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淘氣衛星你追我跑 掌握旱澇預報

 

GRACE衛星示意圖,透過量測兩衛星間的距離變化,科學家就能獲得全球地表的淡水資訊。(圖片來源:NASA)

GRACE衛星示意圖,透過量測兩衛星間的距離變化,科學家就能獲得全球地表的淡水資訊。(圖片來源:NASA)

台灣中南部每年春季,經常遭遇用水吃緊的困境。最近,日月潭水位新低已經威脅到水社碼頭的經營,然而一到夏天往往卻又暴雨成災。面對從乾旱到洪患的劇烈變化,美國NASA利用在天上追逐的兩顆雙子衛星,長時間的監測全球各地水資源的變化,有趣的觀測方式帶來至關重要的觀測結果。

在天上運行的「優雅」衛星

重力回復及氣候實驗(Gravity Recovery and Climate Experiment, GRACE),這對有著「優雅」之名的衛星,是NASA在2002年發射升空的一對雙子衛星,目前已經持續蒐集地球十多年來地表淡水的分布資料。
 
GRACE觀測地表水體的方式相當有趣,不禁佩服科學家的創意。GRACE藉由衡量地表重力對於其在軌道上運行速度的微小影響,從而推知地表水含量的多寡。利用「質量越大重力越大」此一定律,當地表上的冰被、河流、湖泊水量以及地下水含水量越多時,這個地區的地表總質量越多,代表有較大的重力;反之當地表乾涸時,質量較少使重力較小。
 
運用此一概念,科學家只要知道全球地表重力變化,就能推算出地表淡水資源的分布情形。但要怎麼量測呢?GRACE有前後兩顆雙子衛星,中間相隔約220公里。舉例來說,當跑在前頭的衛星接近地表重力較強的地區時,會受到較強的重力吸引而加速,拉開與後頭衛星之間的距離;而當前頭的衛星飛越重力較強的地區後,會逐漸減速,後頭的衛星則同樣受重力吸引而加速追上;最後當後頭的衛星也飛過重力較強的地區後,後頭的衛星減速,前頭的衛星速度則不再改變。
 
透過這種你追我跑的過程,科學家量測兩衛星間的距離變化,從而推算全球地表的重力場(gravity field),並得到我們最關心的水資源分布資料。
 
從全球暖化到地區乾旱

實際上,GRACE的觀測資料用途廣泛,從全球尺度的暖化危機到地區性的旱澇趨勢都能掌握。

對於全球暖化是否加速冰層融化速率,GRACE提供了南極與格陵蘭的冰被資料,但分析結果卻指出在2003〜2012年為期十年的長時間尺度中,冰被融化的速度看不出明顯的加速,無法與冰被短期的變化區隔,未來仍需要更長時間的觀測資料。
     
此外,GRACE在2006年發現非洲的剛果河、尚比西河及尼日河流域有乾涸趨勢,而美國的密西西比河與科羅拉多和水量則增加。2013年的觀測則發現美國南部出現地下水逐漸枯竭的警訊。這些資料增加科學家對於地表水循環的了解,同時也用於改善天氣、河流、洪患、乾旱的預測模式,讓各地水域管理決策機構得以防患於未然。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿/2014年/4月)
 
責任編輯:鄭國威│元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

延伸學習:
《GRACE Sees Groundwater Losses Around the World》
《掌握地球淡水趨勢 雙子衛星監測助益大》
《Cynthia Barnett, Groundwater Wake-up.》
B. Wouters, J. L. Bamber, M. R. van den Broeke, J. T. M. Lenaerts & I. Sasgen, 2013, Limits in detecting acceleration of ice sheet mass loss due to climate variability, Nature Geoscience 6, 613–616.

關於作者

李柏昱

成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。