當飛機碰上亂流

當飛機碰上亂流 　 撰文 / 盧衍良 審稿 / 成功大學交通管理科學系教授 張有恆 　 飛機航行中難免遭遇亂流，而嚴重亂流導致飛航事故時有所聞。今年，國內航空公司也陸續有班機在國內外上空碰到嚴重亂流，造成多人受傷。亂流如何產生？能否藉由科學儀器的預測及早避開，讓飛行更安全？ 　 　 搭乘飛機的時候，常會聽到空服員廣播「飛機即將經過一段不穩定氣流，請確實扣緊安全帶！」不穩定氣流指的就是亂流，它會使飛機搖晃，甚至嚴重傷害機體。高空上如何形成亂流？什麼樣的現象稱得上亂流？ 生活中的亂流現象 　 想要了解亂流，可以從比較熟悉的「水」去觀察。站在河邊看著潺潺流水，便很容易發現，當流速非常緩慢時，水流會井然有序的前進，此時稱之為層流（laminar flow）；若流速較快，水面則會產生擾動，有些地方會形成漩渦，水流變得混亂而不一致，這就是亂流（turbulent flow）的最基本現象。從層流變成亂流的過程中，稱為過渡流（transitional flow）。 　 同樣的情況也會發生在氣體流動。觀察燃燒中的香菸，當白色煙霧裊裊上升時，線條非常均勻平滑，但是當煙霧上升到一定高度後，也會變得混亂而形成漩渦狀，這也是亂流。形成亂流的條件很多，流速快慢只是其中一個因素，也是最容易觀測到的，其他如流體的黏性、流動規模大小、接觸表面的粗糙度等，也都會導致亂流的形成。 飛機航行在大氣中所遭遇的亂流有很多類型，典型且常見的有「雲雨亂流」與「山岳波亂流」。 　 空氣熱對流造成亂流 雲雨亂流的產生，多半是因為空氣的「熱對流」（heat convection）作用所致。受到強烈太陽照射、吸收許多熱量而升溫的地表，會加熱附近的空氣，地表附近空氣受熱後膨脹上升，擠壓上層冷空氣下降，形成熱對流；此時，由於空氣的密度發生變化，形成不均勻狀態，造成空氣與空氣之間彼此擠壓摩擦，無法維持井然有序的流動，這種對流的過程便會產生亂流。 熱對流跟用鍋子燒開水的對流現象很類似，之所以稱之為雲雨亂流，是因為在對流過程中，空氣中的水氣會形成積雲（cumulus），因此飛機駕駛員如果觀察到積雲，就可以判斷該處可能有亂流而選擇避開。 山坡地形造成亂流 山岳波亂流主要是山坡地形作用所導致。當空氣在山的迎風面沿山坡上升時，風速隨著山的坡度升高而增快，在氣流爬升至山頂時達到最大。當氣流通過山頂後，受到地形障礙物高度降低的影響會迅速下降，於是產生下降氣流；隨後再因為地面摩擦作用，使得位居前端的底層空氣流動較緩慢，並導致後端持續前進的空氣向上推擠，造成空氣產生漩渦一樣的擾動。因山坡地形所產生的亂流通常發生在通過山峰後數公里處、形成浪花狀的渦動雲（roll cloud），這就好像河水流過大石頭後，會在大石頭後方產生漩渦是一樣的。飛機駕駛通常也會避免進入此空域中。…more 【欲閱讀完整的豐富內容，請參閱科學人網站】

一位工程師在伊拉克戰爭中不幸失去手臂後，與設計師、發明家組成線上社群，共同努力為截肢患者打造更好的義肢手掌與手臂。 　 集思廣益造義肢 撰文╱柏宜金（Sam Boykin） 翻譯╱周坤毅 　 重點提要 ■急救醫學的長足進步讓許多戰場上的士兵逃過一死，卻帶著重大傷殘返回家園。 ■由於市場太小、研發費用過高，手臂與手掌義肢的進步一直很緩慢。 ■開源碼義肢計畫採取「開放原始碼」的硬體設計概念（這種做法在研發以線上社群為基礎的軟體已經行之有年）來設計價格低廉的義肢手掌與手臂，希望能夠維持需求量不高的市場，並免費提供設計給任何有需要的人。 　 庫尼洪（Jonathan Kuniholm）是美國海軍陸戰隊後備軍人。在被派往伊拉克作戰之前，他與另外三名朋友在北卡羅來納州合開了一家研發公司「塔科設計」（Tackle Design）。這四個人曾經在北卡羅來納州立大學一起修過工業工程，憑著年輕人的滿腔熱忱，他們希望這個羽翼未豐的公司能製造有趣又能助人的產品，而不僅是為了賺錢而已。他們與發明家合作製作過不少產品，包括一款可以固緊鞋帶的塑膠鎖扣原型，以及內嵌發光二極體的釣餌。他們也與母校的醫學工程師合作，研發微創機器人手術所使用的工具。 然而在公司步上軌道前，庫尼洪被派往伊拉克。幾個月後，在2005年元旦那天，他與另外35名海軍陸戰隊員，在巴格達西北的幼發拉底河沿岸的哈迪塞水壩附近遭遇伏擊。由於數小時前當地有叛軍對著在水壩巡邏的快艇開火，他的排正在搜索該區域。正當他們包圍一處可疑的地點時，一枚藏在橄欖油罐裡的土製炸彈突然爆炸，炸彈碎片撂倒了整排士兵，庫尼洪也被炸飛出去。過了一會兒他恢復意識，發現他的M16步槍被炸掉一半，而他的右手臂從肘部以下幾乎被截斷。海軍陸戰隊員隨即與叛軍陷入猛烈交火，庫尼洪只得自己逃出險境。他的戰友呼叫空中救援，將他送往巴格達附近的醫院，由外科醫生替他殘破的手臂實施截肢手術。 返回北卡羅來納州後，庫尼洪先在杜克大學醫療中心接受多次外科手術，康復之後，他拜訪了華特里德軍事醫學中心，那兒的醫生準備了兩種可以替代手掌與前臂功能的義肢。第一種是傳統的雙鉤式義肢，由兩個相對的手鉤組成，使用者運用肩膀或手臂的力量，帶動一套線束與鋼索系統，將手鉤打開或關上（見95頁圖）。第二種則是較為先進的肌電義肢，利用電子裝置偵測肌肉輕微收縮時產生的神經訊號，經過放大後帶動機械結構，使用者收縮上臂肌肉，便可以將義肢手掌的鉗腳握緊，而放鬆肌肉鉗腳便會打開。…more 　　　　　　　　　　 【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2008年第81期11月號】

顛覆大霹靂—宇宙是反彈出來的？ 撰文╱柏卓瓦（Martin Bojowald） 翻譯╱李沃龍 　 我們的宇宙可能起源於由奇特的量子重力效應所驅動的大反彈——這表示大霹靂不再是宇宙萬物的起點了。 　 重點提要 ■ 愛因斯坦的廣義相對論說，宇宙源自於大霹靂奇異點，在那時刻我們所見的一切物質都聚集到密度無限大的奇異點上。但這理論並不具備完善的時空量子結構，因此我們無從得知物質緊密匯聚的極限與重力強度的範圍。物理學家需要一套新的量子重力論，才能明瞭究竟發生了什麼事情。 ■ 根據其中一個可能的理論：環圈量子重力，空間可被細分為許多具有體積的「原子」單位。由於它們僅有有限的容量可儲存物質與能量，因此奇異點是無法真正存在的。 ■ 若果真如此，時間就有可能往前推到大霹靂之前。大霹靂前的宇宙或許曾非常劇烈地收縮成具有極大密度的一點，然後反轉整個過程。簡單的說，就是由大崩塌導致大反彈，最後才變成大霹靂。 　 由於原子的概念在現代已經是老生常談，我們很難想像從前那曾經是個多麼荒誕不經的想法。幾個世紀前，當科學家第一次假設原子的存在時，他們絕望地認為這麼小的東西絕不可能觀測得到，甚至有許多人質疑原子這樣的概念是否合乎科學。不過，關於原子的證據逐漸累積，終於在1905年因為愛因斯坦分析了液體中微塵顆粒隨機跳動的布朗運動，達到了高峰。即便如此，物理學家仍然花了20年才發展出解釋原子的理論，也就是量子力學。又過了30年之後，物理學家米勒（Erwin Muller）才第一次利用顯微鏡觀察到原子的身影。今天，物理學各領域的發展，幾乎都奠基於物質原子的特殊性質。 　 物理學家對時間與空間組成的理解亦遵循著類似的途徑，但還未達到成熟的階段。正如同從物質的行為可看出它們是由原子構成的一樣，空間與時間的行為也暗示了它們具有某些細微的結構——可能是類似「時空原子」組成的馬賽克構造，或是某種網狀系統。物質原子是化合物不可分割的最小單位；同理，想像中的空間原子是距離上不可分割的最小單位，一般認為它們的大小只有大約10-35公尺，小到連當今最強大的儀器最低可探測到10-18公尺的距離，都無法看到它們。所以，許多科學家甚至質疑這種時空原子的概念是否合乎科學，不過，也仍有許多科學家不受影響，相繼提出間接觀測時空原子的方法。 　 看似最有希望的方式，與宇宙的觀測有關。如果能倒轉宇宙的時間，我們所見的星系會全都匯聚到一個無限小的點：大霹靂奇異點。愛因斯坦的廣義相對論預言宇宙在該點上具有無窮大的密度與溫度，一般認為這是宇宙的起點，物質、空間與時間從此誕生。不過，這種詮釋有些過頭了，因為無限大的數值代表廣義相對論本身在此失效。為了理解大霹靂時究竟發生了什麼事情，物理學家必須超越相對論，發展出一套能夠捕捉到時空細微結構的量子重力論，克服相對論完全無能為力的問題。…more 　 【本文轉載自科學人2008年第81期11月號】