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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2764字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會不會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大。這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

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EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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在完成環球航行之前,人類是如何計算出地球周長的?——《數學就是這樣用:找出生活問題的最佳解》
天下文化_96
・2022/12/03 ・1906字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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十六世紀初的環球航行

既然史上第一次環球航行到十六世紀初才完成,埃拉托斯特尼在公元前 240 年又是用什麼方法,這麼準確估算出地球周長呢?他顯然不可能用捲尺繞地球一圈。他的替代做法是先測量地球表面上的一小段距離,再利用一些巧妙的數學運算,省去必須測量整段長度的麻煩。

埃拉托斯特尼在公元前 240 年又是用什麼方法,這麼準確估算出地球周長呢?圖/pexels

埃拉托斯特尼掌管古代最好的亞歷山卓圖書館,在幾個科學領域都有極有趣的貢獻,包括數學、天文學、地理學、音樂等等。不過,儘管他有新穎的工作成果,同時代的人卻瞧不起他的能力,還給他「第二名」(Beta)這個綽號,暗示他不是第一流的思想家。

質數表的誕生

他提出的聰明想法之一是,用有系統的方式產生一系列質數。為了找出從 1 到 100 之間的所有質數,埃拉托斯特尼提出以下的程序。從 2 這個數開始,刪掉隨後所有 2 的倍數,只要在數字表中刪除每走 2 步遇到的整數就行了。接著走到 2 以後還沒刪掉的下一個整數,顯然是 3,現在要有系統的刪除每走 3 步遇到的所有數字,就刪掉了 3 的所有倍數。這個方法在此刻開始顯出自己的本領。整數表中還沒有刪掉的下一個數是 5,重複我們在前面兩個數所用的方法,把每走 5 步遇到的數字全部淘汰掉。

這個程序的要訣是:移到下一個還保留著的數字,然後往後面刪掉這個新數字的所有倍數。如果你做得很有系統,把 7 的倍數都淘汰之後,就會產生一個小於 100 的質數表。

埃拉托斯特尼篩法是個找出在一特定整數以下的所有質數之簡單演算法。圖/wikipedia

這個程序極為聰明,省去了必須考慮很多的麻煩,非常適合電腦執行,但若要大量產生質數,它的問題是很快就會變得效率低落。它是思考的捷徑,可以讓你像機器般產生質數表,但這不是我想在本書裡頌揚的那種捷徑。我想要的是發掘質數的聰明策略。

利用太陽的位置計算地球周長

不過,我要給埃拉托斯特尼的地球周長計算工作打高分,因為太巧妙了。他聽說斯溫尼特(Swenet)城裡有一口井,太陽每年會有一天在它的天頂。太陽在夏至正午直射井底,不會在井邊投下任何影子。斯溫尼特就是今天的亞斯文(Aswan),離北回歸線不遠,北回歸線位於北緯 23.4 度,是我們發現太陽能夠從頭頂直射的最遠位置。

太陽在夏至正午直射井底,不會在井邊投下任何影子。圖/pexels

埃拉托斯特尼知道可以利用這個和太陽位置有關的資訊,在夏至這天進行實驗,讓他算出地球的周長。雖然這樣他就不必用捲尺繞地球一圈,但這項實驗還是需要走走路。他相信亞歷山卓位於斯溫尼特的正北方,於是在夏至那天,他在亞歷山卓豎起一根竿子。兩地的經度實際上差了 2 度,雖然沒有百分之百準確,不過我要為他的實驗精神鼓掌。

那天,太陽直射斯溫尼特,沒在那口井投下影子,但卻讓亞歷山卓的竿子產生一道影子。埃拉托斯特尼測量了影子長度和竿子長度,就能畫出一個具同樣比例的三角形,然後量出角度,這會告訴他亞歷山卓在地球周長上與斯溫尼特距離多遠。他量出的角度是 7.2 度,也就是一整個圓的 1/50,現在他只須知道亞歷山卓到斯溫尼特的實際距離。

他沒有親自走到斯溫尼特,而是雇了一位專門丈量距離的人員,稱為測距員(bematist),他們會在兩座城鎮之間走直線,當中只要有任何偏差都會把估算搞砸。丈量結果會用更大的計量單位來記錄:斯塔德。結果,亞歷山卓在斯溫尼特以北 5,000 斯塔德,倘若這是繞地球一整圈的 1/50,那麼地球的周長就會等於 250,000 斯塔德。

今天我們並不確定,埃拉托斯特尼所雇的測量員到底是用多少步來計量他的斯塔德,但就如我在前面解釋過的,這個丈量結果好極了。用一點幾何學,他就省去了雇人走地球一圈的需求。

用一點幾何學,他就省去了雇人走地球一圈的需求。圖/pexels

幾何學的英文字 geometry 正源自這個實驗,因為拆解之後,它是意指「丈量地球」的希臘文:geo=地球,metry=丈量。

——本文摘自《數學就是這樣用:找出生活問題的最佳解》,2022 年 11 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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看見未來,就等於可以防範未然嗎?——《我所看見的未來》書評
阿樹_96
・2022/08/07 ・3887字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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本文轉載自地球故事書|老少咸宜的地科科普。

阿樹最近接到一個出版社的聊書邀約,但因為我不太想推薦這本書的,就跟出版社說:「我可是會打臉這本書的內容哦!」沒想到對方還覺得挺好的(這種要求這輩子沒聽過?),所以想說,不如用書來談一下防災也挺好的?

書名叫做「我所看見的未來」這本漫畫(原出版於 1999 年,2021 新增了內容重新出版)。

由於漫畫是由「預知夢」所畫下的,一般會拿這本來聊的通常都是以神秘、不可知的角度,如同大家熟悉的老高也是,而之所以這本書會受到注意,主要是因為它畫下來多半是「不好的預言」,包括黛安娜王妃過世、皇后合唱團主唱佛萊迪(Freddie Mercury)病逝、日本 311 地震等事件,甚至最近(2021 年出版的內容)甚至還提到了「2025 年 7 月 5 號上午」將會有大災難,也因為有本書似乎神奇的準確這種說法。

能夠做預知夢究竟是好事還是壞事呢?圖/Pixabay

因為內容十分繪聲繪影,也難免會有人來問阿樹:「這種情況有影嘸?」不管你覺得預知夢是真是假,會怕是正常的,所以我們今天就來跟大家談談,到底我們會不會遇到這類型的災害、而我們到底這麼看待這種預言災害的文章或言論?

夢境跟現實的差異

首先來看看書上怎麼寫 2025 的災害:

「災難範圍北起日本、西至台灣,南邊到印尼摩羅泰島,東邊則是北馬利安納群島這塊菱形區域的中心,則會是震央。南海海溝南邊的菲律賓海從下方噴發了,形成大海嘯往周圍的國家推進。日本列島的大平洋側,三分之一到四分之一被大海嘯吞噬了。朝著震央,不知為何也看到了兩匹龍前往震央的影像。」

作者是說自己像是在地球之外看件事情發生,就如用看 google map 一樣。而其中最有意思的是,東、西、南、北邊界正好就是菲律賓海板塊的四個頂點。

中學地科課本會提到「地震火山常發生在板塊的交界上」,可是作者並不是說災害起始位置發生在板塊邊界,而是在菲律賓海板塊的「正中間」,這點就令人匪夷所思了,因為板塊的正中間,是相對比較「堅固」的地殼,從中間噴出個什麼都相當不合理,要讓一個板塊從中斷開並噴發岩漿,要花上的時間甚至遠大於人類的歷史。

雖然科學上不常用「不可能」這麼斬釘截鐵的字眼,但阿樹我很想說,這真的不可能發生。

菲律賓海板塊在google map上的示意圖
預言中的災害位置、菲律賓海板塊的相對關係。圖/地球故事書

不過,如果退而其次,談菲律賓海板塊呢?實際上菲律賓海板塊和歐亞板塊有處交界,要是發生大地震,將會帶來重大的損害。其一是「南海海槽」,這裡曾經有發生過數次大型的地震與海嘯,而日本的研究也指出,如果整段海溝一起錯動,確實可能超過規模 9.0 以上,也就是接近 311 地震的程度

南海海槽(Nankai Trough)以及其隱沒帶孕震區的範圍(紅色部分,越左上西北方位置越深)圖/地球故事書

至於臺灣附近,也一直有學者認為,東部的琉球海溝具有規模 8.0 以上的潛勢,由於海溝的線型和臺灣本島近於垂直,即使有海嘯也不會像前面提到南海海槽的海嘯一般可怕。但即使如此,因為可能會發生的地震規模很大、加上離臺灣相當近,還是會擔心它本身引發的震度,以及海嘯對東部的沿岸地區造成災害。

18 種海溝型海嘯源(T1~T18)及4種斷層型海嘯源(T19~T22)之空間分布、名稱與地點。圖/吳祚任

除了臺灣、日本以外,這一圈板塊邊界,幾乎不同段都有可能會發生地震與海嘯,只是不知道何時發生而已。你問我有沒有可能跟那位漫畫家的預知夢一樣,這些地方「同時一起活動起來」呢?其實從上面板塊邊界地震區的分段圖就可以發現,幾乎所有的分段之間,都是有「轉折」的現象,這代表著板塊邊界附近的受力方向有些改變,因此不會被認為是連動的構造。換句話說結論就是:機率不會零,但可能比白堊紀的隕石撞地球還低上許多。

說到隕石,確實「剛好」發生有一顆天外飛來隕石砸在菲律賓海正中間,好像蠻符合漫畫上預知夢的情境,只是這也是不會在 2025 年 7 月 5 日發生的事情,因為現在美國太空總署和噴射推進實驗室已有建立一套搜尋近地小行星的哨兵系統,利用望遠鏡等觀測系統找尋對地球可能有威脅的小行星等天體,基本上2025 年 7 月 5 日並沒有靠近地球的小行星,而且根據目前已知的近地小行星中,並沒有體積夠大、又同時有高撞擊風險(累積機率 1/500 )的小行星。因此,從這角度來看這災害也不會以隕石的型式發生。

隕石來的時候大家也先別太驚慌,更何況目前看起來當天是沒有的。圖/Pixabay

到底 2025 年,臺灣有什麼樣類型的災害需要注意?

其實,正確的天然災害防災觀念,不會考量特定年分、日期來擬定策略,因為自然界的狀況多半是不確定性高的,即使每年專家都會提醒大眾要注意南海海槽、琉球海溝的海嘯與地震,但不必然是它要發生了,反而是科學家覺得「它應該快發生了」,才會去做相關的宣導。接下來在後面幾段,也會有更多對於災害預言的防災觀點。

但畢竟這樣類型的災害並不是那麼常發生,因此一般會以增加防災意識為優先,比如知道在海邊有不明的大地震發生時,本能反應的先往陸地方向、高處的地方逃生。而要是擔心規模大、震度大的地震,最根本的防災準備,反而是從建築強度、家中擺設等準備為主。

除了上述對極端災害的防災建議,對於較常致災的現象反而是更常會面對的災害,比如規模 6~7 的中型地震、颱風帶來的風災、水災、山崩與土石流。或許更重要的是,先問自己在以上這些情況下,有沒有辦法照顧好自己。雖然能做的防災準備看似不多,但實際上如果盡可能做到這些準備,多少都有減災之效。

預言夢和災害預測有科學根據嗎?

有很多區分科學/不科學的方式,其中一種蠻常用來論述科學方法的特徵,就是在於其「再現性」,也就是是在同樣的操作方式,可不可以再現同樣的結果,就算有些微差異的結果,還是會在一定的誤差範圍之內,比如說我們在同樣的地點、高度與環境下做自由落體實驗,能夠測量到相近的秒數(因為重力加速度不太會變)。

但是,如果以「如果他不只預言成功過一次,還有很多次都有預言到。」來作為「再現性」的證據,其實是不符合上述科學方法的原則的。因為所謂的再現,應該是即便是不同人也能做到的事,因此不管是預知夢還是神明託夢,都無法被驗證其可再現性。所以,所謂的預知夢要能被相信,它不能是一個特定人物才能做到的現象,因為沒有別人能做到,自然就無法確認這件事情的真偽。

目前看起來預知夢是沒有科學根據的,但難道甚麼事都有辦法用科學解釋嗎?圖/envato

欸,等一下,我可沒有要說預知夢這件事是子虛烏有,而是想說明,因為夢境的內容是無法被證實真偽之事(除非哪天有「側錄」夢境的黑科技)。就如同有些人會相信這世界上有看不到的鬼,但即使如此也無法證明「鬼不存在」,白話來說就是「信者恆信、不信者恆不信」,而這樣的議題,會被認為是「不可證偽性」,而成為科學無法處理的議題。

如何面對可能的未來

此外,看了「我所看見的未來(完全版)」裡面對每個事件的說明後,還有三個可以深思的點:

  1. 不是每個夢境都必然成真(比如富士山未爆發)
  2. 發生的時間未必準確(比如311的時間難以解釋)
  3. 夢境的呈現不一定是實境,有可能是呈現相關意象

從這三點可以發現,今天對 2025 年的預言,它可能不會發生、可能不會準時發生、也可能發生的狀況和目前作者理解的夢境有落差的狀況。

所以我們細想一下,硬是要把時間區段拉出來思考,比如「在 2025 年 7 月 5 號上午時,把這些地區的人都撤離到某個安全的處所,然後等災害結束後再讓他們回歸正常生活。」這件事的可行性,以及「如果沒有發生的話」的負面效果。可以發現像這種對特定時間、地點、災害類型的防災策略,最大的硬傷就是「沒有發生的話怎麼辦」的解決方案,甚至還會造成防災心態的疲乏。

所以真的要嘗試去防範預言中的災害時,最後也只能回歸到「多注意一點」的建議。說實在的,我會覺得預言夢這樣的事情,「聽聽就好」,防災本來就很重要,但不需要用災難預言來引起注意,不如請大家思考一下,下次颱風你家要是意外的淹水了,該怎麼預防這樣的事、或是想好事後的處理方案吧!

希望大家能用正面積極的心態來看待預知,不要過度恐慌。 圖/envato

——本文為《我所看見的未來》書評,2022 年 7 月,大塊文化,未經同意請勿轉載。

阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。