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不可思議的照片:向土星揮手的人類

Write Science
・2014/01/28 ・2870字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 485 ・五年級

螢幕截圖 2014-01-27 14.16.39

我的一位朋友 (在此姑且不具名) 跟我抱怨起 2013 年 7 月那場大獲成功的「向土星揮手」(Wave at Saturn) 活動。「那什麼鬼啊?卡西尼號 (Cassini) 拍的照片裡面哪有可能拍得到我們!而且這些人跑出去對著土星揮手的時候根本連土星都看不到,因為當時太陽高掛啊!到底為什麼要去揮手?鬼才知道!」相較於這種臭脾氣老頭式的抱怨,Sky & Telescope 雜誌以討論帶出教學,簡單分析卡西尼號的影像系統究竟能不能捕捉到你揮手時反射的光線 (「卡西尼號拍得到你嗎?」”Will Cassini See You?”)。對於這麼點數學運算的結果,我一清二楚,而且我自己也做了類似的計算評估,不過我還是跑到外面去跟土星揮手了!

我想我這位朋友 (或是其他壞脾氣的老科學家) 是不會瞭解的,所以我們得要好好討論說明一下。先從簡單的問題談起吧,我為什麼要去外面對土星揮手呢?因為我不希望等到自己成了個彎腰駝背的老頭,連吃思樂冰都要看護來餵的時候,才在回首往事時後悔那天沒有跟大家一起去外面向土星揮手。所以,我就跑出去揮手了!

wavesaturn

等我 107 歲的時候,我會跟我的看護說:「我有沒有告訴過你,我在你這個年紀的時候曾經去跟土星揮手過?」看護會對我微笑,拍拍我的手臂說:「Larson 先生,來,再吃一口思樂冰吧。」我不但有去,還拿到了 NASA 發的證書!希望他們可以幫我把證書掛在養老院的床頭。

我的「向土星揮手」證書。我跟土星揮手了!

為了說明這件事情有什麼意義,我想先問一個稍微不一樣的問題:人們到底為什麼要特地到外面去對土星揮手?全國各地的人們紛紛在晚餐後帶著孩子到外面來,或是在上班時抽出 15 分鐘到外面站在人行道上,對著一顆遠在 8 億 9 千 8 百萬英里之外的星球用力揮手。到底為什麼呢?

因為這個想法「很了不起」,它會在你腦中激發出一點好奇的念頭,讓你開始去思考:一顆石頭、一片雲朵、一汪水窪、一片汽車擋風玻璃、一棵樹、一片屋頂、一個被丟棄的馬卡龍紙盒,還有一個人揮動的手臂,這些物體所反射的光線要行進大約 80 分鐘才能抵達土星,讓遠在另一個世界的機器拍攝下來。光是想到這件事情有可能成真,就足以在我們每個人心中激起驕傲之情,更覺得自己能夠抬頭挺胸揚眉吐氣。大約一世紀以前,我們甚至還不知道該如何讓一架飛機靠自身的動力飛行。但是,才經過不到三個世代,今天人類已經掌握了穩定成熟的技術,能夠飛越我們這小小世界的疆界,將太空船送入行星之間浩瀚無垠的太空,從星際間帶回一則又一則精彩迷人的歷險故事。

這真的是很了不起。有許多太空船曾經探索過我們所生存的太陽系,卡西尼號屬於其中較為近期的計劃,它將大量令人嘆為觀止的照片傳回地球,其中包括了在土衛六 (Titan,又稱泰坦星) 地表拍攝到的照片、佈滿冰火山的土衛二 (Enceladus) 那一片冰藍與雪白組成的迷幻世界,當然也少不了擁有讓人目眩神迷的行星環的土星。

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土衛六的表面
有冰火山活動的土衛二

 

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卡西尼號所拍攝到的土星
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土星上的颶風

對於過去數千個世代的人類而言,土星只不過是天空中稍微大一些的光點。伽利略那個年代的望遠鏡性能不夠好,因此甚至看不出土星有行星環,他在觀測紀錄中寫的是:「土星長了耳朵。」但是時至今日,我們已經可以打造出不需太空人駕駛的機械飛船,能夠前往土星上方的高空,拍攝大小足以吞噬半個北美洲的颶風;這個颶風固定存在於土星的北極,位於一個六邊形的雲系中,人們將這個雲系稱為「六角雲 (The Hexagon)」。

這真的是很了不起。我想大家也都明白這件事情有多棒,這就是為什麼那一天有一百萬人跑到外面去跟土星揮手、去跟卡西尼號揮手;這艘太空船孜孜不倦地繞行土星,那是一個我們大多數人此生無法親眼目睹的世界,而卡西尼號為我們揭開了它的神祕面紗,不只讓我們瞭解土星,也讓我們更瞭解自己。人們內心深處其實都瞭解這一點,而且都渴望能和那個世界產生連繫。這就是為什麼大家放下了手邊正在處理的 Excel 試算表、暫停了行銷會議、把還沒幫汽車裝上去的三個輪胎和待換的機油擱置一邊,紛紛走到外面去加入其他人,一起向土星揮手。

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在美國太空總署噴射推進實驗室外朝土星揮手的群眾 (美國太空總署攝)

人們非常積極地參與這次活動,有不少人拍下自己揮手時的照片上傳到 Twitter、Facebook 及 Instagram 跟朋友分享。這點讓我感到大家其實並不在乎卡西尼號是不是真的能拍攝到他們瘋狂揮動的手所反射的那一點點光線,不過他們的 iPhone 拍到了,他們也因為這些酷炫有趣的照片而感到開心。沒錯,無論原因是什麼,這個讓人們參與科學相關活動的想法雖然聽起來怪誕瘋狂,對人們而言卻具有相當的可信度。這是一次冒險行動,而他們都參與其中!

我認為,我們這些以科學研究為職志的人都應該重視這件事情,尤其是那種壞脾氣的老科學家 (其中很多人其實沒那麼老,卻因為自己的思維而落伍了--這些人很可能不讀網誌的,所以你還得多花些時間跟他們討論這個觀念)。想想看,人們自動參與了科學相關的活動,而且是「為數眾多」的人自動參與了科學相關的活動。他們在過程中享受到樂趣,很可能還學到了一點點知識 (比方說天空中有土星,即使是白天時也一樣),在離開的時候,對某些事情抱持著正面樂觀的想法,而且是與綜藝節目和好萊塢明星無關的事情。

身為科學家,我們總是怨嘆反科學的論調與政治的關聯逐漸變得密切、堂而皇之,令人對現在社會的科學素養不勝擔憂。確實,有人否認氣候變遷,也有人反對接種牛痘,但是當我知道有一百萬人在那個陽光燦爛的下午走到室外,從地球上對著一台距離遠到無法想像的相機遙遙揮手,我心中浮現了一絲希望。

不僅如此,我們還能收到參與這場活動的回饋!NASA 公佈了卡西尼號為我們拍下的照片,更是吸引世人矚目。就是這張照片:

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從土星拍攝到的地球

在壯麗的土星環下面,有沒有看到幾乎要沒入黑暗之中的那一個小小亮點?那就是我們,那就是我們的家園。在這張照片裡面,你正揮著手;在這張照片裡面,你媽媽也揮著手;我也在裡面,一樣揮著手。所有的人類,無論當時有沒有揮手,都在這張照片中。這張照片拍下的那一瞬間,我們全都在關注著,在這樣史無前例、不可思議的一刻,一台小小的機器進行著不可思議的任務:探索新事物、學習新知識,然後把所得的資訊回報給創造者。

這真的是很不得了。

今晚就空出一些時間,在關上筆電之前,花點時間仔細看看卡西尼號拍攝的這些照片,看看大家在向土星揮手時拍下的瞬間,還有卡西尼號傳回來的影像,並且牢牢記住全球人類是如何投入參與這次的活動。這些照片很不可思議,這樣的參與程度也同樣不可思議,但卻獲得了驚人的成功。

NASA,你們做得真的很不錯,真的。再接再厲吧!


作者:猶他州立大學 物理教授 Shane L. Larson
翻譯:Ankh Huang 黃于薇,現為兼職譯者(ankhmeow@gmail.com)
原文:〈Improbable, Awesome Pictures〉刊登於 2013 年 8 月 23 日

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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

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。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

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。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

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。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

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。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

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!

科技大觀園_96
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