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從地面往上的原子地磁儀

peregrine
・2011/03/08 ・596字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

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最小規模的地磁場(geomagnetic field)測定被用來探尋沉船及富含礦物的地質結構。而大規模的測定能探索地球核心的諸多屬性。長度數十到數百公里的地磁圖能產生有關地球外地幔(Earth’s outer mantle)中化學動態(chemical dynamics)及離子流(ionic currents)影響海洋環流的線索。

圖援用自:維基百科

為了避免以地面為基地的電磁干擾,通常地磁儀被安置於繞軌運行的衛星上。不過,此些被零星部署的衛星,成本相當高。目前,由美國賓州巴克內爾大學(Bucknell Univeristy)James Higbie、歐洲南方天文台(European Southern Observatory)Domenico Bonaccini Calia及加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)Dmitry Budker領導的國際科學家團隊業已提出,利用來自陸基雷射射束與上空中間層(mesosphere:離地表約90公里)鈉原子交互作用的低成本地對空系統。

該團隊的系統能利用,藉由激發中間層的鈉,來為光學望遠鏡產生人造星星之高功率雷射現有及擴充的基礎設施。如圖示,光學性泵激雷射(pumped laser)會旋轉極化鈉原子,之後陸基望遠鏡能測定螢光性放射強度(fluorescence intensity)。此強度取決於此些原子在磁場中的進動頻率(precession frequency)。進動是指旋轉體轉軸方位的改變。

(圖援用自原文)

此些研究人員預估,此類系統能達到次奈特斯拉的敏感度(subnanotesla sensitivity),且可能引領出,形成不斷繪製中間層磁場圖並進行監測的全球網絡。特斯拉(tesla)是國際單位制的磁通量密度單位。

原文網址:Building an atomic geomagnetometer from the ground up

翻譯:peregrine | 本文轉載自PEREGRINE科學點滴

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peregrine
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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30年來全球最大的火山爆發?日本都發布海嘯警報了,臺灣呢?feat. 不會冷&阿樹【科科聊聊 EP.77】
PanSci_96
・2022/01/28 ・2692字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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泛泛泛科學Podcast這裡聽:

你覺得「海嘯」和臺灣人的距離有多遠?1 月 15 日東加王國的海底火山大爆發,不僅炸毀了當地的無人島和海底電纜使得對外通訊全部中斷,火山灰、海嘯的威脅更使得環太平洋國家人心惶惶,臺灣的鄰居——日本甚至發布了大範圍的海嘯警報。

這個三十年來全球最大的火山爆發,究竟是怎麼一回事?們有辦法透過科學儀器提前偵測海嘯嗎?臺灣有沒有被海嘯侵襲的紀錄和可能性?讓我們一起和 y 編、泛科學專欄作者阿樹以及從事海嘯和地震觀測工作的不會冷,一起聊出這些問題的答案!

  • 00:36 引起全球矚目的「東加火山大爆發」

不會冷指出,東加火山在臺灣時間 1 月 15 日 12 點 15 分左右爆發後,有很多氣壓計都有顯示出異常的訊號,並引發地球科學社群的熱烈討論。傍晚時,國內的新聞媒體也開始陸陸續續出現海嘯相關的報導。 此次東加爆發的火山是由洪加湯加、洪加哈派兩座無人島組成,是一座大型的海底火山,上一次的噴發紀錄落在 2014 年附近,而這一次的大規模爆發其實有點出乎科學家的意料。阿樹補充道,以當前地球科學界而言,海底火山非常難以被偵測,不僅聲納所得出的精確度不高,就連許多監測陸地火山的方法如氣體、地表變形都難以應用,現在大都只能用地震資料來監測海底火山。

  • 10:35 東加火山爆發後,發生了什麼事情?

阿樹表示,近日有許多媒體會以「 30年來全球最大的火山爆發」來形容東加事件,在此前就是 1991 年於菲律賓爆發的皮納土波火山,它與 1815 年印尼坦博拉火山引起的「無夏之年」一樣,當時都對地球的氣候造成了嚴重的影響。而根據科學家們的判斷,這一次東加海底火山爆發事件,並不會大範圍的改變氣溫或氣候,也不會對臺灣產生什麼顯著的災害,後續的觀測也顯示海嘯傳遞到臺灣時,浪高少於 30 公分。

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東加海底火山爆發,被地球科學家認為是當地「千年難得一遇」的大規模爆發事件。圖/NASA
  • 15:36 日本都發布海嘯警報了,臺灣卻沒什麼感覺?

不會冷指出,一般而言,比起地震、斷層、海溝引起的海嘯,火山爆發所導致的海嘯波長都會比較短,衰減的速度較快,也不會影響到太遠的地方。此外,以臺灣的海嘯預警作業而言,針對像是東加火山這種遠地的事件,就必須仰賴太平洋海嘯警報中心所提供的訊息,才可以評估要不要發布海嘯警報。

延伸閱讀:

台灣面臨海嘯威脅時,該如何應對?專訪海嘯專家吳祚任

逼逼逼~海嘯警報,別成國家級邊緣人!——《震識》

爆發當天,除了太平洋海嘯警報中心沒有立即的動作、美國地質調查所沒有上傳地震資訊,普遍認知上也大都不認為火山會引發嚴重海嘯,因此中央氣象局並沒有發布海嘯警報。反觀日本發布海嘯警報的作法,反而是違反經驗和常理的,而後續的觀測也顯示海嘯的高度並沒有日本預測的 3 公尺那麼驚人。

  • 22:05 海嘯不是一波高浪打來,而是永無止盡的漲潮

海嘯是週期很長、波長也長的水波,波長可以高達數公里到數百公里。當地震、斷層或海溝產生錯動時,容易使地表產生大範圍的形狀變化,進一步對海水造成擾動,最後就有可能形成「海嘯」。不會冷表示,由於海嘯的波長很長,所以其實海嘯不是大家想像的被浪打到,更像是一場永無止盡又快速的漲潮。如果只是浪高很高,波長很短,那就不是海嘯,而是瘋狗「浪」。

  • 24:40 臺灣的海嘯紀錄竟然要去廟裡看?

阿樹指出,較近期的、討論較多的海嘯紀錄是 1867 年的基隆海嘯,但原因並不明,當時也沒有什麼科學儀器和資料留下來,只有一些歷史文獻記錄著當地有大水。不會冷說明,國內經確認的海嘯紀錄不多,但未經確認的海嘯文獻其實很多,像是屏東、臺東的廟誌都有許多像是「大水」逞罰不孝子、八重山地震引發 80 公尺高的海嘯紀錄,可惜的是,我們很難確認這到底是煞有其事,抑或只是古人們的誇大其實。

延伸閱讀:

面對海嘯有三寶,水門、堤防、趕快跑!──《課本沒教的天災日本史》

海嘯石辨認指南:颱風都能搬大石頭了,還需要海嘯嗎?

18 世紀臺灣西南沿海真的發生海嘯嗎?——《科學月刊》

你以為海嘯就像是一波大浪拍到岸上?不不不,這個觀念是錯誤的!圖/Flickr @Douglas Sprott
  • 29:00 「東部海很深所以不會有海嘯」是真的還是假的?

坊間傳聞,因為臺灣東部的海域很深,所以我們才不會面對來自東加的海嘯?這個說法是錯誤的!不會冷澄清,海嘯會有所謂的「淺化」現象,當水深越來越淺,波速會越來越慢,波長會越來越短,使得能量被累積、浪高也越來越高,而人類住在陸地上,只要海嘯來,就會經過淺化,不會因為東部的海深而沒有海嘯。

  • 34:18 經過東加火山事件,臺灣學到了什麼?

不會冷認為,當前中央氣象局的海嘯發布作業有極大的程度仰賴太平洋海嘯警報中心,也許未來在發布作業上可以有檢討和調整的空間,而近年氣象局也建置了海嘯浮標、海底電纜等等非常先進的儀器,這一次東加火山事件也可以成為這些儀器使用上的寶貴觀測經驗。

延伸閱讀:

臺灣會發生海嘯嗎?東部海域的地震「烽火台」海纜觀測系統

那些海嘯教我們的事

阿樹則感慨的說,相比起地震,臺灣人對於海嘯還是太陌生,從基礎研究、發布作業、預警配套到海嘯的科普教育,都非常的不足。從歷史的經驗來看,人們總是要經過一次嚴重的天災,才會懂得重視、懂得害怕,例如經過九二一大地震後,臺灣的防災教育、相關法規和研究才有了大幅度的進步,難道海嘯也要透過血淚才能得到教訓嗎?想必這是大家都不樂見的未來。

PanSci_96
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推開地獄之門?冰島開挖全球首座「火山岩漿井」,開啟地球科學新篇章!
安比西林_96
・2021/10/20 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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水井、石油井和天然氣井大家都知道,但你有聽過「岩漿井」嗎?最近,冰島著手開挖全球第一座「火山岩漿井」。這似乎是一個瘋狂的主意,滾燙的岩漿可高達攝氏上千度,還可能伴隨著可怕的火山災害。不過這個前所未有的大膽計劃,不僅具備新興可再生能源的巨大潛能,更有望開啓地球科學的新篇章!

冰與火之地——冰島,100% 依靠可再生能源的國家

落在北極圈邊緣的冰島(Iceland),擁有壯闊冰川與絢麗極光,同時也是地球上火山活動最頻繁的地區之一,可謂名副其實的「冰與火的國度」。這座大約 1500 萬年前才因火山活動形成的年輕島嶼,因位在大西洋中洋脊[註1]之上,受到歐亞大陸板塊與北美洲板塊往各自方向的拉扯,而有著 32 個活躍的火山系統,且平均每 4 年就會發生噴發。

圖/wikimedia

除了令人屏息的天然極地美景,冰島更是全球綠能國家中的模範生。得天獨厚的地理條件,讓冰島超過 99% 的電力都是依靠可再生能源,其中 73% 的電力源自水力發電,另 26.8% 則來自地熱能。在可再生能源,尤其是地熱能的開發應用技術上領先世界的冰島,在地發電厰不單是觀光旅游的賣點之一,更吸引了不少國外的投資入駐,以降低企業的碳足跡。

延伸閲讀:利用地球的熱情發電吧:深層地熱發電

通往「地獄」之門,也是推開科學新研究的大門

地熱能開發技術純熟的冰島,在 2009 年的一次鑽探中,卻遇到了意想不到的變故:原本想開挖深達 4500 公尺下的熱水,沒想到卻在 2100 公尺處挖到了一個岩漿庫[註2]!這此的開挖位於冰島北部的 Krafla 火山口附近,一個較小火山口 Víti (冰島語中正是「地獄」之意)邊上。

大量的蒸汽與玻璃從鑽孔中噴湧而出,在鑽探套管報廢之前,還觀測到破紀錄的 900°C 高溫。原先的計劃被迫喊停,但科學家卻從中看到進行地科研究的大好機會。

2009 年時,原先要鑽探地熱井的冰島團隊,卻意外挖到了一口岩漿井。圖/science.org

這起事故,促成了克拉夫拉岩漿試驗臺( Krafla Magma Testbed,簡稱 KMT)研究計劃的誕生。時隔多年籌備,這個備受矚目與期待的計劃,在國際大陸科學鑽探計劃(International Continental Scientific Drilling Program)與多個科研機構的支持資助下,終於於今年展開。這一次,科學家們帶著更堅實的鑽探工具,與明確的鑽研目標,要來敲開通往「地獄」的大門。

「我們曾去過火星,也到過金星,但我們從未觀測過地表下的岩漿。」意大利國家地理物理與火山學的研究主任 Paolo Papale 如是説道。

過去火山學家一直缺乏直接觀測地底岩漿的機會,只能仰賴地震儀、GPS 感測系統和雷達衛星,來推測岩漿的運動。儘管他們可以調查噴發到地表的熔岩,但這些已固化的樣本,早已失去大部分原本所含有的氣體。這些氣體是驅動火山噴發,影響岩漿原始溫度、壓力與成分的關鍵。

自 2009 年與這口岩漿井打交道以來,科學家確認它的脾氣相當溫和,並無噴發的太大風險,加上位處偏僻無人居住之地,因此非常適合進行研究。未來若從 KMT 取得新鮮熱辣的岩漿樣本,將可用來驗證過去科學家對於岩漿的認知是否屬實。

地底下的岩漿,揭開大陸形成的秘密

地球大部分海床,都是由玄武質熔岩[註3]構成,冰島也不例外 。然而組成大陸地殼的花崗岩,卻是由另一種更粘稠、富有二氧化矽的流紋質岩漿而來,而 KMT 岩漿井底下的就是流紋質岩漿。

為什麽構成海床與大陸地殼的熔岩種類有所差異?科學家相信,探究以玄武岩為主要構成的冰島上的流紋質岩漿樣本,將揭秘這個地質科學中很基本,卻未解決的問題。

要長期監測岩漿井的溫度、氣壓、化學成分等參數,實實在在地挑戰人類科技的極限,因為靠近岩漿處的溫度可是超過攝氏一千度。鑽探團隊正測試各種能耐高溫及膨脹的器械,而科學家也在研發各種可抵抗高溫高壓的新型偵測器。

這些研究成果不僅能用於地球科學,有朝一日更可能造福太空探索,如被運用在登陸太陽系中環境最惡劣的金星上。

水手 10 號拍攝的金星,由可見光與紫外光影像疊合而成,可見其表面被一層厚厚的硫酸雲遮蓋。圖/維基百科

一口岩漿井,將成為世界重要的火山學中心

KMT 引領科技的創新,也為冰島的地熱能產業帶來突破的機會。越靠近熾熱的岩漿,利用地熱能發電的效率便會增倍,這麽一來便可減少為了滿足能源需求而開挖的地熱井數量,降低對周圍環境造成的衝擊。光是在 2009 年意外挖掘的這一口岩漿井,就具備可以供應一整個小鎮電力的潛能。

開挖岩漿井時,需要注入大量的水來冷卻與潤滑鑽頭,這個對火山系統進行擾動的過程,也提供科學家一個瞭解火山運動的絕佳觀測機會。進行鑽探後,地震波速度發生的改變,也可透露岩漿流動的範圍。透過探究這些細微的火山運動變化,科學家能更好預測火山的噴發,讓我們能建立更整全的火山預警系統。

「十年後,這裏將可能成為火山學的中心。」冰島地熱研究中心科學主管 Ottó Elíasson 這麽認為。觀察地底下流動的岩漿,就像在瞭解地球的脈動,可以告訴人類更多關於這顆星球的故事,更能帶領我們走向更多科學新的可能性。

註釋

  1. 大西洋中洋脊(Mid – Atlantic Ridge,又稱中大西洋帶),是橫跨大西洋及北冰洋、大部分地區位於海底的山脈。
  2. 岩漿庫(Magma chamber,又稱岩漿房),是地球表面下一至十公里處由熔岩和火山灰氣體形成聚集之處。由於其內的岩漿密度比周圍的母岩來得低,因此會產生使岩漿往上移動的浮力。如果出現可讓岩漿通往地表的管道,便會造成火山噴發。
  3. 玄武岩(basalt),由基性岩漿噴發凝結而成,主要成分是矽鋁酸鈉或矽鋁酸鈣,是一種細粒緻密的黑色火成岩。玄武岩質熔漿被認為源自地球的上部地函。

延伸閱讀

參考資料

  1. Forget oil or water. In Iceland, well diggers seek to tap a volcano’s magma
  2. VisitIceland – Geography of Iceland
  3. VisitIceland – Renewable energy
  4. Magma chamber
  5. Krafla Magma Testbed
  6. Rhyolite
  7. Basalt
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安比西林_96
10 篇文章 ・ 9 位粉絲
本職為生態環境領域的可撥煙酒生。 不定時掉落科普文章。 大家一起嗑科科(❍ᴥ❍ʋ)