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地球上最冷的地方有多冷?

臺北天文館_96
・2013/12/14 ・1197字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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地球上最冷的地方在哪裡?南極大陸一座很高的山脈—東南極高原(East Antarctic Plateau)在晴朗冬夜時的溫度只有攝氏零下92度;而最新的探測發現在鄰近區域的溫度更打破2010年8月10日先前曾締造的記錄,達攝氏零下93.2度。

美國國家雪冰資料中心(National Snow and Ice Data Cente)科學家 Ted Scambos 等人是利用 NASA 和美國地質調查所(U.S. Geological Survey,USGS)合作發射的8號大地衛星(Landsat 8)觀測資料,進行分析後得到前述成果;這是迄今最詳細的地表溫度測繪資料。

科學家們在2010年8月10日,曾透過其他幾架衛星32年來的觀測資料得知在南極大陸上,靠近阿加斯冰穹(Dome Argus)和富士冰穹(Dome Fuji)這兩座山峰之間有片名為「東南極高原」的冰棚上,有一群分佈相當密集的小塊區域,溫度比以前所知的最低溫還低了數十度。

在此之前,位在東南極洲的俄羅斯東方研究站(Vostok Research Station)於1983年時曾記錄到攝氏零下89.2度的低溫;而長期有人居住的地區中,位在西伯利亞東北部的Verkhoyans和Oimeko兩個城鎮,溫度曾在1892年和1933年曾降至冷冽入骨的攝氏零下67.8度。

Scambos 表示:他們從前就懷疑南極洲山脈上的氣溫應該會比東方研究站還低很多,畢竟海拔高度的差異是如此明顯。但一直到8號大地衛星提供實測資料,科學家們才能進一步詳細的研究這塊區域。

當南極研究基地開始建立,有科學家進駐以便研究東南極高原上的大型雪穹如何受到風的雕琢時,科學家們就一直好奇此處的地表溫度究竟會有多冷?為什麼會這麼冷?由於可以靠近一點觀測,他們注意到冰穹之間的雪地有裂隙,可能是冬天溫度非常低,致使雪層表面收縮而造成的。這讓科學家想知道這裡的溫度變化範圍,後來還進一步設法利用裝在數架衛星上的中解析光譜相機(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)和先進極高解析放射計(Advanced Very High Resolution Radiometer,ACHRR)等兩種衛星感測器的觀測資料,想找出最冷的地方在哪裡。

從這些資料,Scambos 等人發現在阿加斯冰穹和富士冰穹之間,綿延 620 英里長的山脊是極低溫所在處,但溫度最低的卻是在山脊上一些稍微低窪的小塊區域中。之後,透過8號大地衛星的熱紅外感測器(Thermal Infrared Sensor,TIRS)觀測資料,Scambos 等人找到溫度最低的一塊地區。

將地形圖與衛星探測資料進行比較,希望能瞭解此處溫度為何這麼低的原因。已知在晴朗夜晚,溫度會降得非常快;如果這種晴夜持續好幾天,那麼地面會持續因將熱能向空中散發而造成輻射冷卻效應,讓溫度更低。最終結果,便使得被雪和冰覆蓋的地表之上出現一層超冷空氣(super-chilled air);這層超冷空氣比它上方溫度稍高一些的空氣還稠密一些,因而會順著冰穹的斜坡向下滑,讓低窪處的溫度持續降低,最後就使得溫度最低的區域不在山峰上,而是集中在山脊的低窪處。

8號大地衛星於2013年2月11日發射升空,每天可捕捉550幅地表景象,所有影像傳輸回 USGS 保存,有研究需求者可透過網路取得免費影像。

資料來源:The Coldest Place in the World, 2013.12.10, KLC

轉載自網路天文館

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臺北天文館_96
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低溫也是一種過敏源?寒冬外出小心「寒冷性蕁麻疹」
careonline_96
・2021/12/14 ・1470字 ・閱讀時間約 3 分鐘

天氣冷颼颼!想賞雪追雪小心危「肌」重重

12 月份氣溫驟降,過敏一族在這時候精神特別緊繃,特別是「寒冷性蕁麻疹」患者更容易因為未注意保暖,導致蕁麻疹發作。

其中「寒冷性蕁麻疹」屬於物理性慢性蕁麻疹,此類蕁麻疹患者通常對「低溫」敏感,只要稍微接觸如雪、冰水、冷空氣亦或是短時間內室內至室外溫度急速下降,即會產生風疹塊,導致全身紅腫、灼熱、發癢,嚴重時喉嚨和舌頭腫脹會影響呼吸,甚至少部分患者可能會引起全身性過敏反應而暈倒、心跳加速、血壓降低,皆會有危及生命的可能。

寒冷性蕁麻疹

 曾有位罹患「寒冷性蕁麻疹」男童,在學校上游泳課時因水溫較低,才剛跳進水中便馬上引發蕁痲疹,導致全身上下都佈滿紅色膨疹,隨後連呼吸道也跟著腫起來,幸好迅速就醫,症狀才穩定下來。

卓玉麗皮膚專科診所院長卓玉麗醫師建議「寒冷性蕁麻疹」患者除了需定時服藥,最好在知道會遇到冷因子一至兩小時前先服用抗組織胺藥物,同時也做好保暖、避免室內外溫差,冰水、冰冷食物等也需忌口,特別是冬季追雪活動盛行,也建議「寒冷性蕁麻疹」患者應避免前往。

寒冷性蕁麻疹的治療與預防

 卓玉麗醫師表示目前蕁痲疹的治療以「新型第二代抗組織胺」為主,過往傳統的第一代抗組織胺藥物,雖可有效止癢、並阻止微血管擴張,但時常會造成口乾舌燥、嗜睡、頭昏無力等狀況,少部分患者甚至會出現視力模糊等副作用,雖為短效型藥物但其副作用在少數患者體內可能會持續很長時間,嚴重影響患者日常生活,使服藥順從性降低導致無法有效改善症狀。

以卓玉麗醫師的門診經驗來看,「新型第二代抗組織胺」其副作用發生機率大約只有百分之一,不僅有效改善因為第一代藥物引起的嗜睡、疲倦、注意力不集中等問題,更重要的是對於肝腎功能不佳的患者也不需減少劑量,為目前安全性高的藥物,且藥效在 1 小時內便能夠達到治療效果,並可持續 24 小時,減少患者的服藥次數,事半功倍。

根據臺灣皮膚科醫學會新版診治共識指示,如一般藥物治療仍無法讓病人症狀得到控制,即可將抗組織胺藥物最高調至四倍用量,若調高藥物劑量二至四週後仍然無法改善症狀,即可考慮使用生物製劑或免疫調節劑進行治療。卓玉麗醫師提及現今的治療流程簡明扼要,且因新一代藥物的發現及投入市場,使得蕁麻疹的控制更為有效。

除了配合醫師處方外,也提醒寒冷性蕁麻疹的患者千萬不要只在有症狀時才服藥,不僅無法控制症狀還會使先前的治療前功盡棄,必須將蕁麻疹看成是慢性病一樣治療,有耐心、信心配合醫囑長期服藥,方可穩定控制。

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人造衛星的眼睛——恆星追蹤儀 aka 星象儀
黃 正中_96
・2021/08/17 ・2131字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

文/黃正中 研究員、丘政倫 博士|國家太空中心

幾千年來,航海者觀察著星星來確定他們在海上的位置,這種「看到而知之」的概念,也被運用在人造衛星的「恆星追蹤儀」上,用來確認所在位置與控制人造衛星的姿態,因此也被稱為「人造衛星的眼睛」。

福爾摩沙五號衛星的恆星追蹤儀。圖/太空中心

人造衛星的眼睛——恆星追蹤儀

恆星追蹤儀,又稱星象儀,是人造衛星的關鍵元件,工程師們利用恆星追蹤儀所記錄宇宙中的星光比對恆星(如下圖),參考地球自轉速率,以及人造衛星飛行的慣性,經過演算,可以判斷目前人造衛星飛行的位置和姿態。

恆星追蹤儀比對恆星軟體。圖/wikipedia

在宇宙中任何兩顆明亮的星星,星星之間的角度、間隔都是獨特的,沒有一對間隔完全相同的明亮的恆星。恆星追蹤儀使用分離角度來識別相機所指向的恆星,利用這些信息,人造衛星可以演算出在太空中的相對位置。

但是,約莫二十年前的發射的福衛一號,其實並沒有裝上恆星追蹤儀喔!這沒有眼睛的人造衛星到底是怎麼一回事呢?

沒有眼睛的福爾摩沙衛星一號

國家太空中心所研製的福爾摩沙衛星一號,在研發階段時,恆星追蹤儀尚未成為標準元件,而是使用慣性導航系統(inertial navigation systems, INS),慣性導航系統所選擇的引導星取決於地球自轉的時間和目標的位置,利用加速計和陀螺儀測量物體的加速度和角速度,估算連續運動物體位置、姿態和速度。慣性導航系統的優勢在於給定了初始條件後,不需要外部參考外部資訊 (例如恆星資料庫),就可確定當前位置、方向及速度,然而,隨著遙測衛星的照相的需求,對於地理位置判斷,姿態控制的精確度已經跟不上任務需求。

因此,後續發展的福爾摩沙二號衛星,便使用了「恆星追蹤儀」,以參考恆星資料庫與相對角度的方法,大幅提高了姿態控制的姿態控制精確度。當時的「恆星追蹤儀」是外購衛星元件,然而從福爾摩沙八號衛星開始,我國衛星採用自主研發成功的恆星追蹤儀,成為我國衛星姿態控制的標準配備。

恆星追蹤儀的結構

恆星追蹤儀是光學裝置,若使用光電池作為主要偵測器,準確度比較低;偵測器若使用照相機則靈敏度較高,可以獲得相對比較好的解析度;恆星追蹤儀主要的配置包括遮光罩、鏡頭、影像感測器(CCD 或 CMOS)、驅動控制器、處理器、軟體、電源供應以及介面。

恆星追蹤儀主要配置。圖/作者提供

目前天文學家已經精確測量了許多恆星位置,並記錄在恆星資料庫中,因此人造衛星可以用來比對恆星資料庫,經由偵測器獲取鏡頭視野中恆星分布的圖像,經由演算法可以測量人造衛星在參考座標中的所在位置,用以確定衛星飛行的方向或姿態。

恆星追蹤儀的發展

恆星追蹤儀經過廿年來的發展,市面上已經出現許多高靈敏度的恆星追蹤儀型號,具有過濾錯誤光源的功能,例如人造衛星表面反射的陽光或人造衛星推進器產生的廢氣羽流,以排除陽光反射或恆星追蹤儀窗口受到污染等干擾。除了各種誤差源,新型的恆星追蹤儀能修正包括球差、色差,以及低空間頻率、高空間頻率、時間等的各種誤差。

恆星追蹤儀的識別機制

一般恆星追蹤儀的識別算法,主要利用宇宙中共有約 57 個常用的明亮導航星星;但是,對於更複雜的任務,則需要更多數量的恆星數據庫以確定人造衛星的方向;通常高精度姿態需要數千顆恆星的目錄以確保全天各角落都有足夠星數落在視野內可供辨識,比對並過濾以去除有問題的光點,例如大尺度的星際變化,顏色指數不確定性,或在資料庫中的位置顯示不可靠的情況。這些類型的恆星目錄經演算法最佳化後,即儲存為衛星上的機載恆星資料庫。

恆星追蹤儀發展恆星識別算法,還要注意很多潛在的混淆源,例如行星,彗星,超新星等相鄰天體;除此之外,太空中鄰近的人造衛星,地球上大城市的燈源或光污染等光點,則需要擴散函數的雙峰特徵加以排除。

商用恆星追蹤儀

近年來商用恆星追蹤儀如雨後春筍,相繼出現在大型航太展;看到了立方衛星的商機,恆星追蹤儀也出現微小化,麻雀雖小卻五臟俱全,誤差精度已表現不俗,可以裝置在衛星上。

上圖是微小型恆星追蹤儀影用在立方衛星上(下圖)。圖/NASA

國家太空中心恆星追蹤儀研發

近幾年來國際上許多單位相繼投入恆星追蹤儀的研發,包括我國的國家太空中心將恆星追蹤儀列為前瞻關鍵研發項目,並已掌握跨領域整合之關鍵技術,取得不錯的研發成果,國產恆星追蹤儀將會應用在福爾摩沙八號衛星。

參考資料

  1. 國家太空中心網站 
  2. 恆星追蹤儀維基網站
  3. NASA 網站
黃 正中_96
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國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...

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《比宇宙更遠的地方》及其背後的科學——你不可不知的科幻動畫(一)
科學大抖宅_96
・2021/07/31 ・3920字 ・閱讀時間約 8 分鐘

我們距離宇宙有多遠?如果你開車往正上方的天空行駛,以高速公路的行車速度,一個小時就能抵達外太空。

大氣層與外太空的分界線,目前並沒有全球統一的認定標準。國際航空聯盟(Fédération Aéronautique Internationale, FAI)將其定為海平面上方 100 公里處;美國空軍、以及美國國家航空暨太空總署(NASA)則以海拔 80 公里為交界——這麼近的距離,根本簡簡單單開車就到了呀!(不要瞎掰好嗎)

相較於宇宙的近,南極雖然在地球上,但是對絕大多數人來說,距離卻相當遙遠。2007 年,日本前太空人毛利衛被招待至南極的昭和基地後,講了句感想:「只要數分鐘就能抵達宇宙,到昭和基地卻要花數天;簡直比宇宙還要遠呢。」《比宇宙更遠的地方》(宇宙よりも遠い場所)這部動畫作品,描述的就是一群高中女學生努力突破現實困難,來到比宇宙更遠的地方——南極的故事。

《比宇宙更遠的地方》宣傳照。

(以下微科學劇情雷)

日本的南極觀測任務

《比宇宙更遠的地方》並不是刻板印象中的科幻片,劇情中沒有機器人、沒有太空船,也沒有外星人或宇宙基地;但它確實是有著紮實科學背景設定的幻想故事。主角們搭乘的破冰船企鵝饅頭號,設定上為退役的日本碎冰艦第二代「白瀨」(しらせ)改造而成;實際上,這艘日文名字發音跟主角之一相同的船,現今仍在服役,支援著日本的南極觀測任務。

現實世界的第二代白瀨。圖/wikipedia

至於動畫中,位於南極的昭和基地,也是完全參考自現實世界的昭和基地;其於 1957 年開設,目前仍為日本在南極的主要觀測基地。與劇情類似,南極地域觀測隊會不時跟日本當地,如博物館和各級學校等單位,進行衛星連線科普活動。以年為單位,每個梯次的觀測隊員約在百名以下,包括公家機關成員,以及民間專業人員;其中又區分成在南極待上一整年、每年二月交接的越冬隊,和只駐紮夏天期間的夏隊,以及少數的同行者(如記者、外國科學家、大學生等)。

可惜的是,到目前為止,南極地域觀測隊從來沒有女高中生參與;最年輕的成員為大學生。過去,女性觀測隊員鳳毛麟角,近年才有逐漸增加的趨勢,最多可達十幾人;而且,一直要到 2018 年,才首度有女性擔任隊長職務。在《比宇宙更遠的地方》裡,重要幹部/角色幾乎都是女性,一方面或許是為了跟主角們的性別身份呼應;另一方面,可能也是一種期許吧?

現實中的昭和基地看板。圖/wikipedia

南極的天文台

在動畫劇情中,觀測隊的重要目標,乃在南極內陸建立天文台;而現實世界裡,日本目前並沒有這樣的計畫,但確實有透過國際合作架設天文台的未來展望。

現在於南極洲運作的天文望遠鏡,最有名的當屬美國阿蒙森–斯科特南極站(Amundsen-Scott South Pole Station)的南極望遠鏡(South Pole Telescope, SPT);它位於地理南極、海拔 2800 公尺的高原上,口徑 10 公尺,可觀測的電磁波段包括了微波、毫米/次毫米波,也是事件視界望遠鏡的參與機構之一。事件視界望遠鏡是全球性的大型望遠鏡陣列計畫,協調世界各地電波望遠鏡獨立觀測特定目標,再將數據整合,形成口徑等同地球一樣大的虛擬望遠鏡。2019 年事件視界望遠鏡所發布,轟動全球的超大質量黑洞 M87 觀測照片,即有來自南極望遠鏡的貢獻。

南極望遠鏡。圖/wikipedia

為什麼選擇在南極內陸進行天文觀測?

為什麼在南極建立天文台這麼重要呢?要做,在自己國家做不就好了嗎?《比宇宙更遠的地方》又為何要設定成,去南極內陸建天文台,而非建在靠海的昭和基地?事實上,位處南極洲中央的南極高原,擁有其他地方無可比擬的天文觀測優勢

因為空氣中的水分子會吸收電磁波(程度依波段而異),所以觀測某些特定電磁波段的望遠鏡,必須建在特別乾燥的地方,避免觀測結果受到水氣影響。南極氣候嚴寒,空氣中的水份極少;加上內陸高原平均海拔 3000 公尺,空氣稀薄又乾淨――這些因素都讓南極內陸的天文觀測,可以最大程度地避免地球大氣層的干擾。

不僅如此,在地理南極附近,每年有六個月的永夜,星星亦不會東升西落――意味著,天文台可以不間斷地連續進行觀測、獲取數據,不會受到打擾。

阿蒙森–斯科特南極站座落在地理南極(紅線圈起來處);右上方黑框處可見昭和基地(Syowa)。圖/Wikipedia

南極的科學研究

不只黑洞觀測,南極的許多科學研究計畫都得到豐碩成果。1982 年,日本在昭和基地的越冬隊發現,南極上空的臭氧隨時間快速減少,甚至一度懷疑儀器出了問題。兩年後,觀測隊成員在研討會中發表調查結果,成為史上第一份南極臭氧層破洞的報告;《蒙特婁議定書》也才因此誕生,要求禁用氟氯碳化物等破壞臭氧層的化學物質。

臭氧層破洞的發現,於劇中(右上畫面)也有交代。圖/twitter

除了大氣層臭氧濃度的變化之外,南極也對我們理解遙遠過去的地球氣候貢獻卓著。眾所周知,南極大陸地表覆蓋著深厚的冰層,最厚處甚至超過 4 公里;它們是在漫長的歲月之中,逐漸堆積形成。換言之,在冰層的越深處,年代越久遠。藉由挖掘深層的冰柱樣本(稱為冰核,Ice Core),科學家就能分析出隱藏在冰裡的昔日氣候資訊,如當時氣溫和大氣的二氧化碳濃度等。目前人類挖出的冰核,最深超過三公里,可回溯至接近八十萬年前。

挖掘冰核的過程,以及冰核照片。圖/Nasa Earth Observatory

作為人類最後才踏足的大陸,南極帶給我們許多科研調查上的驚喜。至 2016 年為止,美國在南極找到約 22000 顆隕石,日本也回收超過 17000 塊隕石,對地質學研究貢獻甚鉅。在生命科學,如生態系觀察、環境污染調查、南極湖底苔蘚植被的發現等等,皆不容小覷。在物理學,目前有微中子(質量極小又難以和其他物質作用的次原子粒子)的大型觀測計畫正在進行。除了上述議題之外,還有其他諸多研究領域或主題,也在南極展開。

至於台灣,雖然本身並沒有南極的研究站,但科研人員可藉由跨國合作前往南極進行研究;如中央大學太空科學與工程學系的林映岑老師,就曾前往南極長駐一年,是目前國內唯一擁有南極研究經驗的女性科學家。此外,台灣也有為南極的部分研究設施貢獻過心力,像是事件視界望遠鏡的調校、台大物理系暨天文物理所的陳丕燊老師推動的微中子天文台「天壇陣列」(Askaryan Radio Array, ARA)等。

一起去南極吧!

植基於現實中的南極科學考察活動,《比宇宙更遠的地方》以四位女高中生為主角,展開她們青春的一頁。主角們在破冰船上、在南極的生活種種,都顯示出動畫製作公司花了相當大的心力,做足功課,才能有如此忠實的呈現。

動畫中,科學性的設定不單是用來搭配全劇的布景,甚至也可以說是讓故事更顯真實的重要點綴:包括研究計畫可能面臨的人力、物力短缺,和計畫執行前的準備和訓練等,劇情中都有一定篇幅的交代。雖然就自己身為科學研究人員的角度來說,會覺得科學內容的說明太少,不夠過癮,但這畢竟是給大眾看的動畫――就科學調查活動的呈現、角色的塑造、以及劇情的娛樂性等不同面向,個人認為比例拿捏得很不錯。

以南極為目標的主角們,透過一次次的努力,克服困難,想方設法來到南極,還要面對許許多多人際關係的衝突與學習;隨著旅程的開始和結束,她們得到的不只是一段獨特的旅行經驗,也是每個人的成長,和彼此之間的友誼。《比宇宙更遠的地方》曾榮獲紐約時報「2018 年最優秀電視節目獎」;它沒有深奧難懂的設定、沒有燒腦的情節;以溫馨勵志的內容溫暖人心之餘,其細緻的南極生活刻畫,也讓人心神嚮往,恨不得親自去一趟南極了呢!

動畫中的破冰船,第二代白瀨。圖/IMDb

參考文獻

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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/