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追風又追電,富蘭克林的冒險──《天氣之書》

時報出版_96
・2018/11/24 ・1979字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

編按:《天氣之書》以編年形式講述一百個具有里程碑意義的時刻,標註了氣候與人類生活共同演化的歷史。一篇一個歷史時刻,皆以一張主題圖片搭配六百到八百字的短文呈現。本文摘錄兩篇:一七五二年〈班傑明.富蘭克林的避雷針〉與一七五五年〈追風的富蘭克林〉。

茲茲茲,就算觸電還是要做實驗!

班傑明.富蘭克林(Benjamin Franklin,1706-1790)最為人所知的身分是美國的開國元勛之一,但他也是一位作家、畫家、發明家、郵政專家、外交官、公民運動家,而且特別著迷於與電相關的早期科學研究。富蘭克林從一七四七年開始實驗,意外讓自己嚴重觸電──「宇宙的一擊從頭到腳貫穿我的全身」──他在一封信中如此描述此事件。

富蘭克林也學習氣象學,所以他深信閃電和靜電相似,並開始探索不同的方式,以保護建築結構免受這種強大的氣象威脅。一七四九年,富蘭克林開始發展理論,認為一根末端尖尖的棒子若與地面連接,就能保護建築免受雷擊。

一七五二年六月,他對費城一座教堂的尖塔尚未完工感到不耐──本來希望用這座尖塔來測試他的避雷針概念。於此同時,他進行了那一場傳奇的風箏實驗:在雷雨天放風箏,線上綁著一把鐵製的鑰匙。富蘭克林活著結束這個實驗是很幸運的,因為後來有人嘗試重現該實驗,結果遭雷擊身亡。而當富蘭克林的研究傳到歐洲時,那裡也進行了數個實驗,想確認他的想法。

富蘭克林從天空取電(c.1816)。畫家為英裔美籍的班傑明.魏斯特(Benjamin West,1738-1820),描繪富蘭克林出名的風箏實驗。 圖/《天氣之書》

有裝有保庇,避雷針橫空出世啦

風箏實驗和避雷針的設計都顯示了一項科學原理:電會試著找到抵抗最小的路徑以抵達地面。利用這些見解為本,富蘭克林在一七五三年度的《窮李查年鑑》(Poor Richard’s Almanack)中發表了一篇文章,描述保護房子免受雷擊的方法。他的系統由三個關鍵元素組成:一根立在屋頂尖端的金屬棒,水平的屋頂導體,以及垂直的導體,將電荷引導到接地。

圖/pixabay

富蘭克林在自家立了一根避雷針,並增加創新的細節──接地線有電時,鈴鐺就會響,通知大家這間房子上方的大氣是通電的。富蘭克林的避雷針最後被裝在多個重要建築上,包括之後成為美國獨立紀念館(Independence Hall)的賓夕維尼亞州州政府。

不只追電還要追風,富蘭克林衝一波

除了研究閃電與電,富蘭克林也一直對龍捲風等其他旋風抱持濃厚的興趣。證據來自於一系列相關信件與其他文章,特別是一七五三年一篇關於水龍捲的詳細論文,內容還附有詳細的圖片,闡述了他對於水龍捲構造及能量的理論。

富蘭克林論文〈水龍捲與旋風〉所附的水龍捲示意圖,收錄於1806年出版之《已故的班傑明.富蘭克林博士哲學、政治學、道德研究全集》(The Complete Works in Philosophy, Politics, and Morals, of the Late Dr. Benjamin Franklin)。(點圖放大)圖/《天氣之書》

富蘭克林顯然渴望近距離觀察它們。一七五五年,他帶著兒子威廉住在班傑明.塔斯克上校(Colonel Benjamin Tasker)的馬里蘭州宅邸。在鄉間騎馬時,兩人碰上了一陣剛形成的塵捲風。富蘭克林後來寫信給經常與他討論電學的彼得.寇林森(Peter Collinson),回憶接下來發生的事;以下摘錄自他的信:

它以圓錐形出現,在端點上旋轉,沿著山坡朝我們移動過來,一邊前進一邊變大。當它經過我們時,靠近地面的較小部分差不多是一個普通桶子的大小,但是往上愈變愈大,在十二.二或十五.二公尺高的地方,直徑變得有六.一或九.一公尺那麼寬。同行的其他人都站在那兒看,但我的好奇心愈來愈強烈,於是我跟著它,騎馬接近它的側面,觀察到它一邊前進,一邊帶起那體積較小端下方的所有灰塵。因為一般認為開槍射擊水龍捲會破壞水龍捲,所以我揮舞馬鞭數次,試圖破壞這個小旋風,但徒勞無功。

這段追逐結束於這股旋風橫掃過一座菸草田後消散無蹤,只留下滿天被捲起的樹葉。富蘭克林以下列妙語為他的追風之旅做結:「當我問塔斯克上校,這種旋風在馬里蘭州是否很常見時,他愉快地回答:『不,一點也不常見,但我們為了招待富蘭克林先生,故意使其發生。』真是高規格的待遇啊⋯⋯」

 

《天氣之書》延伸閱讀

  • 1806年〈蒲福為風力分級〉p.67
  • 1989年〈電子「精靈」的證據〉p.173
  • 2016年〈極端的閃電〉p.195

編按:關於富蘭克林的風箏實驗,後人描述的故事版本紛紜,其實富蘭克林本人曾撰寫文章描述該實驗,於1752年10月19日刊登在賓夕維尼亞公報(Pennsylvania Gazette)。

 

 

本文摘自《天氣之書:100個氣象的科學趣聞與關鍵歷史》,時報出版,2018  年 10 月出版。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。


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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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