《比宇宙更遠的地方》及其背後的科學——你不可不知的科幻動畫（一）

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 採訪撰文／陳儀珈
• 責任編輯／簡克志
• 美術設計／蔡宛潔

有變好，但還遠遠不夠好

空氣雖然平常摸不到也看不到，但是它大大影響我們的生存空間，例如每日上下班聞到的汽機車廢氣、巷口小吃店的油煙，以及其他隱藏在社區的 PM_2.5 污染源等。這些年下來，臺灣整體的空氣品質是變好還是變壞？中央研究院「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光，請他深入談論空氣污染物 PM_2.5 和臭氧的變化趨勢，以及都市區空氣品質的首要難題：「衍生型 PM_2.5」。

臺灣的空氣品質到底有沒有進步？

2012 年 5 月，環境保護署發布「空氣品質標準修正草案」正式將 PM_2.5 納入臺灣空氣品質管制，從圖表中可以看到，自 2012 年以來，PM_2.5 的平均濃度的確有逐年降低的趨勢。

PM_2.5 除了逐年降低之外，大家也可以觀察到， PM_2.5 其實有非常強的「季節性」。

一般而言，秋天、冬天時，中西部大多位於中央山脈的背風面，風速微弱不易將污染物吹散，污染濃度相對高；反之春天、夏天時，因為擴散條件好，污染濃度就相對低。

因此，夏天時，臺灣各縣市的污染狀況差異不大，但一進入秋冬，污染濃度在空間分佈上就呈現出非常明顯的差異：中南部特別嚴重。

隨著時間推進，PM_2.5 污染正在逐漸改善，但整體而言，污染情況還是很嚴重，尤以中南部更為嚴峻。我們可以說，臺灣空氣品質在眾人努力之下慢慢變好，但我們離好的空氣品質仍然有一段很遙遠的距離。

「在變好，可是遠遠不夠好」周崇光這麼說。

大家的濃度都在降，除了臭氧？

前面已提到 PM_2.5 濃度逐年降低，其他空氣污染物諸如非甲烷碳氫化合物（NMHC）、氮氧化物（NOx）的數據都有逐年下降的趨勢，但臭氧（O₃）一枝獨秀，不僅沒有變少，有時甚至還會有上升的跡象。

這到底發生了什麼事？

若想要了解箇中原因，我們必須回顧臭氧的形成機制，與都市的光化學煙霧（Photochemical smog）有關（見下圖）。

首先，氮氧化物（NOx）和揮發性有機化合物（VOCs），是形成臭氧（O₃）的主要前驅物。

二氧化氮（NO₂）在紫外線的照射下（hν 表示能量），會分解成一氧化氮（NO）和一顆氧原子（O），當這顆氧原子碰到氧氣（O₂）時，就跑出臭氧（O₃）。

當揮發性有機化合物（VOCs）碰上氫氧自由基（OH·）時，會被氫氧自由基氧化形成有機過氧自由基（RO₂·），有機過氧自由基隨後會氧化一氧化氮（NO），並使二氧化氮（NO₂）再生回來，由此可在大氣中循環產生臭氧。

等等，那臭氧持續上升的原因是？

雖然 NO₂ 被紫外線分解後會產生 NO 和 O₃，要注意的是 NO 碰上 O₃ 時，又會反應為 NO₂，於是 NO—NO₂—O₃ 在大氣中保持著動態的平衡關係，因此當我們減少一氧化氮的污染時，上述的光化學平衡就會有利於增加臭氧的濃度。

而在過去這些年，我國的污染防制使得大氣中氮氧化物濃度一直在減少，一氧化氮也相應下降，當一氧化氮越來越少的時候，也越來越少的臭氧會被轉化成二氧化氮，使得累積在空氣中的臭氧變多了。

因此，我們在下圖可看到，代表臭氧的紅線上升了，而代表二氧化氮的綠線下降了。

既然無論空氣品質變好或變壞，臭氧的濃度都很高，甚至都會變高，那麼研究人員到底該怎麼確認整體空氣品質真的有所改善？

周崇光指出，事實上，只要將「臭氧和二氧化氮的濃度加起來」，統合為「大氣氧化劑的濃度」，並和其他污染物進行比對，就可以從數據中確認：即使臭氧的濃度上升，但兩者總和的數據是減少的、空氣品質的確正在改善！不過還要更加努力才能克服上述的困境，進而成功降低大氣中臭氧的濃度。

衍生型 PM_2.5：都市空氣品質的挑戰

我們總是用 PM_2.5 來統稱粒徑小於或等於 2.5 微米的細懸浮微粒，用 PM₁₀ 統稱粒徑小於或等於 10 微米的懸浮微粒，也就是說，它指的是粒徑在某個尺寸內的粒子濃度。

然而，你有沒有想過，這些懸浮微粒到底包含了哪些東西呢？

周崇光笑著說，「裡面五花八門，什麼怪東西都有啦！」，懸浮微粒的成分可是高達上百種呢！

臺灣的 PM_2.5 組成非常複雜，像是海鹽、元素碳（也稱黑碳，EC）、硝酸離子（NO₃-）、硫酸離子（SO₄²-）、銨離子（NH₄⁺）、重金屬、以及各式各樣的有機化合物等等，不同縣市的組成分布也有所差異。

比較中研院過去（2003-2009）與環保署最近（2017-2021）各自調查的 PM_2.5 化學組成，近五年來雖然臺灣 PM_2.5 整體濃度下降了，但是 PM_2.5 主要的組成分布則沒有明顯改變。

周崇光提到，要解決臺灣的 PM_2.5 空污問題，減少衍生型 PM_2.5 才是主線！

與黑碳、海鹽這些直接來自大自然或人為產生的「原生」微粒不同，大部分硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和有機微粒是在大氣中經過複雜化學反應「衍生」而成的，因此稱為「衍生型 PM_2.5」。

衍生型微粒的生成，除了需要有特定的前驅氣體，例如：SO₂ 氧化後產生硫酸鹽、NO₂ 氧化後產生硝酸鹽，以及有機氣體氧化後產生有機微粒等；還需要有促成反應的大氣氧化劑，例如：臭氧（O₃）和氫氧自由基。

這顯示出臺灣的 PM_2.5 跟臭氧是一體兩面的空污難題。

由於高濃度的衍生型 PM_2.5 在人類肉眼來看宛若煙霧一般，再加上是由一系列光化學反應而成，因此又稱為光化學煙霧。

中研院團隊過去幾年持續在臺灣地區進行的 PM_2.5 的化學特徵調查，研究顯示，衍生型 PM_2.5 在細懸浮微粒污染中佔據了非常大的比例（>70％）。然而可惜的是，礙於儀器技術的關係，團隊無法在全臺灣遍布監測 PM_2.5 成分的儀器。

若是想要將不同來源的 PM_2.5 化學成分準確即時的分析出來，這樣的儀器造價不菲。因此周崇光表示，在光化學煙霧的議題上，大氣科學家的目標並非獲得長期連續的監測資料，而是在關鍵的幾個研究站中，致力於找出光化學煙霧的基礎理論架構和反應機制，並協助政府機關制定防制策略。

就在臺中！全臺第一座都市空氣污染研究站

為了釐清城市臭氧和 PM_2.5 濃度變異的物理化學機制，中央研究院環變中心底下的空氣品質專題中心於 2021 年底，在臺中建立了全臺第一座整合都市氣象學和大氣化學的研究站，是國內目前最完整的大氣物理化學監測站。

在這個研究站中，大氣科學家除了可以即時監測 PM_2.5 的濃度，也可以掌握懸浮微粒的化學成分，包括量測揮發性有機物、二氧化氮、二氧化硫、一氧化氮、臭氧等微粒前驅污染物的濃度變化，藉此釐清都市空品的關鍵因子，協助研擬污染防制策略。

然而，為什麼要將研究站設立在臺中呢？周崇光表示，「無論是人口、能源、地理位置，還是大氣科學的角度，臺中均有著特殊的價值和意義」。

在空氣品質不佳的中西部之中，臺中不僅是人口數最多的都市，地理位置也讓臺中的邊界層條件具有相當高的複雜性，若能破解臺中盆地大氣環流的詳細機制，將對都市氣象學帶來可觀的突破，而臺中火力發電廠的污染和牽涉的能源議題，更是國內社會相當關注的重要焦點，因此，中研院空品專題中心最終決定將研究站設立於臺中。

中研院空品專題中心預計在三年後（2025 年），於臺中研究站取得第一階段的經驗和資料，隨後延伸應用至臺灣的其他城市，希望能透過學術研究與各單位協作逐步解決都市空氣品質的問題，突破當前空氣污染防制的瓶頸。

如果天空少了月亮？文學家應該會很難過，音樂家也會少了創作的題材，沒有中秋節就少了月餅，也沒有烤肉。不過夜晚少了一個大光害，天文學家絕對會很高興！

潮汐變小、一天變短

地球上的潮起潮落，主要是月球繞地球運行造成的。太陽也會影響地球的潮汐，不過對地球的潮汐力只有月球的 46%。如果沒有月球的話，造成地球潮起潮落就只剩下太陽，滿潮和乾潮的幅度就會變小。

月球讓地球產生的潮汐，使地球愈轉愈慢。數十億年前，地球剛形成時，地球自轉的速度比現在快許多；因為月球的潮汐力，讓地球自轉的速度漸漸變慢，慢到現在的一天 24 小時。如果沒有月球，地球的一天可能不到 10 小時。

左搖右晃的地球

月球就像是走鋼索的人握的平衡桿，讓地球自轉軸保持穩定，如果少了月球這個平衡桿，地球自轉軸左搖右晃的幅度就會變大。

目前地球自轉軸相對於公轉平面的傾斜角是 23.4 度，因為月球的存在，這個傾角的變化幅度不大，大約在 22.1 度和 24.5 度之間。傾角讓太陽直射地球的位置在北回歸線和南回歸線間移動，讓地球出現四季變化。

如果沒有月球，地球的自轉軸變動的幅度就會變大，自轉軸的變動會對我們有什麼樣的影響？假設兩個極端的例子，地球的自轉軸傾角是 0 度和 90 度。

如果地球傾角是 0 度，太陽永遠直射赤道，地球上不會有北回和南回歸線，地球將不再有四季變化。

如果地球傾角是 90 度，太陽直射的區域會從北極到南極，也就是北回歸線位在北緯 90 度（也就是北極點），而南回歸線在南緯 90 度（南極點）。這種情況下，地球四季變化會非常劇烈，北半球夏天時，北極不會結冰，溫度比現在還高，南半球冰凍的區域比現在還大，這種極端氣候絕對不利現在地球上生物的生存。

月球替地球擋子彈

月球是地球的衛星，一直以來它都保護著我們的地球。用望遠鏡看月球，會發現月球上有許多坑洞，這些坑洞幾乎都是隕石撞擊後形成的隕石坑，表示月球在早期受到許多的撞擊。如果少了月球擋下這些隕石，這些隕石可能就會撞上地球。

隕石撞擊對地球的生命影響很大。6600 萬年前，一顆 10 公里左右的隕石撞擊地球，造成恐龍滅絕。恐龍滅絕後，哺乳類才能興起，人類才有機會出現在地球上。

那些沒有被月球擋下的隕石，如果撞上地球，可能會改變地球物種的演化，人類說不定就不會出現在地球！ 最後，如果沒有月亮，阿姆斯壯和另外 11 名阿波羅太空人也就無法登陸月球。人類少了探索月球的寶貴經驗，要直接踏上其他行星表面（例如火星），難度會高許多，甚至變得不可能！

• 作者／陳子翔｜師大地球科學系、EASY 天文地科團隊創辦者

看到下圖密布於太陽系的小行星軌道，你是否會對小行星撞地球這樣的災難感到擔心呢？

事實上面對小行星的撞擊風險，科學家也是嚴陣以待。畢竟即便是一顆直徑只有數十公尺的小行星撞上地球，其威力也足以摧毀一座城市。更何況還有許多直徑數百公尺，甚至數公里的近地小行星（near-Earth asteroids）存在。因此，對於這些小行星的觀測、研究與監控就顯得格外重要。

揪出藏身夜空中的小行星

對近地小行星監測的第一步，就是要先找出「它們在哪裡」。如同在戰場上比起收到敵方要發動攻勢的情報，更可怕的就是連敵人是誰、敵人在哪裡都還不清楚就被暗中襲擊了。

然而棘手的是，由於直徑小，反照率低的特性，小行星的亮度往往非常低，需要仰賴觀測性能強大的天文台才有辦法看見它們。但大型天文台的觀測視野卻通常很小，難以有效率的「掃描」廣大的夜空，而且這些天文台本來就有很多天文研究工作要進行，能撥給小行星觀測的時間也相當有限。

有鑑於這些因素，專門設立搜尋近地小天體的計畫與望遠鏡，就成了更合適的選項。像是林肯近地小行星研究小組（Lincoln Near-Earth Asteroid Research, LINEAR）、卡特林那巡天系統計畫（Catalina Sky Survey, CSS）以及泛星計畫（Pan-STARRS）等。它們扮演「小行星獵人」的角色定期掃視夜空，尋找移動中的可疑光點。目前透過這些計劃發現的近地小行星已經多達數萬個。

用自動化的監測系統，找出小行星中的「危險份子」

發現這些小行星的下一步，就是由觀測資料計算出它們的軌道，並找出哪些小行星對於我們的威脅比較大。而面對數量龐大的近地小行星資料，NASA 噴射推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）早在 2002 年就開發出一套名為「哨兵（Sentry）」的監測系統，運用設計好的演算法，自動化的評估每個近地小行星撞擊地球的機率，並列出對地球威脅比較大的小行星名單。

以目前的速率來看，每年大約有 3000 個新的近地小行星被發現。而未來隨著更多更先進的天文台投入小行星搜尋的計畫，可以預期小行星的發現數量還會出現顯著的成長。因此就在不久前，NASA 的天文學家已發展出下一代更先進的小行星監測系統：哨兵 II（Sentry II），以因應未來更龐大的資料，同時也對已經使用了近 20 年的哨兵系進行補強。

監測系統升級上線，更完善的為地球把關

就如同各種應用程式都會進行版本更新，並在更新中修正上一個版本的缺點，這次哨兵 II 系統的升級，也從哨兵一代系統多年累積的經驗進行修正。

首先，第一代哨兵系統只有計算萬有引力對小行星軌道的影響，並沒有考量其他外力，例如來自太陽的輻射壓等等。這些力量雖然相對微小，但積少成多、聚沙成塔，長期下來也能影響小行星運行的軌道。另一方面，由於小行星本身會自轉，因此小行星的受光面和背光面會不停改變方向，如此一來熱輻射對小行星造成的力，也會隨著轉動而變化，這個效應被稱作「亞爾科夫斯基效應」（Yarkovsky Effect）。而哨兵 II 的演算法都有將這些因素納入考量，讓小行星的軌道估計算更為精準。

再來，當小行星的非常靠近地球時，受到地球引力的影響，軌道以及速度都會大幅改變。其原理與太空探測器借助行星的引力來改變自身的軌道和加減速的「重力彈弓」效應相同。

然而太空探測器上面有很多精密的儀器提供科學家精準的定位，小行星卻只能透過地面觀測來估算出它的軌道，科學家其軌道掌握的精確度當然就比較差。而當小行星接近地球時，軌道的計算誤差就會被大幅放大。一個小行星飛掠地球時幾百公尺的誤差，到了下一次來訪時可能就成了幾千公里的差別了。而這幾千公里，就有可能是「撞上地球」和「安全通過」的差距。好消息是，由於在軌道計算上考量的因素更全面，演算法也更加精密，讓哨兵 II 即使在面對這樣的狀況，也能計算出更為精準的結果。

最後，哨兵 II 系統在計算小行星的撞擊風險時，判斷的方式也相較上一代系統更縝密。如同任何觀測與測量，小行星的軌道也會存在誤差，而哨兵 II 會從小行星軌道的誤差範圍內隨機取樣進行計算，以檢查小行星有沒有撞上地球的可能性。相比於第一代哨兵系統預先將有撞擊風險的軌道推算出來後才評估撞擊機率的做法，這樣的更新能降低漏網之魚出現的可能性。

持續探索可能的威脅

小行星、彗星等天體的撞擊一直以來都是很多科幻作品的題材。從科學的角度來看，太陽系中也的確存在非常多小天體，可能對地球上的生命構成威脅。雖然對於近地小天體的災害預防，當今的科學與科技還遠達不到萬無一失的程度，但過去三十年，人類對近地小行星的認識已有了顯著的進展。從搜尋小行星的各個計畫，到針對小行星的太空探測任務，以及本篇文章介紹的兩代哨兵監測系統，都帶給我們許多重要資訊，立下人類面對小行星撞擊風險時不可或缺的基石。

延伸閱讀

• 災難片成真！？小行星「貝努」行蹤飄忽，撞地球的機率有多大？
• 夜空中的守望者－ 望遠鏡如何保衛地球? 科學月刊 600期
• 天文觀測的新挑戰──談泛星計畫

參考資料

• NASA’s Next-Generation Asteroid Impact Monitoring System Goes Online
• A novel approach to asteroid impact monitoring and hazard assessment