2010年2月22日星期一

科学松鼠会

来自"科学松鼠会"的最新文章,如果您不希望再收到此邮件,请退订;如果您需要更换其它邮箱接收邮件,请点击这里

厨房实验党之咖啡啊你快些凉

Mon, 22 Feb 2010 14:03:00 +0800

还在过年,再贴篇轻松的吧。:)

BOBO曾经问我是不是在厨房里做饭也当实验来做,我说我在实验室里已经做得够多,回到厨房里就懒得再做了。不过有些东西如果当实验来做还是很有趣的,我就想忽悠一些实验党。杨杨在签名档里有一句"喜欢一切一切好玩的",所以就当仁不让地成为了第一个被忽悠的实验党员。每次想起什么有点意思的厨房实验,我就说"杨杨,有个好玩的实验,想不想做……"。

最近的这个是如何让热咖啡凉得更快,其实是蒂斯在《分子美食学》里讨论过这个问题。问题分为两个:一是说如果要在一杯热饮料(比如咖啡或者茶)里面加凉的东西(比如牛奶),我们可以先加进去等它凉,也可以让它先凉一会儿再加,那么哪种方式凉得快呢?二是,我们都知道一边搅拌一边吹气可以让它凉下来,如果只吹气或� �只搅拌, 哪种方式更有效呢?

杨杨不愧是实验党的优秀党员,纠结了一阵,说:虽然我很想知道答案,但是为了不让预设的结论影响实验结果,还是先试一下再说吧。

第二天,杨杨说:试过了,结果是搅拌的凉得快……于是乎,事情大为不妙——在蒂斯的书里,他的结果是"吹的情况下每分钟下降6度而搅拌的情况下每分钟下降3.5度"。难道弄凉咖啡也有"水土问题",要出现"中国特色"的结论?好在定性地做一下这个实验比较容易,于是我决定自己动手。

把两个同样的杯子放在桌子上,倒进大致同样多的开水。一杯用嘴对着水面吹,另一杯拿把小勺不停地搅——好在飘飘睡觉去了,不然非得认为爸爸在发什么神经。几分钟之后,用手拿起杯子已经能够感觉到差别——吹的那杯要凉一些,各自喝一口感觉就更加明显。

其实在边吹边� 的过程中,已经可以想到为什么杨杨的结论与蒂斯不同。一方面,凉得快慢跟搅拌速度有关,也就是说不同的搅拌强度会得到不同的冷却速度;另一方面,不仅吹的强度会影响凉得快慢,吹的角度也会有很大影响,如果杨杨吹得时候要保持着淑女风范——对着杯子轻轻哈气,从语言角度来说也是"吹",但是咖啡凉得速度就会很慢。

如果是这样,蒂斯的叙述就相当不严谨了。于是我回去重读原文,发现他其实对"吹"和"搅拌"都加了一个副词:vigorously。由此看来,当一个人对于"吹"和"搅拌"都很尽力"剧烈"的情况下,"吹"的效率就足够显示出来了。这再一次说明,即使不是读专业文献,认真仔细还是有必要的。

从理论分析来看,这个结论也是合理的。为了简化,假定杯子保温性能很好,那么咖啡变凉就主要由杯子口的那部� �散热速度决定。在那里,水的温度传给附近的空气,空气再把热量传走。在搅拌的情况下,整个杯子中的水温能够快速混合均匀,也就是说搅拌使整杯水的温度总是相同。而在吹的情况下,杯子中的水只能靠自然对流来让表面上变凉了的水下沉,而杯子下面高温的水上浮。这样,杯子中的水混合就不如搅拌均匀。但是,吹气的时候把被水面上方被加热的空气吹走了,再流过来低温的空气。这样带走热量的效率就比搅拌产生的空气流动要高多了。而且,吹的角度越小,热量被带走的速度就越快。在吹和搅都尽量"剧烈"的情况下,吹就胜出了。

而第一个问题就比较好控制。两杯开水,一杯直接加凉水,稍微搅拌一下;另一杯过几分钟在加同样多的凉水,也搅拌一下。这个过程操作情况的影响不大,就容易得到一致的结果。与上面的分析类似� 水的变凉主要由杯子上方的散热决定,而散热快慢取决于热水和周围的温度差,以及有效的散热面积。加了凉水之后,水的温度下降了,所以温度差会降低,而有效的散热面积几乎没有变化。在后加凉水的情况下,杯中的热水处于高温,因而温差更大,散热效率更高。当完成与凉水的混合之后,它的温度就比一开始就加了凉水的那杯温度要低。

所以,当你请客人喝咖啡的时候,把煮好的咖啡和伴侣分别端上来,除了方便客人自己掌握伴侣的用量,还可以——让客人早一点喝到嘴里。

返回顶部

困局下的合作:美欧联合火星探测

Mon, 22 Feb 2010 10:30:43 +0800

紧缩的预算迫使美国宇航局和欧洲空间局在火星探测上开展合作。经过一系列的讨价还价,新的方案终于浮出水面……

火星是否曾经拥有生命?大西洋两岸为了回答这个问题而耗费数十亿美元的尝试都面临着扑朔迷离的未来。欧洲空间局(ESA)缺少资金来执行它雄心勃勃的计划——在2016年把一个火星着陆器和一辆火星车送上火星表面。美国宇航局(NASA)则深陷"好奇"号火星车(原"火星科学实验室")成本上升以及进度滞后的泥潭,这使得它正在不断地蚕食其它探测任务的资金。

为了避免"各自为战",美国和欧洲的科学家以及管理层一致认为,两个空间机构之间必须开展前所未有的合作。为此,他们正在筹划一个为期10年、影响深远的合作计划,计划将以2016年的联合火星任务拉开序幕,并且在十年之后以采集火星样本返回地球的方式把整个合作推向高潮。ESA科学主管戴维·索思伍德(David Southwood)坚信,这项合作是一个巨大的转变,但必须用不同以往的方式来考虑火星探测。同样,NASA的科学主管爱德华·韦勒(Edward Weiler)也英雄所见略同,认为双方必须联合起来。


[图片说明]:欧洲局科学主管戴维·索思伍德(左)和美国宇航局科学主管爱德华·韦勒(右)。

这一新举措背后的经济因素是显而易见的。单单一个采样返回任务,耗资就可达60亿到80亿美元,这是任何一个空间机构都无法独自承担的。但是这两个空间机构和科学界首先要做的是克服众多的政治、文化和技术上的挑战。一些美国人担心ESA还没有准备好来参与火星表面的复杂探测计划,而欧洲则担心受制于 NASA一年一度的预算"口水仗"。但无论如何,双方的最终目标还是一致的。

不断膨胀

当然,NASA和ESA之间的合作并非首次。ESA长久以来一直是国际空间站的成员,它还为NASA的卡西尼土星探测器制造了深入土卫六大气的"惠更斯"探测器。同样,NASA也计划为ESA2016年的"火星生命"(ExoMars)任务支付两台重要仪器的费用。但这些还算不上是真正意义的双边合作。通常资金更充裕的NASA拥有最终的决定权,而另一方的科学目标必须向它靠拢。但对于目前的联合计划来说,两个空间机构会较以往"平等"得多,都会有用武之地。例如,ESA和NASA会轮流向火星表面发射着陆器,然后另一方则发射一个相对廉价且在技术上也相对容易实现的轨道器,或者为此提供相关的硬件。

ESA对于联合任务的兴趣源于其"火星生命"计划的难产。 ��为旨在向火星发射一系列无人和载人航天器的"极光"计划的一部分,"火星生命"探测计划在 2005年的ESA预算会议上得到了有力的支持。从那时起,科学家们就开始不断为"火星生命"增添新的内容,这也致使它的成本水涨船高。2007年春,计划委员会批准了"火星生命"计划的扩编,它包括了一个环火星探测器、一个静态的火星地面站以及一辆带有钻探采样设备的火星探测车。按照设想,"火星生命" 着陆器会像花儿一样打开,并释放出一辆270千克重的探测车,它会向地下钻探2米来监测有机物,并且进行和火星生命有关的地质化学研究。

2008年,ESA的17个成员国批准为"火星生命"拨款11亿美元,但目前仍有1.95亿美元的缺口。ESA目前唯一的火星探测任务是"火星快车"。尽管它在2003年成功进入火星轨道,但由英国制造的"小猎犬"2号着陆器则在降落的过程中与地面失去了联系。


[图片说明]:"火星生命"探测者(概念图)。版权:ESA。

现在,"火星生命"探测器的重量和结构的复杂性已经远远超出了当初的计划。举个例子,其地质物理套件的预计重量达到了原先的三倍。额外增加的重量需要额外的火箭燃料和探测器空间,这就会使得成本上升。ESA似乎并没有足够的资金来实现整个"火星生命"计划。这就意味着这个计划要么减小规模,要么邀请NASA参与。

2009年3月下旬,欧洲的工程师和科学家聚会荷兰,商讨"火星生命"上23台仪器的未来,这23台仪器中有两台将由NASA提供。与此同时,索思伍德也不愿意看到"火星生命"过份地"缩水",而且ESA在火星表面的存在将使得欧盟可以和"山姆大叔"并肩站立。

但是一些美国科学家则担心ESA缺乏执行这样一个复杂计划的经验。NASA前官员、现为美国 ��坦福大学物理学家的斯科特·哈伯德(Scott Hubbard)曾经对此表示过怀疑,因为ESA从来没有在火星上成功着陆过,而且"火星生命"要比"好奇"号复杂得多。

互相依靠

NASA在30年前就把探测器送上了火星表面,其触角也已遍布了太阳系的各个角落。但是现在它仍然需要一个"肩膀"来依靠。最近由于技术难题和4亿美元的成本增加迫使900千克重的"好奇"号推迟2年发射。这一超支会蚕食未来其它的火星探测项目资金,并且还会危及到NASA十年来每两年发射一个火星探测器的计划。

这一战略计划源于1996年的一篇论文,在论文中,科学家声称发现了火星陨石中可能是生命化石的证据——但从那以后这一证据的可靠性就大打折扣。而 1999年两个火星探测器的失败打乱了NASA原先的计划,同时,2008年时任NASA科学主管的艾伦·斯特恩(Alan Stern)对于主流火星探测任务又提出了加速开展采样返回的要求。但是科学家们却认为这不切实际。

虽然NASA现在要求未来的火星任务必须严格受制于预算,但它还是计划在2016年向火星发射一个轨道器——"环火星科学探测器"(MSO)。其上的一台科学仪器将用来监测诸如甲烷这样的气体,同时它的照相机还将为未来"好奇"号的着陆地点选择提供数据,它的通讯系统还将为未来NASA和ESA的火星着陆器提供数据中转服务。


[图片说明]:工作中的"好奇"号火星车(概念图)。版权:NASA/JPL。

然而,"好奇"号的成本上涨使得NASA只剩下了7亿美元来运作这个项目,远远小于所需的数额。NASA同时还承诺为"火星生命"制造两台仪器,为此向原有8千万美元预算追加的5千万美元也将来自MSO的经费。为了适应紧缩的预算,NASA提出限制探测器所携带仪器的数量。布朗大学行星科学家、 NASA火星顾问委员会主席约翰·马斯塔德(John Mustard)说:"5亿美元能干多少事情?不多。"

根据眼下糟糕的预算形势,美国科学家似乎也认为与ESA的合作将是生死攸关的,但究竟如何来操作,大家各有自己的想法。一些工程师和科学家倾向于一个综合的2016年火星探测计划。在这一方案中一枚美国、欧洲或者俄罗斯的火箭将向火星发射一个NASA的环火星探测器,然后它会向火星表面释放"火星生命"探测车。到2018年,NASA和ESA互换角色,ESA的环火星探测器将向火星表面投下NASA计划中的价值13亿到16亿美元的火星车。一个用于监测火星地质物理状况的着陆器网络则将在2020年部署到火星上。采样返回任务的第一部分将在2022年发射,另一半则会在2024年进行。NASA会负责将采集到的火星样本送上轨道,然后由ESA负责将样本在两年后送回地球。

但是这种轮番上阵的做法也遭到了批评。"火星� 命"首席科学家、法国的空间物理研究所(IAS)的让-皮埃尔·比布林(Jean-Pierre Bibring)担心,有美国甚至还有俄罗斯参与的2016年联合火星探测任务最终会推迟到2018年,这样一来就会比最初的计划晚了5年。他认为如果"火星生命"实现了它的科学目标,那么2018年的火星着陆器就显得似乎没有必要了。

其实,比布林更希望看到美、欧双方都在2018年着手开始样本返回任务。他认为,大家没有道理一直等待下去,夹在美、欧之间的计划无非是政治和经济因素的产物,完全是对时间和金钱的浪费。

新的方案

经过一系列的讨价还价,ESA委员会于2009年12月17日批准了新的"火星生命"计划。这一决定为ESA和NASA将于2016年和2018年发射的三个联合火星探测项目亮起了绿灯。这些新项目将由ESA领导,耗资8.5亿欧元。

2016年将首先发射"火星生命痕量气体轨道飞行器"。它将探测火星大气中甲烷等痕量气体,而� �近的发现则显示火星大气中甲烷的含量异常。虽然它的科学载荷(由NASA和ESA共同制造)有待最终确定,目前的计划已经包括了高分辨率照相机和大视场照相机。火星生命痕量气体轨道飞行器上的高分辨率相机可以达到每像素1米~2米的分辨率,它将用于寻找释放出这些痕量气体的源头,并且监视火星全球和局部的天气。大视场照相机则将用于获得火星大范围的图像。此外它还将携带一台特殊的仪器——太阳掩食傅立叶变换红外分光仪。当太阳光穿过较厚的火星大气时,分光仪通过测量不同气体的吸收谱线就可以探测出大气的成分。


[图片说明]:欧洲空间局委员会批准的联合探测新方案。版权:ESA。

火星生命痕量气体轨道飞行器除了自身的使命之外,还会携带一个小型的"进入—下降—着陆"(EDL)演示装置,为计划于2018年着陆火星的两辆火星车做准备。此外,"火星生命"探测车将大幅突破原有的概念重新设计。NASA则会建造一辆能沿途分析土壤和岩石样本的火星车。

虽然,ESA已经造访过了太阳系中的其它行星,但现在拥有了一个能提升技术实力并与伙伴长期合作的新计划。这种合作对于欧洲步入国际性空间探测是重要的一步。

共同的旗帜

无疑,ESA委员会通过的新方案是欧、美合作的良好开端,但是将这一合作真正落到实处还会遇到许多复杂的问题。NASA和ESA的目标是由双方各自来负责制造每个任务中的不同部件,以此避免在 ��合复杂硬件的过程中遇到的从运输到进口限制等方面的困难。

一个大障碍是,欧洲缺乏类似NASA这样长期计划的传统。在目前的经济严重衰退时期,ESA的成员国批准整个造价高昂的火星计划本身就可以算得上是一个"奇迹"。索思伍德承认,当前正面对着这样一个心理障碍,而大家也必须和习惯于一次只执行一个任务的各成员国精诚合作。同时,他和其他的欧洲人也注意到,NASA对长期计划的偏爱并没有充分地考虑到美国国会年度预算审议结果的不确定性。

韦勒也明白,和ESA的合作还需要他去强力游说。他清醒地知道,自己可能是NASA里唯一一个相信与欧洲合作是正确抉择的人,最艰巨的任务是要让所有比自己职位低的人以及NASA的各个中心都能理解合作的意图和价值。

这些中心——特别是建造火星着陆器和火星车的喷气推进实验室� �—也许很不乐意放开美国对火星探测的主导权。喷气推进实验室向来不遗余力地通过它的工业界合作伙伴以及加州在美国国会中的强大代表来巩固它在太阳系探测中的核心地位。但是韦勒倾向于相信,喷气推进实验室的主管们最终会意识到,轮流执掌火星任务总比维系一个行将破产的项目要强得多。

除此之外,美欧之间的合作还会遇到其它微妙的障碍。缺乏合作的经验也会带来很多麻烦。而当欧洲科学家管理火星计划的时候,他们也必须克服 索思伍德所说的"那一点小小的自卑感"。

但是双方的管理层都相信,对这一合作来说,机遇总是大于挑战。心理问题和国籍的不同会带来障碍,但科学家们要实现这个宏伟的火星探测计划,齐心协力地扛起共同的旗帜才是最重要的。

(本文已刊载于《中国国家天文》2010年第2期)

扩展阅读

  • 下一站火星?

    登陆火星要比你想象得难得多,但绝非不可能的任务……

  • 火星探测风向标:从水到宜居环境

    寻找水一直是火星探测的指导方针。但未来的火星探测将从水转向对火星宜居环境的详细研究,期望能以此揭示出火星环境的历史、甚至是有关地外生命的新发现……

  • 为火星探测寻找最佳着陆地点?

    行星科学家们正在为下一代火星车寻找既安全又有科学价值的着陆地点,但是资料显示恐怕鱼和熊掌不可得兼……

  • 下一代火星车在哪儿着陆?

    自发走到一起的行星科学家们正在为下一代火星车平安驶过资金的泥潭和科学的荆棘而不懈地努力……

  • "凤凰"涅磐

    北京时间2008年5月26日上午7时53分成功着陆在火星的北极,它将第一次真正意义上分析火星上的水,并且探测土壤是否能承载生命……

  • 火星土壤的秘密

    30年来科学家们一直坚信火星的土壤中不存在有机分子。美国宇航局的"凤凰"号探测器能推翻这个结论吗?

  • 和时间赛跑的"凤凰"

    揭秘"凤凰"号在火星上的157个日日夜夜……

返回顶部

此邮件由系统自动发送,请不要直接回复该邮件,该服务由Feedsky提供技术支持,祝您使用愉快。

没有评论:

发表评论