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淘氣衛星你追我跑 掌握旱澇預報

李柏昱
・2014/05/12 ・1525字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

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GRACE衛星示意圖,透過量測兩衛星間的距離變化,科學家就能獲得全球地表的淡水資訊。(圖片來源:NASA)
GRACE衛星示意圖,透過量測兩衛星間的距離變化,科學家就能獲得全球地表的淡水資訊。(圖片來源:NASA)

台灣中南部每年春季,經常遭遇用水吃緊的困境。最近,日月潭水位新低已經威脅到水社碼頭的經營,然而一到夏天往往卻又暴雨成災。面對從乾旱到洪患的劇烈變化,美國NASA利用在天上追逐的兩顆雙子衛星,長時間的監測全球各地水資源的變化,有趣的觀測方式帶來至關重要的觀測結果。

在天上運行的「優雅」衛星

重力回復及氣候實驗(Gravity Recovery and Climate Experiment, GRACE),這對有著「優雅」之名的衛星,是NASA在2002年發射升空的一對雙子衛星,目前已經持續蒐集地球十多年來地表淡水的分布資料。
 
GRACE觀測地表水體的方式相當有趣,不禁佩服科學家的創意。GRACE藉由衡量地表重力對於其在軌道上運行速度的微小影響,從而推知地表水含量的多寡。利用「質量越大重力越大」此一定律,當地表上的冰被、河流、湖泊水量以及地下水含水量越多時,這個地區的地表總質量越多,代表有較大的重力;反之當地表乾涸時,質量較少使重力較小。
 
運用此一概念,科學家只要知道全球地表重力變化,就能推算出地表淡水資源的分布情形。但要怎麼量測呢?GRACE有前後兩顆雙子衛星,中間相隔約220公里。舉例來說,當跑在前頭的衛星接近地表重力較強的地區時,會受到較強的重力吸引而加速,拉開與後頭衛星之間的距離;而當前頭的衛星飛越重力較強的地區後,會逐漸減速,後頭的衛星則同樣受重力吸引而加速追上;最後當後頭的衛星也飛過重力較強的地區後,後頭的衛星減速,前頭的衛星速度則不再改變。
 
透過這種你追我跑的過程,科學家量測兩衛星間的距離變化,從而推算全球地表的重力場(gravity field),並得到我們最關心的水資源分布資料。
 
從全球暖化到地區乾旱

實際上,GRACE的觀測資料用途廣泛,從全球尺度的暖化危機到地區性的旱澇趨勢都能掌握。

對於全球暖化是否加速冰層融化速率,GRACE提供了南極與格陵蘭的冰被資料,但分析結果卻指出在2003〜2012年為期十年的長時間尺度中,冰被融化的速度看不出明顯的加速,無法與冰被短期的變化區隔,未來仍需要更長時間的觀測資料。
     
此外,GRACE在2006年發現非洲的剛果河、尚比西河及尼日河流域有乾涸趨勢,而美國的密西西比河與科羅拉多和水量則增加。2013年的觀測則發現美國南部出現地下水逐漸枯竭的警訊。這些資料增加科學家對於地表水循環的了解,同時也用於改善天氣、河流、洪患、乾旱的預測模式,讓各地水域管理決策機構得以防患於未然。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿/2014年/4月)
 
責任編輯:鄭國威│元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

延伸學習:
《GRACE Sees Groundwater Losses Around the World》
《掌握地球淡水趨勢 雙子衛星監測助益大》
《Cynthia Barnett, Groundwater Wake-up.》
B. Wouters, J. L. Bamber, M. R. van den Broeke, J. T. M. Lenaerts & I. Sasgen, 2013, Limits in detecting acceleration of ice sheet mass loss due to climate variability, Nature Geoscience 6, 613–616.
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李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。

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全球與台灣面臨怎樣的水資源困境?有解方嗎?【2023 臺灣國際水論壇】
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/12/14 ・3777字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文由 經濟部水利署 委託,泛科學企劃執行。

人體有 70% 是水,而地球表面亦有 70% 被水覆蓋。「水」對人類來說,是賴以為生的必要資源,又因「水」相對容易取得,讓人們不易察覺水的珍貴。

在近年氣候變遷衝擊下,旱澇交替已成常態,經濟部水利署賴建信署長接受泛科學專訪時亦表示,依據聯合國政府間氣候變遷專門委員會(IPCC)第 6 次評估報告(AR6)分析,未來臺灣連續不降雨日數及最大暴雨強度將明顯增加,對於水資源及水環境帶來嚴峻挑戰。

具體來說,未來降雨將會更集中在特定時間與地點,在降雨地區造成更嚴重的洪災,讓非降雨地區的缺水情形更加嚴重。結果是降雨地區的水庫會不斷洩洪,無法有效收集雨水,而非降雨地區的水庫又會完全沒水。

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這情景也預示著我們平常容易取得的「水」,將轉變為更稀缺珍貴的資源;然而,水又是人生存所必須,若現在不採取行動,水資源終將成為人類生存的最大束縛。

為了讓企業、政府、學術單位能更重視未來所面臨的水資源問題,水利署於 10 月 23 日舉辦的「2023 臺灣國際水論壇」以「水未來」(Vision for Water)為主題,針對「水與企業永續」、「水與能源鏈結」、「水與自然解方」、「水與減碳科技」,希望形成創新的漣漪,向外擴散,激盪出國內外產、官、學界合作契機。

由於氣候變遷,看似唾手可得的乾淨用水,已逐漸成為稀缺資源。圖/Pexels

而擔任「水與ESG-厚植企業永續競爭力」場次的講者,是來自東海大學國際學院永續科學與管理學士學位學程的 Aleksandra Drizo 教授,她以數據與實際案例,揭露水資源短缺到底有多麼迫在眉睫。

全球有35億人,沒有安全與衛生的水可用

Drizo 指出,聯合國 2023 年公布的 SDGs 第六項「確保所有人都能享有水、衛生及其永續管理」報告中,指出世界上 35 億人缺乏乾淨用水與基本衛生條件,並強調:「獲得安全用水,環境衛生和個人衛生是人類健康與福祉的最基本需求。」而若要達到 SDGs 的 其他目標,又以第六項為最重要的核心,因為唯有確保人人都能用上乾淨的水,才有路徑完成其他目標,例如:第二項「終止飢餓」,就必須在確保有穩定乾淨的水源情況下,才可能達成。

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水資源為 SDGs 中的核心,所有指標與其息息相關。圖/Aleksandra Drizo 簡報
聯合國 2023 年的報告指出, 2022 年仍有 35 億人沒有乾淨用水與衛生環境,其中 19 億人連基本用水門檻與衛生條件都無法達到。圖/Aleksandra Drizo 簡報

Drizo 進一步指出,近幾十年來,儘管在改善飲用水和衛生條件方面有所進步,但仍有大量人口無法獲得安全飲用水和基本衛生設施。根據聯合國發布的 《Development and Globalization: Facts and Figures 2016》 資料,從 1990 年到 2015 年間,全球人口增長了 26 億,對水資源的調度與供給造成了巨大壓力。而在 2023 年世界衛生組織提供的乾淨飲用水調查資料中,直到2022年,仍有 22 億人口無法獲得安全飲用水,也與前面聯合國 2023 年的調查報告呼應,再次呈現水資源問題日益棘手的趨勢。

根據聯合國發布的 《Development and Globalization: Facts and Figures 2016》 資料,從 1990 年到 2015 年間,全球人口增長了 26 億,而未開發國家有近三分之一的人,無法確保乾淨用水。圖/Aleksandra Drizo 簡報

水資源困境並非全是全球人口成長惹的禍,全球氣候變遷造成更加頻繁的極端天氣事件,正讓全球面對過往不曾出現的乾旱。《衛報》2022 年報導歐洲面臨前所未見的熱浪與旱災,法國、荷蘭、比利時、瑞士、義大利、西班牙的河流,已經能直接看到河床,當時西班牙政府宣布限水,表示全國儲水量已達歷史新低,只有總儲水量的 40%,且每周都以 1.5% 的速率持續下降。

2022 年歐洲各地都傳出規模不一的旱災災情,如今西班牙缺水問題仍持續影響當地人民的生活。圖/Aleksandra Drizo 簡報

如今全球氣候變遷造成的水資源問題,也逐漸成為常態,《紐約時報》2023 年 10 月報導,如今西班牙仍處於缺水中,西班牙南部的水龍頭已經流不出水了,甚至連水井都已經枯竭,不只農業無法正常發展,民眾還必須仰賴水罐車或罐裝水維生,根據西班牙政府的報告,若缺水成為常態,則本世紀末將有近 74% 的西班牙國土,將面臨沙漠化的問題。

臺灣也面臨缺水問題

臺灣也未能逃離缺水的命運。2021 年春天,發生了 56 年來最嚴重的乾旱,當時外國媒體全都持續關注這場旱災,深怕缺水影響新竹科學園區的產線。而水利署搶先在 2021 年開通的「桃園—新竹備援管線」,從桃園每日調度 20 萬噸的水給新竹,才讓外媒的擔心沒有成真。

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2021年臺灣大缺水,外國媒體都十分關注。圖/Aleksandra Drizo 簡報

此外,臺灣水污染與地下水過度開採也導致水資源匱乏。要扭轉這一局面,則需要從多方面著手,水利署也已經開始建置相關工程並陸續投入使用,例如:高屏溪的「伏流水」與臺中水楠經貿園區淨化污水再利用的「再生水」,為地方開創多元水源,創造更有保障的用水環境。

Drizo 表示,臺灣的水庫也因氣候變遷面臨「優氧化」問題。由於水庫的水停滯過久,營養物質(氮和磷的化合物,相當於肥料)逐漸累積在水中,加上近年溫度上升,讓水中藻類與浮游生物孳生。在 2023 年的水利署水質檢測報告中,全國 20 個主要水庫中有 8 個水庫的水質已經優養化,這些優養化的水會對淨水廠造成額外負擔,而過濾出來的廢棄物處理也是個難題。

2023 年 7 月,水利署發布的水質調查報告指出,臺灣水庫有水質優養化問題。圖/Aleksandra Drizo 簡報

而 Drizo 針對優養化問題,提出以自然為本的解決方案(Nature-based Solutions, NbS)),並分享過去在各地施行的案例,例如:在 2009 至 2011 年與屏東科技大學的研究計畫,架設的社區小型污水淨水廠,以及用在美國俄亥俄州的農業污水淨水方案。最後 Drizo 分享了將廢棄物轉化生成富營養肥料等高附加價值產品的相關技術研發。也就是說,在淨水的同時,還能把廢棄物轉換為有價值的肥料,這不僅可以提高水資源利用效率,也具有重要的環保意義。

Drizo 的演講代表了學界在水資源問題上的重視,也提到了水利署正一步一腳印地改善臺灣用水環境,那麼身為用水大戶的企業,又有什麼作為呢?

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企業面臨的永續發展難題

臺灣美光記憶體的環安衛、風險管理暨永續發展處處長江頴俊在「水與ESG-厚植企業永續競爭力」場次分享該公司的實際經驗,臺灣美光記憶體透過「綠色基礎設施」、「流程優化」和「設備更新」的措施,成功達成每一滴水重複利用三次的目標,這項措施每年節省約 6000 萬立方公尺的水,相當於 6500 座奧運游泳池的水量。

然而,像美光這樣能提出具體目標與可信成果的企業並不多見,一同演講的法國北方高等商學院基礎建設研究中心 (EDHEC infra)的資深研究工程師 Nishtha Manocha,則說明大部分企業的永續發展目標缺乏 「設定具體可行的環保目標」以及「準確量化環保成果」。

許多企業的永續發展目標僅停留在概念階段,並沒有具體的達成路徑與量化檢核指標,這種模糊不清的目標將無法帶領企業持續行動。而更嚴重的是在量化成果這塊,目前企業仍多以內部數據來評估成效,缺乏第三方機構的驗證,資料的真實性可能會遭到質疑,也衍生出了「漂綠」的相關問題。

同場演講者—資誠聯合會計師事務所所長暨執行長周建宏,則表示「永續發展」已經是熱門的投資標的,投資人也害怕自己把錢給了「漂綠」的公司,最後虧得血本無歸。因此,在投資人的引導下,企業的永續發展目標會更為清晰,加上相關監管機構陸續成立,企業勢必將花更多心思在財報與資料呈現上,不能再打著永續發展的大旗,來跟投資者畫大餅。

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打造全球水未來

在「水與ESG-厚植企業永續競爭力」這場演講中,我們看到政府、企業、學界一同合作,共同討論如何解決水資源匱乏的難題。無論是學界針對水質優養化問題所提出的解決方案,抑或是透過投資人監督,讓企業能落實永續發展目標,都能看見世界正迅速朝永續水資源管理轉型。然而,各項監測指標仍顯示氣候變遷亦在加速,將我們推入未知領域,我們必須加快行動,才不會讓更嚴峻的水資源稀缺成為未來世代的枷鎖。

參考文獻

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擺脫缺水危機:四面環海的台灣,有可能好好利用我們身邊的海水嗎?
PanSci_96
・2023/06/24 ・3755字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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這幾年颱風都不颱風了,彷彿被台灣本島的 AT 力場隔阻在外,總是甩尾或擦邊而過,雖然少了可能的災情,但也讓台灣面對嚴峻的缺水問題,尤其曾文水庫持續探底,南部的水情特別不樂觀。如果冬、春季的鋒面也無法帶來雨量,無疑是雪上加霜,啊不對,連雨都沒有,哪來的雪跟霜呢?

那麼除了積極人工造雨、開發伏流水以外,你或許也想過,既然台灣四面都是取之不盡的海水,為什麼我們不能好好利用呢?實際上,澎湖早在 1993 年就建造了國內第一座海水淡化廠,為何至今海水淡化卻還沒有普及呢?我們有機會透過海水淡化,永永遠遠擺脫缺水危機嗎?

海水淡化效率如何?能源消耗是重要的考量因素

實際上,要將海水淡化也不需要什麼先進科技,只要將水分蒸發,再蒐集水蒸氣使它們凝結成水就可以了。曬乾後的海水還會留下天然的海鹽,可以說是一舉兩得。

這種加熱蒸餾法唯一的問題就是:效率實在是不太好。水的特性之一就是沸騰時會消耗大量的能量。要將一鍋一百度的水燒乾所需的能量,已經可以將五鍋水從零度加熱到一百度。不只如此,要讓水蒸氣凝結成液態水的過程,同樣需要耗費許多能量來進行冷卻。總的來說,這種將水變成水蒸氣再變回來的蒸餾法,從能量效率的角度來看相當不划算。很難規模化量產淡水。

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想要淡化海水,能源消耗是很重要的考量因素。如果要用化石燃料或電能來大量蒸餾海水,對大多數國家來說是筆相當沉重的開銷。在還沒解決用水問題前就先陷入能源危機了。因此,目前各國的大型海水淡化廠都不採用加熱蒸餾法。而是使用大家很常聽到的「逆滲透」。

逆滲透顧名思義,就是逆向的滲透作用。這是什麼意思呢?如果杯子中同時存在鹽水和淡水,中間用一片只有水分子能通過的特殊半透膜隔開,這時候水就就會自己穿過半透膜移向較鹹的那側。這種「驅使水分從低濃度前往高濃度區域的現象」就稱為「滲透」。

半透膜上的滲透過程。此過程中,水分會從溶質(藍色點點)濃度較低的區域網濃度較高的區域移動。圖/維基百科

雖然眼睛看不見,但滲透卻會產生一種真實的壓力——滲透壓,滲透壓足以和重力抗衡,在半透膜兩側形成一高一低的水位。但是我們海水淡化是要將海水變成淡水。所以反過來想,我們將鹹水放在高濃度這一側,並且用力推,推贏了水的滲透壓,水份就會逆流到淡水那邊,這就是逆滲透。

決定逆滲透效率的一個重要因素,就是逆滲透膜的材質。目前而言,不論是海水淡化廠還是你家廚房的飲水機,大都是用一種叫做芳香族聚醯胺的材質,做為逆滲透膜來進行淨水。這種材料的出現讓逆滲透的濾水效率大幅提升,只要花費蒸餾法十分之一的能量就可以得到等量的淡水。這讓逆滲透法擊敗了其他競爭者,成為最普遍也最容易規模化的淨水模式。

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賠本生意沒人做:脫穎而出的「逆滲透」技術,仍然無法擺脫可觀的成本

雖然這樣說,可是想要用高壓逆滲透來淡化海水還是要付出非常可觀的能量。首先,海水中可不是只有鹽份,還有各式各樣的懸浮物,金屬離子與微生物。如果不先去除這些雜質,逆滲透膜上給水分子通過的微小孔洞,很快便會堵塞。因此海水得先通過一系列的過濾與處理,才能真正進入逆滲透處理。

而且隨著逆滲透產出淡水,剩餘海水的鹹度也會逐漸變高,需要更大的壓力才能對抗持續增加的滲透壓。也就是說,要將所有抽上來的海水淡化在實務上是不可能的。一般而言,最後會剩下重量約一半的海水,這些濃縮海水鹹度特別高,被稱為鹵水。這些鹵水最後還要再透過管線排回海洋中。

講到這邊,我們已經能解答開頭提出的問題,為什麼海水淡化沒有普及?為何不用海水淡化來永久擺脫缺水?答案就是成本與自來水價差太多了。逆滲透淡化的程序相當繁複,而且每個環節都要耗電。不僅浪費能源,成本也超高,根據水利署資料,台灣海水淡化的平均成本約為一度30~40元,遠高於台灣的平均家戶水價每度 9.24 元,當然沒有自來水公司願意做這種賠本生意。

沒有其他壓低成本的方法嗎?

台灣的水價真的很低,是國際水協會調查33個國家中的第四低,這也是海水淡化發展的瓶頸。但如果先撇除水價問題,我們能不能找到不同於逆滲透的新方法,進一步壓低海水淡化的成本呢?

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神奇的抽水小艇

全球各地有許多勇於探索的研究團隊,持續在尋找全新的海水淡化技術。這些技術以永續發展為目標,利用再生能源或是新穎材料來產出淡水資源。

例如加拿大的新創公司 Oneka 便想到,既然主要的目標是海水,就不要浪費力氣把海水抽上岸了,直接把逆滲透機組打造成像是救生小艇一樣的形狀,漂浮在海面上。更神奇的是,這些小艇竟然完全不需要用電!

只要你懂海,海就會幫你!原來,Oneka 的逆滲透機組直接以海浪作為能量來源。這些小艇以纜線固定在海床上。當浪頭上升時,便提供了逆滲透所需的水壓。可以說是百分之百取之於海洋,發揮海洋的力量。淨化完成的淡水,則可以直接透過海底管線流向岸邊的集水裝置。

Oneka 公司的海水淡化技術。圖/Onekawater

Oneka 已經與智利中部海岸的海濱小鎮阿爾加羅沃合作,在碼頭安裝了這些小艇,每台小艇每天最多可以提供1500人的日常用水。依照此規模,只要在岸邊布置十餘台小艇,就足以供應一個小型海濱社區達成「用水自由」。

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廢「熱」再利用

除了逆滲透之外,也有人回過頭,嘗試重新開發新型態的蒸餾法來淡化海水。雖然蒸餾法需要耗費很多能量,但如果這些是本來就不用白不用的熱能,像是太陽能或發電廠的廢熱呢?這些廢熱,除了可以用在我們先前提到過廢熱發電,也能用在蒸餾,而且由於蒸餾法的構造和原理相對簡單,在一些小規模的應用中反而具有成本上的優勢。

這種獨特的設計每天每平方公尺可以蒸餾出 10 ~ 20 公升的淡水,雖然量聽起來不多,但是體積小且效率高,可以將家庭廢水作為再生水再次使用,對缺水地區的家庭與社區是實用的解方。

仿生材料「類澱粉蛋白」

除了有效利用各種再生能源來進行逆滲透或蒸餾,有一組來自台灣的研究團隊在今年初提出了一種全新的做法。陽明交大生命科學暨基因體科學研究所的許世宜教授發現,水珠在某種特別的仿生材料上會自動往某個方向擴散,等於是一個不用插電的奈米級抽水馬達。

他們所研究的這種材料叫做類澱粉蛋白,沒錯,就是會卡在腦血管中,造成阿茲海默症的元兇。研究團隊發現,在許多類澱粉蛋白排列成的薄膜上,表面能量會出現獨特的不對稱鋸齒形狀,引導水分子往單一方向移動。只要用這種薄膜製造一個奈米吸管,水分子便會自動由一側流往另一側。

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雖然這份研究目前是以奈米尺度的電腦模擬進行,離規模化和商業化還有一段長路,不過研究團隊估計,一片10公分見方的類澱粉蛋白膜不需要輸入能量,就可以在一天內產出 2.5 噸的淡水,且只要額外施加小小的 5 大氣壓,就可以將產量提升到每天 3.6 公噸。單位面積產水量是傳統逆滲透的兩百倍,所需壓力也小很多,非常有潛力成為未來低耗能、高產量的海水淡化方案。

面對常見的缺水問題,台灣現在能做什麼?

僅管最近有這麼多令人期待的新技術,但是台灣的水情或許沒辦法等到這些技術發展成熟來進駐。老字號的逆滲透海水淡化廠依然是補充匱乏水資源的重要方案。台灣國內其實早就有多座海水淡化廠,不過主要集中於離島。目前水利署已經開始推動在本島六縣市興建大型海水淡化廠,目標是每個廠每日都能產出 5~20 萬噸的淡水。

至於耗電問題,根據水利署相關單位在環評會議中的說明,除了搭配光電與能源回收設施之外,海水淡化會發生在 10 月到隔年 5 月的枯水期,盡量與用電高峰的夏季隔開,降低電能負載。

除了耗能之外,還有一點需要注意,就是海淡廠排放的高鹽度鹵水,是否會對周圍環境與生態造成影響。雖然目前透過電腦模擬鹵水排放,結果發現附近海域鹽度增量僅有 3~4%,影響看起來並不明顯。未來對生態與用電是否造成衝擊,還需要持續觀察。

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最後,就如同我們前面講到的,海水淡化是否能普及這個問題,除了技術是否到位外,還有一個關鍵問題值得我們討論,那就是台灣的水費,是否真的太低了?

台灣的水價定位問題值得討論。圖/envatoelements

很多人都知道台灣每年每人可分配的降雨量,僅有世界平均的五分之一,位列全球排名第 18 的缺水國家。然而,我們的水費卻是世界第四低。相比跟我們一樣是島國且水資源不足的日本與新加坡,它們的水價約為一度 30 元和 37 元,是我們一度 9.24 元的三倍以上。而這個價錢,與海水淡化目前 30~40 元的成本相比,就會讓海水淡化顯得可以接受。

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GRACE衛星示意圖,透過量測兩衛星間的距離變化,科學家就能獲得全球地表的淡水資訊。(圖片來源:NASA)
GRACE衛星示意圖,透過量測兩衛星間的距離變化,科學家就能獲得全球地表的淡水資訊。(圖片來源:NASA)

台灣中南部每年春季,經常遭遇用水吃緊的困境。最近,日月潭水位新低已經威脅到水社碼頭的經營,然而一到夏天往往卻又暴雨成災。面對從乾旱到洪患的劇烈變化,美國NASA利用在天上追逐的兩顆雙子衛星,長時間的監測全球各地水資源的變化,有趣的觀測方式帶來至關重要的觀測結果。

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重力回復及氣候實驗(Gravity Recovery and Climate Experiment, GRACE),這對有著「優雅」之名的衛星,是NASA在2002年發射升空的一對雙子衛星,目前已經持續蒐集地球十多年來地表淡水的分布資料。
 
GRACE觀測地表水體的方式相當有趣,不禁佩服科學家的創意。GRACE藉由衡量地表重力對於其在軌道上運行速度的微小影響,從而推知地表水含量的多寡。利用「質量越大重力越大」此一定律,當地表上的冰被、河流、湖泊水量以及地下水含水量越多時,這個地區的地表總質量越多,代表有較大的重力;反之當地表乾涸時,質量較少使重力較小。
 
運用此一概念,科學家只要知道全球地表重力變化,就能推算出地表淡水資源的分布情形。但要怎麼量測呢?GRACE有前後兩顆雙子衛星,中間相隔約220公里。舉例來說,當跑在前頭的衛星接近地表重力較強的地區時,會受到較強的重力吸引而加速,拉開與後頭衛星之間的距離;而當前頭的衛星飛越重力較強的地區後,會逐漸減速,後頭的衛星則同樣受重力吸引而加速追上;最後當後頭的衛星也飛過重力較強的地區後,後頭的衛星減速,前頭的衛星速度則不再改變。
 
透過這種你追我跑的過程,科學家量測兩衛星間的距離變化,從而推算全球地表的重力場(gravity field),並得到我們最關心的水資源分布資料。
 
從全球暖化到地區乾旱

實際上,GRACE的觀測資料用途廣泛,從全球尺度的暖化危機到地區性的旱澇趨勢都能掌握。

對於全球暖化是否加速冰層融化速率,GRACE提供了南極與格陵蘭的冰被資料,但分析結果卻指出在2003〜2012年為期十年的長時間尺度中,冰被融化的速度看不出明顯的加速,無法與冰被短期的變化區隔,未來仍需要更長時間的觀測資料。
     
此外,GRACE在2006年發現非洲的剛果河、尚比西河及尼日河流域有乾涸趨勢,而美國的密西西比河與科羅拉多和水量則增加。2013年的觀測則發現美國南部出現地下水逐漸枯竭的警訊。這些資料增加科學家對於地表水循環的了解,同時也用於改善天氣、河流、洪患、乾旱的預測模式,讓各地水域管理決策機構得以防患於未然。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿/2014年/4月)
 
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跌入黑洞的瞬間,會發生什麼事?——《高手相對論》
遠流出版_96
・2022/05/01 ・1542字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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事件視界望遠鏡發佈的第一張黑洞圖片。圖/事件視界望遠鏡, CC BY 4.0

黑洞

根據廣義相對論,一個星體的質量愈大、自身的尺寸愈小,它對周圍空間彎曲的程度就愈厲害。所謂「黑洞」,就是它把周圍空間彎曲得實在是太厲害了,以致連光線都無法從裡面出來。

從外面看,黑洞本身是一個黑黑的洞。但是如果黑洞附近有其他物質,比如星際間的氣體或者帶電的粒子,你會看到它周圍有一個光圈。那些光來自帶電粒子加速度運動產生的輻射。

而普通恆星、質量大體積小的中子星,以及黑洞對時空的彎曲程度都不相同。

與黑洞有關的知識,像史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)的《時間簡史》(A Brief History of Time)這類書已講了很多,而你需要知道的只是一個概念:「事件視界」(Event Horizon)。

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所謂事件視界,就是分隔黑洞內外的一條界線。事件視界以外,光至少還可以離開黑洞;而不管什麼東西一旦進入事件視界,就再也不能逃脫黑洞了。

現在,我們來思考一件特別有詩意的事情——掉入黑洞,會是一種什麼樣的體驗?

其他地方可不會帶給你這樣的感受。假設你前往黑洞,我坐在遠處的太空船裡看著你,因為強烈的時間膨脹效應,當你接近黑洞的時候,我會看到你的動作變得愈來愈慢。你會比我老得慢!

接近黑洞不一定就會掉進黑洞裡,事實上,因為黑洞的尺寸往往比較小,想掉進去也不容易。你完全可以把黑洞當作一顆普通的行星,繞著黑洞轉幾圈,你完全是自由落體運動,不會感到任何不適。但是因為黑洞本身的重力場太強,把時空彎曲得太厲害,所以你轉的這幾圈,在我眼中可就太漫長了。如果你轉兩圈再回來找我,可能我已經老死,而你歸來仍是少年。

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但是,如果你覺得在周邊轉兩圈不過癮,想進入事件視界看看黑洞裡面是什麼情況,那可就麻煩了。

跨越事件視界⋯⋯會怎樣?圖/envato elements

在事件視界上,你的時間膨脹將會達到無窮大。

也就是說,當你跌入黑洞的時候,我看到的是你愈走愈慢、愈走愈慢,最後你的身影將永遠停留在事件視界上。

我感覺到你再也不動了,你那一刻的形象永遠都保留在我的世界中。你那一瞬間,是我的永恆。

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但是時間膨脹是相對於我而言的,你自己不會感覺到這一點,你只會自然地跌入黑洞中。經過事件視界的那一刻,你不會有任何異樣的感覺。黑洞並沒有在邊界線上為你舉行歡迎儀式,你看到的黑洞內部也可以有光線,你眼中的事件視界內外沒有什麼差別。

然而這是一條有去無回的路,你將會被黑洞殺死,但你不是撞到什麼地方摔死的,而是黑洞把空間彎曲得太厲害,可能你身體下半部分的重力會比身體上半部分的重力強很多,這個差異會把你撕裂⋯⋯。

我們無法直接觀測到黑洞,但是我們可以從黑洞附近的星體運動方式判斷它的存在。天文學家已經有充分的證據,在宇宙中找到了很多個黑洞。

有關黑洞的知識都是其他物理學家研究出來的,愛因斯坦沒有回頭看相對論帶來的這場爆炸。他只想做最重要的研究,我們下一章再講。

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遠流出版_96
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淘氣衛星你追我跑 掌握旱澇預報
李柏昱
・2014/05/12 ・1525字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

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GRACE衛星示意圖,透過量測兩衛星間的距離變化,科學家就能獲得全球地表的淡水資訊。(圖片來源:NASA)
GRACE衛星示意圖,透過量測兩衛星間的距離變化,科學家就能獲得全球地表的淡水資訊。(圖片來源:NASA)

台灣中南部每年春季,經常遭遇用水吃緊的困境。最近,日月潭水位新低已經威脅到水社碼頭的經營,然而一到夏天往往卻又暴雨成災。面對從乾旱到洪患的劇烈變化,美國NASA利用在天上追逐的兩顆雙子衛星,長時間的監測全球各地水資源的變化,有趣的觀測方式帶來至關重要的觀測結果。

在天上運行的「優雅」衛星

重力回復及氣候實驗(Gravity Recovery and Climate Experiment, GRACE),這對有著「優雅」之名的衛星,是NASA在2002年發射升空的一對雙子衛星,目前已經持續蒐集地球十多年來地表淡水的分布資料。
 
GRACE觀測地表水體的方式相當有趣,不禁佩服科學家的創意。GRACE藉由衡量地表重力對於其在軌道上運行速度的微小影響,從而推知地表水含量的多寡。利用「質量越大重力越大」此一定律,當地表上的冰被、河流、湖泊水量以及地下水含水量越多時,這個地區的地表總質量越多,代表有較大的重力;反之當地表乾涸時,質量較少使重力較小。
 
運用此一概念,科學家只要知道全球地表重力變化,就能推算出地表淡水資源的分布情形。但要怎麼量測呢?GRACE有前後兩顆雙子衛星,中間相隔約220公里。舉例來說,當跑在前頭的衛星接近地表重力較強的地區時,會受到較強的重力吸引而加速,拉開與後頭衛星之間的距離;而當前頭的衛星飛越重力較強的地區後,會逐漸減速,後頭的衛星則同樣受重力吸引而加速追上;最後當後頭的衛星也飛過重力較強的地區後,後頭的衛星減速,前頭的衛星速度則不再改變。
 
透過這種你追我跑的過程,科學家量測兩衛星間的距離變化,從而推算全球地表的重力場(gravity field),並得到我們最關心的水資源分布資料。
 
從全球暖化到地區乾旱

實際上,GRACE的觀測資料用途廣泛,從全球尺度的暖化危機到地區性的旱澇趨勢都能掌握。

對於全球暖化是否加速冰層融化速率,GRACE提供了南極與格陵蘭的冰被資料,但分析結果卻指出在2003〜2012年為期十年的長時間尺度中,冰被融化的速度看不出明顯的加速,無法與冰被短期的變化區隔,未來仍需要更長時間的觀測資料。
     
此外,GRACE在2006年發現非洲的剛果河、尚比西河及尼日河流域有乾涸趨勢,而美國的密西西比河與科羅拉多和水量則增加。2013年的觀測則發現美國南部出現地下水逐漸枯竭的警訊。這些資料增加科學家對於地表水循環的了解,同時也用於改善天氣、河流、洪患、乾旱的預測模式,讓各地水域管理決策機構得以防患於未然。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿/2014年/4月)
 
責任編輯:鄭國威│元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

延伸學習:
《GRACE Sees Groundwater Losses Around the World》
《掌握地球淡水趨勢 雙子衛星監測助益大》
《Cynthia Barnett, Groundwater Wake-up.》
B. Wouters, J. L. Bamber, M. R. van den Broeke, J. T. M. Lenaerts & I. Sasgen, 2013, Limits in detecting acceleration of ice sheet mass loss due to climate variability, Nature Geoscience 6, 613–616.
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李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。