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古人是怎麼觀測天體的?過去和未來的天空會長的一樣嗎?——《關於夜空的 362 個問題》

PanSci_96
・2019/07/23 ・3119字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

編按:本文摘自《關於夜空的 362 個問題》,蒐集了英國最長壽科普節目《仰望星空》的觀眾提問。所有你對太空宇宙會有的疑問,都將在本書中為你解答。本節討論的是「過去和未來的天空」。

 

古文明如何準確測量星星的運動?

太陽、月球和星星的移動,在古代就已經為人所知,此外黃道帶上的那些星座也是最早被發現的。圖/pxhere

巴比倫人和蘇美人是世界上最古老的天文學家,他們在三千多年前居住於現在的阿拉伯地區。

太陽、月球和星星的移動,在古代就已經為人所知,此外黃道帶上的那些星座也是最早被發現的。當時的人可能已經知道,在不同的時間會看到不同的星星排列,但他們應該還不知道這是為什麼。這些文明是最早注意到天象變化的文明。他們可能注意到有些行星好像會在星星之間移動,特別是最亮的那顆:金星。當時也已經知道在夜晚或早上都看得到金星,蘇美人還發現了它的周期性。當然,他們並沒有因此思考到其他行星,而是聯想到神祇的活動。

巴比倫人知道各種不同的周期,主宰月相改變的周期就是其一;不過更重要的是日食和月食的周期。這些周期也流傳下來,到了在天文學方面非常有條理、邏輯的古希臘人手中。最令人震撼的天文事件自然是日食與月食。

最令人震撼的天文事件自然是日食與月食。圖/pexels

事實上,許多古代文明都對這種現象感到害怕。雖然因為太陽與月球在天空中的運動方式不同,日月食發生的時間間隔似乎並不規律,但其實大約是每十八年發生一次。這段時間被稱為沙羅周期,是太陽、地球、月球三者形成的幾何系統回到相同配置的時間。再加上地球的自轉,就必須使用三個沙羅周期來計算,所以是大約五十四年發生一次。這表示,如果你觀察到一次日食或月食,那麼在一萬九千七百五十六天(或是五十四年又一個月)之後,在地球上同一個地點就能再看到一次幾乎一模一樣的日食或月食。

古代天文學留下令人著迷的遺產之一,就是安提基瑟拉儀,大約是西元前一世紀或二世紀左右建造的。銅製的安提基瑟拉儀是一九○○年在希臘的安提基瑟拉島發現的,經過深入研究後,學界發現這是由大約三十個細心配置的鑲齒排列而成的儀器,用來預測太陽、月球、行星在任何一天的方位。

安提基瑟拉儀,大約是西元前一世紀或二世紀左右建造的。圖/wikipedia

製造者想必不知道太陽系的配置,因為這個儀器的設計是以地球為中心的模型為基礎,可是它對位置預測的準確度卻讓人驚訝。過去從來沒發現過類似的儀器;本質上而言,這是目前已知最古老的科學計算機。

至於星星本身的運動,在古代來說,是無法在某人的有生之年內測量出來的。古人很精細地測量了太陽在天空中的位置,所以能確定像是冬至、夏至這樣的至點以及春分、秋分的二分點時間。二分點出現在太陽通過天球赤道的時候,而有非常多的古代天文學家都會觀測太陽在天空中的位置。

地球自轉的歲差怎麼算?

西元前二世紀的希臘天文學家希巴克斯(Hipparchus)指出,和前人觀測到的結果相比,太陽在二分點的位置出現了相對性的改變,這個發現被稱為「分點歲差」。現在我們知道這是因為地軸相對於星星的移動所造成的,而這個發現成為了精密天文學的轉捩點。歐洲太空總署(ESA)的衛星伊巴谷(Hipparcos)就是利用這位天文學家姓名的發音,但是字母的拼法不同,因為其實這是「高度精密視差測量衛星」的縮寫。

伊巴谷是最早踏出第一步,排除地球是所有運動的中心的人。他觀察到太陽在全年中移動的速度會變化,而且計算出太陽中心的運動,一定會輕微地偏離地球。大約兩千年後,科學家才真的拋棄成見,推翻地球中心論,建立出地球以橢圓形軌道環繞太陽轉動的理論。

地球中心說。圖/wikipedia

巴比倫人和希臘人都是最早在天文學上跨出一大步的民族,他們會測量太陽、月球和行星的移動。兩千多年後,哥白尼、第谷,還有克卜勒才又往前邁了一大步,拋棄地球是宇宙中心的理論。我(諾斯)認為,我們現在即將跨出在天文學與宇宙學方面重大的第三步,開始了解宇宙的真實規模。

英國最適合看極光的地方是哪裡?

唯一一個算得上看得清楚的地方是蘇格蘭。一旦越過北方的邊界,極光就沒那麼少見了,不過也沒有像挪威北部或阿拉斯加那麼頻繁。重點是要到一個真的很暗的地方,而蘇格蘭有些地方還能滿足這個條件。

所以定期觀測是值得的,不過也得準備好可能要等好一段時間。如果你去到挪威北部像是特浪索這樣的地方,那麼你在一整年裡,除了永晝的日子以外,幾乎每個晚上都能看到極光。

在《仰望夜空》播出的期間裡,天空有些什麼改變?夜空中有沒有新的天體出現,或者有沒有星星或其他天體的位置、外觀發生了改變?

很顯然,就算是在比《仰望夜空》節目播出時間更長的期間裡,星星和行星都不會改變。我們的確有看到幾顆彗星,一、兩顆明亮的新星。除此之外,情況都沒什麼改變。

我在主持《仰望夜空》的期間看過最壯觀的景象,應該是海爾波普彗星,那真的很壯麗,而且有超過一年的時間都能用肉眼看到它。我想當它離開我們時,我們都很傷心。別難過,它四千年後還會回來!

當然有些行星總是在改變,尤其是木星和土星。木星的雲帶在過去幾年中一直出現強烈的變動,而土星上則發生了劇烈的風暴。相當值得持續關注。

圖/wikipedia

未來的觀星者會看到如我們現在所看到的北斗七星、獵戶座腰帶、老鷹星雲等這些星星的排列嗎?

根據我們目前的預測,未來不會有可偵測到的改變,但是當然如果是一萬年或是更久之後,這些星座一定會有改變。舉例來說,大熊座會扭曲,因為它的兩顆星(瑤光與天樞)在太空中是以與其他五顆相反的方向移動,遠離對方的。但是這些星星在太空中的移動實在太慢了,所以很難用肉眼看出來。

提醒你,一百萬年之後再回來,天空就會變得很不一樣。隨著時間過去,星座會因為星星的移動而變形,新的排列也會變得明顯。就連星雲也會隨著它們的中心出現氣體與塵埃生成的星星而改變,不過這個過程會需要幾百萬年的時間。

如果我們可以把時間快轉十億年,那時候的天空會是什麼樣子?會有多少星星不再存在?

如果快轉那麼長的時間,所有星座都會有非常大的改變,到時候我們已經認不出來那片天空了。除此之外,我們也無法辨識一些我們熟悉的星星,例如獵戶座的參宿七,到了那時候一定已經經歷了紅巨星的階段,也許在超新星的爆炸中死去。同樣的事也會發生在我們鄰近星系中的很多大質量的恆星上,不過也會有更多的恆星在天空中的其他位置出現。

如果把太陽系從銀河中拔出來,然後完整地放在太空中另外一個空曠的區域,我們會變好還是變糟?

這個嘛,我們會悲慘很多,因為我們只能看到自己太陽系的天體,對於星星會一無所知。事實上,我們的知識會被局限在很小的範圍內,有點像是去倫敦但只參觀維多利亞車站而已。一定要記得,天文學是最古老的科學之一,是古代文明不斷地重寫,增進我們對宇宙的了解的成果。

——本文摘自《關於夜空的 362 個問題:從天文觀測、太陽系的組成到宇宙的奧祕,了解天文學的入門書》,2019 年 4 月,貓頭鷹出版

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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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