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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)

Whyjay
・2020/10/12 ・2644字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

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。

毅力號出發囉!但該在哪裡著陸呢?

行星探索的費用高昂,對於火星2020計畫也不例外。光是把一台毅力號(Perseverance)探測車造出來後發射就要花上720億台幣[1],而且這還沒算上機智號(Ingenuity)無人直升機和其他的花費。

為毅力號做的每一個決策,像是選擇著陸點,都必須要確保這台探測車能夠發揮最大的機能,以最有效率的方式達成任務目標。由於毅力號每天能夠移動的距離實在有限(時速是152公尺[2],大概跟烏龜相同),如果隨隨便便在火星上亂選一個無趣的地方著陸,就像是把錢丟到水裡一樣。嗯,如果火星上真的有水池,NASA說不定會支持把探測器丟到水裡看看是不是有生物游來游去。

毅力號表示:不要把我丟水裡啦!(設計對白) 圖 / NASA 計劃官網

這次毅力號主要的任務目標是回答以下問題:

「有沒有生命存在或曾經存在火星上?」

雖然論表面積,火星只有0.28個地球大,但是如何選擇最有「生命希望」的著陸點進行研究仍然是一個困難的問題。

NASA至少從2014年開始就在思考可能的選項,然後提出了超過30個候選的著陸點[2]。在2015年8月的一場據說是氣氛肅殺的工作會議中[3],透過與會科學家的激烈辯論,候選的著陸點總算是減少到了8個[2]。這8個地點有不一樣的地形、地質、化學特徵,著陸難度不同,可能支持生命存在的跡象也不同。

可以想像的是,接下來的選擇可能會充滿主觀判斷,例如地球化學家會偏愛有特定礦物成分出現的地點,而地形學家則會選擇生物最有可能曾經活動過的地形。那該怎麼辦呢?一起打擂台嗎?(誤)

經過一番論戰後,NASA選出的8個候選登陸點。(NASA)

在2016年,NASA決定集思廣益,邀請大學內進行火星研究的人員一同參與決策。筆者在同一年也加入了一個為期5個月的定期工作會議,參加的單位有康乃爾大學、加州理工學院、亞利桑那州立大學、哥本哈根大學、普渡大學、西華盛頓大學跟石溪大學。

開會內容就是仔細評估每個著陸點的古環境與地層證據,列出優缺點,最後再投票表決心目中最可能找到「生命希望」的地點。工作會議的參加成員從大學生到教授都有。我們的投票結果在工作會議後呈交給NASA,作為選擇著陸點的部分依據。

經典三選一!最後落地何處?

在2017年,NASA選出了3個最終候選地點,分別為耶澤羅隕石坑(Jezero Crater)、東北瑟提斯(Northeast Syrtis),以及在古瑟夫隕石坑內的哥倫比亞丘陵(Columbia Hills in Gusev Crater)[2]

前兩個地點都跟我們的投票結果相同,但是最後一個不一樣,我們的選擇是一個叫做馬沃斯谷(Mawrth Vallis)的地方。畢竟,NASA不能只憑登陸點的科學潛力做決策,還得考慮技術上的難易度以及未來的發展性(例如火星殖民需要的資源)才行。NASA選出的這三個地方分別有什麼吸引人之處?

最終的登陸點候選人。(NASA)

哥倫比亞丘陵:這個地方最大的優點是NASA很熟悉,因為之前的精神號火星車也是在這邊著陸。科學家透過分析精神號拍攝的照片與採集的樣本,知道了這個地點有很多有趣的沉積物種類,其中有一種叫做蛋白石質二氧化矽(Opaline Silica)。

在地球上,蛋白石質二氧化矽的來源主要是矽藻,或是在火山溫泉區經無機作用生成。因此,在哥倫比亞丘陵發現的蛋白石質二氧化矽,代表高溫、充滿礦物質的泉水曾經在此流動過的跡象[4],且其他地質證據也支持這個論點。可惜的是,精神號已經在2010年因陷入沙坑而停止運作。想要進一步了解這些礦物是否代表生物存在的痕跡,就只能派毅力號舊地重遊了。

從精神號著陸點遙望哥倫比亞丘陵 (NASA)

東北瑟提斯:雖然沒有探測車到訪過這裡,不過從繞火星的人造衛星調查的資料來看,這個區域完整保存著火星形成後最初的十億年內形成的地層。有趣的是,其中的一個地層富含碳酸鹽礦物,而且鐵、鎂的含量很高;而另外一個地層則富含高嶺土(一種黏土礦物)。前者非常有可能是透過熱水的化學作用,讓橄欖石(一種火山岩內會有的礦物)的成分發生改變而形成;如果有適合的微生物存在,更能夠促進這種反應的發生。

高嶺土則是更進一步暗示了這個地區以前一定有地表水或地下水存在[5]。透過這些礦物拼湊出的歷史,暗示東北瑟提斯在過去的某個時間點存在非常有利於生物誕生與滋養的環境。

東北瑟提斯的衛星影像 (NASA)

耶澤羅隕石坑:從地形上來看,幾乎可以確定的是在很久很久以前,至少有兩條河流注入了這個隕石坑,讓坑底變成一個大湖。雖然湖現在早已乾涸,但是河口三角洲的位置從衛星影像上仍然清晰可見。這些三角洲主要由碳酸鹽類礦物與黏土礦物構成[6],如果以前曾經有微生物活在湖中,從這些沉積物中就可以找到生物釋放的化學訊號。

耶澤羅隕石坑,三角洲的衛星影像 (NASA)

在2018年,NASA宣布了著陸點的最終選擇,耶澤羅隕石坑雀屏中選。

接下來我們將進一步介紹這個隕石坑科學上的有趣之處,以及毅力號打算要在這個地方進行什麼樣的任務。在這些候選名單中,你自己又屬意哪個區域呢?你覺得NASA是否真的挑中了最具有「生命希望」的地區呢?

參考資料/延伸閱讀

[1] Leonard David. Mars Needs Money: White House Budget Could Prompt Retreat from Red Planet. Scientific American. April 30, 2020

[2] MARS 2020計畫網站

[3] Kenneth Chang. How NASA found the ideal hole on Mars to land in. The New York Times. July 30, 2020

[4] Squyres, S. W., Arvidson, R. E., Ruff, S., Gellert, R., Morris, R.V., et al. (2008). Detection of Silica-Rich Deposits on Mars. Science, 320(5879), 1063–1067.

[5] Ehlmann, B. L., & Mustard, J. F. (2012). An in-situ record of major environmental transitions on early Mars at Northeast Syrtis Major. Geophysical Research Letters, 39(11), 1–7.

[6] Goudge, T. A., Milliken, R. E., Head, J. W., Mustard, J. F., & Fassett, C. I. (2017). Sedimentological evidence for a deltaic origin of the western fan deposit in Jezero crater, Mars and implications for future exploration. Earth and Planetary Science Letters, 458, 357–365.

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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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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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