前沿

由無人機(jī)拍攝到的危地馬拉圣瑪瑪麗亞火山高分辨率照片以及光學(xué)熱成像照片（右下）

利用無人機(jī)光學(xué)熱成像監(jiān)測(cè)火山活動(dòng)

朱崇愷

由于活火山存在坍塌或爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，迄今為止，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一直是火山學(xué)的一大挑戰(zhàn)。為解決這一難題，德國地球科學(xué)研究中心（GFZ）的研究人員在危地馬拉圣瑪麗亞火山使用無人機(jī)進(jìn)行了一系列光學(xué)和熱成像的可重復(fù)成像研究。

圣瑪麗亞火山的火山口是一個(gè)由黏性熔巖組成的結(jié)構(gòu)，稱為熔巖穹頂，形狀上類似于瓶塞。研究人員使用這些圖像能夠證明，熔巖穹頂在兩個(gè)不同的時(shí)間尺度上顯示出運(yùn)動(dòng)軌跡，分別是穹頂?shù)木徛L和黏性熔巖的快速擠出。該研究發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志上。這項(xiàng)研究的第一作者埃德加·佐恩（Edgar Zorn）表示：“我們?yōu)闊o人機(jī)配備了不同的攝像頭，以不同的時(shí)間間隔讓無人機(jī)飛越火山口，使用特定的立體成像技術(shù)，以前所未有的精度測(cè)量熔巖流和熔巖穹頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡。通過數(shù)據(jù)的比對(duì)，我們能夠確定火山的流速、運(yùn)動(dòng)方式和表面溫度。”這些參數(shù)對(duì)于預(yù)測(cè)火山爆發(fā)的危險(xiǎn)性而言非常重要，研究人員還成功地從這些數(shù)據(jù)中得出了熔巖的流動(dòng)特性。

科學(xué)家在圣瑪麗亞火山的卡連特火山錐上使用的無人機(jī)均安裝有兩臺(tái)攝像機(jī)，一臺(tái)能拍攝高分辨率的照片，另一臺(tái)能夠進(jìn)行光學(xué)熱成像。結(jié)合特殊的計(jì)算機(jī)算法，研究人員能夠通過這些圖像創(chuàng)建出完整而詳細(xì)的3D模型以及溫度模型，其分辨率高達(dá)厘米級(jí)。

盡管無人機(jī)的工作能極大限度降低火山學(xué)家的危險(xiǎn)，但對(duì)于他們而言，更大的挑戰(zhàn)在于模型的后期處理和計(jì)算。“必須精確定位各種3D模型，以便后期進(jìn)行比對(duì)。這是一項(xiàng)艱苦而細(xì)致的工作，但這些努力是值得的，因?yàn)榧词故菢O小的火山運(yùn)動(dòng)也可以即刻被發(fā)現(xiàn)，”佐恩解釋道：“在這項(xiàng)研究中，我們?yōu)榛鹕竭\(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)提供了新的可能，在未來的測(cè)量項(xiàng)目中非常受用?！?/p>

如孔雀羽毛般的寶石智能傳感器

供稿 / 朱崇愷

蛋白石可以呈現(xiàn)豐富炫麗的色彩

由薩里大學(xué)和薩塞克斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)從蝴蝶翅膀和孔雀羽毛的仿生學(xué)中汲取了靈感，以蛋白石為基礎(chǔ)開發(fā)出一種創(chuàng)新材料，該材料可能成為下一代智能傳感器的基石。蛋白石是二氧化硅的水合物，一般具有玻璃光澤或蠟狀光澤。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《高級(jí)功能材料》上。研究人員概述了一種生產(chǎn)光學(xué)晶體的方法，在蛋白石中添加極少量的石墨烯，其可以作為多功能傳感器使用，并在不同條件下產(chǎn)生肉眼可見的不同顏色——傳感器在自然光線下呈現(xiàn)耀眼的綠色，在拉伸之后呈現(xiàn)藍(lán)色，而在受熱之后變透明。

由于晶體材料對(duì)溫度在20～100℃之間的微小變化都十分敏感，該技術(shù)能夠應(yīng)用在食品和藥品的智能包裝上，如易腐敗的食品和藥品，在經(jīng)歷了不同的時(shí)間和溫度條件下，包裝上會(huì)隨之呈現(xiàn)出變化的傳感器，從而為使用者提供視覺提示。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，科學(xué)家建議將傳感器制作成腕帶，該腕帶的顏色會(huì)根據(jù)環(huán)境發(fā)生變化，以提醒醫(yī)療從業(yè)者在進(jìn)入手術(shù)室等清潔區(qū)域之前是否清潔到位。另外，該材料對(duì)壓力具有一定的敏感度和記憶特性，因此也能在生物識(shí)別和防偽應(yīng)用等方面派上用場——當(dāng)用手指按壓晶體時(shí)，晶體上會(huì)顯示出清晰的指紋，可進(jìn)行指紋留存和分析。

利用“陰影效應(yīng)”發(fā)電

供稿 / 朱崇愷

利用光照和陰影區(qū)域之間的明暗對(duì)比度來進(jìn)行發(fā)電

越來越多的智能移動(dòng)電子設(shè)備需要高效且持久的電源供應(yīng)，盡管太陽能電池在室外環(huán)境中發(fā)揮供電作用，但在陰暗的室內(nèi)環(huán)境，其能量收集效率便明顯降低。為解決這一難題，新加坡國立大學(xué)的研究人員展示了一種利用陰影效應(yīng)發(fā)電的方法。研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，來自新加坡國立大學(xué)材料科學(xué)與工程系的助理教授陳瑞深解釋道：“在常規(guī)的光伏應(yīng)用中，人們會(huì)使用穩(wěn)定的光源為設(shè)備供電，因?yàn)殛幱皶?huì)降低設(shè)備的性能。但在這項(xiàng)工作中，我們利用陰影所產(chǎn)生的明暗對(duì)比度作為動(dòng)力的來源。在設(shè)備的陰影部分和受光部分之間形成電壓差，從而產(chǎn)生電流。在陰暗環(huán)境中收集能量的新概念是前所未有的?！?/p>

實(shí)驗(yàn)表明，在陰影存在且明暗環(huán)境不斷發(fā)生變化的情況下，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的陰影電源的供電效率是商用硅太陽能電池的2倍。在模擬室內(nèi)光照的環(huán)境中，其收集到的能量足以為一塊電子手表供電。

數(shù)字

4.4厘米

基因是影響身高的主要因素

眾所周知，基因是影響身高的主要因素。為了進(jìn)一步了解基因?qū)ι砀邥?huì)產(chǎn)生多大影響，哈佛醫(yī)學(xué)院等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)組成的團(tuán)隊(duì)將注意力集中在世界上最矮人群—秘魯人身上。

在一篇發(fā)表于《自然》的論文中，研究人員從秘魯人的體內(nèi)找到了一種對(duì)身高有著深遠(yuǎn)影響的基因變體E1297G。攜帶該基因變體的人，身高會(huì)平均下降2.2厘米，當(dāng)一對(duì)等位基因均發(fā)生突變時(shí)，對(duì)身高的影響會(huì)翻倍至4.4厘米。研究顯示，秘魯北海岸的莫切人含有基因變體E1297G的概率更高，他們的平均身高（男性平均身高為1.58米，女性為1.47米）也比秘魯人的平均身高更低。

100千米

考古學(xué)家利用激光技術(shù)繪制了1300年前的瑪雅石路

考古學(xué)家利用激光技術(shù)繪制了一條長100千米，建于1300年前的瑪雅石路。這條石路貫穿了多個(gè)城鎮(zhèn)，從瑪雅時(shí)期的著名城邦科潘一直延伸至尤卡坦半島上的小鎮(zhèn)。石路沿途建有近萬座建筑，有成千上萬的當(dāng)?shù)鼐用裨诖藚^(qū)域生活，這一發(fā)現(xiàn)再次將神秘的瑪雅文明帶到世人眼前。瑪雅文明植根于中美洲的熱帶叢林，約形成于公元前2600年，主要分布于今天的墨西哥東南部、危地馬拉北部、洪都拉斯西部以及伯利茲和薩爾瓦多等地區(qū)，占地約28萬平方千米，可劃分為三個(gè)生態(tài)區(qū)域：尤卡坦半島、貝登中心區(qū)以及恰帕斯州和危地馬拉高地，這些生態(tài)區(qū)是雨水充沛、河流和沼澤匯集的茂密叢林地帶，而瑪雅文明卻在這片荊棘滿途的環(huán)境中孕育而生，并蓬勃發(fā)展。

聲音

不同時(shí)期以不同方式測(cè)量珠峰，以及對(duì)珠峰高程的多次測(cè)量，反映了人類對(duì)自然的求知探索精神。

——自然資源部第一大地測(cè)量隊(duì)隊(duì)長李國鵬

2020年5月27日11時(shí)，2020珠峰高程測(cè)量登山隊(duì)8名攻頂隊(duì)員成功登頂珠穆朗瑪峰，他們?cè)诜屙斬Q立覘標(biāo)，安裝GNSS天線，開展各項(xiàng)峰頂測(cè)量工作。此時(shí)，距離1960年中國人首次登頂珠峰，已是整整60年。

據(jù)李國鵬介紹，此次珠峰高程測(cè)量的成果可用于地球動(dòng)力學(xué)板塊運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域研究。精確的峰頂雪深、氣象和風(fēng)速等數(shù)據(jù)，將為冰川監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面的研究提供第一手資料。GNSS測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、重力測(cè)量的成果結(jié)合過往的相關(guān)資料，不僅可以準(zhǔn)確地分析目前地殼運(yùn)動(dòng)變化影響情況，同時(shí)也可為后續(xù)的似大地水準(zhǔn)面模型的建立提供準(zhǔn)確的重力異常數(shù)據(jù)。重力測(cè)量成果可用于珠峰地區(qū)區(qū)域地球重力場模型的建立和冰川變化、地震、地殼運(yùn)動(dòng)等問題的研究。

趣聞

疏通太空“大堵車”

隨著商業(yè)衛(wèi)星的不斷增加，大量衛(wèi)星的涌入讓近地軌道不堪重負(fù)，太空面臨著“大堵車”帶來的壓力。據(jù)科學(xué)家估算，目前有約2萬個(gè)物體（包括老化衛(wèi)星和太空碎片）飄浮在近地軌道上，這也增加了新衛(wèi)星發(fā)生碰撞事故的風(fēng)險(xiǎn)。

一項(xiàng)最新研究表明，解決太空垃圾問題最有效的方法不是捕獲碎片或?qū)㈥惻f老化的衛(wèi)星拖離軌道，而是向運(yùn)營商收取軌道使用費(fèi)，軌道使用費(fèi)還將提高航天工業(yè)的長期價(jià)值。

研究人員在美國《國家科學(xué)院院刊》發(fā)表的論文中稱，每顆衛(wèi)星的年費(fèi)上升到23.5萬美元，不僅能降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)，到2040年，還將使衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的價(jià)值增加3倍?！疤帐侨祟惞餐馁Y源，但公司在決定是否發(fā)射衛(wèi)星時(shí)，并沒有考慮到這些衛(wèi)星會(huì)給空間環(huán)境管理帶來多大的成本。”該論文的作者、美國環(huán)境科學(xué)研究所經(jīng)濟(jì)學(xué)家馬修·伯吉斯解釋道，“我們需要一種政策，讓衛(wèi)星運(yùn)營商直接將可能產(chǎn)生的其他費(fèi)用也計(jì)算入發(fā)射成本內(nèi)。”

建造古埃及金字塔需要多少人力

古埃及的吉薩大金字塔建造于4600多年前，迄今仍保存完好，正多邊形的多面體結(jié)構(gòu)，體積達(dá)260萬立方米，原始高度146.6米。由于其歷史悠久，現(xiàn)今人們雖無法確切知道這座金字塔是如何建造而成的，但科學(xué)家基于物理學(xué)原理進(jìn)行了粗略計(jì)算，發(fā)現(xiàn)建造吉薩大金字塔的人力并非古希臘歷史學(xué)家希羅多德估算的10萬勞工那么多。

根據(jù)吉薩大金字塔的重力、質(zhì)量和質(zhì)心，科學(xué)家計(jì)算出建造吉薩大金字塔所需的總勢(shì)能約為2.4萬億焦耳。而每位體重約70千克的成年人處在高強(qiáng)度勞動(dòng)的狀態(tài)下，每天能產(chǎn)生450千焦耳的能量。如果一年的工作時(shí)間為300天，意味著每年需要將近1.8萬人，考慮建造金字塔需要20年，那么每年只需要900人即可。

南太平洋海底發(fā)現(xiàn)活著的遠(yuǎn)古細(xì)菌群

在南太平洋海底深處有著1億多年歷史的巖石里，科學(xué)家驚奇地發(fā)現(xiàn)有機(jī)物質(zhì)碎屑上活躍著密密麻麻的細(xì)菌群。

最新論文中稱，在這些火山巖里，僅僅1立方厘米的空間就存在著約100億個(gè)單細(xì)胞生物，這與人類腸道中的細(xì)菌密度差不多。

由于巖石樣本采自遠(yuǎn)離海底熱泉的地方，這些細(xì)菌恐怕不是被水流隨機(jī)帶入石縫的，它們可能在石縫里“安頓”下來，數(shù)百萬年來繁衍不息，以石縫里黏土中的有機(jī)物質(zhì)為食。

論文的第一作者、東京大學(xué)地球與行星科學(xué)系副教授鈴木庸平說：“在如此匪夷所思的環(huán)境中找到密集的微生物群落，也帶來了在火星等其他星球類似巖石環(huán)境中有微生物存在的希望?！?/p>

（責(zé)任編輯 / 黃盈盈美術(shù)編輯 / 胡美巖）