本文由 國家地理 合作企劃，泛科學共同執行

• 文／陳柏成，持續在自然科學領域探索的研究生。

仰望宇宙在千萬數不盡的星星之中，地球的存在非常獨特。其中最重要的，在於它孕育了千千萬萬的生命。

如果有幸能從太空看見這顆美麗的藍色星球，你會發現到，支持生命的大氣，在整顆星球比例上，還不及蘋果皮厚度的薄薄一層。大氣中有近五分之一的成分為氧氣，眾生仰賴呼吸，而這在其他星球上還不曾被發現過。地球上存在了怎樣的魔力，讓這顆星球上的氣息如此與眾不同？大氣層又如何受到其間孕育的生命所影響、改變？

亞馬遜雨林的樹木供應了很多氧氣？事情沒有那麼簡單

有「地球之肺」美名的亞馬遜雨林，便是塑造大氣成分功不可沒的一個重要角色。

有趣的是，亞馬遜雨林之所以重要，並非在於眾多的樹木行光合作用，為整個世界提供了足夠的氧氣；因為當雨林提供氧氣之時，整個雨林系統同時也消耗了氧氣，因此並不會有足夠多餘的氧供給到整個地球^{1 2}。

那麼亞馬遜雨林還有什麼方式，可以幫助地球帶來氧氣？關鍵便在於其大量蒸散釋放的水氣。

雨林的植物們透過蒸散作用，將大量的水氣逸散至空中，會使雨林上空形成一片廣大的流動「雲河」；當這些流動的雲河撞擊安地斯山脈後，受地形作用抬升凝結成雨滴，迅速留下山坡後回到亞馬遜盆地。而在這移動的過程中，藉由侵蝕岩石，將其化為沉積物後沖入海洋，成為海中矽藻（Diatom）的最佳養分（包含氮、鋅、磷、二氧化矽等來源）。

所以矽藻，才是主要供給地球氧氣的角色之一³ ！矽藻為地球貢獻了約 20-40% 氧氣。

從這樣的例子，我們便可以發現在地球上，看似不相干的生態系統之間，其實往往存在比我們想像更深的關聯。

對地球生態敲~重要的矽藻，還有哪些任務呢？

值得一提的是，矽藻對於地球整體生態的穩定來說，佔有十分重要的地位；一來在於地球上有超過 20% 的二氧化碳固定是由矽藻提供^{4 5}，同時它也供給了超過 40% 的海洋初級生產力⁶ 。沒有了矽藻，那麼我們的地球就會如同褪色的衣裳，不再亮麗。

要知道，矽藻普遍存在於各海域之中。那麼那些存活在遠離熱帶雨林地區水域的矽藻，還可以從哪裡獲得養分？其中一個例子便是來自於冰河的崩解。每當冰河崩解一次，就會有數千噸的冰掉進水裡，其中冰河沿途攜帶的那些岩石碎屑，就是矽藻最棒的食物來源。

當矽藻獲得的養分耗盡之後，假若沒有持續穩定的供給，矽藻便會漸漸凋零死亡，並堆積在海底。經過數百萬年後，海床上升、海平面下降，原本的海底就會變成一片富含鹽的沙漠。而當風將這些富含矽藻殼的塵土吹到雨林，便又成為了促進雨林生長的養分。事實上，現生亞馬遜雨林重要的養分來源之一，就是來自非洲沙漠的塵土。

由雨林到海洋矽藻，再由矽藻到大氣中的氧氣。讓我們看到了地球上的生命與環境間的互動是如此的息息相關。

獨一無二的地球，生命與非生命的互動

當我們仔細探索地球，就會發覺地球上的每一個生命的存在都必須藉由彼此，才能共存於這片土地之上。在這宇宙之中，也唯有地球，是目前科學家發現存有如此多樣生命的地方；因為這裡富含氧氣、水分，具備了各式生物所需的必要元素。再加上生命之間、與環境間細緻而多樣的互動，才得以孕育出這個，充滿變換、令人震撼的世界。

編按：希望繼續了解地球生命與非生命的超凡互動嗎？國家地理雜誌 2018 年最新節目《超凡地球》邀你一同繼續探索共屬我們的這顆，美麗的星球。

參考資料：

1. National Geographic.(2018). World’s ‘largest river’ is actually in the sky – as biggest myth about Amazon Rainforest dispelled in new documentary. Mirror
2. Geraldo Lino.(1993). Myths surrounding the Amazon region. Executive Intelligence Review
3. Andrew Alverson.(2014). The Air You’re Breathing？ A Diatom Made That. Live Science
4. Falkowski, P. G., Barber, R. T., and Smetacek, V. V. (1998) Biogeochemical Controls and Feedbacks on Ocean Primary Production. Science 281, 200-207
5. Field, C. B., Behrenfeld, M. J., Randerson, J. T., and Falkowski, P. (1998) Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components. Science 281, 237-240
6. Sarthou, G., Timmermans, K., Blain, S., and Treguer, P. (2005) Growth physiology and fate of diatoms in the ocean: a review. J Sea Res 53, 25-42

• 如果你有無限次2選1的機會……到底是彈珠檯？還是高爾頓版？
• 理解化學老師口中的分子構造，化學式從此不用死背硬記....化學和生物課程的最佳教具
• 科學實驗室 開箱直播！每週四中午開播～
• 來自美國最好玩的編程無人機，可以使用圖像化編程以及python編程控制 — Robolink官方版 四軸無人機
• 雜物OUT！斷捨離的同時，也能整理思緒帶來好心情？

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《接棒福三，福衛七號讓天氣預報更準確！》
• 作者／郭雅欣｜科技大觀園特約編輯

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。

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。 

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。 

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。

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。 

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！

• 如果你有無限次2選1的機會……到底是彈珠檯？還是高爾頓版？
• 理解化學老師口中的分子構造，化學式從此不用死背硬記....化學和生物課程的最佳教具
• 科學實驗室 開箱直播！每週四中午開播～
• 來自美國最好玩的編程無人機，可以使用圖像化編程以及python編程控制 — Robolink官方版 四軸無人機
• 雜物OUT！斷捨離的同時，也能整理思緒帶來好心情？