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「查理.布朗呼叫史努比!」史努比和登月任務之間的關係是?

屋頂上的天文學家
・2017/10/04 ・1677字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 500 ・六年級

60年前的今天(1957年10月4日),蘇聯發射了人類史上第一顆人造衛星:史波尼克(俄語:Спутник),開啟了人類的太空時代。1950年10月4日,美國的漫畫家查爾斯·舒茲(Charles M. Schulz)所畫的一隻同樣姓史的小狗史努比第一次露面。這兩件同樣發生在10月4日的事情,卻產生了有趣的連結……

查理.布朗呼叫史努比!

到底這是怎麼一回事呢?這就要先從登月計劃開始說起了。

指揮艙 / 服務艙和登月艙、查理布朗和史努比

美國航空太空總署的登月方式有些特別,前往月球的路上有兩艘連結在一起的太空船:指揮艙 / 服務艙(Block II Apollo Command/Service Module)和登月艙(Lunar Module),抵達月球後,指揮艙 / 服務艙在月球軌道運行,留一名太空人在指揮艙 / 服務艙內等候,讓另外兩名太空人搭乘登月艙登陸月球。等到登月的兩名太空人要返回時,再搭乘登月艙返回月球軌道與指揮艙 / 服務艙會合。會合完成後,三名太空人搭指揮艙 / 服務艙返回地球。

登月艙本尊。source:NASA

整個登月過程似乎有點繁複,這個程序是為了節省燃料的考量而設計的,要完成這樣的程序需要很多次的試航來改進和確認。阿波羅10號是1969年5月18日發射升空,它是第四次的阿波羅載人任務,也是登陸月球前的最後一次試航,整個流程和登月任務非常類似,只差登月艙沒有真正登陸月球而已。

阿波羅10號的任務徽章,圖上方的的是指揮艙/服務艙,下方的是登月艙。圖片來源/NASA

而阿波羅10號登月艙的的代號是「史努比」!而指揮艙的代號自然就是史努比的主人「查理·布朗」。抵達月球軌道後,查理·布朗放下史努比,讓史努比往下靠近月球,史努比最靠近月球表面的高度是距離月球表面15.6公里,勘察完阿波羅11號的登陸地點後,史努比回到查理·布朗身邊。史努比和查理·布朗合作無間,盡責的完成任務,讓兩個月後的阿波羅11號成功地登陸月球!

史努比送阿波羅10號太空人上太空。圖片來源/NASA

安全的象徵:史努比銀質獎

不過美國的登月任務也不是一直都是順利的,為了搶先蘇聯早一步登上月球,美國航空太空總署也曾經付出過昂貴的代價!

阿波羅1號任務太空人,左起至右分別為古斯·葛利森(Gus Grissom)、愛德華·懷特(Edward Higgins White)和羅傑·查菲(Roger Bruce Chaffee)。source:NASA

1967年1月27日,三名太空人正要為預計2月21日發射升空的阿波羅1號做測試,這將是阿波羅太空船的首次載人任務(編按:阿波羅1號為追溯給阿波羅-農神204 (AS-204) 的正式名稱。)這三名太空人包括:古斯·葛利森(Gus Grissom)、愛德華·懷特(Edward Higgins White)和羅傑·查菲(Roger Bruce Chaffee),三名太空人中有兩位太空的經驗相當豐富,古斯·葛利森是美國第二位上太空的太空人,他非常的優秀,是第一位登上月球表面的人選之一,而愛德華·懷特則是美國第一位進行太空漫步的太空人。

原本簡單安全的測試,卻出乎意料地在阿波羅1號內發生大火,三名太空人來不及逃生就被濃煙嗆死在太空艙內。事後調查,發現阿波羅1號有許多致命的設計,於是太空船重新檢討、設計。

為了讓太空探險更安全,美國航空太空總署在1968年設立史努比銀質獎(Silver Snoopy Award),這是為了表彰太空總署的員工或合約商在安全上的貢獻,史努比銀質獎包含一枚上過太空的史努比純銀胸針,它是由查爾斯·舒茲授權而且親自設計的。

史努比純銀胸針。圖片來源/NASA

史努比銀質獎是由太空人頒發,因為太空人最能了解哪些人對他們的安全貢獻最大,能夠得到史努比銀質獎的人並不多,有獲獎資格的人當中,只有不到百分之一的人能得獎,而且一個人一生中只能獲得一次。

史努比就像是守護太空的小狗,希望史努比能持續保護每一位太空人,讓他們平安返航!

source:Wikimedia

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屋頂上的天文學家
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屋頂上的天文學家-李昫岱,天文學博士,曾服務於中央研究院天文所及美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校。大學時交了一群天文社的朋友,從此過著離不開天文的生活,希望透過寫作拉近遙遠天體的距離,讓你發現天文的美好! 歡迎來「屋頂上的天文學家」臉書和部落格,一起航向宇宙,浩瀚無垠!


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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
952 篇文章 ・ 245 位粉絲
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