地球科學

從一沙一世界看微觀物質構成的地景—沙丘

文/許民陽 壹、沙粒為地球最常見的微觀物質 英國詩人威廉、布萊克（William Blake）曾寫下「一沙一世界，一花一天堂，無限掌中置，剎那即永恆。（徐志摩譯）」的不朽詩句，從一粒沙看世界（To see a world in a grain of sand）其意義為從一粒沙就可體會大千世界的奧妙。 事實上沙粒是我們最常看到的微觀物質，地球上數量最多的沙粒應為石英砂，因石英是大陸地殼數量第二多的礦物，僅次於長石，但石英卻是地球上分布最廣的礦物。主要因素為長石硬度較小，風化後成為黏土，而石英硬度為7，風化碎裂後呈沙粒狀，容易殘留在地表，成為最常見的礦物顆粒。許多海灘的沙粒大部分由石英顆粒所組成，例如東北角海岸的福隆沙灘，由於雙溪川流域多砂岩地層分布，河川攜帶出來的石英砂就堆積在河口的福隆海灘。為大陸地殼花岡岩地質區的金門縣，及連江縣的南竿與北竿，花崗岩風化後的石英粒造就了這兩個離島美麗的石英砂沙灘，例如金門的料羅灣沙灘 ，北竿的塘后、坂里沙灘等。 這些在海灘的細緻的石英砂雖然每天受波浪激盪的搓磨，單由於硬度大而耐蝕，若藉由顯微鏡觀察，可看出許多顆粒仍維持稜角，圓磨度（roundness）不佳。 圖1. 東北角海岸福隆的石英砂沙灘 圖2. 連江縣北竿坂里的石英砂沙灘. 圖3. 金門料羅灣細緻的石英砂沙灘與波痕 圖4. 北竿機場旁海灘石英砂與貝殼 圖5. 由顯微鏡放大觀察可看出許多海灘石英砂顆粒仍維持稜角，圓磨度不佳 在熱帶及亞熱帶有珊瑚礁生長的海域，沿海淺水域的海藻叢中常有又有孔蟲生長，這些有孔蟲常被海水搬運到海灘沉積，致許多灘沙有很高比例的有孔蟲顆粒，在澎湖、墾丁、綠島等地的海岸都可發現，尤其在以綠蠵龜產卵著名的澎湖望安海灘，有孔蟲顆粒比例甚至可達80%以上。 圖6. 澎湖以有孔蟲顆粒為主的沙灘 圖7. 澎湖望安海灘，有孔蟲顆粒比例甚至可達80%以上 在沿海軟體動物生長良好的海岸淺水海域，海灘常有大量的貝殼堆積，貝殼被波浪營力磨碎後，就成為典型的「貝殼沙」，常見於各地海岸。在不同地質區岩石性質也會影響海灘沙粒的組成，在台灣北海岸，沿海多為大屯火山區的安山岩，風化後其所含的磁鐵礦就會出現在沿海的沙灘，著名的老梅海岸石槽（海蝕溝）旁就可看到。夏威夷大島（夏威夷島）為火山噴發的玄武岩島嶼，海岸的黑色沙灘大部分由玄武岩碎屑所組成。日本九州南部的長崎鼻岬角的火成岩含有許多黑曜岩（灰黑色火山玻璃），使附近的海灘大部分由灰黑色的黑曜岩碎屑顆粒所組成。澳洲西南部海岸常有白色石英砂岩，海灘即初先耀眼炫目的白色灘沙。台灣地層複雜多變，河流常貫穿不同地質區，因此西部海岸常出現不同礦物的混合沙粒，以桃園海岸為例，海灘就出現由板岩碎屑、石英砂、貝殼碎屑，及由沿岸流搬運過來的北海岸磁鐵沙等組成的混合灘沙。 由以上舉例可知，各地海岸灘沙組成非常多樣化，不同的地質狀況，生態環境，各種外營力條件等都會造成影響，這也是「一沙一世界」意義的最佳詮釋。 圖8. 日本北海道的貝殼沙及海膽殼（王郁軒攝） 圖9. 桃園新屋海岸貝殼沙及退潮後的巨型波痕 圖10. 老梅海岸的海蝕溝，石英砂與磁鐵沙（黑色部分）混合 圖11. 夏威夷大島海岸的黑色沙灘大部分由玄武岩碎屑所組成 圖12. 日本九州的長崎鼻海灘大部分由灰黑色的黑曜岩碎屑顆粒所組成 圖13. 長崎鼻海灘大部分由灰黑色的黑曜岩碎屑，白色顆粒為浮石 圖14. 澳洲西南部白色石英砂沙灘 圖15. 桃園海岸由板岩碎屑、石英砂、貝殼碎屑，及來自北海岸磁鐵沙等組成的混合灘沙 貳、沙粒組成的沙丘如何形成 一、風的侵蝕與搬運 在氣候乾燥地區，由於雨量稀少且無規律，白晝日照強烈，晚間溫度驟降，使物理風化盛行。天然植物稀少，對地面缺少保護，岩石遭受晝夜不息的熱脹冷縮，好像脫殼一般，由表及裡，不斷的剝落，產生許多鬆浮的風化物，一陣大風，便把較細的沙石捲去，搬運相當距離後，在另一地方沈積下來。 在植物較稀少的開闊地區，風是最主要的營力，風對地面的侵蝕，是兩方面的：它一方面進行吹蝕（deflation），把沙石捲去，在海岸沙灘會形成風吹沙；另一方面進行磨蝕（corrasion），用捲去的沙石去撞擊和磨擦受風的岩面。不過，風的磨蝕作用範圍較小，以磨蝕岩面為主；吹蝕作用則可將大範圍的細沙碎石拂捲而去。 風搬運沈積物有兩種主要方式：一是滾動（rolling）及跳動（saltation），以沙粒為主，一是懸浮（suspension），以塵粒或粉沙粒為主（圖16）。 圖16. 風的搬運沈積物方式示意圖 根據估計，約有五分之一到三分之一的沙粒是由滾動方式搬運，其餘則多以跳躍或跳動方式搬運。 較大而較圓的沙粒常受到風吹而沿著地面滾動，向前搬運，其他較小的沙粒因為受到其他顆粒衝擊而上升到空氣之中。當風速到達某一階段的時候，在地面上一個滾動中的沙粒和其他沙粒互撞，結果使第二沙粒衝向空氣中，或使第一沙粒飛躍而起，這就是沙粒的跳動搬運。有時沙粒為風吹起後，經過一段運動距離後再落下，落下來的沙粒再把地面上另一顆沙粒撞擊而跳起，或自己在跳躍上去，或把這地面沙粒推送向前，如此可以使沙粒不斷運送前進。根據估計，約有五分之一到三分之一的沙粒是由滾動方式搬運，其餘則多以跳躍或跳動方式搬運。 塵粒通常是用懸浮的搬運方式，但是塵粒不能完全為風吹送而起，因為貼近地面有一層風的不運動地帶，所以小粒子受此限制不能運動。如果要塵粒飛起，一定要有下降大粒子的衝擊或氣流的突然下降，才可以把塵粒向上舉升到迴旋的氣流中去。塵粒一旦上升後，風的亂流就可以使塵粒懸浮在空氣之中，形成沙塵暴（dust storm）。 圖17. 桃園海岸東北季風強烈，形成風吹沙 圖18. 澳洲西部的波浪岩為風磨蝕造成的凹壁 圖19. 敦煌沙塵暴 二、風的堆積作用形成沙丘 沙粒搬運途中，當遇到障礙物時，氣流就會受到阻滯而發生渦漩減速，沙子便會在此堆積下來，形成沙堆，待沙粒積高，飛越或覆蓋障礙物，向上及向前堆積，形成沙丘；初期沙源較少，可能形成圓錐形的饅頭丘，再互相連結後，視沙源供應的多寡、風向、地表及植被狀況等差異，形成各種形態的沙丘。沙丘最常見於沙漠地區，但也常見於海濱、海岸平原、河岸、冰緣區等地，並做群狀分布。 圖20. 桃園觀音區大潭海岸的饅頭丘 圖21.桃園草漯沙丘地質公園的海岸沙丘 圖22.西藏地區雅魯藏布江旁的河岸沙丘堆積在山麓 參、沙丘依不同形態可分為數種類型如下： 一、新月丘：沙丘之平面像新月狀者，稱為新月丘。代表沙丘發展初期地形，成孤立小丘，向盛行風向伸展，迎風坡成凸形緩坡，背風坡成凹形急坡，坡面兩端伸展成兩突角形，背風坡超過安定角（一般為28~33度）即崩下。 二、橫沙丘：與盛行風呈垂直方向發展之沙丘，稱橫沙丘。當新月丘數目增加，沙量增加，漸次在盛行風向的直角方向因互相連續而成橫沙丘。為沙丘發展極盛期，由上空看有如大海之風浪。 三、縱沙丘：與盛行風呈一致方向發展之沙丘，稱為縱沙丘。通常遠離沙源地，以致沙分散於廣範圍地區。 四、拋物線狀沙丘：沙層固結，已安定化之舊沙丘，再被吹蝕而成拋物線狀，稱為拋物線狀沙丘。又因其像馬蹄形，故又稱為馬蹄丘。 五、星狀丘:風向不定，沙丘及向各方向延伸的沙丘，較為罕見。 肆、沙丘的多面貌 除了形態變化，不同的沙礫組成也會使沙丘成為不同面貌，例如美國新墨西哥州白沙沙漠（White sand desert）就有由石膏沙礫組成的雪白色石膏沙丘，遠望如一片白雪，十分罕見。亞利桑那州有由古老的紅色沙岩風化後，紅色沙粒組成的紅色沙丘。近年各國在地球的鄰居火星探勘，也發現多沙塵暴的火星也有許多不同樣貌的沙丘。如此看來，「一沙一世界」更可擴及適用於其他星球上。 圖23. 敦煌的新月丘 圖24. 敦煌的橫沙丘 圖25. 沙漠中的橫沙丘像大海中的波浪，下方白色部分為鹽灘 圖26. 敦煌高大的縱沙丘 圖27. 美國新墨西哥州白沙沙漠（White sand desert）由石膏沙礫組成的沙丘 圖28. 美國亞利桑那州的紅色沙丘 圖29. 火星的新月丘（取材自NASA） 許民陽 臺北市立大學地球環境暨生物資源學系 榮譽教授

2021重磅天象談星事

文/林琦峯 前言 2020年6月21日的「日環食」，堪稱是近年來臺灣可見最夯的世界級天象，此次環食帶涵蓋了臺灣本島及外島，引起全臺追星熱潮，臺北天文館在YouTube頻道進行日環食直播（嘉義北香湖公園），線上觀賞更突破百萬人次，去年看過日環食的星友們肯定難忘。而2021年臺灣可見的重要天象依然精彩，包含一次月全食、一次月偏食及兩場觀測條件極佳的流星雨（英仙座流星雨與雙子座流星雨），都是追星族不可錯過的天象，其中5月26日發生的月全食更是今年重磅等級的天象，你有看到那古銅色的紅月亮嗎？ 圖1. 2020年日環食 圖2. 2020針孔成像觀測日食，觀測太陽要非常注意安全，以針孔成象方式觀測最安全，星友們下次可以試試看。 壹、月全食報導 2021年5月26日臺灣可見月食，本次為月全食且逢今年最大滿月（最小滿月將於12月19日發生），如果錯過這次，下一次想再看到這又大又紅的月全食，可要等到2033年10 月8日。 天象觀測首先要注意的就是天氣狀況，事先瞭解天氣狀況，有助於觀星地點的選擇。臺灣在24及25日連續兩天受鋒面影響，直到26日下午鋒面東移，果真當天晚上雲就慢慢飄散，相信全臺灣各地追星族，都有觀測到古銅色的紅月亮。本次月全食為月出帶食，也就是月亮從東邊昇起的時候，月食就已經開始，所以觀測地點需找尋東邊無遮蔽物的環境為佳。天象預報當晚月亮約18時31分東昇，筆者所在的觀測地點，東邊面臨海拔約150公尺的劍潭山，山雖然不高但距離近，透過手掌測量法得知，其仰角大約有5度，所以估計月亮出現於劍潭山頭的時間比預定約晚20分鐘。但是當晚東邊天空還有雲層未完全散開，在等待月亮露臉的過程中，筆者使用手機的星空軟體（例如SkyView、星夜行等），透過星空的擴增實境（Augmented Reality，簡稱AR）功能，在真實的環境中模擬月亮的相對位置，方便掌握觀測進度。 圖3. 手掌測量法 圖4. SkyView月亮位置擴增實境 圖5. 手機拍攝月食照片，下回月食時大家也可以拿起手機試一試！ 記得當晚第一眼看到古銅色紅月亮的時間為19時25分，其實已經錯過食既（19時09分）及食甚（19時18分）等階段。本次月全食，月亮沿著地球本影的北緣移動，當時所見月亮的北緣已經有些亮光，當月亮經過生光（19時28分）階段後，其北緣的亮面也越來越大，可以感覺到月亮正在移出地影，直到復圓（20點52分）階段，月亮又恢復成圓圓的滿月狀態。最後半影月食階段，月面亮度的變化小，單用肉眼並不容易觀測，如果真的想觀測的話，建議可以透過拍照或錄影方式記錄。 圖6. 20200621月球影子變化，氣象局衛星雲圖 貳、日、月食大小事 在諸多天象中，日食與月食可算是最受矚目的天象，不只是因為從地球觀測太陽與月亮，它們在天空中的視直徑約0.5度的張角，遠比其他天體大很多，民眾容易觀測。另外，當日食與月食發生時，周邊環境的改變，也能吸引了人類或動物的注意。比如說日食發生時，環境溫度及天光亮度，都會產生變化，就以2020年6月21日發生日環食的當下，太陽的星等變化差距將近4個星等。若以日全食來說，更會出現鳥獸歸巢、白晝如夜星星露出的狀況，此刻人們想不矚目當下昏天暗地的情境都難。人們對月食的矚目也不遑多讓，發生月食的時候，月亮從明亮的白玉盤變成古銅色的紅月亮，這種景象也是夠嚇人的。所以古代許多民族對於日、月如此奪目的天體消失，總是非常恐懼，都認為是個凶兆。就如發生在1275年6月25日的日食，日食帶正好經過南宋國都臨安，四年後南宋滅亡，而《宋史∙天文志》記載「德佑元年六月庚子朔，日食，既，星見，雞騖皆歸。明年，宋亡。」，文中記錄了此次日食的情境，包含日食發生的時間及環境變化之景象，更將南宋的滅亡共同記載於文中，不難看出撰寫的史官，對日食與南宋滅亡關係的看法。 介紹日、月食前一定要先說明「月相變化」，因為日、月食的發生，與太陽、地球及月亮相對位置的變化息息相關。在我們太陽系之中，只有太陽是自行發光發熱的恆星，看得見行星與月亮，是因為其反射太陽光線所致，當我們從遙遠的外太空，看著地月系統時，不管地球或月亮，都只有一半是亮的。 圖7. 20210526月食與地影 當月亮繞著地球轉一圈時，在地球上所觀測的月亮，會因為太陽、地球及月亮相對位置的改變，使得地球上的觀測者，看見月亮會有盈虧現象稱為「月相變化」。配合月相變化示意圖來看，當太陽與月亮在同一邊時，地球上的觀測者，只能看見月亮的暗面，也就是「朔」（新月，陰曆的初一）；圖中隨著月球繞地球逆時針移動時，太陽、地球及月亮形成一個銳角的相對位置時，地球上的觀測者，可以看見彎彎的月亮稱之為「眉月」；當太陽、地球及月亮形成一個直角時，地球上的觀測者，可以看見一個半圓的月亮稱為「上弦月」；當太陽、地球及月亮形成一個鈍角時，地球上的觀測者，可以看見凸凸的月亮稱之為「盈凸月」；當太陽、地球及月亮形成一個平角時，地球上的觀測者，可以看見一個圓圓的月亮稱為「望」（滿月，陰曆十五或十六）。之後，太陽、地球及月亮的相對位置角度慢慢變小，地球上的觀測者，所見月亮的明亮部分也逐漸減少，月相變化就會從望到「虧凸月」、「下弦月」、「殘月」，再回到下個月的「朔」，就這樣週而復始稱為「朔望月」，從朔到下一個朔大約需要29.53天。另外，月亮繞著地球轉的軌道為橢圓形，所以月亮離地球的距離是忽遠忽近。以今年5月26日的滿月來說，月亮在9時50分過近地點，地月距離約為35.7萬公里，最大滿月發生的時間在19時14分，此時的月亮視直徑約為33.5角分；12月18日月亮約10時15分過遠地點，地月距離約為40.6萬公里，隔日最小滿月發生時間在12時35分，視直徑僅有29.1角分，只達最大滿月的86.9%。月亮離地球的遠近也會影響日食的狀況，當月亮離地球遠一點時，月亮盤面較小無法完全遮住太陽，將發生日環食；反之，月亮離地球近一點時，月亮盤面較大可完全遮蔽太陽，即可發生日全食。 圖8. 月相變化示意圖（重編NASA圖檔） 從月相變化示意圖中看起來，每個月都可能發生日食或月食嗎？答案是日、月食不會每個月都能看到。主要的原因為地球繞太陽公轉的軌道（黃道）和月亮繞地球公轉的軌道（白道）有5度9分的夾角。因此在朔或望時，太陽、地球及月亮三者，並不一定會排成一直線。所以如果要發生日食或月食必須符合兩個條件，包含（1）必須在朔（日食）、望（月食）之時；（2）太陽與月亮兩者都要在黃道與白道焦點上。如此，太陽、月亮及地球才能真正排成一直線。 圖9. 黃道與白道交角示意圖，出處臺北天文館 圖10. 2009年02月09日半影月食秀。猜一猜元宵節拍的半影月食照片中，從月面漂過去的不明飛行物是什麼？ 此時月亮將會擋住太陽，而月亮的影子將投影在地球表面，位於月亮影子所經過的區域的人，都可以看見日食；相對的，當太陽、地球及月亮排成一直線時，月亮就可以進入地球的影子，此時就會發生月食，通常月亮是從地球影子的上方或下方經過，陽光可以照射整個月面，從地球看就是滿月。但很多人以為發生月全食時，就看不見月亮了，所以古人認為月食就是天狗把月亮吃了，真正看過月全食的人就知道，月亮是從白玉盤，一點一點的變成古銅色的紅月。這表示地球影子區存在古銅色（橘紅色）的光，主要因為太陽光中，長波長的紅色光穿透性強，所以紅色太陽光經地球大氣層折射至地球影子區，而短波長的藍色光，則被大氣層散射掉。此時月亮進入影子區時就會反射古銅色的光，導致月亮看起來成古銅色的。其原理跟夕陽及晚霞顏色偏橘紅色也有關係喔！ 圖11. 20070828月全食 圖12. 月全食紅月亮示意圖，出處臺北天文館 參、空中煙火秀 「有流星！ 快許願… 」這是很久很久以前鑽石廣告台詞，不知道何時開始，流星代表是喜悅，代表的是期待。古人發展占星術時，建立在天人感應的架構下，透過觀測天象變化建立自然與人、事、物之間的關聯，更可趨吉避凶。而星辰的運行連繫著人們的命運，一旦有星星殞落，就表示有不吉利的事會發生。《天文大象賦》寫道：『星隕如雨而周衰，彗長竟天而秦滅…』，文中不難發現，當時人們對那天外飛來的不速之客，充滿了負面的想法。其實流星並沒有什麼神秘的力量，流星主要由流星體，受到地球引力影響，高速墜落地球時，與地球大氣中分子劇烈碰撞及摩擦，在高壓及高溫下汽化，同時又使周圍的空氣分子成為帶電的離子，原子激發電離子後發出亮光，這就是流星現象。一般流星體，除了來自於太陽系中的塵埃外，也有可能是人造衛星及太空任務中掉落的物品，這類流星發生時間與方向不易預測，又稱偶發流星。另外，流星雨的流星體主要來源為彗星在汽化時，於軌道上遺留的塵埃與顆粒；或如雙子座流星雨的流星體，天文學家認為是源自於第3200號小行星法厄同（3200 Phaethon ）的大量碎片，當地球經過流星體分佈的區域時，大量流星體接踵的撞進大氣層，大量的發光現象就如下雨般，稱為流星雨。欣賞流星雨時，流星看似從一個點，往四面八方散出來，實際上它們是以平行的方式進入地球，只不過站在地面往上看時，會覺得遠方的平行直線好像交接成一個點，就好比我們看遠處的鐵軌一樣，而這個點就稱為流星雨的輻射點，流星雨的命名就是根據流星的輻射點所在位置的星座而定。大多數流星體並不大，所以在空中就會完全燃燒消失，少數較大的流星體燃燒不完而落在地上，就是「隕石」。 圖13. 流星體區域與地球軌道示意圖 圖14. 流星雨輻射點示意圖 肆、下半年重磅天象非看不可 1.8月13日極大的英仙座流星雨，每小時流星數量（ZHR）100顆，當天月齡5，觀測條件極佳，為今年最值得大家期待的流星雨。英仙座流星雨的活躍期為7月17日至8月24日間，極大期發生在8月13日，輻射點約在晚上22點東昇。提醒追星族，觀測流星雨時須找一處空曠光害少的地方，另外要注意的是，視野建議放在輻射點外圍的星座附近，而非輻射點所在星座位置。 2.11月19日月偏食，本次月偏食也是月出帶食，月亮從東邊昇起的時候，月食就已經開始，所以建議觀測地點需找尋東邊無遮蔽物的環境為佳。天象預報當晚月亮約17時03分東昇，幾乎同時可見古銅色紅月食甚（17時29分）階段，約18時47分月亮回復圓形。 3.12月14日極大的雙子座流星雨，每小時流星數量（ZHR）150顆，當天月齡10，下半夜不受月光影響，觀測條件較佳，而雙子座流星雨活耀期在12月4日至12月17日間，極大期發生在12月14日，輻射點約在晚上20點東昇。當然冬季野外觀星最痛苦，天寒地凍讓你不想出門，只想宅在家裡追流星，推薦你「臺北天文館YouTube頻道」的星空直播，你將可以一次擁有陽明山、福壽山、七美及馬祖的星空。 最後建議，規劃任何觀星行程時，相關天象預報資訊可以上網路天文館查詢。當然2021年如果像2020年一樣，又有大彗星半路殺出，也是一件讓人期待的事。 圖15. 臺北天文館YT頻道，不用上山也可以看見銀河，天文館在臺灣本島與離島，共設置四個遠距星空直播據點，全天候24小時直播；每個月更會推出「認識星空」星象解說，帶領大家遨遊星空。頻道中更包含專家演講、天象直播及科學新知影片。 圖16. 網路天文館，不出門也能居家學天文，掌握天象預報，獲取全世界天文新知，更能網遊天文館展示場的一百多項展品，快點上網試試。 林琦峯 臺北市立天文科學教育館副研究員

臺灣火山的活動等級與預警機制

文/蕭乃祺 前言 臺灣位於環太平洋火環帶上，主要火山群位於北部的大屯山系與宜蘭外海的龜山島。根據史料記載，大屯火山群在人類歷史期間並無任何噴發紀錄，另原先的地質調查，亦認為最近一次噴發約在一、二十萬年前，顯示該地區火山活動並不活躍。惟最近10餘年來，陸續有科學研究顯示無法完全排除大屯火山群未來仍會噴發的可能性。首先10年前左右有研究報告指出（Belousov et al., 2010），大屯火山最近一次蒸氣式的噴發可能距今只有6000 年（圖1），依據經驗法則「噴發時間」對於活火山的定義，1 萬年內有噴發紀錄的火山就可考慮為活火山。因此在2010 年中央地質調查所（以下簡稱地調所）舉辦的「大屯火山群火山活動性及活火山芻議」專家學者諮詢討論會，結論將大屯火山群歸類為「休眠的活火山」。 圖1. 學者使用碳14定年方法，針對大屯火山崩積的火山灰進行研究，發現最近一次蒸氣式噴發的時間可能發生在6000年前（圖片來源：Belousov et al., 2010）。 後續有學者分析大屯山地區地震站所記錄的地震資料（Lin, 2016），發現該地區的震波紀錄存在Ｓ波陰影與Ｐ波緩達的現象，推論臺灣北部地殼內部可能存在岩漿庫，而根據「存在岩漿庫」的現象法則，亦可佐證大屯山就是一個活火山。另外分析龜山島附近地震站的資料（Lin et al., 2018），同樣發現地震Ｓ波陰影與強烈反射的現象，依據Ｓ波無法穿透液態岩漿庫的特性，推論龜山島的中部地殼應該也存在岩漿庫。最終地調所根據相關的研究成果，於2019年9月24日召開火山活動專家諮詢會議，結論進一步確立大屯山與龜山島為活火山（中央地質調查所，2020）。 有鑑於火山可能存在的威脅，內政部於2018年6月8日訂定「火山災害防救業務計畫」（內政部，2020），對於火山災害減災、整備應變及復原重建工作進行通盤的規範與明確的分工，期能建立臺灣完整的火山災害防治機制。配合該業務計畫的實施，中央氣象局（以下簡稱氣象局）經過資料蒐集與邀請專家學者充分討論後，建立臺灣的火山活動等級與預警發布機制，並於2020年9月14日訂定「火山噴發訊息發布作業要點」（中央氣象局，2020），正式規範我國火山噴發訊息的發布作業。 壹、火山活動等級 世界上明顯存在火山爆發風險的國家，因火山警戒、管制與避難需求，通常會制定適合自己國家的火山活動等級。例如美國地質調查所（U.S. Geological Survey, USGS）依據火山活動現象與噴發情形，將美國的火山活動等級分為火山活動呈現一般背景活動的正常（Normal）、高於背景活動的公告（Advisory）、火山可能噴發但無法確認時間的警戒（Watch）以及火山即將噴發或正在進行中的警報（Warning）等4級（圖2），同時為飛航安全並設計燈號標示對航空活動的影響。另外日本氣象廳（Japan Meteorological Agency, JMA）更完整將日本境內的火山，分類為已導入火山警戒等級、尚未導入火山警戒等級與海底火山等，並分別設計不同的活動與警戒等級。其中針對導入火山警戒分級的火山，根據火山威脅的情況，分為預測（Forecast）、警報（Warning）、緊急警報（Emergency Warning）3個訊息分類與5個反應等級（圖3），規範有關警戒與管制的作為。 圖2. 美國的火山活動警戒分級（圖片摘錄自美國地質調查所USGS網站）。 圖3. 日本火山活動分級的宣導圖卡（圖片來源：日本氣象廳JMA網站）。 經參考日本、美國、菲律賓、印尼、紐西蘭等國的火山活動等級，以及國內專家學者的意見後，氣象局考量臺灣目前並沒有任何火山噴發的經驗可供驗證，而為使後續配套的應變機制可實際運作，因此現階段將火山活動等級精簡劃定為0至2級，共3等級（表1），警戒的程度分別代表正常、注意與警報。區分不同等級主要依據科學儀器所觀測到的火山活動現象，其係指與火山活動相關連之現象的變化情形，例如地震活動、地殼變形及地溫變化等。 根據火山活動等級，一般非噴發期間，火山活動與長期背景的特徵相近時屬於0級，代表火山活動為正常的狀態。當透過儀器觀測發現一些火山活動現象與長期背景特徵存在顯著差異，並評估有火山災害發生之虞時，則火山活動提升為1級，需特別注意。當發現火山已有噴發或諸多現象之特徵，並經評估顯示火山在短期內有可能噴發致災，須採取預防等應變事宜時，則活動提升為最高等級2級，需立即發布火山噴發訊息。 表1. 我國新制訂的火山活動等級表（修改自「交通部中央氣象局火山噴發訊息發布作業要點」，2020）。 註：火山活動現象係指與火山活動相關連之現象，如地震活動、地殼變形及地溫變化等。 貳、預警發布機制 配合火山活動等級，火山預警發布機制如表2，其對應的程序流程圖如圖4。根據氣象局的規劃，火山活動等級的判定與噴發訊息的發布，主要透過與國內其他火山觀測單位的討論，以及跨單位、跨領域相關專家與學者組成任務小組開會決議的方式進行。成立的任務小組包括「火山專家諮詢小組」與「火山工作小組」，規劃召開的討論會議則有「火山活動等級研判會議」與「火山專家諮詢小組會議」。 表2. 我國新制定的火山預警發布機制（修改自「交通部中央氣象局火山噴發訊息發布作業要點」，2020）。 註1：觀測現象泛指以科學方法，定量化的監測火山地區的各種與火山或非火山相關連之活動現象，例如地震活動、地殼變形監測及地溫變化等。 註2：火山活動現象係指與火山活動直接（相）關連之觀測現象，如地溫變化、岩漿以及與火山活動有直接相關之地震活動、地殼變形等。 「火山專家諮詢小組」由氣象局同仁、中央部會及地方政府代表、專家學者組成，其功能為提供火山活動等級研判及火山噴發訊息發布諮詢等。「火山工作小組」則是由氣象局同仁及局外專家組成，其任務為例行觀測資料的處理、分析與召開討論會議的聯繫工作等。會議部分，「火山活動等級研判會議」參加者主要為「火山專家諮詢小組」中的學者委員，會議討論的重點為評估觀測現象與火山活動現象的關連性及對應策略，以研判火山活動等級。「火山專家諮詢小組會議」則是所有「火山專家諮詢小組」的委員皆會被邀請參加，其目的為最終確認火山活動等級，並於會中研議火山噴發訊息發布事宜。 圖4. 我國新制訂的火山預警發布機制流程圖（圖片來源：中央氣象局，2020）。 氣象局會定期或不定期與國內火山觀測各作業單位、學研單位，就火山觀測資料進行交流，當發現觀測現象異於火山長期的背景活動時，即會啟動火山預警發布機制（中央氣象局，2020）。有關發布機制的流程說明如下： 一、火山工作小組開會討論觀測資料，評估是否需要召開火山活動等級研判會議，並加強現象觀測及資料分析。當觀測現象與火山長期背景活動存在顯著差異，氣象局將召開火山活動等級研判會議，評估觀測現象與火山活動現象的關連性及對應策略，以研判火山活動等級。當火山活動等級研判為0級，維持加強火山活動監測，並依後續監測結果評估是否召開火山活動等級研判會議，或結束發布機制。 二、當火山活動等級研判為1級，評估有火山災害發生之虞，氣象局持續加強火山活動監測及召開火山活動等級研判會議，並依後續監測結果更新火山活動等級。同時視需要召開火山專家諮詢小組會議確認後，適時對外揭露相關資訊。 三、當火山活動等級研判為2級，火山已有噴發或評估火山即將噴發，氣象局將召開火山專家諮詢小組會議確認火山活動等級，並研議火山噴發訊息發布事宜，氣象局依決議辦理火山噴發訊息的發布及通報。 四、火山噴發訊息發布後，氣象局持續火山活動監測與召開火山專家諮詢小組會議，以研判及確認火山活動等級，適時更新火山活動監測及噴發訊息。 五、若火山噴發威脅解除或降低，氣象局依決議辦理解除火山噴發訊息的發布及通報，結束火山預警發布機制。 火山噴發訊息將規劃多元的通報管道對外公布。防救災單位、部會機關、地方政府、新聞傳播機構等相關單位可以透過傳真及簡訊方式主動獲得相關資訊，訊息同時亦會公告於氣象局中、英文網站，供民眾與各界查閱。另外當火山活動等級提升至2級，噴發訊息也會使用災防告警細胞廣播系統（Public Warning System, PWS）發布，告警區域的民眾可以透過手機迅速獲得預警資訊。 參、活動現象觀測 活動等級的研判與預警機制的啟動，主要參考科學儀器所觀測的火山活動現象。火山噴發前地底下的岩漿物質會逐漸靠近地表，造成地震數量增多，溫泉或氣體的溫度也會上升或成分改變，部分地區在火山噴發前還可能發生地表拱起的現象。近年來我國政府與研究單位在火山地區建置高密度的觀測儀器，包括中央研究院在科技部計畫的支持下，設置了大屯火山觀測站（Taiwan Volcano Observatory at Tatun, TVO），地調所亦投入大量心力，常態性利用地震活動、溫泉水質、火山氣體以及地表變形等方法監測大屯火山活動狀態。而目前氣象局主要針對地震活動與地表變形等2種現象，進行嚴密的觀測與分析。 對於地震活動，氣象局藉由TVO所提供大屯山地區的地震站即時資料，以及自己局內的地震站，組成一個小區域的地震網進行觀測。根據2012 年至今的觀測結果（圖5），大屯山的地震活動多集中在大油坑與七星山地區，深度淺於5 公里。大部分時期地震的日個數大約是3至5個，但若遇到特殊地震序列發生時，個數可能會快速增加至數百，甚至近千筆，被認為與地下火山氣體或流體的流動有關（蒲新杰，2020）。分析近年來幾個群震活動，氣象局目前將地震活動異常的門檻值設定為5日地震累積的個數達500個，同時為方便監測，內部建置展示平台監控大屯火山每日地震個數的變化（圖6）。 圖5. 大屯火山地區地震活動的分布圖，資料統計時間從2012年1月至2020年9月。不同大小、形狀與顏色記號對應不同地震規模的地震，紅色倒三角標記大油坑的位置，黑色正三角標記地震站的位置，紅色實線是山腳斷層地表出露位置（圖片來源：蒲新杰，2020）。 圖6. 氣象局內部統計大屯火山地區每日地震個數的展示界面，橘色曲線為系統自動觸發的地震檔案個數，藍色柱狀圖則是經過人工處理後確認屬於地震的個數（圖片來源：中央氣象局）。 當岩漿往上湧升或熱水系統壓力增加時，地殼常會膨脹隆起，造成地表產生明顯變形，而這些變化可以透過全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）精密的測量結果發現。氣象局使用大屯山GNSS測站資料，計算2個測站間基線，包括南北向、東西向、垂直向與基線方向長度的變化，透過關係式加入線性、週期性、不連續位置偏移量、震後效應等影響，進行長期資料的模型擬合，可以推估近期基線理論的變化趨勢（圖7）。最後將近期基線長度變化的觀測值與理論值相減後，其殘差值就可以用來判斷火山地區是否發生異常變形。現階段針對大屯山的背景變形，以及參考國外相關文獻設定地表異常變形門檻值，先設定其殘差值的速率每年3.5公分為門檻值，未來可在分析更多資料後滾動式調整（圖8）。 另外其他重要的火山觀測現象，包括火山氣體、地表溫度等，未來也可以規劃逐漸擴充這些項目，對於火山活動等級的評估提供更多參考資訊。 圖7. 竹子湖(ZUZH)至鞍部(ANBU)的GNSS基線趨勢圖，由上至下包括南北向、東西向、基線方向、垂直向長度的變化。藍色圓圈和粉紅色曲線為長期背景的觀測和模型擬合值，紅色圓圈和綠色曲線則是近期監測的觀測和模型預估值（圖片由中央氣象局黃郁婷提供）。 圖8. 竹子湖至鞍部基線長度變化的觀測值與擬合模型預估值的殘差圖，黃色區間範圍為近期監測期間殘差值的變化趨勢（圖片由中央氣象局黃郁婷提供）。 肆、結語 相較於日本、菲律賓的活火山，臺灣的火山活動並不活耀，大範圍噴發的機率也非常低，不過既已歸屬為活火山，就不能排除噴發的可能性。加上大屯山位於臺北盆地北方的陽明山國家公園內，距離大臺北都會區僅一、二十公里，基於災害風險管理，火山的活動亦是我國需要重視的防災課題。 氣象局目前已經建立臺灣火山的活動等級與預警機制，對於火山災害的預防與整備，邁出第一步。同時地調所也開始進行臺灣北部火山災害潛勢的相關研究，將逐年公布火山災害潛勢圖資（中央地質調查所，2020）。另外位於火山災害潛勢區的地方政府，依據火山活動等級與預警發布機制，以及火山災害潛勢圖資，將可以規劃警戒管制、疏散撤離、收容安置等整備工作，進一步保障民眾生命財產安全。 參考資料 內政部，2020：火山災害防救業務計畫，共61頁。 中央氣象局，2020：交通部中央氣象局火山噴發訊息發布作業要點，共6頁。 中央地質調查所，2020：沉睡一萬年? 政府每日緊盯活火山動態 為民眾安全把關，經濟部新聞稿，共3頁。 蒲新杰，2020：火山地震監測系統介紹及資料分析，交通部中央氣象局自行研究發展計畫成果報告，第CWB 109-1A-12號，共21頁。 Belousov, A., M. Belousova, C. H. Chen, and G. F. Zellmer (2010). Deposits character and timing of recent eruptions and gravitational collapses in Tatun Volcanic Group, Northern Taiwan: Hazard-related issues, J. Volcanol. Geotherm. Res. 191, 205-221. Lin, C. H. (2016). Evidence for a magma reservoir beneath the Taipei metropolis of Taiwan from both S-wave shadows and P-wave delays, Scientific Reports 6, 39500. Lin, C. H., Y. C. Lai, M. H. Shih, H. C. Pu, and S. J. Lee (2018). Seismic Detection of a Magma Reservoir beneath Turtle Island of Taiwan by S-Wave Shadows and Reflections, Scientific Reports 8, 16401. 蕭乃祺 中央氣象局地震測報中心副主任

微觀物質構成的桃園市草漯沙丘地質公園

文/許民陽 壹、草漯沙丘地質公園的形成 在沙漠或海岸等風力強大，地表裸露或缺乏植被的地區，風經常是搬運沈積物最重要的營力，若地表有豐富的沙粒來源，風經常用滾動、跳動（跳躍）或懸浮（沙塵暴）等方式搬運沙粒，迨風力減弱或遭遇障礙物阻擋，就地堆積成沙丘。 桃園市西北海岸有南崁溪、埔心溪、新街溪、老街溪、富林溪、大堀溪等河川注入，帶來豐富的漂沙，漂沙注入臺灣海峽後，隨海岸沿岸流及潮汐帶來的漲退潮移動漂送，在海岸海底地勢較平緩地區堆積成沙灘。退潮時廣闊的沙灘受強風吹襲及日曬後逐漸脫水，表層變得乾鬆，被沿海空曠地區強大的風力吹送即成為在地表懸浮吹送的風吹沙。本段海岸的走向為東北東，與秋冬季及春季盛行的東北風斜交，每年九月至隔年五月間東北風呈向陸吹送的風，這些風吹沙即受到風力的吹送，在海灘內側，因地勢較高，遇到植物或地物等障礙物，風力即削減，沙粒即堆積成平行海岸的沙丘，分布範圍北自與新北市交界的蘆竹鄉海湖附近，南抵與新竹縣交界的蚵殼港均有海岸沙丘的分布。 這些沿海的沙丘群中，以位於大園區老街溪口（許厝港）至觀音區大堀溪口海岸間的草漯沙丘最高大寬廣，平均拔高可達10-20公尺，最寬的活動沙丘部份可達150公尺左右，若不管上方經常築有格狀竹編的防沙籬，冬日東北季風強大時，經常風沙飛揚，為臺灣海岸中沙丘保持最寬廣而完整者享有「台版撒哈拉沙漠」的美稱，因此2013年被「臺灣環境資訊協會」執行的「臺灣海岸守護計畫」遴選為臺灣九處最值得守護，也最美的海岸之一。 圖1. 桃園沿海水系分布圖，資料來源：行政院農委會(1989) 臺灣地區河川流 由上述可知，本市的草漯沙丘為臺灣環島海岸沙丘最典型者，在2014年縣府委託台北市立大學地球環境暨生物資源學系許民陽教授做地質、地形與生態調查後，市府於2018年依「文化資產保存法」，完成草漯沙丘列冊評估追，並循程序送交「桃園市自然地景及自然紀念物審議委員會」審議，在2020年6 月正式公告指定草漯沙丘為桃園市首座地質公園，為全國第三個地方級地質公園，也是全國第一座以沙丘為特色的地質公園。 圖2.由空中看老街溪口南側沿海的漂沙，退潮後的沙灘，草漯沙丘北段防風林及風力發電站 貳、草漯沙丘地質公園在哪裡 草漯沙丘地質公園位桃園市西北海岸，北起大園區老街溪口，南至觀音區大堀溪口，長約8.1公里，面積約4平方公里。「草漯」地名原意為因位於沙丘背後，受沙丘阻擋，形成積水低窪泥濘、長草之地。行政上歸屬大園區及觀音區（圖4）。西部濱海快速公路（61號公路）即通過其南側。若要深入本研究區踏查可由上述61號公路或由臺15號公路轉桃30公路(潮音北路)進入，經過潮音派出所後，約200公尺，公路右側即可看到「草漯沙丘地質公園及潮音海步道」的標示，及一棟保存良好的「石門水庫移民新村」的傳統磚造民房，沿步道前行，民房前方有兩棵樹幹粗大的黃槿，為民房已過世的老主人民國47年遷移至此時所種植，蒼老龜裂的樹皮說明了滄傷的歲月。再繞過民房左側，就進入被稱為「龍貓隧道」的黃槿隧(步)到，約百餘餘公尺後出了步道，赫然出現台電公司高大的風力發電站，登上沙丘觀景台，後方為一片翠綠密集的防風林，前方為沙丘及沙質海岸，在碧海藍天映襯下，令人心胸開展，了卻凡俗。 圖3. 位大園區潮音北路的地質公園標示及潮音海觀景步道入口 圖4.黃槿隧道 圖5. 草漯沙丘及沙質海岸，在碧海藍天映襯下，令人心胸開展，了卻凡俗 草漯丘地質公園大致上可分為三區： 一、核心區 核心區位於北港垃圾掩埋場及保障垃圾掩埋場之間，此區為規模較大之連續 沙丘，且上方無設置風力發電機，能呈現較完整無破壞的沙丘面貌，但因為進入 此區需經過兩處垃圾掩埋場或是從北側海岸邊進入，南側與動植物檢疫中心相 隔，此區沙丘高差較大，潛在危險性較高，一般民眾亦不適合經由兩處垃圾掩埋 場道路進入，因此建議此段沙丘設為核心區，如有學術研究、環境教育或其他目 的需進入此區域，須向主管機關申請報備，此區域因現況進入途徑較為不便，周 邊居民亦少前往此區活動，管制上較不會限縮當地居民之使用權利，本區面積約為 18 公頃。 圖6. 核心區沙丘最高大，最高可達20公尺，沒有裝置風力發電站，沙丘保持最完整 二、復育區 復育區主要針對地質或環境資源受到潛在污染物破壞需逐步復育及監控之區 域劃設。兩處復育區範圍為保障垃圾掩埋場場址及北港垃圾掩埋場場址範圍及其 外圍污染管控設施之範圍，並且考量通行的便利性，排除沙灘區域。北港掩埋場 復育區面積約為 7公頃，保障掩埋場復育區面積約為15公頃（含保障掩埋場預定新租賃土地），合計面積約為22公頃。復育區以監控污染物及逐步清理及復 育環境為主要目標，污染物對民眾有潛在危險，因此於分區邊界及道路上設置實 體管制點及管制設施，並設置必要的污染控管設施。復育作業由桃園市環境保護 局一般廢棄物管理科辦理，預計於2019年開始執行，並於 2027 年時結束。未來如果污染物移除，資源獲得恢復，可逐步對外開放，轉為一般區使用。復育期間可將此過程與環境變化提供做學術研究，並記錄作為環境教育之用。 三、一般區 草漯沙丘地質公園範圍內扣除核心區及復育區之其他區域為地質公園之一般 區，面積約為 244 公頃，以永續經營地質景觀資源為目標，除提供團體遊憩使 用，也適合散客與建議路線自導式遊覽，環境教育及遊憩設施可集中於入口處， 但仍應減量或與現存設施（風力發電機維修道路、風力發電機基座）合併使用， 並降低視覺景觀與環境之衝突，建議管理以正面表列方式列出地質公園禁止之活 動及事項，於接近復育區之便道設置告示牌，告知遊客位置及提醒勿闖管制的復育區。 參、草漯沙丘的地質 根據中央地質調查所出版的大園圖幅，草漯沙丘的基盤應為以黏土及礫石堆積層為主的桃園層，其上再堆積河川沖積層，最後再覆以古沙丘及現代沙丘堆積（圖7）。 圖7. 草漯沙丘地質圖 資料來源：中央地質調查所大園圖幅改繪 至於砂丘的地質垂直剖面，陳培源(1953)曾對桃園海岸沙丘一帶的鑽探資料加以分析，發現新期海濱堆積層（砂丘層）的底部常有一層厚數十公分的珊瑚層，再下即為黄褐色沙質黏土與礫石層（桃園層）。林朝棨(1957)附有桃園觀音及崁頭厝的附近海灘探井剖面,顯示海平面2-3公尺以下即為臺紅土礫層，上覆珊瑚層(Coralline bed)，其他再堆積新期海濱砂層。許民陽、張智原(2007)也發現大園區內海村及觀音區草漯海岸，紅土礫石層最上部與沙丘堆積層中有一層珊瑚礁及藻礁堆積層，在沿海沙丘內陸側開挖魚塭的底部都可看到。經採集魚塭底部的礁層做C-14定年，其年代分別為距今4750±40年及6180±40年(表1)。 表1.草漯內陸側沙丘底部珊瑚礁C-14 定年資料 採樣：許民陽 碳-14定年：臺大地質系C-14定年實驗室 資料來源：許民陽、張智原(2007) 圖8. 草漯沙丘外海的寬廣藻礁 由此可知沿海的新期沙丘層堆積應為最近一次冰河期結束後，6000-7000前海水面最高時期海水面比現在高2-3公尺的海進時，先在沿海堆積珊瑚礁及藻礁層，隨後的海退再在礁層上堆積現沙丘層，因此這些較近海的活動沙丘應為6000至7000年以來堆積的產物。 肆、沙丘的地形 一、活動沙丘：沙丘缺乏植物覆蓋，或鬆散未固結的砂粒所形成的沙丘，常因風力的吹送不斷地改變形狀，這種沙丘稱為活動沙丘。 二、固化（定）沙丘：有些沙丘逐漸有植物著生，或人為在上方種植耐乾、耐風的植物，或者沙丘中的膠結物將砂粒膠結，使砂粒不再移動，稱為固化沙丘。 圖9. 活動沙丘(右側)及固化沙丘(左側) 三、沙丘的型態與層理之美 草漯沙丘大致上可分為下列的形態： （一）條狀丘 沙丘的最高稜線大致維持同樣的高度。草漯沙丘範圍內，大致條狀丘占所有長度的百分之八十左右。 圖10. 條狀丘 （二）櫛齒狀丘 以草漯海濱最為典型，沙丘向內陸突出一大片較平坦，內緣有呈鋸狀的小沙脊，可能是北側小河出口的地勢較低，形成口袋效應，使東北風大量灌入，堆積而成。 圖11. 櫛齒狀丘 （三）複合丘 新舊沙丘並列重疊，內側沙丘已因防風林固沙而成穩定的固化沙丘，外列仍為臨海的活動沙丘，高度較大，兩者中間以凹谷而相連，以草漯沙丘的中段為典型。此種沙丘通常十分寬廣，可寬達200公尺左右。 （四）臺狀沙丘沙丘寬廣，頂部大致平坦，起伏較小，以草漯沙丘北段約2.1公里處，即觀音區垃圾場東側約200公尺處的活動沙丘最典型，寬約一百公尺。 圖12. 台狀沙丘 草漯沙丘為臺灣海岸的沙丘中形態及保存最完整者，其柔和的沙脊，多變化的形態，海岸風向常有變化，這些型態的沙丘被風吹蝕後，常露出美麗的交錯堆積層理，桃園海岸含有黑色磁鐵礦等重砂，沙丘堆積層也常看到黑色含磁鐵礦砂的紋層，沙丘表面也會形成與風向垂直的沙漣。這些瞬時變化的地形地質特性，具有地景欣賞中的造形美、線條美、動態美及稀有美等特質，成為地質旅遊中的重要資源。 圖13. 沙丘的交錯層裡 肆、草漯沙丘地景的價值 一、保護海岸的功能 以臺灣的海岸環境觀之，海岸沙丘包括草漯沙丘為海岸的第一道防線，與海岸平行，有時數列分布，可以阻擋海岸快速被侵蝕。除了最外側的活動沙丘 ，內側沙丘經常有防風林生長，加上沙丘地形的凸起，可以保護海岸內側的陸地不致被飽含氯離子及鈉離子的海風直接吹襲及侵蝕，保護沿海的農作物及房舍。 二、地景教育的價值 沙丘通常為乾燥地區，例如沙漠氣候最常看到的風積地形，在海岸地區並不十分常見，其發育過程與沈積物的（沙粒）供應的多寡，地面的裸露狀態、風力的大小和風向的持續性或變化性有密切的關係，可說是涉及岩圈、水圈和氣圈交互作用的產物。草漯沙丘為本省海岸沙丘中形態最完整者，可以做為地形學或地質學風成作用的最佳教學地點，教導學生形成沙丘的營力、堆積物質與形態變化間的動態關係。 三、地景欣賞及保育的價值 草漯沙丘為臺灣海岸的沙丘中形態及保存較完整者，其柔和的沙脊，多變化的形態，表面常有的沙漣，複雜的交錯層理，瞬時變化的造形，具有地景欣賞中的造形美、線條美、動態美及稀有美等特性，值得欣賞保育。 四、生態教育的價值 海岸沙丘區長期處於缺水、強風、多鹽及日夜溫差大的氣候下，生態環境異於內陸環境，僅有少數耐旱抗鹽的海濱植物如馬鞍藤、蔓荊（海埔姜）、林投、草海桐、木麻黄、黄槿、番杏等，能夠在此生長。這些沙丘植物為適應惡劣的生存環境，發展出特有的生存機制： （一）匍匐生長：將本身的莖與葉儘量貼近地面，以避免強風及鹽害。 （二）不定根的延伸：在呀的節上長出不定根，除可固定植物本身，亦可增加根部水份及養份的吸收。 （三）莖葉特化：莖葉肥厚，葉被臘質、絨毛，或特化成細針狀，可避免水份的過度蒸散。 （四）隱莖藏根：除了根深植於地下外，將莖也埋藏於沙層之下，以避免強風及鹽害。 這些功能獨特的植物構成了沙丘生態系，活動沙丘內側的防風林及草本植物生長區就是呈現最佳沙丘生態系的天然教室，可供戶外教學使用。 圖14.高大的海岸沙丘為海岸的第一道防線 圖15.沙丘有柔和的外形，具有線條與造成之美 圖16.沙丘有多變化的層理 圖17.沙丘表面有美麗的沙漣 圖18.番杏葉面有絨毛，常生長在沙丘背風側 圖19.沙丘背後的防風林成為一個生態系，圖中為黄槿及草海桐 圖20.白水木為沙丘防風中常見的耐旱、耐鹽、耐風植物 圖21.蔓荊有匍匐生長的莖，夏季開美麗花朵 圖22.林投也是沙丘常見的防風植物 圖23.草海桐葉子表面具臘質 伍、沙丘的環境問題與保育 臺灣由於幅員狹小，海岸地區土地經常開發利用，草漯沙丘旁大片的大園及觀音工業區即為一例，草漯沙丘的景點難免受到威脅甚至破壞，主要可見的威脅及破壞有四大類。 一、風力發電的開發與建置 臺灣地區自產能源缺乏，綠色能源成為近幾年積極發展的項目，風力發電即為選擇之一，由於西北沿海的風能具有高度的潛能，年平均風力達9.53 m/s，最大風速可達45.9 m/s，具有裝設風力發電站的良好風場，因此臺灣電力公司即在沙丘的頂部開闢道路，在草漯沙丘區共裝設了21座風力發電站，在許多處為了開闢風機維修道路，在沙丘頂部剷平沙丘，回填硬的舖面，當然也破壞了沙丘的地形。 二、垃圾場的開闢 觀音區在草漯沙丘的最高最寬處，開闢出北港及保障垃圾掩埋場，除了掩埋外，另外多處露天堆放的垃圾，廢棄的車輛及用大型塑膠箱裝置的有毒廢液，造成景觀及環境的極大破壞。目前北港垃圾場已暫停掩埋，並作為桃園市巨大廢棄物暫置場址。保障垃圾掩埋場的問題較棘手，目前仍需 做為民生垃圾於焚化處理前之轉運暫置使 用，俟觀音生質能中心於 110 年底正式 運轉後，才可望獲得改善。 圖24. 草漯沙丘復育區被開闢為北港垃圾場 三、廢棄物及垃圾 大堀溪北岸又許多長形管狀工業廢棄物，防風林內也有一些被廢棄置的建築或家庭、家具廢棄物。隨著海流漂送及河川帶入海的垃圾也常散布海岸及吹送至沙丘上。 四、工廠設置及污水排放 草漯沙丘臨近大園及觀音工業區，沙丘邊緣工廠的設置及污水排放，不但破壞沙丘的完整性，視覺上的突兀，也使每一條穿過草漯沙丘的河川均被污染，如老街溪、富林溪、樹林溪、大堀溪等，呈現黄褐色至黑褐或紅褐色的色澤。 陸、近年的保育工作 除了規劃、成立為地質公園外，桃園市政府也積極透過生態工法，階段性推動草漯沙丘地質公園整體景觀營造，其能打造成結合地景保育、地景旅遊、環境教育、社區參予四大核心價值的地質公園。109年市府編列3700萬元預算，採自然工法，在草漯沙丘地質公園一般區打造兩條觀景步道，第1條位於大園區潮音北路的潮音海觀景步道，地底鋪上碎木削，整條步道相當原始自然，其中一段200公尺黃槿步道，宛如真實版的「龍貓隧道」，另一條是位在觀音區忠孝路的白沙屯步道，遊客可利用觀景步道親近沙丘美景，未來還將規劃連接許厝港濕地和草漯沙丘的自行車跨橋車道。 此外市政府也利用既有的「觀音濱海遊憩區遊客中心」，規劃為「草漯沙丘地景展示館」，已向環保署申請環境教育場域認證，輔導當地社區發展協會經營，藉由導覽人員解說、室內展示看板、視聽影音多媒體規劃，對遊客進行海岸沙丘環境教育，也可成為地景旅遊景點之一，預計110年9 月12日開幕。 參考文獻 石再添、張瑞津、張政、林雪美、連偵欽(1993)，臺灣西部海岸沙丘的地形學研究，臺灣師範大學地理研究所，地理研究報告。 行政院農業委員會(1989)，臺灣地區河川流域圖。 林俊全(2020)，109年度桃園海岸現地管理及評估計畫期中報告，桃園市政府海岸管理工程處。 林朝棨(1957)，臺灣地形，臺灣省通志稿，卷一，地理篇，臺灣省文獻委員會，381-383。 陳培源(1953)，臺灣西部之重砂礦床。臺灣省地質調查所彙刊，no.4。 許民陽(1993)，桃園縣的地形與地質景觀，桃園縣政府教育局，自然科學鄉土教材叢書（一）。 許民陽、張智原(2007)，臺灣西北海岸後退之研究，淡水河口至頭前溪口段，中國地理學會會刊，no. 38，1~22。 許民陽(2010)，大園鄉志續篇（二），第二篇地理，第一章地形、第二章地質，104-129，大園鄉公所。 許民陽(2013)，臺灣西北海岸的藻礁，地質，31(1)：64-73。 許民陽(2020)，台版撒哈拉¬¬--草漯沙丘地質公園，地質公園學會年刊 許民陽 臺北市立大學地球環境暨生物資源學系榮譽教授

石化石說玩化石

文/李弘善 臺灣居然有鱷魚化石，想都想不到！還好現在本土鱷魚已經絕種，大家不用害怕 ──六年級石同學 前言 「臺灣有化石嗎？」「除了地球，其他星球有化石嗎？」「沒有骨頭的章魚、蛞蝓，可不可以形成化石？」「人類的化石，為什麼很貴重？」 學生們還沒看到化石，腦袋已經裝滿許多問號了（圖1）！在小學教科書中，與化石最有關聯的科目就是自然與生活科技了；但是從小三到小六的自然課本，也只有一個提到「岩石與礦物」的單元，稍微提到化石。除此之外，制式課程內幾乎沒有化石的蹤影。臺灣位於兩個板塊交界，因為板塊間的推擠作用，將歐亞板塊沉積於海床的地層抬升，島上有豐富的海相化石，不靠海的南投山區，甚至可以找到巨齒鯊、鸚鵡螺、翁戎螺化石；又因為冰河活動、海平面變化的關係，澎湖海溝裡有象、水牛以及鹿等陸地動物的化石（圖2）。除此之外，臺灣陸地上更有現今已滅絕的犀牛、老虎甚至鱷魚等生物的化石。這樣看來，臺灣的化石種類可說多變而豐富，是教學的好教材。以下僅就筆者在新北市山區教育現場的實務經驗，分享化石教學的點點滴滴。 圖1. 小朋友面對化石，總是有各種想法 圖2. 澎湖海溝撈起的水牛骨骼化石 教學理念 人類可以變成化石嗎？ ──五年級華同學 根據「十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域」，教師應當激發學生的好奇心，並且引導主動探索與實驗操作，最後讓學生具備探索實作與科學論證溝通能力。古生物變成化石的過程，歷經的地質、氣候與化學變化，有許多想像與解釋的空間，相當適合當作科學論證的教材。此外，「明星化石」物種，例如暴龍、長毛象、三葉蟲等等，因為動畫以及科普書籍、繪本的關係，讓許多學生深深著迷，很容易激發好奇心與主動探究的熱情。這樣看來，冰冷的化石若透過良好的課程設計，可以達到上述課綱的目標。 有鑑於此，筆者以化石當教材，透過實際觀察、觸摸、實驗等實作，引導學生完成簡單的科學論證並記錄論證內容。筆者在教學過程，也在教室角落布置「化石學習角」（圖3），除了化石標本外，也提供放大鏡、顯微鏡讓學生動手操作。為了補充制式教材的不足，學習角也擺放大量圖書讓學生查閱（圖4）。筆者先讓學生有了先備知識，再請他們到展館參觀大型化石並當場素描記錄。應屆畢業生則利用畢旅的機會，到台中大甲溪採集化石，為整個教學過程畫下美好的句點。 圖3. 班級化石學習角落 圖4. 化石角落還提供放大鏡與書籍讓學生運用 教學設計 原來矽化木和現生木頭的成分是不一樣的 ──五年級李同學 參與化石課程的學生，從二年級到六年級都有，教學者則包括筆者與一位化石專家。因為低年級學生學習特質的關係，以五官感覺為主要探索方式，只要求簡單描述即可；六年級學生則要繳交作文。教學過程包括以下形式： 觀察與探究 二年級與三年級的學生，以社團課方式接觸化石課程。筆者擺出化石，先讓學生觀察，然後挑選喜歡的化石帶回座位。筆者要學生先想想：如何從古生物變成手邊的化石？這中間歷經怎樣的變化？然後請學生以四格漫畫方式，合理推測。結果發掘出許多「素樸」的觀點，有位三年級的女生，發揮想像力解釋昆蟲化石的成因（圖5）： 天氣太冷沒有溫暖的地方，但它（昆蟲）找到一個山洞，它覺得山洞很溫暖 可是它不會起火，所以一直躲在裡面，地板很起伏（起伏很大），很難走路 但它一直往前走，但它還是很冷，它受不了躲在泥土裡，最後泥土慢慢變成土石，那隻小蟲就被埋在土裡面 女生合理推測場景，雖然與真實狀況吻合的機率很低，卻也展現推理的能力。 有善心人士捐贈大量的珊瑚化石首飾（俗稱珊瑚玉），筆者讓低年級學生以放大鏡觀察表面的珊瑚蟲隔板，並且讓他們從教室後面的諸多化石或標本挑出首飾的原料（圖6），結果只有一位學生指出現生珊瑚的隔板，正確比對出來（圖7）。中高年級的學生是否能以化石的特徵，反推來源是什麼？可惜疫情停課的關係，本學期無法施測了。 圖5. 三年級學生畫出的化石成因四格漫畫 圖6. 學生以珊瑚玉的顏色而非構造來推測來源(這名學生推測首飾是貝殼製成的) 圖7. 只有一位學生正確推測出珊瑚玉的原料 澎湖水道的化石，起源於最近一次冰河時期。當時海平面下降，目前台灣到澎湖的水域原本大多是陸地；又因為氣溫降低，台灣北方的動物得以南遷，廣布於目前澎湖水道附近。冰河時期結束後，海平面上升，當時陸棲動物的化石就在海面以下了。筆者曾經讓三年級的學生以高倍放大鏡觀察化石上頭的藤壺、珊瑚等附著物（圖8），學生才曉得這批化石來自海底，但是問到化石的來龍去脈，答案就有趣了（圖9）： 漲潮的時候，潮水把骨頭沖進海裡 下雨的時候，雨水沖刷進入海裡 被人踢下去的 動物原本就住在靠海的地方，後來被河水沖到大海 會飛的動物，把骨頭叼起來，然後扔進海裡 這些推理雖然沒有考慮到氣候變遷，卻也都「言之成理」；其中「動物原本就住在靠海的地方，後來被河水沖到大海」，其實與目前博物館的看版解釋有異曲同工之妙！ 圖8. 以放大鏡觀察澎湖海溝化石上頭的海洋生物 圖9. 這位學生認為，漲潮的時候，海水把骨頭沖進海裡 化石除了讓學生進行初步的推理，更能訓練觀察與紀錄能力。學生最後查閱資料而得到答案，等於是來一趟科學探究的歷程。筆者準備現生的珊瑚與樹幹，以及珊瑚化石與矽化木，讓五年級學生自行感受生物經過礦化作用的差異。五年級學生看到滄龍的牙齒，直覺推測是鱷魚的牙齒。筆者當下不置可否，只提供鱷魚的頭顱標本、放大鏡與參考書籍，要學生先仔細觀察兩者牙齒並速描下來（圖10）。幾位學生翻閱書籍比對（圖11），最後終於確定是滄龍的牙齒。 圖10. 畫出滄龍與鱷魚的牙齒並比對差異 圖11. 學生最後翻閱書籍，確定是滄龍牙齒化石 動手操作 古生物死後，因為長時間掩埋而沒被破壞，就變成化石。化石會慢慢向上移動，有些還會露出地面 ──五年級盧同學 筆者回想教學的經驗，若問學生：「臺灣的山上為什麼有貝殼化石？」不少學生都會回答「板塊擠上來的」。其實「為什麼板塊會互相擠壓？」或是「板塊運動還可以解釋什麼？」更是耐人尋味的問題。板塊運動不管在空間或時間上，都屬於大尺度的自然現象，光靠平面的文字敘述，難以讓學習者窺得全貌，若輔以動手操作，當可獲得更大的學習成效。 筆者就讀博班期間研究海洋教育，不管是現場研究或文獻探討，都發現科學性的動手操作屬於有效的教學策略，可以提升學生的學習動機。而以科學教育理念設計的課程搭配動手操作，更能激發主動求知。有鑑於此，筆者參考文獻與動畫，設計出板塊運動拼圖套件。學生完成拼圖的過程，必須參考套件提供的動植物化石分布以及各大陸塊目前的相對位置以及形狀，還原成兩億年前的盤古大陸（圖12）。學生完成拼圖後，發現原來南極、澳洲與印度次大陸，兩億年前都是連在一起的，如此可以解釋為什麼南極可以發現樹木與恐龍化石（以前位置不在高緯度，因此氣溫較高），或是喜馬拉雅山如何造成的（印度次大陸撞上亞洲大陸）。若是時間許可，還可以介紹德國氣象學家韋格納（Alfred Lothar Wegener）如何發想出大陸漂移學說，以及1960年代海洋探勘技術進展而確定板塊運動的過程。 除了板塊拼圖，筆者也設計盒裝的化石硬度比較教具，讓學生比較現生珊瑚與化石珊瑚的硬度：現生珊瑚採自北海岸海灘，珊瑚化石則購自台北市建國花市（珊瑚玉加工後的邊料），盒內還裝有磁磚一片，讓學生以摩擦的方式比較硬度，惜因疫情停課的緣故，無法讓學生操作。 圖12. 六年級學生拼出的盤古大陸 戶外教學 化石是一本厚重的書，詳細記載地球的故事 ──六年級陳同學 學生在教室可以看到貝殼、珊瑚或海膽化石，但是大型完整的菊石或三葉蟲化石，甚至是恐龍化石，就只能走進展館方能一探究竟了。為此，筆者安排五、六年級學生到國立臺灣博物館古生物館參觀，並且請學生以素描方式畫下恐龍化石，領略完整、巨型化石的震撼。 筆者為了讓六年級學生能夠在小學最後階段實際在野外觀察化石，特地利用畢旅機會規劃到台中石角國小附設天德大願化石館（圖13），並且到大甲溪挖掘化石（圖14）。行前的準備工作包括：工具準備、採集注意事項、認識板塊運動等等。此行多虧中部化石專家李天德先生（圈內人暱稱化石老爹）導覽，不但領著學生參觀化石博物館，更是全程指導學生尋找化石。學生在化石館目睹大甲溪河岸出土的海龜化石（圖15），無不發出驚嘆，原來拜板塊運動之賜，陸地的河床也可以找到大型海洋動物的化石。石角國小的博物館，雖然只有一間專科教室的大小，卻容納了臺灣各地的化石，海龜化石更是鎮館之寶，可惜因為上午行程耽擱的關係，學生只能蜻蜓點水式觀看。學生在大甲溪畔，從原本抱怨氣溫太高、步行太久，到後來驚呼連連，甚至導遊要強制大家離開現場，以免太陽下山要摸黑回到車上。此行採集到的化石多是海扇之類的雙殼貝（圖16），僅有少數的腹足綱海螺（陽傘螺、玉螺），以及為數不少的生痕化石（沙棒）（圖17）。這次的大甲溪化石採集，讓學生親眼目睹板塊運動的威力。 圖13. 六年級學生參觀台中石角國小的化石博物館 圖14. 化石老爹指導六年級學生採集化石 圖15. 海龜化石是石角博物館的鎮館之寶 圖16. 大甲溪畔的海扇化石 圖17. 海洋生物生痕化石 學生回饋 骨頭變成化石後，會產生許多改變 ──五年級嚴同學 六年級的學生尚未接觸化石課程之前，筆者請他們說明化石的用處，17位同學當中有8位認為化石可以賺錢、12位則認為可以收藏、展覽或欣賞（圖18）。等到上完系列課程，同學的回應更為多元了： 可以推測古代的海流 下一次看到同樣的化石，就知道是什麼動物的化石 可以知道以前生物的生存遺跡 可以了解以前的生物與當時的地質 可以知道以前的生物有哪些、牠們的長相，也可以猜想當時發生了什麼事和當時的環境 圖18. 上課前，大部分的學生認為化石只有參觀、典藏的功能 由此可見，六年級學生透過觀察、探索與動手操作等過程，自然而然體會出化石的重要性，從單純且直觀的認定化石只有賣錢或收藏的價值，演變成可以藉由化石認識古環境以及古生物。 五年級的學生，去年曾經上過筆者的骨頭課程，也接觸過大量的科普資訊，還沒上化石課的時候，已經提出林林總總的好問題： 化石骨頭為什麼會生鏽？化石為什麼可以放很久？ 恐龍化石可以抽出DNA嗎？從化石怎麼決定年代？其他星球有化石嗎？ 臺灣有化石吧？生物都會變成化石嗎？ 化石怎麼形成的；紋路怎麼產生的；沒骨頭的動物會有化石嗎？ 長毛象被冰凍保存到現在，骨頭發生什麼變化？ 水晶是不是化石？植物也可以成為化石嗎？為什麼以前就有溫室效應？ 化石原來的顏色是什麼？ 這些問題，牽涉到化石的礦化過程、定年以及古氣候；而恐龍皮膚的顏色研究，目前也有突破性的發展。由此可見，學習者在進入課室之前，已經各有各的認知。化石具備的不確定性、趣味性，讓不同認知程度的學生，都能享受探究與實作的樂趣。 由於疫情嚴峻，許多後續課程無法實施，殊為可惜。有位六年級學生，在線上課程提到「老師你為什麼喜歡化石？」筆者現在的答覆是「可以和你們一起探索大自然，一步一步接近真相」。 謝辭 化石標本與模型，往往所費不貲，感謝以下善心朋友贊助橫山國小—— 台北市立建國中學第39屆校友會（狂社）彭嘉陵、林子健兩位先生贊助化石與模型的經費，詹兆源先生贊助儀器與參考書籍；海洋發展教育基金會贊助骨骼課外書；橫山國小王蘭芝主任以及張溫瑜組長協助申請經費，校友簡月美女士贊助經費；謝荿葳先生與周依儂小姐贊助珊瑚玉首飾；吳俊儀先生捐贈澎湖海溝化石、林宏吉先生捐贈海膽化石；李天德老師捐贈礦物、化石並義務擔任導覽。還有澎湖海溝化石同樂會以及旅居美國加州的化石專家高健為先生長期提供專業諮詢，以及婉謝列名的其他善心人士，在此一併致謝。 李弘善 新北市三芝區橫山國小教師

「停課不停學」的地球科學教育

文/謝隆欽 當課堂從實體飄上雲端，如何讓同學們線上感應課程的靈魂？ 2021年5月，臺灣全面「停課不停學」，讓翻轉多年的教室風景，再次革命。 不只「教」與「學」，教育現場中的作業、評量、會議、研習……等，都陸續飄上了雲端。情境丕變，篳路藍縷，謹向杏壇中勇敢開拓、劈荊斬棘的老師們致敬。 前言 自2019年12月嚴重特殊傳染性肺炎（COVID-19）疫情在全球各地蔓延以來，世局起伏動盪不安，許多既定的行事或計畫多因而取消或從簡。2021年5月，更因全國肺炎確診人數大幅增加，中央流行疫情指揮中心提升全國疫情警戒至「第三級」，進行更嚴格的防疫管制。為避免全國師生移動、接觸、群聚，教育部也公告全國各級學校停止到校上課。原本老師與同學們在學校面對面的生態，2021年5月19日起全面轉為使用諸多科技工具與雲端資源，以同步、非同步，或混成的方式線上進行，以臻「停課不停學」。 圖1. 引自教育部停課公告，一停再延，約三分之一個學期在線上進行。 感謝科技的進展，感謝歷年來先行者們的研發分享與資源的累積，讓突然的停課，早已有豐富的後勤應援。雖然在線上進行的，仍是既有的課程內容，但情境、媒介近乎革命式的驟然轉換，對政府、學校、教師、學生、家長都是鉅變與挑戰。 即便老師對「教材」熟悉，但將教學現場轉化為線上進行時，異曲雖可同工，仍然需要特別重新設計「教法」，尤其老師原本在教室裡精心舖設的笑梗，預期會有哄堂大笑的熱烈氛圍，或讓學生認知衝突後產生「啊哈～原來如此！」的頓悟反應，或引領學生沉浸在忘我的福樂經驗（flow experience）……等等，都需重新搭設鷹架階梯，換個方式滌盪啟迪心靈。 原本老師和同學們在教室的場域裡，面對面實體教與學，講台上的老師可以隨時察覺到同學們通達或迷惘的眼神，適時調整教學節奏或進度；或者講解概念時，發現同學的眉宇之間仍糾結著似懂非懂的神情，而能即時問答辯證。轉為線上教學之後，就算是同步進行，許多同學在課程中常會關閉著視訊鏡頭，老師面對的，往往是螢幕上一群沒有反應的頭像。 圖2. 線上教學日常，老師面對的往往是螢幕上一群沒有反應的頭像 如何讓線上教學宛如親炙？ 如何隔著螢幕仍可自在交流？ 如何虛實相濟舞動桃李春風？ 如何讓線上教學的成效不遜於實體教學？ 地球科學教育現場 五月停課之時，我仍有國三地球科學（自然與生活科技）、高一地球科學（部定必修）、高一動手玩科學（多元選修）、高二自然科學探究與實作（部定必修）等課程正在進行當中。雖然早已習慣在Facebook和Instagram上公開分享地球科學新知及相關教學影片，進行非同步的補充教學；但為了對特定年級、班級的同學進行課程公告，我還是請同學們分別加入Google Classroom教室；因應持續延長停課，後來也使用了Google Meet進行同步教學。六月在參與了地球科學學科中心精心安排的教師研習之後，我也試著在學科中心先進的熱心指導下，依樣設立了Gather Town虛擬地球科學教室，讓同學們如同玩遊戲般，用玩偶替身悠遊在虛擬布建的教室空間當中，和同窗好友們一起奔跑來去，結伴學習。 圖3. 引自地球科學學科中心，感謝先進以Gather Town巧思精心安排教師研習 圖4. 進入Gather Town虛擬地球科學教室前，同學們可自行「編輯」玩偶替身 圖5. Gather Town虛擬地球科學教室，感謝地球科學學科中心先進分享 國三地球科學（自然與生活科技）：國三同學們甫考完會考，但後續仍有「全球環境變遷」的未完課程。我先試著配合課程內容及進度，提供天然災害、環境污染、聖嬰現象、永續發展等閱讀素材及影片，提供在同學們慣用熟悉的Facebook、Instagram平台，以及Google Classroom的訊息串，讓同學們進行非同步的閱讀。接近畢業典禮前，則以Google Meet同步分享螢幕，展示高中地球科學課本（PDF檔），從封面、目錄到逐章瀏覽介紹高中地球科學的架構、脈絡與概要內容，並與國中地球科學課程相互對照銜接，讓同學們溫故知新，也盼能以地球科學課程中的諸多天地學問，啟發同學們面對未來人生的環境智慧，送同學們畢業遠颺。 圖6. 在國三地球科學Google Classroom上的畢業臨別贈言 高一地球科學（部定必修）：高一同學也才剛考完第二次段考，除了仍不忘在Facebook地球星期三Earth WED社團及Google Classroom上每週提醒各地的地球科學與環境要事（如：5月26日晚上的月全食、6月5日世界環境日、6月8日世界海洋日......等），接著也還有板塊、地震，以及冰河期、米蘭科維奇週期等內容。原本安排有臺灣板塊摺紙模型的實作課程，改為線上教學後，除了請同學們搭配課本的立體圖揣摩與聯想，並留下更多時間讓同學們到「臺灣地震學園」上實際操作與體驗，見識真實的地震紀錄，分析與判斷地震波動；而米蘭科維奇週期的諸多循環，除了細說課本圖文，原本在課堂上會真的打起陀螺演示「進動」（precession）的現象，如今也改用既有的Youtube進動影片，喚起同學們打陀螺的經驗，並試著協助同學們將進動概念連結至龐大的、長達萬年的地球轉動，以及曆法上的歲差現象。 隔著螢幕，同學們在線上學習的狀況如何？我再設計了簡易的線上表單作為點名作業，以不增加太多額外負擔的前提下，請同學們每堂課後填寫筆記與心得（只需勾選班級、座號，填寫姓名、本節課重點摘要、心得或提問），一方面確認同學有實際到課，也更有效率地掌握同學們的課後反應與回饋。 圖7. 高一地球科學課堂公告，提醒同學們適當休息，避免視力受損 在高一的地球科學課程中，我還設計了「自然觀察」與「導讀地科雜誌」的作業。一方面讓同學們練習觀察探究，格物致知；二方面讓同學們廣泛閱讀，見多識廣；也盼它們不只是作業，更助益同學們建構出敏察的環境意識和探究精神，以及時常翻閱科學雜誌、更新腦海中的科學知識，盼能從「作業」內化成「習慣」，在潛移默化中培育出具有科學素養的下一代。 在防疫管制期間，大家足不出戶，有同學發問：「不能出門要怎麼做自然觀察？」我的回答是： 一、在家望向窗外，「藍天白雲」，或「朝暉夕陰」，或「日出日落」，或「烈日當空」，或「月落烏啼」，或「霧霾蔽天」，或「天色變幻」......就有許多學問在其中，值得深究、整理與分享。 二、可整理過去自行拍攝的照片，除了回憶，相信照片中的山、水、雲、天、風景光影、海濱沙灘、木石川流……就蘊涵了許多學問在照片當中，懂得看，就看得懂，歡迎與老師討論。 三、可參考老師的自然觀察（圖8，https://goo.gl/photos/dPLFnUDjXukdbFD76）。 圖8. 老師的自然觀察（2008年1月起迄今，每月一圖，製作成環境教育曆） 另外，6月初的停課期間也適逢6月5日世界環境日、6月8日世界海洋日，我也試著設計了【地球代言人Spokesperson for the earth】這公開的線上活動，簡易地讓同學們上傳自行拍攝的照片到facebook平台的活動頁面，嘗試著中英對照地練習撰文，訴說「環境」或「海洋」的奇美故事，不只呈現所見所聞，也分享影像中的地球科學知識，向同學及全世界分享自然觀察的樂趣、收穫、體悟。 同學們不但可以簡易地線上繳交作業，更可據此豐富自己的「學習歷程檔案」，更可因響應而讓全球各地的參與者看見，行銷臺灣環境，成為全球環境活動的一部分。而一張張精選分享的美麗風景，或可略微安頓同學們足不出戶的苦悶，撫慰被隔離的、好想出去玩的艱困心靈。 圖9. 【地球代言人Spokesperson for the earth】線上活動 圖10. 【地球代言人Spokesperson for the earth】線上活動示例 而「導讀地科雜誌」的作業，也感謝許多有遠見的出版社和圖書館，早已在雲端提供電子書庫或雜誌期刊，讓同學們不必出門，上網就能閱讀最新的當期的科學雜誌。同學們可依自己的興趣，挑選雜誌中地球科學的主題文章，細品閱讀，深入理解，並將圖文整理成簡報後，就在Google Meet上同步為老師及同學們導讀分享。經此大量的科學文本洗禮，不只培養自己閱讀長文、提綱挈領、去蕪存菁、簡報表達的能力，更可以補充教科書中既有的主題與內容，開拓同學們的科學視野，看見地球科學的當代發展、研究熱點、未來趨勢。 圖11. 同學的「導讀地科雜誌」作業，感謝先進們撰文，推廣科學普及 高一動手玩科學（多元選修）：停課前讓同學們自製簡易摺紙光譜儀（彰化高中游大立老師分享）、利用手作望遠鏡觀察倒立實像、以地科教室的礦物、岩石、化石標本練習自然繪圖、以手機APP打卡報天氣、觀看AR（擴增實境）影像與VR（虛擬實境）影片、紀錄在校園內移動的軌跡、分組進行能源桌遊、邀請科學家分享座談......等。停課後不久即適逢有「月全食」天象，我也向同學們提醒了觀測月全食的「初虧」、「食既」、「食甚」、「生光」、「復圓」等過程，以及拍攝注意事項等；後續則讓同學們自行「認領」科學名人故事，請同學們深入搜尋與研讀，整理科學名人們的生平、求學經驗、探索歷程、實驗發現、獨特機緣或選擇、傑出貢獻、對當時及後代世局的影響……等，用Google Meet同步分享報告，不再只是「聽過」或「知道」課本上出現的科學家名字而已，更能深入發現他們的苦心孤詣，以及科學發展的曲折脈絡。 期末則請同學們進到Gather Town虛擬教室，如在沂水之泮，在一個共同的對話空間中，讓同學們用虛擬玩偶座談暢言，各言爾志。就像學期初請同學們搬板凳到教室外中庭，逐一讓同學們自我介紹，並分享過往的科學經歷、印象最深刻的實驗心得、對未來科學的職涯規畫與狂想等。學期末了，我還提供了108年自然科學領域課程綱要中的「課程理念」和「課程目標」部分文字，作為引言及討論素材。我先說明這份具有政策位階的國家文件，它所揭諸與指導的自然科學教育願景，聆聽同學們在經歷過高一的自然科學課程之後，對這大人們形塑的願景與目標有何想法？ 雖然線上課程不像剛開學時可以面對面座談，但經由充滿逸趣的動漫遊戲風格介面，仍讓同學們童心大起，並在一個輕鬆開放、相對自在的虛擬教室中，站上廣播講台，逐一發表想法與心得。 也就是在這樣的期末回饋當中，聽見了同學們心底的課後心聲，以及……更多的無力感。尤其聽一位同學娓娓道來，她在國中學習科學時的經驗，是不斷地被考試、寫作業、解題目「荼毒」過來的，所以到就讀高中的現在，早已對科學沒有興趣，早已決定選讀社會組（文法商財管學群），對物理、化學、生物、地球科學等課程，避之唯恐不及！ 不禁慨歎著，在此「早已被科學荼毒」而害怕、討厭、逃避科學課程的現實困境之下，任課程綱要再如何貼近教育理想，任高中老師再怎麼努力設計教材，調整教法，任教授先進再熱心致力推廣趣味科普，恐怕已難以抹除她心中對科學的既有陰影，也就難以啟發她對科學探究的熱忱與潛能。當然升學是重要的，但若沒有植基於好奇與樂學，再多的寒暑輔導、大小考試等拼升學的作為，對同學們而言只是逼迫與折磨。長此以往，同學們對科學反感與排斥，難以養成求真求實的精神，若遇造假新聞或偏頗數據，未能進一步發現問題，思辨求證，恐怕就淪為被帶風向的酸民，有礙於理性社會的建構。憶起曾在某次研習中聽到講師說：「我一看到黑洞的新聞報導就會馬上轉台」，我想這位講師也和同學們一樣，同是被升學「荼毒」的受害者吧？ 唯有當同學感受到信任，相信老師願意真誠地傾聽同學的心聲，無論實體課堂或線上教學，我們都有機會發現，研究者、決策者、設計者、教學者與受教者之間的偌大鴻溝。 圖12. 如在沂水之泮，盍各言爾志，只是這沂水在雲端 高二探究與實作（部定必修）：我們原本就設定了「若天災鉅變發生，城市機能猝然崩壞，交通中斷，外援未達，當下無火無電之時，如何就地取材，利用能源求生？」為課程主題（如：2011年3月日本地震海嘯、2021年2月美國德州冰風暴、2021年7月西歐洪水、2021年7月中國鄭州暴雨等災難情境），讓同學們分組設計聚熱工具，從畫設計圖，到實品組裝，到實作測試，搜集數據、繪製圖表，再進行論證與建模。防疫管制前實作課程多已完成，數據及圖表也多已有所紀錄，少部分同學進度較慢，可居家自行補做。而數據的分析討論，同學們可分組進行，並在線上課堂向老師及同學們報告與說明。最後再將整學期的課程，從發現問題、規畫與研究、論證與建模，組合剪輯成5～10分鐘的微電影，以正確嚴謹的科學用辭（如：避免使用「上禮拜沒太陽」、「今天的太陽比較大」等生活用語），有邏輯、有條理地以影片表達與分享。 學期初即已律定影片的格式（原定橫式長寬比4:3的影片，以配合學校投影機預設的投影畫面比例；後來因應持續停課，不需再特別遷就教室裡的投影效果了，就不再特別限制影片的長寬比例），以及影片內容架構：發現問題、規劃與研究、論證與建模、省思與收穫、引用素材出處、分工表與組員自評分數、使用軟體等。以及老師的評分標準：影片合法及完整性（60%）、影音美學及可看性（20%）、教師指導與同學回饋修正之完成度（20%）等。 當老師提供一個讓同學們展現的舞台，就能看見同學們無限的幽默與創意，以及團隊組員們在疫情中穿越時空分工合作的能力，不再需要隨身碟，不需見到面，也能順利交換各自的片段，最終在時限前，異地完成微電影的製作與上傳。 圖13. 高二同學們自然科探究與實作課程的分組期末微電影畫面（器材成品） 圖14. 高二同學們自然科探究與實作課程的分組期末微電影畫面（數據比較） 圖15. 高二同學們自然科探究與實作課程的分組期末微電影畫面（心得與收穫） 結語 是鉅變，也是機會。 只有正確的道路，才能幫助我們前進。紛亂之時，更需明心見性。 我回想起任教的初衷：用生命感動生命，用教育捍衛地球。 我也再次翻開了十二年國民基本教育的「總綱」，以及「自然科學領域課程綱要」（自然領綱）（https://www.naer.edu.tw/PageSyllabus?fid=52），查閱了十二年國民基本教育課程的基本理念：「十二年國民基本教育之課程發展本於全人教育的精神，以『自發』、『互動』及『共好』為理念，強調學生是自發主動的學習者，學校教育應善誘學生的學習動機與熱情，引導學生妥善開展與自我、與他人、與社會、與自然的各種互動能力，協助學生應用及實踐所學、體驗生命意義，願意致力社會、自然與文化的永續發展，共同謀求彼此的互惠與共好。」 而十二年國民基本教育「自然科學領域」的課程目標是： 一、啟發科學探究的熱忱與潛能：使學生能對自然科學具備好奇心與想像力，發揮理性思維，開展生命潛能。 二、建構科學素養：使學生具備基本的科學知識、探究與實作能力及科學態度，能於實際生活中有效溝通、參與公民社會議題的決策與問題解決，且對媒體所報導的科學相關內容能理解並反思，培養求真求實的精神。 三、奠定持續學習科學與運用科技的基礎：養成學生對科學正向的態度、學習科學的興趣，以及運用科技學習與解決問題的習慣，為適應科技時代之生活奠定良好基礎。 四、培養社會關懷和守護自然之價值觀與行動力：使學生欣賞且珍惜大自然之美，更深化為愛護自然、珍愛生命及惜取資源的關懷心與行動力，進而致力於建構理性社會與永續環境。 五、為生涯發展做準備：使學生不論出於興趣、生活或工作所需，都能更進一步努力增進科學知能，且經由此階段的學習，為下一階段的生涯發展做好準備。 總綱的理念清晰，領綱的目標明確。只是長久以來，我們已習於在學校，師生照表操課；停課上線之後，我們能不能把握住教育的核心價值及課程目標？如何在線上進行依然能讓同學們感受到老師滿腔的熱血初衷？如何繼續啟發網路另一端的同學們對科學探究的熱忱與潛能？少了實體的互動與點撥，如何幫學生論證思考，建構出紮實的科學素養？轉換了學習的情境，如何協助學生對科學有更多正向的體悟？防疫管制之後，難以在實驗室操作或實際觀察測量，如何引領同學們懂得欣賞且珍惜大自然之美？時光輪轉，不為疫情而停留，這段突如其來的線上課程經驗，如何啟發同學們未來的生涯發展，成就終身學習的社會？ 而除了老師端的審思聚斂，學生端的應對與調整更是關鍵。 尤其總綱也特別強調「學生是自發主動的學習者」，無論實體課程或線上課程，不變的，依然是同學們自發主動學習的動機和心態，以及師生間的信任與理解，方能在線上仍然樂在學習，彼此教學相長。 每位老師的獨特價值，在於能理解自己的學生，設計適合自己學生程度的教材及教法，並提供適性揚才的引領與啟發，誠如總綱所揭示：「學校教育應善誘學生的學習動機與熱情」，只是情境轉換成在網路上而已。 「數位學習」的落差，這些年隨著資訊設備的普及，漸次彌平；無論市區或部落，同學們人手一機，就算資訊環境再不濟，至少也都能使用手機連線，參與線上課程。教育現場全面改至線上後，真正的落差已轉化為「自主學習」的落差。 為師在教室兢兢業業，在線上更是如此。但無論是哪個年段，也都有睡到不省人事的同學。在學校教室裡如此，此情此景在線上更是嚴重。當同學們想學，願學，樂學，就算老師只提供非同步的學習素材，對有心向學的同學足矣！反之，若同學們上線後掛網補眠，或另開分頁、沉浸遊戲，照表操課也只是徒然空轉而已。 學生在家學習的心態需要被老師重新納入教學設計的考量，學生的學習策略也需調整，自主學習而不倚賴監督或逼迫。若只老師殫思竭慮、細細講解，同學卻貌神分離、連線對戰，再多的課後升學輔導或同步監考管制，其實也將只堪聊備紀錄，形同虛設。無論數十年來的升學大道，或停課不停學後為師闢出蹊徑，唯有網路兩端的師生共同轉化，順勢而為，「教」與「學」之間方得美事。 經此突如其來的一役，全國教育現場也就如此這般地發生了一場不得不然的「教育改革」。相信全臺灣的老師們對線上教學、開會、研習的新局，都已調適到前所未有的境界。 網路不只連結了師生，諸多精彩的演講與研習也得以跨越時空，不受限於地域的限制。臺灣及世界各地的研習、講座，只要時間配合得上，報到名取得會議代碼，擠得進會議室（某些會議平台有使用人數之限制），就可以在電腦前聆聽演講，參與研習。6月參與地球科學學科中心在Gather Town上辦理的線上教師研習，甫進研習會場，以虛擬玩偶信步走逛沒有多久，就傳來久未謀面好友的招呼聲，實在令我又驚喜又感動！不只是久別重逢的欣喜，更在人與人之間隔離一段時日之後，重拾寶貴的連結與互動。當下不只深刻感受到科學技術的無遠弗屆，心頭更滿溢著跨越時空的溫暖。 「學生在哪裡，教育就可以在哪裡。當雲端服務已席捲各界，教育也該有新的思維及應用。」這是2010年的時候，在Facebook上設立「教學在雲端」社團時的說明文字。從2010年的嘗試與探索，不意間到了2021年因疫情而全面雲端教學，那若再放眼十年後的2031年呢？教育現場又會是什麼樣的風景？ 或許到時候大部份的庶務都已被AI人工智慧（Artificial Intelligence）所取代，好奇的是，此時「智慧的啟發」會如何進行呢？就算屆時「學校」已成歷史名詞，但相信只要仍有智慧生命，有承傳的專業，想必仍然會有「教育」的需求吧？2031年的教育環境，可望會比現在更加完善。知識的傳遞必然更加方便，學習也更能適才適性。只是「Stay Hungry, Stay Foolish」的經典箴言，還會有人流傳嗎？求知若渴的人心風景，還會存留嗎？虛懷若愚的教育美事，仍會被歌頌嗎？ 現在流行用Google搜尋關鍵字，然後還得篩選與重組資訊；就算可以非同步學習，學生還是得集中參加「會考」與「學測」，才能取得考試成績，分發升學。2031年學位的授與及認證，又會是怎樣的光景？電腦程式能主持研究嗎？足以擔當指導教授嗎？會有「機器人研究生」嗎？就算有更強大的運算能力，他能發現問題、規畫與研究、論證與建模嗎？ 「這是最壞的時代，也是最好的時代」在停課不停學的教育現場，學校、教師、學生、家長、教育產官學界如何順勢而為，迎向數位教學可能成為常態的教育未來，在線上燃燒教育魂，是當代最好的修煉。 參考連結 十二年國教各領域課程綱要下載 簡易摺紙光譜儀（彰化高中游大立老師） 【地球代言人Spokesperson for the earth】線上活動 Gather Town虛擬地球科學教室 教學在雲端～Teach and Learn on CLOUDS 地球星期三（Earth WED） 臺灣地震學園 進動現象 環境教育曆（老師分享的自然觀察，2008年1月起迄今，每月一圖） 台灣線上同步教學社群 葉丙成：2021年5月見證台灣教育史的奇蹟 謝隆欽 國立中山大學附屬國光高級中學教師 地球星期三Earth WED教師成長社群

停課不停學，地科線上學

文/陳俐陵 2020年，全球陸續受到COVID-19疫情影響，各地學校驟然停課，緊急透過數位科技進行教與學過程，持續數個月至年餘；隔年5月，臺灣本土COVID-19爆發，下旬起全國各級學校停止到校上課，實施遠距教學。 停課不停學期間，一般使用視訊方式，將傳統課室教學轉化為螢幕影像，畫面內容多是教師講述、或簡報（黑板）畫面，而學生們在新奇感消失後，就容易分心、降低學習成效。若此時能善用國內外的多元線上資源，將更能發揮數位學習的效用，並累積創新教與學經驗。 以「地球科學」科目來說，國小（自然與生活科技）內容偏重於生活現象之觀察與解釋、引發興趣，教學時可多採用優質動畫或實景影音，豐富學習素材；國中（自然與生活科技）與高中（地球科學，必修）則以結構性的學理知識、配合探究思考為主，除前述階段所提之優質動畫或實景影音外，更可加強以科學探究為方向之課程設計，提升學習者的能力。表1彙整各學習階段之內容類別，對比傳統「天文」、「大氣」、「地質」、「海洋」、「環境」領域，以利本文稍後推薦之線上資源利用參考。 表1. 十二年國教課綱小學至中學之各階段學習內容主題 此外，十二年國教課綱的自然科學領域強調培養學習者的科學素養，以學習表現來看，包含「科學認知」、「探究能力」以及「科學的態度與本質」三個項目（表2）。線上資源多著重在「科學認知」面向，是大家比較熟悉的科學核心概念與知識內容；「探究能力」涵蓋思考與問題解決，屬於學習認知的高層次能力；「科學的態度與本質」著重於興趣與習慣的培養，並能認識科學本質。 表2. 十二年國教課綱之學習表現架構 本文將先整理「科學認知」面向，也就是知識內容學習的線上資源，提供自學者或想學習特定核心概念知識者應用，其中包括國外以英文為主的網站，供教師或家長參考；「科學探究」面向的資源，通常以小主題設計或資料庫使用為方向，適合教師發展課程；「科學的態度與本質」，則是可廣泛應用之資源，期能使師生均保持學習興趣與習慣。 一、科學認知 （一）自學系列課程 類似學校課程的線上資源有「臺北酷課雲」、「均一教育平台」，以及「DeltaMOOCx台達磨課師」 。 臺北酷課雲需選擇「原課綱」頁籤，才能看到國中九年級「地科」 、高中一年級「地科」 、高中二年級「地科」選項，課程影片無須註冊登入即可瀏覽，但練習題則需登入使用，其中以國中課程較完整，高一課程則僅建置七成。 均一教育平台以科別、年級清楚區分內容，無需特別註冊登入，即可進入自然科頁面 ，選擇國小各年級學習單元（地科主題），或國中與高中的專屬地科課程。中學部分，以國中課程較完整，並有歷屆會考或臺北酷課雲試題可供練習；高中部分則是高雄市政府的Dr.Go高中自主學習網授權內容，僅錄製部分主題，並非完整的一系列內容。 台達磨課師則專攻高中課程，地球科學包括「基礎地球科學」與「星空奇航」兩種課程，需註冊登入學習。基礎地球科學配合課綱，每個小單元有影片與練習題；星空奇航由孫維新教授開設，可作為天文領域的進階學習。 其實教育部還有因材網 ，但檢視後僅有國小自然科課程有與地科相關內容，故不特別介紹。 （二）其他學習與教學資源 地球科學學習網 ，由科技部計畫建置，以心智圖方式呈現高中課程內容的知識概念，並補充相關文章或影音連結，適合複習與加廣學習之用。 教育部建置的高中職資訊科技融入教學資源 ，涵蓋各單元簡報、動畫等素材，雖然資料是2010~2011間的上傳內容，但大部分仍可應用於108課綱，非常適合教師應用，或者自學者參考使用。 另外教育部國教署的普通高中學科資源平臺，在教學資源庫內可搜尋各教學法與議題之多元資源類型。該平臺亦整合地球科學學科中心 ，提供課綱相關參考資源，尤其在教學與評量取徑下，有素養導向教學設計與評量、跨科／領域教學、探究與實作、議題融入教學、ICT／STEM／STEAM教學等參考教案。 相對來說，國中與國小的地科教學資源較少，教師發展教材或設計課程時，或許可參考高中資源，再自行依專業調整內容了。 （三）依天文、大氣、地質、海洋與環境等主題領域，簡介可信任、且內容豐富的線上資源，但大部分網站的使用對象為國中以上程度的學習者，而各階段學習內容可參考表1。 1.天文 •臺北市立天文教育館 「網路天文館」，以及「天文知識與出版品」選項中有文章、影片、學習單（配合參觀使用）。 •哈伯太空望遠鏡網站 擁有大量精美的天文照片與學習資源，可作為課堂教學使用。 •中央氣象局數位科普網 包含文章、影音，適合國中以上學習者，另有兒童區、漫畫區與互動區內容可提供國小高年級學生參考使用。氣象局官網 的「知識與天文」區塊，亦收錄相關知識內容。 •NASA 美國國家航空暨太空總署（NASA）網站，提供超級豐富的天文照片、影片與學習材料。以「NASA at HOME」為例，「Let NASA bring the universe into your home. （讓NASA將整個宇宙帶入你家）」，提供電子書、影片、虛擬導覽，以及不同程度（幼稚園～小四、五年級～八年級，九年級～十二年級）的學習材料。 2.大氣 •中央氣象局數位科普網 如前述天文領域所介紹，另外公民參與氣象科學，提供所有民眾上傳各種雲象、大氣光象照片，以及判別天氣圖資料的參與模式。 •NOAA 美國國家海洋暨大氣總署（NOAA） 提供豐富的海洋與大氣資料。但關於自學資源或教材內容彙整卻稍嫌混亂，一般需專業背景教師消化後再設計應用。 3.地質 •臺灣地質知識服務網 彙整豐富資訊，包括地質新聞、地質大事紀、地方特色地質網、圖片與影音數位典藏，以及相關知識。 •中央氣象局數位科普網 如前述天文領域所介紹，其中地震百問內容包括各種地震相關觀測網，以及海嘯資訊。 •USGS 美國地質調查研究所（USGS） 提供豐富的圖像與影片，以及分齡教材（幼稚園～二年級、三年級～五年級、六年級～八年級、九年級～十二年級）。 •阿山的地科研究室 收羅關於臺灣地質演化及構造、岩石與礦物的知識內容。 4.海洋 •臺灣海洋教育中心 收錄各縣市海洋教育推動成果、與海洋職涯資料，與教學手冊、多元教案可參考。 •中央氣象局數位科普網 如前述天文領域所介紹。 •NOAA 海洋部分的資料探究課程包括聖嬰、海平面上升、珊瑚白化、水質、海洋酸化等主題，值得教師參考。 5.環境 •中央氣象局數位科普網 如前述天文領域所介紹。 •土石流防災親子網 行政院農委會水保局建置，可提供國小中高年級學生參考。 •臺灣電力公司兒童網 可提供國小中高年級學生參考之能源與電力知識。 •NOAA – Climate 專門討論氣候與能源議題之網站，提供影片、實驗與互動工具等資料，適合高中以上課程設計參考。 二、科學探究 由於「探究能力」的「思考智能」與「問題解決」子項與各細項學習歷程，均需透過適當的課程設計或軟體輔助，故此面向列舉資源僅供教師參考 （國外重要網站已於前文列舉，不再贅述）。 • PhET 由美國科羅拉多大學 （University of Colorado） 提供的自然科學線上模擬互動教學教材 （已中文化），地科素材約6項，適合國中至高中的基礎探究內容設計。 • 中央氣象局 豐富的臺灣氣候、地震資料，可供教師設計課程使用。臺中清水高中周漢強老師，以颱風資料設計探究與實作課程，並完整公開分享（https://www.mynotes.org/ToParents/?p=1549）。 • 經濟部中央地質調查所全球資訊網 包括基礎地質資料、溫泉資源、活動斷層、土壤液化…等等整合資料。 • 農委會水保局土石流防災資訊網 防災監測彙整各種天氣訊息，且提供土石流與大規模崩塌資訊，以及各種防災應用與成果。 • 全國中小學科學展覽會 科展歷程屬於開放式探究活動，國立臺灣科學教育館彙整各級學校歷屆優勝作品，教師可參考並發展與臺灣在地、生活有關的練習課程。 • GeoInquiries 美國環境系統研究所公司 （esri） 以地理資訊內容，設計多種相關學習課程，可供教師參考。 三、科學的態度與本質 此項目包括培養科學探究的興趣，養成應用科學思考與探究的習慣，以及認識科學本質。前兩項較易被理解，但什麼是「認識科學本質」呢？從表3的學習內容可得知，科學本質就是了解科學發展的過程與樣貌，通常可透過科學史、STS （Science, Technology and Society，科學、科技與社會） 議題，或目前發展的科學知識、科學相關新聞等素材作為學習內容。 表3. 十二年國教課綱小學至中學之各階段「認識科學本質」學習內容 科學史以「LIS（ Learning in Science ）情境科學教材」的影片最為生動、清楚且多元。LIS內容發展主要是以國中自然科為目標，但往下延伸給國小高年級或高中學生觀看均適合，其中地球科學類已累計有23部影片，每部長度約8~12分鐘。 臺灣原創的「吉娃斯愛科學」系列動畫，以泰雅族為背景，將科普知識串連原住民傳說與智慧，適合國小中高年級、甚至國中學生觀賞，唯地球科學類內容較少。 科技部長年推動科普教育，線上資源包括文章、影音等多元素材，像是「科技大觀園」 、「科技魅影」 、以及「科普新視界」 ，提供深度的基礎知識、科學發展新知，雖部分可作為國中教材補充，但整體較適合高中以上的學習者使用。 另外科學月刊、科學人雜誌 、泛科學、研之有物、科普一傳十 ….等等，亦是科學新聞、發展新知的線上媒體資源，同樣適合高中以上程度的學習者使用，或由教師摘錄部分內容，設計科學閱讀課程，協助學生增進對科學的興趣，應用科學思考之習慣，與科學本質之了解。 TED-ed 頻道，雖然是英文網站，但多數以清楚簡潔之動畫呈現，且許多內容已有中文字幕，適合國中以上學生使用。在「Science & Technology」（科學與科技） 中有「Earth and Space Science」（地球與太空科學） 及「Nature of Science」（科學本質） 類別，內容相當豐富。 本文聚焦於配合十二年國教課綱的中小學地科教育目標，推薦較具代表性、可供學習者自學、與教師發展創新內容的線上資源，以因應現階段「停課不停學」的狀態，但這些資源同樣也適用於對地球科學有興趣的所有人！ 現代的人們透過數位科技與線上豐富的資源，很容易成為一名「終身學習者」。由於COVID-19疫情，催化各國數位化的急遽發展，但也凸顯數位落差的問題，期待各國政策能盡快消弭數位落差，以實現聯合國教科文組織的「2030年教育願景」──促進優質、包容、公平的永續教育發展。 參考文獻 教育部（2018） 十二年國民基本教育課程綱要－國民小學暨普通型高級中等學校－自然科學領域，教育部，臺北市。 陳俐陵 財團法人國家實驗研究院助理研究員

大氣中最爆裂的份子──龍捲風

文/劉清煌 前言 龍捲風（Tornado）為劇烈對流系統中產生之空間尺度小、生命期短、破壞力極強的災害性天氣現象，其風速可輕易超過每小時一、兩百公里，破壞力極強，沒有任何天氣現象可與它比擬。印象中經常聽到美國或周邊國家常出現龍捲風驚悚的畫面以及其產生的災損情形，而臺灣地區偶而也有出現龍捲風，因為出現的機會不高，一生難得有機會目睹，一般民眾反而覺得看到龍捲風是一件幸運的事。本文主要說明龍捲風的特徵、容易出現龍捲風的環境、強度分級、加強過程、龍捲風的勘災與移動路徑等特殊的現象，以及臺灣的龍捲風/水龍捲的生成環境與案例說明。 壹、龍捲風的特徵 龍捲風的特徵相當明顯，可以看到一條管狀的旋轉雲從雲的底部向下延伸，若管狀雲尚未觸及地面或水面，稱之為漏斗雲（Funnel cloud），若管狀雲觸及到陸地表面，則稱為陸龍捲（一般稱為龍捲風），若管狀雲觸及到水面（如湖面、海面），則稱之為水龍捲（Waterspout），因此看到漏斗雲時宜仔細觀察是否有觸及到地面，以免誤判。龍捲風的旋轉速度相當快，中心氣壓非常低，而龍捲風外圍的氣壓較高，因此產生很大的壓力差，會將周圍的塵土、雜物吸入龍捲風內，然後被強烈的上升氣流往上帶，因此龍捲風的管狀雲不僅僅是水氣凝結的雲，而且還夾帶很多的雜物。而水龍捲則可以把海水或湖水以及水中的魚群吸入水龍捲內，然後在高處向外拋出落下形成下魚雨的奇景。另外一個與龍捲風很類似的現象就是塵捲風（Dust devil），塵捲風出現在陸地表面，外觀就像龍捲風，有時甚至比龍捲風更為驚悚。然而塵捲風與龍捲風非常容易區別，即龍捲風（水龍捲）或漏斗雲是由一朵母雲（Parent cloud）所產生的，因此在其上面會有一朵對流旺盛的雲，而塵捲風是由於水平風的差異（一般稱為水平風切）所造成，生成機制與龍捲風截然不同，類似於一般我們在牆角或路面看到樹葉被漩渦捲起，因此上方幾乎無雲或甚至晴空，兩者非常容易區別。 最強的龍捲風直徑可達1～2公里，弱的龍捲風直徑可能小於10公尺，一般常見的龍捲風直徑約數十公尺～數百公尺。以目前氣象觀測資料之時空解析度，即使是超大的龍捲風也難以分析得出來，但可利用氣象衛星及雷達追蹤母雲系統之發展及移動，若龍捲風發生位置非常靠近雷達站，雷達可近距離看到龍捲風「鉤狀回波」（Hook echo）的特徵（圖1）。通常較強的龍捲風才會有鉤狀回波，一旦雷達出現鉤狀回波，幾乎可以確定出現龍捲風。較弱的龍捲風較不易看到鉤狀回波，如無照片或是影片的佐證，將很難確定是否有龍捲風的出現。 龍捲風是伴隨母雲產生的，其旋轉方向與母雲有很大的關係，若母雲是逆時針轉則龍捲風也是逆時針轉，反之，若母雲為順時針轉，則其產生的龍捲風也是順時針轉。以北半球而言，氣旋之成長過程受科氏力的影響，絕大部份氣旋是逆時針轉。但在某些特殊的情況之下氣旋有可能順時針轉 ，因此它產生的龍捲風也是順時針轉。這樣的案例相當少，比例不超過一成。 圖1. 雷達回波，白色箭頭處為龍捲風之鉤狀回波。（https://www.nssl.noaa.gov/tools/decision/cases/990503/StormA.html） 貳、容易出現龍捲風的環境 美國是全球發生龍捲風頻率最高國家，不只因為土地面積大，更因其具有獨特的地形分佈及氣候因素，區域主要在美國中西部，如德州、奧克拉荷馬州附近。以地形而言，該區域是廣大的平原，南面有來自於墨西哥灣溫暖潮濕的空氣，西面是乾燥炎熱新墨西哥州沙漠地帶，以及從加拿大南下的乾冷空氣。溫暖潮濕空氣較輕會上升，乾冷空氣較重會下沉，該區位處不同性質氣團交會處，大氣條件非常不穩定，尤其在春季時相當有利於劇烈對流系統產生，該區域為絕大多數超大胞（Supercell）之生成地，甚至出現許多超強的龍捲風，因此該地區被稱為「龍捲風巷」（Tornado alley）（Bluestein, 1999）。伴隨超大胞生成的龍捲風稱為超大胞龍捲風（Supercell Tornado），強度較強，直徑較寬，可達1~2公里，且持續時間較長，可達1~2小時。另一類龍捲風出現並無伴隨超大胞者，通稱為非超大胞龍捲風（Non-Supercell Tornado）（Wakimoto and Wilson 1989），這類型的龍捲風多半較弱、直徑較窄、且生命期較短。除美國外，其他世界各地較無產生超大胞的環境，出現的龍捲風多半是非超大胞龍捲風。 根據過去的分析，臺灣發生之龍捲風/水龍捲屬於非超大胞龍捲風，就其生成的大氣環境，大至可分為界面型（鋒面、颮線等）、積雲型及伴隨颱風（颶風、熱帶氣旋）雨帶生成之龍捲風。這些龍捲風大多屬界面型及積雲型，少數伴隨颱風雨帶或其他環境生成之龍捲風，本文針對前兩類型做說明。 一、界面型之龍捲風 界面型之「界面」是指鋒面或颮線，這類型龍捲風通常發生在4-6月冷鋒/梅雨鋒面前緣約50-100公里處之對流胞（圖2），這些對流胞呈現線狀排列，且其移動方向幾乎垂直於界面移動方向，這些對流胞的發展很快，從初生期至成熟期僅需1-2小時（劉與張 2004; Liu and Chang 2007; 劉與蔡 2011）。在這鋒面前緣有較強西南風及暖濕空氣，環境很不穩定，加上界面快速移動的推力，使得界面前緣之對流胞能於短時間內快速成長，甚至伴隨中尺度氣旋（Meso-cyclone）。當對流胞接近成熟期時，強烈之舉升作用可激發出龍捲風。這一類型的龍捲風多半發生在台灣西南平原（台南、高雄）地帶，且強度較強，持續時間較長，經常造成災損。 圖2.介面型龍捲風生成環境之示意圖。細黑色箭頭為氣流的方向，A～D為對流胞，整體對流胞沿Y方向移動，而個別對流胞往X方向延伸。 二、3.2 積雲型之龍捲風 積雲型龍捲風主要是伴隨積雲對流生成的，因為這些對流雲都是在海面上，以水龍捲居多，但並不是單朵的對流雲可產生，而是連續很多朵排列成一條線（Line of Cu convection clouds）（圖3）。為何要很多朵排列成一條線？一般而言積雲內有上升氣流，而積雲是屬於熱對流熱系統，本身是不旋轉的，而且垂直風切較小，即使可以長得很高變成積雨雲，也不易產生龍捲風。要產生龍捲風的雲必須要旋轉，而且要有適度的垂直風切使雲旋轉，而這類的雲一般不會長很高（約5~6公里高），垂直速度也不會很強，要激發龍捲風也是有難度，因此必須借由旁邊積雲下降氣流外推的力量，扮演臨門一腳的角色，提供這朵雲激發龍捲風所需的垂直速度。因此水龍捲常出現在好幾朵雲排成一列的環境下，而且積雲間互相幫助，常可見到同時有好幾個水龍捲出現。 圖3. 積雲型對流系產生水龍捲之示意圖。 參、龍捲風的強度分級（F-scale, EF-scale） 龍捲風強度分級（F-scale）是由芝加哥大學日裔美籍藤田哲也（Dr. T. Theodore Fujita）教授所創，他一生致力於龍捲風之研究，被譽為「龍捲風先生」（Mr. Tornado）。藤田教授利用照相技術（Photogrammetry）及雷達觀測計算龍捲風的風度，搭配地面的勘災的破壞威力，於1971年訂出龍捲風強度分級稱為「藤田級數」（F-scale）（公式）。公式中V是龍捲風的風速（m/s），F取最接近的整數為龍捲風級，分F0～F5等六級，超過F5者均歸為F5，表1為F-scale強度表及對應之風速（km/hr）。2007年龍捲風專家們修訂原先之藤田級數，稱之為改良藤田級數（Enhanced F-scale, EF-scale）。改良版的藤田級數提高F0、F1的門檻，且降低F2～F5的門檻。我們熟知五級颶風，其強度僅相當於EF3的等級。台灣這裡的龍捲風，以致災的情況來看，多半在F0以下，少數有到達F1。 龍捲風強度公式（F-scale）（Fujita, 1971） 表1. 藤田級數（F-scale）及進階藤田級數（EF-scale）。 肆、龍捲風的加強過程 龍捲風的速度可達每小時數百公里，是如何辦到的？關鍵在於角動量守恆，而空氣角動量稱為渦度（Vorticity），透過空氣在水平方向的輻合及上升速度使得旋轉速度加快，機制類似於芭蕾舞者，當舞者把手臂內縮時，旋轉速度加快。對龍捲風而言「手臂內縮」的動作就是來自於近地表的輻合將空氣向內推，基於渦度守恆原理，旋轉速度加快。但這裡有個盲點，芭蕾舞者可以用自己的力量將手臂內縮，但是大氣中輻合作用是如何產生的？原因來自於地表的摩擦力，摩擦力的效應可以透過一個簡單的實驗來說明，例如我們在一個茶杯中擺入一些茶葉，然後搖晃水杯讓杯中的水旋轉，此時可看到茶葉向中心聚集，這是因為杯底摩擦力的關係使得水在杯子底處產生多餘向內的力促使茶葉向內集中。回到大氣中，一樣的力促使空氣向內集中，導致旋轉速度加快，再加上上升速度的抽拉效應，使得龍捲風的渦度隨時間的變化呈指數遞增，因此可以在很短的時間達到很強的速度。 伍、龍捲風的勘災與移動路徑 龍捲風的尺度非常小，以台灣的龍捲風而言寬度僅數十公尺，鮮有寬百公尺以上的龍捲風，以現有的地面觀測系統、高解析度衛星資料、以及雷達資料，仍有困難解析龍捲風，因此無法透過這些資料來得知是否有龍捲風發生，唯一能夠確定龍捲風發生與否的方法就是透過現場勘災，所謂凡走過必留痕跡，透過勘災可以確定龍捲風發生的地點以及走過的軌跡，以及致災的範圍與龍捲風的強度，然後再回頭尋找相關的氣象資料做分析。台灣這裡的水龍捲風一般不會有致災的疑慮，只針對有致災的陸龍捲進行災害場勘，而民眾對災害復原速度相當快，因此勘災的動作要相當快速。 龍捲風的移動軌跡又是什麼樣子呢？龍捲風是由母雲所產生，自然移動軌跡大致上與母雲一致，然而龍捲風從母雲的雲底延伸到地面，而母雲的雲底高度局離地面可能數百公尺到1公里，中間有可能受風切、地形而影響到龍捲風的軌跡。如果母雲或龍捲風的強度較弱，兩者的軌跡較一致且幾乎呈直線，水龍捲多半如此。如果母雲的強度較強，所伴隨之中尺度氣旋也較強，龍捲風的軌跡會接近擺線的形狀（Wakimoto et al. 2003）。之所以會呈擺線軌跡是因為龍捲風是位於母雲的中尺度氣旋內，而中尺度氣旋會旋轉，同時母雲也會向前移動，所以龍捲風的軌跡就如擺線一般。圖4是筆者於1995年6月8日勘災時所拍攝的龍捲風軌跡，清楚可見是呈擺線軌跡（圖5）是Wakimoto等（2003）利用該圖做軌跡分析，由圖形比對，可知龍捲風繞行中尺度氣旋與母雲移動速度的關係。張及劉（2016）分析2015年7月20日臺南新化龍捲風個案時也觀察到擺線軌跡（圖6），紅色點是場勘時有災害的位置，藍色線是災害位置擬合的曲線。結果顯示擺線波長約為5.5 km、擺動幅度約為0.7 km，中尺度氣旋移速約為12 m/s。因此，移行5.5 km所需之時間約為7.6分鐘，此時間為龍捲風繞行中尺度氣旋一圈的時間。 圖4.1995年6月8日德州龍捲風軌跡空拍圖。（劉清煌攝影） 圖5.1995年6月8日德州龍捲風軌跡分析圖，（a）為擺線在不同的旋轉速度及移動速度組合下呈現出來的軌跡，（b）為實際龍捲風分析圖。（取自Wakomoto等，2003） 圖6：龍捲風擺線路徑（藍線）分析圖。其中，紅點為龍捲風經過所造成之災損位置，其擺線擺動幅度為0.7 km，波長為5.5 km。圖右上方為龍捲風繞中尺度氣旋旋轉之示意圖，X、Y座摽為公里。（取自張與劉，2016） 陸、臺灣龍捲風位置及時間統計分析 龍捲風個案數及發生位置的取得相當不容易，因為無法由氣象資料中分析出來，根據官方記載、新聞報導、社群網站的披露資料，每個個案均確認有照片或是影片佐證者才列入統計。隨著數位相機及手機的普遍使用，以及社群網站的普及，收集到的個案數似乎有逐年增加的趨勢，這僅能表示更完整的收集到個案，不代表台灣地區的龍捲風有逐年增加的趨勢，當然仍有沒被紀錄到的案例。從1998-2015年（18年）的個案顯示龍捲確定案例共103個（水龍捲72個、陸龍捲31個），年發生頻率約5.7個（水龍捲約4.0個，陸龍捲約1.7個），另外，有8個漏斗雲及18個可疑案例。圖7為1998-2015年各縣市出現龍捲風及海域處現水龍捲總合之位置分布圖，顯示南部地區（臺南、高雄及屏東）發生龍捲之頻率最高，達41.7%（43個），有「龍捲風巢」之稱（劉 1996），其次為東南部地區達20.4%（21個），東南部以水龍捲居多；季節分布（圖8）而言，以5-9月最為顯著，發生次數在11-18次之間，時間分布（圖9）則以14-17時（當地標準時間Local Standard Time 簡稱LST）較易發生，顯示影響臺灣之龍捲主要好發於暖季的午後。與美國的龍捲風個數相比，美國一年約有1500例，而臺灣地區每年平均約5.7例，如果以單位面積來算，美國每千平方公里出現0.153個，而臺灣則為每千平方公里0.158個。這樣算起來，單位面積上臺灣出現龍捲風的次數與美國相當，但以強度而言，臺灣地區龍捲風的強度弱許多。 圖7. 1998-2015年臺灣地區發生龍捲風/水龍捲之位置分布圖，數字為發生次數。（取自張與劉，2016） 圖8. 1998-2015年臺灣地區發生龍捲風/水龍捲季節分布圖，橫軸代表月份，縱軸代表發生次數。（取自張與劉，2016） 圖9. 1998-2015年臺灣地區發生龍捲風/水龍捲時間分布圖，橫軸代表時間（LST），縱軸代表發生次數。（取自張與劉，2016） 柒、臺灣的龍捲風／水龍捲案例 甲、龍捲風-2007年4月18日台南安南龍捲風 2007年4月18日於台南安南發生的龍捲風，該個案是4月18日凌晨1~2點發生的，首先在台南安南離海邊不遠之魚塭地著地（touch down），隨後一路以43.5公里/小時速度往東北東（60度方位角）方向移動，沿途經過安南區、安定鄉、善化鎮、大內鄉等鄉鎮，穿越過台17 、台 17甲、台 19、台19甲、台1、一高、二高 、南科、高鐵、台鐵等重要的道路，持續約40分鐘，路徑總長約47公里（圖10）。可說是筆者有紀錄以來出現時間最久、軌跡最長的龍捲風。 圖10. 2007年4月18日台南安南龍捲風軌跡圖（紅色點）及重要道路圖。 4月18日1點40分之七股雷達回波顯示，（圖11）西北側之強回波帶為鋒面，鋒面向東南方向移動，東側成群之對流胞則往東北東方向移動，紅色點線為龍捲風致災路徑，顯示龍捲風並非發生在鋒面上，而是發生在鋒面前緣之對流胞。本個案如果沒有勘災路徑，將很難說明龍捲風是出現在對流胞上，而非出現在鋒面上。為瞭解此對流胞何時開始被雷達偵測到，從這個時間開始往前追蹤，結果發現往回90分鐘的雷達回波上即找不到此對流胞，顯示此對流胞從初生到有能力產生龍捲風的時間不到兩小時，可見對流胞成長之快速。此對流胞的生成環境為典型「界面型」的龍捲風，破壞力之強很難想像（圖12）是民眾的鐵皮屋遭撕碎的景象。此個案發生在週末凌晨，造成不少災損，所幸無造成人員的傷亡。 圖11. 2007年4月18日七股雷達回波顯示鋒面及出現龍捲風之對流胞，紅色點線為龍捲風之軌跡。 圖12. 2007年4月18日台南安南龍捲風民屋損毀情形。（劉清煌攝影） 8.2水龍捲-2010年8月16日南澳水龍捲 水龍捲是伴隨積雲產生的，從前面的解釋我們瞭解單朵雲產生水龍捲的機會很小，絕大部分是發生在積雲排列成群其中的一朵，有時候連續好幾朵積雲都有可能產生水龍捲，這些積雲一般不會發展很高，約5公里左右。劉與蔡（2011）分析2010年8月16日南澳水龍捲個案時發現，水龍捲的成長、消散過程與這朵積雲本身的成長過程有很密切的相關。一般積雲的發展過程可分為三個階段，即初生期、成熟期、及消散期。這三個時期的界定是根據積雲的降雨狀況，初生期：積雲雲底無降雨；成熟期：積雲雲底有一半面積下雨；消散期：積雲雲底全部是降雨區。若這朵積雲會產生水龍捲的話，在積雲的初生期會出現水龍捲的漏斗雲，隨後積雲繼續成長到達成熟期時，此時水龍捲也發展到最成熟，最後積雲進入消散期，雲底部完全降雨，降雨過程所產生的外流冷空氣會將水龍捲打散，結束水龍捲的生命。 圖13為本案例之可見光為星雲圖，顯示當時的確存在一條雲線（cloud line），本個案之水龍捲發生在雲線其中的一朵積雲。圖14為積雲發展三階段伴隨水龍捲的照片，白色線是花蓮雷達回波等值線疊加於照片上，水龍捲之放大圖置於右下角。在初生期時，積雲下方均無下雨，強雷達回波位於積雲最上方，此時水龍捲前身之漏斗雲剛出現（圖14a）。到第二個時間時積雲到達成熟期（圖14b），回波加強且最大回波值下落到積雲一半高度處，且雲底開始下雨，水龍捲變得比較清楚，且筆直下伸到海面上。到了第三個時間時積雲進入消散期（圖14c）整個雲底都在下雨，且最強回波落到雲底位置，受到這朵雲下雨產生下衝流的影響，龍捲風被下衝流外推而消散。 圖13. 2010年08月16日宜蘭南澳水龍捲。黃色區域為線狀排列的積雲，綠色為產生水龍捲之對流雲。（取自劉與蔡，2011） 圖14. 2010年8月16日南澳水龍捲與積雲成長之三階段，紅色箭頭為水龍捲位置，白色等值線為花蓮雷達回波強度值（dBZ）。（a）為積雲之初生期，（b）為 積雲之成熟期，（c）為積雲之消散期。（蔡沛旻攝影） 結語 龍捲風在台灣並不是一個主要的災害，發生的時間非常短暫，可是致災卻非常的嚴重。台灣平均每年約有5.7個龍捲風及水龍捲，個數相較颱風的3.4個為高。龍捲風主要發生於兩種天氣類型，即界面型及積雲型。從統計資料來看界面型的龍捲風多半為陸龍捲而且強度較強，而積雲型的龍捲風多半為水龍捲強度較弱一些。水龍捲多半發生在海面上，相對的被關注的程度較低，但仍然有一兩個龍捲風造成一些災損。因為龍捲風的尺度非常小，一般的氣象資料無法解析，必須透過勘災過程才能確定龍捲風的發生，其研究方法及資料有別於一般的氣象研究主題，例如勘災、照相術（Photogrammetry），這並非每個人都做得來的，因此鮮有學者願意花時間在這方的研究。但以自然科學研究的角度而言，龍捲風是一個相當有吸引力的研究主題。相望這個議題能引起更多人的關注，以利於累積更多的龍捲風資訊，豐富未來之研究！ 參考文獻 張智昇、劉清煌，2015: 梅雨季台南地區龍捲風致災事件分析。104年天氣分析與預報研討會，A1-12。 劉昭民 1996:台灣的氣象與氣候，常民文化。 劉清煌、張智昇，2004：2003 年伴隨梅雨鋒面所發生之水龍捲及龍捲風，第八屆全國大氣科學學術研討會，桃園龍潭，2004年5月17日至20日。 劉清煌、蔡沛旻，2011：宜蘭南澳水龍捲之分析。大氣科學，39， P117-146。 張怡蕙、劉清煌，2016:2015年7月20日臺南新化龍捲風個案析。大氣科學，44,P237-264。 Bluestein, H. B., 1999: Tornado Alley - monster of the great plains, 180pp. Oxford University Press, Inc. Liu, C.-H, and C. -S. Chang, 2007: A study of 2007-04-17 Tainan tornado. Conf on Mesoscale Meteorology and Typhoon in East Asia (ICMCS-VI), 6-8 November, 2007, Taipei, Taiwan. Wakimoto, R. M., H. V. Murphey, D. C. Dowell, and H. B. Bluestein, 2003: The Kellerville tornado during VORTEX: Damage survey and Doppler radar analyses. Mon. Wea. 劉清煌 中國文化大學大氣科學系副教授

促進「聯合國2030永續發展目標（SDGs）--氣候行動」公民意識與責任的繪本閱讀

文/劉淑雯、黃明宏 現今人類的各種經濟活動對地球自然體系和生活造成巨大衝擊，導致的氣候變遷使得我們自身面臨諸多險境，這些危機如重兵壓境地影響人類的生存，包括大規模農作減產、新型或重現的傳染病、酷熱、旱災、超級颶風、水災和遽升的海平面。而那些導致全球暖化的經濟活動，同時也造成空氣和水的污染、森林砍伐和大規模土地退化，使得物種滅絕等其他嚴重傷害，並且嚴重威脅人類健康，導致疾病、癌症、傳染病和心智健康問題。 依據世界經濟論壇的全球風險報告指出，全球面臨著持續擴大的貧富差距、國際間政治衝突、極端氣候事件、網路系統的脆弱度等多重面向的風險事件 （WEF, 2018）。環顧我們所面臨氣候變遷、經濟發展、社會平權、貧富差距……每個難題皆與全球公民息息相關，因此必須所有國家採取夥伴行動，共同攜手合作才能扭轉當前局勢。2015年，聯合國宣布了「2030永續發展目標」（Sustainable Development Goals, SDGs）17項核心目標，內容涵蓋環境、經濟與社會等面向及各項指標，提供人類與地球現在及未來和平與繁榮的藍圖，引領各國政府、企業、公民團體等行動者，在未來的決策、投資與行動方向，指引全球共同努力，期能在2030年前終止貧窮、改善健康與教育、減少不平等、激勵經濟發展、減緩氣候變遷及保育森林和海洋自然生態、邁向永續資源。 「2030永續發展目標（SDGs）」17項核心目標如下： 目標1 No Poverty／終結貧窮：消除各地一切形式的貧窮 目標2 Zero Hunger／消除飢餓：確保糧食安全，消除飢餓，促進永續農業 目標3 Good Health and Well-Being／健康與福祉：確保及促進各年齡層健康生活與福祉 目標4 Quality Education／優質教育：確保有教無類、公平以及高品質的教育，及提倡終身學習 目標5 Gender Equality／性別平權：實現性別平等，並賦予婦女權力 目標6 Clean Water and Sanitation／淨水及衛生：確保所有人都能享有水、衛生及其永續管理 目標7 Affordable and Clean Energy／可負擔的潔淨能源：確保所有的人都可取得負擔得起、可靠、永續及現代的能源 目標8 Decent Work and Economic Growth／合適的工作及經濟成長：促進包容且永續的經濟成長，讓每個人都有一份好工作 目標9 Industry, Innovation and Infrastructure／工業化、創新及基礎建設：建立具有韌性的基礎建設，促進包容且永續的工業，並加速創新 目標10 Reduced Inequalities／減少不平等：減少國內及國際間的不平等 目標11 Sustainable Cities and Communities／永續城鄉：建設包容、安全、具防災能力與永續的城市和住區 目標12 Responsible Consumption and Production／責任消費及生產：促進綠色經濟，確保永續消費及生產模式 目標13 Climate Action／氣候行動：採取緊急措施以因應氣候變遷及其影響 目標14 Life Below Water／保育海洋生態：保育及永續利用海洋生態系，以確保生物多樣性並防止海洋環境劣化 目標15 Life on Land／保育陸域生態：保育及永續利用陸域生態系，確保生物多樣性並防止土地劣化 目標16 Peace, Justice and Strong Institutions／和平、正義及健全制度：促進和平多元的社會，確保司法平等，建立具公信力且廣納民意的體系 目標17 Partnerships for the Goals／多元夥伴關係：建立多元夥伴關係，協力促進永續願景 （資料來源：https://futurecity.cw.com.tw/article/1867） 圖1. 聯合國永續發展目標SDGs的17項目標（圖片來源） 自1880年至2012年，全球氣溫上升了0.85℃，氣溫每上升1度糧食產量就下降約5%，由於氣候變暖，全球玉米、小麥和其他主要作物產量每年下降4000萬噸。從1901到2010年，由於升溫和海冰融化造成全球海洋面積擴大，海平面平均上升19毫米，北極的海冰面積以每十年107萬平方公里的速度縮小。大氣中二氧化碳和其他溫室氣體含量達到新高，以目前的溫室氣體濃度和排放水準來看，到本世紀末全球氣溫很可能比19世紀高出1.5℃，除非出現某一種情形，世界的海洋將會變暖，海冰將繼續融，即使現在停止排放，氣候變暖的多方面效應也會持續幾個世紀。 天氣模式正在發生變化，海平面不斷上升，天氣事件變得更加極端。氣候變化正在影響全球每個國家，破壞國民經濟，影響人民生活。《2021年全球風險報告》（World Economic Forum: The Global Risks Report 2021）是世界經濟論壇年度分析的第16版，回顧了全球新冠肺炎大流行、經濟衰退、政治動蕩和日益惡化的氣候危機肆虐的一年，探討各國和企業如何面對這些風險採取行動。報告中公布了全球七大「可能性最高風險」與「衝擊最高風險」，除了許多風險圍繞著新冠肺炎傳染病以及其帶來的社會與經濟衝擊，在可能性評估方面，氣候與環境類風險便占了七大風險中的四個項目，包括第一位極端天氣、第二位氣候行動的失敗、第三位人為導致的環境破壞，以及第五位生物多樣性流失。其他風險則為與疫情相關的傳染性疾病（第四位）、數位支配權集中（第六位），以及數位不平等（第七位）。其中，極端天氣已連續五年名列可能性最高的風險第一位，氣候變遷則是此次報告中衝擊性最大、且可能性僅次於傳染性疾病的第二高全球風險。《全球風險報告》用「無人能免疫於它（to which no one is immune）」來形容氣候變遷，它具災難性、且無人能夠倖免。 受2019冠狀病毒大流行的影響，各地實施旅行禁令，經濟發展也有所減緩，因此2020年的溫室氣體排放量預計減少約6%，但這種現象只是暫時的，氣候變化並未暫停，一旦全球經濟開始從大流行病中復甦，排放量預計將達到更高的水準，要拯救生命和生計，就要採取緊急行動來應對大流行病和氣候緊急狀態。近年來世界各國政府花費了大量的時間和精力制定相關計畫，致力於為人民創造更安全和更可持續的未來，將這些行動納入恢復計畫，通過一系列科技手段和行為改變，可以幫助世界從當前危機中恢復過來，並重建更美好的家園。 透過教育和宣傳的歷程，讓全球公民認知我們生存環境所面臨的困境是非常重要的一環，聯合國全球傳播部與國際出版商協會合作成立聯合國永續發展目標圖書俱樂部（SDG Book Club）為每一項目標遴選圖書，這行動的目的旨在鼓勵6-12歲的孩子，通過閱讀17個可持續發展目標相關的世界精選書籍，以豐富有趣的方式了解這些目標，幫助孩子們認識到自己能夠採取哪些行動。各地的年輕人是實現這些永續發展目標的主要力量，可持續發展目標圖書俱樂部鼓勵他們以豐富有趣和引人入勝的方式了解這些目標，幫助他們認識到自己能夠採取哪些行動，使他們能夠有所作為。 聯合國全球傳播部外聯司司長馬希爾．納賽爾說：「知識一直是推動進步的關鍵，書籍，不論其採用何種形式，則是保存和分享知識的手段。我們與國際出版商協會合作成立可持續發展目標圖書俱樂部就是一項重大舉措，以多種語文為兒童和青年提供書籍和故事，使他們了解可持續發展目標以及採取行動實現這些目標的重要意義。」在可持續發展目標圖書俱樂部的聲明中，國際出版商協會主席Michiel Kolman博士說：「想像一下，亞洲的兒童通過中文了解多樣性和包容性；南美洲的小朋友閱讀西班牙文書籍，了解水在其生活中的重要性。所有兒童都應該有機會透過可持續發展目標這面稜鏡來了解和塑造他們的世界。我們確信到2030年可以實現可持續發展目標，希望我們能夠為實現這一重要目標作出貢獻。」 閱讀和學習對兒童的成長和發展至關重要；故事可以激發他們的想像力，提高對於新的各種可能性的認識。該小組成員來自於聯合國（UN）、國際出版商協會（IPA）、國際圖書館員協會聯合會（IFLA）、歐洲和國際書商聯合會（EIBA）、國際作者聯合會（IAF）和國際青年書籍委員會（IBBY），自2019年4月到2020年9月為期17個月，每月陸續公佈為17項目標所遴選的圖書，提供阿拉伯文、英文、中文、法文、俄文和西班牙文的聯合國官方語言書目，收錄內容則包括適用於6-12歲兒童閱讀的各類小說、非小說，以及其他文學類型。 2019年是有記錄以來氣溫第二高的一年，也是有記錄以來最熱的十年 （2010-2019） 的最後一年，高溫引起野火使動物和人類處於危險之中；颶風和乾旱等極端天氣現象也破壞人們的房屋，並迫使他們面臨失去家園的危險！如果地球的溫度持續升高將使海冰融化並使海平面上升，繼續暖化將使許多島嶼和國家將受嚴重的影響，難以保持陸地在水平面之上，數以百萬計的人們和動物面臨失去家園的危險！因此我們必須認真採取氣候行動，所有人都必須做點事情來幫助地球，盡所能地保護環境以避免這種危機的發生，聯合國「2030永續發展目標」即呼籲各全世界國家和公民重視和解決這些問題。本文以「目標13 : Climate Action／氣候行動」為題推薦閱讀書單，分別介紹聯合國網站官方語言中文、英文、阿拉伯文、法文、俄文、西班牙文等六種語言的繪本，並查找亞馬遜網站和各國出版社網站整理如下，這些故事能激發年輕的閱讀者思考如何幫助改善所居住的社區。與此同時也鼓勵家長、教育工作者和所有人一起閱讀所選書籍，並幫助孩子了解可持續發展目標的重要性。 一、英文繪本 二、中文繪本（簡體） 三、阿拉伯文繪本 四、法文繪本 五、俄文繪本 六、西班牙文繪本 筆者整理及簡介上述「聯合國永續發展目標圖書俱樂部(SDG Book Club) 」遴選有關「SDG 13氣候行動」為題的繪本，推薦書目除聯合國六種官方語言（阿拉伯語，中文(簡)，英語，法語，俄語和西班牙語），尚有巴西、印度尼西亞、挪威、葡萄牙等其他語言的內容陸續增加和發展中。 保護地球環境刻不容緩，永續發展更是全球所有國家和公民共同的責任。參閱國際上豐富的題材文本和繪本，國內相關的中文繪本和書籍、出版品不遑多讓，羅列如下提供教育工作者和家長們參考： 一、氣候專題書單 颱風、地震等自然災害雖然總是帶給我們非常多的痛苦，但是也可以適時引導孩子正確的學習，在面對這些災害時能夠保有理性思考。 （一）了解天氣可以先從看到的現象開始，內容知識淺白易懂，引發小朋友的興趣： 1.《天氣100問》 2.《原來天氣是這樣子啊！》 3.《氣候大變遷：魔法校車》、《穿越颱風：魔法校車》（魔法校車/新版） 4.《日漸沉沒的樂園-吐瓦魯》 （二）以漫畫的方式引起小朋友學習動機，知識含量較少但具有豐富的情節，能夠引起小朋友共鳴與討論： 1.《哆啦A夢科學任意門9：百變天氣放映機》 2.《科學實驗王9 天氣與氣候》 3.《科學實驗王15 地震與火山》 （三）具有特殊設計的立體解說圖或是翻翻書，豐富圖像解說科學的現象(如天氣預報中的鋒面圖與颱風路徑圖)，可以更深入地球科學的原理： 1.《小翻頁大發現11：我的地球變化大發現》 2.《HOW酷立體科學大百科：氣候如何變變變》 3.《地球的奧祕立體書》 （四）難度較高的百科類書籍，可以學習更多或做為課堂輔助的學習材料： 1.《國家地理兒童百科：天氣》 2.《國家地理兒童百科：火山與地震》 3.《神奇酷地理5：翻天覆地的地震》 二、中文繪本和書籍、中譯出版品 三、繪本閱讀活動和的延伸行動： 除了閱讀可持續目標相關書籍之外，還可以採取以下行動帶領孩子們深入的學習： 1.引導孩子使用照片或圖畫，製作一張他們最喜歡的書中人物海報，以及相關有趣的小故事，在班級中發表或向同儕們介紹。 2.使用繪畫或圖片代替問題，設計「閱讀尋寶遊戲」，幫助孩子們搜索書中提到的訊息或事實。 3.幫助您的孩子寫信給當地政府代表，並告訴他們孩子在書中學到了什麼，並詢問他們針對特定目標採取了哪些行動？ 4.為年幼的孩子組織一次親子讀書會。邀請孩子的朋友和他們的父母，在當地圖書館或兒童書店討論閱讀清單上的一本書。 5.討論環境保護或可持續發展的小話題，使用社交媒體展示孩子們的圖片、海報或影音視頻短片。 氣候危機迫在眉睫，而且在長遠的未來裡會持續對環境與人類造成衝擊！《全球風險報告》提出了風險警告，但也提供有力的建議：從整體與系統的角度考慮風險的影響、鼓勵國家領導與國際合作、增進風險溝通並打擊錯誤訊息，以及在公私領域上建立夥伴關係，為風險做好準備。本文以聯合國永續發展目標SDG 13 氣候行動：「完備減緩調適行動，以因應氣候變遷及其影響」，從教育的角色出發，鼓勵閱讀各類與氣候相關的知識型繪本，促進兒童和青少年們環境保護的責任和對於氣候變遷的認識，實踐社會責任與貢獻，成為全球環境保護尖兵，共創永續未來，共同守護美麗又獨一無二的地球！ 參考資料 世界經濟論壇：《 2021年全球風險報告》World Economic Forum: The Global Risks Report 2021 臺灣永續發展目標。行政院國家永續發展委員會108年7月。 SDG Book Club。 劉淑雯 臺北市立大學師資培育中心 黃明宏 臺北市小學退休主任

海鮮裡的塑膠危機－探究式海洋教育

文/陳彥嘉、陳麗淑 前言 現代人享塑膠帶來的便利之際，也不知不覺造成環境沉重的負擔。經科學家統計，每年近800萬噸塑膠進入海洋，大型塑膠經光、海浪與鹽分的物理作用，碎化成小於5mm的微塑膠，過程中容易吸附各式環境賀爾蒙與有機汙染物，經浮游動物攝食進入食物鏈，並層層累積到高級消費者，最終可能回到人體內。因此，對於海鮮消費量佔全球第四名的國人而言，海洋塑膠廢棄物不僅是環境問題，更是食物安全問題。 隨著近年相關研究的發展，人們發現微塑膠已入侵生活中各層面，如礦泉水、自來水、貝類與部分魚蝦等。然而，也仍有許多問題尚待釐清，如微塑膠汙染廣泛程度、對生物的影響以及有無自行排出的可能等等。筆者也發現高中課本或環境教育演講中時常提及海洋廢棄物問題的嚴重性，但皆僅止於現象的描述，若能讓學生藉由實驗探討其會對生物的生理、生殖、行為造成的影響，或是生態層面的影響等問題，更能讓學生深入瞭解此環境議題，進而對相關減塑政策或相關行動產生認同感。有鑑於此，科普活動計畫「海鮮裡的塑膠『微』機」與北區高中攜手合作，帶領學生從科學探究層面切入海廢議題，從一系列的觀察、發現、探究、體驗、結論、發表等過程，從先認識科學，進一步以科學為工具來回答問題，再將成果填補知識空缺。 壹、目的 圖1. 計畫架構 希望從科學探究的角度切入海洋廢棄物議題，不同以往直接告訴學生這議題為什麼需要被關注，而是透過親海活動先「看見並體會」再加上「科學探究」與「志工體驗」，透過雙手去了解與探索，進一步體會人類製造的廢棄物對環境造成的影響，以及物品回收再生所耗費的成本。最終以「成果發表」呈現探究過程得到的解答，以及學生參與計畫前、中、後，對海廢議題的看法與態度。期盼能提升計畫參與學生親近海洋、了解海洋與愛護海洋之素養，進而推己及人，為海洋發聲（圖1）。 貳、執行方式 本計畫與八所高中合作，以為期一年的專題研究方式進行，深入了解海洋塑膠汙染議題，並帶領33名高中生針對白蝦、文蛤、牡蠣、魚類等常見海鮮，以及鹽巴和運動飲料等進行檢視。進行9個針對微塑膠議題的探究，分別「進行海鮮體內微塑膠調查」與「微塑膠造成的生理影響」兩大主軸，各校參與學生與探究題目如表1，課程架構如表2。完整的探究過程中，也讓學生透過參訪資源回收站、演講、淨灘等活動，更深入體會回收物的處理過程與海廢的成因。 表1. 計畫合作學校資料表 表2. 課程架構 ＊為戶外課程或實驗示範課程 參、學生探究成果 高中生在升學壓力下，學習範圍往往受課本與考試範圍所限，且科目之間的交集較少，較缺乏跨領域的思考。透過本科普計畫將課程中所學的生物 （水域生態系、人類活動與生態平衡） 、化學 （氧化與還原、酸鹼作用、高分子化學） 與地球科學 （潮汐、洋流） 等知識整合，並實際運用於調查過程中，例如找出適合的潮汐時間以利野外採樣工作之進行，了解生物的生存特性並規劃合理的採集區域等等。讓學生理解即便是生物相關的研究仍需要其他科目的支援，透過跨科目的學習能達到加深學習印象之效（圖2）。 圖2. 參與學生經歷的科學探究歷程 同學們經過一年的努力，在中研院舉辦成果發表會，當天共吸引77位民眾參與，其中有14%為中研院內人員，10%為環保非營利組織與海廢議題研究員，6%為學校教師，36%為大專、國高中及小學生，32%為一般民眾。從這組成顯示參與層面廣泛，且也讓各年齡層感興趣之學生和研究員互相交流討論，對報告學生而言實屬相當難得的經驗（圖3、4）。學生的探究成果也被環境資訊協會（圖5）、台灣動物新聞、Yahoo新聞報導，目前已超過700次點閱與300次分享，除了成為「知識的傳播者」更發揮青少年的社會影響力，對學生而言無非是莫大的鼓勵。 圖3. 計畫參與學生於發表會上合影 圖4. 同學和與會者於會場的交流 圖5. 新聞頁面 除了科學層面的探究之外，透過愛海小旅行（淨灘與回收站志工體驗）與演講等課外活動，讓高中生實際到「現場」瞭解海洋廢棄物的成因，與資源垃圾的處理等等，活動於台北、新竹、台中共舉辦六場次，各場次均有許多非參與計畫之師生一同參與，台北場次之對外觸及率有48%，新竹為74%，台中為83%，顯示當參與學生從探究中實際體認到海廢議題的嚴重性後，便會主動邀及更多朋友一起來認識與了解，也使議題能有效地在同儕與家長間傳播，達到提升國民海洋素養之效（圖6）。 圖6. 淨灘與回收站參訪，了解回收場如何處理回收物 不同於以往環境教育多以勸說式，單向告訴學生應該如何或者不該如何，藉由科學探究的過程，把決定權交給學生，由他們決定海廢議題中他們最想了解的問題，自行設計實驗並試著回答問題，同步訪談學生對海廢議題看法的轉變，多數學生表示雖然從課本、環境教育演講或新聞中都知道海邊正在被垃圾覆蓋，但總感覺距離很遙遠，但實際動手去探究與體驗後，更能感同身受的了解生物的痛苦，甚至有些同學們更主動以自身的研究成果去說服家人、好友減少使用一次性餐具，發揮自身影響力為海洋發聲。影片上傳至YouTube 平台至今已獲得312次觀看、11次分享（圖7）。 圖7. 訪談影片記錄學生參與前後的心得感想 肆、總結 計畫目的為帶領高中生經歷一段完整的科學探究歷程，從提出問題、設計實驗、分析數據，到最後報告研究成果，參與學生無不花費相當大的時間與心力完成，犧牲無數假日、補習時間甚至畢業旅行，完成的研究成果雖有不足之處但高中生們初次登台而言，已表現的可圈可點。合作學校中半數是社區型高中，半數為前三志願，但從成果而言兩者表現相差不遠，這顯示只要給學生機會，社區型高中雖然課業成績不如前三志願，但科學探究之路他們一樣可以走出明媚風光。不少家長與老師也表示看到平常木訥的孩子站在台上侃侃而談，心中充滿驕傲與感動，經過這次機會也讓社區高中之學生信心大增，也可與課業學習較強的學生互相交流。本計畫由科技部科普活動計畫經費支持（107-2515-S-001-001），並於109年轉由國立海洋科技博物館繼續執行（109-2515-S-396-003）。 伍、困難與挑戰 一、同學對做研究的認知落差： 學生對於「做實驗」的認知多為實驗課中食譜式的學習方式，使得學生以為只需跟著上課內容操作即可，不知道需要自行構思探究題目並設計實驗，以至於低估所需花費的時間或超過預計花費時間，對於忙碌的高中生造成時間壓力。經過本次執行的經驗，下次應開宗明義地強調預期花費時間以及達成的標準，並設計篩選機制找出動機較強之學生。此外，學生自行構思的實驗，往往學校現有設備無法配合，故需要額外添購造成學校採購壓力，應要求學生以現有設備器材設計實驗。研擬一個完整有科學意義的題目對高中生而言確實相當花費時間，使學生反映前半段步調較慢，使得後期實驗與數據分析較匆忙。建議應提供大方向或循著前人的框架再行延伸探討，並建議學生簡化題目。 二、評量方式須更精確： 本次以訪談方式記錄與評量，以探究模式引導學生瞭解海洋廢棄物，是否能引起自發性減少使用一次性塑膠產品的行動，從結果而言近80%（33人中有24人）的學生表示參與計畫後生活習慣發生改變，但缺乏改變程度的量化數據，如參與前後一次性餐具的使用次數等等，應建立幾個量化的數據，較能容易了解實行成效。 陳彥嘉 國立海洋科技博物館產學交流組 聘用助理研究員 陳麗淑 國立海洋科技博物館產學交流組 主任

讓化學陪著地球永續發展－淺談綠色化學

文/黃琴扉、林寬禮、施雪雯、陳盈瑗 由於全球氣候快速變遷，世界各地的生態環境、地質地貌、文化更迭均面臨前所未有的轉換，未來的環境問題絕大多數是人們過去從來沒有經歷過的，因此全世界的人們都必須學習與現今的地球共生共存，達到永續發展的平衡 （Ballew, Omoto, & Winter, 2015; Chankrajang & Muttarak, 2017）。為了達成永續發展的落實，2015年9月25日，聯合國（U.N.）於「聯合國發展高峰會」中公布了「翻轉我們的世界：2030年永續發展方針（Transforming Our World: The 2030 Agenda for Sustainable Development）」，其方針中訂立了17項永續發展目標（圖1），希冀該目標成為會員國永續發展指導原則。 圖1. 聯合國17項可持續發展目標 在談論地球永續發展目標中，不可忽略的科學層面，就是化學。生活中的所有一切，都與化學息息相關，包含人類呼吸的空氣、飲用的水、糧食的基本組成、地球上動物與植物的生長代謝反應等，都可以用化學加以說明與詮釋；另一方面，科學與科技的進步常帶給人們便利，這些便利大多來自化學知識的提升，包含將化學能轉換成電能，讓人們有攜帶方便的電池可以使用；設計出農藥降低蟲害，提升糧食保留率；又或者石油化學工業製造出的塑膠，讓早期的人們有便利的塑膠袋可以購物，上述這些內容都與化學息息相關，也是化學知識、技能提升，所帶給世界的便利。然而，這樣的便利，也常導致環境的破壞或隱憂，例如電池電解液的外漏與回收，便是環境議題；農藥在食物中的殘留將造成食品安全問題，而且農藥對生態環境也有巨大的影響；塑膠製品則面臨了無法分解所衍生的環境問題，以及微型塑膠所帶來的環境災害。由上述可以發現，未來的人們必須理解化學、善用化學，才能在人類的生活中保留住好的面向，降低對環境不好的影響。 為了讓化學保留良善的立意，而降低對環境的影響，Anastas和Warner兩位學者於1998年發表了「綠色化學：理論與實踐（Green Chemistry: Theory and Practice）」一書，書中的內容陳述綠色化學的理念是讓化學達到最好的正向效益，並降低對環境的破壞；行政院環保署毒物及化學物質局更明確將綠色化學（green chemistry）定義為「不使用有害、有毒的物質，且不再處理廢物及產生廢物；是一種從源頭完全阻止環境污染的化學，並且強調產品生產過程，不僅要減少消耗量、提升原子利用率，還要避免不必要的衍生物和廢棄物。亦即，從源頭開始，就充分利用原料和能源，減少、甚至無有害物質釋放，以降低對環境的衝擊」（引自行政院環境保護署毒物及化學物質局）（圖2）。 圖2 綠色化學定義之核心概念（本文作者繪製） Anastas與Warner（1998）進一步將綠色化學的理論歸納出12項原則，但是此12項原則的內容較為繁複，因此英國諾丁漢大學（The University of Nottingham）的Tang, Smith和Poliakoff三位學者將綠色化學12項原則，分別以一個英文字母詮釋，因而組成了「PRODUCTIVELY」一字，完整詮釋綠色化學12項原則（圖3）。為了強化讀者理解與思考，本文再將12項原則進行圖示詮釋，如圖4所示。這些原則與理念，都是希望化學可以在確保人們安全、將低危害的情況下提升化學反應的效率，讓化學品的用量減少、效能提高，達到低毒、節能、再生、防廢的環境友善效益，讓整個世界可以發展，也能獲得優質的永續！ 圖3. 綠色化學12項原則（PRODUCTIVELY） （本文作者繪製） 圖4. 綠色化學12項原則與所代表之意義（本文作者繪製） 為了近一步了解綠色化學12原則的意義，本文提供一些舉例進行說明： 1.防廢：所謂的防廢，就是防止廢棄物，這個概念是希望人們在製造化學製品的過程，能盡可能減少廢棄物的產生，而不是在廢棄物產生後才想到處理或清理。在中小學的實驗課程中，老師們如果要帶學生進行實驗，也要盡可能拿捏好實驗所需的原料，以及思考實驗可能產生的廢棄物；換句話說，老師與學生們應該在一開始就思考好，如何將廢棄物降到最低，以免產生廢棄物處理的問題，並且可以降低物質及資源的浪費。 2.再生：所謂的再生，就是希望運用非消耗型的原料來進行化學製程。所謂的消耗型原料是指類似石油、天然氣這類「用完之後短時間難以在產生」的原料，而非消耗型的則類似農、林、漁、牧業收穫的成品或廢物，例如將多餘的廢棄農作物莖梗，轉換成生質柴油，就是再生的概念。 3.簡潔：在有機化合物的合成過程中，為了提升部份官能基的活性，常需要將某些官能基轉換成另一個活性較高的官能基，等到化學反應完成後再恢復原狀。但是，這樣就會需要很多轉換的步驟，而每一個步驟的轉換都可能消耗更多的原料跟能量，為了避免多餘的浪費，綠色化學的概念就提醒我們，應該要在化學實驗的設計上，將步驟精簡，減少不必要的資源浪費。 4.可解：所謂的可解，是期許人們運用化學方法產生的產品，都必須能在大自然中被分解，最終形成無毒、對環境無害的物質。舉例來說，2014年，有三位在倫敦就讀工業設計領域的學生，因為覺得裝水的寶特瓶無法被分解，對環境有很大傷害，因此製作了「Ooho水球」（圖5）。Ooho水球可以當裝水的容器，而該容器也可以直接被吃掉，就算當成垃圾丟掉，也很容易被分解，對環境不會有負擔，這樣的方式就十分符合「可解」的意義喔! 圖5.Ooho水球概念圖 (本圖引自https://agooday.com/archives/1572) 5.保安：保安最重要的概念，就是提醒人們製作化合物的過程與最終產品，都應該進行最安全的設計。例如過去有部份農藥，雖然可以去除農作物的蟲害，提升農作物產量，但是也可能對人體有毒性反應或殘留，這樣就是不安全的；而綠色化學的保安原則，就是提醒人們留意化學製程與產品的整體安全性。 6.催化：催化劑的主要功能，就是改變反應速度，通常是透過降低反應活化能，提升反應速率；一般來說，當反應完成之後，催化劑不會消失，也不會改變，可以重複利用。我們的身體裡也有許多催化劑，在生物學科中通常稱為酶(或酵素)，如果我們可以善加利用催化劑或生物酶，不但可以加速化學反應的效率，也可以運用催化劑不會消失、不會改變的特性，減少物質的浪費喔。 7.節能：節能的定義就是節約能源，許多化學反應都有能量的需求，最常見的就是需要加熱，如果我們可以增加催化劑，讓化學反應在比較低的溫度就可以進行，除去加熱的需求，就可以減少能源的損耗喔! 8.監測：在化學反應的過程中，常可能因為溫度、壓力、溼度等變化，導致反應不完全，因而產生廢棄物、原料多餘，甚至可能產生意外的毒性物質，因此我們必須保持嚴謹而及時的監測，確保化學反應的順暢性，並隨時掌握化學反應原料的使用狀況，避免浪費與其他危害，提升環境保護力與化學製程的安全性。 9.降輔：所謂的降輔，就是降低輔助性物質的使用。在部份化學反應過程中，為了得到某些特殊產物，就必須使用輔助性的溶劑或化學物質。舉例來說，想從廢棄的五金材料中獲得純金，就必須使用許多輔助的溶劑與特殊化合物；但是當純金被分離取用後，這些輔助的溶劑或化合物就會被當成廢棄物處理，而這些廢棄物可能會對環境有不良的影響。因此，降輔這個概念是提醒人們，為了降低環境的負擔，我們應該盡可能減少輔助物質的使用，如果真的必須使用輔助物質，也必須考量這些物質對環境的影響，盡可能降低對環境的衝擊。 10.物盡：物盡的定義，就是盡可能將原料做最高效率的應用，讓所有原料發揮最好的功能，並能最大程度地轉換成產品，不要產生廢棄物。如同第1點提到的，在中小學的實驗課程中，老師與學生們都應該計算好實驗所需的原料份量，並在實驗過程中讓反應條件最佳化，使反應物盡可能完全用完，以減少浪費。 11.低毒：所謂的低毒，就是在化學反應的過程或產品上，應該選擇對人體及環境最沒有傷害性、最沒有毒性的原料、方法或結果。在討論低毒的過程中，要同步考量「性質」與「數量」，有些物質雖然性質上被歸類沒有毒，但是使用超量或是使用方式不正確還是會造成毒性或危害；而部份被歸類為有毒的物質，如果僅是使用微量，也可能不會造成太大的影響。因此，綠色化學採用「低毒」的原則，是希望每個人在日常生活中都能同步思考物質本身的性質、數量與使用方式，降低生活中所有可能的危害。 12.思危：化學跟日常生活息息相關，我們呼吸的空氣、喝的水，都可以用化學來解釋它。但是，部份化學物質具有酸鹼度或危險性，而部份化學製程也可能引發爆炸、易燃等劇烈反應，因此我們應隨時提高警覺，保持居安思危的敏銳度，全面降低化學反應或物質對人體的危害，以及降低其對環境的影響，這就是綠色化學中「思危」的真諦。 由於Anastas和Warner兩位學者的呼籲，引發國內外學者的重視，不但國際間許多化學家均響應綠色化學理念，臺灣大學化學系的劉廣定教授及國立高雄師範大學化學系方金祥教授，都是國內綠色化學實踐的重要推手，劉廣定教授最早在臺灣推廣綠色化學的概念，認為必須將此概念透過教育植入民心（蔡蘊明，2103），而方金祥教授則致力於研發微型化學實驗與教具，用最少的化學原料呈現相同的化學反應、結果與現象，讓化學品用量降低，但學習成效依然十分良好。有賴於國內外學者的推動，以及國內環保署、教育部、毒物及化學物質局等政府機關的努力，綠色化學在臺灣的教育領域及產業領域逐年備受重視。舉例而言，2017年環保署毒物及化學物質局，特別邀請教育部共同聯合舉辦「綠色化學暨毒化災防制部會合作記者會」，推動大專院校毒化防災教育及綠色化學政策，並宣誓跨部會整合共同為臺灣綠色化學教育努力的決心，其推廣內容包含邀請學校老師分享推動綠色化學之經驗及成果，也強調對化學物質所可能引發的潛在災害，進行危機處理的教育，透過正確安全知識的傳遞、防災應變知能的培訓，以降低危險事故的發生；上述點點滴滴的努力，都是臺灣綠色化學推動的基石與前進的動力。 綠色化學在臺灣教育及產業界之推廣已行之有年，許多專家學者也在網站上發表了綠色化學的相關知識與相關研究成果，其資料不但豐富深入，內涵與理念也都非常值得讀者探訪與了解，本文僅就綠色化學的基礎概念進行統整式的陳述，期許透過拋磚引玉，將綠色化學的精神，以及國內外推動綠色化學的能量再次轉動，希冀能獲得讀者的共鳴，了解「環境永續及社會發展」不是平行線，永續與發展透過適當的平衡，是可以帶動全球生活、生態、生產共進共榮的，綠色化學的理念即是如此。衷心的邀請您，與我們一起拾起綠色化學的種子，讓化學陪著地球永續發展吧！ 致謝 本文感謝環保署毒物及化學物質局補助計畫「110年度補（捐）助民間團體及學校綠色化學計畫-研發綠色化學創新教材教法，提升中小學生與一般民眾綠色化學素養」給予的支持。 參考文獻 Anastas, P. T., & Warner, J. C. （1998）. Green Chemistry: theory and practice. Oxford: Oxford University Press. 行政院環境保護署毒物及化學物質局（2021）。何謂綠色化學。20210707檢索自https://www.tcsb.gov.tw/cp-305-2972-75e5e-1.html。 蔡蘊明（2013）。綠色化學（Green Chemistry）-拯救地球的未來。20210628檢索自https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=49978&cpage=1。 黃琴扉 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所 副教授 林寬禮 創藝天時科技股份有限公司 總經理 施雪雯 創藝天時科技股份有限公司 藝術總監 陳盈瑗 創藝天時科技股份有限公司 設計師

行星磁場的形成

文/龔慧貞 太陽系的自太陽本身到行星及較大的衛星大多都觀察到有磁場（現今的金星及火星已無磁場或殘餘部分磁場）。地球磁場的存在除了可幫助導航外，在地球高空（電離層以上）形成磁層，其更形成磁力線敵擋來自太陽風的高能粒子，降低這些高能物質對地球生物的輻射傷害。 地球磁場－發電機理論（dynamotheory） 地球為什麼會有磁場？在1940年後期物理學家W.M.Elsasser提出一個「發電機理論」，那時已經知道地球有液態的外核，他表示要誘發磁力線的產生，需要三個條件：（1）大量可導電的金屬液體，如熔融的鐵液（2）地球的自轉（3）熱與化學成份的對流作用。大家都知道越往地球內部溫度愈熱，外部較涼，因此基本上地球內部會有熱對流產生，也就有物質的傳遞，但鐵鎳合金的成份會隨著溫度的改變而改變，因此它的化學成份也有變化，也會造成對流的現象。金屬液體對流加上地球自轉所產生的科氏力形成捲狀的電流，如圖1，會進而誘發磁場。 圖1. 地核發電機理論模型。（圖片取自維基百科） 仔細看圖中的磁力線，地核裡的磁力線其實還蠻複雜的，但我們在地表看到的磁力線就是從磁南極指向磁北極的封閉曲線，符合現在對地磁的觀察。 近2000年時法國國家科學中心利用一個大型圓筒狀儀器，內裝有150公升的液態鈉，圓桶兩端轉不同方向模擬地核旋轉，直到2006年在高溫、高速旋轉中第一次看到誘發出的磁場，並且有趣的是，每隔一段時間，誘發的磁場磁極方向會改變。在1995年地球物理學家GaryA.Glatzmaier與PaulH.Roberts便提出了理論模型（Glatzmaier―Robertsmodel），並利用電腦模擬重建地球磁場的強度、磁極特性及自發性反轉。這些實驗與電腦模擬的結果，基本上跟我們在地球對地磁的一些觀察是有關連的。第一個，有些人會把地球的磁場想像成一根磁棒，其實不是這樣的概念，將地球磁極想成磁棒會有個問題――它無法解釋磁極漂移的現象。我們的磁南極與磁北極每過幾年就會變換方向、位置，而且它們兩者移動的方向、位置是不一樣的，如圖2，左圖是北半球從20世紀初一直到2005年所測量的磁極位置，它是從加拿大往蘇俄方向偏移，而且速度是越來越快；而在南極（右圖），磁極基本上就在南極洲附近，位移的速度跟距離不如北極這麼快，因此，磁棒的概念很難解釋這樣的現象，發電機理論產生的磁場較能容易解釋觀察的結果。 還有另一個是觀察中洋脊附近噴發的玄武岩的磁性礦物，這些礦物會記錄當時噴發時地球磁場的方向，發現某些地質時間其磁場方向跟現在一樣，有些時間則是跟現在呈相反方向，地磁磁極在轉換的時間是非常短暫的，並沒有地質記錄是看到磁極介於0∘到180∘之間，都是馬上變換（從千年到百萬年之內），若是磁棒的概念，磁極要旋轉基本上會記錄到不一樣的方向，不會只有0∘或180∘，所以前面那些實驗、發電機的概念及地球液態核的觀察是可以幫助我們解釋這些地磁的觀察。 （圖片來源：英國地質調查局British Geological Survey，BGS） 雖然現在我們對地球磁場有了一些定性的理論，但以下的現象仍需有進一步地解釋。例如：像磁極漫遊是如何移動、它真正的機制，另外還有磁場區域性的變化，譬如最近我們一直在討論磁極磁場一直在變弱中，是否代表它要反轉？這也是有些人在擔心的。第四點是地磁反轉及非週期性的問題，圖3是地磁磁場方向的紀錄，黑白部分代表與現在磁場同方向及不同方向，圖上標明的中生代是指恐龍主宰地球的時候，可以發現那時地磁反轉的次數沒那麼高，而新生代（靠近現代）地磁反轉的次數相對於中生代是非常頻繁的，這現象要怎麼解釋？這些都是現在科學家要試著去回答的問題。 圖3. 地球地磁方向（與現在地磁方向比較）與時間的關係 （圖片來源：由Chris Rowan繪製，筆者重繪） 太陽系行星磁場 太陽系的演化使得我們的行星化學成分以小行星帶被分為兩種不同的群組，靠近太陽的行星稱類地行星，它們跟地球類似，都屬於石質的化學成分；而小行星帶外面的行星稱類木行星，與類地行星不同，它們的化學成分主要為氫、氦等元素。類地行星中已知地球有已鐵合金為主的金屬核因為地球內部的溫度壓力使其在所謂「外地核」深度使鐵合金呈熔融狀態在「內地核」深度呈固態（圖4）。其他的類地行星也被認為有以鐵合金為主的金屬核所以生成磁場的機制是跟地球相似。用已知的觀測如果把地球磁場訂作1，剩下的類地行星的磁場都很弱或接近0；而類木行星很有趣，木星磁場球度約為地球的19520倍，土星磁場約為地球的578倍，其它大約在20-50倍間。地球有個熔融的金屬核自轉，那類木行星產生磁場的機制是什麼？氫跟氦或是如何產生磁場？ 圖4. 鐵的相圖。圖中希臘字母代表鐵的結晶結構不同。 （圖片來源：由Soderlind（1996）等人繪製，筆者重繪) 圖5是氫的相圖，描繪氫在不同溫度、壓力下的狀態與結構，氫在常溫下是氣體，高溫或高壓下有了不同的狀態。液態氫與固態氫是我們在日常所知的狀態可是從圖上可看到，到了非常高溫、高壓的時候氫變成了液態「金屬」氫，稍微低溫一點則得到固態金屬氫。其實，當用氣體形容氫的型態時，我們都是用地球表面的觀點，但如果氫是在極度高溫、高壓（如類木行星）的狀態下，這些一般人號稱「氣體」的元素也都可以變成了金屬。圖中綠斜線代表土星/木星內的溫度梯度，可看出氫在土/木星較深處是液態金屬的狀態。 圖5. 氫的相圖。綠斜線代表土/木星內的溫度梯度。 （圖片來源：由Silvera（2017）等人繪製，筆者重繪） 而據我們所知，天王星和海王星內部有很多固態冰（H2O），大家都接受水有氣態、液態、固態，而最近從高溫高壓實驗發現，H2O在非常高溫高壓時會變成「超離子態」，此時「水」還是H2O，但是一個三度空間的結構，氫可以在氧原子之間游走，變成可以導電的狀態。其實不管是金屬氫或水的超離子狀態，在30、40年前理論就已預測有這些狀態存在，但我們做實驗的人到現在才看到。氫、水在高溫高壓下變成可以導電的狀態，加上這些行星也是會自轉，因此這些較輕的類木行星的磁場機制跟地球是很類似的，只是成份不同。圖6是幾個類木行星內部的構造，基本上它們還是有一個小小、石質的核，不過土星或木星外面大部分為液態或金屬氫，這取決於它們的壓力大小。而天王星跟海王星都有冰核，這些冰核基本上都是超離子狀態。這些都是最近從實驗得知，這些物質在高溫高壓下可以呈現這些狀態，幫助我們去推測其它行星磁場形成的原因。 圖6. 類木行星的內部構造 （圖片來源：https://www.astronomynotes.com/solarsys，筆者改作） 結論 太陽系行星磁場的形成機制基本上是跟自身的自轉及行星內部存在有能對流的金屬液。這所謂發電機理論，是可以用來解釋地球上的地質／地球物理觀察及用實驗來展示其可能性。行星地質學家更以高溫高壓實驗探討現類木行星內部狀態及其動力行為。 參考文獻 Silvera et al. (2017) Metallic hydrogen. Journal of Low Temperature Physics, 187, 4-19.（https://link.springer.com/article/10.1007/s10909-017-1748-4） Soderlind et al. (1996) First-principles theory of iron up to earth-core pressures: Structural, vibrational, and elastic properties. Physical Review B,53(21):14063 龔慧貞 國立成功大學地球科學系