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《氣象戰》的背後,那些科學和不科學的事

阿樹_96
・2017/10/17 ・5948字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

關於《氣象戰Geostorm》這部電影先在這裡說一下結論,由於《氣象戰》算是個災難素材的科幻電影,因此我個人並不會因為科學上的問題而反推,起碼觀賞過程中某程度是覺得有娛樂商業效果;至於特效我個人覺得因人而異,也不可能要求「真實」,就不多作評論。而本文將會循序漸進的從無劇情到預告片層級的雷,到直接聊劇情中的科學元素,請視情況斟酌閱讀喔!

source:IMDb

「氣候」、「天氣」傻傻分不清?

我們會說今天「天氣」好不好,不會說今天「氣候」好不好。「天氣」通常是用以指稱特定時間點的大氣狀態或現象,討論的時間範圍短至一天,長至一星期,空間上的尺度也很小,最小到鄉鎮區層級。而會「氣候」的尺度動輒數個月、數年甚至談論百萬年以上的古氣候都有,空間從像台灣的尺度到世界尺度都有,談的是長時間的「平均狀態」。

「氣候變遷」是近代大眾對大氣科學最關注的議題之一,數年前IPCC的報告已經告訴大眾,全球暖化有 95% 與人類活動有關(延伸閱讀:如果你覺得地球快被我們毀了,你該矯正對全球暖化的認知)。而另一個議題則是極端天氣對人們的影響,譬如極端的降雨、熱浪、暴風雪,皆對人類的生命與財產造成重大損失。而其中也不乏有研究指向極端天氣與氣候變遷的關係,不過試想這兩者的時間空間尺度都差很多,光是探討相關性就夠難了,更不用說討論其因果關係。要我來說,先不論原因為何,起碼統計上極端天氣變頻繁是事實,我們的確是需要正視如何應因極端氣候的問題。

圖片截圖來自 IMDB

______以下開始是預告片等級的微微雷_____

《氣象戰》的空想科學:能「炸」掉一整個颱風嗎?

電影《氣象戰》的科學背景,是人們以衛星科技結合大氣理論來試圖操縱天氣現象,以解決極端氣候問題。由現今科學的角度來看這想法還遠得很:目前的科技,實用的方式還停留在「人造雨」的階段。而且要造雨,也還是需要「雲」,因為人造雨的方式只是在雲中添加一些幫助凝結的東西(詳見氣象局網頁說明),因此這樣的方式還是限縮在某些特定天氣條件下。至於從零開始製造出雲,除了適當的溫壓條件,還要有水氣,要是能憑空造水氣,我們還愁什麼人造雨施作?而 NASA(美國太空總署)的任務中雖然有過製造彩色雲朵,但實際上這些雲是用來給悟空把妹研究電離層的小規模雲朵,對於天氣改變一點用都沒有!

七色雲彩的來源:齊天大聖東遊記。圖片來源:youtube

所以像預告片中製造出暴風雪的情況,即使理論上有可能,但也受限於科技無法提供這麼大量的水氣,更不用說要大幅降低溫度。至於預告中「粉碎熱帶風暴(颱風)」的行為,科技難度根本爆表。之前小弟查了颱風所釋放的能量,一個中度颱風一天釋放出的能量可達數萬顆廣島原子彈的層級,由於數量級過龐大,我實在很難想像要怎麼「炸」才可以轟掉一個成熟颱風。(延伸閱讀:「為何不用用神奇核彈來摧毀颶風?」 美國大氣總署的不思議問題庫

source:fictiontofact.com

而觀測史上颱風被轟掉的唯一例子,是地球自己轟的。1991年颱風詠妮亞(Yunya)從菲律賓經過時,正好皮納圖博火山爆發,火山噴發破壞了颱風結構(不只有能量,火山本身也使其結構受到破壞;颱風後來轉向侵襲臺灣時很快就消散了。以現在媒體常用的角度或許就會說「護國火山」?)不過,破壞颱風的並不只是火山的能量,更多是火山噴出來的火山灰等碎屑。而接觸到颱風的雲雨而落下形成大量泥流,也造成菲律賓當地的嚴重災情(說實在有點衰,颱風火山一起來)。

颱風詠尼亞的路徑,到臺灣已經消散了。圖片來源:wikipedia
火山在詠尼亞颱風經過時噴發,圖中正中間灰色圓形部分為皮納圖博火山噴發的火山灰。圖片來源:wikipedia

所以要毀掉大型的天氣系統,需要的能量和物質尺度,也只有地球自己製造的才有機會。光從預告片便可知電影中的科學,至少已經是「空想」、離現實遠得很~小弟雖是地科人但擅長的不是大氣,猜想大氣系的朋友看這片子,或許就和地質系的人看《地心毀滅》、《加州大地震》是一樣的感覺吧?

設計對白:「我到底看了什麼?」
圖為塞繆爾.約翰遜(Samuel Johnson)

_____以下開始是颱風等級的爆雷囉,前方高能注意_____

關於《氣象戰》中的大氣科學

我必須說,電影中「真實的」大氣科學,少的有點令我充滿問號。片頭雖然說為了對付極端氣候而發明了這項武器,取名叫「荷蘭男孩」(Dutch Boy),不過就只有說明它的科學原理是控制大氣的「熱量、溫度、壓力」的狀態,然後畫面就帶到衛星發射一堆看起來想熱能量東西炸掉一個颱風(如上面的gif),然後就沒了!後面關於怎麼用雷射加溫、怎麼製造暴風雪一個字都沒提,所以我想只能用「黑科技」來解釋這件事。而比起大氣術語,我發現用在太空站裡的術語或名詞比大氣的東西還多;不過想想也合理,片中最常出現的 LOGO 是  NASA 不是 NOAA(美國海洋與大氣總署),有種「想要搞定天氣,就是要靠發射衛星解決」的概念?

這種東西怎麼看都像雷射武器啊。圖片來源:youtube

另一個片中提到的「理論」,應該是英文片名 GEOSTORM(地球風暴),意思就是當地球上被製造出來的風暴到一定的程度,就會毀了整顆地球!這當然還是空想科學。就如本文一開始提到「天氣」和「氣候」的差異一樣,過去整個地球層級的變化,應該是「極端氣候」而非「極端天氣」,簡單來說就是整顆地球得很冷或變得很熱,而非同一時間地球上各地同時暴風雪加颱風加熱浪加一堆龍捲風全部一起來。當然,或許這套理論是假設在荷蘭男孩的「黑科技」可行的情況下而設計的,都能造出一個環繞全世界的天氣衛星網,電影中的世界還有什麼不可能的呢?

所以,真的不要太在意它的災難場面真實性,包括充滿黑人問號的香港氣爆、好幾個龍捲風交錯縱橫的神鬼傳奇、大到和海嘯一般的暴潮還能摧毀杜拜的高樓也是有點微妙(其實夠堅固的房子並不會被海嘯一沖就馬上倒),還有砂鍋大的冰雹、暴風女經過的閃電連發我看到都笑了,而瞬間急凍已經是《明天過後》的老梗就…就不多談了。但總體來說,比起過去災難片來說,這部算是收斂到有點被人詬病了

source:IMDb
神鬼傳奇(X) 龍捲風同樂會(O)。圖片來源:youtube

除了大氣科學外的科學與科幻畫面

或許電影考量了天氣的能量尺度之大,所以認知到要實現「荷蘭男孩」,必須要建造一大堆的衛星和太空站;從完整的劇情和畫面推敲,荷蘭男孩可能布滿了整個天空,這也合理,因為唯有這樣才能有效率地操縱天氣。所以理所當然地,用太空梭可重複多次酬載的特性來打造和維修太空站再合理不過(像 SpaceX 也有發展可回收火箭,只是電影掛上 NASA 就是要用 NASA 的科技吧?)。

但對我而言仍難以想像,現在已經沒有太空梭服役的時代,竟然有太空站可以容納好幾台太空梭,地表的發射載台可以一字排開輪流發射,這種如動畫鋼彈一般的宇宙空港,想必太空科幻迷應該很開心!但話說回來,要蓋這些東西花多少錢啊?更不用說發生像是讓主角坐在空盪盪的太空梭這樣奢侈的行為了!這也難怪一開始公聽會的參議員不是很想移交荷蘭男孩。

而或許是現今科幻作品都考量到「重力」對人體健康的影響,像是《火星男孩》直接就考量了重力對骨骼的影響,而《絕地救援》和《星際過客》都有考量長期在太空的人類需要重力,而設計出由旋轉產生重力的太空船(但其實重力要夠也要轉很快),本片中的太空站也是將此設定作為基本配備。只是……旋轉軸部分不會因此有重力啊!所以在停靠接收太空船和衛星設備的位置,大家應該漂來漂去,不應該若無其事地走路啊!至於比較細節的像是人被吸出太空站外的劇情,有瞬間被冰凍脫水的情況,以及一些太空爆炸特效,反而「看起來有比較真實一點」,所以重力部分我想就當作考究不足或是成本考量吧!

中間的軸根本不會轉,哪來的重力啊!圖片來源:youtube

至於最後的小吐嘈,就給荷蘭男孩的太空站和衛星高度吧!

先給大家兩個參考資訊:

  1. 現在的國際太空站ISS軌道距地大約350公里,繞地球一圈91分鐘。
  2. 地球同步衛星(如同步氣象衛星)距地35786公里,繞地球一圈24小時(意思就是和地球自轉是同步的)。

接著來看劇情提到的「香港上空」和「阿富汗上空」的衛星故障,可以猜想這套系統使用的是「地球同步衛星」,唯有這樣才能精準的定義「某某上空」的衛星是哪顆,不然會衛星將會一直跑來跑去,但是電影中的衛星看來高度比較接近 ISS 的低軌道(地球太近了),這樣一來如果要確保衛星和地球自轉同步,勢必要秏費很多額外動力,簡言之就是劇情和衛星高度的設定矛盾。

這靜止衛星的高度不科學啊!(謎之音:為什麼發射前要張開像太陽能板的東西?)圖片來源:youtube

好吧,這只是職業病,我其實是想跟大家說明一下同步衛星的視角,應該是跟氣象局上的全球衛星雲圖差不多的感覺!順道一提這張衛星雲圖中從臺灣附近的颱風向北延伸的雲帶,可是很大尺度的天氣系統,這個雲雨帶和颱風共伴的效應也在台灣帶來大量豪雨造成土石流等災情,由於劇情中並未提到,不知道荷蘭男孩能不能對付這種天氣系統?

同步衛星的視角,應該是跟氣象局上的全球衛星雲圖差不多的感覺。圖片來源:中央氣象局

劇情走線中的邏輯脈絡

雖然看過預告片知道這是災難片而非劇情片,但我還是比較期待是拿氣象武器互相傷害的情節。尤其是「結合十七國科學家之力,並由美國和中國出錢蓋好荷蘭男孩」這件事,對我來說跟前述的科幻一樣不切實際啊(雖然片尾有說世界大同、齊心協力試圖合理化這點)!但畢竟歷史上很多跨時代的科技,都是來自於戰爭和武器開發,而像這種雙面刃般的科技,怎麼想都是會先出現武器,或者是因為它有可能成為大規模毀滅性武器,而像核武一般禁止試驗,這部電影的世界觀其實頗和平的啊。不過劇情中也暗示,這種東西給特定國家擁有絕對不是好事!所以最後的走向還是移交回聯合國來管理,然而如果像片中可以藉由後門和病毒程式搞破壞,那還是很危險啊!

電影中說有十七國,算一算國旗是十八,猜想是美國扣除自己了吧!圖片來源:youtube

個人看電視電影時,很喜歡看劇情中有沒有邏輯不通的地方,扣除前述職業病使然所挑出的科學bug,還是可以看出編劇許多有趣的鋪梗,譬如前段吉姆史特格斯跟傑瑞德巴特勒的女兒說「我們小時候要好到可以有專屬的暗語」,是為了後面視訊會議鋪的梗,還有巧妙的把自動車(自駕計程車)融入關鍵劇情的設計,而中後段起我就一直很在意,在主角邊跟前跟後的德籍首席科學家沒有特別的表現,好奇她的關鍵戲何時會出現(果然沒有失望XD)。諸如此類的細節小巧思,對於我這種在意邏輯大於特效的觀眾,算是提供了頗有趣味的娛樂。

戲分算蠻少的「德籍首席科學家」。圖片來源:youtube

如果我們不能改變「天氣」,但能改變「氣候」嗎?

其實,我們已經改變了!

僅管還是有人不相信(譬如川普總統),但照IPCC的報告來說,全球暖化 95% 的可能性是人為的,也說明我們該為此事負責。為此,除了宣導節能減碳之外,科學家還是有作了很多嘗試努力想讓法解決問題,而與此部片最為接近的應該是「地球工程」(geoengineering)領域的研究,最值得一提的例子,就是「鐵假說」(註1)的相關做法,即使有些爭議(註2),但還是一直有科學家在研究並嘗試盡可能在不起爭議的情況下做實驗(註3)。而有些更瘋狂的想法,譬如製造一個「濾鏡」衛星放在在L1點(註4),適時減少太陽入射的能量而讓地球降溫,我想製造成本應該比荷蘭男孩低吧(但還是很難做到)!

太陽濾鏡的概念示意。圖片來源:wikipedia

這時回過頭來想想,起碼「節能減碳」這件事,至少執行面上已經比這部電影和前面幾個地球工程的瘋狂想法容易多了,像是隨手關掉不必要的電源這麼簡單,能不落實一下嗎?

  • 註1:提出"鐵假說"的科學家認為,某些海洋浮游生物(如藻類)特別喜歡「鐵」的元素,故對富含此類生物卻缺鐵的地方施以鐵肥,可能會增加其光合作用效率而「捕捉」二氧化碳(可參考此Nature快訊)。
  • 註2:臺大地質系助理教授任昊佳的研究"No iron fertilization in the equatorial Pacific Ocean during the last ice age",從沉積物的研究發現,由於某些特定藻類的生長會限制其它藻類的生存空間,也會把其它藻類需要的營養鹽「用光」而抑制其生長。故施以鐵肥雖然助長某些藻類生長,但卻影響其它的藻類,效果可能不如預期。
  • 註3:即使仍有爭議,目前仍有研究針對鐵假說進行驗證的實驗,且進一步研究其對食物鏈與生態系的影響。
  • 註4:太陽「濾鏡」是指用大型鏡片改變陽光入射地球的能量。而太陽和地球中間的其中一個拉格朗日點L1,則是正好在日、地中間,且在此位置的衛星會跟著地球公轉一起跑的地方,濾鏡放在這便能跟著地球一起繞日。

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阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》