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《宇宙》第 1 集:探索宇宙之海

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・2014/08/18 ・4483字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

作者:Shane L. Larson(猶他州立大學 物理教授)
編譯:Ankh Huang 黃于薇,現為兼職譯者(ankhmeow@gmail.com)

地球的表面,就是宇宙之海的沿岸。這句話多麼詩意、多有畫面啊!當我躺在草地上仰望夜晚穹空,一拱輕薄淡透的銀河高掛天際,看著這樣的景象,就不難理解為什麼將宇宙比喻為海洋。宇宙就像地球上浩瀚的海洋一樣,是個廣闊而未經完整探勘的區域,充滿了人類前所未見的事物,夜空中處處可見的光點像海上散佈的群島,可能是恆星、星雲、行星,也可能是個遙遠的星系,但其中相隔的空間卻是一片全然的黑暗。

奧林匹克半島(Olympic Peninsula) 的寶石灘(Ruby Beach)外,太平洋海面上的銀河景致(攝影:Dave Morrow)。
奧林匹克半島(Olympic Peninsula) 的寶石灘(Ruby Beach)外,太平洋海面上的銀河景致(攝影:Dave Morrow)。

我成長於太平洋西北地區(即美國西北部地區和加拿大的西南部地區),常常有機會在奧勒岡州(Oregon)和華盛頓州(Washington)多岩寂寥的海岸漫步。在白天,可以看到遙遠一方的海平線,像是疆界一樣將天空與海洋劃分開來,但到了夜裡,海洋延伸到海平線之上,和夜空融為一體,變得無法區分,就像久遠以前的神話傳說和從前人類對自然現象的猜測解釋一樣,讓人以為海洋和天空是相連的。雖然我們現在擁有更多知識,但是將蒼穹比喻為深不可測的海洋,也並非毫無道理。無論是深海還是宇宙,都是人類知識極限的挑戰;這兩種環境,是我們這樣脆弱的生命體無法存活其中的,而且同樣深藏著種種謎團,等待我們有朝一日去發掘。或許該說,更重要的一點是,海洋和宇宙都在人類心中激發出一種無法抵擋的迫切渴望,讓人想要進入其中一探究竟;除了敬畏之情,這兩種深秘的海洋還帶來一股隱然騷動的渴盼,和想像力交織著,不斷撩撥人心,讓人想要奮不顧身將自己的命運交付其中。這樣的心情,讓人做起種種陶醉的白日夢,也讓人極度渴望駛離地球安全的港灣,前去探索未知的世界。即使是腳踏實地站在太平洋海岸的遍地礫石之上,心中也充滿了一股「sehnsucht」(德文「憧憬」之意),一種無法平息的渴望,想要找到一個遙遠又熟悉、能夠成為安樂家園的世外桃源。

(左)1911 年版的《金銀島》封面。(右)《金銀島》中的地圖。[圖片來源:Wikimedia Commons]
(左)1911 年版的《金銀島》封面。(右)《金銀島》中的地圖。[圖片來源:Wikimedia Commons]

和很多小男孩一樣,我在小時候讀到史蒂文森(Robert Louis Stevenson)的《金銀島》故事,因此認識了大海和探險之間密不可分的關聯,隨著年幼的吉姆(Jim Hawkins)離開「海軍上將本保」旅館的小房間,登上希斯帕紐拉號展開驚心動魄的旅程,我對海洋的夢想也逐漸變得清晰起來。

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(左)正要出航的卡利普索號。(右)雅克-伊夫·庫斯托。[圖片來源:Cousteau Society]

在我小時候的想像中,海洋冒險充滿了寶藏、孤島和戴著單邊眼罩的海盜,但海上歷險的吸引力很快就被新的船隻和新的英雄所取代。那艘船叫做「卡利普索號」(Calypso),船長則是一位頭戴紅帽、非常現代的探險家:雅克-伊夫·庫斯托(Jacques-Yves Cousteau)船長。他所製作的影集《雅克·庫斯托的海底世界》讓我深深著迷。他帶我進入一個前所未聞的世界,對當時的我來說,那個世界雖然陌生未知,但卻顯然和地球上所有的生命密切相關。在我所有冒險犯難的幻想中,這是我第一次發覺「科學」在探險中也占了一席之地。庫斯托和他那班背景各異的船員既不是土匪,也不是海盜,他們為了尋找寶藏而航向大海,但他們所找尋的並不是光彩奪目的金銀財寶,而是《寂靜的世界》(The Silent World)這部紀錄片中的寶貴知識。這段探勘之旅,這些新知與發現,就是「探險」本身。

正要進入海中的深海潛水員,攝於 1915 年。科技的發展,讓人類探索海洋的夢想能夠成真。 [圖片來源:NOAA,取自 retronaut]
正要進入海中的深海潛水員,攝於 1915 年。科技的發展,讓人類探索海洋的夢想能夠成真。
[圖片來源:NOAA,取自 retronaut]

因為瘋狂迷上庫斯托的探險,我生平首度領悟到「科技」在探險活動中扮演著如此重要的角色。在船舶出現之前,沒有人能夠挑戰遙遠彼端的海平線,而即使我們學會如何穿越海洋的「表面」,也始終無法企及海洋的「深處」。地球的深海,長久以來都是有待探索的最終領域,就算現在人類已經能為廣闊的海面繪製地圖,但對海底的瞭解仍是相當有限,因為那裡難以測繪探勘,而且對於你我這樣需要仰賴氧氣的生物來說十分危險。但是「科技」帶來了潛水支援船、表面供氧潛水裝、水肺裝備(1943 年由庫斯托和夥伴 Émile Gagnan 發明),讓我們得以挑戰海洋深處,航向從未有過人跡的領域。花費相當的時間和智慧結晶以後,人類終於找到征服地球海洋的方法。

接著,在我童年的某日,當我的腦海還縈繞著隱藏在深遙海底的陌生景觀時,卻有非比尋常的事情發生了。197 年 7 月,一台來自地球的探測機器人降落在遙遠的 Chryse Planitia 沙漠,這個希臘語名字的意思是「黃金平原」。第一張傳回地球的火星照片,是維京一號(Viking 1,又譯「海盜一號」)傳回來的黑白照片,顯示出遍布卵石的岩質地表。科技已經到達了前人未至之境 [註1]。

維京一號支架的照片。這是第一張傳回地球的火星地表照片 [圖片來源:NASA, PIA00381]
維京一號支架的照片。這是第一張傳回地球的火星地表照片 [圖片來源:NASA, PIA00381]
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就在 6 週之後,維京二號(Viking 2)降落在 6700 公里外的烏托邦平原(Utopia Planitia)(關於火星各降落地點的簡介,請參閱 Martian Mileage Guide)。那天是 1976 年 9 月 3 日,就在我七歲生日的前一天。我貪婪地汲取所有找得到的維京號資訊來源,幾乎要把我的爸媽、老師還有學校圖書館館員通通逼瘋,當國家地理雜誌在 1977 年 1 月刊出一篇關於維京號的全版報導時,我想他們應該都大大鬆了一口氣,而我也不再纏著他們問問題,一頭栽進那本雜誌裡,每一頁的每張照片都要看個仔細(我媽從此再也沒看到那一期的國家地理雜誌了;媽,如果妳要看的話,那本在我書房的書架上啦 :-))。

對我來說,維京號不過是事情的開端而已。1979 年,航海家一號和二號(Voyager 1 and 2)穿過木星系統,接著航向土星。這兩艘太空船帶來了新的照片、新的謎團,也讓我父母家中更多期國家地理雜誌不翼而飛;不過,這一波追尋就到此告一段落。我聽見了全新冒險充滿誘惑的呼喚,那就是探索浩瀚的宇宙之海。我對宇宙的興趣,啟蒙於 NASA 多次淺探太空的偉大航行,因為《星艦迷航記》(Star Trek)而越發濃厚,最後則是 1980 年秋天首播、由卡爾·薩根(Carl Sagan)主持的《宇宙》節目,讓我對宇宙的愛好從此堅定不移。

一開始我並沒有注意到,但突然之間,我崇拜的英雄不再是人類,而是機器,而且是擁有名字和個性的機器:維京號、航海家號、哈伯(Hubble)、錢卓拉(Chandra)、卡西尼(Cassini)、精神號(Spirit)和好奇號(Curiosity)。每個名字都像《金銀島》中的角色,或是《雅克·庫斯托的海底世界》裡面的潛水夫,它們都是太陽系遙遠邊境種種關於探險與發現的偉大傳說的一份子。多年以後的現在,我已經瞭解到,其實我崇拜的英雄仍然是「人類」,是科學家和工程師,他們就像以前的庫斯托一樣,想像並打造出各種機器,讓人類探索宇宙的夢想成真。我從未忘記這些機器都是出自「人類」之手,只是當年並沒有意識到這一點。

但是,這種想法已經在我腦海中播下種子;曾幾何時,「人類打造出能夠探索未知的機器」這樣的念頭生根發芽,然後漸漸開花結果,形成更大的想法:「我」也可以製作出能讓我自己探索宇宙之海的機器,就在我眼前,而且專屬我一人。這個計劃一開始很單純,只是想做出可以載著樂高小人偶(我的塑膠替身)升空的火箭,但沒多久就進階了。我的探索過程中使用了多種望遠鏡,可以看到出數百萬光年之外的星系;我送上天空的氣象探測氣球飛到太空的邊緣,上面載著相機和科學儀器,可以對宇宙輻射進行測量;我做出了可遙控駕駛的潛水艇,能夠潛入地球黑暗的深海中;當然,我還有大型的望遠鏡,用來進一步觀察浩瀚的宇宙之海。

科學技術讓我能盡情探索宇宙。從左到右為:[1] 一開始做的火箭(乘客是樂高小人);[2] 我自己製作的第一座望遠鏡,這座 8 吋反射望遠鏡名為「Albireo」;[3] 我送上天空的氣球飛到太空邊緣,高度足以看到黑暗的太空和地表的曲線;[4] 我自行製作的潛水機器人,就像 SeaMouse 一樣;[5] 我也不斷製作更大的望遠鏡,像是左邊的 Equinox 和右邊的 Mariner。
科學技術讓我能盡情探索宇宙。從左到右為:[1] 一開始做的火箭(乘客是樂高小人);[2] 我自己製作的第一座望遠鏡,這座 8 吋反射望遠鏡名為「Albireo」;[3] 我送上天空的氣球飛到太空邊緣,高度足以看到黑暗的太空和地表的曲線;[4] 我自行製作的潛水機器人,就像 SeaMouse 一樣;[5] 我也不斷製作更大的望遠鏡,像是左邊的 Equinox 和右邊的 Mariner。

將宇宙比喻為「海洋」,就很多方面來說很貼切,但也有不適合的時候,例如在討論到宇宙本身的「大小」時,這樣的比喻就不符合了。地球上的海洋雖然還有許多地方未經探索,但其大小是有限的,因為人類已經繪製出海洋的邊界,也探測到最深的海底深度。然而,宇宙之海就不是這樣了。在太空中,我們曾探索過的只是地球週邊的一小塊區域。而人類到過距離地表最遠的地方,就只有月球。在這個星球的 70 億人口中,只有 24 個人曾經從地球前往月球,其中僅 12 人曾踏上月球表面。

至於比月球更遙遠的地方,就只有機器探測器曾經造訪,但每一次振奮人心的發現,也都伴隨著新的謎團和問題。令人遺憾的是,這些探索之旅都不完整,而新的探險曠日費時,因為距離實在太遙遠了。現在我們已經習慣談論前往月球、前往木星這類話題,彷彿這和搭飛機到芝加哥或布里斯本沒什麼不同,但是要前往這些星球就已經困難重重,要飛往更遠的地方更是極其艱辛。航海家一號朝著太陽的反方向飛行已經長達 36 年了,它在人類發射的物體當中擁有最快的速度,但是它飛行的距離才只比冥王星和太陽距離的三倍多一點。如果要穿越宇宙之海,航海家一號得要花上 20 億年才能穿越整個銀河系。和宇宙之海相比,飛到冥王星只不過像走到遙遠孤立的潮池裡,濺起些許水花這麼簡單。

但是,我不會為此感到灰心。無論是海洋還是宇宙,它們的魅力都有一部分是來自其難以想像的浩瀚廣闊。就是因為廣闊無邊,那裡永遠有著冒險、謎團和新發現。要向浩瀚無垠、深不可測的宇宙認輸很容易,有時候我們會不斷強調人類是何等渺小,顯露人類多麼微不足道,在宇宙演化的洪流中多麼不值一提。但是,面對宇宙這樣難以想像其規模的浩瀚存在,面對它的壯麗絕景和神秘謎團,我們更應該昂首傲立,讓讚頌人類冒險精神的歌聲直上虛空。因為我們在天地間雖然只像幾許塵埃,卻創造出偉大豐碩的成果;我們不但能夠控制、利用自然定律,也洞悉了宇宙間某些驚人的規律,並藉此深入瞭解更多宇宙的奧秘。而我們到底發現了什麼呢?我們發現的,就是「人類即宇宙」,因為我們能夠感知,因為我們生生不息!雖然在宇宙之海遙遠狹窄的沿岸,我們形同是隨波逐流的一點小沙粒,卻掌握著讓宇宙瞭解自身的方法,而且,這或許也是唯一的方法。

[註1]:本句原文“Technology had gone where no person had gone before.”呼應科幻電視影集《星際爭霸戰》開場導語中的一句短語“Where no man has gone before”,這句短語是句子「勇踏前人未至之境」(To boldly go where no man has gone before)的一部分。(參考資料:Where no man has gone before — Wikipedia)

原文:Cosmos 1: The Shores of the Cosmic Ocean 刊登於2013 年 12 月 3 日

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推開地獄之門?冰島開挖全球首座「火山岩漿井」,開啟地球科學新篇章!

安比西林_96
・2021/10/20 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

水井、石油井和天然氣井大家都知道,但你有聽過「岩漿井」嗎?最近,冰島著手開挖全球第一座「火山岩漿井」。這似乎是一個瘋狂的主意,滾燙的岩漿可高達攝氏上千度,還可能伴隨著可怕的火山災害。不過這個前所未有的大膽計劃,不僅具備新興可再生能源的巨大潛能,更有望開啓地球科學的新篇章!

冰與火之地——冰島,100% 依靠可再生能源的國家

落在北極圈邊緣的冰島(Iceland),擁有壯闊冰川與絢麗極光,同時也是地球上火山活動最頻繁的地區之一,可謂名副其實的「冰與火的國度」。這座大約 1500 萬年前才因火山活動形成的年輕島嶼,因位在大西洋中洋脊[註1]之上,受到歐亞大陸板塊與北美洲板塊往各自方向的拉扯,而有著 32 個活躍的火山系統,且平均每 4 年就會發生噴發。

圖/wikimedia

除了令人屏息的天然極地美景,冰島更是全球綠能國家中的模範生。得天獨厚的地理條件,讓冰島超過 99% 的電力都是依靠可再生能源,其中 73% 的電力源自水力發電,另 26.8% 則來自地熱能。在可再生能源,尤其是地熱能的開發應用技術上領先世界的冰島,在地發電厰不單是觀光旅游的賣點之一,更吸引了不少國外的投資入駐,以降低企業的碳足跡。

延伸閲讀:利用地球的熱情發電吧:深層地熱發電

通往「地獄」之門,也是推開科學新研究的大門

地熱能開發技術純熟的冰島,在 2009 年的一次鑽探中,卻遇到了意想不到的變故:原本想開挖深達 4500 公尺下的熱水,沒想到卻在 2100 公尺處挖到了一個岩漿庫[註2]!這此的開挖位於冰島北部的 Krafla 火山口附近,一個較小火山口 Víti (冰島語中正是「地獄」之意)邊上。

大量的蒸汽與玻璃從鑽孔中噴湧而出,在鑽探套管報廢之前,還觀測到破紀錄的 900°C 高溫。原先的計劃被迫喊停,但科學家卻從中看到進行地科研究的大好機會。

2009 年時,原先要鑽探地熱井的冰島團隊,卻意外挖到了一口岩漿井。圖/science.org

這起事故,促成了克拉夫拉岩漿試驗臺( Krafla Magma Testbed,簡稱 KMT)研究計劃的誕生。時隔多年籌備,這個備受矚目與期待的計劃,在國際大陸科學鑽探計劃(International Continental Scientific Drilling Program)與多個科研機構的支持資助下,終於於今年展開。這一次,科學家們帶著更堅實的鑽探工具,與明確的鑽研目標,要來敲開通往「地獄」的大門。

「我們曾去過火星,也到過金星,但我們從未觀測過地表下的岩漿。」意大利國家地理物理與火山學的研究主任 Paolo Papale 如是説道。

過去火山學家一直缺乏直接觀測地底岩漿的機會,只能仰賴地震儀、GPS 感測系統和雷達衛星,來推測岩漿的運動。儘管他們可以調查噴發到地表的熔岩,但這些已固化的樣本,早已失去大部分原本所含有的氣體。這些氣體是驅動火山噴發,影響岩漿原始溫度、壓力與成分的關鍵。

自 2009 年與這口岩漿井打交道以來,科學家確認它的脾氣相當溫和,並無噴發的太大風險,加上位處偏僻無人居住之地,因此非常適合進行研究。未來若從 KMT 取得新鮮熱辣的岩漿樣本,將可用來驗證過去科學家對於岩漿的認知是否屬實。

地底下的岩漿,揭開大陸形成的秘密

地球大部分海床,都是由玄武質熔岩[註3]構成,冰島也不例外 。然而組成大陸地殼的花崗岩,卻是由另一種更粘稠、富有二氧化矽的流紋質岩漿而來,而 KMT 岩漿井底下的就是流紋質岩漿。

為什麽構成海床與大陸地殼的熔岩種類有所差異?科學家相信,探究以玄武岩為主要構成的冰島上的流紋質岩漿樣本,將揭秘這個地質科學中很基本,卻未解決的問題。

要長期監測岩漿井的溫度、氣壓、化學成分等參數,實實在在地挑戰人類科技的極限,因為靠近岩漿處的溫度可是超過攝氏一千度。鑽探團隊正測試各種能耐高溫及膨脹的器械,而科學家也在研發各種可抵抗高溫高壓的新型偵測器。

這些研究成果不僅能用於地球科學,有朝一日更可能造福太空探索,如被運用在登陸太陽系中環境最惡劣的金星上。

水手 10 號拍攝的金星,由可見光與紫外光影像疊合而成,可見其表面被一層厚厚的硫酸雲遮蓋。圖/維基百科

一口岩漿井,將成為世界重要的火山學中心

KMT 引領科技的創新,也為冰島的地熱能產業帶來突破的機會。越靠近熾熱的岩漿,利用地熱能發電的效率便會增倍,這麽一來便可減少為了滿足能源需求而開挖的地熱井數量,降低對周圍環境造成的衝擊。光是在 2009 年意外挖掘的這一口岩漿井,就具備可以供應一整個小鎮電力的潛能。

開挖岩漿井時,需要注入大量的水來冷卻與潤滑鑽頭,這個對火山系統進行擾動的過程,也提供科學家一個瞭解火山運動的絕佳觀測機會。進行鑽探後,地震波速度發生的改變,也可透露岩漿流動的範圍。透過探究這些細微的火山運動變化,科學家能更好預測火山的噴發,讓我們能建立更整全的火山預警系統。

「十年後,這裏將可能成為火山學的中心。」冰島地熱研究中心科學主管 Ottó Elíasson 這麽認為。觀察地底下流動的岩漿,就像在瞭解地球的脈動,可以告訴人類更多關於這顆星球的故事,更能帶領我們走向更多科學新的可能性。

註釋

  1. 大西洋中洋脊(Mid – Atlantic Ridge,又稱中大西洋帶),是橫跨大西洋及北冰洋、大部分地區位於海底的山脈。
  2. 岩漿庫(Magma chamber,又稱岩漿房),是地球表面下一至十公里處由熔岩和火山灰氣體形成聚集之處。由於其內的岩漿密度比周圍的母岩來得低,因此會產生使岩漿往上移動的浮力。如果出現可讓岩漿通往地表的管道,便會造成火山噴發。
  3. 玄武岩(basalt),由基性岩漿噴發凝結而成,主要成分是矽鋁酸鈉或矽鋁酸鈣,是一種細粒緻密的黑色火成岩。玄武岩質熔漿被認為源自地球的上部地函。

延伸閱讀

參考資料

  1. Forget oil or water. In Iceland, well diggers seek to tap a volcano’s magma
  2. VisitIceland – Geography of Iceland
  3. VisitIceland – Renewable energy
  4. Magma chamber
  5. Krafla Magma Testbed
  6. Rhyolite
  7. Basalt

安比西林_96
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