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往上打的雷!太空中才看得到的「藍色噴流」與它的精靈好友們

linjunJR_96
・2021/11/08 ・2118字 ・閱讀時間約 4 分鐘

今年十月,駐守在國際太空站的法國太空人 Thomas Pesquet 拍攝到難得一見的異象:耀眼的藍白色光暈在歐洲大陸上空炸開,彷彿《天使與魔鬼》中的反物質已經被引爆。

不過這陣閃光並沒有登上當地新聞,甚至沒幾個人看到他發生。因為它並不是發生在地面上的事件,而是大氣層上層的放電現象,稱為瞬態發光事件(Transient Luminous Event, TLE)。

往上打的雷

如同伴隨午後雷陣雨而來的閃電與雷聲,這些發光事件源自於雲層中充沛的電荷。在午後雷陣雨時,雷雨雲中的水滴與冰塊在劇烈的上升氣流中摩擦生電,使得雲層頂部和底部累積許多焦躁的電荷。一旦電荷累積足夠,巨大的電位差便會往地面打通一條游離化的導電通道,進而在陰雨的天空中劈出一道亮光。這就是我們常見到的雲對地閃電。

不過有時候,雲層中的電荷如果率先找到了向上的通道,便會產生「向上」的閃電,稱為「藍色噴流(Blue Jet)」,屬於 TLE 的一種。由於成因和一般雲對地閃電類似,這種宛如外星傳送門一般的景象有時被稱為中高層大氣閃電,但藍色噴流聽起來酷多了。雖然拍攝者沒有特別註明,不過這次在國際太空站拍攝到的有可能是藍色啟動器(Blue Starter),也就是長度較短的藍色噴流。

從太空中觀測到的向上放電。來源/ESA

雲層上方的平流層和中氣層也時常見到另一種 TLE,叫做紅色精靈(Red SPRITE)。這種橘紅色的光影是受到下方閃電擾動後產生的高層放電所導致。他們通常成群出現,有著各種五花八門的型態,一般以下方觸鬚形狀分為水母狀和紅蘿蔔狀兩種。更高的電離層則有暗紅色的淘氣精靈(ELVES)。

不同高度的放電現象會產生不同的形狀與顏色。圖/Wikipedia

大氣科學家的小幽默

到這裡你可能已經發現,科學家為這類現象命名的品味十分獨特,而且他們還花時間將這些有趣的名字硬是編成煞有其事的縮寫。SPRITE 是強烈雷雨雲電離導致的平流層擾動Stratospheric/mesospheric Perturbations Resulting from Intense Thunderstorm Electrification);ELVES 則是電磁脈衝源造成的甚低頻擾動與發光現象Emission of Light and Very Low Frequency perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources)。為了延續這個主題,後來陸續被觀察到的現象也以這類概念取名,包括山怪巨魔(TROLL)、小妖精(Pixies)、幽靈(GHOST),和地精(Gnomes),為大氣科學增添許多奇幻色彩。

觀測紀錄太少,一度被視為謠言

這些曇花一現的大氣奇景過去只是飛行員間口耳相傳的傳說,被學界斥為無稽之談。一直到 1989 年,藍色噴流才首次被太空梭拍攝的黑白影片捕捉,證實了這些傳說中的閃光確實存在。在觀測影像技術進步的同時,人們也開始積極尋找觀測高層大氣的放電現象。世界各地的照片與錄影時不時紀錄到各種不同顏色和型態的 TLE。不過由於這些奇幻的光芒只存活在雲層上方的高空,而且通常只維持幾毫秒,要從地表觀察很碰運氣,使得至今關於這類現象的資料量仍然不多。

高層大氣中的各種瞬態發光事件。圖/Wikipedia

如果想要做觀測,除了像飛行員一樣在高空中拚巧遇,最好的方法就是從太空攝影。因此,國際太空站便成為 TLE 的最佳觀測站。這已經不是第一次駐紮上方的太空人目擊類似的現象,只要打開縮時攝影,就能捕捉這些轉瞬即逝的景象。由於赤道附近有許多雷雨雲,每當太空站經過這個區域時便是最佳觀察時機。

除了地球之外,NASA 去年也透過朱諾號探測器在木星大氣層拍到類似精靈的放電發光現象。只不過這些精靈跟地球上的紅色精靈有些差別。紅色精靈的色彩來自於地球大氣中豐富的氮氣成分,不過木星大氣主要由氫氣組成,所以出現了前所未見的外星藍色精靈。科學家以前就預測:在木星這類同樣有大氣和閃電的星球上也能見到 TLE,不過一直到去年才首次直接觀察到,再度顯示這類觀測研究的難度。

根據福爾摩沙衛星二號的觀測資料,科學家估計全球每年會發生數百萬次 TLE。關於它們的成因和物理機制,目前只能算是略懂略懂,而其對氣候和高空飛行器的影響也有待科學家繼續探索瞭解。目前國際太空站上的哥倫布號實驗艙外已經配備專門的設施,針對 TLE 進行監控拍攝。將來或許能見到更多絢爛的奇幻物種現身在遙遠的空中。

參考資料:

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linjunJR_96
23 篇文章 ・ 272 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》