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地表最強星空!世界第一觀星地點在哪裡?

EASY天文地科小站_96
・2020/10/18 ・2594字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 490 ・五年級
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

說到動人的美麗星空,各位會想到哪裡呢?如果你的答案是陽明山就有點遜掉啦!又或者各位都是經驗老道的行家,想到的是最近新成立的「合歡山國際暗空公園」呢?但不論大家的答案是什麼,可能都會被這個研究認證的「地表最高品質星空」給比下去,究竟這麼棒的星空在什麼地方呢?

答案是:南極大陸中央

啊?那我想欣賞世界上最美星空還要跑到南極中央去啊…… Well yes, but actually no, 因為這個研究所指的最佳星空,是針對設置研究用天文台所考量,而對於一般人觀星或是攝影而言,其實在其他沒什麼光害的地方看星星,品質其實都不會輸給南極啦! 

什麼樣的星空適合進行天文觀測呢

話說回來,對於專業天文觀測而言,要怎麼判定觀測條件的好壞,南極的星空又究竟有什麼特殊之處呢?

有個天文界的玩笑是這麼說的:「天文學家最討厭三樣東西,這三樣東西分別是陽光、水和空氣」。

陽光對於天文研究絕對算得上是巨大的「光害」,當然啦,對研究對象就是太陽本身的人除外,而這句話中的陽光其實也泛指一切的光害。而水,撇除雲霧和下雨這些天文觀測會遇到的討厭鬼,就算是晴朗的天氣,大氣層中的水氣也會吸收掉很多不同波長的電磁波,對於天文觀測也是一種干擾。最後是空氣,如同水氣一樣,大氣中其他不同的分子也會吸收許多波段的電磁波,就算是能穿透大氣的光線,卻也躲不過大氣擾動的魔掌。

對於研究用大型天文台的選址來說,避開光害和經常性的爛天氣可說是最基本的條件,而最後「決勝負」的關鍵,就落在大氣的條件了。

而好的大氣條件,就是大氣擾動越小越好。

大氣擾動或許不是對每個人都很熟悉,但相信大家一定都看過,兒歌中的小星星「一閃一閃亮晶晶」這樣閃爍的現象就是大氣擾動的傑作。再舉個極端一點的例子,當我們注視游泳池裡面時,會發現水面的波動和泳池中的水流都會讓池底的物體看起來不斷扭動,而且難以看清楚,這個現象套用在空氣中就是大氣擾動,事實上當使用高倍率望遠鏡觀測天體時,如果大氣擾動很嚴重,效果也真的很像是天體泡在水中一樣,想必這樣得到的影像和資料品質絕對會大打折扣。

使用高倍率望遠鏡觀測天體時,若大氣擾動嚴重,就會像注視水池內的物體。圖/Pexels

而大氣擾動的嚴重程度其實是可以量化成數值的,這個數值天文學家將它叫做「視寧度」(Astronomical Seeing*)。

  • *註: Astronomical Seeing 中文亦可翻作「視相」或「大氣寧靜度」

一般表示視寧度的單位是「角秒」,一個角秒是三千六百分之一度,給個比例尺:月亮在天上的大小大約是半度,也就是一角秒在天空中大約是一千八百分之一個月亮。而當視寧度是一角秒,代表在這樣的大氣條件下,不論望遠鏡的口徑再大,解析能力再好,能解析的極限就是一角秒,因此如果天空中有兩顆分布在一角秒以內的星星,在這樣的大氣條件下不論怎麼努力觀測都無法分辨出那是兩顆星而不是一顆。

以現在的望遠鏡技術來說,限制地面上的大型天文台的極限解析度的因素,可說是已經是取決於大氣的擾動,而不是望遠鏡與訊號接收器的解析力了,可見要建置天文台,選擇一個視寧度好的觀測地點絕對是非常重要的。

在南極找到「極品星空」

就在去年,經過了半年「夜以繼夜」(別忘了南極的夜晚長達半年)的測量後,研究團隊發現在南極大陸地最高點:「冰穹 A (Dome A) 」是世界上大氣視寧度最佳的地點之一。除此之外,這次的觀測也發現在此處還有一個得天獨厚之處:這邊的「大氣邊界層」特別薄。

冰穹A在南極大陸的位置。

大氣邊界層簡單而言是指「受到地面摩擦力干擾的底層大氣」,也就是我們平時所生活在其中的這層大氣。而位於大氣邊界層上方,沒有直接受到地面干擾的大氣則被稱為「自由大氣」。邊界層受到地面影響勢必會有很多亂流與擾動,想當然其中的視寧度一定也會比起自由大氣中來的差。

南極的冰穹 A 海拔高度是四千公尺左右,但有別於其他大陸上的高山通常有著崎嶇的地形起伏,冰穹 A 基本上是一望無際的平坦冰原,這樣特殊的地形條件讓地面對大氣的干擾極小,使這裡的大氣邊界層變得非常薄,薄到甚至只要把天文台基座「稍微蓋高一點」就幾乎能享有自由大氣的超棒視寧度!這也是為什麼這裡是個極具潛力的觀測地點的最大原因之一。

冰穹 A為南極東部最高處。圖 / antarctica.gov.au

天文觀測新天地?

世界上有很多大型天文台都會聚集在一起,例如著名的夏威夷毛納基山 (Mauna Kea) 和智利的高山上,都有矗立著許多知名的大型天文台,這些地點通常也都有著良好的大氣視寧度。

夏威夷毛納基山 (Mauna Kea)上的天文台。圖 / pikrepo

如今科學家又找到了另一個擁有絕佳觀測條件的新天地,未來會不會有一天能看到南極像夏威夷一樣天文台林立呢?

考量到南極中央畢竟還是相對難以到達,氣候也非常嚴峻,建造和維護大型天文台的難度都會大大提升,或許南極不會這麼容易進行大型天文台設置;但這樣的高品質星空,還是有很多潛在的天文觀測價值。

像是廣域巡天類型觀測這樣建置難度較低,但對星空品質要求又很高的觀測,就很適合在這裡進行。未來會不會有更多天文觀測計畫進駐南極大陸,就讓我們拭目以待吧!

參考資料:

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EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事


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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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