0

1
2

文字

分享

0
1
2

亞歷山卓慘遭天災人禍,希臘學術面臨存亡危機?!│《電腦簡史》 齒輪時代(五)

張瑞棋_96
・2020/03/23 ・2783字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

西元前三十年,羅馬大軍長驅直入亞歷山卓,向來重視希臘文化的托勒密王朝就此滅亡。羅馬帝國崇尚武力,希臘文明會遭受什麼樣的命運?日後,羅馬帝國於五世紀亡於日耳曼蠻族,歐洲從此進入「黑暗時代」,希臘先哲的心血結晶會就此埋沒嗎?

本文為系列文章,上一篇請見:紀元前後的「矽谷」——亞歷山卓│《電腦簡史》 齒輪時代(四)

無懼異族統治,希臘文化繼續發光

西元前三十年,羅馬大軍長驅直入亞歷山卓。當時托勒密王朝的法老正是俗稱「埃及豔后」的克麗奧佩脫拉七世 (Cleopatra VII) ,她看到大勢已去,不願受辱,於是在羅馬士兵還沒進宮前便自殺身亡。托勒密王國就此滅亡,埃及也淪為羅馬帝國轄下的一個行省。

不過,為什麼羅馬帝國不像一般殖民帝國那樣,強制改變殖民地的語言文化?以羅馬軍事力量之強大,要在亞歷山卓全面推行拉丁語,絕對不是問題啊?簡單來說有兩個主要原因:一是沒有料,二是不在乎。

希臘文化歷經數百年來諸多傑出學者的貢獻,無論是哲學、數學、自然科學,或文學、藝術這些領域,都已臻博大精深。相對地,羅馬帝國崇尚武力,原本就缺乏這方面的文化。既然希臘文化的優越性遙遙領先,自然無法被取代。就像蒙古帝國與大清帝國入主中原後,中文與中華文化也都沒有消滅,反而被外來統治者採用。

另一方面,羅馬人講求實用,與實際生活無關的知識對他們而言根本毫無價值。因此你們亞歷山卓這些象牙塔裡的學者,愛讀希臘經典、愛用希臘文寫作,就隨你們去搞吧,我們羅馬人根本不在乎。於是在羅馬帝國的統治之下,亞歷山卓仍能繼續發揚希臘學術精神,孕育出許多舉足輕重的希臘學者。

西元前三十年,羅馬大軍攻陷亞歷山卓,希臘文化面臨傳承危機。圖\pixabay

不過羅馬官方這種放任不管的政策,固然有利於亞歷山卓的學術發展不受干預,但是相對地,也代表他們並不在乎學術文化能否存續。這種態度,終究還是危及希臘文化的傳承。

天災人禍降臨,希臘學術日漸崩毀

危機首先源自亞歷山卓這座城市的逐漸沒落。亞歷山卓原本是托勒密王國的首都,如今卻淪為羅馬帝國的一個偏遠城市,政經地位大幅滑落,繁華程度自然也跟著萎縮。少了民間的經濟支撐,又沒有官方的支持,學術研究的工作機會因此越來越少,亞歷山卓的學者也就逐漸凋零了。

其次是天災人禍的打擊。三世紀時瘟疫肆虐,使得亞歷山卓的人口大幅減少,光是西元 249 年到 262 年這短短十三年間,便少了百分之六十二;可以想見無數學術菁英也在這場瘟疫中喪命。沒多久,戰爭又緊接而來。西元 272 年,羅馬軍方大舉鎮壓埃及行省的叛亂,受到無情的戰火波及,亞歷山大圖書館竟毀於一炬,許多希臘先哲的心血結晶從此失傳,更對知識的傳承造成重創。接著是西元 365 年的大地震引發海嘯,緊鄰海邊的亞歷山卓再度受到重創;縱使仍有部分希臘文化遺產得以倖存,這座奄奄一息的城市,已經不可能繼續擔起學術中心的角色了。

如果羅馬政府有心,還是可以讓首都羅馬接替亞歷山卓,成為新的學術中心,一如當初亞歷山卓接替雅典那樣。問題是,羅馬帝國既然不重視學術思想,當然也就沒有在首都建立學術中心的念頭。更嚴重的是,官方竟然也從未著手將希臘著作翻譯成拉丁文。當時教育並不普及,大多數人都是文盲,連自己的拉丁文都看不懂,說實話也沒有翻譯書籍的必要;反正有興趣的學者自己會去學希臘文,而且他們也以使用希臘文為傲,就像中國古代文人都用文言文,沒人在用白話文寫作。

沒有官方的力量,民間更沒有從事翻譯的意願。於是羅馬帝國那麼長的統治期間裡,希臘經典一直都只有希臘文的版本;學者抄錄、闡述,或發表自己的著作,也都是用希臘文,希羅與托勒密也都是如此。另一方面,當時又只有昂貴的羊皮紙可用,書籍流通的數量也因此受到限制。結果希臘先哲與羅馬時代的學者在數學、天文、機械原理、……等領域建立的知識體系,只在亞歷山卓這些希臘學者之間流傳,羅馬境內其它地方的人根本毫無所悉。

羅馬帝國並不重視學術文化,也未普及教育,使得希臘先哲智慧的心血結晶從此失傳。圖\pixabay  

原本就逐漸凋零的希臘文明,隨著羅馬帝國的衰敗,終於面臨存亡危機。

蠻族入侵歐洲,「黑暗時代」持續千年

衰敗始自三世紀一連串的天災人禍。羅馬帝國崇尚武力,王位繼承又不考慮血緣關係,因此擁兵自重的將領不免覬覦王位。從西元 235 年到 284 年,短短不到五十年的時間,前後竟然就有多達二十六任皇帝——這些皇帝都是死於非命,而且幾乎都是被暗殺身亡。每幾年就要上演一次帝位爭奪戰,自然搞得國政空轉,民不聊生。

除了戰亂,瘟疫肆虐也奪走無數人命,一方面造成勞動力減少,經濟產出因而大幅衰退,另一方面,兵力大幅折損,羅馬軍團已不復當年。雪上加霜的是氣候逐漸變得既冷又乾。氣溫變低、雨水減少、水位下降這些異常氣象,使得農耕與畜牧都大受影響,以致飢荒頻傳。在戰亂、瘟疫、天災的多重打擊之下,羅馬帝國已是外強中乾,難以震懾虎視眈眈的境外勢力。

北方日耳曼蠻族也受到氣候變遷的影響。由於生存環境越來越惡化,自四世紀開始,不同部族紛紛往南遷徙,進入羅馬帝國領土。(中國北方的遊牧民族同樣受氣候變遷之苦而向南遷徙,造成史書所稱的「五胡亂華」。)羅馬帝國此時戰力已大不如前,東邊又有中亞的波斯帝國要應付,左支右絀,實在難以阻擋日耳曼蠻族一波波的移民潮。既然無力阻擋,乾脆「以蠻制蠻」,以軍事移民的名義接納這些已經入境的部族,將他們編入羅馬軍團,就地駐守邊境地區,阻止更多蠻族入侵。

覬覦權力的貪婪,使羅馬帝國動盪不安,民生潦倒。圖\wikipedia

羅馬帝國藉此維持局面只有幾十年的時間。四世紀末,來自東方的匈人突然揮兵西進歐洲,日耳曼蠻族節節敗退,從五世紀開始,更大規模地「轉進」羅馬帝國領土;「永恆之城」羅馬還一度被哥德人(或稱哥特人)攻陷,大肆掠奪後才又離去。

羅馬帝國以蠻制蠻的算盤終究未能如願,因為這些編入羅馬軍團的日耳曼部族,始終未融入羅馬社會。他們在身份認同上仍認為自己是原來的部族,而不是羅馬人,因此雖然名為移民,但更像是傭兵,並未真正效忠羅馬帝國。結果在西元 476 年,其中一位蠻族將領乾脆罷黜羅馬皇帝,正式終結西羅馬帝國。歐洲從此四分五裂,除了東半部尚有東羅馬帝國,西歐地區已完全被日耳曼蠻族建立的諸多王國割據統治。

歐洲從此進入將近千年的「黑暗時代」。除了經貿發展、生活水準等物質條件衰退惡化,學術文化、藝文創作等精神文明也萎縮枯竭,特別是希臘以降的科學發展更是不進反退。所幸東羅馬帝國在蠻族、匈人、波斯人,以及後來的阿拉伯人,數百年的左右夾擊下,雖然屢陷險境,卻仍屹立不搖。境內原有的希臘文物典籍才得以保存下來,為希臘文明留下一絲火苗……。

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 328 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。


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