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揪出英國水災的幕後黑手

李杰翰
・2014/03/14 ・1436字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

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英國環境署「洪水警報地圖」2014年2月16日網站截圖。(圖片來源:作者)
英國環境署「洪水警報地圖」2014年2月16日網站截圖。(圖片來源:作者)

這大概是南英格蘭百年來最潮濕的冬天。

2014年1月是英格蘭有氣象紀錄以來,降雨最多的1月分。連日暴雨加上2月7日襲來的洪水,導致泰晤士河沿岸上千戶民宅遭洪水淹沒;2月14日新一波暴風雨重創英格蘭西南部,造成一萬六千多戶房屋停電。慘烈災情不僅逼得首相卡麥隆取消下周前往西亞的訪問行程,也讓威廉與哈利兩位尊貴的王子穿上防水衣物,前往第一線親自救援勘災。

「英格蘭會浸泡在這場彷彿無休無止的暴雨中,影響全球的氣候變遷仍是關鍵因素。」英國氣象局(Met Office)首席科學家史琳戈(Dame Julia Slingo)說道。儘管倫敦紳士一邊撐傘、一邊抱怨天氣的形象深植人心,這場降雨無論在長度、強度甚至沿岸海浪高度等各方面的數據都異乎尋常。「我們往前追蹤到1766年,發現過去從未有過這樣的紀錄。去年冬天開始,英國經歷了248年來最特殊的降雨時期,而在未來,海平面上升會讓洪水問題更難對付。」

從2013年12月開始,英國各地傳出的嚴重水災警告超過130件,遠遠多於2012年的9件。英國政府贊助的「生態和水文中心」(Centre for Ecology and Hydrology)為近來氣候異常現象整理出一份報告:北大西洋及太平洋噴流(jet stream)的擾動、以及周圍海域高於常溫的海水溫度,都可能是造成歐洲及北美極端氣候頻繁出現的因素之一。

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英國東安格里亞大學的氣候學家柯芮(Corinne Le Quere)也同意上述看法:「降雨量變得又多又強,往往是氣候變暖的預兆。因為更多更快的蒸發與降水,代表水循環正在加速。」

許多研究指出,過去50年來英國的暴雨逐漸增強。對此柯芮表示:「雖然國內對於暖化和暴雨兩個事件是否有關尚未達成共識,但越來越多人相信,氣候早晚會對日漸增多的溫室氣體做出回應。」此外,北極海冰的融化也改變了氣候模式。當海冰融化越多,海水就能在夏季吸收更多的熱,並在秋冬兩季釋放至大氣,間接影響該區域的大氣壓力,而大氣間不同往常的壓力差,正是導致極端氣候以及促成暴風雨的動力。

儘管如此,我們是否能斷定全球暖化現象觸發了這次的水災?「並不盡然,還有許多因素也有影響。例如氾濫平原的空曠程度會決定水災的大小。」柯芮說,「將來或許會有明確證據,我們現在只能猜測兩者應有明顯關聯。」按照這個趨勢,未來暴雨和水災將會更頻繁、更強,也更難對付。

每到暴雨氾濫、洪水成災的季節,英國環境署(Environment Agency)經營的網站「洪水警報地圖」(The Flood Alerts Map)或許能幫你一把。該網站將洪水預警標示分成三個等級:黃色的「洪水警報」(Flood Alerts)、紅色的「洪水警戒」(Flood Warnings)以及橘紅色的「嚴重洪水警戒」(Severe Flood Warnings)。

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「洪水警報」代表洪水可能在2小時到2天之內到來,該區域居民應提早做好疏散準備;「洪水警戒」則縮短為半小時到1天內,居民應關好電源、瓦斯、供水設備,並迅速遷移到安全場所;「嚴重洪水警戒」代表水已淹至腳邊,可能有威脅生命的立即危險。身為廣大人類渺小的一份子,單憑一己之力顯然無法防止水災發生,我們能做的就是防患於未然、並了解自保的方法。(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)

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!

 

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李杰翰
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國立台灣大學地理環境資源學系學士。曾實習於鼎漢國際工程顧問公司。 2014年錄取東京工業大學《YSEP 青年科學家交換計畫》,現於該校「環境與交通工學」領域研究室潛心向學。

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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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思韋茨冰川底下的暖水觀測,揭示未來融化速率可能超乎預期?
陳柏成 (Po Cheng Chen)
・2021/05/07 ・3427字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

思韋茨冰川 (Thwaites Glacier),又稱末日冰川 (Doomsday Glacier),是南極洲西部冰蓋 (ice sheet) 的一部分,面積約為 192,000 平方公里,相當於美國堪薩斯州的大小。也因其如此大的面積,加上近年快速的融化速率,使得科學家難以預估當前全球平均海平面的上升速率。為能更準確了解冰川消融對全球的影響,科學家有必要找出三個關鍵問題的答案:第一,是什麼造成冰川融化速率加快?第二,造成冰川融化加快的機制有哪些?以及第三,冰川融化加快將如何影響全球平均海平面上升?

圖一、思韋茨冰川 (Thwaites Glacier) 於南極洲的所在地。圖/USA TODAY

為什麼南極洲冰川加速融化

是什麼造成南極洲冰川融化速率加快?在過去科學家的研究中,就已注意到南極洲的冰蓋、冰棚 (ice shelf),會受到周圍相對溫暖的水流影響而導致融化 [1][2]。然而這些溫暖的水流是如何流動,以及這些水流如何影響這些冰川地形,受限於直接觀測資料的缺乏,一直是一個亟欲解決的問題。直到西元 2019 年,來自美國和英國的科學家,透過一項科學計畫 International Thwaites Glacier Collaboration (ITGC),針對思韋茨冰川進行更進一步的觀測 [3][4]。科學團隊們藉由多波束測深探測儀 (multibeam echo-sounder ,MBES) 的資料,試圖繪製出思韋茨冰川周圍的海床地形變化,以便進一步了解暖水在冰川周圍流動的路徑;掌握路徑分佈後,則可以改善模擬冰川融化的模型,從而提高預測全球海平面上升速率的準確性。

思韋茨冰川周圍海床地形分佈動畫。

觀測冰川底下暖水數據

今年最新的研究中,科學家首次針對思韋茨冰川底下的暖水收集觀測數據 [5]。這項任務的重要性在於,它可以幫助科學家回答以下問題:冰川底下海洋環流的基本性質是什麼?暖水主要是由哪一個路徑影響冰川?暖水可以深入冰川底下的洞穴到多遠的距離?以及冰川的融化速率有多大程度取決於暖水的流動?

要完整的了解暖水如何影響思韋茨冰川融化,首先要了解整體冰川地形的結構。從圖二可以看到,冰川 (Glacier) 屬於在陸面上緩慢流動的巨大冰體,而冰蓋 (Ice Shelf) 則為從陸地流入海洋大量的冰,在出海口累積成一片厚而廣大的浮冰,並與附近海岸線連成一體(可參考圖二)。當暖水流經冰棚底下,便會加速冰棚局部融化,而一旦冰棚融化,便會加快冰川流入海中的速率,從而加速冰川融解。第二,了解暖水的流動路徑及性質十分重要,其中路徑取決於冰川周遭的海底地形分佈。比喻來說,當水流經一道高牆時,流動的方向就會受到阻攔,反之當流經一個通道時,就會特別順暢;其中海脊 (ridge) 相對周圍地勢來得高,就如同那道高牆,而海槽 (trough) 則相比周遭地勢來得低,如同一個凹槽。因此對於暖水來說,海槽更像是一個容易經過的通道。

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圖二、冰川 (Glacier)、冰蓋 (Ice Shelf) 與冰山 (Iceberg) 之間的關係。圖/UCDAVIS

目前科學家對於思韋茨冰川周圍的海床分佈已有一定了解,並推估出在冰川北方存在三個主要的海槽,分別標示為 T1、T2 及 T3(見圖三 A),推斷暖水可能透過這些區域進入冰棚底下。根據觀測,目前已知最高的融水 (meltwater) 濃度出現在思韋茨海槽 (Thwaites Trough),然而並不了解冰棚底下暖水的流動分佈;此外從圖三中可知,在東側存在海脊,因此暖水相對受到東側海脊的阻擋,更有可能經由北側透由深海槽進入思韋茨冰川舌 (Thwaites Glacier Tongue, TGT) 底下。根據先前模擬模型,思韋茨冰川的侵蝕與海洋動力存在關係 [6][7],且暖水主要從北側的路徑而來,東側進入的水體則相對少了許多,並僅在冰棚下流動約幾公里之遠。然而如先前所述,受限於觀測資料的缺乏,模型的模擬仍有許多改進空間。

圖三、思韋茨冰川研究範圍及其海床分佈。其中 TGT 為思韋茨冰川舌 (Thwaites Glacier Tongue, TGT),EIS 為東側冰棚 (Eastern Ice Shelf, EIS)。T1、T2、T3 為冰川北方主要三個深海槽。其他部分可參考文獻 [5] 中之 Fig. 1。

找出冰棚消融的主因

這次的研究中 [5],科學家透過新的觀測數據,發現海槽比原本預期的還要深約 100~300 公尺,並透過其他觀測儀器,如自主水下載具 (Autonomous Underwater Vehicle  , AUV) 等,量測這些海槽中海水的性質,確認在 T2 及 T3 兩個海槽中存在厚度約 200-300 公尺的暖水,並透過聲學都卜勒流速剖面儀 (Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP) 數據的收集,推斷出在 T2 海槽中存在一向北流出的水體,而在 T3 海槽,則存有向南流入冰棚底部的暖水,該熱流約達 0.9 兆瓦 (terawatt, TW);根據推算,其將產生一年約 85 Gt(gigatonne, 十億噸 )的融水。從先前 2010-2018 年所建立的數據可得知,該處整體冰棚的融化速率約為 97.5 Gt/year,揭示出在 T3 流入的暖水可能為影響冰棚大部分消融的原因。

當相對高鹽度的暖水流入冰棚底部,失去潛熱並接觸融化的冰水後,水溫開始下降,由於與融水的混合,鹽度也隨之降低,最終提高含氧量 [8][9]。

透過這些資訊,科學家發現在 T2 海槽,融水的比例相對高於 T3,尤其是位於上層向北的水流(水深 400 公尺內)。另外透過 AUV 資料的收集,科學家發現來自 Pine Island Bay 的深層水透過流經東側冰棚 (Eastern Ice Shelf, EIS) 底下而抵達 T3 海槽區域。該發現比原先模型所預期的深層水流動範圍更向西延伸 [7],說明在 EIS 底下的海脊可能比原先預估的深度還要深(>1050 公尺),又或者並沒有如原先所推估的延伸至北邊,以阻擋來自 Pine Island Bay 的深層水。

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圖四、依據觀測資料推估出思韋茨冰舌及東側冰棚下水流的路徑分佈。其中紅色箭頭表示溫鹽水流的主要路徑,藍色箭頭為流出冰棚富含融水的水流,紅色虛線箭頭指示可能流入的溫鹽水流。來自 Pine Island 海槽的兩條箭頭則表示以當前資料,仍無法確認深層水主要由哪一條路徑流入東側冰棚 (Eastern Ice Shelf, EIS)。[5]

根據本次研究 [5],科學家總結出高比例的融水主要在西側流出,而另兩個深層水主要分別流入冰棚兩側,其中之一為先前已知由思韋茨海槽進入的暖水,另一個則為之前未知、由 Pine Island Bay 流入的暖水路徑。後者由於受到在地氣候條件 [10] 以及 Pine Island 冰川融化的影響 [11],意味著未來思韋茨冰川的融化速率以及該處整體冰川動力機制,將會比原先模型所預期的,更加依賴於 Pine Island 區域當地條件。

冰川消融帶來的影響

由於冰棚的存在有助於減緩冰川上冰流入海水的速率,當冰棚因流入的暖水融化而逐漸脫離海床(失去如路障般的作用),便會反過來加速思韋茨冰川上的冰流入海中。冰川的前緣不斷融化導致朝陸地後退,最後高聳的冰川峭壁將承受不住自身重量,而快速崩解;一旦思韋茨冰川消失,會使得南極洲西側的冰蓋更不穩定,並可能造成連鎖崩解的效應。[12]

思韋茨冰川的融化貢獻每年全球海平面上升的 4%,而若整個冰川全部消失,則將造成全球海平面上升近 0.5 公尺的高度 [13],這將進一步影響各國海岸線的分佈、人口的遷移,甚至是氣候乃至生態系統的改變。當前南極的冰川融化問題無疑對當代人類再次敲響了警鐘,而若人類對於氣候變遷再不做出更多具體的因應作為,則隨著末日冰川的消失,人類的末日恐怕又將更靠近一步。

參考文獻

  1. Jacobs, S. S., Hellmer, H. H., & Jenkins, A. (1996). Antarctic ice sheet melting in the Southeast Pacific. Geophysical Research Letters, 23(9), 957-960.
  2. Jacobs, S., Giulivi, C., Dutrieux, P., Rignot, E., Nitsche, F., & Mouginot, J. (2013). Getz Ice Shelf melting response to changes in ocean forcing. Journal of Geophysical Research: Oceans, 118(9), 4152-4168.
  3. Hogan, K. A., Larter, R. D., Graham, A. G., Arthern, R., Kirkham, J. D., Totten Minzoni, R., … & Wellner, J. (2020). Revealing the former bed of Thwaites Glacier using sea-floor bathymetry: implications for warm-water routing and bed controls on ice flow and buttressing. The Cryosphere, 14(9), 2883-2908.
  4. Jordan, T. A., Porter, D., Tinto, K., Millan, R., Muto, A., Hogan, K., … & Paden, J. D. (2020). New gravity-derived bathymetry for the Thwaites, Crosson, and Dotson ice shelves revealing two ice shelf populations. The Cryosphere, 14(9), 2869-2882.
  5. Wåhlin, A. K., Graham, A. G. C., Hogan, K. A., Queste, B. Y., Boehme, L., Larter, R. D., … & Heywood, K. J. (2021). Pathways and modification of warm water flowing beneath Thwaites Ice Shelf, West Antarctica. Science Advances, 7(15), eabd7254.
  6. Seroussi, H., Nakayama, Y., Larour, E., Menemenlis, D., Morlighem, M., Rignot, E., & Khazendar, A. (2017). Continued retreat of Thwaites Glacier, West Antarctica, controlled by bed topography and ocean circulation. Geophysical Research Letters, 44(12), 6191-6199.
  7. Nakayama, Y., Manucharyan, G., Zhang, H., Dutrieux, P., Torres, H. S., Klein, P., … & Menemenlis, D. (2019). Pathways of ocean heat towards Pine Island and Thwaites grounding lines. Scientific reports, 9(1), 1-9.
  8. Jenkins, A. (1999). The impact of melting ice on ocean waters. Journal of physical oceanography, 29(9), 2370-2381.
  9. Biddle, L. C., Heywood, K. J., Kaiser, J., & Jenkins, A. (2017). Glacial meltwater identification in the Amundsen Sea. Journal of Physical Oceanography, 47(4), 933-954.
  10. Webber, B. G., Heywood, K. J., Stevens, D. P., Dutrieux, P., Abrahamsen, E. P., Jenkins, A., … & Kim, T. W. (2017). Mechanisms driving variability in the ocean forcing of Pine Island Glacier. Nature communications, 8(1), 1-8.
  11. Webber, B. G., Heywood, K. J., Stevens, D. P., & Assmann, K. M. (2019). The impact of overturning and horizontal circulation in Pine Island Trough on ice shelf melt in the eastern Amundsen Sea. Journal of Physical Oceanography, 49(1), 63-83.
  12. Carolyn Beeler (2019). If Thwaites Glacier collapses, it would change global coastlines forever.
  13. SUSIE NEILSON (2020). Antarctica’s ‘Doomsday Glacier’ Is in Serious Danger, New Research Confirms.
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陳柏成 (Po Cheng Chen)
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熱愛自然科學,曾擔任PanSci實習編輯,現於美國夏威夷大學就讀博士班。如有任何問題,歡迎來信:consciencecpc@gmail.com

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英國環境署「洪水警報地圖」2014年2月16日網站截圖。(圖片來源:作者)
英國環境署「洪水警報地圖」2014年2月16日網站截圖。(圖片來源:作者)

這大概是南英格蘭百年來最潮濕的冬天。

2014年1月是英格蘭有氣象紀錄以來,降雨最多的1月分。連日暴雨加上2月7日襲來的洪水,導致泰晤士河沿岸上千戶民宅遭洪水淹沒;2月14日新一波暴風雨重創英格蘭西南部,造成一萬六千多戶房屋停電。慘烈災情不僅逼得首相卡麥隆取消下周前往西亞的訪問行程,也讓威廉與哈利兩位尊貴的王子穿上防水衣物,前往第一線親自救援勘災。

「英格蘭會浸泡在這場彷彿無休無止的暴雨中,影響全球的氣候變遷仍是關鍵因素。」英國氣象局(Met Office)首席科學家史琳戈(Dame Julia Slingo)說道。儘管倫敦紳士一邊撐傘、一邊抱怨天氣的形象深植人心,這場降雨無論在長度、強度甚至沿岸海浪高度等各方面的數據都異乎尋常。「我們往前追蹤到1766年,發現過去從未有過這樣的紀錄。去年冬天開始,英國經歷了248年來最特殊的降雨時期,而在未來,海平面上升會讓洪水問題更難對付。」

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英國東安格里亞大學的氣候學家柯芮(Corinne Le Quere)也同意上述看法:「降雨量變得又多又強,往往是氣候變暖的預兆。因為更多更快的蒸發與降水,代表水循環正在加速。」

許多研究指出,過去50年來英國的暴雨逐漸增強。對此柯芮表示:「雖然國內對於暖化和暴雨兩個事件是否有關尚未達成共識,但越來越多人相信,氣候早晚會對日漸增多的溫室氣體做出回應。」此外,北極海冰的融化也改變了氣候模式。當海冰融化越多,海水就能在夏季吸收更多的熱,並在秋冬兩季釋放至大氣,間接影響該區域的大氣壓力,而大氣間不同往常的壓力差,正是導致極端氣候以及促成暴風雨的動力。

儘管如此,我們是否能斷定全球暖化現象觸發了這次的水災?「並不盡然,還有許多因素也有影響。例如氾濫平原的空曠程度會決定水災的大小。」柯芮說,「將來或許會有明確證據,我們現在只能猜測兩者應有明顯關聯。」按照這個趨勢,未來暴雨和水災將會更頻繁、更強,也更難對付。

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「洪水警報」代表洪水可能在2小時到2天之內到來,該區域居民應提早做好疏散準備;「洪水警戒」則縮短為半小時到1天內,居民應關好電源、瓦斯、供水設備,並迅速遷移到安全場所;「嚴重洪水警戒」代表水已淹至腳邊,可能有威脅生命的立即危險。身為廣大人類渺小的一份子,單憑一己之力顯然無法防止水災發生,我們能做的就是防患於未然、並了解自保的方法。(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)

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黑洞甜甜圈之後:宇宙噴火槍 3C 279 黑洞噴流影像現蹤跡!——《科學月刊》
科學月刊_96
・2020/04/27 ・3964字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

  • 文/陳明堂,中央研究院天文所及天文物理研究所研究員,兼天文所夏威夷運轉副所長。

去 (2019) 年,臺灣黑洞團隊與事件視界望遠鏡 (Event Horizon Telescope, EHT) 公布第一張黑洞照片。一年後,他們雖然沒有呈現新的黑洞照片,卻推出一張所未見的黑洞噴流影像。黑洞噴流如同兩隻金魚的發光體,起初讓研究團隊摸不著頭緒。所幸 EHT 強大的解析能力逐漸解開噴流的真面目,原來圖片左上的影像是噴流的源頭,右下則是逐步遠離的噴流。此外,這把宇宙等級的噴火槍其實是耀變體,在觀測中展現出許多令人驚奇的特性。

圖/Kim et al. (2020), EHT Collaboration

宇宙級的噴火槍:3C 279

在去年公布的首張黑洞影像後,事件視界望遠鏡團隊今 (2020) 年又再次發表另一張超高解析度的影像(下圖)。這次的目標是一個叫做 3C 279 的星體,影像呈現出一對橢圓狀的發光體。這兩個光體的位置左上右下,似乎處在一種隨遇而安的狀態。與去年發表的黑洞甜甜圈不同,反而像在一潭黝黑的池水中,偶爾浮上水面的兩條金魚。

今年 EHT 公布的 3C 279 影像。圖右是本次拍攝到的黑洞噴流,根據EHT 的分析,左上光影是噴流的源頭,右下光影則是正在遠離源頭的噴流。
圖片來源/J.Y. Kim (MPIfR), Boston University Blazar Program (VLBA and GMVA), and the Event Horizon Telescope Collaboration

3C 279 是一個類星體(quasar,下圖),位在室女座(Virgo Constellation,又稱處女座)附近,靠近春季大三角 (Spring Triangle) 的角宿一 (Spica)。

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雖然肉眼看不見 3C 279,但是從過去的觀測,天文學家知道它是銀河系外頭的另一個星系。它發出的訊號,從低能量的無線電波、紅外線到可見光、紫外線延伸至高能量的 X 光,應有盡有;甚至也會發出強烈的超高能量的射線。

藝術家筆下的類星體 (quasar) 想像圖。 圖/ESO/M. Kornmesser

與去年的 M87* 黑洞相比,為什麼這次的影像中沒有看到甜甜圈呢?

因為 3C 279 距離地球太遠了,相比之下,去年拍到 M87* 離地球「僅僅」5500 萬光年,而 3C 279 則幾乎是 100 倍遠的距離。不僅如此,根據天文學家的估計,3C 279 中心黑洞的大小還不到 M87* 的五分之一。由於又小又遠,因此以目前 EHT 的影像解析能力,還無法完全看到 3C 279的黑洞,所以在此影像中才看不到任何的甜甜圈。

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黑洞物理參數的比較

黑洞名稱

天空位置 距離地球 估計質量 天空視角

人馬座 A*
(Sgr A*)

人馬座
(射手座)

26000 光年

4 百萬個太陽

50 微角秒

M87*

室女座
(處女座)

55000 萬光年

65 億個太陽

38 微角秒

3C 279 室女座
(處女座)
53 億光年 10 億個太陽

0.06微角秒

看不見甜甜圈沒關係,EHT 還是有辦法解析!

雖然看不到黑洞,但是天文學家可以利用 EHT 的超級解析能力來研究黑洞外圍的物理現象。

當環繞黑洞的星際物質從吸積盤掉進黑洞時,並非所有物質都會進入黑洞之中。其中一部份的物質會以電漿能量包的形式,以極高的速度從黑洞的兩個極點朝外噴出,物質噴出的速度趨近光速,這就是所謂的噴流。目前科學家還不了解噴流的確切成因,但是一般認為是吸積盤與黑洞周遭的磁力場所造成,這也是 EHT  的科學家研究 3C 279 的主要動機。

人們對黑洞的了解是建立在愛因斯坦的廣義相對論。黑洞是經由重力塌縮 (gravitational collapse) 後形成的星體,它具有質量、自轉和事件視界 (event horizon)。根據理論,任何發生在事件視界裡面的資訊都無法傳遞到外面,所以對外界的觀察者而言,黑洞的物理性質來自於事件視界之外的空間,因此事件視界代表黑洞的視覺大小。

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2017 年 4 月的觀測期間,EHT 除了使用參與團隊的天文台之外,還另外動用其它兩組望遠鏡陣列,總共三組陣列透過不同的電波波長擷取 3C 279 的影像。其中,長波段的影像(超長基線陣列 VLBA 波長 7 mm)擷取到 3C 279 大範圍的相貌,影像明顯顯示左上角黑洞所在的熱點及從熱點衝往右下方向的噴流;中波段的影像(全球毫米波特長基線陣列 GMVA 波長 3 mm)把目光聚焦在靠近黑洞和噴流的起始點,期望從影像中能透露出關於噴流起源的訊息。但結果卻不盡人意,此波段呈現出來的影像幾乎是長波長的翻版,導致很難從結果中分辨出熱點和噴流之間的差別。

要看得更仔細, EHT 使用 8 座次毫米波電波觀測站同時朝熱點觀看,能提供更細微的影像解析能力(波長 1.3 mm),所得到的影像與中、長波段的結果相比,的確有出乎意料的發現。EHT 的影像出現左上與右下兩個獨立的部份,經由影像分析,EHT 團隊科學家認為右下部份訊號的移動方向與速度,和中、長波長影像中的噴流類似,因此他們認為右下部分的光影是大尺度噴流的一部份。此結論比較是可以預期,而沒有太多的爭論。可是該如何解釋位於左上的訊號就不是那麼容易了。

猶如宇宙噴火槍的耀變體

說到這裡,如果讀者對類星體有些認識,可能會猜測左上的光影應該是黑洞吸積盤發出的能量,黑洞就躲在巨大的吸積盤中間;而右下部份的狹長光影就是黑洞的噴流結構。噴流與吸積盤呈現接近 90 度的相對位置,此猜想符合天文學家想像中的類星體(下圖),可是問題卻沒有那麼簡單。

耀變體與類星體的示意圖,上圖的耀星體噴流方向非常靠近從地球的觀測視線。

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3C 279 是類星體中的特殊例子,特別的地方在於它的噴流方向非常接近觀測的視線。如果把噴流當作是一把宇宙噴火槍的火焰,那麼在地球上觀看 3C 279 的方向幾乎是往火槍的噴嘴裡頭看進去,高能量的噴流就只對著地球上的觀測者打出來。由於都卜勒效應 (Doppler effect) 的關係,此噴流看起來會特別亮,因此天文學家給這類型的類星體一個特殊的名字:耀變體(blazar,或稱耀星體)。

令人匪夷所思的觀測結果

換句話說,從地球的角度觀測,3C 279 除了具有一個非常強烈的中心訊號源外,天文家認為應該可以看到整個吸積盤才對,並認為從此角度觀測,吸積盤應該是接近圓形。但是在 EHT 的影像中,左上的光體卻是個狹長的橢圓形,該如何解釋異形怪狀的吸積盤,對理論學家是一大挑戰。

有一種解釋說法認為,左上與右下的光影其實是一樣的,都是噴流的高能量聚集的電漿能量包。二者不同之處在於,左上的能量包非常接近黑洞的噴嘴,並以更對準觀測者視線的角度而來,當然此角度並不完美,因此高能噴流的還是會在觀測的視線中投射出一個狹長的橢圓光影。雖然可以合理解釋觀察到的左上光影,但又該如何解釋左上與右下的能包移動的方向似乎不一樣?難道噴流會改變它的方向?

關於這一點,天文學家從其它類星體的觀測經驗,知道由於吸積盤附近的強大磁場作用,噴流的確有可能改變方向。在類星體中心的磁場作用下,噴流的路徑可能比上下 360 度翻滾的雲霄飛車還複雜,因而造成 EHT 觀測到的奇怪影像,所以目前 EHT 的團隊相信這是一個比較合理的解釋。

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觀測「超光速」移動的噴流?

這次 EHT 共花了4 天的時間觀測 3C 279,而每天都會產生一組非常類似的影像,經過仔細檢查,EHT 的團隊發現影像中的兩個光體的距離每天都有些不同。事實上,兩個光體正在分開中。此觀察符合前一段的論證:左上的光影代表噴流的源頭,右下是正在離開的噴流。

有了 EHT 望遠鏡的超級解析度,天文學家可估計噴流的移動速度。EHT 的團隊發現右下的能量正以超過 10 倍光速的速度離開噴流的源頭位置。讀者可能會納悶,超光速運動是有可能的嗎?

其實天文學家在半世紀前就已經知道,類似耀星體所發出來的噴流「看起來」會有超光速現象 (superluminal motion)。如此奇怪的現象是因為高能量的噴流速度接近光速,但是由於觀測角度的關係,從遠方看起來噴流的速度超過光速。此現象其實可以用相對論解釋,所以看起來超光速並不代表真正超越光速。

 

超光速運動真的是有可能的嗎?圖/GIPHY

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宇宙的更多故事等著被挖掘

53 億年前,那時太陽系正在慢慢成形,地球根本還沒存在。然而,隨著科學的進展,一個發生在距離地球 53 億光年外的物理現象,竟然被天文學家看到了!

此次 EHT 發布的影像雖然沒有如同去年 M87* 黑洞的影像引起一陣轟動,然而 3C 279 的影像透露出來的新資訊,似乎讓天文學家產生更多的問題與好奇。這就是科學發展,隨著 EHT 突破性的觀測儀器發展,人們將會看到許多前所未見的現象,並引導好奇的科學家們,更進一步了解所處在的宇宙。

突破性的觀測儀器發展,將會引導好奇的科學家們,更進一步了解所處在的宇宙。圖/GIPHY

2017 年參與 EHT 的八座望遠鏡中,臺灣參與建造或運作的一共有三座,包含夏威夷的次毫米波陣列 (SMA)、詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡 (JCMT) 和智利的阿塔卡瑪大型毫米波及次毫米波陣列 (ALMA),再加上貢獻運作經費與觀測人力,讓臺灣團隊占有顯著的地位,這也是總共 13 席的 EHT 董事成員,臺灣中研院就占兩席的原因。

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臺灣團隊一手主導的格陵蘭望遠鏡,直到 2018 年才加入 EHT,並參與 3C 279 的觀測。目前的觀測資料正在處理中,EHT 團隊期待格陵蘭望遠鏡的加入,能夠揭露更多噴流結構的細節,能讓天文學破解出黑洞周遭的祕密。如此的結果將會大大的提升臺灣天文學家在黑洞研究的地位,也讓臺灣獨特的貢獻受到世人的重視。

延伸閱讀

  • Jae-Young Kim et al., Event Horizon Telescope imaging of the archetypal blazar 3C 279 at an extreme 20 microarcsecond resolution, Astronomy & Astrophysics, 2020.

本文轉載自《科學月刊》 宇宙中的噴火槍—黑洞噴流影像現蹤跡

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