卡西尼號觀測到泰坦大氣驟然轉變

日前，在距離美國海岸線一萬八千公尺的領空，飛彈 AIM-9X 擊中了一顆大型高空氣球；美國與加拿大國防部公開聲明，該氣球來自中國。

這顆氣球在被擊落之前經歷了一段相當漫長的旅程，從中國出發後，沿途經過日本、阿拉斯加、加拿大、美國本土，最後才在大西洋外海被擊落。

如何推算飛行路線

該飛行路徑是由美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）使用 HYSPLIT （Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory）模型計算出的。

HYSPLIT 為一計算模型，可模擬在 100 公里內大氣環境中，任何位置釋放煙霧等粒子後，其隨著大氣傳播和轉移的軌跡；常用於森林大火、工業區廢氣的擴散，如：加州大火、福島核災等事件，以模擬污染物擴散軌跡，確保其不會進入人口密集區。

若將 HYSPLIT 反向應用，就可透過計算擴散軌跡回推污染傳播路徑，以定位污染源位置。而此次的氣球事件，就是分析大氣氣流方向回推其可能路徑，最終推測出飛行起點位於中國。

氣球為何往東飛

氣球從太平洋西岸飛往東岸，原因不僅僅是為了要避開其他國家的領空，還因為這條「高空航線」只向東開放。在北半球的大氣環境中，風的方向通常是由副熱帶高壓帶吹向極地區域，加上科氏力影響，在中緯度高空會形成一條相當寬的「西風帶」；可想而知，也就成為了氣球環遊世界的最佳航線。西風帶會持續向東移動，對於颱風、洋流以及全球氣候系統都有深遠的影響。

既然氣球乘西風飛翔，為何氣球走的不是直線，而像是繞遠路呢？難道它真的利用自主動力，繞開敏感地區嗎？

打開空中地圖來看，這顆氣球在進入加拿大後，一路向南抵達美國本土，這與「空中快速道路」——噴射氣流的路徑高度相似，因此很可能氣球就是搭著這股氣流前行。噴射氣流通常位於對流層頂部，因巨大的氣壓與溫度差，流速每小時可高達 200 至 300 公里；過去就有人利用噴射氣流降低航空器的油耗，甚至嘗試用來發電。

既然它是搭乘噴射氣流移動，所以它應該就沒有動力囉？也不一定。目前無法知道這顆探測氣球的確切規格，其搭載的太陽能板除了提供儀器電力外，也可能在某種程度上提供動力。

由於氣候影響很大，釋放氣球也得要考量季節。在冬季的降溫下，西風帶會變得更加寬廣，風速也較為強勁；等到了夏天北半球漸暖後，西風帶就會變得狹窄且緩慢。因此，不論是過去的日本氣球炸彈，還是這次的探測氣球，都選擇在冬季釋放。

然而，氣球的路程並沒有一路大順暢。就正常情況而言，氣球在兩天內就該飄離，但這趟旅程就這麼剛好地遇到了平流層突然變暖，使得西風帶減弱，造成氣球的飄移速度下降，也就在美國本土多滯留了幾天。

究竟飛多高

這顆氣球在離開美國時，高度預計在一萬八千公尺以上。

民航機通常會選擇在一萬一千公尺的高度飛行，這剛好是大氣對流層與平流層的分界，平流層的氣流穩定性，使航程不那麼顛頗，而越往上空氣也會越稀薄，飛機越難取得足夠的爬升力。就氣球的一萬八千公尺而言，在美國現役的戰機中僅有 F－22 能上升到兩萬公尺，在安全距離內破壞氣球。

那為什麼不是以飛機用機槍將氣球射下呢？有必要用到要價 40 萬美金的響尾蛇飛彈嗎？過去加拿大也曾有氣象氣球失控朝著俄羅斯領空飛去，然而高速飛行的飛機不僅難以瞄準氣球，靠著打出的幾個小洞也無法將其擊落，只能盯著它慢慢洩氣，最後墜落。

這次美國等到氣球離開陸地再一次性擊落，在能掌握情況的前提下，可能為最佳方式了。

氣球比你想像得還要有用

氣球能上到一般航空器到不了的高度，充分展現了其戰略價值。

而能上到兩萬五千公尺以上的探空氣球，同步串聯全球大氣資料，各國氣象研究單位藉此分析出完整資料。探空氣球的任務就是在緩緩上升的過程中，紀錄每個高度的溫度、濕度、氣壓、風向、風速、GPS 訊號等變化，做到大氣垂直方向上最精細的測量。

全球的探空氣球會統一在格林威治時間 0 點與 12 點釋放，台灣當然也沒缺席，同時間也就是台灣早晚八點，會從彭佳嶼、新店、花蓮、馬公機場、屏東機場、綠島、東沙島等地釋放探空氣球，遇到特殊天氣，下午兩點還會再多放一次。

商業氣球還能用來做什麼？其實在馬斯克的星鏈計畫之前，Google 也有類似計畫——Project Loon，要讓全世界偏遠地區都能上網；Project Loon 使用的就是可上升至兩萬公尺的網路氣球，而這項技術早在 2013 年 6 月於紐西蘭實驗成功。雖然 Google 已於 2021 年放棄該計畫，但這種概念並沒有因此消失，可作為發生天災、或遭遇戰事時，便宜、方便的重要通訊替代方案。

這次的氣球漂流記，撇除牽扯到兩大強權國的政治角力，讓全球民眾見證了，看似不起眼的氣球，能完成超高難度的移動。

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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

你以為的大氣，不是真實的大氣！

大氣邊界層是人類的生活範圍，也是大部分空氣污染物存在的地方。然而，傳統氣象學模擬的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情況，因此真實的空氣污染現象和理論的模擬預測間往往存在顯著的差異，導致污染防制策略缺乏精確的指引。

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，他是建立空品專題中心的主要推手，研究團隊從大氣結構出發，試圖改善臺灣空氣品質的診斷及預報，這項計畫集結了來自民生公共物聯網、國家高速網路與計算中心、環境保護署等跨部門的資源，以下讓我們一起看周崇光怎麼說。

根據國際貨幣基金組織（IMF） 2021 年的報告，臺灣位列全球第 22 大經濟體，這個只有 3.6 萬平方公里的小小島國，一年內卻可以創造出高達 7,855.89 億美元的市場價值。

在美國國家航空暨太空總署（NASA）公布的地球夜景照中，我們彷彿可以看見，高樓一棟棟升起、工廠一座座建成、百貨一間間林立，在又長又窄的西半邊，從北到南形成臺北、臺中和高雄三大都會區。

西部臨海，東部靠山，這個寬度可能不到 100 公里的窄長地區，不僅聚集了臺灣 2,300 萬人的極大多數人口，凝聚出商業與工業的巨大產能，更集結了大量、複雜的「空氣污染物」。中研院「研之有物」專訪周崇光研究員，請他從空氣品質與都市氣象學的角度，細細剖析空污議題在這座海島上的獨特之處。

臺灣雖然小，但空汙問題好複雜！

臺灣國土面積僅有 3.6 萬平方公里，以大氣尺度來看非常的小，然而，我們在空氣污染面臨的挑戰卻異常艱鉅。

臺灣不僅處於許多境外污染源的下風處，接受來自各方的空氣污染物，各大都會區也因為地形的關係吃足了苦頭，整個中西部更是在窄長的地域中，面臨來自山、海的多重影響。

以下圖的臺中都會區為例，臺中位處於中央山脈西側的中央，本身是一個有數個開口的盆地，被多重大氣動力機制所影響，包含季風、海陸風、山谷風以及熱島環流，形成極度複雜的區域環流。

盆地內的空氣污染物原本就不容易擴散，再加上複雜的大氣環流和大氣化學反應，讓臺中的空氣品質狀況非常、非常的複雜，無法使用現有的大氣理論進行簡單的描述，使得大氣科學家極為不易於觀測和研究臺中的空污情形。

「這裡就像是巫婆煉湯一樣。」周崇光這麼說。

臺灣在東北風的影響下，不適合傳統的高煙囪理論

周崇光笑著說，到處觀察「煙囪」是他的職業病。

大陸環境的大氣結構相對簡單，自歐洲工業革命開始，傳統大氣科學的理論都告訴人們：越高、風越大，只要把煙囪建得高高的，就可讓風把污染物吹散、吹到很遠的地方。

「到了大陸國家，你會發現他們煙囪排出來的煙，經常是非常穩定的水平煙流，可以飄得很遠，這種煙流挾帶著空氣污染物飛到 10 幾公里外都不是問題！」，然而反觀臺灣的煙囪，卻很少出現這樣的水平煙流。

根據中研院空品專題中心對火力發電廠的煙流觀測資料，如果臺灣的煙囪蓋得跟大陸國家一樣高，有時候反而容易造成空氣污染物的累積。

從上圖可知，當臺灣處在微弱東北風的大氣環境之中，西部沿海風速最快的大氣區域（藍底），大約落在 200～400 公尺高之間，此區的風速大約為 5～6 公尺/秒左右，以東北風為主，是空氣污染物的「最佳擴散區」。

若是再往上，到了 450～800 公尺左右，風速驟然下降（橘底），僅有 0.5～3 公尺/秒。這個區域的大氣就像是被下層的東北風與上層的南風「夾擊」一樣，在兩個不同方向的風的對切之下，形成一個風速很低的「污染累積區」。

因此，若臺灣真的按照傳統的大氣理論建造高煙囪時，反而會讓煙囪的高溫煙流進入污染累積區；換個做法，如果煙囪低一點，才可以被強風吹散。

不過周崇光話鋒一轉：低煙囪設計要相當謹慎，也很難推行。高溫煙流排出去會有很明顯的白煙（水蒸氣凝結），一般人都不喜歡看到白煙離居住地太近，因此實務上還會特別做加熱設計，讓煙流先往上浮，再擴散，等於加高了煙囪的高度，這在工程上稱為「有效煙囪高度」。降低煙囪高度除了有視覺污染的問題，污染排放點離民眾越近，當工廠發生緊急異常排放時，異常事件的衝擊風險也會越大。

和傳統理論不一樣？那就做出臺灣自己的資料吧！

這麼經典的高煙囪理論，為什麼不能用在臺灣？

周崇光表示，大氣科學的理論大都源自於美國、歐洲，使得傳統大氣理論都更適用於大陸環境之下，因此難以直接應用於臺灣地狹人稠的海島結構，而中研院空品專題中心的目標之一，就是發展出屬於臺灣的「空污氣象學」。

周崇光提到：「臺灣跟大陸國家的空間條件實在差太多，所以我們必須要更精確知道，臺灣空氣污染物的高度分布到底長什麼樣子，才能更有效的管制並改善空品狀況。」

既然臺灣無法參考大陸型國家的大氣狀況，那麼小一點的、近一點的國家呢？韓國、日本的有沒有參考的價值？

周崇光笑著說，「你知道嗎？臺中盆地也才 10 幾公里，但是外圍的中央山脈高達 3,000 公尺以上！」就算是韓國、日本，它們的地理空間也比臺灣大多了，而且地形也沒有這麼複雜。

當這麼多的工廠、車輛都擠在這小小的區域，究竟會對臺灣的空氣品質造成多嚴重的後果？某種程度來說，這也許是個細思極恐的問題呀。

因此，為了國內空污氣象學的發展，搞懂臺灣的大氣邊界層（Atmospheric boundary layer）是刻不容緩的工作。

大氣邊界層除了是人類的生活範圍，也是大部分的空氣污染物存在的地方，又被稱為行星邊界層（Planetary boundary layer）。在氣象學中，大氣邊界層指的是「直接受到地表作用影響」的大氣，高度從地表一直到數百至數千公尺不等，是大氣層中最靠近地球表面的部分。

然而，傳統氣象學所模擬出來的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情形，因此，大氣科學家必須釐清大氣邊界層的氣象參數、動力機制，未來才能夠更精準的找到影響都市氣象以及空氣品質的關鍵因子。

但周崇光也感慨的說，「坦白講，目前臺灣還沒有辦法很『系統化』的改善邊界層的模擬條件，但我們仍然不斷的在努力，透過很多很多的調查、研究、模擬參數，漸漸地發展出半經驗、半理論的結構，最終的目標是歸納成一個系統性的成果，作為臺灣空污氣象學最扎實的理論基礎。」

從大規模的調查研究、積極補足知識的缺口、重新建立理論模型，到回頭檢視國家的空污防制策略，大氣科學家必須腳踏實地的、一步一步的，藉由大氣科學研究的力量，才能讓空氣品質管制更上一層樓。面對迫切的空氣污染防制議題、空污氣象學理論的不足，「空氣品質專題中心」也應運而生。

中研院在「大氣物理與化學」的研究群早已相當成熟，有著極為厚實的研究經驗和基礎，然而為了讓研究目標更明確、進一步聚集研究能量並進行跨部門的合作，中研院以提出空污議題的科學解釋與建議對策為目標， 2021 年 1 月在環境變遷研究中心之下成立空氣品質專題中心，成為全國規模最大的空氣品質專業研究機構。

除了宣示中研院對空污議題的重視之外，如此一來，研究預算的匡列、人力的評估，都有更紮實、更有架構的基礎。擺脫以往研究員們「自動自發」的空品研究，在中心的管理之下，空污的學術研究更能夠產生聚焦效果。

更精確的空氣品質預報

如果大家點入行政院環保署的空氣品質監測網，可以發現，目前來自中央監測的空氣品質預報的解析度並不高，由於空品狀況站數僅有 85 站，只能以「北部」、「竹苗」、「宜蘭」、「花東」、「中部」、「雲嘉南」、「高屏」等大範圍空品區進行未來三日的預報，尚無法以「縣市」或更小的區域為單位提供精準的預報。

因此，為了提供更先進的空氣品質預報，致力掌握國內 PM_2.5 及 O₃ 等空氣污染物濃度變化情形的「高解析度空氣品質診斷與預報模式發展計畫」，是空品專題中心相當關鍵的研究計畫之一，此計畫是行政院前瞻基礎建設中「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」的一個分支，集結了中研院、國家高速網路與計算中心、環保署等跨部門資源。

該計畫預計發展一套 1 km*1 km 高解析度的 72 小時空氣品質預報模式，並描繪空氣污染物的 3D 空間分布，預期能夠對臺灣地區 PM_2.5 及 O₃ 生成與傳輸過程進行更精確的模擬，進而應用於空氣污染事件的預報和成因診斷。

周崇光將這個計畫比喻為一個「神經系統」，由環保署統合高達 10,000 個感測器，就像是神經系統中的神經元，負責感知大氣環境中的變化，並透過民生公共物聯網提供的神經網路，將資訊傳輸至國家高速網路中心的超級電腦，而超級電腦就像是大腦一樣，提供強大的運算力，使得空污模式得以統合氣象條件、污染物排放量、以及感測器提供的環境變化狀況，計算和預報未來幾天空氣品質的可能變化。

雖然感測器來源不一，不同層級的靈敏度也有所落差，但隨著近年技術的進步和突破，微型感測器對 PM_2.5 的監測資料已經具有足供參考的準確度，目前各縣市大約都有 100 個以上的微型感測器，環保署已經在全臺灣佈建了約 10,000 個感測器，透過高密度的監測數據進行資料分析，有效掌握全臺各地的空品狀態。

此外，此研究計畫也希望藉由感測器的大量需求，協助推動臺灣感測器的產業，與經濟部、工研院合作推動感測器的國產化。目前工研院的技術已經技轉給國內廠商，國產感測器在環保署監測網的佔有率已達將近 3 成，未來會持續輔導相關廠商。

研究計畫一邊發展預報系統，也一邊透過微型感測器資料即時驗證預報的成效。就像是如果寫考卷時，我們可以一填答就馬上得知正確答案時，就可以隨時檢討自己的計算流程到底哪裡出了問題，不斷修正，找出最正確的解方。

同理，拜微型感測器遍布全臺之賜，大氣科學家逐漸能夠快速驗證空氣品質預報的模擬結果，有朝一日，國內空污的物理化學機制以及關鍵污染源，將不再是讓人頭痛的黑盒子。目前由於 PM_2.5 的感測器已相對成熟且數量足夠，因此中研院空品專題中心已成功驗證 3 km*3 km 解析度之 PM_2.5 預報資料，最終目標是精確到 1 km*1 km。

如何讓空氣品質變好，又不影響現有的生活？

在中研院環變中心周崇光研究員帶領下的空品專題中心，其中一個核心精神，就是要對社會關鍵議題有貢獻。

專注發表學術論文是科學研究的本質，也是科學進步的動力，不過進行社會議題相關的科學研究通常會更辛苦，往往會花費極大的心力與時間。

做空氣污染防制就像是「精準醫療」的概念一樣，如何讓藥物只攻擊癌細胞而不對身體的其他地方造成太大的副作用？經過科學研究的探索後，如何讓臺灣的空氣品質更好而不衝擊社會文化和經濟？

空污管制並非是一味阻擋臺灣經濟和工業發展，空品專題中心希望可以藉由科學的力量，更精準、更沒有副作用的改善臺灣空氣品質。

除了大氣科學理論和空氣污染排放清單有所不足之外，像是能源政策、交通規劃、國土計畫都需要重頭思考。周崇光說：「一路研究下去，我們開始疑惑，當初為什麼我們都傻傻的，把這麼多的大型污染源擺在海邊，讓海風把污染物往內陸帶？為什麼臺灣的國土利用那麼集中？」這一些命題，都是一環扣一環。

最後周崇光強調，「空氣品質絕對是應用導向的研究，因此，我們除了做科學，也要讓這些研究結果有願景、有視野，讓臺灣變得更好。」

地球暖化會造成溫度升高？不稀奇！地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻？也不稀奇！但你有聽過，因為地球暖化，讓我們的亮度竟然逐年遞減，地球變得越來越暗嗎？

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題，關於地球亮度的變化，科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」（global dimming）去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出，進到地球的太陽能量大幅降低，從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量，竟然平均減少 4%！ 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時，會在環境中產生許多氣膠微粒，而這些氣膠微粒進入大氣，微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光，使太陽之能量無法進到地球表面，進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解，當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時，代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說，全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度！

知曉地球改變亮度的方法——地照！

近期最新研究更是顯示，1998 年到 2017 年近十年內，地球的反照率逐年下降！除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外，當從外太空看著地球時，地球竟然也越來越暗了！

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一，其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質，除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此，透過反照率的升降，科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別，在科學中我們將其稱為「地照」！

地照現象指的為當太陽光照射到地表，地表會反射部分太陽光，而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時，月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高，當地表溫度較低，累積較多冰雪時，地照數據便可能會上升；而洋面的反照率較低，當地表溫度較高，造成冰雪融化成海洋，則地照數據便可能會下降。

除了利用地照觀測地球反照率外，為使觀測更加精確，科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器（Clouds and the Earth’s Radiant Energy System）觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射，並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲，和太陽輻射的交互關係。

研究結果分析發現，從 2000 年到 2015 年，地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態，但近年，地球反照率的衰退卻日益明顯，如下圖表示：

橫軸座標為年度，縱軸座標為地照反照率之異常改變（單位為每瓦／平方公尺），黑色為地照異常之數據，藍色為 CERES 觀測到異常之數據，而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出，地照反照率在這幾年下降約 0.5 W／m²，而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W／m²。

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測，改變反照率的原因，是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化：當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時，稱作暖相位；而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時，稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因，正是因為太平洋年季震盪到了暖相位，造成海面低雲減少，反照率降低！

低雲較為溫暖，其主要成分是由水滴組成，當太陽輻射照射水滴時，較多太陽反射至太空，地球的反照率較高，也造成地表溫度降低；而高雲主要成分由冰晶組成，透光性較佳，再加上高雲通常體積較低雲薄，故太陽輻射可以順利進入地表，地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時，洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加，氣塊達到飽和條件較高，低層雲較難生成。（其實背後原因極其複雜，作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。）當低層雲減少時，反射率降低，造成較少太陽輻射至太空，地球亮度因此變得越來越暗。

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論！其實地球上的現象不僅環環相扣，影響因素更是族繁不及備載，從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……，我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的，是透過原因推導、盡力的去解釋現象，所以關於地球反照率下降的趨勢原因，除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等，或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時，令科學家擔心的事情是，因全球暖化造成地表的反照率降低，代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加，而吸收的能量又加速全球暖化的速度，地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫，造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題，也將會是我們需要不斷去思考問題。

1. AGU Advances，Earth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
2. science alert，《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up》
3. Wikipedia，《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System》
4. Wikipedia，《行星照》