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橫越土星的噴射氣流是水汽凝結釋出能量驅動的結果

臺北天文館_96
・2012/07/14 ・1368字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 487 ・五年級

圖中箭頭所指是東西向橫越土星大氣的噴射氣流(jet stream),氣流風速比其他地方快了許多。多年來,科學家嘗試瞭解造成土星大氣這些波浪狀結構的機制和噴流的起源。

目前已知像土星和木星這類行星的大氣層,只能從兩處取得能量,一是太陽,二是它們自己的內部。在最新一期icarus期刊中,美國航太總署(NASA)哥達德太空研究所(Goddard Institute for Space Studie)Tony Del Genio等人利用卡西尼號太空船(Cassini)數年來所拍攝的土星影像,發現似乎是來自行星內部的熱能給了噴流能量,才使它們得以高速飛奔。當被來自土星內部能量加熱的水逐漸冷卻凝結時,會造成土星大氣有溫度差異。這個溫差造成大氣產生渦流,即使空氣在幾乎同一緯度來回移動的擾動。正是這些渦流使噴射氣流得以加速,就像是轉動的齒輪帶動傳輸帶移動。

另一個理論版本認為溫差的能量來源來自太陽,就像是陽光不均等的照射地球大氣所造成的溫差現象一樣。Del Genio表示:由於卡西尼號已經環繞土星數年,取得大量土星大氣每日細微的變化模式資料,科學家們現在終於得以辨別土星大氣與地球或其他行星大氣的異同。

與地球擁有不厚的大氣與固態和液態覆蓋的表面不同,土星是顆所謂的氣體巨行星(gas giant),大氣層非常深厚,在大氣高層處,此處雲層成層狀,層層疊疊覆蓋其上。其表面有數道肉眼即可見的噴射氣流橫越,且其高度剛好利用卡西尼號上所載相機以近紅外波段觀測也可以偵測到。絕大部分噴射氣流是向東吹的,僅少數向西。噴射氣流通常位在溫度差異非常明顯的不同緯度之間。

從卡西尼號的近紅外濾鏡資料,科學家首度可在兩個不同高度觀察噴射氣流形成與變化過程。其中一個濾鏡景象顯示的是土星大氣對流層的上層部分,此處聚集非常濃而厚的霾,且被陽光強烈加熱。另一個濾鏡則則是捕捉更深處的影像,大約在氨冰雲曾的頂端,此處的陽光加熱效果很微弱,但比較靠近土星天氣系統源起之處。這裡就是水汽凝結成雲或成雨的地方。

在Del Genio等人的最新研究中,他們接續2007年相關論文,利用雲係自動追蹤軟體來分析卡西尼號從2005年到2012年所拍攝的數百幅影像中,雲系的運動和移動速度。他們從其中的560幅,共獲得近120,000個風場向量,由此可得土星全球大氣的風場概況,更進一步可取得噴射氣流的發生機制。

他們清楚地看到不同高度的渦流加速噴射氣流,其中高度較高的渦流比較微弱,這裡是科學家先前認為主要受太陽加熱之處。相較之下,在大氣較深層的渦流則比較強。因此,Del Genio等人認為,噴射氣流的加速機制,主要來自土星內部的熱源,而非太陽。而且,與觀測資料最符合的土星內部熱源,就是來自土星內部的水汽,當空氣上升過程中,水汽逐漸冷卻凝結成雲並降雨時,會將原本所含有的熱量釋放出來,就像是地球夏天雨後雷陣雨之前會感到很悶熱一樣。這些水汽凝結所釋出的熱能轉而成為製造渦流的能量,渦流又是驅使噴射氣流加速的動力來源。

不過,科學家並未真正觀察到土星大氣中水汽凝結的過程,因為這個過程發生於卡西尼號無法觀察到的低層大氣中。但這種凝結過程的確在土星和地球的中緯度都會發生。不過地球上的風暴,即天氣圖上的低壓或高壓中心,主要受到太陽加熱驅動而生成,而非水汽凝結。而土星上的風暴,水汽凝結卻是主要動力來源,太陽加熱只是配角。

資料來源:Cassini Shows Why Jet Streams Cross-Cut Saturn[2012.06.25]

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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》