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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.
文章難易度
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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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)。

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。

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。

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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遠流出版公司成立於1975年,致力於台灣本土文化的紮根與出版的工作,向以專業的編輯團隊及嚴謹的製作態度著稱,曾獲日本出版之《台灣百科》評為「台灣最具影響力的民營出版社」。遠流以「建立沒有圍牆的學校」、滿足廣大讀者「一生的讀書計畫」自期,積極引進西方新知,開發作家資源,提供全方位、多元化的閱讀生活,矢志將遠流經營成一個「理想與勇氣的實踐之地」。

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IPCC最新氣候變遷報告說了什麼?更熱的地球與更脆弱的人類
台灣科技媒體中心_96
・2022/03/03 ・3926字 ・閱讀時間約 8 分鐘

氣候變遷衝擊面向更廣,台灣準備好了嗎?

正當全球關注俄羅斯與烏克蘭的戰事發展時,昨(2/28)日聯合國氣候變遷專門委員會(IPCC)發布了最新氣候變遷第六次評估報告第二冊《衝擊、調適與脆弱度》(AR6 Climate Change 2022: Impacts, Adaptation and Vulnerability),再次呼籲各界積極應對氣候變遷衝擊,並立即展開應對政策與調適行動。

該重量級報告指出,人類活動引起的氣候變遷現象,已在世界各地造成極大負面衝擊與不可逆的環境危機,危及大量的陸地與海洋物種生存,目前已有多達 33~36 億人口生存在易受氣候變遷衝擊的脆弱環境中,且氣候變遷影響不僅止於生態物種,更危及人類社會的糧食、水資源、都市及健康問題。

台灣多位專家隨之呼籲,許多過去未被注意到的風險,如心理健康、土木工程都可能遭受衝擊,台灣應重新盤點、反思各領域可能的衝擊與調適策略,以因應不斷變動的氣候變遷衝擊。近年當紅的「自然解決方案(Nature-based Solutions, NbS)」,也首次被納入 IPCC 科學報告,值得相關當局關注。

為協助台灣社會掌握最新氣候發展脈動,台灣科技媒體中心偕同財團法人台達電子文教基金會,於報告發表隔日公開本次報告完整的決策者摘要(SPM)中文翻譯,以及台灣專家回應觀點,協助相關單位制訂更適切的氣候變遷調適策略。

這份重量級報告指出,人類引起的氣候變遷,已在世界各地造成極大負面衝擊與不可逆的環境危機。圖/envato elements

第六次報告強調的重點為何?

台灣科技媒體中心舉辦記者會,邀請台灣大學生物環境系統工程學系教授童慶斌、中央大學水文與海洋科學研究所教授李明旭、銘傳大學都市規劃與防災學系副教授石婉瑜解析這份重量級報告。這份報告是整個第六次評估報告(AR6)中的第二份,關注氣候變遷造成的衝擊、風險與人類的調適發展。

IPCC 再次呼籲,應對日益增加的氣候變遷風險應即時行動。相較於第五次評估報告,本次更強調,只要升溫超過攝氏 1.5 度,對生態或是人類系統的風險將大幅升高;而且升溫越多,人類將越無法調適。

童慶斌回應報告提到的風險,指出我們應該找出具有一致性與標準性的國家評估方法、建立可靠的科學證據;並根據 AR6 氣候情境,來評估台灣未來氣候變遷下的危害地圖,才能依此做出好的調適。同時標準化的評估方法,有助於不同層級、部門一起協力,建立夥伴關係,應對個別部門很難單一處理的跨領域風險。進一步形成跨部會、跨層級的公私協力夥伴關係,並考量永續發展目標。

童慶斌也提醒「衝擊與調適」在不同部門之間可能互斥,也可能互利。例如農業部門、民生部門、工業部門都會同時面對缺水問題,目前遇到這個問題,台灣是將農業用水調給民生工業部門,但這會與糧食安全互斥。另一面向,當我們面對淹水的問題,處理好淹水也會同時減少病媒蚊滋生的環境,與公共衛生領域共利。

李明旭則指出,這次報告與第五次評估報告的最大差異,是強調全球暖化超過攝氏 1.5 度將產生的額外嚴酷風險。報告特別提醒調適與減緩之間,需要更好的權衡,並避免導致「不適當的調適」,而不適當的調適可能在解決一個氣候風險問題之後,產生新的衝擊問題,甚至進入高脆弱度、暴露與風險的困境。

這次報告強調全球暖化超過攝氏 1.5 度將產生的額外嚴酷風險。圖/envato elements

6個氣候變遷即將帶來的衝擊

1. 從氣候變遷觀察到的衝擊:

人為引起的氣候變遷,包括更頻繁、劇烈的極端天氣事件,對自然和人類造成廣泛的負面影響,且其造成的衝擊,可能超過人類與自然可調適的範圍。

a.     生態方面

全球評估大約一半的物種已經向極地或更高海拔的地區移動。極端高溫造成數以百計的物種損失,以及陸地及海洋大規模生物死亡的事件。有些生態損失是不可逆的,例如已滅絕的物種;有些衝擊接近不可逆的狀態,例如冰河退縮導致的水文變化。

b.    人類社會

(a)  糧食與水的安全首當其衝。中低緯度地區受到較大的負面衝擊,致使數百萬人面臨嚴重糧食不安全。水產養殖與漁業也受到負面影響。

(b)  人類身體與心理健康的不利影響。例如:極端高溫導致人類死亡、提升發病率;擴大病媒蚊傳播範圍;極端天氣事件造成心理創傷等。

(c)   在城市中,主要的衝擊集中在經濟與社會弱勢的居民。此外關鍵基礎設施,如交通、水、能源系統,也正在受到極端天氣事件的影響。

報告中觀察到,全球評估大約一半的物種已經向極地或更高海拔的地區移動。圖/envato elements

2. 生態系統與人類的脆弱度和暴露:

a.     生態

全球僅不到 15% 的土地、21% 的淡水、8% 的海洋屬於保護區,且多數保護區缺乏降低氣候變遷影響的管理制度。預計世界上大部分的森林、珊瑚礁和低窪沿海地區,會受氣候影響而退化或損失。

b.    人類社會

大約 33-36 億人生活在極易受到氣候變遷影響的環境中。西非、中非、東非、南亞、中南美洲、小島嶼國家、北極地區是人類高度脆弱的熱點。

大約 33-36 億人生活在極易受到氣候變遷影響的環境中。圖/envato elements

3. 近期(2021-2040)風險:

在近期全球升溫就可能達攝氏 1.5 度,將會造成多種氣候災害增加。在近期自然和人類系統的氣候風險,取決於脆弱度與暴露程度,而非排放情境。與暖化加劇的情境相比,將升溫限制在1.5度可以大幅減少自然和人類的損失,但不能完全消除。

4. 中長期(2041-2100)風險:

2040 年後,氣候變遷的風險與全球暖化的程度高度相關。

a.     生態

估計在全球升溫攝氏 1.5-2 度間,生物多樣性熱點地區的特有物種的滅絕風險至少翻倍;如果升溫幅度為攝氏 1.5-3 度,則至少增加 10 倍。

b.    人類社會

在中長期所有評估中,暖化程度越高,可使用的水資源風險及水有關的危害程度越大;糧食生產和取得的壓力增加;熱浪的暴露人口持續增加;城市、關鍵基礎設施的風險增加,預計如果全球平均海平面相較於 2020 年上升 0.15 公尺,遭受百年一遇洪災的人口會增加 20%。

5. 氣候變遷的衝擊與風險越來越複雜、越來越難以管理。

多種氣候災害同時發生,且氣候與非氣候的風險交互作用,將導致新的衝擊與風險。

6. 暫時超出攝氏 1.5 度的風險:

目前的推估模型對於這個路徑的評估有限。但暫時超過攝氏 1.5 度仍會造成部分低恢復力的生態系統,如極地、山區、沿海生態系不可逆的影響。

我們該如何提高氣候韌性?

報告中,針對氣候韌性提出四大重點:

  1. 各個國家地區基於資源、脆弱度、文化價值的差異,選擇不同的排放情境,導致實現氣候韌性發展的機會之窗正在迅速縮小。
  2. 當政府、民間社會和私部門做出以減少風險、公平和正義為優先的發展選擇,且決策過程與資金都有跨部門的合作,最可能實現氣候韌性發展。
  3. 鑑於氣候變遷對生態系統與生物多樣性的威脅,保護生物多樣性與生態系統,是發展氣候韌性的基礎。
  4. 毫無疑問,氣候變遷已經擾亂自然與人類系統。未來十年採取的社會選擇與行動,決定了在中長期路徑上氣候韌性的高低。重要的是,如果當前不迅速減少溫室氣體排放,特別當升溫超過攝氏1.5度,氣候韌性發展的前景,將會越來越有限。

李明旭認為,這份報告不斷提到「包容式的治理過程」,強調資訊公開、決策透明。同時需建立夥伴關係、減少調適的軟性限制,透過政策工具與組織制度,建立促進調適發展的重要基礎。同時這次的報告強調「未來十年,人類的行動將會決定未來我們要面對多少風險」,且與 2030 永續發展的目標緊密扣連。

石婉瑜提到與過去相比,AR6 採用新的框架評估與討論氣候風險。從人類社會、自然生態與氣候,三個系統的依存關係與交互作用,尋求達成氣候韌性的方法。石婉瑜指出,傳統的系統經常造成「不永續」與「氣候變遷」,因此這份報告強調人類與生態系統的永續、公正轉型,以及各種系統的創新轉變。

圖/envato elements

石婉瑜強調都市化是全球的趨勢,全球大部分的人口居住在都市中,而越來越多的城市暴露在高氣候風險之下,因此「城市」的氣候科學與調適已經是 IPCC 的關注焦點。石婉瑜認為報告中所指不當調適、災害風險不均、氣候正義問題,值得決策者重視,且須納入各類知識與族群參與規劃。此外以生態系統為基礎的「自然解方」,首次被納入 IPCC 報告的城市調適策略,未來台灣規劃調適策略與氣候韌性路徑時,也應列為核心考量。

延伸閱讀

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台灣科技媒體中心希望架構一個具跨領域溝通性質的科學新聞平台,提供正確的科學新聞素材與科學新聞專題探討。

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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

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…...