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系外行星看極光:異世界有好風光

臺北天文館_96
・2011/08/11 ・1421字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

地球上的極光,又叫做南極光或北極光,為居住兩極地區的人提供了炫目的光之舞表演秀。大紅大綠整片跳著舞的光之窗簾,像一隻活物般翻攪波動了整座天 際。而最新研究說,遙遠的熱木星上,極光可是比地球上的極光還明亮成百上千倍。若是它的鄰近母恆星正在噴發,巨熱木星上光之波浪,可以從赤道一路狂奔直流 到兩極。於是整座行星以移調呈現:一幅彷彿異世界的風情畫。

哇!聽起來真是個太讚的觀光景點。連寫本篇論文的作者都說:「好想揪團去那顆行星玩!」論文作者Ofer Cohen,是哈佛史密松天文物理中心博士後研究員。

地球上極光的成因源自於太陽高能粒子猛烈撞上地球磁場,此時太陽粒子會被磁場引導而前往兩極方向,在那裡撞上地球的大氣層,造成空氣裡的分子像霓虹燈一樣,閃耀出光芒。地球上如何,系外行星上也相同,只不過,它們繞行的恆星是一些距離太陽系很遙遠的「太陽」。

地球遭日冕物質拋射(coronal mass ejection,以下簡稱CME)撞擊時會引發特別強烈的極光。數十億噸來自太陽的電漿(也就是帶電熱氣體)在CME夾帶噴發下,威力強時可直達太陽系 邊緣。地球磁層像一顆氣泡,是一圈籠罩保護著地球的磁場。當CME很強大的時候,甚至可以破壞地球磁層,帶來極大的地磁風暴。1989年時,一個這種等級 的地磁風暴曾為加拿大魁北克地區帶來大停電。

Cohen等人使用電腦程式來研究這種巨大氣體行星在很貼近母恆星的條件下,譬如近至數百萬英里,若受到恆星噴發侵襲時,系外行星的大氣層和其周圍磁層將會受到什麼影響。

首先,系外巨氣體行星會遭受到多種極強烈的力。如果是在我們的太陽系裡,CME得先在太空中擴散開來,才會接近地球,過程中已遭稀釋。熱巨木星則不 同,它會感受到強大許多、且方向性又更為集中的爆炸力道,其差異好比是距離在火山噴發口100公里以外,或者就在火山口1公里以內的噴發現場。

由此可知,對系外行星而言,這種影響將遠強烈於我們在太陽系所經歷的。應該說,有著天壤之別。

在CfA研究人員Vinay Kashyap等人所設計的模型中,CME先擊中了熱木星、削弱了它的磁場,然後CME的粒子抵達熱木星大氣層,在赤道周圍的環狀極光率先點亮起來,規模 大約是地球極光強度的100至1000倍,6小時候,一路翻騰洶湧的波浪便抵達南北極,最後,才以漸漸消退收場。

重點是,在模型裡顯示:系外行星,雖然遭受強大力量侵襲,它的磁場卻仍然可以保護這顆行星,免遭外力侵蝕。

Cohen解釋:「我們的計算讓我們看見行星的保護機制運作是多麼的巧妙,即便磁場遠小於木星的行星都有相當良好的自我保護機制。」

距離地球5億英哩遠的一顆巨型熱木星,詭異的發出藍色極光,這是哈柏望遠鏡所捕獲的畫面。圖片來源: NASA和哈柏太空望遠鏡

我們的銀河系裡最常見的恆星就是紅矮星,天文學家也建議我們可在紅矮星這一類的恆星周圍尋找類地行星,因為機率較高,而這也是為什麼Cohen他們這個研究發現很重要的原因:它和遙遠恆星周圍的岩質行星「適居性」如何,很有關聯。

不過相對的,由於紅矮星溫度比太陽低,岩質行星為了取暖-好讓水保持在液體狀態,它的軌道必須距離母恆星不太遠才行。如此一來,它暴露在恆星激烈噴發行為之下,也成了一種必然,所以,明白在這種環境中,行星的自保機制可以如何運作,當然很重要。(Lauren譯)

該研究論文將由The Astrophysical Journal刊出,可前往網上瀏覽Ghttp://arxiv.org/abs/1102.4125

資料來源:轉載自中研院天文網, 2011。07。31, KLC

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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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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