0

0
0

文字

分享

0
0
0

「休士頓,我們發霉了!」NASA的最低個人衛生實驗—《打包去火星》

貓頭鷹出版社_96
・2012/08/14 ・3298字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 494 ・六年級

洛威最出名的身分是阿波羅十三號的指揮官,就是出問題的那個太空人。就像湯姆漢克斯演的電影那樣,一個氧氣槽在前往月球的途中爆炸,切斷指揮模組的電力,迫使洛威和兩位隊員必須在氧氣、飲水和熱能都有限的情況下,在登月艇裡蹲四天。四十年來,大家都一直和洛威說:「我的天哪,你們真悲慘。」我也這麼跟他說,但我指的不是阿波羅十三號的意外,而是雙子星七號。在這次任務中,兩個大男人共處了兩周,都沒洗澡,也沒換過內衣。他們穿著壓力裝,待在一個小到洛威連腿都伸不直的座艙裡。

雙子星七號在 1965 年 12 月 4 日升空,是為了阿波羅登月計畫進行的醫學演習。從月球來回需要兩周時間,但沒有太空人曾在零重力下待過這麼長的時間(NASA 當時的紀錄是 8 天)。如果有任何醫療緊急事故可能會在飛行的過程中發生,譬如說第 13 天之類的,飛行醫師寧願在太空人離地球三百公里的時候就知道可能發生的狀況,而不是等他們到了三十萬公里外才發現。

穿著太空裝擠在金龜車前座大小的空間裡兩周也令人憂心,因為這可能是無法忍受的狀況。凡事小心翼翼的 NASA 提議讓洛威和他的隊員鮑曼在雙子星七號的模擬艙裡進行即時模擬——為了演習做的演習。鮑曼在NASA 的口述歷史中說:「直挺挺地坐在地球上一張噴射椅上十四天?我們馬上就將這個提議打了回票*。」

  • *注:鮑曼有時候很容易生氣。根據洛威的說法:「不管在哪裡,和鮑曼相處兩周都是一種試煉。」

事實上,這麼愚蠢的事根本不用做,因為俄亥俄州的萊特派德森空軍基地已經在進行類似的蠢事了。從 1964 年 1 月到 1965 年 11 月,航太醫學研究實驗室利用八二四號大樓裡的鋁製太空艙模擬器,進行了九項「最低個人衛生」的實驗,其中就包括兩周的雙子星七號模擬。航太醫學研究室的人不會亂來。他們最低的定義是「不洗澡、不用海綿擦身體、不刮鬍子、不修剪頭髮和指甲……不換衣服和床單、不合格的口腔衛生、非到必要不擦拭」,持續時間依照實驗要求從兩周到六周不等。有一組受試者穿著太空裝、戴著頭盔,生活與睡覺四周。他們的內衣和襪子全毀了,要全部換掉才行。「因為體臭太噁心,受試者丙必須在戴頭盔不到十小時的時候,把頭盔先拿下來。受試者甲和乙在這之前早就把頭盔拿下來了。」結果沒有用。拿下頭盔後,體臭「無法遏止地從太空裝的頸部飄散出來」,根據乙在第四天的形容,整個情況「恐怖極了」。這解釋了為什麼鮑曼在雙子星七號第二天的任務紀錄裡,問洛威有沒有衣夾。因為他打算拉開太空裝的拉鍊了。(他對困惑的洛威解釋:「夾你的鼻子用的。」)

另外一組受試者所在環境的溫度被調高到攝氏三十三度左右。雙子星七號的模擬團隊不僅得日夜穿著太空裝兩周,還同樣必須和太空船上的廢棄物收集系統奮戰,洛威和鮑曼很快就會吃到這個系統的苦頭。

為了將骯髒的程度量化,空軍基地科學家會帶這些人——大部分是附近帝騰大學的學生——去活動式淋浴間輪流淋浴,收集流出來的水做分析。布朗是負責模擬太空艙的主管。模擬太空艙的正式名稱是「維生系統評估所」,一般稱為「那個房間」。奇怪的是,布朗記得大家對於淋浴的抱怨最多,因為水不夠熱。他說:「他們不想讓熱水把皮屑煮熟了。」他說的這幾個字聽起來怎麼都不像應該連在一起講。

這個計畫對於受試者來說這麼難受,對研究人員來說也不像玫瑰花瓣那麼浪漫。多虧了他們反覆地嗅聞,才能找出結論:「體味最重的是腋下、鼠蹊部,以及雙腳。」

腋下(胳肢窩)和鼠蹊部能拿到前兩名是因為那裡是身體內分泌汗腺分布的部位。使身體冷卻的外分泌汗腺主要分泌水分,但內分泌汗腺會產生混濁黏稠的分泌物,被細菌分解後就會產生所謂的狐臭。我不知道該怎麼說,或是這對我有什麼啟發,但我從來沒有在陰部發現狐臭。當然是有氣味,但不是狐臭。我問賓州大學的皮膚科醫生兼體味研究員萊登這件事,他證實鼠蹊部有分泌腺體的說法,並且堅持那邊也有類似的味道:「只是沒有那麼容易發現,因為那裡距離感覺器官很遠。」所以我決定就隨他去吧。

內分泌腺體和自律神經系統是一國的,所以恐懼、憤怒和緊張時都會引發大量的分泌物。(測試除臭劑的公司稱之為「情緒汗」,藉此和因為氣溫所誘發的汗液做出區別*。)被綁在升空的火箭上,應該就是萊登口中會「讓這些腺體鞠躬盡瘁發揮所長」的情況。我在電話中問洛威,他記不記得在他們海中降落後,打開雙子星七號艙門的蛙人說了什麼。

  • *注:這就是為什麼有些除臭劑和止汗劑的效果測試會包括「情緒採集」。一群受試者坐著,腋下夾著吸收分泌物的墊子,然後他們會被迫在大家前面唱卡拉OK或說話。接著這些墊子會被拿去秤重,並由專業的氣味評審將腋下的氣味評分。我曾經為了寫體味的文章而受邀參加擔任客座評審。有人跟我說:「用力湊過去聞啊。」

他說:「你研究的是太空飛行裡很不尋常的層面。」他不記得蛙人說了什麼,但他倒是記得打開阿波羅艙門的人說:「太空艙裡有一陣風吹出來,聞起來……」此時洛威發揮了他的優雅本能:「和外面的新鮮海風不一樣。」

腋下的汗水是細菌的食物,也是寄宿的位置。外分泌的汗水大部分是水分,提供細菌生存所需的滋潤。蛋白質豐富的腺體分泌物則是細菌二十四小時的餐廳。(雖然外分泌的汗水不是細菌的食物,但當中的元素分解後也是萊登所謂「大餐的一部分,如果你接受的話。」只是汗水的比較淡,像是更衣室的味道。)

腋下其實也不如看起來的那樣是細菌天堂。汗水具有天然的抗菌特質,雖然它們不是讓皮膚無菌,但至少會抑制細菌生長。這可能是為什麼空軍基地那些男孩子的臭味會到達高原期,而不是會隨著時間愈來愈嚴重。技術報告說明人的體味在七到十天時會「達到最高峰」,接著開始消退。用高度來描述氣味感覺是很奇怪的特性,但在這個情況下,你也很容易想像氣味具有一些物理性質,會愈來愈高,可能還會長出頭、四肢,還有羽毛。

蘇聯太空生物學家切尼高夫斯基在 1969 年自己進行了限制淋浴的實驗,而且還計算了細菌群落。受試者腋下與鼠蹊部的細菌數量大約在第二到第三周左右達到高原期,此時大約是剛洗完澡的皮膚上群落數的三倍左右(除了腳*和屁股,這兩個地方大約是七到十二倍)。海軍研究也有類似的結果,其中有些受試者的細菌數甚至在兩周後開始下滑。

  • *注:腳底和腳指間是細菌的麥加聖地,因為所有的汗水和死皮(繭皮)——數量多,樣式也多。有一種專吃死皮的細菌叫做短乳酸桿菌,會分泌聞起來像熟成乳酪的化合物。不過應該說一些熟成乳酪聞起來像臭腳一樣比較準確。做乳酪的人會固定為他們的作品注射短乳酸桿菌。

另外一種氣味高原期的解釋是,因為人類的體味已經重到沒有人可以判斷臭味是否增加。韋伯定律可以解釋。偵測特定氣味(或聲音或感知)改變的門檻會依照背景氣味(或聲音或感知)的強度而有所不同。假設你在一間吵鬧的餐廳裡,如果噪音程度上升幾分貝,你是無法分辨的;假設這個房間一直很安靜,那你很容易就發現變吵了。如果有人的腋下已經吼了好幾天,你就很難判斷他們是不是又吼得更大聲了。萊登舉他目前在大學擔任划船手的兒子為例。有一年,划船隊決定一直穿著同樣的划船制服,直到他們輸了比賽為止。

「結果他們是那一年的全國冠軍。你根本無法接近那艘船,那裡的氣味可能已經達到高原期,但對我來說就是一直非常可怕。」

到了最後,腦袋會停止追蹤身體的氣味。用萊登的話來說,「有點像『我已經不用提醒你了』。」對於參加航太醫學研究實驗室二十天不洗澡的阿波羅模擬測試的受試者來說,這個臨界點很不幸地直到第八天才出現。

NASA 如果把體味嗅覺喪失列入太空人必須具備的特質之一,應該會很不錯。組成狐臭的重要分子是三甲基二己烯酸與雄烯酮,有些人天生就聞不到其中之一,或是兩種都聞不到(也就是嗅覺喪失)。萊登說:「你有沒有這種經驗:和某人搭乘電梯時,你心想:『他怎麼會臭成這樣?』那可能是因為他對自己的氣味喪失了嗅覺。如果你沒有這種經驗,你可能就是走進電梯裡,被人家懷疑的那個人。」

《打包去火星》太空衛生篇

(全文未完)


 

摘自《打包去火星:太空生活背後的古怪科學》第十章 〈休士頓,我們發霉了——太空衛生與為了科學不洗澡的男人〉。本書由貓頭鷹出版社出版,獲2012年8月PanSci選書推薦

文章難易度
貓頭鷹出版社_96
41 篇文章 ・ 14 位粉絲
貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。


1

4
0

文字

分享

1
4
0

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
156 篇文章 ・ 376 位粉絲
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。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策