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在月球上想喝水怎麼辦?只好吃土了

科學大抖宅_96
・2021/03/21 ・4469字 ・閱讀時間約 9 分鐘

月球,距離我們最近的星體,也是人類離開地球、邁向太空的第一站。長久以來,不管是月球表面的探勘照片、還是太空人登陸月球的錄影畫面,似乎都暗示著:月球是乾燥的不毛之地,不適人居:沒有變形金剛的太空船、也沒有嫦娥或月兔。

最近幾年,我們對月球的認識有了長足進展,越來越多證據表明,月球上不但有水,甚至出現在意想不到的地方,對人類未來的月面活動帶來潛在幫助。

不妨想像:未來人類在月球建立前哨站,駐紮於當地的人員,一切生活所需都有賴地球補給;唯一的例外,可能就是靠挖土取水——這不是掘井,而是要擷取月球土壤內的稀少水分…

月球,全然乾燥之地

打從 1969 年人類首度登陸月球以來,科學家針對帶回地球的月球土壤/岩石樣本,已進行過多次分析,並從中發現諸多元素╱化合物存在的堅實證據——但並不包括水;科學家推測,約莫 45 億年前,原始地球曾與大小接近火星的天體碰撞,產生的物質碎屑環繞地球並逐漸合併,最終形成月球。因為撞擊的龐大能量之故,月球剛形成時,表面覆蓋著岩漿海洋,水和其他高揮發性物質則散逸殆盡——稱為大碰撞假說 (Giant impact hypothesis)。

數十年來,一切跡象在在顯示,月球是個缺水的地方,除了 1976 年,蘇聯的月球 24 號 (Luna 24) 探測器,於月球地底 2 公尺深處,獲取的 170.1 公克土壤之外——蘇聯科學家於 1978 年的論文聲稱,從中發現水的存在。只是,既然美國科學家從未在月球土壤裡發現過水,蘇聯科學家也無法保證樣本絕未受到地球環境污染,這件事就這麼不了了之,沒有被認真看待。

月球,有點乾燥又沒那麼乾燥之地

學界對月球的認知開始改變,是在 2008 年,科學家利用更先進的技術,重新分析早前美國從月球帶回來的火山玻璃岩石樣本,確認了水的微量存在;隔年,印度首個月球探測器錢德拉揚 1 號 (Chandrayaan-1),也發現月球表面疑似存在水分子。

在那之後,有不少月面觀測或者岩石分析陸續得到類似結論,但都不能說是確切證據——主要原因在,各種不同月面觀測看到的訊號,或許來自羥基 (OH),而非水分子 (H2O), 不然就是還有其他解釋;再者,亦有研究顯示,岩石樣本裡發現的水,可能只是少部分特例,而非普遍現象——換言之,月球整體而言還是極度乾燥。

月球隕石坑存在水冰

到了 2018 年,美國的研究團隊詳細分析以前錢德拉揚 1 號上、由月球礦物測繪儀 (Moon Mineralogy Mapper) 得到的近紅外線反射光譜數據,確認月球南北極附近、隕石坑內的永久陰影區域(即太陽光永遠照射不到的區域)覆蓋著冰——這可算是月球表面存在冰的第一個直接證據。

月球南北極附近(左:北緯80度到90度;右:南緯80度到90度)冰的分布圖。綠色和青綠色的點代表含有冰的區域。圖中越黑的區域代表全年最高溫度越低;只有全年最高溫度低於絕對溫標110K區域的冰才會被標出。(圖片來源)
月球南北極附近(左:北緯 80 度到 90 度;右:南緯 80 度到 90 度)冰的分布圖。綠色和青綠色的點代表含有冰的區域。圖中越黑的區域代表全年最高溫度越低;只有全年最高溫度低於絕對溫標 110K 區域的冰才會被標出。圖/參考文獻 5

只不過,在這些隕石坑的永久陰影地帶,冰覆蓋的比例不但很低,還混雜了大量塵土,相當不尋常。數年前,科學家相繼在水星和穀神星(Ceres,位於火星和木星軌道之間主小行星帶的天體)的隕石坑永久陰影區域發現冰,而且豐富度和純度都比月球的冰高上許多——這樣的結果顯示,月球上的水,起源或演化可能跟水星和穀神星的水很不一樣;若能明白兩者差異的來由,將幫助我們更加理解月球的歷史。

月球的冰如何演變?

雖然科學家目前還未能完全解釋月球的水文,但有人猜測,早期月球曾擁有溫暖、潮濕的大氣,現在的水是當時的殘留,經過時間的流逝,逐漸擴散、消失,演變成現今的樣貌。另外一種可能,則是因為月球的真極移(true polar wander,即星球自轉軸的位置變化造成地理南北極極點的移動)現象,長久下來造成隕石坑內的陽光曝曬不均,所以永久陰影區內的冰才會分布零散、不規則。

真極移示意圖:地球自轉軸位置改變,造成地理南北極的位置變化。圖/Wikipedia

還有個問題是,上述研究使用的近紅外線反射光譜法,只能告訴我們月球表面的狀況,無法顯示地面以下的冰層分布;所以,這些位於隕石坑永久陰影區域的冰,究竟有多少?只是表面薄薄一層呢?還是像冰山一樣,有大量的冰埋藏在地底深處?這都有待之後,利用其他觀測方法進行分析,或甚至直接獲取月球地底的土壤樣本,才會知道了。

紅外線天文觀測神器——平流層紅外線天文台

另一方面,要研究月球上的水,其實在地球也能進行,不一定要將探測器送往月球;美國國家航空暨太空總署 (National Aeronautics and Space Administration,NASA) 和德國航空太空中心 (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.,DLR) 的聯合計畫,由 1995 年退役的大型商用飛機波音 747SP 改裝而成、主鏡口徑達 2.7 公尺的反射望遠鏡——平流層紅外線天文台 (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,SOFIA),就對月表水分子的觀測做出重要貢獻。

平流層紅外線天文台於觀測機艙門打開時的樣貌。圖/Wikipedia

一般而言,當星體發出的光線抵達地球時,會跟大氣層中的物質分子或粒子作用,造成很大一部份的電磁能量被吸收或反射;而地表上空無處不在的水氣,正好是很強的紅外線吸收氣體。因此,以紅外線為目標的天文觀測,非常難以在地面進行。

基於上述原因,平流層紅外線天文台的最大特點,就是在夜間於 13 公里高空飛行,位處大氣層 99.8% 的水氣之上——這讓科學家不需要依賴太空望遠鏡,也能避免水氣干擾、進行靈敏的紅外線天文觀測;同時,平流層紅外線天文台的高機動性也是一大優點:它能夠飛往地球上的任意角落,全方位觀測夜空,不像傳統地面望遠鏡受到位置限制。

電磁波在不同波長(橫軸)對應的大氣不透明度(縱軸)。不透明度越高,代表該波長的電磁波越難穿透大氣層;紅外線的波長比可見光(圖中彩虹部分)的紅光更長,約為700nm(奈米)至1mm(毫米),極大一部份波段都難以穿透大氣層。波長極短的伽馬射線、X光和紫外線也很大程度被大氣層擋住,所以跟紅外線一樣,適合用太空望遠鏡觀測。容易穿透大氣層的可見光和部分波段的無線電波則可用地面望遠鏡觀測。圖/Wikipedia

月球上的水不只冰

2018 年 8 月 31 日晚上,時為夏威夷大學馬諾阿分校 (University of Hawaiʻi at Mānoa) 博士生的霍尼博爾 (Casey I. Honniball),和研究團隊成員利用平流層紅外線天文台,對月亮南半球的中高緯度地區、克拉維斯環形山 (Clavius) 一帶,進行了十分鐘觀測,這也是平流層紅外線天文台第一次被用來瞄準月球。沒想到,這次半試驗性質的觀測,帶來出乎意料的驚喜。

天文台接收到強烈的紅外線訊號,波長六微米(百萬分之六公尺)。合理推測,這是月球表面的特定物質受陽光照射後,又將吸收到的輻射能量釋放出來所致。這個結果,作為霍尼博爾博士論文的一部分,於 2020 年 10 月發表在《自然.天文學》 (Nature Astronomy) 期刊網站。

究竟是什麼物質能夠放出波長六微米的紅外線呢?研究團隊表示:「除了水之外,我們並不知道任何月球上合理存在的其他物質,會展現出單一的六微米(波長)光譜特徵。」

過往,針對月球水的研究,很大一部份重心都放在隕石坑的永久陰影區——畢竟那裡溫度最低,也是最有可能存在水冰的地方。儘管也有跡象顯示,陽光照射的月面區域,似乎存在著水 (H2O) 或羥基 (OH),但一直沒有證據確認何者為是。這次的研究,不但證實以前探測器看到的訊號為水,也表明了,水不只存在月球隕石坑的永久陰影區,甚至可能以冰之外的形式,出現在陽光普照的月面大地。

研究團隊在不同位置觀察到的波長六微米紅外線訊號。紅線和紅字代表水含量最豐富之處的譜線和詳細位置;黑線和黑字代表水含量最貧乏之處的譜線和詳細位置。圖中可以看到,在波長(橫軸)六微米之處,紅外線放射相對強度(縱軸)都很高。(參考文獻9

月球的水知多少?

那麼,缺少了隕石坑的陰影保護,這些水又是如何得以保存、不會散失呢?研究團隊認為,水分子極可能是儲存在自然產生的火山玻璃中,或是被夾在岩石粉塵的微小結晶之間――兩者都能隔絕月球表面的極端溫度變化(約絕對溫標 95K~390K),和接近真空的環境。

根據觀測結果,每立方公尺的月球土壤,含有數百公克的水——看起來不少,但其實只有地球撒哈拉沙漠土壤含水量的百分之一;研究團隊同時表示,這可能只是區域性的地質現象,而非整個月球的一般性結果。

接下來,還需要仔細在月球表面做大範圍觀測,研究水含量隨時間和緯度的變化——這將幫助我們明白這些水的生成和儲存,以及在月表的分布狀況。

未來展望

如果我們對月球的水資源,包括其型態、集中度、分布位置、豐富度等等瞭解越多,未來就越可能妥善運用它。這些水不但能夠作為未來月球前哨站的人員所需,甚至也能還原成氫和氧,製造可呼吸的氧氣,或者成為火箭燃料。幸運的話,或許我們不用到偏遠的隕石坑永久陰影區,冒險採取冰塊;只需要在陽光照耀之下挖掘土壤,就能得到足夠使用的水;從地球過去的補給也可以省下裝水的空間,以放置研究儀器。

無論如何,目前最重要的事,就是持續探索未知:除了遠距測量之外,也需要月球的登陸任務,以驗證許多研究推論。NASA 現在的阿提米絲 (Artemis) 計畫,打算於 2024 年重返月球,屆時也預期會產生第一位登陸月球的女性太空人。一切順利的話,2028 年將會有月表的長期任務;而我們在月球學習到的經驗,都將作為宏偉的下一步——人類登陸火星的養分。

參考資料

  1. Leonard David (2020/10/26), “Water Found in Sunlight and Shadow on the Moon”, Scientific American.
  2. Leonard David (2018/08/21), “Beyond the Shadow of a Doubt, Water Ice Exists on the Moon”, Scientific American.
  3. Kimberly Ennico et al. (2018), “An Overview of the Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy Since Full Operation Capability”, J. Astron. Instrum. 7, 4, 1840012.
  4. E. T. Young et al. (2012), “Early Science with SOFIA, the Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy”, ApJL 749, L17.
  5. Shuai Li et al. (2018), “Direct evidence of surface exposed water ice in the lunar polar regions”, PNAS September 4, 115, 36, 8907.
  6. Alberto E. Saal et al. (2008), ”Volatile content of lunar volcanic glasses and the presence of water in the Moon’s interior“, Nature 454, 192.
  7. C. M. Pieters et al. (2009), “Character and Spatial Distribution of OH/H2O on the Surface of the Moon Seen by M3 on Chandrayaan-1”, Science 326, 5952, 568.
  8. Arlin Crotts (2011), “Water on The Moon, I. Historical Overview”, Astronomical Review 6, 7, 4.
  9. C. I. Honniball et al. (2021), “Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA”, Nature Astronomy 5, 121.
  10. NASA (2020/10/26), “NASA’s SOFIA Discovers Water on Sunlit Surface of Moon”.
  11. Humboldt State University, “Atmospheric Absorption & Transmission”, Introduction to Remote Sensing.
  12. Simon J. Lock and Sarah T. Stewart (2019/07/01),〈浴火而生-改寫月球起源〉,科學人。

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要認清人家長得「圓滾滾」,真的有這麼難?關於地平說的二三事

Mia_96
・2021/04/17 ・4773字 ・閱讀時間約 9 分鐘

「地球到底是不是圓的?」這個疑問從過去到現在一直是為人所樂道的話題。

平的地球?圓的地球?

雖然對大部分臺灣人來說,地平說幾乎就是驚世駭俗、毫無基本常識的說法,然而,真實世界中真的有那麼一群瘋狂的人,認為「圓地球是 NASA 的謊言」,甚至呼籲「大家不要被科學家騙了」,並且創立所謂的地平說協會(Flat Earth Society)、盛大舉辦討論地平說的研討會。

地平說支持者們認為地球其實像是一張 CD。圖/Pixabay

對於這些地平說支持者來說,地球究竟長成什麼樣子呢?事實上,有許多地平說支持者都強力主張「地球像是一張 CD」,北極,就是 CD 的中心點,而南極,則圍繞著 CD 外圈的區域。

在科學、科技發展快速的 21 世紀,對於受過義務教育、習得基本科學知識的現代人而言,地球究竟是圓的還是平的,這個問題我們早就有了一定的共識和解答,因此,目前只有極少數人被地平說的論點所折服。

然而,在古代,人們卻很難想像,我們所身處的地球竟然是一顆圓球!

「如果地球是圓的,為什麼我們不會掉進無盡的宇宙?」、「如果地球是圓的,為什麼人可以站在平面上?」,太多太多問題,都使得地球是圓的這件事情不被眾人所接受。

古代人才不笨!圓地球的種種跡象

但其實,早在古希臘,人們便已經透過許多不同的方式去佐證地球是圓的,而後這個想法便被稱之為「地圓說」。

學者們也漸漸提出許多關於地圓說的相關證據,例如,觀察遠方駛近港口的船,如果地球是平的,人們應該會直接看到整艘船緩緩駛入港口,但在船駛入時,人們卻是先看到船桿,才逐漸看到船體。

有不少古代學者透過觀察生活中的各種跡象,支持並贊同地圓說。圖/Pixabay

當月食發生時,擋住月球的地球影子看起來是圓弧形狀,人們從中推測地球也應該是圓球狀,此外,在各緯度旅行的商隊也發現,當越往北方高緯度走時,北極星的仰角越來越高,且不同緯度看到的星座位置也會發生改變。

種種證據都讓古代人越來越相信地圓說,並且開始接受其實地球是一顆圓球。而古希臘學者——埃拉托斯特尼,便是利用地圓說為基礎,成功算出地球周長!

兩千年前,人家就算出地球的圓周長啦!

埃拉托斯特尼是一位精通數學、天文、地理等各種面向的古希臘學者,居住在亞歷山卓城。

古希臘學者埃拉托斯特尼。圖/Wikipedia

在亞歷山卓城的南方有一座賽伊尼城,每當夏至(太陽直射北回歸線)時,太陽會剛剛好位在賽伊尼城的上方,而太陽光也會直直地射入賽伊尼城的一口井裡,當埃拉托斯特尼聽說這件事情時,便想到了測量地球周長的方法。

賽伊尼城與台灣在地圖上的相對位置。圖/作者提供

當太陽直射北回歸線當天中午,埃拉托斯特尼在亞歷山卓城立了一根垂直的木棍,根據木棍的影子測量出當天太陽照射亞歷山卓城的角度,他發現,當天正午時刻,太陽並不在亞歷山卓城的正上方,而在稍微偏南一點的天空中,埃拉托斯特尼測得太陽光射到地面的角度與豎立的木棍中間夾了大約 7.2 度的夾角。

因太陽距離地球很遠、很遠、很遠,我們可以將太陽光視為平行光,當太陽光照射到亞歷山卓城豎立的木棍,並夾了 7.2 度的夾角時,透過推算可以得知,從亞歷山卓城延伸到地心時與賽伊尼城延伸到到地心時的角度同時也夾了 7.2 度的夾角(即數學中內錯角的概念)。

從亞歷山卓城延伸到地心時與賽伊尼城延伸到到地心時的角度同時也夾了 7.2 度的夾角。圖/作者提供

換句話說,即是代表亞歷山卓城與賽伊尼城這段圓弧線所對應的弧長為 7.2 度,這時,只要再知道亞歷山卓城與賽伊尼城兩地的距離,便可以用比值的方式去得出地球真正的圓周長度。

埃拉托斯特尼詢問了往返兩地的駱駝商隊,簡易估算從亞歷山卓城到賽伊尼城的距離約為現今的 800 公里,既然 800 公里的弧長對應到 7.2 度,地球是球體,所以應為 360 度,埃拉托斯特尼便利用了比值的方法算出「地球的總長,應為 4 萬公里左右」。

自此,透過駱駝與影子,埃拉托斯特尼成為了丈量地球周長的第一人,而距今兩千年的埃拉托斯特尼所測出的地球周長,也與現今我們所測得的地球周長十分接近。

距今兩千年前,埃拉托斯特尼就算出地球的圓周長啦!

中國人「天圓地方」的宇宙觀

西方的地圓說使的埃拉托斯特尼找出地球周長,而在東方,則發展出兩種不同的學說——蓋天說渾天說

蓋天說與渾天說同時認為「天道圓,地道方」,兩者最大的不同在於:

  • 蓋天說:我們所站立的地面是被一個「半球體」所覆蓋。
  • 渾天說:我們所站立的地面是被「一整顆圓球」圍繞。

雖然兩個學說對於天的概念十分相背,但卻同時認為,我們所站立的地面是平的,而並不是一顆球體。

在蓋天說與渾天說的爭論中,最後到底由誰勝出?一直到了唐朝,天文學家僧一行為了修改曆法而進行天文測量時,才成功確立渾天說的地位!

當時唐朝所使用的曆法顯示,九月某一日應該會發生日食現象,但觀測後的結果卻與當時曆法產生極大的差異,唐玄宗便決定要修正曆法上的誤差,而當時修正曆法的工作,便交給了僧一行等人。

曆法的制定與地球繞著太陽公轉大有相關,以現今時常聽到的 24 節氣為例,就是透過太陽正午時的仰角所訂定出來的,因此,僧一行決定先測量中國各地,當正午時分太陽光照射到地面時,竿影長度的變化,藉由太陽照射角度與影子的變化,推算正確的曆法時間。

僧一行想利用太陽照射角度,去推算正確的曆法時間。圖/Pixabay

中國史上第一次全國大地測量!

首先,僧一行找出數個觀察點,北至蒙古,南至越南,開始測量每一個觀察點在不同日期的正午,太陽照射所產生的「竿影長度」。

古代流傳著「日影一寸,地差千里」的說法,因此當時的中國人大都認為,當兩個地方測量到的竿影長度相差一寸(約為現在的 2.5 公分),則兩地的距離相差為 1000 里(約為現在的 250 公里)。

然而,隨著僧一行等人不斷測量和計算,他發現,測量數據並不符合「日影一寸,地差千里」的說法,當兩地距離千里時,竿影長度並不一定相差一寸。

地圓說與地平說造成日影丈量的誤差。圖/作者提供

為什麼古代人會流傳著「日影一寸,地差千里」這種錯誤的論點呢?因為當時無論是蓋天說或是渾天說,都認為地球是平的!在天圓地方的宇宙觀中,古代人認為,不同地點會接收到來自不同角度的太陽光,並使得不同地點的竿影長度會隨著距離越遠而變得越長(上圖右方)。

但實際上,造成各地竿影產生差異的關鍵,其實是因為地球本身是一顆自轉軸傾斜的「球體」,在遙遠太陽的直射光之下,才顯得各地太陽照射角度隨著時間而不同,並在各地產生不同長度的竿影!

既然「日影一寸,地差千里」來自地平說的錯誤基礎,當然就不符合與僧一行等人測量出來的資料結果啦!

然而,雖然僧一行等人推翻了過往的說法,卻不知道箇中原因。

他不僅是和尚,也是一位天文學家

除了駁斥過往的說法,僧一行等人也找出其他的規律!

當時學者們已經具有各地所看到的星空會產生改變的知識基礎,所以僧一行不僅在各地測量了竿影長度,也開始測量各地所看到的「北極星仰角高度」

北極星仰角高度,就是從地面抬頭仰望北極星之角度,如同當今「緯度」的概念,而僧一行好奇的是,各地北極星的高度變化(也就是各地緯度)與兩地距離之間是否有相關。

透過計算,僧一行等人發現,當兩地在同一子午線上間隔約 130 公里時,其北極星高度約相差 1 度,也就是在同一條經線上,當兩點的緯度相差 1 度時,距離約相隔 130 公里註1!僧一行等人透過北極星高度成功算出子午線上的 1 度長!

僧一行算出了經線上緯度相差一度時的長度,也就是緯度改變一度時經度上南北方向的距離變化。圖/Wikipedia

算出經線的長度了,然後呢?

隨著僧一行等人持續進行精密的計算與後續的天文觀測,最終成功為唐朝編制出《大衍曆》,不僅解決曆法上的誤差,更使大衍曆成為後續曆法的重要基礎。

等等!就這樣?他們只測得子午線的 1 度長?

然後,就沒有然後了。僧一行等人只有算出子午線 1 度長,並沒有繼續算出地球圓周長。追根究柢,僧一行等人止步於此的主要原因,最終還是回歸到當時東方人所信奉的是「渾天說」而非「地圓說」。

由於渾天說認為地面是平的,因此僧一行等人雖然算出子午線的 1 度長,但他們受困於根深蒂固的古代東方宇宙觀而無法繼續往下思考,也無法像埃拉托斯特尼一樣得出地球的圓周長。

逐漸擺脫地平說的掌控

到了明朝,雖然中國科學家終於提出了「接近」地圓說的概念,但仍難以擺脫地平說的影響,使得他們提出的概念比較偏向「陸球觀」:只勉強承認大地是圓的,但四周的海洋依舊是平面的圍繞著大地。

換句話說,雖然明朝科學家認定「地表是圓球狀」的結構,但其背後的核心觀念還是較接近地平說的觀點,他們勉強承認大地是球形的,但認為海洋是平面的,海洋佔據宇宙的下半部,而陸地浮在平面的海洋上。

「圓地球」的概念,到了明朝末年才漸漸開始走進中國人的心裡。圖/Pixabay

直到明朝末年,西方傳教士逐漸將西方的地圓說、地圖帶至東方後,「地球」的概念才逐漸被東方所接受,而世界各地的人們,也透過科學家們提出的各種證據開始相信,地球是一顆圓球!

無論是埃拉托斯特尼成功算出地球周長,或是僧一行得出子午線一度的長度,其實科學就是一個不斷演進的過程,科學家不斷在過程中發現、嘗試、犯錯、再發現,跳脫過往不曾懷疑過的觀念,抽絲剝繭並發展出新的知識。

從地表到外太空,再到整個太陽系,人類經歷了多少的努力?圖/Pixabay

對於 21 世紀的我們來說,「地球」只是平凡不已的常識,地球圓周長、經緯度座標系也是教科書上實實在在的數字與基本概念,但現在,我們知道,在這些看似「理所當然」的背後,其實是數百、數千來的嘔心瀝血與跋山涉水。

註解

  1. 今日所得之經線 1 度長約為 111.7km。

參考文獻

  1. 楊榮垓,楊效雷(2018)。一位身披袈裟的科學家:僧一行的故事。
  2. 宋正海. (2012). 傳統地平大地觀. 中華科技史學會學刊, (17), 79-82.
  3. 【大宇宙小故事】01 平的還是圓的 | CASE報科學

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