• 作者／陳子翔｜師大地球科學系｜ EASY 天文地科團隊創辦者

作為 NASA 最新一代旗艦級太空望遠鏡，詹姆士．韋伯望遠鏡在性能上當然必須是太空望遠鏡中的佼佼者。然而，工程師與科學家要如何設計韋伯望遠鏡，才能讓它擁有強大的觀測能力呢？這個問題深究起來相當複雜，不過大方向卻出乎意料的簡單，那就是：「越大越好」。

如何衡量望遠鏡的觀測能力

在說明望遠鏡為什麼越大越好前，讓我們先想想，要如何衡量一部望遠鏡的觀測性能好不好呢？一般來說，望遠鏡最重要的兩項性能指標，就是它的「解析力」和「集光力」。

解析力可說就代表望遠鏡的「視力」。解析力越好的望遠鏡，能拍出天體更多的細節，或是說分辨出解析力較差的望遠鏡無發分辨出來，兩顆非常接近的星星。就像是做視力檢查時，當無法看清楚視力檢查表上某一排的「E」到底指向何處時，其實就代表自己眼睛的「極限解析力」已經無法解析出那一排的「E」囉！而天文學家，當然會希望望遠鏡的「視力」超級好呀！

而集光力則可以衡量望遠鏡蒐集星光（來自天體的電磁波）的效率。平時我們用手機拍照時，通常只需要幾百分之一秒的曝光，就能夠拍清楚日常生活周遭的景像。但由於宇宙中的天體往往非常黯淡，要蒐集這些天體的資料，進行學術研究的天文學家對一個目標的曝光時間，經常都是好幾個小時起跳。有時甚至需要超過一星期的曝光時間呢！

可以想像在這樣的情況下，一部望遠鏡的集光效率，是非常重要的一件事。如果你的望遠鏡的集光力是別人的四倍，那別人要花一個月才能拍攝到的目標，你只需要一個禮拜就可以完成。多出來的這些時間，就可以拿去拍攝更多目標，或是對同一個目標拍攝更長的時間，以研究更多黯淡的細節。

大口徑，真香！

解析力與集光力是望遠鏡最重要的性能指標，而且它們都與同一個因子息息相關，那就是望遠鏡的「口徑」，即望遠鏡主鏡的直徑大小。

若假設望遠鏡主鏡是完整的圓形，那解析力與口徑是成正比的，而集光力則是與口徑的平方成正比。例如一個口徑兩米的望遠鏡，相比其他條件都相同，但口徑只有一米尺望遠鏡，其極限解析力就會高兩倍，集光力則會高四倍。說到這裡相信大家應該就能明白，為什麼天文望遠鏡基本上就是「口徑越大越好」了。

口徑長達 6.5 公尺，這樣塞得進火箭嗎？

既然大口徑這麼棒，那韋伯作為最新的旗艦太空望遠鏡，直上太空望遠鏡史上最大口徑，似乎是再合理不過的事了！

韋伯望遠鏡的口徑是 6.5 公尺，比起前輩哈伯太空望遠鏡的 2.4 公尺大超過 2.5 倍。當初哈伯望遠鏡的鏡片口徑之所以會設計成 2.4 公尺，一大原因是如果口徑再更大，就塞不進太空梭的貨艙了。那麼問題來了，韋伯太空望遠鏡的口徑大小能一次升級那麼多，難道是因為發射韋伯的火箭，比起當時的太空梭還要大很多嗎？

答案是否定的。事實上，世界上目前沒有任何一款火箭，能夠裝下一面直徑 6.5 公尺的鏡片！而且若是要為了發射韋伯而專門設計一款新火箭，那計畫的預算和進度一定會大大提升和延後，完全得不償失。不過，山不轉路轉，路不轉人轉，也許火箭不可能為了望遠鏡改變，但我們也許可以換個角度想，讓望遠鏡適應火箭呀！

想像一下，如果你有一筆錢，想要買輛腳踏車，讓你未來可以開車帶著腳踏車出遊，卻發現自己車子的後車廂裝不下一般的腳踏車時，你會怎麼辦呢？相信這時後，比起直接購買一台新的大車，選擇折疊式腳踏車會是更合理的選項。而設計 JWST 的工程師們也是採取這樣的策略，將整部韋伯望遠鏡設計成「折疊式」的，從主鏡、次鏡支架到遮陽帆等等機構，都可以收起來降低體積，讓韋伯望遠鏡能夠塞進空間相當有限的火箭整流罩中，並於發射到太空之後，再一步步自動展開成可以運作的狀態。

韋伯望遠鏡的特殊設計

韋伯望遠鏡最明顯的特徵，就是由 18 面六邊形金色鏡片所組合而成，直徑 6.5 公尺的巨大主反射鏡。與哈伯望遠鏡不同的是，它並沒有鏡筒的構造，而是直接將望遠鏡的主鏡與次鏡露在外面，以支架的方式維持結構。而這樣的設計其實在地球上的大型天文台相當常見。

來自宇宙中天體的光線會透過主鏡與次鏡反射，進入主鏡位於中央的黑色錐狀構造。這個構造中設有一些鏡片組，會進一步將光線導至後方的相機和光譜儀。韋伯望遠鏡設有多個不同的相機與光譜儀，並各自有適合的觀測目標，提供各領域的天文學家重要的研究資料。

而巨大的主鏡下方，一層一層的銀色 「帆布」則是韋伯望遠鏡的遮陽帆。它能夠為望遠鏡擋下來自太陽、地球與月球的光線與熱輻射，讓望遠鏡能夠處在既黑暗又低溫的優良觀測環境中。

根據科學家的估算，當韋伯望遠鏡在太空中運作時，它的遮陽帆的面光側溫度可達到約攝氏 110 度，但望遠鏡所處在的背光面，則能維持攝氏零下 210 度左右的低溫。溫度越低，觀測儀器所受到的熱雜訊影響就越少。這樣低溫的環境，對紅外線望遠鏡至關重要。

遮陽帆的背光側提供了望遠鏡與相機所需，黑暗又低溫的運作環境，但並不是所有的設備都需要這樣的條件。比如提供電力的太陽能板，就需要的是充足的陽光才能運作。同時，也有一些設備是本身就會發熱的，例如維持軌道穩定用的小型火箭引擎與燃料，控制望遠鏡指向的反應輪等等。這些設備也都設置於遮陽帆的面光側，如此一來遮陽帆也能順便隔絕這些設備產生的熱，避免干擾望遠鏡的觀測。韋伯望遠鏡上不同設備的配置位置可說各取所需，相當有巧思。

如本系列文章上集：《為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空？》所介紹，將紅外線望遠鏡送上太空能帶來許多的好處與研究潛力，然而設計並打造出這樣的科學儀器絕非容易的事。詹姆士．韋伯太空望遠鏡可說就是集結了頂尖科學、工程與技術，以及許多人共同努力的結晶，也期待將來它能帶來豐碩的觀測資料與成果。

延伸閱讀

• 深度認識 JWST 的各項儀器與結構設備
  Instruments and ISIM (Integrated Science Instrument Module) Webb/NASA

參考資料

• James Webb Space Telescope – Webb
• JWST Telescope

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• 本文轉載自科技大觀園，原文為《接棒福三，福衛七號讓天氣預報更準確！》
• 作者／郭雅欣｜科技大觀園特約編輯

2019 年 6 月 25 日，福爾摩沙衛星七號（簡稱福衛七號）在國人的引頸期盼下升空。一年多來（編按：以原文文章發佈時間計算），儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道，但已經回傳許多資料，這些資料對於天氣預報的精進，帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題，就是福衛七號傳回的資料，對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻，得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星，軌道高度 700~800 公里，以 72 度的傾角繞著地球運轉（繞行軌道與赤道夾角為 72 度）。這些衛星提供氣象資訊的方式，是接收更高軌道（約 20,200 公里）的 GPS 衛星所放出的電波，這些電波在行進到氣象衛星的路程中，會從太空進入大氣，並產生偏折，再由氣象衛星接收。換句話說，氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的，而是因為大氣的折射，產生了偏折，藉由偏折角可推得大氣資訊。

氣象衛星會一邊移動，一邊持續接收電波，直到接收不到為止，在這段過程中，電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣，逐漸變為最底層、最接近地面的大氣，科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角，通過計算回推出折射率，而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ，因此可再藉由每個高度的大氣折射率，得出溫濕度垂直分布，這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料，可以納入數值預報模式，進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時，必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式，可以模擬任何一個位置的氣塊的運動，但是因為大氣環境非常複雜，模擬時不可能納入全部的動力條件，因此模擬結果不一定正確。而另一方面，掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊，楊舒芝形容：「觀測就像拿著照相機拍照，不管什麼動力方程式，拍到什麼就是什麼。」但是，觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置，我們才會有觀測資料。

所以，我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料，另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者，找到一個最具代表性的大氣初始分析場，再以這個分析場為起點，去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係，因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時，帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響，做了許多模擬與研究，發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑，以及豪大雨的降雨區域及雨量等，納入福衛三號的掩星觀測資料，都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明，由於颱風都是在海面上生成的，而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料，相較於一般位於陸地上的觀測站，更能夠取得海上大氣資料，因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面，這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境，例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確，那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究，加入福衛三號的掩星觀測資料，平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里，相當於改進了 5％。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊，還需要風場資訊的協助，楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例，一般來說豪大雨都發生在山區，但這次的豪大雨卻集中在海岸邊，而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式，楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休，福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星，不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉，取得的資料點分布比較均勻，高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下，福衛七號的傾角只有 24 度，它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間，對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說，密集度更高；加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星，還增加了俄國的 GLONASS 衛星，這些因素使得在低緯度地區，福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍，每天可達 4,000 筆。

另一方面，福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進，可以獲得更低層的大氣資料，而因為水氣主要都集中在低層，所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號，其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化，而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時，最直接觀測到的數據，相較之下，折射率是計算出來的，就像加工過的產品，一定有誤差。因此，近來各國學者在做數值模擬時，愈來愈多都是直接納入偏折角，而不採用折射率。黃清勇解釋：「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度，也會增加運算所需的時間，而預報又是得追著時間跑的工作，因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步，因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道，不過這一年多來的掩星觀測資料，已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報，準確度提升了 4~10％；陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例，成功地利用福衛七號的掩星觀測資料，模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號，還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星，預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波，然後推估風速。可以想見，一旦有了獵風者的加入，我們對大氣環境的掌握度勢必更好，對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧！

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