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告別南極進入永夜前的最後一抹夕陽

臺北天文館_96
・2012/06/29 ・808字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 433 ・四年級

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法國-義大利協同研究基地(French-Italian Concordia research base)的隊員,於5月初時,在南極基地向今年的最後一道陽光道別。從5月到9月的未來4個多月中,南極基地都將處於永夜的狀態下,雖然研究仍持續不墜,但無法補給,各基地都必須自己自足。

歐洲太空總署(ESA)贊助一項於每年冬天在協同研究基地進行的醫學研究,探索長時間身處孤立環境的影響。這種研究所需的隔離環境,沒有比南極基地更好的了。這裡的海拔高度達3200公尺,冬季氣溫將降到攝氏零下80度左右。整個冬季都沒有來自外界的補給,且無論任何緊急事件都無法離開基地。基地裡的人員必須團結合作,自行解決所有問題。

這個基地是地球上與行星際探索最相近的環境。因此ESA贊助此研究的目的之一,就是為未來的火星任務做準備。

科學家Oliver Angerer解釋:「在這種環境中,所有參與者都需挑戰持續累積的壓力。我們觀察成員們在這種惡劣環境中會如何表現,特別是睡眠方面。協同研究基地的高海拔環境已經會影響睡眠品質了,若再加上少了陽光照射,讓身體要維持正常作息更為困難。」

基地裡的成員們還得等上好一段時間才能再見到太陽。在沒有陽光的環境中,出席如早餐或晚餐等社交場合變成是何時睡覺、何時起床的重要指標。

ESA贊助的醫學研究員Alexander Kumar藉由記錄他室友們的腦波活動來監測睡眠模式。他也採取唾液樣本,記錄褪黑激素或皮質醇等與睡眠相關的荷爾蒙隨時間的變化。此外,他也用類似商業化益智遊戲的認知測驗(cognitive test)來測試成員們的本能,看看他們的本能會不會隨著太陽消失而降低?另外還有探索運動對成員們的士氣與睡眠模式的影響。這種種的研究都是為了瞭解人類的壓力下,會如何表現。

資料來源:Farewell to the Sun[2012.05.11]

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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臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!

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《比宇宙更遠的地方》及其背後的科學——你不可不知的科幻動畫(一)
科學大抖宅_96
・2021/07/31 ・3920字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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我們距離宇宙有多遠?如果你開車往正上方的天空行駛,以高速公路的行車速度,一個小時就能抵達外太空。

大氣層與外太空的分界線,目前並沒有全球統一的認定標準。國際航空聯盟(Fédération Aéronautique Internationale, FAI)將其定為海平面上方 100 公里處;美國空軍、以及美國國家航空暨太空總署(NASA)則以海拔 80 公里為交界——這麼近的距離,根本簡簡單單開車就到了呀!(不要瞎掰好嗎)

相較於宇宙的近,南極雖然在地球上,但是對絕大多數人來說,距離卻相當遙遠。2007 年,日本前太空人毛利衛被招待至南極的昭和基地後,講了句感想:「只要數分鐘就能抵達宇宙,到昭和基地卻要花數天;簡直比宇宙還要遠呢。」《比宇宙更遠的地方》(宇宙よりも遠い場所)這部動畫作品,描述的就是一群高中女學生努力突破現實困難,來到比宇宙更遠的地方——南極的故事。

《比宇宙更遠的地方》宣傳照。

(以下微科學劇情雷)

日本的南極觀測任務

《比宇宙更遠的地方》並不是刻板印象中的科幻片,劇情中沒有機器人、沒有太空船,也沒有外星人或宇宙基地;但它確實是有著紮實科學背景設定的幻想故事。主角們搭乘的破冰船企鵝饅頭號,設定上為退役的日本碎冰艦第二代「白瀨」(しらせ)改造而成;實際上,這艘日文名字發音跟主角之一相同的船,現今仍在服役,支援著日本的南極觀測任務。

現實世界的第二代白瀨。圖/wikipedia

至於動畫中,位於南極的昭和基地,也是完全參考自現實世界的昭和基地;其於 1957 年開設,目前仍為日本在南極的主要觀測基地。與劇情類似,南極地域觀測隊會不時跟日本當地,如博物館和各級學校等單位,進行衛星連線科普活動。以年為單位,每個梯次的觀測隊員約在百名以下,包括公家機關成員,以及民間專業人員;其中又區分成在南極待上一整年、每年二月交接的越冬隊,和只駐紮夏天期間的夏隊,以及少數的同行者(如記者、外國科學家、大學生等)。

可惜的是,到目前為止,南極地域觀測隊從來沒有女高中生參與;最年輕的成員為大學生。過去,女性觀測隊員鳳毛麟角,近年才有逐漸增加的趨勢,最多可達十幾人;而且,一直要到 2018 年,才首度有女性擔任隊長職務。在《比宇宙更遠的地方》裡,重要幹部/角色幾乎都是女性,一方面或許是為了跟主角們的性別身份呼應;另一方面,可能也是一種期許吧?

現實中的昭和基地看板。圖/wikipedia

南極的天文台

在動畫劇情中,觀測隊的重要目標,乃在南極內陸建立天文台;而現實世界裡,日本目前並沒有這樣的計畫,但確實有透過國際合作架設天文台的未來展望。

現在於南極洲運作的天文望遠鏡,最有名的當屬美國阿蒙森–斯科特南極站(Amundsen-Scott South Pole Station)的南極望遠鏡(South Pole Telescope, SPT);它位於地理南極、海拔 2800 公尺的高原上,口徑 10 公尺,可觀測的電磁波段包括了微波、毫米/次毫米波,也是事件視界望遠鏡的參與機構之一。事件視界望遠鏡是全球性的大型望遠鏡陣列計畫,協調世界各地電波望遠鏡獨立觀測特定目標,再將數據整合,形成口徑等同地球一樣大的虛擬望遠鏡。2019 年事件視界望遠鏡所發布,轟動全球的超大質量黑洞 M87 觀測照片,即有來自南極望遠鏡的貢獻。

南極望遠鏡。圖/wikipedia

為什麼選擇在南極內陸進行天文觀測?

為什麼在南極建立天文台這麼重要呢?要做,在自己國家做不就好了嗎?《比宇宙更遠的地方》又為何要設定成,去南極內陸建天文台,而非建在靠海的昭和基地?事實上,位處南極洲中央的南極高原,擁有其他地方無可比擬的天文觀測優勢

因為空氣中的水分子會吸收電磁波(程度依波段而異),所以觀測某些特定電磁波段的望遠鏡,必須建在特別乾燥的地方,避免觀測結果受到水氣影響。南極氣候嚴寒,空氣中的水份極少;加上內陸高原平均海拔 3000 公尺,空氣稀薄又乾淨――這些因素都讓南極內陸的天文觀測,可以最大程度地避免地球大氣層的干擾。

不僅如此,在地理南極附近,每年有六個月的永夜,星星亦不會東升西落――意味著,天文台可以不間斷地連續進行觀測、獲取數據,不會受到打擾。

阿蒙森–斯科特南極站座落在地理南極(紅線圈起來處);右上方黑框處可見昭和基地(Syowa)。圖/Wikipedia

南極的科學研究

不只黑洞觀測,南極的許多科學研究計畫都得到豐碩成果。1982 年,日本在昭和基地的越冬隊發現,南極上空的臭氧隨時間快速減少,甚至一度懷疑儀器出了問題。兩年後,觀測隊成員在研討會中發表調查結果,成為史上第一份南極臭氧層破洞的報告;《蒙特婁議定書》也才因此誕生,要求禁用氟氯碳化物等破壞臭氧層的化學物質。

臭氧層破洞的發現,於劇中(右上畫面)也有交代。圖/twitter

除了大氣層臭氧濃度的變化之外,南極也對我們理解遙遠過去的地球氣候貢獻卓著。眾所周知,南極大陸地表覆蓋著深厚的冰層,最厚處甚至超過 4 公里;它們是在漫長的歲月之中,逐漸堆積形成。換言之,在冰層的越深處,年代越久遠。藉由挖掘深層的冰柱樣本(稱為冰核,Ice Core),科學家就能分析出隱藏在冰裡的昔日氣候資訊,如當時氣溫和大氣的二氧化碳濃度等。目前人類挖出的冰核,最深超過三公里,可回溯至接近八十萬年前。

挖掘冰核的過程,以及冰核照片。圖/Nasa Earth Observatory

作為人類最後才踏足的大陸,南極帶給我們許多科研調查上的驚喜。至 2016 年為止,美國在南極找到約 22000 顆隕石,日本也回收超過 17000 塊隕石,對地質學研究貢獻甚鉅。在生命科學,如生態系觀察、環境污染調查、南極湖底苔蘚植被的發現等等,皆不容小覷。在物理學,目前有微中子(質量極小又難以和其他物質作用的次原子粒子)的大型觀測計畫正在進行。除了上述議題之外,還有其他諸多研究領域或主題,也在南極展開。

至於台灣,雖然本身並沒有南極的研究站,但科研人員可藉由跨國合作前往南極進行研究;如中央大學太空科學與工程學系的林映岑老師,就曾前往南極長駐一年,是目前國內唯一擁有南極研究經驗的女性科學家。此外,台灣也有為南極的部分研究設施貢獻過心力,像是事件視界望遠鏡的調校、台大物理系暨天文物理所的陳丕燊老師推動的微中子天文台「天壇陣列」(Askaryan Radio Array, ARA)等。

一起去南極吧!

植基於現實中的南極科學考察活動,《比宇宙更遠的地方》以四位女高中生為主角,展開她們青春的一頁。主角們在破冰船上、在南極的生活種種,都顯示出動畫製作公司花了相當大的心力,做足功課,才能有如此忠實的呈現。

動畫中,科學性的設定不單是用來搭配全劇的布景,甚至也可以說是讓故事更顯真實的重要點綴:包括研究計畫可能面臨的人力、物力短缺,和計畫執行前的準備和訓練等,劇情中都有一定篇幅的交代。雖然就自己身為科學研究人員的角度來說,會覺得科學內容的說明太少,不夠過癮,但這畢竟是給大眾看的動畫――就科學調查活動的呈現、角色的塑造、以及劇情的娛樂性等不同面向,個人認為比例拿捏得很不錯。

以南極為目標的主角們,透過一次次的努力,克服困難,想方設法來到南極,還要面對許許多多人際關係的衝突與學習;隨著旅程的開始和結束,她們得到的不只是一段獨特的旅行經驗,也是每個人的成長,和彼此之間的友誼。《比宇宙更遠的地方》曾榮獲紐約時報「2018 年最優秀電視節目獎」;它沒有深奧難懂的設定、沒有燒腦的情節;以溫馨勵志的內容溫暖人心之餘,其細緻的南極生活刻畫,也讓人心神嚮往,恨不得親自去一趟南極了呢!

動畫中的破冰船,第二代白瀨。圖/IMDb

參考文獻

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科學大抖宅_96
35 篇文章 ・ 1119 位粉絲
在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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我們的目標是地心世界!帶動極地探險的「地球空心說」是怎麼來的?
Rock Sun
・2021/06/01 ・5563字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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A 編按:最近的《哥吉拉大戰金剛》用了「地球空心說」,將地心作為泰坦巨獸的故鄉,可你知道嗎?「地球空心說」可是由著名天文學家艾德蒙.哈雷提出的!這個猜想不只有其道理,也帶動人類探索地心的秘密。

《一切都是泛科學的陰謀》專題與你一同挖掘各種陰謀論的脈絡!「地球空心說」並不是陰謀論,但其衍生出的各種說法,卻比陰謀論還要精采,而美國也真的派出過探險隊,試圖找到極地的地心入口。

有科學腦的人,應該很討厭陰謀論吧?有些有趣又無厘頭,有些很認真的讓你皺眉頭並且開始懷疑自己。你可能會問「這些想法為什麼會存在?」但是不管在哪個時代,陰謀論都會存在來挑戰充滿證據的事實,而我們能作的除了不斷的完整事實和理論的樣貌,還能從這些陰謀論反問自己「這背後有什麼道理嗎?」

地球內部的真實樣貌。圖/sciencephoto

如果把「地球空心說」放到現代,絕對會被大家嘲笑吧!但是在330年前,就連最偉大的天文學家也對此深信不疑。

過去,人類對於地球的內部構造並沒有定論,各種說法存在於神話、信仰之中。而第一位有憑有據猜測地球內部構造的人,是十七世紀末,大名鼎鼎的英國天文學家艾德蒙.哈雷,大膽提出了「地球其實是空心」的理論。

計算出哈雷衛星週期的天文學家-艾德蒙·哈雷。圖/Wikipedia

哈雷的浪漫猜測

哈雷發現地球的磁場其實並沒有想像中的「穩定」,在接近極區的地方,指南針並沒有辦法準確的指向,為了解釋這個現象,他大膽地假設地球的中心是中空的……更詳細一點的描述,其實地球內部是一個大空腔,裡面裝著有 3 個不互相接觸的同心球,由外到內大小分別參考金星、火星、水星,像俄羅斯娃娃一樣套在地球中,哈雷還參考土星環的原理,推斷這些球殼靠著離心力和重力懸空且不會相撞,而就是這些浮空的內部球殼造成地球磁場的變化。

哈雷的地球空心說概念圖 。圖/wikipedia

面對這多層的地球,只有最外層有住生物嗎?哈雷大膽地說:「這些內部球殼上還有生命存在,整個地球結構就像上帝創造的多層建築一樣,不同樓層有不一樣的生命。」(事實上怪物宇宙系列電影也是以此為設定,這些地方就是泰坦巨獸的家鄉)

為了完善「地球空心說」,哈雷又提出球殼內部含有「鹽水」,靠著類似玻璃的粒子阻擋來讓地面的海洋不流到底下,又在 1716 年提出影響現代地球空心說的假設,極光就是從兩極地區的大洞下噴出的發光蒸氣

神奇的地球空心說就此誕生,甚至連哈雷本人都有點難以置信,他在 1692 年的紀錄中寫到:「講出這麼誇張又浪漫的假設,讀者可能會立刻譴責,直到我找到足夠的證據支持這個假說。」

哈雷當時剛剛好和好朋友艾薩克·牛頓撰寫科學名著「自然哲學的數學原理」(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica),和「自然哲學的數學原理」這本近代科學研究的基石寶典相比,哈雷在沒有足夠實驗方法下提出的地球空心說,某種程度上也算是近代科學史上第一個預測性質的假說,這稱不上是「陰謀論」,畢竟裡面沒有什麼違反當時認知事實的陰謀,只是一個科學家的大腦洞。

博物學家的瞎掰

但老實說,地球空心說並不是哈雷獨有的想法,例如同一時期在日耳曼地區,一位名叫阿塔納奇歐斯·基爾學(Athansius Kircher)的全才博物學家也出版過一本書叫作Mundus Subterraneus (姑且翻譯為: 世界之下),內容提到地球中間其實有個大窟窿,可能就像鐘乳石洞般,裡面除了地下湖泊外,還有岩漿和火焰,而北極有一個漩渦將海水吸入地球內部,加熱後從南極噴出。

阿塔納奇歐斯·基爾學在Mundus Subterraneus中繪出地球內部的樣子。圖/ARCHIVE.ORG

和哈雷相比,基爾學連支撐他故事的理論都沒有。儘管現在知道哈雷錯得離譜,但是當時的科學認知和技術已經知道轉動的金屬會產生的磁場,所以如果地球磁場會有不同,可能表示地球中間不是堅硬的石頭,而是有會旋轉的岩石、金屬體吧?而且,因為磁力與引力相比影響更大,所以內部的球殼一定要處於一個絕妙的平衡來保持球殼不會崩壞。

當然在哈雷的版本中,還是有許多無法解決的問題,例如生命都需要的陽光怎麼達到內部?哈雷試著自圓其說,表示地底可能有許多凹面鏡,反射兩極製造出跟太陽一樣耀眼的光芒。

不過哈雷的地球空心說並沒有讓大家為之瘋狂,大部分人的回應是「恩,我知道了,這樣喔」,而哈雷也沒有再針對這個說法提出解釋或補強。但這也不代表他完全放棄了,事實上,他還執筆親手畫出了 3 個地殼的假設圖,成為地球空心說最標誌的圖像之一。

雖然不被廣泛討論或承認,但在缺乏任何證據的情況下,與哈雷類似的地球空心說在 18、19 世紀偶爾會再重新出現一下,並帶著新的推論和假說。

數學大師也瘋狂

在 18 世紀,地球空心說被兩個數學家研究過,他們是大名鼎鼎的李昂哈德·尤拉(Leonhard Euler)和約翰·萊斯利(John Leslie)。

在微積分、幾何學有莫大貢獻的數學大師尤拉,曾假設空心的地球內有一個直徑將近 10000 公里的溫暖球殼,然後上面住著高科技的種族;萊斯利則是相信地底下有兩個同心球殼,內部還有兩顆恆星提供光線,他將這兩顆莫名其妙出現在地球內的恆星取名為 Pluto 和 Proserpine,也就是羅馬神話的冥王和冥后。

推廣地球空心說的辣個男人——希姆斯

19世紀地球空心說最大的推崇者是美國人約翰·克里夫·西姆斯(John Cleves Symmes),在美國紐澤西誕生的他熱愛研讀自然歷史相關書籍,在 1818 年他出版自己的地球空心說:

「我主張地球是空心的,內部有無數同心球殼而且適宜居住,地球在南北極還有成12~16度的開口已獲得陽光。我發誓要證明這件事,也準備好前往地球內部探險,希望世界能夠支持我。」

John Cleves Symmes Jr. - Wikipedia
西姆斯筆下的地球空心說。圖/Wikipedia

作為一名多產的作家和演講者,西姆斯非常勤奮地到處宣傳他的假說,包括根據整個理論提出著作 “Symzonia: Voyage of Discovery” (姑且能譯為《西姆斯:發現之旅》),還四處募款,試圖前往兩極探險。他的主張「兩極有空洞,為地心帶來光明」的假說基礎是最廣為人知的空心說版本,也是在極地探險成真之前,眾多對兩極的幻想之一。

一波三折的南極探險計畫

西姆斯的努力吸引了幾位關鍵人物的注意,一位名為詹姆斯.麥可布萊德(James McBride)的俄亥俄州有錢人,他不只寫文章支援這個假說,還遊說肯塔基的議員理查.M.強森(Richard M. Johnson)支持前往南極的探險,沒想到理查還真的說服了當時的美國總統約翰.昆西.亞當斯(John Quincy Adams),但草案卻被國會駁回,直到下一任總統安德魯.傑克森(Andrew Jackson)上任之後,一個截然不同的南極探險計畫在 1836 年才被重新提出,但西姆斯已於 1829 年去世,無緣參與這場南極遠征。

1838~1842 美國探勘船隊。圖/Wikipedia

西姆斯死後,地球空心說的代言人由俄亥俄州的一位新聞記者——傑瑞曼亞.雷諾茲(Jeremiah Reynolds)繼承。為了前往南極一探究竟,1829 年雷諾茲加入狩獵船隊,爭取前往南極的機會,但旅途一波三折,不只遭遇叛變,還被同伴流放,經歷了九死一生的冒險才回到美國。隨後 1836 年雷諾茲在國會中演講,大力推崇當時尚未定案的美國南極探險隊,他強調這將會為國家帶來光榮並加強國際事務,但是在籌劃階段他因為不滿進度和內容,所以從計畫中被開除了。

這場探險成功在傑克森總統卸任後 2 年出發,稱為 1838~1842 美國探勘船隊,由查爾斯.威爾克斯(Charles Wilkes)領導,這其實是一次非常正式的探險船隊,目的包括建立海圖、建立航線、收集科學及物種資訊……等,船隊從美國東岸出發繞過南美洲後前進太平洋,並在去程的倒數第二站造訪了南極,但是在希姆斯猜測有大洞的位置什麼都沒找到。

1838~1842 美國探勘船隊的去程路線,第 10 點即為南極洲。圖/Wikipedia

對地球空心說的狂熱並未停止

到此為止地球空心說可以說是正式破解了,但一直以來只要有機會,這個理論就會被丟出來解釋科學發現。例如 1846 年在西伯利亞冰原發現了猛瑪象遺骨,當下就有人懷疑它是不是從北極的大洞內部遊蕩出來、因為找食物而被困在西伯利亞,因為在猛瑪象的肚子內找到未消化的毬果,而死亡又這麼突然。

在 1864 年,還有一位大人物也出手了,也就是現代科幻小說之父凡爾納,他的作品之一《地心歷險記》就是描述一群人從冰島火山進入地心的世界探險,地心中還有大海和古生物。

1869 年一位美國煉金術士賽勒斯.提德(Cyrus Reed Teed)可以說是地球空心說的狂人,而且非常特別,在他的著作 “The Cellular Cosmogony, or The Earth, A Concave Sphere” 中,大膽的假設我們所居住的世界其實是地球的內凹面,我們頭上的天空其實是地球中心,而在我們地殼對面住著一支文明,但是因為濃霧的關係無法發現它們存在,而我們看到的月亮其實是另一個地球內部球殼。

提德所提出,我們世界其實是處於地球的內凹面參考圖。圖/ Wikipedia

提德還改了姓名、創立了名為 Koreshanity 的宗教,並發行雜誌來吸引信徒,為了證明我們所居住的地球面是向內凹,還使用儀器丈量地表!最後,他在佛羅里達還擁有一塊 300 英畝的土地,他和將近 250 名信徒一同活在那裡直到 1940 年。

1873 年,一位神祕學家愛德華.鮑沃爾—利頓(Edward Bulwer-Lytton)完成了 “The Coming Race”,內容有關一群住在地球內部的文明,因為發現神秘的能量來源而科技發達。

1906年,作家威廉.里德(William Reed)出版了一書 “The Phantom of the Poles”表示其實可以搭船從地球外面到達地球內部,因為重力的作用讓他們在經過反轉時完全無感,而且很多水手其實去過了只是沒有發現。

就算是在 1913 年,此時人類已經成功到達並記錄了北極點,一位叫作馬歇爾·佳德爾(Marshall Gardner)的作家還是出版的一本叫作 “A Journey to the Earth’s Interior, or Have the Poles Really Been Discovered?” 的書質疑這件事,書中表示許多已經滅絕的生物其實都住在地球內部,因為地球誕生時,離心力形成了最外層的地殼,但是內部還有一個較重的殼,並持續接收地心的熱度。

A Journey to the Earth's Interior Index
馬歇爾·佳德爾的地球空心說構圖。圖/sacred-texts.com

但是隨著我們對地球越來越瞭解,我們知道這些假說真的都是空穴來風,而在事實確認之下,已經是陰謀論的等級了。

終結地球空心說的女科學家——英厄.萊曼

20 世紀中期,第一位飛行橫跨南北極的人:理查德.伯德(Richard E. Byrd)在他的飛行紀錄回報中完全沒有提到任何大洞;1959 年一艘美國潛水艇從北極圈冰山下鑽過然後在北極地區重新出現,表示沒有大洞;儘管到今天我們在兩極都有觀測站了,還是沒有大洞存在。

1929 年,丹麥的地科學家英厄.雷曼(Inge Lehmann)藉由測量地震產生各種不同的波,推斷地球內有較靠近外部的液態構造和最裡面的固體核心,而這些液態物質的攪動、流動造成了磁場和變化,之後經過無數的實驗和驗證我們總算可以斷定……地球內部不是空的,但是某種程度上哈雷講的也沒有錯,因為我們的地球內部的結構的確有很多不同的層,包括地殼、地函、地心……等。

藉由科學測量得知地科學家英厄·雷曼。圖/Wikipedia

儘管錯得離譜,哈雷的地球空心說讓大家發現了一個可能從來沒問過的問題,激起了後來科學家們研究這件事的興趣,作為啟蒙時代的起步者,這可以說是一個有益於後代進步的有趣陰謀論,科學有趣的地方在於它的反覆驗證、質疑並且修正的特性,我們可以從錯誤的主張,逐漸導出正確的路。

參考資料:

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Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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昇華的火星海洋,毅力號登陸點「古耶澤羅湖」——火星特輯(2)
Whyjay
・2020/11/17 ・2297字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

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2020年夏天是每26個月一度的火星探測季。這次的火星季特別令人興奮,因為共有3艘太空船正在前往火星的途中!在期待新的探測器帶給我們新發現的同時,就讓本特輯充當導覽員,為您解說火星探索背後的故事以及這顆紅色行星的科學。

火星特輯上一回:毅力號出發冒險囉!但要在哪裡降落呢?NASA你說說看!

2021年二月,NASA的毅力號火星車就會登陸耶澤羅隕石坑(Jezero Crater)。選擇此地登陸的最大原因,是有非常多的證據顯示它曾經是個大湖[1]。在下面隕石坑的地形圖中,可以看到隕石坑的左側邊緣有兩個歪歪扭扭的渠道,水曾經從這邊流入;隕石坑的右方則有另外一個渠道,古湖水可以從這邊流到更低的地方。在左側渠道進入隕石坑的地方,可以看到具有三角洲外型的地表特徵,意味著古河流帶來的沉積物應該還遺留在此。毅力號就是預計來到這邊找尋生命曾經存在火星的證據。

圖1:耶澤羅隕石坑的地形圖。不同的顏色代表不同的高度,單位為公尺。粉紅色橢圓區域為毅力號預計登陸的位置。(改自NASA/Tim Goudge原圖)

雖然知道有古湖泊存在是件令人興奮的事,但是能否找到生命的痕跡,還是得打一個大大的問號。這主要是因為我們對這個湖的出現時間還有持續時間都還不是很清楚。最新的研究指出三角洲最有可能是在35億年前形成的,而且非常有可能還更老[2]。這樣的話看起來是有些機會,因為在地球上的35億年前,生命應該已經存在幾億年了。

然而,湖的持續時間是個大問題。35億年前的火星氣候早已非常寒冷,類似像耶澤羅這種大小的湖泊很容易就會結冰,然後冰會在幾百年內昇華跑光光[*] [3]。幾百年的時間已經足夠形成三角洲[4],但是能形成生命嗎?沒人知道。當然,如果在很長的一段時間內有源源不絕的水供應到湖泊的話就另當別論,不過更進一步的線索就得仰賴毅力號的任務了。

*作者註解:如同水會蒸發一樣,在空氣乾燥時,地表的雪或是冰可以不用先變成液態就轉變成氣態消散在大氣中。雪或冰的昇華在地球上的寒冷區域時常發生,也是為什麼在零下的溫度中曬一件結冰的衣服仍然會乾的原因。

30~35億年前的火星海洋?

慢著,或許你會覺得本來應該就要有「源源不絕的水」供應到湖內才對,因為地球上的湖不都是這個樣子的嗎?

問題還是出在火星當時的氣候。在那麼低的溫度下,水分子無法透過降雨或降雪重新回到湖泊,只會被冰封在高海拔地區。也就是說,火星上的湖泊形成後,就是無止盡的蒸發或昇華,並不能像地球一樣靠降雨來補充水量[3]。有趣的是,類似耶澤羅的古湖泊、河道遺跡在火星上有不少,而且年代都推測在30~35億年前[5]。在火星的北方低地,甚至還有出現被解讀為海嘯的地形特徵[6]。對於「水從哪裡來」這個問題,到目前為止最合理的解釋是:火星冰封的表面被什麼東西打破或熔化了,然後埋藏在下面的地下水就流出來[3][5]。據估計,在這五億年內流出的水量大概可以讓火星變成水深40公尺的海洋星球[5]。問題是這些水可以在表面待多久?是一次性釋放這麼多,還是在五億年間透過間歇性的事件(如隕石撞擊)分段釋放?這些目前都缺少證據來妥善回答,因此到底是不是有(可以存活很久的)海洋或湖泊存在於這個時間點,目前還是炙手可熱的議題。

40多億年前的火星海洋?

不過,「古耶澤羅湖」還有一種可能性,就是它比現在推測的年齡下限還要老得多。如果超過40億年,那就會跟另外一個火星可能有海洋的時期互相吻合。在40億年前,火星非常有可能有著溫暖(大於0度C,XD)潮濕的氣候與大型的海洋。相關的水文作用產生了許多地形上的證據,而且今天仍然可以觀測到,例如:大型峽谷系統、古海岸線等等。雖然這些證據存在許多問題(像是古海岸線的高度不一致等等),但這個時期的火星表面如果有液態水海洋,它的存在時間就可以長得多,並且可能為生命的誕生提供更多的機會。

圖2:40多億年前,火星的北半球可能是一片汪洋,平均深度可能超過100公尺。這些水現在大都已經逸散到太空中,剩下的則是被冰封在火星的表面之下。(NASA/GSFC)

耶澤羅隕石坑本身也有可能在這兩次「火星海洋」出現的期間內被多次填滿[7],這倒是讓古耶澤羅湖沉積物中出現生命的機會高了許多。毅力號的造訪,將可以查明耶澤羅隕石坑過去的地質歷史,也很有可能可以讓我們了解到火星過去的湖泊、海洋到底存在多長的時間。你相信火星過去真的兩度出現過海洋嗎?我們還可以從數十億年的地層之中找到被隱沒的真相嗎?

參考資料/延伸閱讀

[1] 毅力號出發冒險囉!但要在哪裡降落呢?NASA你說說看!——火星特輯(1)

[2] Mangold, N., Dromart, G., Ansan, V., Salese, F., Kleinhans, M. G., Massé, M., …Stack, K. M. (2020). Fluvial Regimes, Morphometry, and Age of Jezero Crater Paleolake Inlet Valleys and Their Exobiological Significance for the 2020 Rover Mission Landing Site. Astrobiology, 20(8), 994–1013. https://doi.org/10.1089/ast.2019.2132

[3] Turbet, M., &Forget, F. (2019). The paradoxes of the Late Hesperian Mars ocean. Scientific Reports, 9(1), 7–11. https://doi.org/10.1038/s41598-019-42030-2

[4] Salese, F., Kleinhans, M. G., Mangold, N., Ansan, V., McMahon, W., DeHaas, T., &Dromart, G. (2020). Estimated Minimum Life Span of the Jezero Fluvial Delta (Mars). Astrobiology, 20(8), 977–993. https://doi.org/10.1089/ast.2020.2228

[5] Head, J. W., Forget, F., Wordsworth, R., Turbet, M., Cassanelli, J., &Palumbo, A. (2018). Two Oceans on Mars?: History, Problems, and Prospects. In 49th Lunar and Planetary Science Conference, 2194.

[6] Rodriguez, J. A. P., Fairen, A. G., Tanaka, K. L., Zarroca, M., Linares, R., Platz, T., …Glines, N. (2016). Tsunami waves extensively resurfaced the shorelines of an early Martian ocean. Scientific Reports, 6(April), 1–8. https://doi.org/10.1038/srep25106

[7] Goudge, T. A., Mustard, J. F., Head, J. W., Fassett, C. I., &Wiseman, S. M. (2015). Assessing the mineralogy of the watershed and fan deposits of the Jezero crater paleolake system, Mars. Journal of Geophysical Research: Planets, 120(4), 775–808. https://doi.org/10.1002/2014JE004782

Whyjay
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透過我的眼睛、鏡頭的眼睛、還有衛星的眼睛看世界的地球科學研究者。期望與你分享冰川下封存的秘密或是火山上隱藏的故事;夜晚,我們更可以遙望皎潔的明月,更遠的木星與冰衛星,甚至更遠更遠──某顆系外行星上的生命,或許也正拿望遠鏡看著我們討論人類最終的歸宿。推特:https://twitter.com/WhyjayZ (英文)

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告別南極進入永夜前的最後一抹夕陽
臺北天文館_96
・2012/06/29 ・808字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 433 ・四年級

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法國-義大利協同研究基地(French-Italian Concordia research base)的隊員,於5月初時,在南極基地向今年的最後一道陽光道別。從5月到9月的未來4個多月中,南極基地都將處於永夜的狀態下,雖然研究仍持續不墜,但無法補給,各基地都必須自己自足。

歐洲太空總署(ESA)贊助一項於每年冬天在協同研究基地進行的醫學研究,探索長時間身處孤立環境的影響。這種研究所需的隔離環境,沒有比南極基地更好的了。這裡的海拔高度達3200公尺,冬季氣溫將降到攝氏零下80度左右。整個冬季都沒有來自外界的補給,且無論任何緊急事件都無法離開基地。基地裡的人員必須團結合作,自行解決所有問題。

這個基地是地球上與行星際探索最相近的環境。因此ESA贊助此研究的目的之一,就是為未來的火星任務做準備。

科學家Oliver Angerer解釋:「在這種環境中,所有參與者都需挑戰持續累積的壓力。我們觀察成員們在這種惡劣環境中會如何表現,特別是睡眠方面。協同研究基地的高海拔環境已經會影響睡眠品質了,若再加上少了陽光照射,讓身體要維持正常作息更為困難。」

基地裡的成員們還得等上好一段時間才能再見到太陽。在沒有陽光的環境中,出席如早餐或晚餐等社交場合變成是何時睡覺、何時起床的重要指標。

ESA贊助的醫學研究員Alexander Kumar藉由記錄他室友們的腦波活動來監測睡眠模式。他也採取唾液樣本,記錄褪黑激素或皮質醇等與睡眠相關的荷爾蒙隨時間的變化。此外,他也用類似商業化益智遊戲的認知測驗(cognitive test)來測試成員們的本能,看看他們的本能會不會隨著太陽消失而降低?另外還有探索運動對成員們的士氣與睡眠模式的影響。這種種的研究都是為了瞭解人類的壓力下,會如何表現。

資料來源:Farewell to the Sun[2012.05.11]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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