0

0
0

文字

分享

0
0
0

化不可能為可能!NASA 新視野號的冥王星任務——《冥王星任務》序(上)

時報出版_96
・2019/05/27 ・2405字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

終點冥王星,史上最遙遠的探險

二○○六年一月, 重量僅一千英磅( 約四百五十三公斤) 的迷你飛行器, 安裝在二百二十四英尺(約六十八公尺)高的強力火箭上,然後從佛羅里達州的卡納維爾角發射出去。

無人太空船新視野號。圖/nasa.gov

就這樣,人類做為一個物種,我們展開了史上耗時最久、距離也最遠的探險之旅──旅程的終點是冥王星,這是人類在太空時代初始所認識的行星當中,還沒有造訪過的僅僅一顆。恰如其分被命名為「新視野號」(New Horizons)的這艘無人太空船,背負著許多人的希望與夢想,殊不知科學家與工程師團隊,三不五時為了一個看似做不到就是做不到的追尋,投注了他們大半人生。

大約六十年前,我們人類開始把手伸往太空──那最後的疆界──來探索其他的世界。在那之前,類似探索只能是小說中的虛構情節。但在新的時代──以太陽為圓心,向外數來第三顆行星上的智慧生物──已經開始派出人類與機器控制的太空船,穿越廣袤的無垠太虛,探索可能存在的外在世界。我們所生存的這個時代,將永世為歷史所記得,這是人類從地球搖籃中探出頭來、以種族之姿遨遊太空的時代。

人類尚未一探的孤星,冥王星

在一九六○與一九七○年代,美國航太總署(NASA)的「水手號」(Mariner)太空船完成了一項壯舉。水手號計畫讓人類第一次成功前往鄰近行星──金星、火星與水星。這二十年間,人類在月球上留下了足跡。同樣在一九七○年代,航太總署的「先鋒號」(Pioneer)成為第一艘抵達木星與土星的太空船,要知道比起太陽系的內行星,木星與土星遠上許多。繼先鋒號而起的,是航太總署的「航海家」(Voyager)計畫。

這個原本設定為「壯遊」的任務,其目標是飛抵當時已知五個最外圍的太陽系行星,從木星一路前往冥王星。但最終航海家號只蒐集到木星、土星、天王星與海王星這四顆行星,冥王星成了遺珠。隨著一九八○年代畫下句點,所有當時已知的太陽系行星,幾乎都被人類太空船造訪過了。幾乎,這成了關鍵字。冥王星,則成了那顆人類尚未能一探究竟的孤星。自此冥王星不再單純是顆行星,它成了一種象徵,一種像在問「你敢不敢」的公開挑戰。

圖/wikipedia

於是,航太總署提出了「新視野號」任務,也就是本書記錄的這次任務,這算得上是很合理的結果,相對於前述所有開疆闢土的行星探祕,這也是一種必然的承先啟後。惟新視野號任務從很多方面來說,跟之前的所有嘗試毫無瓜葛。

不相信申請會通過審核的人,很多。不相信這計畫會有預算或時間可以做起來、最終還能成功的人,更多。但就像我們在本書中描述的一樣,一群兢兢業業、努力不懈的科學家與工程師,他們不把唱衰的意見當回事。他們前後用了二十六年的光陰,讓一個幾乎不可能的尋星之夢,在二○一五年開花結果。

化不可能為可能

我們寫這本書,是希望給大家一個概念。我們希望大家知道,像這樣一個里程碑等級的太空任務,從發想、核可、撥款、建造、發射,到最後飛到那遠得要命的目標,過程中需要歷經如何一條來時路。在這個故事裡,許多面向都足以代表現代太空探險的基本。但這故事中也不乏新視野號的特殊事件與插曲:意料之外的危險、威脅、人謀不臧或是時運不濟,在在都需要我們去克服。當然反過來講,我們也有很多鴻運當頭的時候。若非運氣在關鍵時刻成為我們的盟友,這場探險的結局或許就無法讓人露出笑容。

開心慶祝冥王星任務成功的科學團隊。圖/wikimedia

我們,這本書的共同作者,都參加了新視野號任務,惟我們參與的方式非常不同──一個位於任務的核心,一個在邊際。但我們內心的興奮是一致的。我們都很振奮於遙遠的世界可以獲得探索,也期待可以跟外界分享新視野號背後那極其特別、引人入勝而且幾乎不為人所知的故事,這是個冥王星固然遠在天邊、人類卻仍成功一探究竟的故事。

艾倫.史登的參與,位於這個故事的核心。雖然投入新視野號任務的工作人數,扎扎實實地是數以千計之多,但艾倫從一開始就是計畫的領袖。相對於艾倫,大衛.葛林史彭則在故事裡扮演著一個邊緣的角色。跟艾倫一樣,大衛也是位行星科學家,但他還有另外一個行當是作家。

長達數十年的時間,大衛與艾倫私底下跟工作都結交甚篤,事實上大衛與本故事裡許多關鍵人物之間,都兼具好朋友跟好同事的身分。在這場壯舉的許多關鍵時分,大衛都躬逢其盛。比方說從一九九○年代到二○○○年代初期,大衛都在航太總署裡地位不凡的「太陽系探索小組委員會」(Solar System Exploration Subcommittee)裡服務。

圖/wikimedia

慢慢讀下去,你會發現許多催生出新視野號的關鍵決定,都是在這個委員會裡發生的。二○○一年,在紐奧良波本街(Bourbon Street)那場喧囂熱鬧的「慶功宴」上,你看得到大衛的身影。那天新視野號任務從眾多競爭提案中脫穎而出、通過了航太總署的審核。二○○六年,大衛在卡納維爾角親炙了那震耳欲聾又一飛沖天的景像,目標冥王星的火箭發射了。二○一五年,在新視野號飛越冥王星一事的公眾宣傳中,大衛幫助計畫團隊擬定了各種策略來觸及大眾的視野。

當新視野號對冥王星進行近距離觀測時,大衛與計畫團隊再度攜手,其中他擔綱與媒體聯繫的工作。雖然大衛在此分享的各種印象與描述,都是第一手的資料,但他在本書中往往不是具名的角色。他的聲音,是為本書推演情節的旁白。

——本文摘自《冥王星任務:NASA新視野號與太陽系盡頭之旅》,2019 年 4 月,時報出版

文章難易度
時報出版_96
136 篇文章 ・ 21 位粉絲
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。


1

4
0

文字

分享

1
4
0

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
952 篇文章 ・ 245 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策