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衛星可以量產!OneWeb的衛星網要讓全球網路無死角

黃 正中_96
・2017/04/16 ・3259字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

傳統上太空計劃的推動,需要歷經各種階段審查,例如任務概念審查(mission definition review, MDR)、系統設計審查(system design review, SDR)、初步設計審查(preliminary design review, PDR)、關鍵設計審查(critical design review,  CDR)、組裝測試審查(integration and test review, ITR)、發射就緒審查(launch readiness review, LRR)、最終審查(final review, FR)等,需要一段不短的時間研發,目的是確保任務成功。但是隨著 OneWeb 計畫的出現,顛覆傳統觀念,把衛星當作汽車大量製造,一年製造 648 顆衛星,震撼了航太產業。

OneWeb 讓衛星也可以量產

好的創意到實現總是有一段距離,最近美國「太空新聞」(SpaceNews)網站報導:日本的軟體銀行集團(SoftBank)決定出資 10 億美金,投資美國衛星網路公司「OneWeb 」,使得從太空提供全球電腦網路(internet)的夢想,又向前走了一大步。

Google 在 2014 年 2 月提出「從太空來的電腦網路」概念,以一個「龐大的衛星群集」提供網路服務,計畫中的衛星總數量高達 1,600 顆。當時這個計畫,震驚了全球網路提供業者,使他們紛紛組團進行類似的高空/太空網路可行性的研究。三年後,Google 的衛星計畫停擺,只剩下高空氣球網路研究。

今天,衛星網路計畫只剩下 OneWeb 團隊順利的進行,吸引了包括歐洲空中巴士(Airbus)公司,美國洛克希德馬丁(Lockheed Martin Space Systems)公司,德國 OHB SE 公司,美國蘿拉太空系統公司(Space Systems Loral)以及法國的泰雷茲阿萊尼亞(Thales Alenia Space)公司的投資,組成了 OneWeb 公司。目前在美國佛羅里達,投資興建「大量製造人造衛星的工廠」,準備在今(2017)年開始量產衛星,製造世界最新的網路信衛星。

OneWeb 公司準備在今年開始量產衛星,製造世界最新的網路通訊衛星。圖/oneweb

為了在短時間製造出大量衛星,OneWeb 公司使用汽車製造的概念,將衛星各系統模組化,在生產線大量使用自動化設備,在關鍵檢查點的測試設備可採集數據,以縮短安裝時間。在這樣的模式下,工廠每週能生產 16 顆衛星,一年可完成 648 顆衛星。大量生產可以降低衛星的生產成本,他們的目標是使每顆通信衛星的造價降低至 50 萬美金(1,600 萬台幣)。

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OneWeb 公司使用汽車製造的概念,將衛星系統模組化生產。在大量生產下,可以降低衛星的生產成本,他們的目標是使每顆通信衛星的造價降低至 50 萬美金。圖/OneWeb Satellites Artist’s rendering

OneWeb 衛星每一顆重量小於 75 公斤,功耗 300 瓦,指向能力 0.1 度[註 1]。最特別的是,衛星使用電力推進系統(electric propulsion),在太空軌道上可以變更高度以及方向。地面通訊系統使用超過 50 個閘道器(gateway)負責傳遞封包[註 2],並採取長期演進技術(long term evolution, LTE)的高速無線通訊標準,使用 Ku 波段發送和接收無線電訊號[註 3]。648 顆衛星將在 1,200 公里高,部置於傾角 87.9 度[註 4],總計有 18 個軌道面,因此能夠涵蓋全球,構建成一個全球衛星網路系統。

  • 註 1:「指向能力」指衛星姿態的控制能力。
  • 註 2:「封包」是交換網絡中傳輸的格式化數據塊,是基本的通信傳輸單位。
  • 註 3:「Ku 波段」係指頻率從 10.5 到 17 GHz 的通訊頻率帶寬
  • 註 4:「傾角」是衛星飛行軌道面與赤道的夾角。
648 顆衛星將在 1,200 公里高,部置於傾角 87.9 度,總計有 18 個軌道面,因此能夠涵蓋全球,構建成一個全球衛星網際網路系統。圖/oneweb

OneWeb 衛星免除傳統衛星的審核機制,改採量產模式,在新蓋的衛星工廠完工以前,規劃有 10 顆原型通訊衛星,在法國土魯斯製造,這些通訊衛星會完成一系列的太空環境測試,包括熱真空循環測試、振動測試、音震測試、電磁干擾/相容測試,驗證和修正衛星的設計,最後確定衛星組裝元件,能適合火箭發射以及太空環境以後,再交由美國的 OneWeb 工廠量產。

發射 648 顆衛星需要大量的火箭,目前規劃主要是使用俄羅斯聯盟號火箭(Soyuz rockets)發射,另一部分由歐洲航太總署新研發的阿麗亞娜-6(Ariane-6)火箭,以及維珍太空公司新研發的 LauncherOne 火箭發射,後者是吊掛在波音 747-400 飛機機翼下發射的空載火箭。

俄羅斯聯盟號火箭(Soyuz rockets)。圖/By NASA, Public Domain, wikimedia commons
圖 4,歐洲航太總署阿麗亞娜-6(Ariane-6)火箭。圖/By SkywalkerPL, CC BY 3.0, wikimedia commons
圖 5,維珍太空公司 LauncherOne 火箭。圖/virgingalactic

未來這 648 顆衛星升空服役後,勢必對於目前在 600 和 1,000 公里(370 和 620 英里)高度的太空低軌道造成衝擊,因為這裡已經充斥著火箭與衛星殘駭垃圾, OneWeb 衛星的設計,符合「軌道碎片減緩/返回軌道衛星」,以確保衛星在 25 年內退休時,可進入的地球的大氣層,以減少大量的衛星殘駭,降低目前已擁擠不堪的低地球軌道負擔。

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衛星網路將掀起通訊革命

在 2019 年衛星星群佈置完成以後,OneWeb 衛星群集將涵蓋全球,提供全球網路服務,涵蓋陸地上沒有網路的區域例如沙漠、高山峻嶺,以及廣大的海洋、甚至於南北極;未來透過網路手機也可以傳送簡訊和使用手機免費通話;在各地旅遊的旅客,也可以在客機、郵輪上使用網路或直接與家人通話,便利性不言可喻,因此若是 OneWeb 計畫成功,可能掀起另一波的通訊革命。

目前涵蓋全球通訊網,主要還是依靠海底電纜,以及距離地面 36,000 公里高的同步軌道通訊衛星。但是同步軌道通訊衛星衛星距離地球表面很遠,來回通訊有大約 0.5 秒的延遲,加上空間無線電通訊路徑損耗的信號衰減,一般須有大口徑的地面天線接收,例如海事衛星(Inmarsat)、中星二號等衛星等等,通常由大型電信公司承包,再分租轉頻器給公司行號,價格不便宜,不適合一般民眾承租。

除了同步軌道通訊衛星之外,還有低軌道群集通訊方式,在 20 多年以前,台灣的太平洋電線電纜公司,曾經投資過擁有 66 顆衛星的銥計畫(Iridium)約 2 億美金,可以提供全球大哥大通訊服務;在同時,市場上還有一個擁有 72 顆衛星的全球之星(Globalsatr)的通訊群集。但是這兩個太空通訊服務,每秒通訊頻寬與速度僅約 0.2 Gbps,再加上衛星設施的維護費用太高,通訊費用無法降到一般大眾接受的水準,在市場競爭下,最後都宣告破產;前述銥計畫最後由美國國防部接手維護,作為美軍全球通訊使用途。

OneWeb 公司所提出的通訊計畫眼光放遠,拜科技長足的進步擬提供第五代的移動通訊(5G),通訊速度約 869 Gbps,以加強衛星傳送訊號。使用寬頻通訊衛星技術,OneWeb 公司以後起之秀,擴大技術競爭優勢,加上大膽的策略與佈局,從全球集資如魚得水,迅速執行計畫是成功的關鍵。

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太空網路競賽,除了 Google 團隊外還有韓國三星(Samsung)與美國 Space X 團隊,但是隨著 2015 年 1 月國際電信聯盟(International Telecommunication Union , ITU),核准 OneWeb 公司操作在太空使用軌道 Ku 波段通訊,其他的競爭對手已遠遠的落後這場太空競賽,由此可知計畫執行的速度是相當重要的。

OneWeb 是很好的創新案例,然而航太產業是高風險產業,但是機會藏在風險中。目前看來 OneWeb 的初期投資團隊,取得董事會成員即是取得市場,例如 Airbus 以及維珍太空公司為衛星發射,日本的 SoftBank 在此時,主導第二輪投資計畫,在此認為日本軟體銀行意在取得地面設備以及太空電腦網路的經營權,全球太空競賽方興未艾,後續的發展值得持續關注。

台灣應該加入這場戰爭嗎?

在此新太空網際網路熱潮中,台灣應是旁觀者或者是勇於加入見仁見智,有人質疑太空 5G 網路傳送速度無法與光纖競爭,再者目前 OneWeb 地面接收設備尚未臻於理想,研發和改良地面接收設備也許是未來的功課;考量台灣的電子製造能力,若能以輕薄短小為目標,整合太空接收傳送的訊號到智慧型手機,藉著改良 OneWeb 地面網路硬體以及創新應用,也許能搶先佔領太空網際網路通訊的市場。

固定在建築屋頂的接收器。圖/oneweb
固定在車頂的接收器。圖/oneweb

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黃 正中_96
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國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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宇宙學的最大謎團!有超過90%的世界都是暗物質和暗能量,但,它們究竟是什麼?──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/08 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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觀測星系時,科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等,所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

宇宙是由物質構成的,但究竟是由甚麼物質構成的呢?圖 / twenty20photos

不過,後來我們了解到,宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質,那就是「暗物質(dark matter)」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質,卻實際存在於宇宙中,而且暗物質在宇宙中的含量,遠多於我們看得到的「物質」

1934 年,瑞士的天文學家茲威基(Fritz Zwicky,1898~1974)觀測「后髮座星系團」時,發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量,與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快,推測存在 400 倍以上的重力缺損(missing mass)。

在這之後,美國天文學家魯賓(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代觀測仙女座星系時,發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別,並推論仙女座的真正質量,是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

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到了 1986 年,科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構,發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構,僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足,科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質=暗物質」。

看不到卻存在?暗物質究竟是什麼?

既然看不到,那我們怎麼確定暗物質真的存在?圖 / twenty20photos

前面提到我們看不見暗物質,而且不只用可見光看不到,就連用無線電波、X 射線也不行,任何電磁波都無法檢測出這種物質(它們不帶電荷,交互作用極其微弱)。

因為用肉眼、X 射線,或者其他方法都看不到它們,所以稱其為「暗」物質。

不過,從星系的運動看來,可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力(質量)」。這就是由暗物質造成的重力。

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看不到的能量:暗能量

事實上,科學家們也逐漸了解到,宇宙中除了暗物質之外,還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為,宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對,不過,1998 年觀測 Ⅰa 型超新星(可精確估計距離)時,發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」,以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例,如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星(美國)於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射(CMB),計算出來的結果。

圖/台灣東販

後來,普朗克衛星(歐洲太空總署)於 2013 年起開始觀測宇宙,並發表了更為精準的數值。

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  • 什麼是「普朗克衛星」?

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。  

暗物質的真面目,究竟是什麼?微中子嗎?

既然暗物質有質量,那會不會是由某種基本粒子構成的呢?也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於這些研究,不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子(共 17 種)以及其他未知粒子,都有可能是暗物質,在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷,不與其他物質產生交互作用,會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且,宇宙中也確實充滿了微中子。因此,微中子很可能是暗物質的真面目。

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不過,目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖/NASA

為什麼微中子被撇除了呢?

這是因為,雖然微中子大量存在於宇宙中,質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少,不過依照目前的宇宙論,3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子,那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對,兩者相差過大。

另一方面,暗物質中的冷暗物質(cold dark matter)的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動,進而產生暗物質的擾動(空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同),這種微妙的重力偏差,會讓周圍的暗物質聚集,提升重力,進一步吸引更多原子聚集,最後形成我們現在看到的星系。

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相較於此,微中子過輕(屬於熱暗物質,hot dark matter),會以高速飛行。微中子無法固定在一處,這樣就無法聚集起周圍的原子,自然也無法形成星系。

暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼?仍然是宇宙學中最大的謎團!

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」,指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射(CMB)可顯示出宇宙初期的溫度起伏,因而得知存在相當微小,卻十分明顯的擾動,此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中,物質會往較濃的部分聚集,並形成星系或星系團等大規模結構。

不過,如同我們前面提到的,科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子,在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下,很難形成現今的星系團。

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於是,科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子(SUSY 粒子)」當中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名為軸子(axion)的假設粒子;另外,也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」,雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時,即使不假設這些未知粒子的存在,在標準模型的範圍內,微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的,當我們認為微中子應該不是主要暗物質時,就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論,這點十分重要。

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宇宙微波背景(CMB)是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射,充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販

那麼,微中子真的完全不可能是暗物質嗎?

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子,由於我們還不曉得它的質量以及存在量,所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過,這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下,一切都還未知。關於這點,我們將在《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台灣東販,未經同意請勿轉載。

台灣東販
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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。

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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

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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