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無重力狀態下的那些事:生物超展開?慕斯更好吃?在地球又該如何模擬無重力呢?

Peggy Sha
・2018/03/22 ・4091字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

當我們在看電影時,常常會見到角色英勇地飛向宇宙,當他們衝破大氣層的那一刻,就會突然「抽離身體放開自己」,漂浮在半空中。這時,我們就會知道「啊……他們進入無重力的狀態了」。

奇異博士就曾上演過這麼一段「抽離身體放開自己」。圖/《奇異博士》劇照@IMDb

不過,難道「無重力」就是這樣簡單?只要上了太空就可以隨意「漂向前方,別問我家鄉……」了嗎?

失重失重,進到太空就會失去體重?

為了解開這個謎題,讓我們先來看看「無重力」究竟是什麼意思:無重力就是「失重」(Weightlessness),如果單照字面上的意思來看,很容易會讓人家聯想到「失去重量」……等等,這是不是代表我一飛向宇宙就可以變成輕飄飄的小仙女了?

當然不是!我們在任何地方的質量都是不變的(胖子牽到太空還是胖子),只是在失重狀態下我們會「感覺不到自己的體重」。一般來說,當我們站在地面上時,地球用它的重力(也就是地心引力)拉著我們,給了我們一個向下的重力加速度,卻也同時提供了一個等同於我們體重的向上支撐力,好讓我們穩穩地站在地面上。而當這個支撐力發生變化時,我們所「感受到的重力」也會隨之產生變化,有時我們在電梯之中會感受到一瞬間的漂浮,正是由於這個原因。

說到了電梯,就讓我們來假設有座電梯以 9 m/s的加速度向下運動,而當地的重力加速度是 10 m/s2。這時,人和電梯的相對加速度就是 1 m/s2,如此一來,人對電梯之間的壓力相當於人站在地面上的 1/10,就會開始產生了輕飄飄的感覺。而如果更進一步假設有座電梯以重力加速度 g 向下加速,人對電梯壓力就會等於零,這時,我們就可以電梯中漂浮起來啦!

等等,我們要飄起來了嗎~ 圖/By Adam Kliczek [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia

所以說,失重的感覺其實是源自於人對支持物品的壓力變化。雖然我們在宇宙間仍然有受到重力,卻無法在茫茫宇宙間找到一個獨立的支持物,在這時,我們對於支持物的壓力小於自身所受到的重力,身體就會感受到無重力的假象。

無重力的世界,無奇不有

在無重力的世界裡,可以觀察到許多有趣的現象,比如說:所有的物品都會飄浮在空中,液體將成完全球型,而氣泡在液體中並不會上浮。想像一下,當你在太空中想要喝一罐可樂,卻看見它在半空中變成一顆咖啡色的球,而所有的泡泡都被包在球裡面,是不是突然就少了點平常的那種 fu?

液體在無重力下會成為完全球型。圖/ NASA @Wikimedia

而在無重力的狀態下,植物的生長方式也會和在地球時大不相同,美國俄亥俄州立大學(Ohio State University)的生物學教授 Fred Sack 分別於 1997 年和 2003 年時,在哥倫比亞太空梭(space shuttle Columbia)裡培養苔蘚類植物「角齒蘚」(Ceratodon purpureus)的原絲體(Protonema),結果發現:角齒蘚的原絲體在太空失重的黑暗環境中會逐漸形成順時針螺旋狀。

小立碗蘚(Physcomitrella patens)的原絲體。在地球上有光線有重力的環境下,苔蘚的原絲體會長成有綠色絲狀。圖/By Anja Martin, Labor Ralf Reski – Reski Lab, University of Freiburg, CC BY-SA 1.0
角齒蘚的原絲體在太空中(黑暗環境下)長成順時針螺旋狀;原始在地球環境下原絲體會呈顯逆重力、向光線的生長模式。圖/By Fred Sack @livescience

原絲體是苔蘚生命最早期的階段,在地球上時,它的成長會受到重力與光線的影響,在地表會呈現遠離地心、朝向光線的趨向生長。不過,太空中幾乎沒有重力的干擾,科學家又提供了完全黑暗的生長環境,最後便長成了上圖中螺旋狀散開的模樣。

美好泡泡,盡在太空

無重力的研究也為我們帶來許多美好生活的可能,與我們最切身相關的,可能是它會讓咖啡更好喝(?)為了讓大家吃到更完美的食物,歐洲太空總署(ESA)微重力(microgravity)研究的重點研究項目之一,就是泡沫狀飲食和飲料中的科學。愛吃的人就知道,食品中的泡沫可是十分重要的,有些食品中的泡沫需要長時間存在,比如巧克力慕斯蛋糕,但你就不會想要在冰淇淋中吃到一堆泡泡。

不,他們研究的並不是這個泡泡。圖/《飛天小女警》劇照 @Wikimedia

不過,為什麼要特別在無重力的環境中鑽研泡泡呢?這是因為在地表上,比較大的氣泡會浮在較小的氣泡上,但在無重力狀態下,泡泡則會均勻散布,讓機構更能研究出符合商品需求的泡沫。

只是,這種泡沫研究可不簡單,食品公司必須使用 ESA 拋物線飛機飛行(parabolic flight),先讓飛機爬升、而後下降,在這個過程中,飛機就像是經歷了自由落體,會讓機內的人感受到大約 22 秒接近無重力的短暫瞬間。而在這短暫的時間內,研究者必須使用電磁動力活塞持續拍打液體以產生泡沫。費了如此大的功夫,科學家就得以在不增加原料的情形下製造出更加穩定的泡沫,以延長食品的效期。

在飛機由上升轉為下降的過程中,會短暫經歷 20 秒左右的類失重狀態。圖/ NASA @Wikimedia

「789 我們私奔到月球~」無重力真的能讓人談場無憂的戀愛嗎?

天啊,無重力的空間是如此讓人飄然欲仙,還能產生出美好綿密的泡泡,那我們還不趕快一起私奔到太空,來場電影般的史詩級戀愛?別傻了朋友,無重力的環境還真不是個適合談情說愛的地方。

「123 牽著手,456 抬起頭,789 我們私奔到月球。讓雙腳去騰空,讓我們去感受,那無憂的真空,那月色純真的感動~~」聽起來好浪漫!但想來場無重力戀愛可不是件易事。圖/geralt @Pixabay

為什麼這麼說呢?首先,有 45% 的人在剛剛進入太空的最初幾小時內會經歷「太空適應綜合症」(space adaptation syndrome,SAS),相關的症狀包含噁心、嘔吐、眩暈、頭痛、嗜睡和全身不適,別說接吻了,光是站穩都很不容易。

就你如果有幸能躲過這些症狀,能和情人纏纏綿綿的時間也不可能太長,因為人體的構造本是為了在地球上生存而演化的,在無重力的狀態下,我們的肌肉會萎縮(還好本來就沒有六塊肌),骨質也會因此惡化。此外,缺乏重力會使得心血管系統血流變慢、紅血球減少,甚至導致平衡失調和免疫系統變弱。

而最最最重要的是:在失重的狀態下,就連要繁衍個子孫都非常困難!

當我們享受在無重力那種讓人飄飄然的美好感覺中,心想著終於可以開始在太空中「創造宇宙繼起之生命」,抱歉,這時小兄弟可能會不太給力,因為無重力會讓它無法順利充血,而假使能藉著濃情蜜意順利完成,液體大概也無法好好地流向它該去的地方。所以說,如果想在無重力狀態下創造出太空公民,這挑戰的等級,實在是難上加難。

不能私奔到太空,我們也能打造無重力小宇宙

好吧好吧,在太空談戀愛可能太過困難,但如果是想體驗看看漂浮在無重力的感覺,科學家們可是有很多辦法的。除了上面提過的拋物線飛機之外,NASA 更打造出了知名的「中性浮力實驗室」(The Neutral Buoyancy Laboratory,NBL),用以模擬外太空的無重力狀態。

大名鼎鼎的「中性浮力實驗室」(The Neutral Buoyancy LaboratoryNBL)。 圖/ivicon

NBL 就像一個巨大的深水游泳池,長 62 公尺、寬 31 公尺,深度則達 12.34 公尺,其中可容納多達 620 萬加侖的水。

在這個實驗室中,太空人會穿上特殊的裝備,並經由精密儀器的協助來進行中性懸浮(neutral-buoyancy diving),體會類似於失重的狀態。在訓練時,太空人會一邊呼吸高氧氣體(Nitrox),一邊完成指定動作。

太空人會全副武裝在 NBL 內進行訓練。圖/NASA @Wikimedia

為了好好完成太空任務,在中性浮力實驗室中的各項訓練至為關鍵,可說是上太空前最重要的一站,而為了使未來的太空人候選者們獲得見習的機會,「休士頓太空與科學教育協會」(Houston Association for Space and Science Education,HASSE)就特別打造了太空學校,讓學員們能夠好好參觀這個地表最大的類無重力實驗室。

在太空學校的課程裡,可以參觀 NBL,近距離認識太空人的訓練情形。 圖/ivicon

如果你想親眼看看太空人的訓練實況和他們在類無重力狀態下的各種英姿,可別錯過太空學校規劃的精彩課程啦。

至於真太空人到底在無重力狀態下過著怎樣的生活呢?也歡迎看這個特輯、一窺太空人的日常喔:真‧太空人的日常

參考資料

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Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。


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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
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