大象為什麼要啪嗒啪嗒搧動大耳朵？
― 耳朵是排掉體熱的「散熱板」
大象的大耳朵，不只是用來聽聲音的。那對薄薄的耳朵布滿了血管，每搧一次，就把血液裡的熱散到風中。這是體型太大、熱量容易積在體內，又幾乎不會流汗的動物才有的巧妙設計。
在動物園的象舍前，大象正慢慢地把大耳朵前後搧動，啪嗒、啪嗒。
你大概會想，牠是在趕蟲吧。確實也有這個原因。不過仔細觀察就會發現，越是炎熱的午後，耳朵搧動的次數就越多。
大象到底用耳朵在做什麼呢？
理由只有兩個
熱是在身體內部產生，再從身體表面散出去。體型變大時，表面增加的速度趕不上內部增加的速度。而且大象幾乎不會流汗。
大象的耳朵是一片薄薄的皮膚，背面浮著粗大的血管。流過那裡的血液，把熱交給搧動耳朵所產生的風，稍微變涼後再回到體內。
我們一個一個來看。
體型大，為什麼熱會積在體內？
請想像一顆骰子。邊長變成 2 倍時，表面積是 2×2，變成 4 倍。但內部的體積卻是 2×2×2，變成 8 倍。請看圖 1。越是放大，相對於內部，表面就越不夠用。
動物的身體也一樣。產生熱的是肌肉和內臟這些「內部」，排掉熱的是皮膚這個「表面」。小老鼠的表面積相對太大，熱很快就散掉了。反過來，大象產生的熱就很難排出去。
人熱的時候會流汗，汗水蒸發時會帶走熱。但據說大象幾乎沒有能分泌汗水的腺體。以體重約 5 公噸的龐大身軀，卻用不了汗水這種強力冷氣。
耳朵是怎麼排掉熱的？
這時候就輪到耳朵派上用場了。非洲象的耳朵光是一片，就大得和成年人的身高差不多。厚度很薄，背面有粗大的血管像樹枝一樣散開。
溫熱的血液流過這片寬大的板子時，會把熱交給周圍的空氣。搧動耳朵，被加熱的空氣馬上被換掉，新的空氣又能接收熱。這和用扇子搧風會覺得涼，是同樣的道理。變涼的血液回到體內，在身體裡循環，又把熱帶回來。
這裡有個重點：只有在「耳朵比周圍空氣溫暖的時候」，熱才會從耳朵散出去。請用圖 2 的滑桿，改變看看周圍的氣溫。
氣溫 25℃ 時，經計算，從耳朵散出的熱，可達休息時身體所產生熱量的四成左右（計算過程在最後的摺疊區塊）。但到了氣溫 33℃，連一成都不到。一旦氣溫超過耳朵的溫度，耳朵不但排不掉熱，反而變成從周圍吸收熱的一方。
所以在真正炎熱的日子，大象不會只靠耳朵。牠們會淋水，還把泥巴塗在身上。大象的皮膚上有細小的裂紋，像網眼一樣分布，已知水和泥巴能在那裡停留很久。這是用從外面帶來的水蒸發，來代替汗水。
住在非洲草原的非洲象，耳朵比住在多森林的亞洲的亞洲象大得多。沙漠裡的大耳狐，以及北美乾燥地帶的長耳大野兔，相對於身體，耳朵也都非常大。相反地，寒冷北極的北極狐，耳朵又小又圓；據說冰河時期生活在寒冷地帶的長毛象，耳朵也比現在的大象小得多。
如果耳朵總是在散熱，寒冷的夜晚身體會變得太冷。一般認為，大象能收縮或放寬通往耳朵的血管，調節流過的血量。用紅外線攝影機拍攝，同一頭大象的耳朵，有時明亮發光，有時又暗沉發冷。
總結
大象體型太大，熱容易積在體內，而且幾乎不會流汗。所以牠把布滿血管、又薄又寬的耳朵像扇子一樣搧動，讓血液降溫。不過，耳朵只有在空氣比耳朵涼的時候才有用。比這更熱的日子，牠就改成淋水和泥浴。
大象的耳朵既是用來聽的工具，
也是排掉龐大身軀熱量的「散熱板」。
體型大小與熱的關係，請見小動物為什麼得一直吃東西才能活下去？；不會流汗的動物還有另一種降溫方式，請見狗為什麼要吐著舌頭哈哈喘氣？；相反地，不讓熱散失的血液流動方式，則請見鴨子站在結冰的池塘上，腳為什麼不會凍僵？
- 在動物園看大象時，分別數一數氣溫高的午後和涼爽的早晨，耳朵每分鐘搧動幾次。
- 天熱的時候，用扇子搧自己的手背。即使沒有流汗，搧一搧也會覺得涼，因為流動的空氣會把熱帶走。
- 接著把同一隻手背稍微弄濕再搧。你應該會覺得比沒弄濕時涼得多。這就是大象淋水、泥浴的效果。
在動物園請從柵欄外觀察。大象搧耳朵的次數，不只受氣溫影響，也會因風的強弱和當時的心情而改變。
給想知道更多的人 ― 名詞・算式・與課本的連結明確標示這是從國中自然科到大學專業課程的哪個程度
- 國中國中自然科學會學到的範圍
- 高中高中「生物」「物理」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄裡的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（動物生理學・傳熱工程）的內容
- 研究連大學也不會當成「定論」來教，目前研究者仍在探索中的話題
國中名詞：這個現象是有名字的
- 恆溫動物：即使周圍氣溫改變，體溫也大致保持固定的動物，像是哺乳類和鳥類。靠產生的熱與散掉的熱互相平衡來維持體溫。
- 對流傳熱：被加熱的空氣或水流動起來，把熱帶走。搧動耳朵會加強這種傳熱方式。
- 艾倫法則：同一類的恆溫動物中，住在越寒冷地區的，耳朵和尾巴等身體突出部位越小；越炎熱的地區則越大，有這樣的傾向。
國中高中用算式驗證：從耳朵能散出多少熱？
我們用最基本的算式，估計從耳朵散到空氣中的熱量。耳朵的面積和風吹到的情形會因個體和狀況而不同，所以這裡的數值只是「用來了解原理的概略值」。
| 用符號寫 | Q ＝ h × A × （T耳 − T空氣） |
| 用文字寫 | 散出的熱 ＝ 熱的傳導難易度 × 耳朵的面積 × 耳朵與空氣的溫差 |
| 這個算式的來源 | 從表面傳到空氣的熱，與溫差和面積成正比，這是一條經驗法則（牛頓冷卻定律）。風越強，熱的傳導難易度越大 |
| 符號 | 意義與單位 |
|---|---|
| Q | 每秒從耳朵散出的熱（單位為瓦） |
| h | 熱的傳導難易度（每平方公尺、每 1℃ 是幾瓦） |
| A | 耳朵表面的面積（雙耳正反面的總和，平方公尺） |
| T耳、T空氣 | 耳朵表面的溫度與周圍空氣的溫度（℃） |
| 熱的傳導難易度（搧動耳朵、受風時，用於估計的值） | 每平方公尺、每 1℃ 為 20 瓦 |
| 耳朵表面的面積（假設為大型非洲象的暫定值） | 4 平方公尺 |
| 耳朵表面的溫度（血管擴張時） | 35 ℃ |
| 周圍氣溫 | 25 ℃ |
| 體重 5 公噸的大象休息時產生的熱（估計） | 約 2000 瓦 |
| 耳朵與空氣的溫差 | 35 − 25 ＝ 10 |
| 傳導難易度 × 面積 | 20 × 4 ＝ 80 |
| 從耳朵散出的熱（瓦） | 80 × 10 ＝ 800 |
| 占身體產生的熱的比例 | 800 ÷ 2000 ＝ 0.4 |
| 氣溫 33℃ 時的溫差 | 35 − 33 ＝ 2 |
| 此時散出的熱（瓦） | 80 × 2 ＝ 160 |
| 占身體產生的熱的比例 | 160 ÷ 2000 ＝ 0.08 |
氣溫 25℃ 時，光靠耳朵就能排掉身體約四成的熱。就像耳朵持續放出相當於一台電暖爐的熱。但氣溫到了 33℃，同樣的耳朵連一成都不到。越熱耳朵搧得越勤，一般認為是想多少提高熱的傳導難易度，來彌補逐漸縮小的溫差。
高中高中＋體型大小與熱的平衡
高中恆溫動物的體溫，是靠體內產生的熱與排到體外的熱互相平衡來維持。在炎熱的環境中，會組合「蒸發散熱」（靠汗水或呼吸讓水蒸發）和從皮膚把熱交給空氣的散熱。氣溫接近皮膚溫度時，後者就失效，只能靠蒸發。
高中＋身體長度變成幾倍時，表面積增加為其平方，體積增加為其立方。這有時稱為平方立方法則。每單位體積的表面積（比表面積）會隨體型越大而越小。實際的動物中，越大的動物每單位體重產生的熱也越少，但據說仍趕不上表面減少的速度。
大學熱傳係數與耳朵裡的血流
上面算式中的傳導難易度，在傳熱工程中稱為熱傳係數，可根據風速和板子大小，使用努塞爾數與雷諾數來估計。搧動耳朵時，耳朵周圍的空氣流動成為強制對流，熱傳係數會變大。另外在動物生理學中，像大象耳朵這樣能改變血流來調節散熱量的部位，稱為「熱窗」，並透過紅外線測量體表溫度來研究。體型與代謝量的關係，則以克萊伯定律聞名。
📖 算式的推導與更進一步的內容：牛頓冷卻定律（維基百科） ／ 熱傳係數（維基百科）
研究目前還不太清楚的事
- 耳朵負責了整體散熱的幾成？ 估計值會隨耳朵面積、血流和風的條件而大幅改變，野生大象一天之中到底有多依賴耳朵，目前還不清楚。
- 耳朵的血流是如何被精細調節的？ 已經知道牠們會放寬或收縮血管，但切換的訊號與機制仍在研究中。
- 大象能撐得過越來越熱的氣候嗎？ 氣溫超過耳朵溫度的日子增加後，有沒有水源會變得更加重要，目前正在研究這對牠們行為與棲地的影響。
也就是說，這篇文章的內容也只是「就目前所知範圍內的說明」。上面的計算，也只是假設了暫定值的估計。
與課本的連結（依程度分）
| 程度 | 科目・單元 | 文章中的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然科「熱的傳遞方式」「動物的類別」 | 對流傳熱、恆溫動物 |
| 高中 | 生物「恆定性」、物理「熱」 | 靠熱的平衡維持體溫 |
| 高中＋ | 生物進階（生物的地理變異） | 艾倫法則、平方立方法則 |
| 大學 | 動物生理學、傳熱工程 | 熱傳係數、強制對流、熱窗 |
| 研究 | 動物體溫調節的研究 | 耳朵的散熱比例、血流的調節 |
| ― | 與生活的連結 | 扇子、電風扇為什麼涼；濕的皮膚一搧就變涼的原因 |
- Phillips, P. K. & Heath, J. E. (1992) Heat exchange by the pinna of the African elephant (Loxodonta africana). Comparative Biochemistry and Physiology Part A
- Weissenböck, N. M. et al. (2010) Thermal windows on the body surface of African elephants (Loxodonta africana) studied by infrared thermography. Journal of Thermal Biology
- Martins, A. F. et al. (2018) Locally-curved geometry generates bending cracks in the African elephant skin. Nature Communications
- 艾倫法則（日文維基百科）
- Schmidt-Nielsen, K. (1984) Scaling: Why Is Animal Size So Important? Cambridge University Press
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。文中的數值是為了幫助理解原理的參考值與概算。在動物園或野外觀察動物時，請遵守設施的規定與工作人員的指示。