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【TORI在台中Short Stay EP. 4】親愛的,海把它變小了!

「挑戰者深淵」是目前已知的全球海洋最深點和地表最深處,深約11,000公尺,壓力是海平面的1,100倍,水壓高達每平方公分1,000公斤重,相當於三部運動休旅車一起壓在腳的大拇指上。2020年6月,美國伍茲霍爾海洋科學研究所(WHOI)的林穎聰博士成功搭乘小型深海潛艇,潛入西太平洋馬里亞納海溝的挑戰者深淵(Challenger Deep),成為全球第12名解鎖「潛入地球最深處」成就的科學家!然而,科學家探訪挑戰者深淵的人次遠少於外太空,「海水壓力」是其中一阻力。

海洋覆蓋地球表面70%以上的面積,其平均深度將近3,700公尺,從空間觀點來看,海洋是存在地球表面以下的空間,而人類對於海洋的瞭解不及5%,主要因為深海環境具備下述特性:
(一) 太陽光線僅能照射到海平面水深200公尺以內區域。
(二) 海洋水深每下降10公尺,壓力約增加1大氣壓(atm)。
(三) 海水表面溫度隨地區與季節變化顯著,水溫隨深度增加而降低,全球海洋的海水平均溫度約為4oC。



請試著想像一下,若你/妳生活在伸手不見五指、常年低溫、食物貧乏且高壓的海底世界,會是什麼感覺呢?前三項條件能夠輕易意會,但壓力是怎麼一回事?這裡說的「壓力」,指的是來自於四面八方的水壓。



日常生活中,我們也與「壓力」共存,它就是「大氣壓力」!雖然肉眼看不見、摸不著,卻深深影響著我們的日常。舉例來說,當我們使用吸管喝「QQㄋㄟㄋㄟ好喝到咩噗茶」,能夠喝到茶、吃到料,是因為我們吸走了吸管內的部分空氣,形成管內跟管外之間的壓力差,吸管內部的壓力是小於1大氣壓,而吸管外面的飲料承受的壓力較大,於是大氣壓力將管外飲料推入吸管內,飲料就被送進我們的嘴裡。



除了口頭分享「大氣壓力」存在的案例外,相信沒有比現場實作還來的有說服力。今年的「科學家的秘密基地」,TORI規劃一實作區,以700毫升的純白保麗龍杯作為實驗對象,並提供色筆,供參觀民眾彩繪杯身,最後再放入TORI自製的壓力艙內。將艙內注滿水、上蓋鎖緊,以確保與外界空氣阻隔。當一切就緒,由工作人員操控加壓器,將艙內壓力逐步增加到150磅/平方英吋(psi),此時艙內的壓力相當於水下100公尺深度所存在的壓力。隨著艙內壓力慢慢增加,保麗龍杯的體積也有了變化,不是扭曲,而是等比例縮小成迷你版的模樣,非常可愛!



▲ 民眾彩繪保麗龍杯後,置入高壓艙內,觀察杯子的體積變化



為什麼保麗龍杯會縮小呢?保麗龍是由聚苯乙烯加入發泡劑後,加熱製成的較輕材質,保麗龍重量很輕,其中約90~95%的體積是空氣。保麗龍是具可壓縮性的材質,當壓力改變時,其體積也會改變。海洋中,每下降10公尺便會增加一個大氣壓力。以保麗龍杯而言,將其下放至水下10公尺深度時,所承受的壓力從1大氣壓變為2大氣壓,而體積會縮減為原來的二分之一;下放至水下30公尺深度時,所承受的壓力則增加至4大氣壓,其體積會縮減為原來的四分之一,那麼,將保麗龍杯下放至水下100公尺深度,其所承受的壓力是幾個大氣壓?而體積又會縮小為原來的幾分之幾?