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光害太嚴重,合歡山將要設立星空保護區?!

科學月刊_96
・2019/04/03 ・2465字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

人類過度放閃,已成環境公害?

光害,是一種新型態的環境問題,一直以來大眾對它很陌生。隨著人類工商業日漸發達、夜間活動的型態越來越多元,對於夜間照明的需求也越高,光害所造成的影響也就愈發顯著、爭議也開始多了起來。從能源的浪費、身體的健康、農作物的生產,一直到對自然生態、野生動植物生存環境的影響等,比比皆是,當然還包括對於天文研究與觀星的影響。

因此,光害漸漸受到世界各先進國家的重視,制定相關法案並施行防治措施,以減輕光害對於環境的不良影響。不僅外國如此,國內的環境光害近年來也日趨嚴重──政策面該如何來面對這問題?技術面該從何處下手解決?民眾如何建立新觀念、改變夜間使用燈光的習慣?眾多問題一湧而上,可說是萬事起頭難啊!

我要賞星星;不要賞路燈!星空保護區就此誕生

多年來,臺灣熱心的天文同好,在全臺各地透過舉辦各種天文相關活動,一方面推展天文科普、一方面也帶領大眾領略星空之美,藉以宣揚光害防治的理念。經過一番努力,在機緣成熟之下,筆者與這些同好順勢推動一項史無前例的計畫:創建一個可以與國際並駕齊驅的「星空保護區」,以建立模範指標。

隨著夜間照明的需求增加,光害對自然生態、野生動植物等已造成影響。圖/pixabay

在南投縣政府、太魯閣國家公園管理處和林務局東勢林管處等單位的支持下,合歡山暗空公園計畫正式推動,成為國內首個官方認可的星空保護區。經過半年的積極籌備與努力策畫,筆者團隊終於在 2018 年 7 月底向國際暗空協會 (International Dark-sky Association, IDA) 遞送「合歡山暗空公園」的申請文件;10月,規畫多時、預計前往國際暗空協會與位於美國西部幾座暗空公園的參訪之旅終於啟程,這趟行程象徵臺灣在光害防治與星空保護方面的工作與理念,正式與國際接軌。

感謝IDA的努力,守護小鎮村的夜空

IDA 是位於美國亞歷桑納州土桑市 (Tucson) 的國際性非營利組織,致力於推動全球的光害防制工作,其影響力遍及全球各大洲,許多國家設立的國家公園、生態保護區等都改善光害來參與響應,目前世界各國提出申請而獲得認證的暗空公園、暗空保護區與暗空社區等項目,總和已經超過 100 多處。最新通過認證的是德國的富爾達小鎮,人口約有 68000 人,位於倫山 (Rhön) 附近,為一由聯合國國際教科文組織認證的生態保護區,同時也是 IDA 認證的暗空保護區的西部邊緣;從 2014 年開始進行小鎮的光害防制計畫,經過這麼多年的努力,終於通過了國際暗空社區的臨時認證(表示還有些需要改進的地方),是德國第一個認證的國際黑暗社區。

到底要多暗?天黑又閉眼這麼暗嗎?

國際暗空協會所做的認證有其獨到之處,並不是完全無光害、無人居住的荒原,因為那太容易了!他們所要的是人們經常造訪或有人居住的地方,有既成的人為光害燈源,但經過協商、意見溝通與整合後,一起進行環境光害的改善,且能符合所訂定的低光害標準,才會給予認證,是相當有意義的一個過程。讀者可能會問,所謂推動光害防治,是要消滅所有的燈光嗎?這誤會可大了!其實簡單來說,就是要適當、合理且友善環境地使用室外燈光。如何做到這些要求?

國際暗天協會提出以下 5 點建議:

  1. 只在需要的時候照明。
  2. 只在需要的地方照明。
  3. 不應超過必要的亮度。
  4. 將藍光照射減到最小。
  5. 指向下方的完整遮罩。

大家可以試著檢視生活周遭的夜間燈具燈光,不難發現,有大部分的燈光照明是浪費的。比如說,有些燈是沒有加裝燈罩的,它照射出來的光線四散,有絕大部分照向天空,而這以燈光發光源為中心的水平面以上,照向天空的光就浪費掉了,同時這就是暗夜中最大的光害源。另有一些燈具雖然在沒有燈光照射面是平的,但是安裝時沒有水平面向下,有部分光線仍會照射到天空,這也是光害的來源。所以,要達成低光害的要求其實並不難,只需要做到燈緣的水平面向下照射或加裝燈罩,讓燈光不直接照射天空,光線只照射需要被照明的地方,就能解決大部分的光害源問題。

降低光害,從周邊的路燈開始著手

這趟美國的參訪行程中,筆者團隊走訪約書亞樹國家公園 (Joshua Tree National Park)、仙人掌國家公園  (Saguaro National Park) 及大峽谷國家公園 (Grand Canyon National Park) 等,幾乎所有的室外燈具燈光都符合低光害的要求,加燈罩或燈緣水平面向下、並採用低亮度的橘黃色光源。

美國的路燈。圖/劉志安攝影

此外,團隊也針對所經過的大小城市進行觀察,包括洛杉磯、鳳凰城、土桑市、旗桿鎮與卡納布等,絕大部分的路燈也都是燈緣水平面向下的設計,這是美國國家訂定的標準,值得臺灣參考學習。更神奇的是,位在暗空公園附近的小城鎮,除了路燈、街燈、住宅居家的室外燈依循低光害要求外,就連加油站、大型賣場的招牌、停車場或如麥當勞、7-11 的招牌燈光等,都是低亮度、加燈罩的照明,著實展現先進國家對環境負責任的態度與風範!真的會讓人在心裡自問:「我們臺灣能做到嗎?」

夜衝合歡山,臺灣首座暗空公園即將誕生

回國後,在南投縣政府的支持之下,團隊積極安排邀請國際暗空協會成員造訪臺灣,並邀請他們來合歡山暗空E公園預定地現場場勘,給予團隊意見改進。合歡山是一個指標,團隊透過樹立一個指標,將星空保護的理念宣揚推展出去,讓更多的地方來跟進與學習,才能讓臺灣其他同樣適合觀星地點的美麗星空都可以受到保護。不只如此,團隊也透過理念的宣揚,讓想要親近、觀賞美麗星空的人們,更懂得要珍惜、保護它,那才是推動合歡山上美麗的星空成為國際暗空公園的重要意義。

國內推動光害防治剛起步,目前,團隊已拜訪經濟部工業局及主管環境保護的環保署,希望未來能制訂臺灣光害防治法案與技術規範,讓此願景可以早日達成。面對光害防治,臺灣仍有漫漫長路要繼續努力!

參考資料

  1. 國際暗空協會官網:https://www.darksky.org。
  2. Fulda, Germany Earns International Dark Sky Community Status, First in the Country, International Dark-sky Association, https://bit.ly/2H6gLYb, 2019∕2∕7.

 

〈本文轉載自《科學月刊》2019年4月號〉

一個在資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫的科普雜誌。

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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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