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卡西尼號觀測到泰坦大氣驟然轉變

臺北天文館_96
・2012/12/06 ・1526字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

根據來自卡西尼號(Cassini)太空船的觀測資料,土星最大的衛星—土衛六(泰坦,Titan)在未預期到的大氣高度內,其大氣環流方向整個逆轉。精確一點地說,土衛六南極區域,在先前卡西尼號觀測資料中還顯示大氣是向上升湧的,但近期的觀測卻發現此處的大氣呈現下沈狀態。科學家們認為:造成此現象的原因,很可能是因為土衛六自轉軸相對於太陽光的方向改變的季節性變化所致。相關論文發表在《自然》(Nature)期刊中。

畢竟土衛六隨著土星環繞太陽一周,也就是土星的「1年」,其實相當於地球的30年,所以通常土衛六的大氣變化相當緩慢而不明顯。而現在,在卡西尼號近距離觀測的幫助下,能察覺到土衛六的大氣環流在短期內發生變化,這當然會讓發現此現象的英格蘭布里斯托大學(University of Bristol)Nick Teanby等人感到相當興奮。

太陽系中,只有地球、金星、火星和土衛六是既擁有固態表面、又擁有殷實大氣層的星體,成為科學家們得以探索氣候變遷的天然實驗室;而藉由對土衛六大氣層的瞭解,或許可以反過來應用在我們自己地球的複雜大氣層中。而無論地球或土衛六,其大氣層某些複雜度的來源,皆為大氣循環和其間的化學作用。

地球之所以有四季變化,是因為地球自轉軸相對於公轉面的垂直方向有約23.5度的傾角,使得地球繞太陽公轉的過程中,太陽光直射的緯度不相同,夏季時北極朝向太陽,陽光直射北半球,春秋分直射赤道,冬季時則換南極朝向太陽,陽光直射南半球。同理,土衛六的南極區正逐漸進入冬季,是因為土衛六隨土星繞太陽公轉之故,使得土衛六的南極相對於太陽的朝向愈來愈偏離太陽。

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卡西尼號從2004年開始環繞土星運行,可以用與地球不同的角度來研究土衛六隨時間的變化。約20年前便有理論模擬預測土衛六的大氣循環會變化,但直到最近才終於透過卡西尼號直接觀測到大氣循環正在發生變化的過程。卡西尼號上的其他儀器,近期曾拍攝到土衛六南極上空出現霧靄和渦流等現象;但卡西尼號的綜合紅外光譜儀(composite infrared spectrometer,CIRS)對海拔較高處的現象,比其他儀器更靈敏,因此能提供更好的資訊,也更能直接探索土衛六的大氣循環和化學作用。從CIRS資料,這些科學家能追蹤大氣溫度的變化,以及像苯(benzene)和氰化氫(hydrogen cyanide)等氣體的分佈狀況,甚至能呈現以往很難偵測到的垂直風與全球大氣循環的變化。

除了找到下沈氣流的證據外,卡西尼號還偵測到在南極大氣一直到距地面約600公里高空中都有複雜化學作用產物,顯示大氣環流的延伸的高度比先前認為的還高了100公里上下。當這些下沈氣流移動到低海拔高度時會被壓縮,從而形成一個熱點,盤旋在南極上空,這是重大改變即將來臨的第一個重大線索。這些科學家也注意到,在2009年8月通過土衛六的秋分點、太陽直射土衛六赤道的前後約6個月內,土衛六大氣有非常快速的變化,顯見此時土衛六大氣循環正在逆轉。大氣循環改變,意味著在秋分點後2年內,某些氣體的濃度會增加倍左右,這種變化程度,比迄今在土衛六上曾看到的任何變化都還劇烈許多。

之前曾觀測到土衛六南極附近有分離的霾靄層,最早是航海家號太空船偵測到的,不過透過CIRS觀測資料卻顯示:既然複雜化學作用垂直大氣運動都發生在霾靄層之上,那麼或許霾靄層並不是一直都是如此分離獨立的狀態。這個霾靄層可能是比較小的霾靄粒子彼此結合變大的地方,只是結合出來的團塊最終還是向下沈,並讓土衛六呈現橘色的外表。

這些科學家們預期下一個在土衛六南極上空發生的現象將會是出現渦流;如果真的產生渦流了,那麼下一個該解開的問題,將是冬季的南極發生的狀況,是否會與冬季的北極一樣,還是只有南極會這樣?因此,科學家們得持續盯著這些變化,希望能進一步瞭解土衛六的大氣循環如何隨季節而改變。

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資料來源:NASA’s Cassini Sees Abrupt Turn in Titan’s Atmosphere. NASA [November 28, 2012]

轉載自 網路天文館

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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迷航的中國氣球怎麼飄到美國?其實早能預測飛行路徑?
PanSci_96
・2023/02/14 ・2263字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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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。

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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。

中緯度盛行西風(藍色箭頭)。圖/維基百科

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。

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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。

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一般民航機飛行高度約為一萬一千公尺。圖/Envato Elements

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。

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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。

探空氣球攜帶無線電遙測儀器,進入大氣層測量各種參數。圖/維基百科

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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臺灣的空污問題與眾不同,如何使空污預報更精確?先瞭解大氣邊界層和感測物聯網吧!
研之有物│中央研究院_96
・2022/10/16 ・6113字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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。

中研院環變中心研究員兼空品專題中心執行長周崇光。圖/研之有物

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。

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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。

ASA 在 2016 年 12 月 31 日拍攝的夜景照,可看出臺灣有北、中、南三大亮區。圖/NASA

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。

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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。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

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。

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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。

平坦的大陸環境中,把煙囪建高可以讓煙流擴散及傳輸至很遠的地方。圖/rawpixel

「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。

中研院空品專題中心對臺中火力發電廠的煙流觀測顯示,傳統高煙囪設計反而容易讓煙流進入「污染累積區」,在高度 450~800 公尺左右,橘色區域的空氣層風速僅有 0.5~3 公尺/秒。不同折線表示有兩個時段,分別是觀測當天凌晨 1 點到 3 點(紅線),以及晚上 19 點到 21 點(黃橘線)。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

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」。

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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?

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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。

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臺中盆地的衛星空照圖。圖/Wikipedia

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。」

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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。

全國空氣品質指標的測站點位圖,可看出共有 85 個測站。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/空氣品質監測網
未來三日空品區預報,目前僅能呈現大範圍空品區預報。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/空氣品質監測網

因此,為了提供更先進的空氣品質預報,致力掌握國內 PM2.5 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 PM2.5 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 PM2.5 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。

環保署已佈建約 1 萬個微型感測器,可監測各地 PM2.5 狀態。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/air 空氣網

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 PM2.5 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 PM2.5 預報資料,最終目標是精確到 1 km*1 km。

影/YouTube
中研院周崇光團隊已成功驗證高解析度 72 小時 PM2.5 預報資料,每小時可模擬 3 km*3 km 空間解析度,最終目標是精確到 1 km*1 km。圖片預報日期為 2021 年 12 月 18 日~2021 年 12 月 20 日。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

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。」

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook