網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策

4

9
0

文字

分享

4
9
0

科學家模擬出《沙丘》行星的氣候模型:現實中的人類真的能在 Arrakis 生存嗎?

Y.-S. Lu
・2021/11/12 ・3205字 ・閱讀時間約 6 分鐘

架空世界:任腦中遨遊的世界,嗎?

法蘭克‧赫伯特的《沙丘》是 2021 年上映的硬派科幻電影[註1]。《沙丘》之名,在科幻迷眼中,被視為科幻類型文本的開山始祖之一,更是難以電影化的科幻小說作品;在電影《沙丘》中,行星厄拉科斯(Arrakis)是作品中的主要場景,一片荒蕪的沙漠行星,除了有著珍貴的香料礦,還有可怕的沙蟲。

1984 年的厄拉科斯行星的想像圖。圖/WIKIPEDIA

這樣的架空世界,屢屢存在於各個作品中,《魔戒》中有中土大陸(Middle Earth),《冰與火之歌》中有維斯特落大陸與厄斯索斯大陸,《星際大戰》更有具雙日的環聯星運轉行星克卜勒16b[1]塔圖因星球。身為讀者,以及一位地球科學模擬科學家,有時不禁會想:這些架空是否真的有可能存在?這些作家設計的世界,真的能存在嗎?

今日,布里斯托大學氣象研究所的 Dr. Alexander Farnworth 與他的同事 Dr. Sebastian Steinig,以及薛菲爾德大學的 Dr. Michael Farnsworth 就實際驗證了一次,究竟一個架空星球的氣候環境,是否為真?是否真的適合人類居住?

《沙丘》的氣候模型:低碳高臭氧的沙漠環境

在他們發表的文章[2]中,他們使用了氣候模型來模擬厄拉科斯的氣候。Dr. Farnworth 亦提到[3],他們使用的是同樣用在 IPCC(The Intergovernmental Panel on Climate Change,跨政府氣候變化專門委員會)報告中,用以預測未來氣候變遷狀況的 HadAM3B-M2.1D 模型[4],其不需要海洋模式,所以海洋模式也就不用運行了(當然也可以省下計算資源)。

《沙丘》世界中的厄拉科斯行星的氣候模型。資料來源/climatearchive.org

這個模型使用與地球相同的物理行為與物理參數。他們也使用了《沙丘百科》所提供的資料,來告之氣候模型應使用的地型狀態以及星球軌道,而星球軌道將大大影響到一個星球上的季節情況。最後,則是厄拉科斯星球的大氣組成:350 ppm 的二氧化碳、0.5% 的臭氧層。這兩個數字會影響到地球的溫室效應,只不過雖然厄拉科斯的二氧化碳濃度低,但是同樣是溫室氣體的臭氧值高,因此具一定的溫室效應。

等這些數據確定後,氣候模型就可以開始運作並且計算。這個氣候模型一共跑了三週多,作者另外提到,他們總共模擬了五百年,而且還使用了地球的部份大氣情況來跑厄拉科斯的數據(當然同樣是為了省下電腦運算資源的策略)。幸運的是,在初始的幾年中,大氣就乾了,而五百年後,大部份的水都保存在地底[3]。這也不難想象,尚未蒸發到大氣中的水會因重力滲流到地表下保存,而在沒有植物行光合作用的情況下,大氣中的水蒸氣也將成為厄拉科斯上居民爭奪的「黃金」。

為什麼要算五百年的氣候狀態?因為氣候/氣象模型餵進去的只是 Initial Condition,也就是「初始條件」,而初始條件只是氣候模型的開端而已,不能當做結果。所以算到最後,這個氣候模型必須達到「平衡態」——也就是說,模型算出來的四季,與下一年算出來的四季,必須要有極小的差值。等這個差值小到可以忽略時,這種數值模型才算是成功的。

住在「赤道比高緯度區域還舒適」的沙漠星球

在書中描述了厄拉科斯是極為嚴苛的生存環境,像是人會利用「蒸餾服」來回收排出的汗、尿,再自己喝,連血都會快速凝固來防止蒸發。書中描述的厄拉科斯是個非常乾熱的地方,所以大多數的人會住在兩極地區。

但是根據氣候模型,熱帶/赤道地區,在夏天會達到 45°C,冬天則不低於 15°C,但是在中緯度與兩極地區,最高溫會達到 70°C,在中緯度最低溫會達到 -40°C,兩極則會到 -75°C。其主要的原因就是兩極地區的大氣濕度高、雲層厚,造成其極端的氣候狀況。

另外與書中描寫不同的,是降雨狀態。書中的厄拉科斯沒有降雨,但是依據氣候模型的計算,在高緯度的夏天,還有山區與高原地區,還是有非常少量的降雨。也因為前述提到的極端溫差,所以兩極地區也不存在冰帽。

厄拉科斯是極為嚴苛的生存環境,人會利用「蒸餾服」來回收排出的汗、尿,再自己喝,連血都會快速凝固來防止蒸發。圖/IMDB


最後的問題,人類可以住在厄拉科斯嗎?根據氣候模型,人類最有可能居住在熱帶地區,而不是書中提到的中緯度:畢竟中高緯度才是最熱的地方,也是最不適合人類居住的氣溫。如果有誰想要用岩石煎牛排,是可以考慮到中緯度一遊吧?

雖然書中的描述與實際氣候模擬的狀況有一點落差,但是作者們也提到,《沙丘》原著出版時間早(1965 年),比真鍋淑郎發表第一支地表模式早了整整四年,在這樣的落差下,《沙丘》原著中對厄拉科斯的氣候描述,雖與氣候模型模擬的結果有部分落差,但並無大錯。

Dr. Alexander Farnworth 給中文讀者的話

筆者與撰寫《沙丘》氣候模擬的文章作者進行了一些交流,除了學術交流外,也榮幸邀請了作者給中文讀者一些感言:

「從數十年前開始,我便一直是法蘭克·赫伯特的作品《沙丘》的超級粉絲,而他也打開了從我童年時開始,對奇幻世界的眼界。這也讓我有機會用一個科學家的角度,來重新檢視童年時有對此世界的奇想。我希望就此成果,也能夠一樣能吸引更多的人來了解我們的氣候是如何運作,知道為什麼要保護我們的星球,更希望能夠激發更多下一代的氣候學家。」[3]

I have been a massive fan of Frank Herbert’s Dune since childhood due to the fantastical world he first envisioned many decades ago, to be able to look at it as a scientist was a fantastic experience and brought back that childhood wonder. So, I hope this work equally inspires others to learn about how our climate works, how we should not take our planet for granted and maybe even inspires the next generation of climate scientists.

大氣科學是一門很有趣的學問,人類仰望星空,是透過地球的大氣層才有了閃爍的星光,也是有大氣層才保護人類免受宇宙射線侵害。人類在埃及、商朝、伽立略等年代,都建立了對星體運動的了解,但大氣動力學要一直等到納維爾-斯托克斯方程出現後,才有飛躍般的進展,更惶論在能用數值模型解釋氣候、氣象模型,以及人類擁有更精確、更大量的氣象資料後,才能大量驗證大氣運動,進而改良大氣模型,才能達到預測氣象與氣候推測(Climate Projection)的能力。但這非常需要大量的人力,以及大量的知識才能達到。

大氣科學是一門很有趣也有用的學問,能幫助人類更精準地預測氣象,但也考驗知識、人力與物力。圖/Pixabay

真鍋淑郎博士在近六十年前,以少數人力建構了第一代的地表模式,而現在最新的《通用地表模式第五版(Community Land Model Ver. 5)》,是橫跨多國的合作開發的模式[5],而這還只是地表模式,大氣模型中還有形成雲或雨的 Microphysics、輻射能量傳導模式的 Radiative Transfering Scheme、解大氣間傳輸的 Planetary Boudary Layer Physics、屬海洋領域的洋流模式,屬水文領域的三維地下水模型,以及用來進行數值解的計算流體動力學,更惶論日新月異的電腦資訊工程的發展,這些的確都需要未來學子們加入並一同改進,也是未來泛地球科學學門需要的生力軍。

註解

  1. 2021 年上映的科幻電影《沙丘》舊譯為《沙丘魔堡》。除了 1984 年大衛·林區所拍攝的初代電影使用舊譯名稱外,還有九零年代的同名即時戰略遊戲;遊戲版的《沙丘魔堡II》,也是《終極動員令(Command & Conquer) 》創作公司Westwood的代表作之一。

參考資料

  1. Doyle, L. R., Carter, J. A., Fabrycky, D. C., Slawson, R. W., Howell, S. B., Winn, J. N., … & Fischer, D. (2011). Kepler-16: a transiting circumbinary planet. Science, 333(6049), 1602-1606.
  2. Farnwoth, A, Farnwoth, M, Steinig, S, 2021, Dune: we simulated the desert planet of Arrakis to see if humans could survive there. https://theconversation.com/dune-we-simulated-the-desert-planet-of-arrakis-to-see-if-humans-could-survive-there-170181?fbclid=IwAR2EhRwjxNsGtFdkZGic8SZRS7cOgQbjfFXt27PmGYyZoVLH3BpANma569g
  3. Farnworth, A, 2021, Personal Communication.
  4. Valdes, P. J., Armstrong, E., Badger, M. P. S., Bradshaw, C. D., Bragg, F., Crucifix, M., Davies-Barnard, T., Day, J. J., Farnsworth, A., Gordon, C., Hopcroft, P. O., Kennedy, A. T., Lord, N. S., Lunt, D. J., Marzocchi, A., Parry, L. M., Pope, V., Roberts, W. H. G., Stone, E. J., Tourte, G. J. L., and Williams, J. H. T.: The BRIDGE HadCM3 family of climate models: HadCM3@Bristol v1.0, Geosci. Model Dev., 10, 3715–3743, https://doi.org/10.5194/gmd-10-3715-2017, 2017.
  5. Lawrence, D. M., Fisher, R. A., Koven, C. D., Oleson, K. W., Swenson, S. C., Bonan, G., … & Zeng, X. (2019). The Community Land Model version 5: Description of new features, benchmarking, and impact of forcing uncertainty. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 11(12), 4245-4287.
    https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018MS001583

文章難易度
所有討論 4
Y.-S. Lu
2 篇文章 ・ 3 位粉絲
自從來到學界後,便展開了一段從土木人到氣象人的水文之旅。主要專業是地球科學數值模擬,地下水與地表模式的耦合系統,以及大氣氣象模擬。目前是于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich GmbH)的博士後研究員。


0

10
5

文字

分享

0
10
5

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

文章難易度
科技魅癮_96
1 篇文章 ・ 2 位粉絲
《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》