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人體飛行之夢 -飛行裝!

Scimage
・2011/01/14 ・435字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 419 ・四年級

像鳥類一樣用自己的身體飛翔一直是人的夢想之一,不過因為人體構造不合適,一直不能實現。鳥類的飛行所需的升力利用了兩種策略,一種是揮動翅膀讓空氣產生不對稱的流動,另一種是利用型態跟迎風角讓空氣自己產生不對稱流動,把前進阻力部分轉化成升力。後一種策略在風箏、風車、紙飛機,或是真正的飛機上都可以看到。

以人類來說,雖然前一種的人力飛行身體結構負擔不起,但是後一種的飛行方式只要想辦法讓飛行的速度夠快,使阻力變的夠大,就有可能可以實現。

這影片介紹的Wingsuit是一種跳傘特技在使用的裝備,可以讓人配備像鼯鼠的滑翔膜,這樣一來在空間停留的時間就會增加。如果更進一步,在腳上裝上小火箭增加滑翔的速度,只要到達一定速度,就可以提供夠多的升力一直持續飛行。

下面的影片就是這樣做的結果;當然,這樣的服裝需要很好的空氣動力學設計,人員也需要很好的訓練,不過或許有一天,只要稍微借助一點小動力裝置,用身體感受飛行不再是不能體驗的事情了!

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本文原發表於科學影像Scimage

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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守護飛行安全的重要後援!航空氣象知多少
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/04/19 ・3347字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文由 我的青航時代-2023航發會×暑期航空營 委託,泛科學企劃執行。

座落在熱帶和亞熱帶氣候帶的台灣,地形複雜,天氣的變化多端,比另一半翻臉的速度還快。在地面上的人們尚且需要天氣預報,才能順利規劃日常生活起居;在天空中翺翔的飛機,同樣也必須仰賴航空氣象的資訊,才能完成一趟安全的飛行。一起來瞭解航空氣象扮演的重要角色吧!

努力讓「不測風雲」變得可測

過去不少令人觸目驚心的空難憾事,如 2014 年復興航空 222 號班機空難受颱風麥德姆風雨影響墜毀、2020 年空軍黑鷹直升機因天氣驟變失事,都與天氣因素有關。根據台灣國家運輸安全調查委員會的報告,台灣近 10 年的民用航空運輸重大飛航事故分析中,「天氣」是其中僅次於人員因素的事故原因。

因此要守護機組人員與乘客的安全,能否及時提供可靠的機場氣象觀測、預報及警報,供飛航作業人員參考,便至關重要。

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2012-2021 年民用航空運輸業重大飛航事故原因分類統計(單位:事件個數)
。圖/國家運輸安全調查委員會

那麽氣象資訊是怎麽來的呢?幕後功臣就是設置於台灣各處民航機場,堅守各自崗位的航空氣象臺。目前全島共有 5 個航空氣象臺(松山、桃園、高雄、豐年及金門)與 5 個任務臺(蘭嶼、綠島、恆春、北竿、南竿)[註1]負責監測航空氣象。

航空氣象人員的職責,就是蒐集、整理、分析和解釋飛航所需的機場及航路之預測、預報、警報及顯著危害天氣資訊。他們是飛航安全背後的强力後援,全天候守視飛航情報區天氣變化及提供諮詢。

氣象資訊從哪來?來認識氣象觀測的好幫手們

要即時準確地進行氣象觀測,絕對少不了各種氣象裝備的幫忙!任憑氣象七十二變,氣象人員也能透過氣象觀測隨時掌握情況,確保航空安全。飛航服務總臺在各民航機場都有設置的自動氣象觀測系統(Automatic Weather Observation System,簡稱 AWOS),是一個多功能的好幫手。它可以觀測風向、風速、能見度、跑道視程、雲量、雲高、溫度等等各種項目,讓氣象人員可以用來進行機場天氣測報和航機管制作業。

飛機在起飛降落時,最擔心遇到增加飛行難度的風切(Wind Shear)。風切指的是大氣中不同兩點之間,風速或風向的劇烈變化。低空風切(Low-level wind shear)則是指 1600 呎(500 公尺)以下空氣層中的風切,可能造成飛機難以操控而被迫重飛,甚至失速導致飛航事故,因此需格外注意。

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針對棘手的風切問題,氣象臺在松山機場和桃園國際機場設置了 低風切警報系統(Low Level Wind-Shear Alert System,簡稱 LLWAS),利用機場周邊沿跑道兩側及跑道延伸線外之多個 20 公尺以上測風塔進行風場觀測。當風場變化達到風切發生條件時,系統立刻就會透過文字、圖形和聲音等警告資訊,提醒氣象觀測員及塔臺管制員,發布風切警報警示進場和離場的機師做好因應措施。

低風切警報系統中的測風塔。圖/飛航服務總臺

1985 年在桃園國際機場架設的都卜勒氣象雷達(Doppler weather radar),長得就像一個巨型氣球,是當時全亞洲首座供作業用的 C 波段氣象雷達,掃描範圍可達 300 公里。它就像個盡責可靠的氣象觀測員,負責台灣北部機場和附近航路天氣的即時監測與預警,可以掌握劇烈天氣如颱風、雷雨、風切和亂流等天氣現象的發展和移動,提供資訊給飛航相關人員作業參考,確保飛行安全。

1985 年在桃園國際機場架設的都卜勒氣象雷達。圖/飛航服務總臺

「有字天書」——航空氣象報告内容大解密!

如果你拿到一份航空氣象報告,恐怕會以為這是一串亂碼。由各種英文字母縮寫和數字組成的航空氣象電碼,其實有著國際規範的通用格式。只要懂得解讀,就會發現裏頭包含了風向、風速、能見度、雲層狀況、溫度露點及氣壓等多項氣象資訊。按照其用途,航空氣象報告可以分成不同的類型,以下簡單介紹其中幾種。

依照機場的作業規模,航空氣象臺會每半小時或每小時發布機場例行天氣報告(Meteorological Terminal Aviation Routine Weather Report,簡稱 METAR),供飛行員和航管員使用來評估該地區當前的天氣狀況。當天氣變化達特定條件時,則會發布機場特別天氣報告(Aviation Special Weather Report,簡稱 SPECI)。另外,觀測員也會發布未來 2 小時天氣預報,提供航機進行作業因應規劃。

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若需要預測更長程的天氣變化,臺北航空氣象中心也會每天四次更新機場預報(Terminal Aerodrome Forecasts,簡稱 TAF),其有效時間長度分為 30 小時/24 小時/18 小時等三類,讓航空公司可以用來擬定航班飛行計劃,作為航機調度、載重、油料和旅客安排的參考。

安全至上!如何從惡劣天氣中全身而退

在航空業中,天氣變化不只是出門要記得帶傘這點程度的不便,更會影響航班的安排規劃。如果預計會有暴雨或風暴,航空公司可能會取消或延誤航班,以確保乘客和機組人員的安全。當風速和風向發生改變,機師也可能需要改變飛行路線和高度,以大大降低航程的風險。

但你是否也有過類似經驗:明明天氣很好,來到機場卻遇上航班延誤的消息,而感到困惑不解?這些讓旅客滿肚子哀怨的情況,其實也都是為了安全考量,所作的因應安排。因為即使機場所在地的天氣肉眼可見的良好,並不代表機場適合起飛降落。

例如飛機降落前到達一定高度時,機師必須完全看得見跑道及地面狀況,覆蓋在機場起降航道附近的低雲、雷雨區,都可能造成能見度下降,造成飛機不能按時降落。飛行時,若航路前方有雷雨天氣,基於安全考量,機師通常會繞過或飛越,也就增加了航行時間導致班機誤點。靠山邊的機場如蘭嶼機場,常因地形產生風切亂流,導致飛機降落困難,不得不重飛或返航,延誤航班。

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此外,同樣是飛往某地的航班,也可能發生有些能走,有些卻被告知走不了的情況。這是因為航機機型大小不同,適航標準也不同。即使是相同的機型,也會因駕駛員的證照類別、航空公司所訂的安全標準之差異,綜合機場條件、天氣和駕駛員對航機狀態的判斷後,對班機行程做出不一樣的決策。

氣象服務網與 APP 在手,航空氣象即時就有

飛航服務總臺也緊跟時代脚步,建設各項線上即時的氣象資訊服務,包括「航空氣象服務網」和「航空氣象資訊 APP」。航空氣象服務網主要讓航空公司簽派員、飛行員及航空相關人員申請註冊使用,以查詢全球各主要機場即時天氣測報及預報資料。在網站首頁,也有機場即時天氣資料、台灣地區機場適航狀態、即時衛星雲圖等資訊,開發讓一般民衆查詢。

航空氣象資訊 APP 也應行動裝置普及誕生,可供航空從業人員下載使用。一般民衆也能透過 APP 取得全球各大機場即時天氣資訊、東亞地區衛星雲圖及臺灣地區雷達回波圖等資料。

航空氣象資訊 APP 使用介面。圖/飛航服務總臺

【註解】

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  1. 任務臺業務分別由豐年 (業管蘭嶼、綠島)、高雄(業管恆春)、松山(業管北竿)及桃園(業管南竿)航空氣象臺負責管理。

參考資料

  1. 飛航服務總臺:航空氣象服務介紹
  2. 飛航服務總臺:臺北航空氣象中心
  3. 飛航服務總臺:氣象裝備
  4. 台灣飛安統計(2012 – 2021)。國家運輸安全調查委員會。
  5. 飛航服務總臺:桃園機場都卜勒氣象雷達介紹
  6. 航空氣象服務網
  7. 「2020 飛航解密 暢遊天際」系列講座 – 臺北航空氣象中心主任余曉鵬精彩演講內容
  8. Wikipedia – 航空例行天氣報告
  9. Wikipedia – 終端機場天氣預報
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迷航的中國氣球怎麼飄到美國?其實早能預測飛行路徑?
PanSci_96
・2023/02/14 ・2263字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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日前,在距離美國海岸線一萬八千公尺的領空,飛彈 AIM-9X 擊中了一顆大型高空氣球;美國與加拿大國防部公開聲明,該氣球來自中國。

這顆氣球在被擊落之前經歷了一段相當漫長的旅程,從中國出發後,沿途經過日本、阿拉斯加、加拿大、美國本土,最後才在大西洋外海被擊落。

如何推算飛行路線

該飛行路徑是由美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)使用 HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)模型計算出的。

HYSPLIT 為一計算模型,可模擬在 100 公里內大氣環境中,任何位置釋放煙霧等粒子後,其隨著大氣傳播和轉移的軌跡;常用於森林大火、工業區廢氣的擴散,如:加州大火、福島核災等事件,以模擬污染物擴散軌跡,確保其不會進入人口密集區。

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若將 HYSPLIT 反向應用,就可透過計算擴散軌跡回推污染傳播路徑,以定位污染源位置。而此次的氣球事件,就是分析大氣氣流方向回推其可能路徑,最終推測出飛行起點位於中國。

氣球為何往東飛

氣球從太平洋西岸飛往東岸,原因不僅僅是為了要避開其他國家的領空,還因為這條「高空航線」只向東開放。在北半球的大氣環境中,風的方向通常是由副熱帶高壓帶吹向極地區域,加上科氏力影響,在中緯度高空會形成一條相當寬的「西風帶」;可想而知,也就成為了氣球環遊世界的最佳航線。西風帶會持續向東移動,對於颱風、洋流以及全球氣候系統都有深遠的影響。

中緯度盛行西風(藍色箭頭)。圖/維基百科

既然氣球乘西風飛翔,為何氣球走的不是直線,而像是繞遠路呢?難道它真的利用自主動力,繞開敏感地區嗎?

打開空中地圖來看,這顆氣球在進入加拿大後,一路向南抵達美國本土,這與「空中快速道路」——噴射氣流的路徑高度相似,因此很可能氣球就是搭著這股氣流前行。噴射氣流通常位於對流層頂部,因巨大的氣壓與溫度差,流速每小時可高達 200 至 300 公里;過去就有人利用噴射氣流降低航空器的油耗,甚至嘗試用來發電。

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既然它是搭乘噴射氣流移動,所以它應該就沒有動力囉?也不一定。目前無法知道這顆探測氣球的確切規格,其搭載的太陽能板除了提供儀器電力外,也可能在某種程度上提供動力。

由於氣候影響很大,釋放氣球也得要考量季節。在冬季的降溫下,西風帶會變得更加寬廣,風速也較為強勁;等到了夏天北半球漸暖後,西風帶就會變得狹窄且緩慢。因此,不論是過去的日本氣球炸彈,還是這次的探測氣球,都選擇在冬季釋放。

然而,氣球的路程並沒有一路大順暢。就正常情況而言,氣球在兩天內就該飄離,但這趟旅程就這麼剛好地遇到了平流層突然變暖,使得西風帶減弱,造成氣球的飄移速度下降,也就在美國本土多滯留了幾天。

究竟飛多高

這顆氣球在離開美國時,高度預計在一萬八千公尺以上。

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一般民航機飛行高度約為一萬一千公尺。圖/Envato Elements

民航機通常會選擇在一萬一千公尺的高度飛行,這剛好是大氣對流層與平流層的分界,平流層的氣流穩定性,使航程不那麼顛頗,而越往上空氣也會越稀薄,飛機越難取得足夠的爬升力。就氣球的一萬八千公尺而言,在美國現役的戰機中僅有 F-22 能上升到兩萬公尺,在安全距離內破壞氣球。

那為什麼不是以飛機用機槍將氣球射下呢?有必要用到要價 40 萬美金的響尾蛇飛彈嗎?過去加拿大也曾有氣象氣球失控朝著俄羅斯領空飛去,然而高速飛行的飛機不僅難以瞄準氣球,靠著打出的幾個小洞也無法將其擊落,只能盯著它慢慢洩氣,最後墜落。

這次美國等到氣球離開陸地再一次性擊落,在能掌握情況的前提下,可能為最佳方式了。

氣球比你想像得還要有用

氣球能上到一般航空器到不了的高度,充分展現了其戰略價值。

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而能上到兩萬五千公尺以上的探空氣球,同步串聯全球大氣資料,各國氣象研究單位藉此分析出完整資料。探空氣球的任務就是在緩緩上升的過程中,紀錄每個高度的溫度、濕度、氣壓、風向、風速、GPS 訊號等變化,做到大氣垂直方向上最精細的測量。

全球的探空氣球會統一在格林威治時間 0 點與 12 點釋放,台灣當然也沒缺席,同時間也就是台灣早晚八點,會從彭佳嶼、新店、花蓮、馬公機場、屏東機場、綠島、東沙島等地釋放探空氣球,遇到特殊天氣,下午兩點還會再多放一次。

探空氣球攜帶無線電遙測儀器,進入大氣層測量各種參數。圖/維基百科

商業氣球還能用來做什麼?其實在馬斯克的星鏈計畫之前,Google 也有類似計畫——Project Loon,要讓全世界偏遠地區都能上網;Project Loon 使用的就是可上升至兩萬公尺的網路氣球,而這項技術早在 2013 年 6 月於紐西蘭實驗成功。雖然 Google 已於 2021 年放棄該計畫,但這種概念並沒有因此消失,可作為發生天災、或遭遇戰事時,便宜、方便的重要通訊替代方案。

這次的氣球漂流記,撇除牽扯到兩大強權國的政治角力,讓全球民眾見證了,看似不起眼的氣球,能完成超高難度的移動。

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