外太空也能看見的中國霾害

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」。

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。

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。

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。

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

• 文/柯灃隆（畢業於國立新竹高中，現就讀成功大學心理學系，對自然科學和社會議題皆有興趣和接觸。）
• 責任編輯/蔣維倫

今年（2018）七月，美國總統川普簽署了「消防人員癌症登錄法案（The Firefighter Cancer Registry Act of 2018）」，該法案要求美國衛生及公共服務部（Department of health and human services）建立一個登錄系統，收集罹癌消防員的年齡、醫療資訊、生活習慣、出勤頻率等資訊，針對消防員癌症發生率進行研究。為什麼美國政府會開始關注這個議題呢？

消防員具有較高罹癌風險

根據美國疾病管制與預防中心（Centers for Disease Control and Prevention）在 2015 年發表的一項研究，消防人員罹患癌症的風險較一般大眾提高了 9%，因癌症而喪生的風險更是提高了 14% [1]。該研究包含了將近 30,000 名在 1950 年至 2009 年間於芝加哥、費城以及舊金山，實際參與第一線火場工作消防人員的資料。

研究發現提高的罹癌風險主要包括與消化道、呼吸系統和泌尿系統相關的癌症。儘管和此研究一樣指出消防員具有較高罹癌風險的研究不在少數，公衛學家仍然需要更多時間和證據來釐清這樣的趨勢是否代表了因果關係。

國際癌症研究機構（International Agency for Research on Cancer）是世界衛生組織轄下的癌症研究機構，自 1971 年開始評估各種潛在的致癌因子，根據當時可得的證據將這些因子劃分為確定致癌、極有可能致癌（probably）、可能致癌（possibly）以及大概不致癌（probably not）等分類，並且不斷地更新。劃分的依據以流行病學方法為主，同時也參考動物實驗或與致癌機制有關的資料。在 2010 年出版的專書中，IARC 的工作小組將消防工作歸類為可能致癌（possibly），代表支持其致癌的證據有限 [2]。

但專書中也提到，消防員在工作的過程中確實會接觸到致癌物質，其來源正是燃燒產生的煙霧。

消防員工作現場的致癌物是哪來的？

我們知道在理想的燃燒之下，不論燃燒的材料是由碳、氫、氧、氮、硫或其他元素所組成，最終的產物都是這些元素的氧化物，其中又以二氧化碳和水為大宗，對人體來說相對無害。但實際上，理想的燃燒只能在仔細控制的實驗中被慢慢逼近，唯有當氧氣和易燃物的比例以及燃燒的溫度都恰到好處時才有可能發生。

火場中（以及瓦斯爐上、金爐裡這些日常生活中可見的燃燒）的不完全燃燒，將會導致許多燃燒副產物的生成，這當中也包含了一些致癌物質。另一方面，火場中的高溫會使有機物質發生裂解，燃燒的過程也會將原本封存在固體中的有毒物質以蒸汽或微粒的方式釋出。在火場煙霧中曾經被偵測出的致癌物包括砷、石綿、苯、鎘與甲醛等 [2]。

燃燒過程中還會產生另一個不容忽視的副產物──懸浮微粒。顆粒比較大的懸浮微粒可以被呼吸道的黏液和纖毛排除，然而顆粒較小的 PM₁₀ 與 PM_2.5 可以穿透這些屏障到達支氣管和肺泡，被認為和心血管疾病與肺癌等疾病有關。更細小的微粒更是會穿過肺泡而循環全身。此外，這些懸浮微粒有很大的表面積，因此能夠吸附其他物質，包括本文中提到火場中出現的致癌物質 [2]。吸附在懸浮微粒上的致癌物質不僅能夠隨著微粒被吸入體內，也可以附著在消防員身上的裝備，進而沾染到其他器材、車輛或消防隊的空間。值得留意的是，上述致癌物質與懸浮微粒的產生並不僅限於建築物火警中，開放空間中的車輛、垃圾堆或植被火警都具有同樣的危險。

消防人員保護指南

簡而言之，消防人員面對的危害，和烤肉、火力發電與露天焚燒等十分相似，都是來自燃燒過程中生成的有害物質。對於消防人員的職業暴露，美國消防協會（NFPA）等組織提出了相對應的指引和建議，筆者在此將其整理、摘要如下，希望能提供第一線消防人員、政府官員、立法者與消防裝備製造商等作參考。

1. 不論是發生在建築物內的火警，或是發生在開放空間中的車輛、垃圾堆等火警，消防人員都應該穿著全套的消防衣並使用呼吸器，避免有害物質被吸入或與皮膚接觸。
2. 未直接參與火警搶救，卻仍然有機會接觸到有害物質的人員，也應該穿著防護裝備並使用呼吸器或防護級別夠高的口罩。這些人員可能包括殘火處理、通風排煙與火場調查等人員。
3. 任務結束的消防人員，若能在拔下呼吸器之前，先將全身裝備做簡單的清洗並脫除，將會大幅減少有害物質的暴露。由於火場中產生的許多有機性的有害物質不溶於水，因此清洗時須使用清潔劑。
4. 脫去裝備後，在現場就應該盡可能的清潔雙手與頭頸部。這可以透過水和清潔劑或是濕紙巾來達成。歸隊途中，應該把車輛的窗戶打開來通風。歸隊後應該盡快洗澡與更衣，以去除附著在身上的有害物質。
5. 從火場中攜出的裝備附著有微粒和有害物質，最好能夠在火災現場附近就用水和清潔劑清洗再歸隊。如無法達成，在歸隊途中也應盡量放在車廂以外的地方，或是以大塑膠袋密封起來，歸隊後再做清洗。
6. 消防衣、褲屬於多孔材質，容易將有害物質與微粒吸附在其中，最好在每趟火場任務結束後都經過清洗才繼續使用。因此也建議消防機關為每位消防員準備兩套消防衣、褲交替使用。
7. 柴油廢氣是已知的致癌物，故消防人員應盡量避免吸入消防車輛的廢氣。消防隊駐地中停放車輛的地方應保持良好通風，在災害現場也應隨手將門窗關閉，以免內部受到柴油廢氣以及火場煙霧的汙染。

由於消防人員在執勤與備勤時具有團體生活的特性，上述的措施只有在團體中的每一個人都確實執行時才能發揮最大的效果。這些措施固然有些窒礙難行之處，有些麻煩、有些花錢，卻是和每一位救火英雄的健康息息相關，在保護自己的同時，還能保護身邊弟兄以及家人的健康。筆者建議不妨從更頻繁且確實的使用呼吸器開始，畢竟吸入煙霧是接觸有害物質最直接的方式。

期許本文能夠喚醒第一線執勤人員對於相關議題的重視與實際行動，也希望主管機關能夠透過相關器材的採購、教育訓練的實施等方式來進一步提高對消防人員健康的保障。

參考資料：

1. Daniels, R. (2018, May 10). Firefighter Cancer Rates: The Facts from NIOSH Research | | Blogs | CDC.
2. IARC (2010). Painting, Firefighting, and Shiftwork. IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, 98:9-764
3. WSCFF (2016). Healthy In, Healthy Out: Best Practices for Reducing Firefighter Risk of Exposures to Carcinogens. 

編按後記：

以下為消防員工作權益促進會理事所提供的經驗談：

• 本身是消防的外勤隊員，年資 8 年。個人防護這點確實是越早年越不重視，甚至時至今日，同業還是有人會把不做好個人防護當作英勇象徵，把沾滿碳粒、異味的消防衣視為功勳；自己在現場皮膚直接接觸外部的部位常會全部起疹，徒手收拾裝備後雙手也常常會刺痛好幾天。
  後來漸漸接觸歐美國家相關資訊，才知道在火場外圍作業也應該要戴過濾式防毒面具、收拾裝備要戴防水手套，所有離開火場染物的裝備都要視同化學汙染物清洗才能重新上架使用。
  但之前工作中已經接觸不少，健檢也出現輕度肺纖維化的情況。醫師看了 X光片還問我是不是抽菸抽很兇呢。不，醫生我從來不抽菸阿 QQ

最近《空氣污染防制法》修正案三讀通過，惹來了不少爭議，而「空氣汙染」如何影響人體健康一直以來都是熱切討論的議題。一般而言，我們可能覺得空氣汙染對人類健康的影響，不外乎是肺炎、氣喘或是支氣管炎這種呼吸道的疾病。

不過前陣子才發表的最新研究成果可能顛覆你的想像！就在今年六月底，美國密蘇里州聖路易華盛頓大學醫學院（Washington University School of Medicine）發表在《刺胳針行星健康（The Lancet Planetary Health）》期刊的研究就說了「PM_2.5 是導致糖尿病的成因」。

糖尿病應該是因為現代人大魚大肉的飲食習慣或缺乏運動造成吧？！沒想到我們經常掛在嘴邊的「PM_2.5 」居然也跟糖尿病扯上關係？PM_2.5 又是怎麼導致糖尿病的？

PM_2.5 如何導致糖尿病？──引起發炎反應，使胰島素抗性上升

「PM_2.5」，也叫「細懸浮微粒」，指的是「直徑小於或等於 2.5 微米的懸浮微粒（Particulate Matter, PM）」，其中 2.5 微米相當於三十分之一的頭髮直徑。這些從肺吸進體內的細懸浮微粒，因為體積非常的小，可以自由穿梭在肺的支氣管和血管壁，再透過血液循環跑到身體不同的器官，引起發炎反應，進而使得「胰島素抗性上升」。

「胰島素抗性上升」又是甚麼意思呢？正常來說，當我們吃進米飯或全麥麵包這些含有「碳水化合物」的食物，經過消化系統分解成一個個「葡萄糖」，而胰島素就像是一把一把的鑰匙，為全身上下的細胞打開「葡萄糖通道」，好讓每個細胞都可以好好利用葡萄糖養分，同時也可以降低在血液中的葡萄糖濃度，也就是「降血糖」。

但是當細胞沒辦法正常的被胰島素這把鑰匙打開通道，也就是「細胞對胰島素抗性上升」，此時葡萄糖沒辦法進入細胞而存留於血液之中，讓分泌胰島素的胰臟誤以為「鑰匙不夠」，而「製造更多鑰匙」，也就是「胰島素分泌增加」。胰臟過度操勞的結果反而讓自己漸漸失去製造胰島素的能力，使得血液中的葡萄糖維持高濃度，這也就是「第二型糖尿病」的由來了！

近年三個「空氣汙染與糖尿病」研究

了解了空氣中的汙染源怎麼導致第二型糖尿病，讓我們回過頭來看看這篇華盛頓大學醫學院「PM_2.5 是導致糖尿病的成因」的新研究！

研究團隊蒐集將近 173 萬名沒有糖尿病史的退伍軍人健康數據，追蹤中位數 8.5 年的時間，再整合美國環境保護局（Environmental Protection Agency）和美國國家航空暨太空總署（NASA）的空氣數據，設計出模型來預估空氣汙染物與糖尿病的關聯性。

而研究結果發現，若是暴露在每立方公尺 5~10 微克細懸浮微粒，就有 21% 的機率可能導致糖尿病；而暴露在在每立方公尺 11.9~13.6 微克細懸浮微粒，也有 24% 的可能。雖然 3% 似乎看起來很微小，但這代表著每十萬人就多了五六千新的糖尿病案例。

不只是今年六月底的研究說明空氣汙染與糖尿病的關聯，其實從二十世紀末就開始有些零星的研究指出空氣污染可能跟肥胖以及糖尿病有關。2014 年瑞士的研究結果顯示 PM₁₀ 每增加 10 µg/m3，糖尿病的患病率會增加 40%，而 NO₂每增加 10 µg/m3，糖尿病的患病率則會增加 19%。

另外，在 2017 年發表在 Diabetes 的這篇論文也在青少年身上發現空氣汙染可能是糖尿病成因。研究團隊追蹤了 314 名 8 至 15 歲，住在洛杉磯的拉丁裔青少年的健康狀況，平均追蹤了 3.4 年的時間。研究結果發現長時間的空氣污染暴露，導致這群青少年的胰島素分泌增加，以及胰島素抗性上升等問題，造成得糖尿病的機率增加。

當這群青少年到了 18 歲，再度進入實驗室做 12 小時不進食的空腹胰島素檢測，他們血液中的胰島素含量比正常情況多出近 27%，代表這群青少年「胰島素分泌增加」；另外糖耐力測試的結果也發現這群青少年血液的胰島素含量比一般狀況多出 36%，表示他們有「胰島素抗性上升」的情形出現。

在台灣的我們，該怎麼看待這個研究成果？

前面列舉出的研究，其研究對象是以瑞士人及美國人為主，那在台灣的我們可以怎麼解讀這些研究成果？

華盛頓大學醫學院研究團隊的通訊作者 Ziyad Al-Aly 表示：「即使許多業者認為目前的空汙規定太嚴苛，但研究證據顯示現行美國環境保護局和世界衛生組織提出的空氣汙染安全標準還不夠嚴格。」

其中美國環境保護局的空汙安全標準是「每立方公尺 12 微克細懸浮微粒」，而臺灣行政院環境保護署的標準是「每立方公尺 15.4 微克細懸浮微粒」。雖然單從數據來看，目前臺灣的標準較美國更為寬鬆，但也不用立馬認為在臺灣的我們就一定很容易得到糖尿病。

「空氣汙染會不會造成糖尿病」這件事可能還需要更多的研究結果來證明，也有許多不可預測的變因可能影響著研究結果，像是 PM_2.5 的汙染來源差異（是汽機車或是工廠排放）或不同國家的飲食與運動習慣差異都可能影響國民得第二型糖尿病的機率。在越來越多與空氣汙染及人體健康有關的研究成果發表之前，還是記得每天看看當天的空氣品質，再決定當天要在哪裡活動吧！

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