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從地球到太陽系天文生物系列

臺北天文館_96
・2012/06/29 ・1720字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 543 ・八年級
Image Credit: Kathie Thomas-Keprta and Simon Clemett/ESCG at NASA Johnson Space Center
Image Credit: Kathie Thomas-Keprta and Simon Clemett/ESCG at NASA Johnson Space Center

[FETTSS天文生物系列之1] ALH84001:來自火星的石頭

ALH84001這舉世聞名的火星石,大概是在1600萬年前被隕石撞擊後彈飛出火星,漫遊太空,然後在1萬3千年前與地球相遇並墜落在南極洲的「艾倫丘」冰原上,並在1984年被科學家所發現。這張放大圖中,明顯的橘色盤狀區域,鑲嵌著黑色條紋,是由碳酸鹽所組成,而這通常是在低溫的液態水中形成。1996年,天文生物學家聲稱ALH84001中可能有微生物的化石遺跡,暗示可能有生命曾出現在火星上。雖然到目前為止,這份聲明還未被徹底證實,卻也開啟了天文生物學這門新的科學研究領域。

資料來源:ALH84001

[FETTSS天文生物系列之2] 巴哈馬藍洞

Image credit: Wes Skiles

大概在10~20億年前,地球當時的海洋被認為是處在無氧的狀態,因為能吸收光能但不釋放氧氣的厭氧紫細菌在海中生活著,並在有十億年歷史之久的海岩中留下了化石痕跡。今天,在巴哈馬群島上一些與世隔絕,稱為藍洞的海穴裡(如圖),涵養聚集了大量的厭氧紫細菌和綠細菌,他們的光合作用不會製造出氧氣,因此有著很不一樣的生態系統。天文生物學家在此研究他們的生活形態,看看和現代植物與藍綠藻等行光合作用並釋放氧氣的生物有何不同。因為有植物等生物釋放氧氣,大氣中才有足夠含量的氧氣以支持人類等多細胞生命的存續。

資料來源:Bahamas Blue Hole

[FETTSS天文生物系列之3] 四沼澤-1

本影像呈現的是Cuatro Ciénegas(英文意為「Four Marshes」)眾多沼澤地的其中之一,這是個相當獨特的生物保護區,位在墨西哥北部科阿韋拉州(Coahuila)的荒漠區(Región Desierto)。此區所保存的動植物多樣性頗為豐富,許多沼澤中含有生氣蓬勃的微生物群落;當這些群落成長時,結合隨水流而來的沈積物和沙土,逐漸形成如岩石般的半球形結構,類似疊層石(stromatolites),只不過這些沼澤中的群落結構是活生生的微生物構成的,而疊層石則是極古老的地球生命化石記錄。因此天文生物學家將此地當作活生生的實驗室,藉此探究地球生命起源。

Image Credit:Ariel Anbar

資料來源:Cuatro Cienegas 1

[FETTSS天文生物系列之4] 四沼澤-2:沙漠中的生命

Image Credit:Luis Eguiarte

四沼澤(Cuatro Ciénegas)這個生物保護區位在墨西哥北部科阿韋拉州(Coahuila)的荒漠區(Región Desierto),設立保護區之意是要保護那些規模不大、有獨特的水化學作用的生態池,其中許多都是活生生的疊層石的發源地。這些是複雜的微生物群落,當微生物成長時,與來自水中的沈積物和砂石混合,逐漸堆疊形成如岩石般的圓頂形結構,此圖前景中便可看到好幾個這樣的疊層石結構。在早期地球中,相同的微生物相當普遍。約在20億年前,這些微生物開始經由光合作用將氧氣釋放進入大氣層,將地表逐漸改變成適合人類等複雜生命型態生存的環境。

資料來源:Cuatro Cienegas 2

[FETTSS天文生物系列之4] 伊迪卡拉-1:複雜生命型態的出現

Image Credit:Phoebe Cohen/MIT/NASA Astrobiology Institute

這塊向上翹起的砂岩位在澳洲南部弗林德斯山脈(Flinders Range),岩石上有著波紋,顯示這塊岩石是古老海床的一部份。澳洲的這片區域擁有約6億多年前出現的地球第一批複雜多細胞生物所形成的化石。研究這些被稱為「伊迪卡拉動物群(Ediacaran Fauna)」的古老化石,可幫助天文生物學家進一步瞭解地球上的複雜生命型態究竟如何出現、如何演化,甚至是若出現在其他行星上時將會如何演化。

資料來源:Ediacaran 1

FETTSS(從地球到太陽系,From Earth To The Solar System)天文生物(Astrobiology)系列,為臺北天文館與中央大學天文研究所葉永烜教授合作之成果,影像並獲得NASA FETTSS製作小組同意授權。整系列共25幅與天文生物研究相關的照片與說明,將分次刊登於天文新知中,並於臺北天文館大廳展出高解析影像,歡迎參觀!

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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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
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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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