簡稱濕強劑),改變纖維間的結合方式。濕強劑會使纖維素之間形成共價鍵,其結合力比氫鍵強10倍以上,水分子很難破壞共價鍵,所以紙張不僅變得較難撕裂,遇水也不易破裂。

紙燒不著是物理現象

紙鍋為什麼可以放於火上烹煮呢?其實將任一個裝了水的紙杯置於臘燭上,紙杯也不會燃燒起來,這只是個很普通的物理現象。李璜桂表示,水的沸點為100℃,只要紙鍋中的水沒有燒乾,就會不斷吸收紙從燭火得到的熱能,使紙的溫度無法超過100℃,達不到紙的燃點160℃,因此不會燒起來。然而,紙杯的強度不夠,用於煮食很容易引發意外,因此紙鍋必須經過特殊處理,使其可以長時間熬煮,同時不會因為攪拌而使紙張破裂。

李璜桂表示,紙鍋使用兩種提高燃點的方法來達到雙層防火,一種是在製程中添加耐燃劑,讓紙本身的燃點提高;另一種是在紙的表面塗上結晶化的聚對苯二甲酸乙二酯(crystal polyethylene terephthalate, C-PET)塗料,提高紙表面的燃點。聚對苯二甲酸乙二酯就是寶特瓶原料,而結晶化的PET分子排列整齊,結構強,可讓紙的燃點上升至600℃左右,使其可在溫度更高的瓦斯爐上燃燒或微波爐上加熱,也可避免在烹煮時因乾燒而瞬間燒起來的意外。C-PET也具防水功效,讓水不會滲出造成漏水。

由於造紙技術的進步,現在才能用各種方法改變紙的特性,使原屬於易燃物、遇水會破的紙,變成可以盛裝湯汁、食材,讓人得以享受以紙鍋煮食的樂趣。

紙張強度,比一比

濕強劑的開發約在二次世界大戰時期,主要應用於地圖紙,讓軍隊在雨中作戰時也能按圖索驥,之後才大量用於民生用品。中國文化大學化工系教授李璜桂表示,比較衛生紙與餐巾紙或面紙的差異,就能馬上知道濕強劑的效果:衛生紙完全沒有加濕強劑,擦拭後,短小的纖維(微細纖維,即紙粉)容易掉出來,一遇水,纖維也會斷裂使紙破掉,這也是為什麼衛生紙可直接丟進馬桶不會造成堵塞的緣故;至於餐巾紙、面紙,由於添加了濕強劑,泡水後仍可保持一定強度,丟入馬桶很容易造成堵塞。

濕強劑添加的多寡會影響紙質的強度,例如餐巾紙較面紙含更多濕強劑,而一般必須盛水或泡水達數分鐘或數小時的紙鍋、茶包、咖啡濾紙等,也會添加較多的濕強劑;由於濕強劑會溶進飲料裡,因此用於盛裝食物的紙都是添加食品用濕強劑,即使溶進食物也不致對人體造成傷害。不過,濕強劑所能提高的強度仍有限度,盛裝牛奶或果汁的紙盒除了加濕強劑外,表層還會塗上一層聚乙烯薄膜(PE薄膜),讓水不會滲進纖維,因而能達到長時間盛裝飲料的目的。

延伸閱讀
〈紙箱為何遇水就破?〉,《科學人》2005年8月號、高一課本《基礎化學》
觀看全文【科學Easy Learn網路版•行政院國科會補助案】
活動訊息 

科學人雜誌1月訂閱專案

愛地球,戀台灣
《科學人》邀您一同探索擁有
豐富生態的美麗國度-台灣
帶您體驗震撼人心的自然與人文之美
疼惜我們共有的福爾摩沙!
《科學人》訂閱方案
前期文章 全部歷史文章
出刊日期 出刊主題
2008-12-25 為地球遮陽
2008-12-11 用雷射遙控果蠅
2008-11-20 為台灣多樣生物編上條碼
2008-11-06 尋找智力基因
主編推薦  
眾多雜誌免費看到爽∼
日本理財女超人 勝間和代
快速將資料夾上鎖
優點教育的驚人力量
我要訂閱這份報紙 我要取消這份報紙 訂報說明
.本電子報內容由 科學人雜誌 提供
PChome ePaper 電子報版權所有,關於電子報發送有任何疑問,請聯絡 客服
台北市敦化南路二段105號11樓 ,TEL:(02)2708-8038,FAX:(02)27094848。
廣告刊登授權服務隱私權聲明消費者保護兒童網路安全關於PChome徵人
網路家庭版權所有、轉載必究 Copyrightc PChome Online

沒有留言: