衛星相撞 = 疫症蔓延？

今次轉轉話題，不說香港的科學事，說一下「世界大事」。

大約一星期之前，某間美國公司的一顆通訊衛星和另一顆已停止運作的俄羅斯衛星在太空中相撞，詳情在網上很容易找到，不贅。有需要的讀者可以到以下網頁：

• Debris From Space Collision Poses Threat to Other Satellites
  
• Satellite Collision Means Tiny Outages
  
• Iridium says in dark before orbital crash
  
• Orbital Debris FAQ
  

軌道上的人造衛星是以極高速度圍繞著地球運行，真實速度視乎離地面高度而定，每秒（沒錯，是秒）8公里是個很好的估算。兩顆衛星相撞而製造出來的兩大團碎片，也是以相似速度圍著地球繼續轉動。若果這些碎片接近大氣層邊緣，被空氣阻力拖慢，很快便會跌入大氣層，與空氣磨擦產生高溫而燃燒殆盡。體積太大燒不淨盡的，通常會跌落海洋（佔地球表面70%）或杳無人煙之地（90%的人口集中在地球20%的陸地）。遠離大氣層的碎片，因處於接近真空而空氣阻力極低之原故，會繞著地球幾十、甚至幾百年不墜，對鄰近的人造衛星、太空站、穿梭機、以至太空人構成危險。

其實美國軍方的U.S. Space Surveillance Network其中一項日常工作就是追縱和監測這些碎片，預測可能發生的「太空碰撞」並發出警告，讓有關單位有充分距離和時間開動引擎，改變航道以避過碰撞。不過，剛剛發生的這次撞擊顯示監測工作總有百密一疏的時候，正如這篇報導所說，美軍方需要監測約18,000件「太空飄浮物」，不可能每時每刻都一眼關七；很明顯，飄浮物日漸眾多，每每令監測單位力有不逮。

最大的潛在危險不在於單一次碰撞，而是連鎖碰撞。一次碰撞產生的碎片，令將來碰撞的機會增加，再碰撞，產生更多碎片，令碰撞機會再增加，如此下去難免不會出現一「碰」不可收拾的情況。當然我不是第一個想到，Donald Kessler（曾任美國太空總處顧問）在1978年已經提出過，這樣的連鎖碰撞因此又名Kessler Syndrome，或ablation cascade。

「連鎖碰撞」令我想起「疫症爆發」。疫症爆發是疾病人傳人，傳至人人自危；連鎖碰撞是衛星撞衛星，撞至碎片處處都係。我想，可不可以把疾病傳播的 model用到研究衛星碰撞的層面？我不是專家，只是說出一個提議，讓外面的專家看看是否行得通。疾病模型當然不能預測個別的碰撞，但能夠揭示什麼情形最有可能導致難以收拾的連鎖碰撞，並避免其發生。參考另一個學科的模型，看看有什麼insights可以借用。

再次強調，我不是專家，以上提議絕對有可能是垃圾。垃圾拋了出來，有人覺得有用便隨便拿去吧。我也寫了英文版的，不是直譯，較詳細，有興趣可以看看：Satellite Collisions = Epidemic?

Satellite collisions = Epidemic?

A satellite collision high up in the Siberian sky has generated a plethora of news in the last few days. I'm not going to belatedly repeat the story and information here. For background, please see the following:

• Debris From Space Collision Poses Threat to Other Satellites
  
• Satellite Collision Means Tiny Outages
  
• Iridium says in dark before orbital crash
  
• Orbital Debris FAQ
  

First of all, I'm no expert in any fields. I'm putting forward the following idea only because I haven't seen anyone mentioning it and I think we might benefit from a change of angle, IF (that's a BIG IF) I got my logic correct. I'll let all the intelligent folks out there to decide whether this is an approach worthing pursuing.

The problem of two things colliding in orbit doesn't stop when all pieces are set flying. The collision produces a cloud of fragments, increasing the chance of later collisions, which produce even more fragments, further increasing the risk of collisions. This scenario of cascading collisions (see Kessler Syndrome) was contemplated by Donald Kessler, a NASA consultant, back in 1978.

Such collisions getting out of control strikes me as alarmingly similar to an epidemic outbreak. Thus, I'm wondering about the possibility of modelling satellite collisions as the spread of diseases. The disease model, if adopted, does not predict satellite crossing points, but can shed light on conditions that might lead to runaway cascading collisions and how best to avoid them.

It is true that there is much object-monitoring and collision-mitigating going on. Some may think that the latest collision is more an example of negligence than inevitability, and the disease model an overkill. However, let me quote a few segments from this article:

• ... Iridium [the company to which one of the colliding satellites belonged] had been receiving a weekly average of 400 conjunction reports from the U.S. Strategic Command's Joint Space Operations Center that tracks debris in space ...
  
• ... so the ability actually to do anything with all the information is pretty limited ... describing a kind of data overload.
  
• Bryan Whitman, a Pentagon spokesman, said it was not possible for the U.S. military to track and predict the movements of all 18,000 objects in space all the time.
  
• "Because there is so much, you have to prioritize what you're looking at," he said. "There are limits on your ability to track and compute every piece ..."
  
• "We did not predict this collision," he said.
  

Apparently, with the number of objects up there, we can't control everything. In addition to 'micro-managing' all the orbital objects, it can be beneficial to take a more 'macro' approach and try to avoid catastrophe if something bad does happen.

In epidemiology, populations are divided into the susceptible, infectious, and recovered, and there are equations describing their dynamics. In orbit, satellites are 'susceptible' to being hit by orbital debris; when the hit is powerful enough to break up a satellite, the new cloud of resulting debris becomes 'infectious' (imagine a sick person carrying a cloud of virulent air around him); when debris gets picked up by some collection mechanism (if we do introduce such at some point in the future), it is removed from the environment, 'immuned' from further collisions. Lastly, for objects we CAN monitor, control, and thus in no risk of being hit in the first place, they are the vaccinated.

Admittedly, there are differences. The susceptible and infectious somewhat overlap, because a satellite has the potential to hit and be hit. And it might not be clear how to represent the cloud of debris: as many individual infectious agents moving in a formation, or as one agent that is somewhat more infectious than usual. I suppose the differences can be taken care of. (Then again, I'm no expert.)

Treating satellite collisions as human infections, we have:

• the susceptible: anything that may get hit and potentially cause more hits after being hit;
  
• the infectious: anything that can hit;
  
• the recovered (or removed) and the vaccinated: anything that we can control and will not be hit.
  
• even the dead: anything that re-enters the atmosphere.
  

To all you intelligent folks out there, does it work? Can we apply insights from epidemiology to cascading collisions?

Granted, it is premature to worry about a 'collision outbreak' at this moment. But 40 years ago, neither would anybody worry about two satellites colliding.

化學家與火車卡

上回說到科大唐本忠教授與幾位內地學者發展出一枝「高科技銀針」，可以探測有毒物質cyanide（即山埃）的存在，就像我國用（真正的）銀針試探砒霜這傳統的現代版。讓我們回顧這枝「高科技銀針」的特性：正常情況下，它會發出瑩光；但浸入含有銅的水中，便會熄滅；再浸入含有山埃的水中，便再次發光。換句話說，它同時是銅和山埃的探測器，由於山埃的毒性，方便快捷地對之進行偵測和量度在實用層面有其價值；不為一般人察覺的，是這枝「銀針」還有著更深層的化學意義--關鍵在於這枝「銀針」的物料，一種用嶄新方法合成的「膠」。

日常生活遇到的塑膠、車胎的橡膠、衣服的尼龍，化學上統稱為polymer，即「聚合物」。其實體內的蛋白質也是polymer的一種；在這篇文章，我們會集中討論人工製造的polymer。

塑膠、橡膠、尼龍，看似不同，但它們的分子（molecule）都是由許多許多基本上相同的「單元」串連而成，不同的polymer擁有不同的單元。如果polymer是一列火車，其單元便是車廂，不同的列車（運牛、運煤、載人）有著不同種類的車廂。

Polymer有趣之處，就是容許加添「附件」；為每個車廂加上燈泡，列車便會發光；要偵測污染物麼？裝上感應器便可以了；探測到污染物之後要熄燈？設計一個電子線路容許感應器控制燈泡便行。化學家就像是polymer的工匠，不斷manipulate這些「車廂」，嘗試添加各式各樣的「附件」，希望創造出擁有嶄新功能的「列車」。

在真實的化學世界，事情卻不是想像的那麼簡單。不要忘記，那些「附件」和「車廂」本身都是化學物，兩者走在一起是會互為影響的，因此沒有必然的燈泡，沒有必然的感應器，也沒有必然的控制線路。化學家憑知識和經驗估計某種「附件」配合某種「車廂」可能達致某種效果，但真實的情況只有試過才知道。再者，化學家不是用鏍絲把「附件」裝進「車廂」，而是需要設計一個chemical reaction把兩者結合在一起；能否設計出一個合適的reaction，就要看他的造化了。

概括地說，製造有功能的polymer知易行難；首先，「附件」跟「車廂」未必能夠結合；結合了的「製成品」功能也未必盡如人意，一切要看兩者的interaction。

很明顯，「高科技銀針」的出現，代表著一個新的polymer的誕生，一個「附件」跟「車廂」的嶄新組合。

左圖是「銀針」的單元的分子圖，整枝「銀針」便是由許多個這樣的單元串連而成。不要給那些符號嚇倒，還記得一點化學的讀者應該知道C是炭，H是氫，N是氮，至於那個六角形和五角形只是一些化學家經常碰到的分子群組，一般讀者只需要知道這是一「團」分子已經足夠。

附件甲不太重要，它的存在令整個結構比較穩定，例如遇熱不易分解。

車廂是一連串的炭分子，這種車廂叫polyacetylene（它是其中一種可導電的非金屬，發現此特性的科學家在2000年拿得諾貝爾化學獎）。這是polyacetylene第一次被用作「偵測器」的材料，「高科技銀針」於化學界的意義，此其一。

附件乙是車廂和附件丙之間的橋樑。讀者要記著化學物之間不是機械式的依附，連接的過程不是上鏍絲般簡單，化學家通常會首先設計一個reaction合成許多完整的單元，再用另一個reaction把單元串連成polymer。對於「高科技銀針」，「正常」的做法是嘗試造出｛車廂-甲-乙-丙｝這個單元，再把之串連。可是這做法不是永遠行得通，要視乎化學物之間的相容性，偏偏這一次就是行不通，要另想辦法。唐教授與幾位內地學者便是首先造出｛車廂-甲-乙｝（缺了丙，這是一個不完整的單元），把之串連，然後再把丙補上。利用這種較「另類」途徑製造，「高科技銀針」於化學界的意義，此其二。

在文章的開頭，說到這物料是瑩光的，由於篇幅所限，箇中的科學原理不在這裡詳述；簡單來說，瑩光是源於車廂和附件之間某些特殊的interaction，假如物料的分子結構因為某種原因被改變或扭曲，導致車廂跟附件之間的interaction有所轉變，瑩光便會熄滅。

現在讓我們看看整個故事的主角--附件丙。當「銀針」被放進含銅的水裡，水中的銅便會依附著附件丙，「銀針」的分子結構被扭曲，瑩光也因而熄滅。可是丙和銅之間的吸引力不算強，當遇到山埃，銅被山埃吸引過去，「銀針」的分子結構得以還原，於是再次發光。因此，丙可說是銅的「直接」感應器，也是山埃的「間接」感應器。可以「直接」感應山埃的「附件」十分罕見，以這種「間接」方法偵測則屬首次，「高科技銀針」於化學界的意義，此其三。

一項研究成果背後的科學意義，往往與其表面的實用價值風馬牛不相及，寫這類文章的挑戰，是怎樣在遠離實用層面的同時，仍能夠寫得具體和保持讀者的興趣。你下次搭火車的時候，希望你記得這篇文章。 =)

現代銀針

以銀針（或銀筷子）測試食物是否有被下毒是我國傳統「飲食文化」之一；銀針變黑代表食物有毒，這是國人的傳統智慧。究竟銀針為什麼遇毒變黑？簡單來說，是毒與銀之間發生了化學作用，在針的表面產生了一層黑色的物質。

最廣為人知的毒藥--砒霜，其化學名稱是Arsenic Trioxide(As₂O₃)，中文叫作「三氧化二砷」。當砒霜遇到銀針，它含的那幾個氧（即分子式中的「O」）便會被銀（Ag）搶去，形成暗黑色的「氧化銀」，銀針的黑色由此而來。

其實一般的銀器放久了，表面也會變黑，這也是因為銀與空氣中的氧氣結合形成「氧化銀」之故。銀與空氣的化學作用進行得很慢，反之，銀與砒霜的反應十分迅速，因此銀針是一種很有效的「砒霜探測器」。嚴格來說，銀針只能夠測試食物中是否有砒霜，而非是否有毒。只不過以砒霜作為毒藥是如此的「普及」，久而久之我們便在兩者之間畫上等號，銀針於是被誤以為可以偵測（所有）毒藥。

除砒霜以外，cyanide（氰化物，俗稱山埃）也是一種常見的有毒物質。它由一粒炭（C）和一粒氮（N）組成，分子式是「CN」，它能以氣態的hydrogen cyanide(HCN)存在，也能以固體如sodium cyanide(NaCN)或potassium cyanide(KCN)存在，當然也能溶於水中獨立存在。

近代歷史對cyanide並不陌生；第二次世界大戰德國納粹黨便是用hydrogen cyanide這毒氣來屠殺猶太人；服食cyanide以自殺的，包括希特勒本人及被譬為現代電子計算機之父的Alan Turing。殺人並非cyanide的唯一功能；其實它自然存在於某些食物當中，例如菠菜、杏仁、竹筍，只是份量很少，不會對健康構成傷害；反之，人類某些活動，如開採金礦、鍊鋼、使用農藥、污水處理，可能會排出不少cyanide進入水源和泥土之中。在實驗室，我們當然有能力量度任何化學物的濃度；可是，若要即時實地、方便可靠的監察，科學家們仍在努力，尋求製作一枝探測cyanide的「高科技銀針」。

去年，香港科技大學的唐本忠教授與幾位內地學者便發展出這樣一枝「銀針」（備註[1]）。當然，「銀針」只是比喻，它不是銀造，也不是一支針，只是用途像銀針般可以快捷可靠地偵測某類有毒物的存在。

這枝「銀針」是用一種會發出瑩光的「膠」造成，當這「膠」被浸入含有銅（Cu）的液體，它的瑩光便會熄滅。

你說：「這是偵測到銅啊，哪是偵測cyanide？」你說得對，這枝「銀針」可以用來探測銅，但這並不代表它不能探測cyanide。

把這枝熄了的「銀針」放入含有cyanide的水中，它又會發亮起來！

讓我說說箇中原理。這種「膠」會發光是因為它有某種特殊的分子結構，當它遇到銅的時候，銅會黏附在它的表面，改變了令其發光的分子結構，瑩光便熄滅了。幸好，這過程是可逆轉的，當cyanide把銅從「膠」的表面搶走，回復「膠」原本的分子結構，它便再次發光了。

讓我們把高科技和傳統的銀針作個對比。傳統的銀針是把毒素（砒霜）中的氧搶過來，令自己變黑；「高科技銀針」是讓毒素（cyanide）把銅搶走，令自己再次發亮。殊途同歸，又一例。

這「高科技銀針」當然有其實用價值；站在基本科研的立場，它卻有著另一層意義--關鍵就在那種「膠」，一種以嶄新方法製成的「膠」。

時間所限，今天寫不了那麼多，下篇再續。

備註：
[1] Qi Zeng, Ping Cai, Zhen Li, Jingui Qina, Ben Zhong Tang, An Imidazole-Functionalized Polyacetylene: Convenient Synthesis and Selective Chemosensor for Metal Ions and Cyanide, Chem. Commun. 2008, 1094.