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地球差點被「城市殺手」小行星撞上,天文學家都驚呆了……嗎?

活躍星系核_96
・2019/10/23 ・2766字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 492 ・五年級

編譯/ Fisher Wang

「七月底時,地球差點被小行星『城市殺手』撞上」這個說法雖然可以成功引起人們注意,但有點太誇大了。

那麼到底發生了什麼事呢?

2019年7月26號星期四早上,有一塊巨大的岩石從地球上飛過嗎?是的。

天文學家是不是幾乎沒有發現到它?不太對。

那結論是小行星真的差點撞到地球嗎?

呃,這次的小行星的確是靠得滿近的。這顆在 2019 年 7 月 25 號星期四接近地球,引起許多矚目的小行星被命名為 2019OK,直徑估計為 57 到 130 公尺,並以每小時 55,000 英里的速度移動。

當小行星 2019OK 通過地球附近時,只距離我們的地球不到 73,000 公里,等於只隔了 0.05 顆太陽!看起來好像很遠,但在偌大的宇宙中,這樣的距離算是非常接近了,就連月球都離地球將近 384,400 公里,我們通常不會希望一顆又大又髒、上面不知道帶著什麼外星生物的岩石比我們自己的衛星更靠近我們。

隨著隕石來到的外星生物示意圖。(誤)圖/imdb

不過,真實的小行星撞地球這樣的事情倒也不是太新鮮。早在 2013 年就曾經有一顆流星悄悄衝向地球,並在俄羅斯車里雅賓斯克(Chelyabinsk)上空離地 70 公里到 30 公里之間陸續發生三次爆炸,爆炸產生的衝擊波擊碎了四周的玻璃,間接導致將近 1,500 人受傷。車里雅賓斯克的這顆犯案流星直徑大概只有 20 公尺,比 2019OK 小得多。除此之外,在 2019OK 擦過地球前一陣子,才有一顆大概汽車大小的小行星 2019MO 在 6 月22日來到地球,並且在波多黎各以南幾百公里爆炸成一顆壯觀的火球。神秘的是,車里雅賓斯克的這顆犯案流星和 2019OK 居然都躲過了天文學家的設備,並對地球進行了太過突然的拜訪。

澳洲蒙納許大學(Monash University)天文學副教授麥可·布朗(Michael Brown)在《The Conversation》(起源於澳洲的非營利媒體,與研究機構合作傳播民眾科普知識。)對於本次 2019OK 就表示:「這表示這類型的小行星都有潛在危險,應該要事先警告。即使這顆小行星沒有對地球造成危害,也不代表其他顆不會。」

這些小行星我們的距離如此近,又沒有天文學家事先發現──聽起來很像一個很可怕的科學疏忽。

小行星撞地球,難道天文學家們不用負責警告嗎?

首先,雖然曾經發生一些令人遺憾的事件,但其實「小行星撞地球」沒有聽起來的那麼嚴重。我們當然可以因為 SIZE 就說 2019OK 是一顆「城市殺手」,畢竟一顆這麼大的石頭如果撞到城市的話,的確是有可能毀了一個城市。不過,根據專家說法,一顆直徑 57 公尺的小行星(相當於 2019OK 預估大小的最小值),1000 年中只有可能撞到地球一次;而直徑 130 公尺的小行星(相當於 2019OK 預估大小的最大值)更是20000 年才有可能撞到地球一次。並且,以一個「可以毀了一座城市」的潛力而言,2019OK 還是小 case。

亞利桑那州的巴林傑隕石坑,直徑1200公尺,深170公尺。圖/pixabay

除此之外,為什麼地球上沒有出現很多關於小行星撞地球、毀了地球家園的恐怖故事?因為岩石在穿過大氣層時會逐漸破碎,在天上引起爆炸燃燒殆盡比在你家後院留下隕石坑的可能性大多了。而且,地球上有 70% 都是海洋,剩餘 30% 的陸地上大部分也都很空曠。在這樣的狀況下,要有一顆石頭向地球迎面而來,並且它要夠大顆到可以穿越大氣層,還要剛好撞到人口稠密的城市地區,還要夠大顆到可以對城市帶來損害,這個機率實在是小到不行。

新墨西哥大學地球和行星科學兼任教授馬克·博斯洛 (Mark Boslough) 最近才跟美國 Gizmodo 雜誌(一個報導消費性電子產品的網站)的記者萊恩‧曼德爾巴 (Ryan F. Mandelbaum) 說道,「如果要去討論小行星撞到某個東西的後果,那可能很嚴重。但我們在講的是有潛力毀滅城市的殺手耶?要影響要大到可以消滅整個大陸地甚至導致某種文明崩潰,這個機率真的是太低了,所以我們也不會花太多時間擔心這種事。」

先不提會不會毀滅城市,為什麼沒有人發現?

好吧,即使「城市殺手」事實上不太可能毀滅城市,但它靠得這麼近,總是有機會造成一些損害吧?天文學家為什麼沒有早點發現它?

其實這樣講並不正確,巴西跟美國的研究機構都在 2019OK 經過地球的前幾天就發現了這件事,但因為 2019OK 的軌道出現不可解的變化,導致它從望遠鏡中消失,才讓天文學家們一直到它近距離接觸的前幾個小時才告訴大家。

2019OK 從太陽的方向過來,這讓地球上的望遠鏡很難從強光中看到它。這樣當然不是一個理想狀況,只是天空中其實有很多一般人意想不到的奇怪東西,這些東西也不會帶來立即性的傷害。有些東西也會從天文學家眼皮底下逃跑,但沒辦法,這就是科學研究的現況。

太陽。圖/Wikimedia Commons

不過大家也不用太擔心,NASA 監測了 90% 靠近地球軌道、直徑超過半公里的小行星,並且一直都在追蹤這些小行星的動向,天文學家們會在它們往地球衝過來的時候發出警告。目前還不知道除了撤離某些直接受影響區域之外,還能有什麼其他的處理方式,天文學家們正在努力想出還有什麼更好的方法。

NASA 表示,目前小行星撞擊是唯一一個可能被預防的自然災害,他們目前正在透過「雙小行星重定向測試計劃」(Double Asteroid Redirection Test; DART) 研究各種讓小行星轉彎的方法,希望最快可以在 2021 年推出這種媲美復仇者聯盟能力的技術。

布朗教授表示,「要是可以更早發現,我們就能有比破壞小行星有更多的選擇,因為破壞小行星會導致其分裂成更多碎塊,造成其他無法預知的災害。」由此可見,解決方案比起用力把石頭踢開,應該更接近溫柔地推開它。不過,說到底,一個大到可以殺死恐龍的大石頭也不太可能不知不覺地出現,所以大家可以不用太擔心外太空岩石撞地球導致人類三天內毀滅。(然後需要派布魯斯威利帶隊去把它炸掉)

發現它、面對它、處理它

雖然我們不應該假裝有城市差點被 2019OK 毀滅(事實上也的確不是),但這個故事提醒了我們,人類對太空所知還是太少。因此許多專家都提到,我們應該更注重調查周圍的星際環境,並且透過研究這些麻煩的小行星,找出要是真的出現大到足以產生威脅的小行星,我們該做些什麼。

透過超新星自動化調查程序(All Sky Automated Survey for SuperNovae, ASAS-SN,是一個主要用以搜索新的超新星與其它天文現象的自動程序,它在北半球和南半球都有 20 個機器人望遠鏡,每天會掃描一次整個天空。)發現 2019OK 的天文學家,俄亥俄州立大學教授克里斯•斯坦尼克(Kris Stanek)表示,「我想,這就是機率遊戲吧。因為它可能幾千年內都不會發生,我們就不會去思考怎麼保險。但是即使我是個好司機,我還是會買車險啊。因為你知道:我們永遠無法預料會發生什麼事。我雖然不是和平主義者,但我覺得人類至少花了數十億美元在不必要的需求或是傷害其他人上,這些錢應該拿來開發這些監測系統,至少我們有機會提早發現太空中那些可能對地球造成威脅的神秘東西,然後想辦法面對。」

本文編譯自 We were not almost killed by an asteroid this week

參考資料

文章難易度
活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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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
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。
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