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讓我們「丈量世界」的科技

丈量世界,道盡許多科學家的心聲。什麼是科學?坐在桌子前面鑽研萬物的道理,運用嚴謹的邏輯推理,這是高斯對洪堡說的,洪堡也以自己對萬物的「好奇心」予以回應,認為唯有踏遍世界上的每一個角落,親眼見到真相,才能明白萬物的道理。兩者都對,也可以說都不對,後來他們相視而笑,原來他們都是在走自己的科學道路,只是用的方法不同罷了。

抱著地球科學在學校打滾了六年,慶幸自己因而能體會兩種不同的科學探索,也曾上山下海的探索地形與地質的樣貌,當然,沒能像洪堡一般能探索未知的文明,但在太魯閣見到的各種變質岩,的確有別於在課堂桌面上冰冷的石頭,親身在船上見過鑽取岩心的過程,才會了解岩心裡頭微小的有孔蟲是多麼千辛萬苦的到顯微鏡底下。而曾經在地震相關單位的工作,眼中看到的地震,只有儀器裡的波形,去計算震央的位置與規模,甚至會憑藉著地表晃動的時間差(有感覺到P波與S波時),憑空估算地震的方位與深度規模。

進入正題,讓我們真正丈量世界的科技究竟是什麼?不得不讓我提到測量學中的「3S」,包括RS(Remote Sensing,遙感探測)GPS(Global Positioning System,全球定位系統)GIS(Geographic Information System,地理資訊系統)。或許大家對GPS一詞可能朗朗上口,現在許多智慧型手機也內建了GPS接收器,可以進行即時定位,也或許很多人也知道,GPS乃是接收天上衛星的訊號。從維基百科也可以查到整個系統分三部分:空間星座(24顆衛星)、地面監控(1個主控站、4個天線站、6個監測站)、再來就是你我手中的接收機或手機等。但是…怎麼靠這些設備做到的呢?讓我們用最「簡單」的方式來談談:

第一,要有「夠準確」的時鐘,每一個GPS衛星上都有一個時鐘,早期用石英,後來曾改為銣原子鐘、氫原子鐘,這也就是為什麼GPS除了定位還能校時。第二,就是要有統一的「坐標系」,每顆衛星在太空裡頭要拿什麼做參考呢?也就是所謂的WGS84,定出了地球的中心、楕球的扁率、長短半徑等資訊。第三,就是衛星不斷的發送訊號,我們的接收器才會收到。最後,就是前面提到的「地面監控」,讓衛星能乖乖的不偏移軌道。

GPS的工作原理簡單來說就是利用4顆以上的衛星即可完成定位(左圖),太空中的24顆衛星分布幾乎能隨時在世界各地進行定位。自2000年柯林頓時期的政府開放民用的精確度後,一般導航與定位的精度都能在10米以內。雖然今年大學學測的自然科中,就有利用GPS研究311的同震變形觀測到數公尺的地表變形,但我們平常監測地表變形的科學研究,都是在研究公分級的變化,如何利用GPS能做到呢?

其實GPS誤差來源十分「多元」,首先就是衛星其實不會這麼精確的走在既定的理論軌道,因而在衛星軌跡的星曆就依精確度分為預估精密星曆、快速精密星曆與最終精密星曆。另外還有電離層和大氣層的變動也會對精度造成影響,但有趣的是這些造成影響的因素卻可另作科學研究,其它還有週波脫落、多路徑效應等各種不同的參數,好在分別利用長時間的觀測、軌道的修正、多站的差分等特果可以把精度縮的很小,全靠的都是電影裡那般的高等「數學」,但這樣仔細的運算都要花上一段時間處理,適於科學就究,尚無法運用在我們平常的導航上。

遙感探測,最貼近你我生活的就是google 的衛星影像,但這也只是小小的冰山一角,凡是以衛星或空中載具的影像來觀察我們的地球,就是遙感探測。而另外像大家熟知的氣象衛星、搖控的空拍影像、軍用間諜衛星也都是遙感探測,除了能測量陸地,也能測量海洋,譬如水色、溫度變化等等,利用特定的電磁波段(舉凡可見光、紅外光、紫外光、微波等各種波段的影像),來進行不同目的的測量,這樣說起來全世界最大宗的遙感探測單位莫過於NASA和NOAA(大氣暨海洋總署)了!上面是我最喜歡的一張:earth at night,從太空中看晚上的地球是怎麼樣呢?用這張來看人類活動,是不是比白天更加顯著呢?

最後來談談GIS地理資訊系統,這也是非常貼近你我身旁的科學,雖然有ESRI等大公司出品了許多專業的GIS軟體,但一般人都用的上的,還是google earth,google earth裡頭左下的各種選單,分別代表不同的「資訊」,拜科技所賜,所有的地圖和地理上的任何參考資訊,都可以存在一個資料庫,我們要分析某些資訊時再從資料庫挖出來,是一個把統計與分析結合了地理、地圖學的系統。像是今天你想要搜尋特定種類的店家,軟體能幫你依名稱篩選;甚至連政治也能用GIS!比如選區的畫分與選民的分析,如果把各種不同的政治意向的選民、年齡分布等建立了資料庫,便可以進行分析,以進行有效果的「操作」。如果你要的是今天各地的天氣,還可以透過網路連線載入資料庫,說到這裡,由於網路與雲端技術的發展,未來地理資訊系統一定會變得更豐富而實用。

最後的最後,還是再提一下,直接和電影有關的「科學」。眼尖的觀眾在看影片時,會看到上圖這台機器,其實就是所謂的「經緯儀」,其實它才應該是整部片的重心,在那個年代,要丈量世界沒有這台是不行的!它的基本原理就是利用中間的望眼鏡看目標物,用兩組水平、垂直角度,配上其中的一個已知邊長,就能進行三角測量(下圖),這個原理與技術一直到現今仍在使用,只是儀器的設計上比較先進且電子化,加上了像是雷射測距、自動計算等功能,無論是在工程規畫、長期監測或是國土測繪,還是會運用這樣的測量技術。或許我們現在看這些事物是理所當然,但是如果欠缺了好奇心,也不會有這些科學存在我們生活周遭。雖然當初念書時,微積分和工數也搞得我快要爆炸,但這些數學,確確實實有它重要之處啊!

 

 

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關於作者

潘昌志

「你地質系的?」不,但我待過地質所,而且還是海研所的碩士。無論在氣象局、小牛頓…都一樣熱愛地科與科普。現在從事試題研發工作,並持續在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科的各種知識,想以科普寫作喚醒人們對地球的愛。