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赫歇爾觀測到北落師門周圍的彗星屠殺事件

臺北天文館_96
・2012/05/29 ・1047字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

天文學家經由歐洲太空總署(ESA)赫歇爾太空望遠鏡(Herschel Space Observatory)觀測發現:北落師門(Fomalhaut)周圍有個塵埃帶(dusty belt),可能是每天數千顆冰彗星互相撞擊摧毀的結果。

北落師門是個相當年輕的恆星,僅約數千萬年而已,其質量約為太陽的2倍。天文學家於1980年代透過紅外天文衛星(IRAS)首度發現其周圍的塵埃帶;但透過赫歇爾太空望遠鏡的遠紅外波段最新影像,天文學家這才發現更多細節。比利時魯汶大學(University of Leuven)Bram Acke等人分析赫歇爾的觀測資料,發現塵埃帶中的塵埃溫度約在攝氏零下230到零下170度之間。然而,由於北落師門並非位在塵埃帶中間,而是稍微偏向南側,使得塵埃帶的南側比北側稍微溫暖一些、明亮一些。

數年前,透過哈柏太空望遠鏡的觀測,顯示塵埃帶窄而不對稱,天文學家認為其中可能有顆行星正在繞著北落師門公轉,而哈柏的可見光波段觀測資料,是蒐集被塵埃帶固體微粒散射的星光,由此推測的塵埃直徑約為數十毫米左右。而現在,透過赫歇爾太空望遠鏡的觀測,塵埃熱能特性推測,塵埃帶中的塵粒,顯然絕大多數是直徑只有數毫米而已的固態微粒(1毫米相當於百萬分之一米)。然而,如此一來,赫歇爾的觀測資料便與哈柏的資料衝突,兩者推測的微粒直徑相差了10倍以上。

為解決此矛盾衝突,Acke建議:這些塵粒必定是像太陽系中彗星遺留在軌道上的塵粒一樣,蓬蓬鬆鬆,並不紮實。如此一來,它的熱能特性和散射特性,就都能符合哈柏和赫歇爾觀測的結果了。

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不過,解決了一個問題,卻又引發另一個問題:來自北落師門的明亮星光,應該會很快地就將這些小塵粒向外吹散;但事實卻是:北落師門周遭的塵粒數量龐大到不可思議的地步。唯一可以克服這個矛盾的答案,就是得不斷有新鮮的塵粒補充,而新鮮塵粒應該是來自稍大天體互相撞擊的結果。

為維持這個塵埃帶的現況,這些稍大天體的撞擊頻率必定相當驚人,據估計,相當於每天至少有2顆10公里級彗星互撞,或是有2000次1公里級彗星互撞,而且得互撞到完全粉碎的程度,才能滿足所需。Acke等人對此結論相當驚訝,因為對這些天文學家而言,這個要求的數量是個天文數字。

若要保持撞擊速率如此之高,那麼北落師門塵埃帶中的彗星數量必定高達2600億~83兆顆之多,其中所估之數量差別來自彗星大小。我們太陽系的歐特雲區(Oort Cloud)中所擁有的彗星數量與此相差不多,而歐特雲就是在太陽系處在像北落師門這麼年輕時,將太陽周圍塵埃盤中的物質向外散射而形成的。

資料來源:Herschel spots comet massacre around nearby star, 2012.04.11

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轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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秋季星空中一抹光亮:北落師門殘屑盤的觀測史——《科學月刊》
科學月刊_96
・2024/01/19 ・4118字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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  • 謝承安/ EASY 天文地科團隊成員,因喜愛動畫《戀愛中的小行星》開始研究小行星,現就讀臺大物理系。
  • 林彥興/清大天文所碩士, EASY 天文地科團隊總編輯,努力在陰溝中仰望繁星。
  • Take Home Message
    • 殘屑盤是恆星周遭的盤狀結構,由於北落師門殘屑盤離地球僅 25 光年,數十年來天文學家時常會藉由觀測它以了解殘屑盤的特性。
    • 去(2023)年韋伯望遠鏡的觀測結果與過去不同,顯示北落師門殘屑盤其實分成多個部分,更讓他們相信北落師門中有多個行星環繞。
    • 韋伯望遠鏡提供的影像還揭露許多來源未知的構造及現象,例如內側殘屑盤與內側裂縫等,都有待繼續探索。

北落師門(Fomalhaut)又稱南魚座 α 星,是秋季星空中著名的亮星之一。去年 5 月,以美國亞利桑那大學(University of Arizona)天文學家加斯帕(András Gáspár)為首的研究團隊在《自然天文學》(Nature Astronomy)期刊上發表,他們藉由詹姆士.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST,簡稱韋伯望遠鏡),在北落師門周圍殘屑盤(debris disk)中首次發現了「系外小行星帶」的存在。韋伯望遠鏡拍下美麗的照片,也瞬間席捲各大科學與科普媒體的版面(圖一)。

圖一:韋伯望遠鏡在波長約 25 微米(μm)的中紅外線拍攝的北落師門影像,首次呈現北落師門殘屑盤中的三層結構。(NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (University of Arizona))

天文學家選擇北落師門作為目標並非偶然。半個世紀以來,北落師門一直是天文學家研究殘屑盤時的首選目標之一。韋伯望遠鏡的新影像為我們帶來什麼新發現?過去與現在的觀測方式又有什麼差異?本文將帶著大家一起回顧北落師門殘屑盤的觀測史。

行星相互碰撞後的殘屑盤

殘屑盤是環繞在恆星周遭,由顆粒大小不一的塵埃所組成的盤狀結構。如果讀者們聽過行星形成的故事,也知道行星是從恆星四周、由氣體與塵埃組成的「原行星盤」(protoplanetary disk)中誕生,那你或許會認為殘屑盤可能就是行星形成後剩下的塵埃。但實際上並非如此,在恆星形成初期的數百萬年間,原行星盤中的氣體和塵埃會被恆星吸積或是吸收恆星輻射的能量後蒸發,同時也會聚集成小型天體或行星,這些原因都會使原行星盤消散。而殘屑盤則是由盤面上的小行星等天體們互相碰撞後,產生的第二代塵埃組成(圖二)。

圖二:殘屑盤想像圖(NASA/JPL-Caltech)

這些塵埃發光的機制主要有兩種。第一,塵埃本身可以散射來自母恆星的星光,從而讓天文學家能在可見光與近紅外波段看到它們。第二,塵埃在吸收來自恆星的星光之後,以熱輻射的形式將這些能量重新釋放。由於恆星的光強度與距離成平方反比,愈靠近恆星,塵埃的溫度就愈高,因此發出的輻射以近紅外線為主;反之,愈是遠離恆星,塵埃的溫度就愈低,發出的光就以中遠紅外線為主。

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觀測目標:北落師門

北落師門殘屑盤的觀測始於 1983 年。當時,美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的紅外線天文衛星(Infrared Astronomical Satellite, IRAS)發現北落師門在紅外線波段的亮度異常高,代表周圍很可能有殘屑盤圍繞。由於北落師門離地球僅約 25 光年,這項發現引起眾多天文學家的關注,並在未來數十年前仆後繼地拿出各波段最好的望遠鏡,希望藉此深入了解殘屑盤的特性。其中,哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope, HST,簡稱哈伯望遠鏡)、阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)與韋伯望遠鏡擁有非常好的空間解析度,因此能夠清楚地觀測殘屑盤的結構。

● 哈伯的觀測

2008 年, NASA 公布哈伯望遠鏡在 2004 與 2006 年對北落師門的觀測結果(圖三),讓天文學家首次清晰地看到北落師門殘屑盤的影像。這張照片是哈伯望遠鏡以日冕儀(coronagraph)在 600 奈米(nm)的可見光波段下拍攝,中間的白點代表北落師門的位置,而周圍的環狀亮帶正是因散射的北落師門星光而發亮的殘屑盤,放射狀的條紋則是日冕儀沒能完全消除的恆星散射光。除此之外,天文學家還發現有一個亮點正圍繞著北落師門運行,並認為此亮點可能是一顆圍繞北落師門的行星,於是將它命名為「北落師門 b 」。很可惜在往後的觀測中,天文學家發現北落師門 b 漸漸膨脹消散,到 2014 年時就已經完全看不見了。因此它很可能只是一團塵埃,而非真正的行星。

圖三:哈伯望遠鏡於 2008 年公布的北落師門。中間白點代表北落師門的位置,周圍環狀亮帶是因散射北落師門的星光而發亮的殘屑盤,放射狀條紋則是沒完全消除的恆星散射光。右下角亮點當時被認為是圍繞北落師門的行星,但很可能只是塵埃。(Ruffnax (Crew of STS-125);NASA, ESA, P. Kalas, J. Graham, E. Chiang, and E. Kite (University of California, Berkeley), M. Clampin (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.), M. Fitzgerald (Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Calif.), and K. Stapelfeldt and J. Krist (NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.)

● ALMA 的觀測

ALMA 對北落師門的完整觀測於 2017 年亮相,他們展示出更加清晰漂亮的環狀結構,且位置與哈伯望遠鏡的觀測吻合。正如前面提到,殘屑盤中的塵埃溫度愈低,放出的輻射波長就愈長。因此 ALMA 在 1.3 毫米(mm)波段觀測到的影像,主要來自離殘屑盤中恆星最遠、最冷的部分。

圖四: ALMA 於 2017 年拍攝的北落師門殘屑盤,展示出清晰漂亮的環狀結構。(Sergio Otárola|ALMA (ESO/NAOJ/NRAO);M. MacGregor)

● 韋伯望遠鏡的觀測

最後則要來看去年韋伯望遠鏡所使用中紅外線儀(mid-infrared instrument, MIRI)拍攝的影像(圖五)。與之前的觀測不同,這次的影像顯示北落師門的殘屑盤其實分成幾個部分:

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圖五:韋伯望遠鏡在 25 微米波段觀測到的北落師門殘屑盤。(NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez;NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (University of Arizona))

首先,哈伯望遠鏡與 ALMA 之前就已觀測到的塵埃環,它的半徑約 136~150 天文單位(AU)、寬約 20~25 AU,而溫度則落在約 50~60 K,與太陽系的古柏帶(Kuiper belt)十分相似,因此被稱為「類古柏帶環」(KBA ring)。雖然在觀測上的溫度相似,但其實此塵埃環與北落師門的距離是古柏帶到太陽的四倍;不過北落師門光度約為太陽的 16 倍,根據前述提及的平方反比關係,才導致兩者的溫度相近。此外,在更外層名為「暈」(halo)的黯淡結構則對應古柏帶外圍天體密度較低的區域。

再來,韋伯望遠鏡還發現了更多未解的謎團:內側殘屑盤(inner disk)與中間環(intermediate ring)。其實早在本次韋伯望遠鏡的觀測之前,天文學家就已經從北落師門的光譜推測,北落師門的殘屑盤中除了存在前面提過的類古柏帶環之外,應該還有另一批更靠近恆星、溫度更高的塵埃,溫度與大小對應太陽系中的環狀小行星帶。但當韋伯望遠鏡實際觀測後,卻發現與太陽系的環狀小行星帶相比,北落師門有著相當瀰散的內側殘屑盤。為什麼會有這樣的不同呢?目前天文學家也不清楚,仍待進一步研究。

最後,在類古柏帶環與內側殘屑盤之間,還存在著一個半長軸約 104 AU 的「中間環」,在太陽系中則沒有對應的結構,這項新發現也需要進一步的研究來了解它的來源。

此外,雖然北落師門 b 最終被證實並不是一顆行星,但這並不代表北落師門旁沒有行星環繞。最初,殘屑盤的形成原因是由小行星等天體不斷碰撞所產生,經過不斷地碰撞合併,其實就有可能已經產生直徑數百到數千公里的行星。從北落師門的殘屑盤還可以推論,在內側殘屑盤與中間環之間可能有一顆海王星質量以上的行星,它就像鏟雪車般清除軌道上的塵埃,從而產生「內側裂縫」(inner gap)的結構。

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另一方面,天文學家也藉由數值模擬發現,如果僅考慮來自北落師門的重力影響,類古柏帶環應該要比觀測到的更寬才對。因此他們推測,很可能在類古柏帶環內外兩側有兩顆行星,像控制羊群的牧羊犬一樣以自身的重力限制塵埃移動,才產生了這麼細的塵埃環。

● 更多的殘屑盤觀測

北落師門雖然是一顆年齡僅4.4億年的年輕恆星,卻已經是一個擁有殘屑盤、形成行星的成熟恆星系統。而來自韋伯望遠鏡的最新觀測結果,無疑讓天文學家更深入地認識殘屑盤中複雜的結構,也更令他們相信北落師門系統中有多個行星環繞。

不過,北落師門系統仍舊有許多未解之謎。例如為什麼太陽系有著環狀的小行星帶,北落師門卻是瀰散的內側殘屑盤?在無數的恆星中,究竟是太陽系還是北落師門的殘屑盤構造比較常見?殘屑盤中是否有行星存在?如果有,在北落師門的演化歷史中又扮演著怎樣的角色呢?這些問題都有待更多的觀測與理論模擬來解答。

在北落師門之後,觀測團隊預計將韋伯望遠鏡指向天琴座的織女星(α Lyr, Vega),以及位於波江座的天苑四(ε Eri),兩者都是離地球非常近且擁有殘屑盤的恆星。其中織女星的溫度與質量比北落師門更大,而天苑四的質量與溫度雖然比太陽小,卻有強烈的磁場活動。藉由觀測不同系統中殘屑盤的性質差異,並與太陽系進行對比,不僅能更加認識殘屑盤的起源、與行星的交互作用,更能理解我們自己的恆星系中,數百萬顆的太陽系小天體從何而來。

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JWST 原始資料的處理過程影片介紹,非常值得一看!

  • 〈本文選自《科學月刊》2024 年 01 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

延伸閱讀

  1. Galicher, R. et al. (2013). Fomalhaut b: Independent analysis of the Hubble space telescope public archive data. The Astrophysical Journal, 769(1), 42.
  2. MacGregor, M. A. et al. (2017). A complete ALMA map of the Fomalhaut debris disk. The Astrophysical Journal, 842(1), 8.
  3. Gáspár, A. et al. (2023). Spatially resolved imaging of the inner Fomalhaut disk using JWST/MIRI. Nature Astronomy, 1–9.
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臺灣也有摩西分海?——澎湖奎壁山的秘密
Mia_96
・2021/01/26 ・3248字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

相信許多人小時候都聽過摩西分海的故事,在《出埃及記》中記載到,當摩西率領大批的猶太人準備逃離埃及時,面對前方紅海的阻隔、後方法老王的追兵而進退不得。

正當摩西與猶太人感到絕望時,上天指示摩西一條逃出生天的路,摩西將其拐杖指向紅海的瞬間,紅海一分為二,海水退到兩側,露出一條道路讓摩西與猶太人前行,當摩西眾人順利橫跨紅海後,海水立刻恢復原狀,將在後方追趕的法老王追兵淹沒於茫茫大海中。

雖然我們難以去斷定摩西分海的真相,但可以知道的是,在臺灣的澎湖,竟然也出了如同摩西分海的情境——就在澎湖奎壁山的沙灘與赤嶼島之間!

礫石步道連接著兩邊奎壁山與赤嶼島,當大海被一分為二時,遊客便能踏上神奇的分海道路,前往幾分鐘前還在海的另一側陸地。

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究竟什麼時候這條神奇的分海道路會出現呢?以下就讓我們來一探究竟!

摩西分海的秘密,其實你早就知道了!

形成臺版摩西分海的秘密,就是大家在國高中地球科學課一定會聽過的「潮汐現象」!潮汐作用指的為海水進行週期性的升降運動。

其實,造成奎壁山沙灘與赤嶼島會偶爾露出礫石道路的最主要原因,就是當海水逐漸退潮至乾潮時,水面最低,因而露出中間較高的地面,此時,奎壁山沙灘與赤嶼島中間便會露出道路,而當海水逐漸漲潮升起至滿潮時,淹過多數的地面便會形成平常我們所看到的海洋。

然而,為何海面會有週期性的升降運動呢?

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關於潮汐現象,大家最常聽聞的成因就是——引潮力,而引潮力與萬有引力、向心力息息相關,我們可以將引潮力寫成一個簡單的公式:

引潮力= 萬有引力 — 向心力

讓我們來依序破解向心力、萬有引力!

一開始我們必須先釐清,地球與月球之間的「向心力」。

雖然口語中我們時常以「月球繞著地球公轉」來描述月球公轉的現象,但其實更為準確的說法是:「月球繞著地月共同質心進行公轉」註1

地、月繞著共同質心旋轉。原圖/Wikimedia common

舉一個簡單的例子,常見的電影情節中,時常會有男主角拉著女主角的手轉起圈圈,想像一下,當今天男主角是個體型壯碩的帥哥,女主角是位小鳥依人的美女,這個圈圈誰會轉的比較大?一定是女主角嘛!但此刻問題來了,男主角是完全沒有在移動嗎?還是只是移動的不如女主角明顯呢?

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相信各位的腦中已經有了答案,男女主角同時都在旋轉,只是旋轉的大小不同,同時也代表著,這是旋轉的質心應該是位在男女主角之間,可能比較靠近男主角,但一定不會在男主角身體的正中心吧!

地球和月亮就像是浪漫電影裡的男女主角(但是地球的體重多了很多很多)。圖/giphy

其實在這個舉例中,男主角就是地球,女主角就是月亮,所以月球也並非繞著地心進行公轉,而是繞著地月共同質心進行公轉,但因為地球的質量遠大於月球,所以地月共同質心的位置位於地球內部,且為靠近地表之處。

回到向心力的概念,當月亮與地球對著共同質心公轉時,所需的向心力都指向了共同質心,因此地球上任一點的向心力都指向了共同質心。(可以參考上方「地、月繞著共同質心旋轉」的圖。)

在影響引潮力的第二個原因「地心引力」中,離月球越近的地點,其受到月球的萬有引力越大,離月球越遠的地點,其受到月球的萬有引力越小。

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當萬有引力扣除向心力過後,就形成了我們所知的引潮力。

為什麼我的水杯不會漲潮?

但聽到這裡,大家或許會產生一個疑問:

既然引潮力可以把海水整個拉起來,那為什麼世界上其他的水體、物體並不會每天「漲潮」、「抬升」兩次呢?

在引潮力的解說中,我們很容易誤以為是引潮力將地、月連線的海水「抬升」,產生漲潮,然而這些中學課本學過的潮汐成因,只是「簡化」的說法。

黑色箭頭為將地心引力扣除向心力後,地球呈現的引潮力(黑)分布,而引潮力可以分為切線(綠)與向心(紅)分量。原圖/Wikimedia common

上圖就是地球引潮力的分布圖,我們可以將黑色引潮力再分為兩個分量,分別是綠色的切線分量、紅色的向心分量,而A、B、C、D僅有向心方向的引潮力。

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倘若你想像海水是被引潮力抬升、下降,那可就不太正確了!事實上,向心引潮力的作用很小、很小、很小,僅僅是地球重力的一千萬分之一,因此我們不可能依靠引潮力將海水吸起來、抬起來,或是向下壓扁,因為向心引潮力早就被地球的重力所抵消了。

比起朝向地心的引潮力,更嚴重影響海水升降的因素是「水平分量」的力,這些切線方向的力會把海水推向B、D的方向,造成海水相對隆起。

切線引潮力的作用遠大於向心引潮力,其原因有二:

  1. 海水主要分布在地球表面,其水平衍伸遠大於其垂直的延伸
  2. 垂直引潮力會與地球引力相互抗衡(而且引潮力遠小於地球引力),但水平引潮力不須和引力抗衡。

許多海洋科學的專書都指出,水平分量的引潮力才為推動海水、造成潮汐現象的真正原因。

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過去所學的潮汐成因只簡單描述垂直引潮力產生潮汐,但其實垂直引潮力的作用遠小於水平引潮力的作用,科學的知識總是一環牽著一環,重要的往往不是背誦知識的結果,而是在理解過程中產生問題後,不斷反思形成的能力才是研究科學的精神!

不只引潮力,地形也有關係!

除卻上述講解的潮汐作用外,奎壁山沙灘與赤嶼中間的礫石道路,也是造成摩西分海其中一大原因。

澎湖赤嶼其實是一座與陸地相連的島嶼,因此在地形學中我們會將赤嶼視為「陸連島」,而連結奎壁山沙灘與赤嶼中間的道路即稱為「連島礫灘」。

因島嶼與陸地相連,海浪作用力相對減弱,更容易在連島礫灘產生堆積作用,當海浪逐漸接近岸邊時,同時受到海底地形與赤嶼島地形所產生的偏折現象,海浪帶來的砂石不斷在奎壁山與赤嶼島中間碰撞堆積,而逐漸堆積形成礫石道路。

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一起踏上宛若摩西分海的神祕之旅吧!

最後一點提醒大家,適合前往赤嶼島的時間,並不是在水位最低的時候,畢竟水位最低的乾潮過後,便代表要開始漲潮了!

如果要欣賞摩西分海的現象,建議大家查詢中央氣象局網站,網站上會公布每天的滿乾潮時間,澎湖知識服務平台也有寫下前往赤嶼島步道開放的時間,只要動手 google 一下,便可以挑選到最適合的時間前往赤嶼唷!

備註

  1. 雖作者以簡單舉例敘述地球、月球繞皆繞著地月共同質心旋轉,但實際上地球繞著地月質心旋轉時是進行圓形的平移運動,並非過往我們所理解的地球自轉現象。

參考文獻

  1. 李名揚 (2009) 。潮起潮落,引力何來。科學人,116-118。
  2. 余海峯 (2020) 。https://hfdavidyu.com/2020/12/28/explanation-of-tides/
  3. 郭鴻基。《海洋潮汐力》。臺灣:國立臺灣大學大氣科學系 http://kelvin.as.ntu.edu.tw/Kuo_files/Sci/doc/Tide.pdf
  4. Chiu-king Ng。海洋潮汐成因