行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
全球暖化環境下大地工程科技之應用研究--子計畫四：全
球暖化環境下西南部軟岩導熱與保水特性之研究
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 整合型
計 畫 編 號 ： NSC 98-2221-E-151-051-
執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日
執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學土木工程系
計 畫 主 持 人 ： 許琦
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：陳致融
碩士班研究生-兼任助理人員：郭建彰
碩士班研究生-兼任助理人員：吳俊賢
處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢
中 華 民 國 99 年 10 月 31 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
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■成果報告
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成果報告
成果報告
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□期中進度報告
期中進度報告
期中進度報告
期中進度報告
全球暖化環境下西南部軟岩導熱與保水特性之研究
計畫類別：□個別型計畫
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整合型計畫
計畫編號：NSC98－2221－E－151－051
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執行期間：98 年 8 月 1 日至 99 年 7 月 31 日
執行機構及系所：國立高雄應用科技大學土木工程系
計畫主持人：許琦
共同主持人：
計畫參與人員：吳俊賢、郭建彰、陳致融
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：
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精簡報告 □完整報告
本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：
□赴國外出差或研習心得報告
□赴大陸地區出差或研習心得報告
□出席國際學術會議心得報告
□國際合作研究計畫國外研究報告
處理方式：
除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年
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二年後可公開查詢
中 華 民 國 99 年 10 月 15 日
摘要
摘要
摘要
摘要
在全球氣候暖化潮中，依據中央氣象局科技研究指出台灣地區的暖化程度是鄰近之國家 的2倍之多。氣候暖化不僅使地表溫度上升，地表岩、土層的保水因地溫的上升而氣化，衍生 多而劇烈的工程災害。故本研究旨在應用大地工程科技來探討全球暖化環境下台灣西南地區 泥岩導熱特性，藉由熱探針的實驗結果，顯示泥岩層內溫度上升1℃，泥岩的熱傳導係數會有 0.032W/mK~0.041W/mK的變化。 關鍵字:全球暖化，泥岩，熱探針。ABSTRACT
Due to global warming, Rests on the Central Weather Bureau science and technology research to point out the level of global warming in Taiwan is two times more than neighboring countries. It makes the land surface temperature go up, which causes the surface rock moisture and soil level to gasification. It leads to more and severe engineering disasters. The study was made by using Geotechnical Engineering to discuss the mudstone characteristics of heat conduction in Taiwan’s southwestern area under global warming.Through the experiment by using thermal probe, it proved that the temperature in the mudstone goes up 1℃,and the measurement of thermal conductivity also goes up from 0.032W/mk to 0.0412W/mK .It’s hoped to provide information to people who are engaged in geotechnical plan、design and constructing.
Key words: global warming，mudstone，thermal probe。
一
一
一
一、
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、前言
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前言
前言
前言
近年世界各地亦頻頻發生因全球暖化所帶來的種種危機，環境變遷的問題已成為大眾所 關心的課題。根據世界氣象組織(World Meteorological Organization)以世界各地氣象測站溫度 所做的統計研究，全球平均地表溫度的年平均值，在過去一百年大約上升0.5℃~0.6℃[1]。在 這全球暖化過程中，直接的衝擊是長期性氣候變異，間接的影響則是經由氣候變異促使各地 自然與人文環境的變遷。依據陳昭銘(2000)研究指出台灣亦屬於氣候變遷的高危險群，因為 百年以來，台灣本島的平均溫度增加了1.3℃，是全球平均值的兩倍[2]。全球暖化不僅使地表 溫度上升，地表岩、土層的保水因地溫的上升而氣化，自然災害發生的可能性亦將大增，如 何在新的環境變動中掌握災害發生的機制及判定準則亦是全球暖化過程中人類可以避開災害 的重要關鍵之一。 從工程觀點而言，西南部軟岩有其特殊的工程困難點是不爭的事實。倘若全球氣候持續 暖化，地表溫度漸漸上升之際，廣達一千餘平方公里之西南部軟岩，勢必在熱浪與暴雨的交 替作用下，衍生多而劇烈的大地工程災害外，乾而燥熱的微氣候，也將妨礙居住環境品質與 經濟作物生長。有鑒於工程與環境的交互性之影響，而凸顯科技與人文合一的重要。因此，本計畫研發 與應用大地工程科技來探討全球暖化環境下西南部軟岩導熱與保水特性，並期能藉由大地工 程的研究方法來建構岩體分類指標與保水、導熱性質之關連性，以提供全球暖化時在本區從 事大地工程規劃、設計與施工之參考。
二
二
二
二、
、
、研究目的
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研究目的
研究目的
研究目的
本計畫第一年以現地監測科技研究軟岩的導熱與保水特性，擬研發現地監測系統建構，初步 擬定本系統包括溫度感測器與加溫設備以及擷取、記錄、電源供應等系統。利用鑽孔埋設儀 器鑽取岩樣，用以進行室內、外基本物理性質及熱傳導試驗，並在鑽孔內埋設自行研發之地 溫監測器。並將所擷取數據分析，整理歸納現地監測與室內試驗結果，以探討泥岩熱傳導性 與地溫的變化。三
三
三
三、
、
、文獻探討
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文獻探討
文獻探討
文獻探討
3.1 熱探針法於泥岩適用性探討熱探針法於泥岩適用性探討熱探針法於泥岩適用性探討熱探針法於泥岩適用性探討 本研究以 ASTM D5334 為依據，其試方法是適用於溫度變化在 20℃到 100℃的材料熱傳 導係數試驗，同理也適用於原狀和重塑土試樣，並也適用於現場和實驗室軟岩材料。試驗原 理係將熱探針插入試體中，並提供已知穩定的電壓，再配合先行量測得知熱探針的電阻，以 計算出熱探針的熱功率，並配合於熱源的中心點所量測的溫度與時間關係，如圖 1 所示。由 圖 1 曲線中直線段的斜率可獲得式(1)~(4)之計算式。利用這些公式，就可求得材料的熱傳導 係數[4]。(
)
(
)
− = − = 1 2 1 2 1 2 10 1 2 ln 4 Q 4 Q 30 . 2 t t T T t t Log T T π π λ (1) 上式中:Q 表示輸入之單位長度的熱源，即 Q L EI L R I Q 2 = = (2) 在(1)、(2)式中; λ表示熱傳導係數；T 表示溫度;I 代表電流;R 代表示電阻阻抗;E 則為電 壓。 若將圖(1)的直線段以線性回歸，即可獲得式(3) t A T ln 4 Q πλ + = (3) 換言之，從直線段的斜率 m，帶入式(3)即可求得 λ 值，如下式: m 4π Q = λ (4)熱探針法除可快速且精準地完成試驗外，在量測過程中因溫度所引致的水分遷移的現象 遠較穩態法小，而可適用於含有水份的泥岩。為了使熱探針符合線性熱源的假設，其長度必 須盡可能大於其直徑外，試體直徑亦必須盡可能大於熱探針的直徑之 10 倍，以避免邊界效應 的影響[5]。
另外，由於熱探針置入泥岩時需要引孔埋入，而鑽孔與熱探針間的淨空隙將形成熱阻， 並將嚴重影響熱的擴散。依據 ASTM D5334 建議熱探針在插入前需塗抹一層導熱泥，其導熱 泥係數需大於 4(W/mK)。因此本文進行室內實驗與現地實驗均將淨孔隙填滿導熱泥。依據張 家銘(2006)以熱探針法量測大地材料熱傳導係數之適用性研究，指出鑽孔的淨空隙如能小心 地塗佈導熱泥將可大幅消除熱阻效應，而且並認為以 3W/mK 與 7.8W/mK 導熱泥試驗量測結 果差別不大，同時亦獲得試體直徑與熱探針直徑比大於 10 時，試體邊界的影響不顯著，當比 值大於 12.5 時，升溫曲線相當一致，代表試體的尺寸足夠大，邊界效應即可加以忽略[6]。
四
四
四
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、研究成果
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研究成果
研究成果
研究成果
4.1 試驗材料試驗材料 試驗材料試驗材料 4.1.1 泥岩 本實驗中之主要研究材料為廣佈在西南部的泥岩。室內測試試驗用之試體係取自半屏山，現 地實驗則選在本校燕巢校區，且為瞭解其基本物性，亦從現地取回泥岩試樣進行基本物性試 驗仍依據 CNS 5087、CNS 5088、CNS 5090、CNS 11776 進行阿太堡限度、比重及粒徑分析 等試驗。基本物性試驗結果，如表 1、2 所示。 現地實驗結果與鄰近地區先前研究結果比較，比重與旗山及田寮之泥岩相近。此外，再 與本校燕巢校區行政大樓的地質調查報告比較，在 5m~10m 之泥岩的含水量約為 11~14%， 故本實驗現地含水試驗與現況相近。另外，液性限度 LL 與鄰近地區相近，但塑性限度 PL 則較接近田寮地區。此外，本研究之兩試孔地質亦稍有不同，S01 為黏土含量較高為青灰色， 而 S03 濕潤狀態時黃色砂岩較不明顯，乾燥後砂岩黃色非常明顯，故塑性限度 PL 與縮性限 度 SL 有所差別。 4.1.2 導熱泥 本研究採用之導熱泥，其熱傳導係數為 5W/mK，符合 ASTM D5334 之要求。 4.2 試驗試驗設備試驗試驗設備設備 設備 熱傳導係數的量測方式係根據 ASTM D5334 熱探針量測法規範。儀器設備主要包括有熱 探針、資料擷取系統及電源供應器(如圖 2)，兹分別簡介如下： 4.2.1. 熱探針 本研究中所採用的熱探針，其外觀為一細長不銹鋼管，其直徑 3.2 ㎜，長度 90 ㎜與 45 ㎜，各一隻，由於室內實驗採用 50 ㎜直徑之泥岩試體，計算兩者直徑比(50 ㎜/3.2 ㎜為 15.63) 已大於 12.5，可滿足規範需求。至於現地試驗，因無邊界效應的問題，所以採用長度 183 ㎜， 直徑 8 ㎜的熱探針，共計 24 支。熱探針的內部結構分為熱源與溫度量測兩部份。 4.2.2. 電源供應器 本試驗系統採用交流電 110V 轉直流電 5V/12V，最大電流 5A，轉換後電源可供應熱探針 以及資料擷取器使用。 4.2.3. 資料擷取器 資料擷取器採用 16Bit 類比數位轉換器(A/D)，並連接 PC 電腦，且配合自行撰寫之資料 擷取軟體進行數據之擷取。4.3 試驗試驗步驟試驗試驗步驟步驟 步驟 4.3.1 熱探針試驗步驟 本研究先在實驗室以泥岩試體進行熱探針應用於泥岩熱傳導係數量測可行性評估與其可 適用現地試驗之熱功率律定，以便於現地實驗系統之設計。因為熱探針功率會影響加溫狀況， 例如功率不足時，因其輸入功率小，對於待測試體加溫有限之情況下，其各溫度量測值相對 的變動就較大，因此其無法準確找出升溫直線段，對求取係數值時相對誤差亦較大。反之功 率太大，則會因材料無法將熱源快速傳導出去，而易造成試體內測溫點的溫度升溫幅度過高， 使得斜率增大，致使計算所得之值偏低。因此須找出適合泥岩試體之功率，使其升溫值較為 穩定，讓直線段部分明顯，俾以讓所求得之係數值相對也較穩定且準確。為達成上述之目地， 並避免淨孔隙的熱阻效應，本試驗首先以 3.2±0.5mm 鑽頭進行鑽孔後，並清除孔內粉土再灌 滿導熱泥，再將熱探針塗上導熱泥後緩緩放入試體內，並將多餘之導熱泥排出，避免淨空隙 內有空氣，造成熱阻而無法量得較準確溫度。其次，接上 6V~12V 等不同直流電源，並將溫 度感測線接至資料擷取器，再以每秒 2 筆速率擷取及記錄溫度數據。 4.3.2 現地試驗程序 本研究以高雄應用科技大學(燕巢校區)為現地實驗場地進行研究，試驗程序係先以挖土 機挖掘至未風化之泥岩，再以人工進行整平以避免凹凸不平成為回填後積水區。此外，為記 錄層理與節理，特以粉筆依節理及層理處繪出更明顯之紋路，並加以拍照紀錄外，也在坑壁 量取走向、傾向、傾角。對於現地含水量，則取回土樣進行基本物性之實驗，作為日後測得 數據分析的參考。其次，依標定埋設位置埋設熱探針，如圖 3 所示。埋設熱探針之方法首先 進行鑽孔，並注入導熱泥，而且在熱探針上塗抹一層導熱泥後再緩緩放入，且應注意淨空隙 內有否空氣產生，以避免造成溫度量測時之誤差產生。
4.4室內試驗結果室內試驗結果 室內試驗結果室內試驗結果 本文為探針較適用於泥岩熱傳導係數試驗之熱功率，分別得以 5 ㎝、10 ㎝高之泥岩試體， 進行以Φ3.2 ㎜熱探針法試驗，除接以 6V~12V 不等 DC 電源，並擷取記錄溫度上升與加熱時 間之關係如圖 4 與圖 5 所示。本實驗加溫之狀況設定為 70℃附近，以避免加溫之數度太大或 太小，而造成加溫的線性斜率過大或過小，所計算之熱傳導係數過小或過大。從試驗結果顯 示以 7V 或 8V 之熱探針加溫時，於 15min 內即可達約 70℃。因此，以其求得之加熱功率(w/m2 ) 可適用於泥岩材料的現地試驗。據此，計算現地試驗所使用Φ8 ㎜熱探針，並選用 12V DC 電 源，功率為 42W 較為符合現地實驗使用。 4.5現地試驗結果現地試驗結果 現地試驗結果現地試驗結果 4.5.1 初始溫度之影響 本文現地實驗所使用熱探針為直徑Φ8 ㎜、長度 183 ㎜，加熱電壓及熱功率分別為 12V 與 42W。 每試驗區以每孔 8 支熱探針進行現地實驗。圖 6 係以本文 T8 為例，於現地泥岩溫度 27.8℃開 始加溫至 70℃開始回溫降至趨於穩定之狀態。如此反覆三次，若將得各加溫階段繪製成 log(t)~T 圖，如圖 7 所示。從圖可發現第一次加溫初始溫度 27.8℃狀況斜率較大，而二、三 次加溫狀況越來越緩和，斜率也越來越小，故將其數據套入式(1)與式(4)，所得之熱傳導係 數由小變大，即由 2.29 W/mK 上升至 2.55 W/mK。 4.5.2 ASTM D5334 法與回歸分析法比較 本實驗數據經由半對數座標繪圖後，採 ASTM 方式將溫度上升之直線段之兩點數據(如圖 8)
帶入式(1)求其熱傳導係數為 2.61 W/mK。若以線性回歸(如圖 9)求得直線斜率，再依式(4)求 得其λ值為 2.55 W/mK，兩者相差 0.06 W/mK，誤差值為 2.3％。由此得知 ASTM D5334 演算 法比較於線性回歸所得出熱傳導係數，兩者差異性不大，但線性回歸取對數平均法相較於 ASTM D5334 以目視判斷，較為快速客觀而且可由線性迴歸係數得知試驗之變異性。 4.5.3 泥岩的熱傳導系數 由現地實驗中，在上午9時至11時，泥岩的地溫約26.2℃~27.7℃之間。於此時刻測得泥岩 的熱傳導係數約2.245 W/mK ~2.315 W/mK。另外，從反覆加溫試驗得知，隨著初始溫度上升 熱傳導係數也會跟著上升，而從圖10可知當岩溫上升至36℃時熱傳導係數2.6 W/mK。若將圖 10加以回歸可獲得泥岩在26℃~36℃時初始溫度與熱傳導係數之間係，如式(5)所示。從式(5) 可知初始溫度每上升1℃，平均熱傳導係數增加0.0367 W/mK。表3則為不同試驗編號測得熱 傳導係數與初始溫的回歸方程式及迴歸係數。從表3可知，初始溫度上升1度，熱傳導係數也 會跟著上升0.0323 W/mK ~0.0419 W/mK。 λ＝0.0367Ti＋1.2734 ; R2＝0.8033 (5) 4.6 含水量對熱傳導系數的影響含水量對熱傳導系數的影響 含水量對熱傳導系數的影響含水量對熱傳導系數的影響 由於現地泥岩的含水量變化不大，因此與熱傳導係數的關係並不顯著，如圖 11 與其回歸 式(6)所示。另外，因現地之泥岩並非重模實驗之泥土，受大自然之壓密岩化形成之泥岩，故 岩石密度較高，且泥岩屬於低透水性材料，所以含水量於短時間內改變不大，然而，由回歸 式尚隱約可得知含水量上升 1%，熱傳導係數約上升 0.037 Wm/K。造成熱傳導係數增加，推 測係因水的熱傳導係數優於泥岩顆粒的熱傳導係數之緣故。 λ＝0.1803ω＋2.2043 ; R2＝0.0184 (6)
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、結論
結論
結論
結論與建議
與建議
與建議
與建議
以熱探針法量測泥岩之熱傳導係數，於現地實驗因多次加溫使得泥岩初始溫度上升，依據 ASTM D5334 試驗規範實驗後結果，熱傳導係數也會隨著初溫而上升，而初溫每上升 1℃熱 傳導係數也會增加 0.032W/mk~0.0412W/mK，平均增加 0.037W/mk；換句話說當台灣地區暖 化使得泥岩溫度上升，亦將會造成泥岩熱傳導係數上升。然而由於現地泥岩含水量變化不明 顯，因此含水量對泥岩之熱傳導係數之關係在本研究中並無顯著。此外，本文係研究的初步 成果，依試驗規劃，本研究所設計之系統將長期進行現地試驗量測，藉以探討全球暖化對泥 岩熱傳導特性及其影響，並冀以提供在本區從事社區開發規劃、設計與施工之參考。參考文獻
參考文獻
參考文獻
參考文獻
1. World Meteorological Organization, 1996: WMO statement on the status of the global climate in 1995. World Meteorological Organization, Switzerland, WMO-No. 838, 11pp.
2. Jones, P. D., 1994：Hemispheric surface air temperature variations: A reanalysis and an update to 1993. J. Climate, 7, 1794-1802.
3. 陳昭銘、汪鳳如，2000，「台灣地區長期暖化現象與太平洋海溫變化之關係」，中央氣象 局科技中心。
4. ASTM, "ASTM D5334：Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure," Annual Book of ASTM Standards, Vol. 0409, No. (2000). 5. 田永銘、朱正安、張家銘、鐘富誠、陳婕，2006，「熱探針量測法應用於大地材料之適用 性」， 岩盤工程研討會論文集，台南，第 669-678 頁。 6. 張家銘，2006，以熱探針法量測大地材料熱傳導係數之適用性，國立中央大學研究所碩 士論文。 圖 1 半對數座標圖 DC 電源供應器電源供應器電源供應器電源供應器 泥 泥 泥 泥 岩岩岩岩 資料擷取器資料擷取器資料擷取器資料擷取器 熱探針 熱探針熱探針 熱探針 PC 電腦電腦電腦電腦 圖 2 試驗設備 ℃ T2 T1 t2 t1 直線上升段 ln t(sec) m
長:250 深:160 T7 T8 T5 T6 T10 T9 T1 T2 T3 T4 T N E S W 熱探針 層理與節 理交會處 深:100 深:110 深:130 長:270 長:220 長:260 排水溝 排水溝 排水溝 排水溝 圖 3 S01 熱探針埋設位置圖 5cm 試體加熱狀況 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 10 100 1000 10000 時間，t(sec) 溫 度 ， T (℃ ) 圖 4 5 ㎝試體加熱圖 10cm試體加溫狀況 20 30 40 50 60 70 80 1 10 100 1000 10000 時間，t(sec) 溫 度 ， T (℃ ) 圖 5 10 ㎝試體加熱圖 6V 7V 8V 9V 10V 11V 12V 9V 8V 7V 6V
20 30 40 50 60 70 80 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 時間 溫 度 (℃ ) 圖 6 T8 現地加溫狀況
T8-溫度上升圖
20 30 40 50 60 70 80 1 10 100 1000 10000 時間，t(sec) 溫 度 ，T (℃ ) 27.8 33.3 37.6 圖 7 T8 溫度上升之狀況 30 40 50 60 70 80 1 10 100 1000 時間，t(sec) 溫 度 ，T (℃ ) 圖 8 ASTM 分析圖 47.033 28 375 68T8-回歸分析圖
y = 8.2541Ln(x) + 18.807
R
2= 0.999
30 40 50 60 70 80 1 10 100 1000 時間，t(sec) 溫 度 ，T (℃ ) 圖 9 線性回歸圖 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 24 26 28 30 32 34 36 38 40 初始溫度,Ti(℃) 熱 導 係 數 ,λ (W /m K ) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 回歸線 圖 10 S01 初始溫度與熱傳導係數關係 y = 0.0018x + 2.2043 R2 = 0.0184 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 2.27 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 含水量,ω(%) 熱 傳 導 係 數 , λ ( W m / K ) 圖 11 含水量與熱傳導係數關係 λ=0.0367Ti+ 1.2734 R2 = 0.8033表 1 泥岩試體基本物性 樣號 NO. 顆粒分析 含水量 ω(％) 阿太保限度 比重 GS 礫石 (％) 砂 (％) 粉土 (％) 黏土 (％) 液性限度 LL％ 塑性限度 PL％ 塑性指數 PI％ M0505 0 4 53 43 6.9 34 19 15 2.70 M0510 0 40 36 24 11.5 33 17 16 2.70 表 2 現地泥岩物性試驗表 樣 號 NO. 外觀 顏色 顆粒分析 含水量 ω(％) 阿太保限度 比 重 GS 礫石 (％) 砂 (％) 粉土 (％) 黏土 (％) 液性限度 LL％ 塑性限度 PL％ 塑性指數 PI％ S01 青灰 0 23 57 20 11.41 30 21 9 2.71 S03 黃 0 24 59 17 11.88 28 22 6 2.71 表3 溫度線性回歸表 樣號 線性 R2 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 λ= 0.0352 Ti + 1.3253 λ= 0.0374 Ti + 1.2747 λ= 0.0386 Ti + 1.2185 λ= 0.0400 Ti + 1.1991 λ= 0.0419 Ti + 1.1651 λ= 0.0371 Ti + 1.1819 λ= 0.0328 Ti + 1.3949 λ= 0.0323 Ti + 1.3717 R2 = 0.85 R2 = 0.84 R2 = 0.89 R2 = 0.89 R2 = 0.90 R2 = 0.80 R2 = 0.88 R2 = 0.91
