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《Nature》盤點:2019 年度照片大賞

Curious曉白_96
・2020/01/02 ・3514字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

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事件視界望遠鏡合作組織 (The Event Horizon Telescope collaboration) 於四月首次公開黑洞的事件視界影像。圖片來源:Nature@ETH Collaboration

2019 這一年,除了人類首次捕捉到黑洞影像外,也捕捉到了微觀世界中生物的新奇影像,以及氣候變遷的不祥跡象。《Nature》雜誌精選了十張令人印象深刻、值得反思的科學界及自然界照片,讓我們來一探這些照片背後述說的故事吧!

一、用科技模仿人體奧秘

圖片來源: Nature@Benoit Charlot/CNRS/IES Univ. Montpellier/Labex NUMEV

法國研究人員在矽晶圓上雕刻了一個微流控室的迷宮,以模仿循環網絡中的血液流動。 法國蒙彼利埃大學的生物物理學家 Benoît Charlot 使用掃描電子顯微鏡拍攝了此圖像。

二、細胞世界的相似相異

圖片來源:Nature@Carly Ziegler, Alex Shalek, Shaina Carroll (MIT) and Leslie Kean, Victor Tkachev and Lucrezia Colonna (Dana-Farber Cancer Institute)/Wellcome Photography Prize 2019

圖片圓圈中的每個小點代表恆河猴的一個細胞,而此處有 100,000 個細胞。具有相似性狀的細胞聚集在一起,每種顏色代表不同的組織,如胸腺和淋巴結(藍色)、骨髓(紅色)。

三、世界上最小號的「喇叭」

圖片來源:Nature@Dr. Igor Siwanowicz

喇叭蟲 (Stentors) 為單細胞淡水原生動物。 這張照片是霍華德·休斯醫學研究所 (Howard Hughes Medical Institute) 的研究員 Igor Siwanowicz 的作品,她將影像放大了 40 倍,並藉此獲得 2019 年 Nikon 小型世界顯微攝影大賽二等獎。

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四、地球正如履薄冰

圖片來源:Nature@Florian Ledoux

攝影師 Florian Ledoux 使用無人機拍攝了東格陵蘭島海冰的空拍圖。冬季積雪少、春季熱浪來襲和陽光充沛的夏季,都導致格陵蘭島冰原正在大量融化。

五、相會在太空

圖片來源:Nature@Christina Koch/NASA

宇航員 Christina Koch 拍攝了聯盟號飛行器 (Soyuz spacecraft) 的畫面。當時飛行器載著她的 NASA 同事 Jessica Meir 接近國際太空站 ( International Space Station, ISS)。10 月 18 日,兩人進行了史上第一次只有女性的太空行走,以修復國際太空站上故障的電池。

六、龜殼內的身體探索

圖片來源:Nature@Teresa Zgoda & Teresa Kugler

這隻烏龜胚胎的螢光影像是 2019 年的 Nikon 小型世界顯微攝影大賽的獲勝者。顯微鏡專家 Teresa Zgoda 和 Teresa Kugler 攜手疊合了數百個約 2.5 厘米長的胚胎立體顯微鏡圖像,造就了這張唯美又令人驚嘆的烏龜胚胎照。

七、「振」出新視野

圖片來源:Nature@NASA

這幅合成的彩色圖像顯示了超音速美國 T-38 Talon 飛機發出的衝擊波。這是美國 NASA 的工作人員使用實驗技術從飛機上方所捕獲的視野,它展現了飛機行經造成的氣壓快速變化,會使人們聽到音爆。這些數據可幫助航空工程師設計更安靜的超音速飛機。

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八、守護象群的女勇者

圖片來源:Nature@Brent Stirton/Getty

Petronella Chigumbura 是全女性反偷獵組織 Akashinga(可被譯做「勇者」)的成員。 她們在常發生盜獵大象事件的贊比西河谷 (Zambezi Valley) 的蓬蓬杜野生動物保護區 (Zimbabwe’s Phundundu Wildlife Area) 巡邏。

九、何以為家?

圖片來源:Nature@Morgan Bennett-Smith

一隻小丑魚在紅海中探索白化的海葵。像珊瑚一樣,海葵與藻類會形成共生關係,當海洋溫度過高時,這樣的關係會被破壞,導致海葵將藻類排出而失去原有的顏色。

十、一滴油脂識酒種

圖片來源:Nature@Stuart J. Williams

圖中這種網狀紋路來自於研究人員蒸發掉 1 微升 (μl,10-6 l) 波本威士忌後,其中的油脂所形成的紋路。 脂肪會溶解在高酒精濃度的烈酒中,但是加水稀釋後會使酒變渾濁。不同的威士忌酒種由於製程不同,會留下獨特的脂肪紋路。

加碼《Nature》編輯群私心推薦照片

在整理今年令人驚嘆的科學照片集同時,《Nature》雜誌的編輯們也各自私心推薦令他們印象深刻的畫面。以下是他們對這些照片的心得。

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沉睡的海豹

圖片來源:Nature@Ralf Schneider

Jessica Hallett (《Nature》媒體助理編輯): 「在倫敦自然歷史博物館舉辦本年度的野生動物攝影師競賽中,我最喜歡的照片是『像威德爾一樣睡著』( ‘Sleeping like a Weddell’)。 在今年觀看了成千上萬幅令人心碎的氣候變化、破壞和心靈重創的圖像之後,這張捕獲了和平與純真的威德爾海豹 (Leptonychotes weddellii) 照片是一口清新的空氣。它重新激發我對自然世界的熱情。」

懸崖採蜜人

圖片來源:Nature@Kevin Frayer/Getty

Lizzy Brown(《Nature》媒體執行編輯): 「採集野生蜂蜜的人垂吊繩索在懸崖搖晃,周圍環繞著蜜蜂和煙霧,吸引了我的目光。 這些採蜜人是居住在中國南部的傈僳族人,冒著生命危險收集蜂蜜。儘管他們謹慎地避免一次收穫過多的蜂蜜,然而殺蟲劑濫用和全球暖化導致的蜂群數量下降,仍舊威脅了這個傳統。」

受傷的猩猩寶寶

圖片來源:Nature@Sumatran Orangutan Conservation via ZUMA

Nisha Gaind(《Nature》歐洲分部總編):「這是手臂骨折的小蘇門答臘猩猩 (Pongo abelii) Brenda 的 X 光顯像。保育工作者從印度尼西亞島的村莊中救出了她,據說被非法飼養為寵物。作為編輯,我們看過許多保育相關的照片,但是這幅圖片出於許多原因令我十分震驚:不僅是 Brenda 的骨骼形狀非常『人性化』,她的無辜與保育中心的盡心盡力,趨使外科醫生(而非獸醫)為她進行了手術。蘇門答臘猩猩高度瀕臨滅絕,並因棕櫚油種植的擴張而受到威脅。」

著火的樹

圖片來源:Nature@Philip Pacheco/AFP/Getty

Tom Houghton(《Nature》媒體編輯):「 這張長時間曝光的照片描繪了十月份遍及加州的野火,一棵正被野火肆虐的樹幹殘骸。破壞中蘊含抽象的美麗,讓我想起了 2010 年冰島伊亞菲亞德拉山火山爆發時的畫面。」

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鯨魚監獄

圖片來源:Nature@ITAR-TASS News Agency/Alamy

Amelia Hennighausen(《Nature》美國媒體編輯):「當野生動物被囚禁時,結局往往會很殘酷。這些白鯨 (Delphinapterus leucas) 和虎鯨於在 2018 年俄羅斯的無人機攝影中被發現。預計將被販售給中國的娛樂水族館,並且很可能縮短牠們的壽命。這些畫面促使國際社會呼籲釋放這些動物,並引起了俄羅斯政府最高層的關注。 2019 年 11 月,最後一批動物從『鯨魚監獄』獲釋,經過專家檢查後釋放回海中。多年來,我一直在查看動物走私、棲息地遭到破壞和物種滅絕的圖像,但是這個故事重啟我的希望,改變是會發生的。」

水滴裡的青蛙

圖片來源:Nature@Navesh Chitrakar/Reuters

Agnese Abrusci(《Nature》媒體編輯):「尼泊爾荷葉上一隻青蛙的影像是『蓮花效應』的絕佳例子。 蓮花效應指的是由於蓮花表面的奈米結構使其具有抗水、自我清潔的特性;小顆粒(在這種情況下為整隻青蛙 XD)會被水滴捕獲。在 1970 年代科學家就首次描述了蓮花效應,此後已有許多應用。 對我而言,這張圖再次闡述,模仿自然是人類進步最好的策略之一。」

本文編譯自:The best science images of the year: 2019 in pictures Nature 576, 354-359 (2019)

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Curious曉白_96
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對於科學新知充滿好奇心,對於一切新知都想通曉明白,期許自己有一天能成為有所貢獻於社會的曉曉科學家!

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「美」不僅限於正常與好事:專訪金獎得主何俊達
顯微觀點_96
・2025/01/28 ・5128字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

致命之美-癌細胞的雙面表演
圖/顯微觀點

「醜細胞」之美

2024 台灣顯微攝影競賽金獎「致命之美:癌細胞的雙面表演」清晰呈現癌細胞分裂前張牙舞爪的瑰麗生命力。作者何俊達身為神經科學領域的博士後研究員,拍攝這張獲獎照片的動機卻是興趣使然。

處在嚴謹專業的學術領域,何俊達不僅把顯微攝影看作必要的研究技術,也是他蒐集奇妙影像、磨鍊美感的方法。何俊達笑說,「細胞愈奇怪,我就愈喜歡。我有一個小資料夾,叫做 Ugly Beautiful Cell,專門放這些奇怪的細胞。」獲得金獎的乳癌細胞影像,就屬於這個珍藏資料夾。

何俊達說,「這張照片其實是無心插柳1,我大概只花了 30 分鐘拍攝。第一眼只覺得『好怪,好漂亮!』後來嘗試不同套色的時候才發現,我拍得滿不錯。」他補充道,雖共軛焦系統得到的螢光訊號一開始僅是單色的,但使用者可自行選擇套色,而顏色的選擇就反映了這個人的色彩美學,還有當下對影像的感受。

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1. 金獎作品之細胞材料由Drexel University, the Romano Lab – Olivia El Naggar 提供,作者何俊達鳴謝其協助。

這個資料夾舊名「Unknown Beautiful Cell」(UBC),後來何俊達想到「醜」的台語/閩南語(䆀,bái)諧音像「my」,改名為「Ugly Beautiful Cell」,台英混合就讀做「Bái/My Beautiful Cell」。

拍攝這幅影像時,他直覺「必須省略一些資訊,才能得到最好的畫面。」便取消細胞中心區域將近一半的顯微掃描。因此影像中細胞周邊放射狀的偽足(filopodia)骨架相當清晰立體,但是細胞中心的「屋頂」骨架卻並未呈現,觀眾能直接看穿細胞膜,視野直達癌細胞的生命中心。

這個細胞即將進行分裂,染色質逐漸凝聚成染色體,在核酸染色之下形成諸多鮮明的獨立色塊,而不是螢光均勻的常見細胞核。因為染色質(chromatin)只有在細胞複製期會疊合纏繞成染色體(chromosome),其餘時候四散分布在細胞核內。

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Ubc Taiwan
Ugly Beautiful Cell—Taiwan. 圖 / 何俊達提供

何俊達強調,「這個影像是調整染色體疊合比例的成果,透過刻意減少一部分的疊合,反而可以讓不同深度的染色體看來更有稜有角、具立體感。疊加所有的Z軸影像,反而會讓畫面變雜亂」

何俊達的構圖想像力,源自他在大學時期對攝影的愛好。他感嘆,以前經常拍攝自然風景、人物等多樣題材,在博士班期間忙碌到必須擱置相機。「有一天我用著顯微鏡,忽然想到,這樣進行顯微攝影,我其實也是在拍攝風景!」他對攝影的愛好日漸投射到顯微攝影,融入他的科學生涯。

何何俊達與實驗室主持人穆琪教授攝於卓克索大學醫學院藥理與生理學系。 何俊達提供俊達得獎感言:「 感謝顯微觀點給我這個獎項,這個金獎對我而言意義重大。我的科學研究道路並不順遂,跌跌撞撞的也過了 20 年。從微生物學,病理學,到了神經科學,我一直都相信好的結果也必須使用好的呈現方法,不然只是孤芳自賞,所以不曾忘記磨鍊自己的取景視角以及畫面美感。
我發現「美」不必然只與正常的事物有關聯,只要細細地整理觀察,美其實存在於許多小角落中,包含癌細胞之中。最後,雖然無法親自領獎與大家討論細節著實可惜,但希望大家可以享受這個展覽,體會顯微世界的美好。」

用「美國時間」精進技術

在費城卓克索大學進行博士後研究的何俊達,也曾在台灣讀過生物領域的博士班,但他直言,他的顯微攝影技術在美國才得到大幅進展。

技術進步的最大關鍵,是在卓克索大學可以得到「自由使用顯微鏡的時間」。他說,「同仁都很準時下班,因此晚上我可以待在實驗室,自由使用共軛焦顯微系統,得到反覆trial and error的機會。」

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例如,不同解析度、對影像反摺積(deconvolution)計算的次數,許多細微的差別只有在分析數據的時候才能發現。

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何俊達與實驗室主持人穆琪教授攝於卓克索大學醫學院藥理與生理學系。 圖 / 何俊達提供

何俊達指出,實驗室主持人穆琪教授(Dr. Olimpia Meucci)也不介意他下班後持續練習使用顯微系統。他說,「這邊的風氣比較寬容,很願意提供試錯的機會。嘗試很久也沒關係,能夠一起檢討、最後產出足夠的成果就好。」

對於晚間繼續操作顯微鏡的辛苦,何俊達笑稱,「一個留學生晚上就算只回家看電視,還是要花電費。我在實驗室用顯微鏡反而省錢。」這些摸索顯微技巧的時光省下多少電費是未知數,但是在後來的研究中大幅提升了影像處理的效率。

顯微攝影技術之外,何俊達也在穆琪指導下得到較多的實驗自由。他在台灣讀博士班時「感覺自己像是教授的手」,雖然看似對實驗方法有選擇空間,但實際上只能採用指導教授偏好的作法。

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何俊達提及,他在美國遇到的教授通常不會對實驗方法直接提供選擇,因為許多學生的研究題目因為時代的不同,或許已經有了更新穎的工具可以回答,那他們自己對這些工具沒有使用的實際經驗,「他們會問『你想怎麼做?』然後爬梳這個提案的合理性、可行性,透過實驗設計的邏輯和經驗進行評估。」

他也坦承,在美國的生醫研究資源比較豐富,通常不用擔心經費。即使研究提案包含團隊裡無人熟練的技術,教授也通常樂意協助學生到其他實驗室去學習並合作,或是安排技師前來教學。

CXCL12:挽救認知衰退的細胞因子

2024 年夏天,何俊達終於獲得博士學位。他的研究集中於細胞趨化因子 CXCL12 如何調控神經細胞樹突棘(dendritic spines)生成及活動,並延伸到對腦皮層網絡結構的影響,未來可能成為腦部疾病的新藥物基礎。

樹突棘是神經元樹突上的小凸起,會與其他神經元的軸突末端形成突觸,接收外來訊號,是學習與記憶的基礎神經構造。新的體驗與學習行為,會讓神經元生成新的樹突棘。

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Ubc Neuron
Ugly Beautiful Cell: 小鼠腦部皮質神經元與樹突。 圖 / 何俊達提供

何俊達以體外培養的方式純化大鼠腦部皮層的神經細胞,並使用顯微技術成像與量化分析觀察 CXCL12 分子,發現它可以促使樹突棘的新生成、導致樹突棘聚集密度增加,並穩定尚未完全成熟的樹突棘,以吸引更多的突觸蛋白質(synaptic protein)累積於樹突棘,進而得到穩定的突觸結構,鞏固神經之間的連繫。

同時,何俊達也以活體細胞成像方法,使用鼠腦急性切片(acute slice)觀察 CXCL12 的作用。他將實驗鼠大腦取出,迅速在低溫溶液中切片,浸入常溫人工腦脊髓液,以保持腦神經活性,確保在顯微鏡下觀察到腦神經接近活體的狀態。

這項技術對穆琪團隊而言相當新穎,何俊達說,「光是以類腺病毒將綠色螢光蛋白正常表現,且讓螢光能在樹突棘上漂亮表現出來,就花了我一整年的時間,連真正的實驗都還沒開始。」因為腦神經很脆弱,要找到能表現足夠螢光、同時維持神經活性的載體病毒種類、濃度並不容易。

HANDs:愛滋病毒對腦部的傷害

動物自然衰老或因疾病導致的腦部病變過程中,經常觀察到程度不一的樹突棘退化。例如阿茲海默症患者腦部經常出現嚴重的樹突棘減少、分布逐漸稀疏、萎縮等現象。而人類免疫缺乏病毒 (Human Immunodeficiency Virus/HIV)陽性的患者,也有可能會遭遇樹突棘構造退化,並發展出認知衰退障礙症(HIV- Associated Neurocognitive Disorders, HANDs)。

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何俊達解釋說,「相對於台灣的肝病比例較美國多,美國則是 HIV 相關的疾病比台灣多上許多。雖然患者現在可以用雞尾酒療法抑制體內病毒的複製,血液中檢驗不出病毒量,但將近一半的患者可能因為潛伏在腦中的 HIV 出現神經發炎反應,導致神經細胞以及其樹突棘的退化,且我們已知這些退化現象與認知衰退有著高度相關性。」

他補充,自第一起美國的 HIV 病患開始(1980 年代),多數患者現在年事已高,臨床上不容易判定是腦部的自然年老衰退,或是 HIV 產生的病毒蛋白、甚至由於雞尾酒藥物本身導致神經元加速退化,但認知衰退是 HIV 患者間亟需正視的臨床現象。

同時,美國 HIV 患者的感染率與藥物濫用的問題有高度相關,鴉片類藥物與 HIV 可能同時對他們的腦部產生傷害。這個集體健康議題備受美國社會重視,穆琪實驗室選擇從藥理、神經生理層面切入研究,因此得到公共經費的充分支持。

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Ugly Beautiful Cell—Dog. 圖 / 何俊達提供

博士的窄門長路

何俊達笑稱,他很感謝他太太沒有要他放棄博士班研究。他回憶道,「前年 12 月,我太太來美國找我慶祝聖誕假期,準備一起去德國再度蜜月。我因為實驗進度不夠,還跟她說『我會晚一點回家』,她難以置信我要晾她一人在家。」幸好在聖誕節之前,何俊達順利得到實驗成果。

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何俊達能加入資源豐沛、自由度高的科學團隊,並非出自好運或美國遍地都是研究經費,而是經過明確的現實考量。他解釋說,「我知道這個團隊的興趣與我相符,並且實驗室經費資源以及系所資源多元豐富,才做出選擇的。申請的門檻與競爭當然也不容易。」

當年,何俊達決定中斷讀到第五年的本地博士班,轉投海外從頭來過。他笑說,「畢竟前一個博班只讀到一半,所以投了20多家學校,沒有一家要收我。」後來經過朋友介紹,他才知道卓克索大學醫學院重視藥理與生理,畢業校友在生醫業界有一席之地。因此他瞄準了資源充沛、志趣相符的穆琪團隊。

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留學生在費城生活大不易,但是穆琪教授給予何俊達相當充分的學術自由與信賴。 圖 / 何俊達提供

何俊達申請加入穆琪團隊的過程並不簡單,儘管那時何俊達已經在台大的博士班磨練了5 年,他並沒有直接取得博士班的入取許可,反而是先取得了碩士班的機會。他回憶,「為了把握這個機會,我只好貸款在費城讀碩士班。」

兩年後,何俊達與一位實驗室同儕競爭直升博士班的名額,這個轉換學程的考試,要在 3 周內寫 3 份報告,接著會有 3 位教授進行口頭審核。何俊達回想自己能獲得資格的原因,「這個考試看重的並不是答案完全正確,而是能解釋為什麼自己要這麼寫。」

科學家是幸運的一群

儘管博士班路程比一般人想像的路程更加漫長,剛獲得博士學位不久的何俊達認為,自己比起很多人已經相當幸運。

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何俊達在卓克索大學繼續博士後研究,嘗試將過去的實驗方法運用在不同細胞上。 圖 / 何俊達提供

他坦言,相對於可以快速應用的工程科學,多數生命科學家的研究成果無法在幾年內應用到臨床情境、形成社會貢獻,卻能持續得到公共經費進行研究,其實是幸運又奢侈的職業。

何俊達說,「其實基礎科學家像是被社會寵壞的一群夢想家,社會不問實際回報地支持他們做自己熱愛的夢。我想,社會允許這樣的一群人存在,是因為其中偶爾有一個人會做出改變社會的巨大貢獻。」他補充,「現實一點,也可以看成是對社會進步的保險」

何俊達獲得台灣顯微攝影競賽金獎,除了獎金還包含一台解剖顯微鏡。這台顯微鏡將轉贈給他的姪子。何俊達說,姪子小時候很喜歡昆蟲,負笈海外之後不知道姪子還喜不喜歡觀察昆蟲,但希望這台顯微鏡可以維持他對自然與生物的好奇心。

何俊達分享道,「每個人都該有個不求回饋的興趣,沒人提供報酬也可以得到快樂的興趣,像是攝影和顯微攝影帶給我的滿足。希望這台顯微鏡可以啟發我姪子建立自己的興趣。」

本篇專訪的英文版:“Beauty” Exists Beyond the Norm: An Interview with Chunta Ho

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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末日模擬!從氣候變遷到核戰爭,人類未來將走向哪個結局?
PanSci_96
・2024/11/19 ・1957字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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科學家模擬的末日場景

隨著二氧化碳排放持續增加,全球的政治局勢日益緊張,世界上各國的承諾屢屢在國際會議中被辜負,戰爭的結束也似乎遙遙無期。警示世界末日的「末日鐘」越來越接近午夜,人類與地球的未來變得越來越悲觀。

這並非一種刻意的悲觀,而是基於氣候變遷和人類衝突升溫的現實。許多人或許和我一樣好奇,末日會不會真的臨近?如果會,那又會是什麼樣的場景?是氣候徹底失控的《明天過後》?還是生態浩劫後的全面沙漠化,需要武力生存的《沙丘》和《瘋狂麥斯》?或者是核戰之後,所有人生存在廢墟中的《異塵餘生》?

我們的未來走向尚未確定,但科學家已經率先模擬了不同的可能結局,讓我們可以一窺未來的模樣。這些模擬告訴我們,如果人類繼續走某些路徑,地球的結局將是如何。至於我們是否能避免這些結果,就得由全體人類共同決定。

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如何模擬出整顆星球的氣候變化?

要模擬整顆星球的大氣變化是一項龐大的任務,至少需要三大要素:理論、資料、和計算資源。

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首先,人類對氣候系統的物理和化學模式需要有足夠的了解,也就是大氣理論必須足夠完備。其次,需要足夠多的資料來模擬整個行星。這些資料包括地球半徑、自轉速度、海洋分布、太陽輻射、大氣成分等等,甚至是地表的狀況與地形。台灣的中央山脈就能影響到西太平洋的颱風走向,進而影響整個東亞的氣候。如果希望盡可能還原地球的真實情況,還需考量海洋的垂直溫度分布、植物分布導致的生物地球化學反應等。

最後,還需要強大的計算資源,也就是超級電腦。由於資料量龐大,每個參數的小誤差都可能引發蝴蝶效應,影響到預測結果。因此,科學家通常會微調各項參數,並對每組參數進行多次計算,這些都需要大量的運算能力。

模擬沙丘中的荒漠星球

科幻小說《沙丘》中的厄拉科斯,經布里斯托大學模擬,揭示未來氣候可能。圖/wikimedia

科幻小說《沙丘》中的厄拉科斯(Arrakis)是一顆完全荒漠化的星球,英國布里斯托大學的亞歷山大·法恩沃斯等人曾對這顆星球進行了模擬。他們使用在研究地球氣候變遷時使用的氣候模型,並結合小說中的設定,如大氣中的二氧化碳濃度和臭氧含量等,模擬了 500 年後的厄拉科斯氣候。

模擬結果顯示,厄拉科斯的赤道和熱帶地區夏季高溫達 45 度,冬季不低於 15 度。而高緯度地區則更為極端,夏季高溫可達 70 度,冬季最低可達 -75 度。由於大氣濕度和雲層的存在,極地反而比赤道更溫暖。此外,儘管小說中描述厄拉科斯幾乎沒有降雨,但模擬顯示高緯度和山區仍會有少量降雨。

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這些結果顯示,科學家不僅愛科幻,也樂於用科學方法來驗證科幻中的設定。這些模擬能讓我們更了解地球的氣候系統,並讓我們警惕荒漠化的危機。

核戰後的世界:核冬天的可怕景象

如果人類全面爆發核戰爭,戰後的世界會是什麼樣子?研究顯示,大規模的核武攻擊將產生大量的輻射塵和煙灰,進入大氣層並遮蔽陽光,導致「核冬天」的到來。

2019 年的一篇研究模擬了美俄之間的全面核戰爭,結果顯示,爆發後的第一年,全球氣溫將大幅下降,北半球的夏季溫度將下降 25 度,冬季氣溫則會降至零下,植物生長期縮短至僅剩 25 天。煙灰遮蔽陽光,導致全球糧食供應崩潰,第二年可能有 50 億人面臨飢餓。

這些模擬結果告訴我們,全面核戰將帶來毀滅性的後果,核冬天將使人類無法正常生活,這是真正的末日場景。

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核戰模擬顯示,氣溫驟降與糧食崩潰將致全球大饑荒。圖/envato

地球的未來會是如何?

地球未來的命運取決於我們今天的選擇。如果我們對氣候變遷置之不理,兩極冰帽將完全融化,海平面上升,許多沿海地區將被淹沒。雖然不至於像《水世界》中那樣極端,但低地區域的居民將面臨嚴重的生存挑戰。

如果人類選擇繼續衝突,甚至爆發毀滅性戰爭,我們的未來將如《瘋狂麥斯》或《異塵餘生》般,生存在廢墟中,面對乾旱、糧食短缺與持續的環境破壞。

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這些太空垃圾會不會阻礙我們太空旅行?太空垃圾怎麼清? 
PanSci_96
・2024/05/29 ・5682字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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人類上太空的夢想會被我們親自摧毀嗎?

隨著火箭成本降低,人人都能把衛星丟上太空,現在,當你晚上抬頭看天空,你看到的星星可能不是星星,而是人造衛星。你看到一閃而過的的流星,可能只是墜入大氣的太空垃圾。

這些多到不行的太空垃圾已經成為隱憂,更可怕的是,這些以超音速飛行的太空垃圾可能摧毀其他衛星,在衛星軌道上製造更多不可預期的致命飛彈。有人擔心,人類終有一天會無法穿過這片垃圾雲,天空永遠被自己封閉。 終於,有人提出清理太空垃圾的方法了,但這些方法真的可行嗎?

現在的太空垃圾有多少?

最大的太空垃圾可能是整節火箭!

所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西,都會成為太空垃圾,最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭,例如 1960 年代太空競賽時大量發射的火箭,有許多至今還在宇宙遊蕩,每一個都像公車一樣大。而小東西,則包含太空人在太空漫步時遺忘的東西,或是太空垃圾互相碰撞後產生的碎片,最小可能只有數毫米,小的像隻蚊子。但不論太空垃圾來自哪裡,只要缺乏妥善的管理和追蹤,就可能成為其他運作中設施和儀器的致命血滴子。

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所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西,都會成為太空垃圾,最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭。
圖|PanSci YouTube

為什麼說太空垃圾真的很危險?

為了不被地心引力拉入大氣,墜向地球,在軌道上繞行地球的物體大多都以非常快的速度在移動,包括現在還在運作的衛星與各種設施。舉例來說國際太空站位於距離地球表面四百公里高的近地軌道(Low Earth Orbit),以大約每秒 7 ~ 8 公里的速度高速移動,是地表音速的 20 倍。也就是說,太空上的車禍可嚴重多了,來自不同方向或不同傾角的物體,可能會以超過每秒 10 公里的相對速度發生碰撞。別說公車大小的太空垃圾了,只要直徑超過 1 公分的碎片就足以對太陽能板或玻璃造成損害。更麻煩的是,大小在 10 公分以下的物體,大多還因為尺寸過小難以追蹤。

那麼,我們的頭上有多少太空垃圾呢?

根據歐洲太空總署 ESA 的資料,目前軌道上有 6800 個運作中的衛星,相對的有超過 3 萬 2千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體,大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個,介於 1 公分到 10 公分的則高達一百萬個。

根據歐洲太空總署 ESA 的資料,目前軌道上有 6800 個運作中的衛星,相對的有超過 3 萬 2 千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體,大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個,介於 1公分到 10 公分的則高達一百萬個。
圖|PanSci YouTube

在這些太空垃圾中,大多數大型太空垃圾就是來自發射衛星後,一起留在太空的第二節推進火箭,小型太空垃圾則來自火箭爆炸或各種大大小小碰撞所產生的碎片。

太空上曾發生過嚴重的太空垃圾碰撞事件?

歷史上比較嚴重的一次撞擊事件發生在 2009 年,銥衛星公司運作中的通訊衛星,重量 700 公斤的 iridium 33,和失效、重 900 公斤的蘇聯軍用衛星 kosmos 2251,在 789 公里的高空,兩台衛星以每秒 11.7 公里的相對速度直接撞上,化成了兩團在軌道上繞行的碎片團。

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NASA 估計,這單一次的碰撞產生了超過 2000 片可追蹤的碎片,雖然許多碎片受地球引力慢慢墜入大氣燒毀,但直到到 2023 年 2 月的統計,大約還有一半,也就是 1000 片碎片留在軌道上。過往也曾經觀察到碎片從距離國際太空站僅 100 多公尺的位置驚險掠過。

如何解決太空垃圾的問題?

太空垃圾又多又危險,真的有辦法清除嗎?

2023 年三月,NASA 發表一篇研究,整理了關於各種清理太空垃圾的方法與成本,包含從地面或太空發射雷射推動垃圾改變軌道,或是直接物理性撞擊改變軌道,還有透過捕捉垃圾,直接在太空將垃圾循環利用,作為燃料或其他用途的再利用等方法。

透過捕捉垃圾,直接在太空將垃圾循環利用,作為燃料或其他用途的再利用。
圖|PanSci YouTube

清理不同大小的物體,要用的方法跟產生的效益也不同,因此他們評估了針對兩種策略。第一種策略將會優先處理目前最大、最具威脅性的 50 個太空垃圾,例如完整的第二節火箭或是失去功能的完整衛星。第二種策略則是優先移除 1 到 10 公分的十萬個小型垃圾。NASA 分別評估處理這兩種目標帶來的效益,恩,所謂的效益,就是預估能減少多少因為太空垃圾碰撞而產生的損失。

要如何移除太空垃圾呢?

移除大型垃圾主要的方法主要是再入大氣層(re-entry),簡單來說就是讓垃圾落入大氣層燒毀。這個方法預計讓運送任務完成的火箭載具,透過剩餘的推進燃料,順手將其他大型垃圾帶下來。移除這 50 個大型垃圾預計總共會花費 10 億美金,但在移除 30 年後所帶來的效益,將會超過花費的成本,非常划算。

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至於小型太空垃圾,主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道,將它們送入大氣層或推離常用的軌道。發射雷射的裝置可以設置在地面或是太空中,單純以使用效率來說,設置在太空所需要的能量較低,但是設置在地面維護和管理比較方便。然而這也衍伸了許多爭議,主要圍繞在這個清除垃圾的雷射也可以作為武器使用,例如在戰爭爆發時用雷射攻擊敵國的衛星。不過如果順利設置的話,清除十萬個小型垃圾後大約只要十年就可以達到等同於成本的效益,比移除大型垃圾能更快回收成本。

至於小型太空垃圾,主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道,將它們送入大氣層或推離常用的軌道。
圖|PanSci YouTube

方法有了,但我們真的能讓太空再次乾淨嗎?

太空垃圾問題有解嗎?

現在的太空有多擁擠?

如果把歷史發射資料整理出來,會發現近五年人類的衛星發射數量幾乎是直線攀升,2012 年一整年全世界也只發射了 200 多顆衛星,到了 2022 年已經成長到一年 2000 多顆衛星。而且絕大部分都是來自於美國的衛星,想當然很大一部份都來自於 SpaceX 的星鏈計畫。而受益於獵鷹九號的高成功率和可回收造就的低廉成本,也能夠發射更多的中小型衛星,像是我們臺灣也發射了不少自主研發的立方衛星上太空,例如 2021 的「飛鼠」和「玉山」以及最近才剛發射的珍珠號立方衛星。

如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾,我們清理垃圾的速度又不夠快,還有可能發生凱斯勒現象(Kessler syndrome),也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應,造成更多撞擊和更多碎片,讓不可控的太空垃圾快速增加,直到新的火箭與衛星都難以穿越,我們將無法前往太空,被自己的創造出的人造物封鎖在地球。

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如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾,我們清理垃圾的速度又不夠快,還有可能發生凱斯勒現象(Kessler syndrome),也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應,造成更多撞擊和更多碎片,讓不可控的太空垃圾快速增加,直到新的火箭與衛星都難以穿越,我們將無法前往太空,被自己的創造出的人造物封鎖在地球。
圖|PanSci YouTube

治標也要治本,我們對於即將發射進太空的人造物能有套管理辦法嗎?

1967 年在聯合國通過並簽署的《關於各國探索和利用包括月球和其他天體的外太空活動所應遵守原則的條約》,簡稱為《外太空條約》。這個條約制定了各國在外太空活動所應該遵守的原則,其中和人造衛星有關的原則主要有三個:

  1. 國家責任原則:各國應對其航太活動承擔國際責任,不管這種活動是由政府部門還是由非政府部門進行的
  2. 對空間物體的管轄權和控制權原則:射入外空的空間物體登記國對其在外空的物體仍保持管轄權和控制權
  3. 外空物體登記原則:凡進行航太活動的國家同意在最大可能和實際可行的範圍內將活動的狀況、地點及結果通知聯合國秘書長

也就是說,雖然各國需要將太空活動回報給聯合國統計,但實際上在制定規範和進行管制的還是各國本身。以美國來說,分別需要和 FAA 聯邦航空總署申報火箭發射和再入大氣層的計畫,以及向 FCC 聯邦通訊委員會申報衛星的通訊規格,至於要如何避免在太空發生碰撞,是發射單位要自己負起責任,公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。

如何避免在太空發生碰撞,是發射單位要自己負起責任,公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。
圖|PanSci YouTube

不過對於衛星任務結束後的處置,FCC 倒是有相關的規定和罰鍰。因為如果衛星有動力系統,可以在任務結束時就控制墜入大氣層或飛離常用軌道,進到所謂的死亡軌道(Graveyard Orbit),而通常在申請發射衛星時,也需一併提供任務結束後的處置方式。

去年,衛星電視業者 Dish Network 沒有按照它在 2012 年所制定的衛星處置計畫,將衛星從離地 36000 公里的地球同步軌道再往外推 300 公里。這顆衛星在移動的半途中就燃料耗盡失去了動力,只離開原本的軌道 120 公里,FCC 因此對衛星電視業者開罰了 15 萬美元。這起首次針對太空垃圾的開罰,對於太空垃圾的管制具有重大的意義,代表著對太空垃圾危害性的重視,也代表著清理太空垃圾的商機正在逐漸成長。

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清除太空垃圾能有商業價值?

隨著商業化的太空活動逐漸熱絡,如何讓清理太空垃圾不只是空談也成了一個重要的問題。如果軌道上的垃圾減少,受益的會是所有使用軌道的衛星。就與現存的回收與垃圾處理方式一樣,我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」,如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾,則必須提高費率。相對的,如果一家公司提供清理太空垃圾的服務,則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。

我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」,如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾,則必須提高費率。相對的,如果一家公司提供清理太空垃圾的服務,則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。
圖|PanSci YouTube

另外,雖然目前對於在軌道上進行捕捉再回收的直接經濟效益並不突出,但如果未來在太空可以建立起專門的處理設施,或許可以作為一個長期的太空垃圾處理機制,沒想到吧,人類要成為跨行星文明的第一步,竟然是得先成立太空垃圾清潔隊。

不過話說回來,要讓各國政府願意砸大錢在太空垃圾回收產業可能還需要一點時間。畢竟相較於直接影響到生活的全球暖化,太空垃圾的危害並不那麼可怕,大型垃圾的撞擊也可以預測並提前避開,因此短時間內也還不會有明顯的感受,但如果你是需要觀測的天文學家,可能就覺得垃圾好礙眼了。

最後想問問大家,你覺得處理太空垃圾最好的辦法會是什麼呢?

  1. 向所有太空公司徵收處理費,培育回收業者,資本的事情資本解決。
  2. 從技術研發著手,火箭能回收,想必衛星回收技術很快也能做出來。
  3. 都別處理了,就等人類把自己鎖死在地球,宇宙垃圾就不會再增加了!

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