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【Gene思書齋】如何在火星上生活

Gene Ng_96
・2017/05/29 ・1906字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

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火星,是個極為有吸引力的科幻題材,為火星而創造的科幻作品相當多,算是人類除地球以外最熱愛的太陽系行星了吧。尤其是看了《絕地救援》The Martian)這部好電影後,原本對天文學頗冷漠的我,也開始對火星充滿好奇。

《絕地救援》和其原著小說《火星任務》The Martian),有大量的真實科學,電影不僅劇情緊湊、好看感人,也寓教於樂,引發了許多與火星關聯的科普討論(請參見〈絕地救援的火星任務〉)。這也令人更好奇,我們人類真的能夠移民到火星去嗎?

我們人類真的能夠移民到火星去嗎?圖/IMDb

人類之中,從來就是有一批人能夠不畏艱途地前往未知之地冒險,這不僅是出現在大航海時代的各種發現和冒險而已,其實我們智人的祖先,就是天生的冒險家,否則我們也不會在上萬年前就散佈到了地球上各大洲、各大島上。就單一物種而言,也只有人類能夠散佈全球,其他現今能散佈全球的單一物種,全都是拜人類所賜。

我們已經到達了地球陸地上幾乎所有角落,從此地表上已經沒有多少人類未曾探索過的地方了。如果我們有一天建造起宇宙航空飛船航向另一個星球,是根植在我們血液裡的天性。當然,我不是說所有人都會想要或適合當冒險家,但一定有一部分人,對他們來說航向火星,在那永久定居並傳宗接代,只是時間上的問題,只要我們人類的文明沒有在發展到那地步時就先毀滅的話。

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在過去大航海時代,許多歐洲的先驅者,有些建立了根據地後,因為和土著的衝突或者疾病等原因而全軍覆沒,在初期時死到剩沒多少人,也是家常便飯。但我們人類的天性中,就是有股不切實際的樂觀,否則過去帝國主義也不會前仆後繼地建立殖民地,最後對他們而言取得了巨大的成功,無論是在經濟、政治還是文化上。

既然這麼有信心人類遲早會搭上火星的征途,那麼人類究竟要怎麼到達火星?到了火星會面對什麼問題?人類如何在火星自給自足?我們能夠把火星改造成適合人類永久居住嗎?《如何在火星上生活》How We’ll Live on Mars)要來探討這些問題的答案。如果《絕地救援》讓你感動,《如何在火星上生活》萬不可錯過!

《如何在火星上生活》是 TED Books 系列的書,沿續 TED 的精神,篇幅雖不大但內容則夠多到清楚交待一個主題。《如何在火星上生活》 作者史蒂芬.彼車奈克(Stephen Petranek)在 TED 就有一個很受歡迎的演講:

彼車奈克指出,除了 NASA 的官方計畫,其實私人企業也在火星的長征上參了一腳,現在就已經有特斯拉(Tesla)和 PayPal 共同創辦人伊隆.馬斯克(Elon Musk)的 SpaceX 公司來積極實現旅行火星的任務。當然,即使到火星旅行能夠實現了,人類要移居火星,也還需要面對完全不同的難題。

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農耕需要大量的水,《絕地救援》裡只有一個人受困火星,所以還能夠合成出足夠餵養他一人的食物的水,可是要養活一大群人,從地球上帶水過去恐怕不實際。還好科學家發現火星上確實有水。這讓移民火星的夢想大大可行,因為只要有水,氧氣也不是問題了。

當然,火星在人類剛移民過去時,那裡的環境不會對人類太友善,就像過去人類征服一個又一個新大陸時,是血淚斑斑的。然而,和以往不同的是,我們現在有了更豐富的科學知識以及更先進的工程技術。所以人類移居火星,不再像過去的探險一樣前往完全未知的世界,而是可以有備而去的。

當一切準備就緒,我們不會像《絕地救援》 那樣只留下一人在火星上,我們人類未來的子孫,甚至有機會在火星上繁衍生息,或者至少到火星上去觀光幾週、幾個月也可能會是個有利可圖的產業。雖然我可能不會有那樣的財力到火星上觀光(地球就已經夠旅行一輩子了),可是我也樂見其成,人類能夠在火星上生活,絕對又是人類文明的一項壯舉!

本文原刊登於The Sky of Gene

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Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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致我們青澀的初戀——踏入晴道、也英的火星世界
Mia_96
・2022/12/26 ・1800字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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「也英,你還好嗎?但願你沒有感冒,今年的火星看起來特別亮,是本世紀火星距離地球最近的時候,當我看到明亮的星星時,就覺得你彷彿在我身旁。」晴道在少年時寫給也英的信中這麼說道。

接近人生半百,當晴道再次與也英相遇後,這麼恰好的,火星再次接近地球,劇中晴道與也英於札幌天文台享受著天文景象,究竟在望遠鏡中,他們看到的景象為何會產生?

晴道與也英的人生彷彿都與天文現象班暗示性的相像,也都與天文現象彼此相關。圖/IMDb

揭開接近地球的火星之時——火星衝

太陽系中的八大行星皆繞著恆星太陽公轉,但因各行星距離太陽的遠近不同,造成公轉軌道路徑長度差異,而行星的公轉軌道與速度進一步影響著其公轉週期。八大行星中每一顆行星的公轉週期皆不一樣,也因此,造成每天行星與恆星、行星與行星間的相對位置也都有所差異。

「衝」在天文現象中意指行星(地球軌道外)與太陽、地球,連成一直線的現象。當衝發生時,代表此顆行星整夜可見,且在天空中的亮度極亮!但正如同上文所述,因每顆行星之公轉週期有所差異,所以並非每一年都會發生衝。例如劇中晴道與也英所觀測的「火星衝」,週期約為 780 天,大約每經過 2 年 49 天便會發生一次。 

衝(opposition)為太陽、地球與外行星連線之位置,若太陽、內行星與地球連線時則會稱為合(conjunction)。圖/Wikipedia

長大後的晴道、也英所觀測的火星衝發生在 2018 年,亮度極亮的火星配上恰好的觀測時間,便是觀測火星的最佳時間點!

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火星公轉太陽一圈約需 687 個地球日,代表在火星上度過的一年接近於地球的兩年(代表如果在火星上等待下一次跨年的時間會更長!)圖/Pixabay

而在 2022 年 12 月初時,也發生了一次火星衝!這次火星的視星等亮度達到 -1.9 等,預測將會是未來十年內最亮的火星衝,但如果錯過這次也沒有關係,在 2033 年時會發生亮度更亮的火星衝,目前預估視星等亮度可以達到 -2.5 等呢!(星等值越小越亮!)

因火星公轉太陽軌道並非正圓形,故每一次的火星衝亮度也皆會稍有不同。圖/臺北市立天文科學教育館

滿載希望的希望號

除卻火星衝外,日本 1998 所發射的希望號探測器(のぞみ)也是年少的也英殷切期待的天文任務。當時日本為促使國民對於火星產生興趣與探索,舉辦於希望號中搭載姓名的活動,也英的名字也跟著希望號一起進行宇宙探索。

希望號原本的目標與任務是觀察火星上大氣層,與火星受太陽風作用的影響。但在 1998 年發射後,希望號的推進器出現故障,不只大量消耗燃料,還造成希望號進入火星軌道的時間延長,後又於 2002 年受到太陽劇烈活動的影響電力系統受到破壞。最終,希望號於 2003 年 12 月失聯,未能順利完成火星的探測任務。

希望號未能順利完成任務,彷彿暗示著也英的人生也同樣遇到瓶頸與挫折。圖/IMDb

未完待續的火星之旅

火星因其醒目的紅色外觀一直為人們所關注與追尋的星球(西方更將其取名為 Mars,即為羅馬神話中的戰神),且因火星具有與地球相似的環境條件,科學家一直將火星作為移居星球的選項之一,也設想過將火星「地球化」,使其更加適合人類居住。

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但人們是否有改變火星的權利,又或者我們對於火星是否有足夠的了解,或許等到未來更多次嘗試的火星任務後才能知曉答案,正像是晴道說的:「要想知道是不是命中註定,你必須全心投入進去。」

參考資料

Mia_96
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師

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看不見的歐若拉——物理學家解釋火星上極光的成因
Ash_96
・2022/07/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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極光。圖/envato elements

形成極光的要素有三,其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場,可以在兩極地區生成北極光和南極光;然而,火星沒有覆蓋全球的磁場,因此火星上的極光並非出現在兩極,只能在特定區域生成。

近期,愛荷華大學領導的研究團隊,根據美國航空暨太空總署(NASA)火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器的數據,確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成

極光三要素:大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前,讓我們先把鏡頭轉到地球,談談地球上的極光在哪裡形成,以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區(auroral oval),涵蓋北極與南極地區,但並非以兩極為中心;換句話說,極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外,極光橢圓區的寬度與延伸範圍,會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

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當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引,沿著磁力線加速往高緯度地區移動,最後和大氣中的原子碰撞時,就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述,可以得知極光的三個要素是:大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」,若屬於可見光波段,就能用肉眼觀測,並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍,綠色區域則為極光橢圓區。圖/National Park Service

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火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前,得先介紹它的幕後推手——行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)。IMF就是太陽風產生的磁場,在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化,並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢?當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播,會同時拖曳太陽的磁力線一起離開;太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子,讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話,太陽就像是在轉盤上的蛋糕,太陽風粒子就是擠花裝飾;而當蛋糕一邊以固定速度自轉,擠花逐漸向外擴散的同時,就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

因為太陽一邊自轉,一邊拋射太陽風的關係,IMF的磁力線會扭曲呈現如圖的螺旋狀。圖/維基百科
蛋糕的螺旋狀擠花。影片/Youyube

對太陽風和 IMF 有基本認識之後,讓我們把鏡頭轉向火星,談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

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相較地球來說,火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層,強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態,導致大氣層的散失;該過程稱作濺射(sputtering),發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一,在 IMF 的作用之下,部分的離子會環繞磁力線運動,隨著 IMF 移動而被帶離火星;另外一部份的離子則像撞球一般,撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子,引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明,根據團隊研究的成果,太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離,並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素(質子數相同,但是質量不同的元素)以氬-38 以及氬-36 為主,後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比,Jakosky 的團隊推估火星約有 65% 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形;其中又以二氧化碳為焦點,畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在,而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

火星的大氣層因為太陽風的濺射效應逐漸被剝離。圖/NASA

接著,讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢?這要先從行星發電機理論開始說起,該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

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以地球為例,地核內部保留了地球形成初始的熱能,約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵,因為密度下降而上升至地核頂端,接觸到地函時,這些液體會喪失部分熱能而冷卻,因為溫度比周圍環境低,密度變高而下沉;如此不斷的熱對流循環下,讓帶有磁力的流體不斷運動,進而形成電磁感應。另外,科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向,產生螺旋狀的流動效果,有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示,火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關,在火星形成之初散熱較快,造成火星外核液態鐵短時間內就凝固,無法像地球一樣,保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化,不斷從地核深處上升至地函,再冷卻下降,持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力,導致火星內部的發電機幾乎停止運轉,無法形成全球的磁場。話雖如此,火星仍然具備小區塊的磁場,主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

行星發電機理論中科氏力影響行星地核內熱對流的導電流體偏向。圖/Wikipedia

磁層與大氣層相互依存,火星在太陽風不斷吹襲之下,大氣層愈趨稀薄;火星內部又缺乏發電機的動力,無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護,就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢,因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

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既然這樣,看似缺乏極光形成要素的火星,又是如何形成極光的呢?

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護,但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡,磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用,滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」,與地球上常見的極光不同,有些發生在人眼看不見的波段(比如紫外線),所以也更加提升了觀測難度。

那麼,研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢?那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀(Imaging Ultraviolet Spectrograph,IUVS)!

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家,他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

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火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果,比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場(IMF)強度、時鐘角和錐角[註 1] 以及火星上極光的紫外線,發現在磁場較強的地殼區域內,極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向;反之,區域外的極光發生率則與太陽風動壓(Solar Wind Dynamic Pressure)關聯較高,但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到,在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內,當 IMF 的時鐘角呈現負值,如果正逢火星的傍晚時刻,較容易觀測到離散極光;也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯(Magnetic Reconnection)——意即磁場斷開重新連接後,剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量(如動能、熱能等)加以釋放,例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向:移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關,而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料,也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果,主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光;以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想,火星是目前人類圓夢的最佳選擇;但是在執行火星移民計畫之前,火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護,生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果,科學家們將發掘新的突破點;期許在不久的將來,我們能找到火星適居的鑰匙。

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  • 註1:IMF 的時鐘角(Clock Angle)與錐角(Cone Angle)

如何判定 IMF 的角度呢?因為磁場空間是立體的關係,我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念,來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上,IMF 方向與 Z 軸的夾角;而錐角則是在 X、Y 平面上,IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

IMF 時鐘角和錐角示意圖。圖/ResearchGate

參考資料

  1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
  2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
  3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
  4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
  5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
  6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫
  7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的?物理學家有新發現,帶你揭秘
  8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平
  9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的? 科學家解謎
  10. BBC News 中文。北極光:美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理
  11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風
  12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖,證實火星有磁場。科技新報。
  13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集
  14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
  15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
  16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.
Ash_96
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外交系畢業,很多人看成外文(是不是又回頭看一次? ) 常常在外向與保守的極端之間擺盪;借用朋友說的詞彙,我屬於營業式外向。 喜歡踩點甜點店和咖啡廳,大概是嚮往那種文青都會女子的感覺,或是純粹愛吃。 喜歡k-pop ,跳舞的時候會自動設定為開演唱會模式,自我催眠現在我最帥。