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太空人的死亡演練-《太空人的地球生活指南》

PanSci_96
・2014/09/21 ・2663字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 518 ・六年級
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太空探險是危機四伏的活動,死亡演練也是危機處理的課程之一。(Photo Credit: NASA)

國際太空站發生火災並非純然假想的狀況:一九九七年,也就是我造訪國際太空站的兩年後,一個能製造氧氣的罐子引發和平號太空站的火災。組員設法解決問題,把一條條濕毛巾蓋在那個罐子上,直到火焰被撲滅;他們的太空船濃煙密布,事後還造成氧氣罩短缺,但是每個人都活了下來。此一意外提醒大家,為意外災害受訓確實有其必要。太空探險本來就是一種危機四伏的活動。在教室上課或參加為期八小時的演練活動時,如果我發現自己開始不專心,總會用一個很簡單的事實來提醒自己:我有可能在太空任務中殉職。

為了讓大家重視此一訊息,我們甚至會進行所謂的「應變計畫演練」(contingency sims):說白一點,就是死亡演練,目的是逼我們用巨細靡遺的方式設想自己殉職的慘劇,因此我們腦中設想的不只是自己可能怎樣死去,也包括我們的死對家人、同事及整個太空計畫有何影響。這種沙盤推演的最大受惠者是管理階層,所以推演活動不會在模擬器裡進行,而是在會議室—如果有必要,也可以透過擴音機來進行。參加演練的,包括在太空人殉職後協同處理後續問題的所有人員:醫生、太空計畫管理人員、公關人員,甚至包括死去的太空人本身。

死亡演練以假想的狀況為開端,例如:「克里斯(編註:本文作者)在太空任務中受了重傷」,接下來的幾小時內,大家依據職責回應。每五到十分鐘,負責主持演練的人會對所有參加者丟出一張「綠卡」:代表各種新的突發狀況。綠卡是由訓練團隊研發出來,而團隊的職責就是設想各種可能的真實突發狀況;任何參與演練的人都不會預先知道綠卡的內容,我們必須假設上面寫的狀況的確發生,伺機因應。綠卡上有可能寫著:「我們剛剛接獲太空站傳來的消息,克里斯殉職了。」人們會立刻設法解決。好,我們該怎樣處理他的遺體?太空站上沒有屍袋,所以應該把遺體塞進太空裝裡,安置在置物櫃嗎?該怎麼解決屍臭的問題?還是應該讓補給太空船載回地球,跟其他垃圾在重回大氣層時一起燒毀?或者在太空漫步時順便棄屍,任它飄走,進入太空?

討論熱烈進行,有人說我的遺體很快就會腐壞,也有人提到應該幫我的組員熬過這次心理創傷,此時又有一張綠卡丟到他們面前:「有人在推特上面發布訊息,說國際太空站發生了意外,某位《紐約時報》的記者來電詢問現在的狀況。」剛剛的問題還沒解決,又遇到新問題:公關人員該如何回應?應該由美國太空總署或加拿大太空總署來主導?何時該發表聲明,上頭該說些什麼?綠卡丟出來的速度越來越快,就像現實生活一樣,不斷有新問題產生:誰該跟我爸媽報喪?該打電話還是親自登門告知?他們在哪裡?在農場上,還是史泰格島的小屋?我們需要備妥兩套計畫,確定我爸媽的行蹤之後再決定用哪一套嗎?

也許,此時你已經看清:死亡演練中沒有人會哭哭啼啼,悲傷難過。演練的重點在於評估現況。儘管家屬沒必要參加演練,但海倫還是參加了好幾次,因為她發現,如果想知道自己是否真的做好準備,最好的方式就是把遇到最糟狀況時會做的事情說出來。例如,在我出三十四/三十五號太空任務的五個月期間,她高高興興地計畫要去爬喜馬拉雅山,而在任務前的某次應變計畫演練中,她發現一旦我出事就不妙了。

一張張綠卡迫使我們去思考,我殉職的話,誰會把死訊告訴孩子(我們發現很可能是記者,因為他們的母親正在登山),還有海倫要花多少時間才能到休士頓與他們會合(時間應該很久,因為她必須轉機好幾次)。我們必須假設我在國際太空站殉職,進而去思考那些相關細節:例如,在那些偏遠的亞洲山城,手機的收訊狀況如何?時差因素是否會讓她難以與休士頓的主管取得聯繫?結果,海倫決定把喜馬拉雅山的登山計畫延後到來年,改去猶他州健走。事實上,每個參與這種演練的人都會發現自己的計畫有漏洞,因而修改一些細節(不過我就不用管那麼多了,因為我已經掛了)。

有時候,你可以透過演練來證明自己的各種能力是否完備,但通常那也是一種考驗,可以幫你找出自己在知識上的欠缺,並且讓你面對未曾想過的連鎖效應。羅曼.羅曼年科是我最後一次太空任務的成員,也是聯盟號宇宙飛船的指揮官,當我第一次在星城與他一起受訓時,我們在模擬器進行重回大氣層的演練。羅曼有搭乘聯盟號宇宙飛船的經驗,而我沒有,所以我的主要工作只是從旁協助。演練時,我注意到座艙的氧氣筒有一點漏氣,但看來沒有大礙。我們有好幾個氧氣筒,而且漏氣的情況並不嚴重。我們只是注意和重回大氣層有關的各種複雜任務,後來我突然想到:因為氧氣漏進一個很小的座艙,這意味氧氣含量即將大幅升高,所有的東西都會變成可燃的,也許必須減壓,避免火災—但如果真的減壓,可能就沒有足夠的氧氣返航了。

我們不可能用一般漸進的方式重回大氣層。重點不是我們能不能在哈薩克附近降落,而是必須立刻將聯盟號宇宙飛船掉頭,降落到地球上,否則就會殉職。但是我不知道什麼是掉頭的最快方式,而羅曼已經忙著進行另一個程序,所以我們錯失那個能救自己一命的短暫時機。氧氣筒微微漏氣原本只是個小問題,結果卻害死我們。

羅曼和我本來並未真正瞭解氧氣筒漏氣對任務可能產生的衝擊,但在演練過後,我們都懂了,而且在後來的訓練中也能更穩當地因應。演練是練習的機會,但通常也具有警醒的作用:實際上,我們並不知道自己在做什麼;在太空中面對那種狀況前,最好先找出解決之道。

也許你覺得像這樣每天演練最糟糕的狀況,會把人搞得很憂鬱,但奇怪的是,這種作法令人開心。預演各種災難讓我確定自己在面對困境時,擁有各種解決問題的技巧,可以面帶微笑度過難關。演練令我不用再擔心是不是有哪些程序還沒仔細檢查,心神與情緒不會被擾亂,三更半夜也不用再胡思亂想。我非常希望自己不要在太空中殉職,但也不會害怕那種可能性,主要是因為我已經把實際狀況想過一遍了:例如,我希望太空總署用什麼方式通知家人,我應該找哪位太空人幫我老婆處理美、加兩國太空總署的種種繁文縟節。最後一次出太空任務前,我重新檢閱了遺囑(其實每次都會),也把財務與稅務問題打理好,跟臨終的人一樣,把所有待辦的事都完成了。即便如此,我不覺得自己已經一腳踏入棺材。事實上,這一切讓我感到很平靜,也不太需要擔心如果我出了事,未來家人該怎麼辦。這意味著當太空船的引擎在發射台上點燃時,我可以把所有焦點都擺在手頭的任務上:也就是活著抵達外太空。

太空人+書腰立體書封.min

 

本文摘自《太空人的地球生活指南》
由大塊文化出版

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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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