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且看卡西尼號呈現泰坦眾相

臺北天文館_96
・2012/03/01 ・1101字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

最近多名科學家發表一系列論文,利用卡西尼號太空船(Cassini)的觀測資料,呈現土星最大的衛星—土衛六(泰坦,Titan)隨著季節推移與晝夜變換的不同面貌;有趣的是,這泰坦眾相,竟與地球如此相似。

泰坦雖是土星的衛星,但具有主要由碳氫化合物組成的濃厚大氣;隨著季節不同,或是晝夜變換,泰坦大氣的溫度和表面特徵如大氣中的雲層、降雨、河谷和湖泊等也會隨之變化。這個現象,出乎科學家意料之外。其中,泰坦大氣最明顯的季節變換特徵之一,就是北極區上空的大片雲層。此外,由卡西尼五年多的可見光與紅外光譜資料,也可見泰坦北半球由冬入春之際的雲層厚度如何漸漸變薄的景象。

卡西尼號太空船是在2004年時抵達土星系統時,就開始偵測到泰坦大氣有雲朵漂浮,科學家認為這些雲朵的主要成分是乙烷(ethane)。在卡西尼號在2006年12月恰好飛越泰坦半明半暗的北極上空,有機會以光譜檢測此處大氣,此時的雲層覆蓋由北極至約北緯55度的整片區域上空。但在2009年類似機會所拍攝的光譜中,覆蓋在北極上空的雲層出現大量間隙,卡西尼號因而得以透過這些雲層間隙看到極區附近由碳氫化合物形成的海怪海(Kraken Mare)和周圍環繞的其他湖泊。這些不同時期拍攝的影像,是泰坦大氣會隨季節變化的直接證據。

由於特定紅外波長可穿透雲層阻擋,直擊地表狀況,經由卡西尼號的合成紅外光譜資料分析泰坦地表溫度,不僅讓科學家們直接看到泰坦表面會隨季節變化,而且還首度發現泰坦表面溫度也會隨晝夜變換而改變。泰坦表面溫度一般在絕對溫度90幾度左右,但如同地球表面一樣,在午後時分的地表氣溫會比清晨曙光時分還溫暖些,溫差大約1.5K左右,比地球晝夜溫差小很多。不過,雖然泰坦晝夜溫差變化模式與地球類似,但泰坦「一天」的長度卻相當於16地球日之多。

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此外,其中一篇論文經由電腦模擬與卡西尼號電波科學實驗觀測資料比對之後,提出關於泰坦謎樣的內部結構和其地表所見與地球表面類似的地質特徵的解釋,認為泰坦內部可能成完全分異(differentiated)狀態,意味著泰坦核心部分的密度比其他部分還高,不過核心密度還是沒有原本預期的那麼大,可能是因為核心仍然含有大量的冰,或是因為岩石與水交互作用過而形成低密度礦物。地球和其他類地行星都是完全分異狀態,擁有密度甚高的鐵核;不過這篇論文模擬結果剔除泰坦擁有金屬核心的可能,因而與卡西尼號的磁場強度計觀測 資料符合,所以泰坦內部應是溫度不高的含水岩石狀態。這個模擬同時可以解釋為何泰坦大氣中不太容易出現某些重要的氣體,例如甲烷或氬-40,主因就是因為它們根本逃出核心。

資料來源:The Many Moods of Titan[2012.02.23]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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如果天空少了月亮,地球會怎麼樣?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/25 ・1477字 ・閱讀時間約 3 分鐘

如果天空少了月亮?文學家應該會很難過,音樂家也會少了創作的題材,沒有中秋節就少了月餅,也沒有烤肉。不過夜晚少了一個大光害,天文學家絕對會很高興!

潮汐變小、一天變短

地球上的潮起潮落,主要是月球繞地球運行造成的。太陽也會影響地球的潮汐,不過對地球的潮汐力只有月球的 46%。如果沒有月球的話,造成地球潮起潮落就只剩下太陽,滿潮和乾潮的幅度就會變小。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。數十億年前,地球剛形成時,地球自轉的速度比現在快許多;因為月球的潮汐力,讓地球自轉的速度漸漸變慢,慢到現在的一天 24 小時。如果沒有月球,地球的一天可能不到 10 小時。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。圖/Pexels

左搖右晃的地球

月球就像是走鋼索的人握的平衡桿,讓地球自轉軸保持穩定,如果少了月球這個平衡桿,地球自轉軸左搖右晃的幅度就會變大。

目前地球自轉軸相對於公轉平面的傾斜角是 23.4 度,因為月球的存在,這個傾角的變化幅度不大,大約在 22.1 度和 24.5 度之間。傾角讓太陽直射地球的位置在北回歸線和南回歸線間移動,讓地球出現四季變化。

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如果沒有月球,地球的自轉軸變動的幅度就會變大,自轉軸的變動會對我們有什麼樣的影響?假設兩個極端的例子,地球的自轉軸傾角是 0 度和 90 度。

如果地球傾角是 0 度,太陽永遠直射赤道,地球上不會有北回和南回歸線,地球將不再有四季變化。

如果地球傾角是 90 度,太陽直射的區域會從北極到南極,也就是北回歸線位在北緯 90 度(也就是北極點),而南回歸線在南緯 90 度(南極點)。這種情況下,地球四季變化會非常劇烈,北半球夏天時,北極不會結冰,溫度比現在還高,南半球冰凍的區域比現在還大,這種極端氣候絕對不利現在地球上生物的生存。

未來人類可能先在月球建立基地,作為人類前進火星的跳板,在月球上測試火星裝備和訓練太空人,準備完成後再前往火星。如果少了月球的整備演練,要一步登陸火星將會困難重重。圖/麥浩斯出版

月球替地球擋子彈

月球是地球的衛星,一直以來它都保護著我們的地球。用望遠鏡看月球,會發現月球上有許多坑洞,這些坑洞幾乎都是隕石撞擊後形成的隕石坑,表示月球在早期受到許多的撞擊。如果少了月球擋下這些隕石,這些隕石可能就會撞上地球。

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隕石撞擊對地球的生命影響很大。6600 萬年前,一顆 10 公里左右的隕石撞擊地球,造成恐龍滅絕。恐龍滅絕後,哺乳類才能興起,人類才有機會出現在地球上。

那些沒有被月球擋下的隕石,如果撞上地球,可能會改變地球物種的演化,人類說不定就不會出現在地球! 最後,如果沒有月亮,阿姆斯壯和另外 11 名阿波羅太空人也就無法登陸月球。人類少了探索月球的寶貴經驗,要直接踏上其他行星表面(例如火星),難度會高許多,甚至變得不可能!

——本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版
麥浩斯
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冰與水之歌:零度以下不結冰,魔鬼藏在密度裡!
linjunJR_96
・2020/11/05 ・1932字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

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在座各位地球人肯定對「水」一點不陌生。不論是液態水還是固態冰,在生活中都隨處可見。但如果你以為我們已經完全了解水和冰的構成與變化,那你可就錯了,因為它可是超乎想像的複雜。

冰也會七十二變?常見的物質竟然有這麼多型態!

學校裡教過的三相圖將水區分成固、液、氣三種相(Phase)。不過除了這種簡單的分類,固態的冰在不同的壓力與溫度條件下其實還有許多不同面貌。

小時候學過水的三相固體、液體、氣體,除此之外,其實固態冰還有其他型態。圖/Pexels

一般條件下,自然結凍的水只會呈現六角結晶或立方結晶,兩種晶體結構合稱為「冰一」(Ice I)。你可能有些好奇:既然有一,那或許會有二(咦)

沒錯!目前已知的冰共有二十幾種型態,比 iPhone 的型號還多!只是除了冰一之外,其他的型態都極為少見。

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所謂少見是有多少見呢?

一直到 2017 年時,科學家才首次在實驗室中合成出冰七(Ice VII),這種稀有的結晶形態通常只有在彗星或系外行星上才見得到,因為它需要超大的壓力(例如:兩個含冰量豐富的小行星體對撞),才有可能形成。

實驗室中高壓環境下合成的冰七 。圖/實驗團隊(A. E. Gleason)提供

相隔一年後,另一組研究團隊利用 X 光繞射技術,在世界各地的鑽石中發現冰七的蹤影

為什麼鑽石中會有冰七?推測原因是由於當初在地底時,有少量水分被困在高溫高壓的鑽石礦脈中,而後這些水分隨著鑽石一同被挖掘到地表,雖然溫度下降到普通室溫,但堅固的鑽石內卻仍然維持著高壓。如此獨一無二的條件,讓冰七得以自然生成。

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零度以下也不結冰?神秘的過冷水!

光是固態冰就有這麼多花樣了,水結冰的過程同樣也是科學家有興趣的主題。在 Science 期刊上最新的研究發現,過冷水其實是由兩種結構不同的形態混搭而成。

一般的情況下,零度以下的水需要一些雜質或擾動來「啟動」結晶的過程,才能凝固成冰。在缺乏這些條件時,水可以在零度以下仍維持液態,也就是所謂的「過冷」。

關於過冷水的理論模型可說是眾說紛紜,因為這種狀態十分不穩定,輕微的干擾就會讓過冷水全部結晶,讓實驗學家十分頭痛。另外,也很難單從實驗中觀察並判斷過冷水不結晶到底是不是因為還未達到熱平衡。

過冷水的狀態不穩定,稍微干擾就會全部結晶,也讓實驗學家十分頭疼。圖/giphy

以往的相關研究通常只能依賴分子模擬,不過最近在實驗上有了最新突破。

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美國西北太平洋國家實驗室的研究人員準備了一片僅有 15 奈米厚的薄冰,接著利用短暫的雷射脈衝,極速加熱一小塊區域,使其轉為液態過冷水,直到它很快地降溫並重新結晶。

整個過程只有短短幾十奈秒,不過,這個突破已經足夠讓我們使用紅外線光譜來測量過冷水的分子結構。

結果發現,早在結晶開始的短短的幾十奈秒之間,過冷水就找到了它最舒服的平衡狀態;這個狀態還是由兩種結構不同的液體型態所組成,分為高密度與低密度結構,密度分別約為 0.9 和 1.1 g/cm3

實驗發現,過冷水中高密度水所佔的比例,會隨著溫度降低逐漸減少。也就是說,過冷水能在低於攝氏零度的環境下維持液態,很有可能是兩種不同密度的水比例不同所造成的。

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其實,這種特殊的二元性質也能在一般常溫的液態水中看到,分為四面體和非四面體結構。不過這類的現象在過冷水是首次被發現,也為水在低溫時的行為提供重要的實驗數據。關於水的各種理論模型,我們終於得以區分何者較接近真實。

參考資料

  1. Water structure and science
  2. Gleason, A. E., Bolme, C. A., Galtier, E., Lee, H. J., Granados, E., Dolan, D. H., … & Swift, D. (2017). Compression freezing kinetics of water to ice VII. Physical Review Letters119(2), 025701.
  3. Tschauner, O., Huang, S., Greenberg, E., Prakapenka, V. B., Ma, C., Rossman, G. R., … & Tait, K. (2018). Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth’s deep mantle. Science359(6380), 1136-1139.
  4. Kringle, L., Thornley, W. A., Kay, B. D., & Kimmel, G. A. (2020). Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K. Science369(6510), 1490-1492.
  5. Shi, R., & Tanaka, H. (2020). Direct evidence in the scattering function for the coexistence of two types of local structures in liquid water. Journal of the American Chemical Society142(6), 2868-2875.
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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最近多名科學家發表一系列論文,利用卡西尼號太空船(Cassini)的觀測資料,呈現土星最大的衛星—土衛六(泰坦,Titan)隨著季節推移與晝夜變換的不同面貌;有趣的是,這泰坦眾相,竟與地球如此相似。

泰坦雖是土星的衛星,但具有主要由碳氫化合物組成的濃厚大氣;隨著季節不同,或是晝夜變換,泰坦大氣的溫度和表面特徵如大氣中的雲層、降雨、河谷和湖泊等也會隨之變化。這個現象,出乎科學家意料之外。其中,泰坦大氣最明顯的季節變換特徵之一,就是北極區上空的大片雲層。此外,由卡西尼五年多的可見光與紅外光譜資料,也可見泰坦北半球由冬入春之際的雲層厚度如何漸漸變薄的景象。

卡西尼號太空船是在2004年時抵達土星系統時,就開始偵測到泰坦大氣有雲朵漂浮,科學家認為這些雲朵的主要成分是乙烷(ethane)。在卡西尼號在2006年12月恰好飛越泰坦半明半暗的北極上空,有機會以光譜檢測此處大氣,此時的雲層覆蓋由北極至約北緯55度的整片區域上空。但在2009年類似機會所拍攝的光譜中,覆蓋在北極上空的雲層出現大量間隙,卡西尼號因而得以透過這些雲層間隙看到極區附近由碳氫化合物形成的海怪海(Kraken Mare)和周圍環繞的其他湖泊。這些不同時期拍攝的影像,是泰坦大氣會隨季節變化的直接證據。

由於特定紅外波長可穿透雲層阻擋,直擊地表狀況,經由卡西尼號的合成紅外光譜資料分析泰坦地表溫度,不僅讓科學家們直接看到泰坦表面會隨季節變化,而且還首度發現泰坦表面溫度也會隨晝夜變換而改變。泰坦表面溫度一般在絕對溫度90幾度左右,但如同地球表面一樣,在午後時分的地表氣溫會比清晨曙光時分還溫暖些,溫差大約1.5K左右,比地球晝夜溫差小很多。不過,雖然泰坦晝夜溫差變化模式與地球類似,但泰坦「一天」的長度卻相當於16地球日之多。

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此外,其中一篇論文經由電腦模擬與卡西尼號電波科學實驗觀測資料比對之後,提出關於泰坦謎樣的內部結構和其地表所見與地球表面類似的地質特徵的解釋,認為泰坦內部可能成完全分異(differentiated)狀態,意味著泰坦核心部分的密度比其他部分還高,不過核心密度還是沒有原本預期的那麼大,可能是因為核心仍然含有大量的冰,或是因為岩石與水交互作用過而形成低密度礦物。地球和其他類地行星都是完全分異狀態,擁有密度甚高的鐵核;不過這篇論文模擬結果剔除泰坦擁有金屬核心的可能,因而與卡西尼號的磁場強度計觀測 資料符合,所以泰坦內部應是溫度不高的含水岩石狀態。這個模擬同時可以解釋為何泰坦大氣中不太容易出現某些重要的氣體,例如甲烷或氬-40,主因就是因為它們根本逃出核心。

資料來源:The Many Moods of Titan[2012.02.23]

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