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外太空也能看見的中國霾害

李杰翰
・2014/02/17 ・1626字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 515 ・六年級
2013年12月7日,NASA衛星雲圖呈現中國東部霾害狀況。(圖片來源:NASA、維基圖庫)
2013年12月7日,NASA衛星雲圖呈現中國東部霾害狀況。(圖片來源:NASA、維基圖庫)

過去曾有謠言說,在外太空唯一可見的地表建築是萬里長城。中國以大量人力所完成的建築奇蹟早已令舉世驚嘆,究竟能否在太空被看見雖然眾說紛紜但已經無足輕重。不過2013年12月7日的一張照片卻是歷史上第一次證明,席捲中國的霾害已經嚴重到能被衛星觀測。

2013年12月7日,NASA﹝National Aeronautics and Space Administration,美國國家航空暨太空總署﹞負責氣候觀測的旗艦衛星「蓋亞」﹝Terra﹞拍攝到一張照片,顯示出盤旋在中國大陸華北到華中整個天空的濃厚霾害。同一時間,北京和上海兩大都市的空氣質量指數﹝AQI,Air Quality Index﹞分別攀升至487及404,這個數值超過300就算是「嚴重汙染」了。

在中國,「空氣質量指數」每小時發布一次,列入評量指標的包括二氧化硫﹝SO2﹞、二氧化氮﹝NO2﹞、可吸入懸浮粒子﹝PM10﹞、細懸浮粒子﹝PM2.5﹞、臭氧﹝O3﹞、一氧化碳﹝CO﹞等六種汙染物。AQI數值在50以下是最理想的,但一般工業化地區多處於100到200之間;若AQI高於100,老人與體弱多病者就會感到不適;介於200到300之間時,最好選擇待在家或是戴口罩出門;若AQI高達300到500,此時的空氣幾乎對所有人都是有害的,輕則染上疾病、重則減少壽命。

霾﹝Smog﹞的來源是氮氧化物﹝nitrogen oxides﹞以及產生於車輛排氣、工廠廢氣等化石原料燃燒的揮發性有機化合物﹝volatile organic compounds﹞與陽光共同發生化學反應,因此在空氣中產生出對人體健康有害的微小懸浮粒子。

這些飄在空中的小粒子,讓上海這個繁華大都會的千萬市民都慌了手腳:飛機禁止起降、工程建設休班、公務車輛停駛、學校被迫停課等等;而在首都北京,空氣中懸浮微粒的濃度甚至高出世界衛生組織認為「安全」的標準將近20倍,造成交通大亂、空境清淨機和口罩賣到缺貨等怪象;鄰近的天津、石家莊等國際機場航班幾乎全部延誤。

2013年10月,NASA衛星「水族」﹝Aqua﹞拍攝到中國東北大城哈爾濱被霾所覆蓋,導致地面能見度降到十公尺以下,黑龍江省境內多條高速公路被迫關閉。這歸因於當時天冷,溫度下探攝氏零下40度,家家戶戶為了取暖而開啟煤炭燃燒系統,加上因時值秋收冬藏之際,附近村落的農民習慣燒毀農作物的斷莖殘根所致。12月的《國家地理雜誌》指出,燃煤和焚燒農作物所產生的霾害等空氣污染,容易引發肺癌和心臟病,導致東北地區的人均壽命比南方少了5.5年。

根據美國CBS報導,霾害對中國的飛航安全影響深重,一些航空公司開始要求旗下的飛行員具備在低能見度的情況下起降飛機的能力,尤其像北京的首都國際機場這樣繁忙的交通熱點,更是在考驗機長們的神經。除此之外,航空公司主管最迫切解決的當務之急,正是減少中國各地因霾害而延遲的飛機班次。

12月中霧霾南移,十多天的折磨之後,上海居民感嘆「終於看見藍天」,然而它並沒有消散,而是悄悄往韓國、台灣等地移動。台灣在這次霾害中也多少受到波及,像是高屏、雲嘉南等局部地區因地面風速增強、擴散條件較差等因素,造成懸浮微粒濃度上升,影響民眾健康。空氣污染無國界,雖然身在台灣,與大陸一衣帶水的我們也不能只抱著隔岸觀火的心情,應隨時保持警覺、做好準備,才能在面臨災禍時臨危不亂、保持鎮定。(本文由國科會補助「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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如何從茫茫大海中,找到戰爭遺留的深水炸彈?——海底掃雷行動

Else Production
・2022/01/19 ・2597字 ・閱讀時間約 5 分鐘

對於年輕人來說,我相信「深水炸彈」一詞並不會陌生,因為這近乎是每一個狂歡派對裡的必需品。但對於埋藏在深海裡的炸彈,大家又有沒有想過我們如何找出來?

這些未爆炸的軍備,我們稱之為 Unexploded Ordnance(簡稱 UXO),有可能是水雷,有可能是深水炸彈,也有可能是導彈。它們多數是第一次或第二次世界大戰遺留下來的產品,受到多年來沉積(即水流在流速減慢時,所挾帶的砂石、塵土等沉淀堆積起來)的影響,令它們埋藏在海床以下的地方。跟據 Euronews 的估計,單單在波羅的海亦有超過 30 萬的 UXO 埋在那裡。

二戰期間,桑德蘭水上飛機掛載的深水炸彈,圖/維基百科

你也許會問,既然都已經埋藏了,何況我們仍然要處理他們?這是因為我們會在海底裡鋪設電欖、水管、天然氣輸送管等輸送系統,假如鑽探過程中不小心觸碰了它們已產生意外,或是在完成工程某一天突然爆炸而令輸電系統中斷,後果可真是不堪設想。因此,最理想的方法便是把他們全部找出來並繞道而行,或是安排專家把他們處理。

真正的大海撈針:用磁場把 UXO 吸出來!

要找到這些 UXO,最容易的方法便是使用金屬探測的方法,但由於普遍的金屬探測器的探測範圍是不超過 2 公尺的,我們很難把探測器貼近凹凸不平的水底前行(這大大增加了磨損探測器的風險),因此我們會選擇較間接的方法:磁強計(Magnetometer)。由於大部份的彈藥外層是用鐵形成的,而鐵是對磁非常敏感的,因此我們能夠在較遠的範圍便能察覺他們的存在。當在外勤工作,我們會以兩個磁強計為一組去作探測,令我們更準備知道其實際位置及大小。讓我們看看以下例子:

圖 1:磁強計的探測結果

在圖 1 裡,假設我們知道標記「1」是一個 UXO 的位置,上圖的平行線為磁強計由左至右的移動路線,下圖為磁場沿路的變化。我們可以看見,當若果沒有任何金屬物件存在的話,兩個磁強計量度的數是相近的,亦即是該環境本身的磁場。但在 UXO 的附近,我們可以看到明顯的變化。藍色線代表航行路線的左方磁強計的量度值,燈色線代表右方,由於磁場強度會隨著距離而減少,因此很明顯這一個 UXO 的位置更接近藍色線,亦即是航線的上方。

我們可以透過兩者的差距估計其位置及大小,但為了確保其真實性,我們亦會在附近再次航行,假如也有磁場變異,這便是一個不會移動的金屬物品(撇除了船、飄浮中的海洋垃圾等的可能性)。

排除法:用側掃聲納窺探看不見的海底!

正如上文提要,磁場變異所告訴我們的,只是金屬物品的位置,但它亦有可能不是炸彈,也有可能不是埋在海床下,因此我們也會使用其他科學方法去驗證。其中一個便是側掃聲納(Side Scan Sonar) ,透過聲波反射的原理,我們可以看到海床的影像。假如海床是乾淨的,聲波傳送及接收的時間是一樣的,因此我們可以看到連續的晝面。但假如有異物在水中間或海床上,聲波便會被折射而形成黑影。讓我們看看以下例子:

圖2: 側掃聲納 圖片,紅色箭咀範圍代表沒有反射的區域,綠色箭頭範圖代表船與海底的距離 (圖片來源:Grothues et al., 2017)

看看圖 2。燈色的部份是海床的晝面,中間白色的部份是船的航道,亦是側掃聲納的盲點,而黑色的部份則是有物件在海床上方而形成的聲波折射,讓我們能夠清楚看見它們的形狀。有時候我們亦會看到一些海洋垃圾,如車胎、單車等,而在上圖的左上方,我們相信是一些棄置的工業廢料。

當然你也可以爭論,在圖左上方的物件有機會不是死物,而是一種未知海洋生物,因此我們也會進行多次的側掃聲納,如果在同一位置並不能再看到它,那麼這是生物的機率便很高。假如在磁場異變的位置側掃聲納沒有探測到任何物件,這進一步證明其 UXO 的可能性。但假如有黑影在上方,我們也會透過黑影分析其大小是否吻合,並會憑經驗分析該物品會否存在金屬。

此外,在看側掃聲納,我們也很重視在磁場異變的位置附近有沒有刮痕,因為形成刮痕的原因多數是船上作業頻繁的地方,有機會是漁船拖網的地點,也有機會是大船拋錨起錨的地方,而這些動作均有機會接觸或移動了這些潛在的 UXO,產生危機。因此,這些地方都會是我們首要處理的地方。

筆者按:假如大家想看看其他用側掃聲納發現的東西,如沉船、飛機等,可以到這裡觀看

萬無一失:Mission Completed !

當然,在取得數據時,我們也要儘可能減低人為因素而形成的影響。舉個例子,我們要確保磁強計遠離測量船,以免船上的儀器影響了磁強計。因此,我們並不會把磁強計綁在船底,而是把它們用纜索綁在船尾數十米以外的地方拖行。

另外,我們也要確保測量船要以均速航行,以確保所有數據都是一致的。最後,我們也要確保船上的 GPS 系統準確無誤,否則所有有可能是 UXO 的位置都是錯誤的。

完成以上的工序後,我們便會製作磁梯度圖(Magnetic Gradient Map),把剩餘下來的磁場變置點用其強度及大小表示出來,正如圖 3,再交給拆彈專家們處理。他們便會跟據他們的專業知識,加上該海岸的戰爭歷史,對比當時有可能參戰的國家、使用的武器及其金屬含量以找出存在的炸彈來處理。

要知道這些 UXO,單單在 2015 年在世界各地亦奪去了超過 6000 人的性命,因此這個科學命題可真是不容忽視!

圖 3:磁梯度圖。左邊是潛在 UXO 的位置而右邊則是它們的磁場強度的改變。(圖片來源:Salem et al., 2005)

延伸閱讀:

參考資料:

  1. Salem, A., Hamada, T., Asahina, J. K., & Ushijima, K. (2005). Detection of unexploded ordnance (UXO) using marine magnetic gradiometer data. Exploration Geophysics, 36(1), 97–103.  
  2. Han, S., Rong, X., Bian, L., Zhong, M., & Zhang, L. (2019). The application of magnetometers and electromagnetic induction sensors in UXO detection. E3S Web of Conferences, 131, 01045.
  3. Image scans gallery. EdgeTech. (n.d.). Retrieved January 5, 2022, from https://www.edgetech.com/underwater-technology-gallery/ 
  4. Grothues, T. M., Newhall, A. E., Lynch, J. F., Vogel, K. S., & Gawarkiewicz, G. G. (2017). High-frequency side-scan sonar fish reconnaissance by autonomous underwater vehicles. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 74(2), 240–255.

本文亦刊載於作者部落格 Else Production ,歡迎查閱及留言

 

Else Production
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馬朗生,見習地球物理工程師,英國材料與礦冶學會成員,主力擔任海上測量工作,包括海床勘探、泥土分析、聲波探測等。