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天邊一朵雲,藏了哪些秘密?

研之有物│中央研究院_96
・2018/06/21 ・3245字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

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  • 採訪編輯/歐柏昇 美術編輯/張語辰

雲,是氣候模式中非常難預測的一項因素,卻與全球暖化、空氣污染等環境議題密切相關。中研院環境變遷研究中心的王寳貫主任,研究領域從小尺度的粒子運動,一直到大尺度的風暴,試圖解答雲與環境的課題。

本文專訪氣象學家王寳貫,從物理的角度認識「雲」。 攝影/張語辰

雲到底是什麼玩意兒?

看到一朵雲在飄,我們很容易誤以為一朵雲就像一棵樹、一顆蘋果,是「一樣東西」。

一朵雲其實不是真的「一樣東西」,只是彼此關係很淺的一團水珠的集合。

一朵雲飄動的過程中,「內容物」其實不斷在變動,裡面的水珠有的長大、有的則蒸發。飄過來之後,很可能一開始的水珠已經全部換掉了;即使雲的形狀看起來沒有變,但雲的內容物很可能有了天翻地覆的變化。

天氣預報裡常說,颱風從海上過來,「在臺灣登陸」。讓人錯覺似乎有某樣東西從太平洋移動到臺灣,但事實上最主要是把這個「運動」傳過來。颱風抵達臺灣的時候,它的空氣已經不同於原來生成時的那團空氣,而是「氣流的運動」傳到了臺灣。

好比往池塘丟一塊石頭,水波跑出去了,但是水面上的小樹枝並不會隨著水波往外跑,只會上下動。颱風就像波動一樣,波動的形狀跑出去了,但是水氣的材料留在原地。

如果地球上沒有雲,會怎麼樣?

一般用氣候模式來推估未來氣候的變化,裡面有個很大的不確定性,就是在於「雲」。事實上,人類對雲的了解很不足。一朵雲可以支撐多久?什麼地方可以產生雲?這些問題很難回答,卻有重大的影響。

假設地球上沒有雲,會發生什麼事嗎?首先,雲的來源主要就是水蒸氣。

如果把地球上的水蒸氣都拿掉,那地球上的平均溫度會比零度還要低。

地球誕生的早期,氣體被埋在地下,經過火山活動釋放出來,其中很重要的物質就是水蒸氣,使地球溫暖到平均攝氏十五度。空氣中有了水蒸氣,上空溫度夠冷,就會凝結產生雲。

如果地球上雲太多,會怎麼樣?

從外太空看地球,雲是地球上最白的部分,可以把陽光反射回去。地球上如果雲很多,「反照率」就很強,地面上受到的太陽輻射少,就會變得比較冷。

金星在夜空中之所以明亮,除了由於距離地球很近,也因為整個星球被一層雲包住,反照率強,陽光照射時就看起來亮晶晶。金星上的雲是硫酸,顏色沒有那麼白;而地球上的雲是白色的,反照率更強。假使地球上的雲非常濃厚,太陽的能量通通被反射,地表就會進入寒冬。

(左)地球的雲是白色的,雲的厚度較沒那麼厚。(右)金星表面被厚厚的硫酸雲遮蓋,雲的顏色較沒那麼白。 圖/NASA

為什麼要了解雲的個別粒子運動?

雲對氣候的影響非常大,因此我們需要知道,雲可以在什麼地方產生?一旦產生可以撐多久?什麼樣的雲可以撐久一點?

看似單純的雲裡面有許多種類的小粒子,有小水珠、大雨滴,還有許多冰晶。即使在夏天,很多雲裡也充滿冰晶,因為在兩、三千公尺的高度環境,氣溫得以維持在攝氏零度以下。

為什麼要特別介紹冰晶呢?因為冰晶的運動與雲的物理有關係。雲中的冰晶如果變得夠大、往下掉的時候,如果掉落速度很快,蒸發量就會比較大。就像是夏天很熱,沒有風的時候散熱很慢,但是開個電風扇就會覺得涼快,因為對流作用會把熱量帶走。一旦蒸發量大,就會吸收掉比較多周圍空氣的能量,使得那塊空氣變冷。在同樣氣壓條件下,冷空氣會下沉,而下沉氣流則會使雲散掉。

這些牽涉到許多小粒子、複雜的運動過程,團隊使用精密的流體力學進行分析計算,才得以模擬雲的生成與流動。

風暴上面真的沒有雲嗎?

從前氣象學家認為,風暴的頂端就是雲所能達到的最高界線,再往上是平流層,非常乾燥沒有水蒸氣。一般的長程飛機就是飛在平流層底部,搭飛機時你會發覺那裡一望無際幾乎沒有雲,因為幾乎沒有水蒸氣。

但是,後來由人造衛星收集的資料發現,風暴頂端之上,竟然還有一些雲。有雲就代表有水蒸氣,那這些水蒸氣是從哪裡來呢?

王寳貫團隊研究風暴模型,利用電腦模擬得到了一個可能的結果:經由「碎波」的現象,水蒸氣可以上升到平流層;而且這個現象風暴有關係。在對流層的頂端,因為對流很強,會產生重力波。若只是一般的波動,水蒸氣上不去平流層。但是如果像在海邊突然翻過來的「碎浪」一樣,產生「碎波」,那就可以把物質傳到平流層。

雲頂「倒捲」的形狀,即是「碎波」。王寳貫團隊以電腦模擬碎波的形狀、大小、方位、發生地點,和實際觀測情況相當吻合。 圖/Wang, P. K. 2004: A cloud model interpretation of jumping cirrus above storm top, Geophys. Res. Lett., 31, L18106

在風暴中,碎波會將水蒸氣往上送到平流層,這個現象有什麼意義呢?

平流層上如果有水蒸氣、或者有雲的話,它會使地面的暖化更嚴重。

因為平流層的水蒸氣,溫度非常低,特別容易吸收地面上傳過來的紅外線。

過去談全球暖化,主要談「二氧化碳」,沒有考慮到平流層上「水蒸氣」的問題。而最近研究發現,平流層上的水蒸氣有時多、有時少,持續變化。團隊認為這些水蒸氣很可能是在風暴發生時,經過碎波現象傳送上去的。全球暖化的現象可能會影響風暴的活動,從而影響往平流層上傳送的水蒸氣。而這些水蒸氣又會反過來影響地表的溫度,含量多的時候紅外線不容易傳出去,地面上變暖;含量少的時候熱量比較容易散發出去,就會變得比較冷。

雲和空氣污染有什麼關係呢?

雲要凝結,需要有小的汙染物,也就是所謂「凝結核」。如果空氣真的是非常乾淨,乾淨到一點塵埃都沒有,天空中不會有雲,每天都是藍天。

如果觀察天空,就會發現多數的時候就算是藍天也帶點灰白,代表了空氣含有很多小粒子,聚集吸收了水氣形成很稀薄的雲,壟罩天空。

如果塵埃太多,造成很多稀薄的雲,非常多但是分散掉了,水滴很小而不下雨,你就不會把它叫「雲」,而是叫「霾」。

現在臺灣的空氣污染,除了來自本地以外,還來於自中國大陸、東南亞;尤其在春天,臺灣是這三種空污來源的會合地區。但是,臺灣的空氣污染觀測相當不夠,過去都只是在地面測量。有鑒於空污觀測的不足,王寳貫團隊最近與德國布萊梅大學 (University of Bremen)合作,推動「臺灣大氣化學轉化與污染傳輸」(Pro-ACT3)計畫。

「臺灣大氣化學轉化與污染傳輸計畫」的高空研究飛機。 圖/吳姿蓉提供

合作的德國團隊在 2018 年 3 月開了 G550 高空研究飛機到臺南,進行一個月的觀測,探測臺灣地區、東海及南海上空多種空氣污染物的物理化學性質。這項研究將了解臺灣空氣污染物的傳輸與轉化機制,從中找出未來防制境外空污的方式。

延伸閱讀:

  1. 冬天打雷為什麼是不祥之兆?氣象學家有解釋
  2. 王寳貫的個人網頁
  3. Kai-Yuan Cheng, Pao K. Wang and Chen-Kang Wang, 2014, “A Numerical Study on the Ventilation Coefficients of Falling Hailstones”, JOURNAL OF THE ATMOSPHERIC SCIENCES, 71(7), 2625-2634. (SCI) (IF: 2.672; SCI ranking: 32.4%)
  4. Tempei Hashino, Mihai Chiruta, Dierk Polzin, Alexander Kubicek and Pao K. Wang, 2014, “Numerical simulation of the flow fields around falling ice crystals with inclined orientation and the hydrodynamic torque”, ATMOSPHERIC RESEARCH, 150, 79-96. (SCI) (IF: 2.2; SCI ranking: 39.2%)
  5. Setvak, M., K. Bedka, D. T. Lindsey, A. Sokol, Z. Charvat, J. Stastka, and P. K. Wang, 2013: A-Train observations of deep convective storm tops. Atmos. Res., 123, 229-248.
  6. Wang, Pao K., M. Setvak, W. Lyons, W. Schmid, and H. Lin, 2009: Further evidence of deep convective vertical transport of water vapor through the tropopause, Atmos. Res., 94, 400-408.
  7. Wang, P. K. 2004: A cloud model interpretation of jumping cirrus above storm top, Geophys. Res. Lett., 31, L18106., doi:10.1029/2004GL020787
  8. Wang, P. K., 2002: Shape and Microdynamics of Ice Particles and Their Effects in Cirrus Clouds. Invited monograph in Advances in Geophysics, Vol. 45, Academic Press, 1-265.
  9. 王寳貫,《雲物理學》。1997,國立編譯館(渤海堂印行)。
  10. 王寳貫,〈雷公的髮髻〉,《數理人文》第九期。
  11. 新聞報導:台德合作測空污 高空研究飛機進駐

本著作由研之有物製作,原文為《每天看到的雲,藏著什麼大學問?》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位





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研之有物│中央研究院_96
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從昆蟲的習性可以預測天氣?敢有影(kám ū-iánn)?——《取得身邊的天氣密碼》
晨星出版
・2022/11/13 ・1501字 ・閱讀時間約 3 分鐘

溫度對昆蟲至關重要,因此昆蟲會對溫度產生反應。

有一個普遍的通則:炎炎夏日中,你會先看到大昆蟲,接著見到小昆蟲,最後又再一次碰到大昆蟲。昆蟲愈大,愈能忍受低溫、對高溫愈難耐;因此大昆蟲喜歡在一天的清晨或傍晚的涼爽期間出現,中午的活動力較低;小昆蟲較不耐低溫,會在環境變暖時才現蹤。

夏日裡能常看到昆蟲。圖/Pexels

昆蟲與氣溫密不可分

蘇格蘭高地的糠蚊(Ceratopogonidae)總是令人難受,但可以利用牠們對溫度的敏感度對付牠們。糠蚊蓬勃生長的溫度帶相當狹窄,介於不冷也不熱的溫度之間,因此只要你往上爬/向下走,溫度會上升/下降至牠們的舒適圈之外,就能擺脫牠們。

蟋蟀代表了溫暖的氣溫是眾所皆知的事,此外,蟋蟀的聲音頻率與溫度有直接關係。雖然因不同物種而異,但蟋蟀溫度計主要的規則是,在攝氏十三度的環境裡,蟋蟀每秒鐘叫一聲,且此頻率會隨著溫度上升而增加。

在夏天,天氣溫煦、潮溼且微風徐徐,飛蟻會成群結隊地移動。牠們結伴飛過天空,數量多到人們相信「飛蟻日」的存在,飛蟻日說的正是飛蟻同時在全國各地現蹤的日子。不過,正如我們所知,陸地上的微氣候變化甚大,因此知道飛蟻日是個迷思也不該為之震驚,只是某幾個區域的條件正巧在那幾日適合飛蟻出巡。倘若你遇見一大群飛蟻,牠們捎來的訊息是,現在的氣溫大約攝氏十三度,風速低於每秒六公尺。

螞蟻藏著天氣機密?

據某些傳說所言,螞蟻直線移動代表壞天氣即將到來,但我未觀察過也沒有科學理論能佐證這點。

更有趣的是,澳洲原住民有一個習俗,說螞蟻在蟻窩周遭蓋高牆表示大雨將至,西方也有相同的俗諺。之前的章節提過太平洋諸島的居民發現小火蟻(red ant)會在風雨來襲前堵住巢穴,天氣晴朗時則大敞家門,這在西方諺語裡也提過。我還沒觀察到這個現象,但出現在廣泛的文化圈,甚至是兩個信仰社會尚未接觸的時間點就已發展出這種說法,說它沒有參考價值還真不為人所信。

許多科學研究能支持螞蟻對溼度敏銳的觀點:研究人員曾觀察到編織蟻(weaver ant)在熱帶風暴來臨前織網。

編織蟻(Oecophylla),英文稱之為Weaver Ant和Green Ant。圖/維基百科

其他物種裡,螞蟻、白蟻丘的排列和太陽脫不了關係。澳洲北部,羅盤白蟻(Amitermesmeridionalis)建造了指向北邊的蟻丘而為人所知;蟻丘細細的部分指著中午的日頭,寬闊的部分則指向清晨與向晚的太陽,這有助於調整蟻窩的溫度。

世界上有超過一萬三千種獲得命名的螞蟻物種,牠們都擁有各自的習性,我們要多關注近身物種的行為。

我時常運用一些螞蟻的方式,它們比起天氣更接近自然導航,不過兩者間有許多重疊的部分。在英國,排水性佳的草地經常可見黃土蟻(Yellow meadow ant)的身影,我家附近的白堊山丘就有很多。黃土蟻呈暗黃色,牠們的蟻窩比螞蟻本身有用多了;黃土蟻會將蟻窩向上堆到 0.5 公尺高,較為平坦的那一面通常面向東南邊,可以充當太陽能板,在涼爽的早晨收集太陽的熱量。

——本文摘自《解讀身邊的天氣密碼》,2022 年 10 月,晨星出版,未經同意請勿轉載。

晨星出版
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龍,彩虹與性別——不只中國和歐洲,還有其他好幾種龍?
寒波_96
・2022/03/01 ・3840字 ・閱讀時間約 8 分鐘

語言學家白樂思(Robert Blust)對南島語的研究最為出名,也是文化演化的專家。直到 2022 年以 81 歲去世前,他仍持續發表論文,討論彩虹禁忌等議題。白樂思長期對「龍」有興趣,好奇這種想像動物的起源;而 2019 年發表的論文中,白老意識流走得更遠,探討龍為什麼有雙性。

大家都知道中國龍、歐洲龍,別的地方竟然也有龍?而且多個文化中,同一條龍還兼具兩個性別?來看看白老先生已臻化境的思緒。

電影《馴龍高手》系列中的龍,有明顯的性別之分。圖/BBC

中國、歐洲以外,世界其他的龍

說到龍,我們一般想的是中國龍和歐洲龍,它們彼此間有差異,仍都被視為龍。條列龍的各項特徵,再檢視其他地方的文化,根據白樂思的整理,全世界至少有 7 個地方存在類似龍的想像動物。中國、歐洲以外,還有中東、印度、中美洲、北美洲、澳洲。 

歐洲的 dragon 不是龍,中國的龍不是 dragon,但是無礙皆視之為相似的 dragon/龍。這樣可以接受的話,其他地方的「龍」多數通常被稱為蛇(serpent),它們有許多特徵和中國與歐洲的龍類似。 

例如中美洲的「羽蛇(plumed serpent)」、北美洲的「角蛇(horned serpent)」、澳洲的「彩虹蛇(rainbow serpent)」,都可以視為不同版本的龍。

不同文化各自對龍的描述變化多端,不過各款龍之間也有許多共通特色,其中一項是「一條龍兼具兩性(bisexual)」,白樂思認為值得深究。

北美洲的角蛇(horned serpent)。圖/deviantart

一條龍同時兼具兩個性別?

龍有性別嗎?我們對龍的印象,特別是歐洲(惡)龍,可能比較接近猥瑣大叔。然而,歐洲的煉金術脈絡中,確實會將龍想像為兩性兼具。儘管這項認知相當小眾。 

白樂思還指出,中國古代的道家脈絡,也將龍視為陰陽兩性的合體。例如《莊子》記載:

「孔子曰:『吾乃今於是乎見龍!龍,合而成體,散而成章,乘雲氣而養乎陰陽。予口張而不能嗋,予又何規老聃哉?』」 。

同一條龍兼具兩性的想像,在中國和歐洲皆不普及,但是確實存在。兩地有互相影響的可能性,白樂思卻指出,文化獨立發展的中美洲、澳洲,也就是中美洲馬雅人的伊察姆納(Itzam Na),以及澳洲的彩虹蛇,也觀察到同一條龍又女又男的現象。 

澳洲的彩虹蛇(rainbow serpent)。圖/kullillaart

歸納可知,世界各地普遍存在的「龍/蛇」不見得有性別,不過在中國、歐洲、中美洲、澳洲 4 個獨立文化的特定脈絡下,存在兩性兼具狀態的龍。神秘的是,龍是想像出的動物,為什麼缺乏直接交流的不同人群,想像的龍卻有類似特色呢?

龍與虹

白樂思認為關鍵在於「彩虹」。簡單說:想像的龍,起源自真實的彩虹;而彩虹有互補的兩性,腦補衍伸的龍也跟著具有雙性。 

不同版本的龍/蛇,有一群共通特徵, 例如會飛行、守護泉水或其他水體、在晴雨之際現蹤、色彩豐富、驚嚇年輕女生、在瀑布附近出沒等等。 

白樂思列出 27 項特徵,每款龍跟另一款龍總是會重複好幾項。很多特徵都和彩虹有關,種種跡象令白樂思推論,龍的原型源於彩虹。 

白樂思整理世界各地不同龍/蛇,27 項特徵的有無 (+ 記表示具有此特徵)。包含歐洲 (1)、古代東歐西亞 (2)、印度 (3)、東亞 (4)、中美 (5)、北美 (6),不過沒有包括澳洲的彩虹蛇。圖/參考資料 1

彩虹是自然現象,來自太陽光穿過空氣中水珠,折射後的分光。彩虹幾乎只會在兩個情境出現,晴雨交錯之際、水體附近(牛頓的實驗室……不對!)。 

古人缺乏現代的科學知識,與自然的接觸機會卻遠超過我們。彩虹不會在大太陽或大雨時現蹤,只會在陰晴拉鋸時現形,卻又轉瞬即逝。他們會如何解釋彩虹? 

可能是這樣:

「水(雨) 與火(太陽)爭奪天空的主權,閃電霹靂、雷聲隆隆,那個雲啊~那個霧啊~激烈的鬥爭以後,斑斕的長蛇回到水邊的巢穴,等待下一次出動。」 

假如龍源自彩虹,那麼不意外地,龍幾乎都與天氣掛鉤,還時常出沒於水邊。但是也有例外,像是大家最熟悉的歐洲龍,通常與氣候脫鉤,不過仍時常擔任守護者,以及驚嚇女生的猥瑣大叔。 

白樂思認為各款式的龍,澳洲的彩虹蛇或許最接近原始樣貌,而歐洲龍深受基督教化,有些面貌已經不同。

十分有趣的是,基督教文化中將彩虹與龍徹底拆開,彩虹和美善掛鉤,龍(與蛇)則是負面的醜惡形象。其他文化中,龍有時候是正面形象,如中國龍;許多傳統文化則視彩虹為負面,或又敬又畏。

電影《哈比人:荒谷惡龍》中的惡龍史矛革,呈現歐洲龍的典型形象。圖/pabloolivera

不過中國龍也包括不同版本,像是成為皇帝象徵的龍,和彩虹完全失去聯繫,與基督教歐洲龍類似。

但是中國民間傳統的龍仍與彩虹有關,例如羅錦堂貢獻的口述資料指出:甘肅的蘭州人,傳統認為彩虹是一條水龍,從海洋喝水,噴出雨水。這較為接近澳洲彩虹蛇的概念。 

彩虹有兩道,龍有雙性

為什麼一條龍兼具兩性?白樂思認為是由於龍的模板:彩虹,本來就有光譜上互補的兩道。英文稱為 primary rainbow 和 secondary rainbow,中文叫作「虹」與「霓」。 

人類時常將自然現象性別化,例如古早中國人的描述中,組成一對的「虹」是男生、「霓」是女生。 除此之外,將虹、霓性別化,或是和性別掛鉤的文化,也能在世界各地觀察到,如帛琉、墨西哥、巴拿馬、奈及利亞等地。

彩虹以外,許多語言的不同名詞,都存在不同的性別態(例如法語有陰性、陽性)。太陽、月亮的性別化比較普遍,星星、彩虹則比較少。這方面非常多變,反映出人類文化的豐富。 

白樂思主張,想像的龍,起源於真實的彩虹。而互補的內外兩道彩虹,常被賦予擬生物化的兩性,那麼人們在腦補時,有時候也將性別賦予龍,便是合理的發展。這就是「為什麼同一條龍兼有兩個性別?」的解答。 

龍的超能力,來自人類想像力

白樂思對龍的想法正確嗎?這套思路認真想來,能發現一些漏洞(像是從彩虹兩性,到龍雙性的連結),不過不論是否正確,都很有啓發性。

依照白樂思的觀點,龍和彩虹禁忌(rainbow taboo)類似,都是人類心靈對自然環境的反應,衍生而成的文化。龍又比彩虹禁忌複雜得多。

如果白樂思的腦補意識流有走對方向,我的理解是,彩虹是很基礎的人類共通意識,可以算是各款龍的原型。接著在各種文化中,各地的龍被加上不同元素,如鱷魚、水蛇等等,發展出不同的樣貌。

彩虹沒有直接變成龍,龍是人類想像的產物,龍有多少超能力,都來自人類的想像力。

白樂思 2021 年 8 月 17 日的講話,我們懷念他:

延伸閱讀

參考資料

  1. Blust, R. (2019). Why Dragons Are Bisexual. Anthropos, 114(1), 169-180.
  2. 光象—虹、霓、暈、華

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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隱藏在大氣裡的神祕訊息!用氣象衛星監測火山爆發產生的氣象波動與環境汙染
Ciao True_96
・2022/01/30 ・4193字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 作者/邱麒豪(國立中央大學大氣物理研究所博士候選人)、劉千義(中央研究院環境變遷研究中心副研究員)

咦!地球彼端的火山爆發和我們有什麼關係?

距離臺灣八千多公里的東加王國發生了前所未有的火山爆發,當太平洋周遭國家開始擔心海底火山噴發引起海嘯的同時,卻有更多不為人知的事情正悄然發生。到底火山噴發的同時除了引發海嘯還造成什麼樣影響呢?讓我們一同來瞭解!


看不見也摸不著的氣象波動——大氣重力波

大氣的重力波現象並不罕見,通常是垂直方向上的氣塊受到擾動,在浮力(作為恢復力)與重力的雙重影響下而在水平面上形成振盪式的波動。

常見的氣流流經山峰並在背風處產生圓盤狀的雲系(莢狀高積雲),以及晴朗穩定天氣下出現的波狀高積雲即為大氣重力波在自然這張畫布下最好的圖繪。而火山爆發,同樣有機會引起大氣重力波。

西元 2022 年 1 月 15 日,臺灣時間下午 12 時 20 分(事發當地時間下午 5 時 20 分)左右,位於西南太平洋島國——東加王國首都努瓜婁發(Nuku’alofa)北方65公里的洪加湯加-洪加哈派(Hunga Tonga-Hunga Ha’apai)海底火山大規模爆發,伴隨而來的地震與引起的海嘯引發世界的關注。

這場可能是 21 世紀以來最大規模的火山噴發,其一連串的後續效應不僅被地震儀及海象儀器記錄下來,當天下午 8 時左右,臺灣的氣象站也陸續觀測到海底火山噴發造成的氣壓變化,根據觀測資料顯示,這次的海底火山噴發事件在臺灣造成的氣壓變化量約 1 至 2 百帕(hPa),這大約是日常標準大氣壓力的千分之一至千分之二的變動(圖一)。

【圖一】中央氣象局 222 個自動氣象站氣壓擾動動畫。
圖/中央氣象局第二組;資料來源:中央氣象局

若將地面氣壓資料的解析度提高到每分鐘,並將中央氣象局109個局屬測站由東南向西北排列,繪製成臺灣高密度測站氣壓擾動的二維時間序列圖(圖二),火山噴發由東南向西北傳遞的能量作用於大氣中最先於臺灣東南方的蘭嶼測站測量到,時間上和最晚被觀測到的馬祖測站相差約 25 分鐘。其次,火山噴發造成的大氣波動除了氣壓變化最為劇烈的主波外,尚有前導波與數次的餘波產生。

【圖二】中央氣象局 109 個局屬測站氣壓擾動二維時間序列圖。
圖/黃椿喜博士;資料來源:中央氣象局

綜觀全球的大眼睛——從氣象衛星看見大氣重力波

從上圖可以觀察到,這些波動的週期約為 10 到 15 分鐘,不容易從 10 分鐘的觀測資料中發現。目前在西太平洋與東太平洋地區監測的地球同步衛星向日葵八號(Himawari-8)與 GOES-17,可分別提供 2.5 分鐘與 1 分鐘高解析度的衛星觀測,對於高頻的大氣波動將有比過往更好的解析能力。

不只是地面氣象觀測站,位於地球上空 3 萬 6 千公里的地球同步衛星同樣也捕捉到火山噴發的證據。日本氣象衛星 Himawari-8 觀測到火山噴發後產生的陣陣漣漪(圖三),以火山噴發口為中心產生的漣漪即為大氣的重力波現象。

【圖三】火山噴發造成雲頂高度變化的重力波振盪。
圖/邱麒豪;資料來源:Himawari-8

東加王國所在的區域不僅位於向日葵八號的觀測網內,也涵蓋在美國的地球同步衛星 GOES-17 監測之中。下圖(圖四)為 GOES-17 氣象衛星紅外線水氣頻道每 10 分鐘的亮度溫度差,藉由對流層中層的水氣頻道雲圖可以明顯看到火山爆發產生的內重力波由火山口為圓心向外傳遞。

【圖四】火山噴發造成的重力波振盪。
圖/CIMSS / UW-Madison;資料來源:GOES-17

火山噴發引起快速上升的氣流與火山灰造成的重力波現象在學理上是可行的,但在觀測上實屬少見,特別是海底火山能將大量的火山灰與氣體穿過海洋快速釋放至大氣中,並造成如此壯觀的大氣波動並不是件容易的事。

這場大氣波動產生的雲系高度深,範圍廣,觀測到的雲頂紅外線亮度溫度達 -105.18ºC 可能打破了自 20 世紀末有雲頂溫度的監測以降,最低溫的紀錄(圖五)。

【圖五】火山噴發產生的重力波雲,雲頂亮度溫度達 -105.18ºC。
圖/CIMSS / UW-Madison;資料來源:GOES-17

除了上述的兩顆地球同步衛星,搭載於美國國家航空暨太空總署(NASA)之 Aqua 衛星上的大氣紅外探空儀(Atmospheric Infrared Sounder,AIRS)也同時發現了此一現象(圖六)。德國尤利希超級運算中心的大氣科學家——霍夫曼博士(Dr. Lars Hoffmann)說:「AIRS 自 2002 年 5 月開始觀測以來,從未在過往的火山噴發個案中發現過類似的情況」,這也意味著這次的海底火山噴發事件是前所未有的劇烈。

【圖六】AIRS/Terra 觀測到數量極為龐大的同心圓狀重力波雲。
圖/Dr. Lars Hoffmann;資料來源:AIRS/Terra

英國牛津大學物理系大氣、海洋與行星物理組的氣候科學家 Scott Osprey 博士也表示:「這次噴發可能會干擾熱帶地區風向週期性的逆轉,長遠看來或許會造成歐洲地區天氣型態的改變,必須非常小心地關注它造成的變化」,可見整個地球系統都可能因為這次的火山爆發造成巨大的影響。

雲圖之外——衛星於汙染物探勘之應用

衛星不僅僅能夠監測雲層的移動與大氣中的水氣分佈,近年來較為廣泛的應用是使用衛星針對大氣中的汙染因子做大範圍的遙測。舉凡工業污染排放之氣溶膠、交通源排放之二氧化氮,以及生質燃燒產生之煙塵與黑碳微粒,均可藉由衛星的觀測進而推估汙染程度,並搭配氣象模式的模擬進行短期的預警。

下圖(圖七)為 NASA 的 Suomi-NPP 衛星觀測到的氣膠垂直剖面分佈與雲頂高度,可以清楚看到伴隨火山噴發的氣膠粒子衝破對流層進入平流層,高度可達 30 公里。這些氣膠粒子在平流層中不易沉降至地表,長期下來可能會對氣候造成重大影響。舉例而言,氣膠依照光學特性的不同可粗略分為散射能力較強與吸收能力較強的兩大群體,散射能力較強的氣膠進到平流層中將造成更多的太陽短波輻射被反射回外太空,進而降低地球平均溫度(氣膠直接效應);反之吸收能力好的氣膠則是會讓地球溫度上升。

【圖七】Suomi-NPP 探測到火山噴發的氣膠粒子可衝破對流層進入平流層。
圖/Dr. Ghassan Taha;資料來源:Suomi-NPP

而對流層中的氣膠對氣候的影響更為複雜,會進一步改變雲的微物理狀態,在特定條件下吸濕性高的氣膠容易成為雲的凝結核,若大氣中的水氣含量不變,這些新形成的雲凝結核有可能與大氣中既有的雲滴競爭原先的水氣,進而致使雲滴數目增加且雲滴平均的粒徑降低,進而散射截面積增加,反射更多太陽光而達到降溫的效果。但也因為雲滴粒徑變小後,變得不利於雲滴粒子間的碰撞合併過程而形成為雨滴,使得地表降水減少與雲的生命週期增加,此謂氣膠間接效應。

不管是氣膠的直接效應或是間接效應都非常複雜,會受到氣膠種類、氣膠數量、氣膠粒徑分佈、大氣條件等影響,也正因為充滿了各種不確定性,氣膠的氣候效應預測非常困難,目前還需要更多的觀測,特別是用大範圍的衛星觀測加以驗證與評估。

火山噴發除了氣膠粒子的污染以外,對環境造成的另一個衝擊是大量的氣體被釋放到大氣中。常見的火山氣體有:水氣(H2O)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)與氮氧化物(NOx)等。

以二氧化硫為例,評估大氣中微量氣體多寡的單位為杜布森(Dubson, DU),指的是一大氣壓的空氣柱中,該氣體分子累積起來的厚度(垂直積分)多寡。若將氣柱中的二氧化硫全部累積在一起相當於 10 微米厚,稱為 1 DU 的二氧化硫。SO2 氣候平均值約略低為 0.5 DU,歐洲氣象衛星開發組織(EUMETSAT)的 MetOP-B 與 MetOP-C 觀測到的峰值高達 50 DU 以上,高於氣候平均值 100 倍。(圖八)

【圖八】MetOP-B 與 MetOP-C 發現火山噴發的二氧化硫濃度超過氣候平均值 100 倍。
圖/Dr. Simon Carn;資料來源:MetOP-B & MetOP-C

氣象與環境衛星遙測之展望

近年隨著科技的發展與遙測技術的精進,氣象衛星能提供的不僅僅是精美的天氣雲圖,還有許多從雲圖看不出來的科學議題可加以探討。這些科學議題不單只存在於象牙塔內,更多且更重要的是生活上的應用。社會大眾關心的是:下午的聚會會不會下雨?明天空氣汙染有多糟?或是下禮拜一晚上會多冷?

衛星掩星觀測技術的發展(如:福衛三號、福衛七號、Sentinel-6 等)補足了廣大洋面探空資料的缺失以及人力施放的不足,蒐集偏折角資訊與折射率變化推估出的大氣垂直溫溼度剖面,藉由數值預報模式的資料同化系統改善天氣預報的誤差

汙染物濃度的監測也可以藉由衛星的觀測進行評估,不論是民眾在乎的近地表懸浮微粒濃度抑或是工業燃燒造成的空氣汙染,皆可藉由衛星的探測第一手掌握(如文章提到的 MetOP-B、MetOP-C 以及 Sentinel-5P)。

降雨來自天空中的雲,若能對雨的前驅物—雲有更深的瞭解,降雨的推估也能做得更準確。以我們所處的東亞地區而言,像是以 Himawari-8 觀測而開發的雲微物理科學資料,或是國際上整合多重衛星觀測的日本 GSMaP 、美國 NASA IMERG 等衛星推估的地面降水資料就是很好的例子

當然,科學的發展並不是單純為民生服務,但在發展科學的同時能兼顧民眾的福祉相信也是社會大眾所樂見的。

延伸閱讀

  1. Liu, C.-Y., C.-H. Chiu, P.-H. Lin, and M. Min (2020), Comparison of Cloud‐Top Property Retrievals from Advanced Himawari Imager, MODIS, CloudSat/CPR, CALIPSO/CALIOP, and radiosonde, J. Geophys. Res., Vol 125.
  2. Lin, C.-A., Y.-C. Chen, C.-Y. Liu, W.-T. Chen, J. H. Seinfeld, C.-K. Chou (2019), Satellite-Derived Correlation of SO2, NO2, and Aerosol Optical Depth with Meteorological Conditions over East Asia from 2005 to 2015. Remote Sens., Vol 11, 1738.
  3. Explosive eruption of the Hunga Tonga volcano” in CIMSS Satellite Blog.
  4. Tonga volcano eruption created puzzling ripples in Earth’s atmosphere” in nature’s news article.
  5. 中央氣象局預報中心副主任黃椿喜博士臉書
  6. 報天氣-中央氣象局」臉書粉絲專頁
Ciao True_96
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主修大氣科學,參加天文社。 年輕的外表下住著古老的靈魂,喜歡看老電影,也喜歡拿著底片相機記錄生活中的點點滴滴。 是個科學工作者但對藝術、音樂、歷史與文化也稍有涉略,畢竟「什麼都略懂一點,生活就多采一些!」