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有伴的老行星,生命能生存的機會也增高

臺北天文館_96
・2014/08/10 ・1261字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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美國華盛頓大學(University of Washington)天文學家Christa Van Laerhoven、 Rory Barnes和亞利桑納大學(University of Arizona)Richard Greenberg等人發現:年紀大了還有好友相伴是件很棒的事,對宇宙中的地球級老行星而言也一樣。

行星會隨著時間緩緩冷卻,熔融的核心逐漸固化,內部的產能活動逐漸平息,無法藉由控制二氧化碳含量來防止失控暖化或失控冷化,因而無法維持適合生物生存的環境。但Van Laerhoven等人發現:某些與地球大小差不多的古老行星,受到其外側鄰近行星伙伴的重力拉扯,能產生足夠的熱來防止行星內部冷卻,讓行星環境能留存生命的機會變大;這個過程稱為「潮汐加熱(tidal heating)」。

潮汐加熱並非新理論,木星衛星中的木衛一(埃歐,Io)和木衛二(歐羅巴,Europa)就受到木星重力的潮汐加熱作用,使它們內部被加熱,讓木衛一迄今仍有非常活躍的火山作用,木衛二則可能有個地下海洋。

這些天文學家將相同概念應用在系外行星系統的電腦模擬中,結果發現:在年老的低質量恆星的適居區中,以非圓形軌道公轉的年老地球級系外行星,也存有這種潮汐加熱效應。這類低質量恆星的質量僅約太陽的1/4而已,是以其適居帶也比較接近恆星本身。

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行星離母恆星愈近,所受到的恆星重力愈強,行星可能會被恆星重力拉扯變形成橄欖球狀;當離恆星愈遠,受到恆星重力愈弱,行星會「放鬆」成球形。這種接連不斷的鬆弛過程,可導致行星內部層狀結構彼此間互相摩擦而生熱。

之所以需要外側鄰近處有另一顆行星,是因為如此一來才能保持地球級行星的軌道為非圓形軌道,也才有打造適居行星的潛能。否則當地球級行星軌道接近圓形,繞母恆星公轉時受到的重力大小幾乎不變,行星形狀不會改變,也就沒有潮汐加熱的效應了。

因此,這些天文學家認為:一旦發現某顆又老又小的恆星的適居區中有地球級行星,那得趕緊在稍外側之處搜尋看看有沒有另一顆行星;如果有,那麼適居區中的這顆地球級行星擁有生命適存環境的機會就多了一些。

若老行星有它自己的板塊運動,再加上受到外側鄰近行星伙伴的潮汐加熱效應,或許可讓這樣的行星的表面成為宇宙中適居時間最長的世界之一。或許在遙遠的未來,當我們的太陽死亡之後,人類的子孫後裔就是生活在這類行星上。

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圖片說明:某顆繞行小一點的老恆星公轉的年老行星,受到外側鄰近的行星伙伴的重力影響,可能因潮汐加熱而產生足夠的熱能,即使它們的母恆星逐漸老去,無法在進行核融合反應來產生光與熱,年老行星依然能保持適合生命生存的環境。但這樣的行星看起來會是什麼模樣?Barnes解釋:如果其母恆星與太陽大小差不多,則當這顆恆星老去,表面溫度降低使得適居帶比較接近恆星本身,在適居帶中的行星所見的太陽,將比現今在地球上所見還大10倍;而畫面右上方的彎月狀天體,不是月亮,而是顆鄰近的土星級行星,正是這顆鄰近行星的潮汐加熱使行星表面還維持適居狀態。影像中所見的天空偏暗,這是因為這顆老恆星所發出的輻射中,藍光的比例偏低,所以行星大氣並不會因為散射藍光而讓天空看起來如地球一樣是淺藍的。

資料來源:Companion planets can increase old worlds’ chance at life, 2014.07.31, KLC

本文轉載自網路天文館

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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

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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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為什麼微波爐加熱總是不均勻?—《解事者》
天下文化_96
・2016/11/29 ・1098字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 399 ・三年級

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生活中常見的微波爐能快速加熱食物的秘密是什麼?圖/Jorge Sanz@flickr, CC-by2.0
生活中常見的微波爐能快速加熱食物的秘密是什麼?圖/Jorge Sanz@flickr, CC-by2.0

加熱食物的無線電箱子:微波爐

這種箱子用一種無線電波加熱食物。無線電波讓東西裡面很小很小的水滴搖動,愈搖愈快。當東西裡的很多小水滴都搖得很快, 東西就變熱了。如果讓很強的無線電波穿過水,水會變熱。 有了加熱食物的無線電箱子,你就可以買冷凍食品,在冰箱冰很久,要吃的時候,再用箱子加熱,把冰熔化。這對沒有時間煮飯的人很方便。你也可以用無線電箱子加熱新鮮的食物(例如魚) 做成各種菜,就跟用廚房其他加熱工具做菜一樣。不過用這種箱子做菜沒那麼簡單,尤其是煮肉時要小心一點。

無線電波

這種無線電箱子使用的電波,波長跟家裡電腦的無線網路「熱點」一樣。其實不同種類的無線電機器使用的電波波長都不一樣,但這兩種卻用完全一樣的波長,這是有原因的。 就在加熱食物的無線電箱子愈來愈普遍的時候,用無線電傳送資料的設備也開始變多。由於當時家家戶戶都已經在使用這種無線電箱子,各國決定把箱子用的波長(大約是手掌寬)開放,讓每個人都可以用。於是制定無線網路的人就用了這個波長,因為這是大家都能在家使用的少數波長。 如今全世界電腦傳送資料使用的波長,跟加熱食物的無線電箱子一樣。這不會有問題,除非你的無線電箱子有破洞,那你在加熱食物時,電腦上的影片可能就停了。

為什麼變熱的食物裡面還有冰?

無線電箱子很會把水加熱,對冰卻不大行。箱子可以加熱冰,但是要花很久的時間。 當你把冷凍食品放進無線電箱子加熱,過一會兒後, 有一部分開始變成水。因為無線電箱子很會把水加熱,這些水很快就變得更熱,甚至在冰還沒完全融化之前,這些水就變成水蒸氣了。 要避免這種情形,你可以把無線電箱子的強度調小一 點,這樣加熱過程中會有很多次暫停,因此有多一點時間讓熱傳送到其他部位,就不會有些地方特別燙了。

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  • 從上文知道微波爐是靠著無線電波讓水滴搖動、使得食物被加熱,但你曾想過微波爐中的無線電波的分布狀況嗎?
加熱食物的無線電箱子:微波爐

解事者

本文摘自《解事者:複雜的事物我簡單說明白》,天下文化出版。本書獲選為泛科學 2016 年 11 月選書。

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天文學家發現高齡128億歲的古老行星系統
臺北天文館_96
・2012/04/07 ・1350字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

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一組歐洲天文學家發現一個非常古老的行星系統,極可能是從130億年前宇宙極早時期就已形成並留存至今的。這個系統包含母星HIP 11952和兩顆行星,這兩顆行星的公轉週期分別為290天和7天。雖然行星通常在含有金屬元素(metal)比較多的雲氣中形成,HIP 11952卻鮮少含有金屬元素;因此HIP 11952行星系統的發現,顯示在早期宇宙金屬元素豐度仍很低的時期,就已經可以形成行星,和現今宇宙內如我們太陽系這樣的行星系統相當不同。

所謂的金屬元素,泛指除了氫與氦兩種宇宙誕生之初就有的元素以外的其他所有元素,又稱為「重元素」。

現行公認的行星形成理論認為行星是在年輕恆星周圍、由氣體和塵埃組成的拱星盤中形成的。但若要探討形成的細節,這個理論就會產生諸多問題,其中一個問題就是:致使氣體塵埃開始聚集形成行星的真正原因為何?

天文學家現在已經在太陽系以外的地方,至少確認750顆恆星擁有一顆以上的行星,且發現這些行星系統的環境差異頗大,但也存在某些特定趨勢,例如:經統計,含有較多金屬元素的恆星,較可能擁有行星。這個現象引出了一個關鍵問題:宇宙誕生之初幾乎不含有任何氫與氦以外的金屬元素,金屬元素是經由一代一代的恆星演化,經由恆星內部的核融合反應或是經由超新星爆炸而產生,之後再回歸到宇宙空間,成為下一代恆星的製作原料;因此愈古老的恆星金屬豐度愈少,愈靠近現今宇宙的恆星則含有比例較高的金屬元素。若按現行的行星形成理論,那麼在宇宙早期,幾乎沒有金屬元素的狀況下,是幾乎不可能形成行星?還是應該可以形成行星,所以下一步應該是要好好想想第一代行星會在何時形成?

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德國普朗克天文研究所(Max-Planck-Institute for Astronomy)Johny Setiawan及慕尼黑天文臺(University Observatory Munich)Veronica Roccatagliata等天文學家從數年前開始進行一項研究計畫,搜尋貧金屬星(metal-poor star)可能含有的行星系統,結果發現其中一顆貧金屬星HIP 11952,擁有2顆氣體巨行星HIP 11952b和HIP 11952c。HIP 11952在鯨魚座方向,距離地球約375光年。這兩顆行星本身相當普通,與其他已知的氣體巨行星並無啥大不相同之處;它們的不平凡之處在於它們的母星是顆「極貧金屬星(extremely metal-poor star)」,換言之,是顆非常古老的恆星。

Roccatagliata等人其實在2010年時就發現一顆貧金屬星HIP 13044有行星系統,當時他們還覺得應該是特例。但在HIP 11952如此金屬豐度更貧乏的恆星周圍也發現行星之後,他們開始改觀,認為或許貧金屬星擁有行星是相當普遍的現象。HIP 13044之所以有名,是因為它是「從其他星系來的系外行星系統」,這顆星位在一道星流(stellar stream)中,而這道星流是約數十億年前被銀河系吞噬的另一星系的殘骸。(請參考天文新知2010-11-20 首度發現來自銀河系外的系外行星

和其他系外行星系統相較之下,HIP 11952不僅僅是極端缺乏金屬元素這項特點而已,還因為估計其年齡高達128億歲,成為目前已知年齡最大的行星系統;而我們宇宙的年齡,估計僅約137億年,所以這個行星系統應該在宇宙還處在幼兒期之時便已形成;而這也意味著,從宇宙誕生至今,任何時期都可能有行星系統形成。這就像在自家後院挖掘出重大考古遺跡一樣,讓眾人莫不興奮不已。這些天文學家打算繼續尋找並研究這類貧金屬恆星旁的行星系統,希望能讓行星形成理論更加完善,並能進一步瞭解生命的起源。

資料來源:A planetary system from the early Universe, [2012.03.27]

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轉載自台北天文館之網路天文館網站

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行星會隨著時間緩緩冷卻,熔融的核心逐漸固化,內部的產能活動逐漸平息,無法藉由控制二氧化碳含量來防止失控暖化或失控冷化,因而無法維持適合生物生存的環境。但Van Laerhoven等人發現:某些與地球大小差不多的古老行星,受到其外側鄰近行星伙伴的重力拉扯,能產生足夠的熱來防止行星內部冷卻,讓行星環境能留存生命的機會變大;這個過程稱為「潮汐加熱(tidal heating)」。

潮汐加熱並非新理論,木星衛星中的木衛一(埃歐,Io)和木衛二(歐羅巴,Europa)就受到木星重力的潮汐加熱作用,使它們內部被加熱,讓木衛一迄今仍有非常活躍的火山作用,木衛二則可能有個地下海洋。

這些天文學家將相同概念應用在系外行星系統的電腦模擬中,結果發現:在年老的低質量恆星的適居區中,以非圓形軌道公轉的年老地球級系外行星,也存有這種潮汐加熱效應。這類低質量恆星的質量僅約太陽的1/4而已,是以其適居帶也比較接近恆星本身。

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行星離母恆星愈近,所受到的恆星重力愈強,行星可能會被恆星重力拉扯變形成橄欖球狀;當離恆星愈遠,受到恆星重力愈弱,行星會「放鬆」成球形。這種接連不斷的鬆弛過程,可導致行星內部層狀結構彼此間互相摩擦而生熱。

之所以需要外側鄰近處有另一顆行星,是因為如此一來才能保持地球級行星的軌道為非圓形軌道,也才有打造適居行星的潛能。否則當地球級行星軌道接近圓形,繞母恆星公轉時受到的重力大小幾乎不變,行星形狀不會改變,也就沒有潮汐加熱的效應了。

因此,這些天文學家認為:一旦發現某顆又老又小的恆星的適居區中有地球級行星,那得趕緊在稍外側之處搜尋看看有沒有另一顆行星;如果有,那麼適居區中的這顆地球級行星擁有生命適存環境的機會就多了一些。

若老行星有它自己的板塊運動,再加上受到外側鄰近行星伙伴的潮汐加熱效應,或許可讓這樣的行星的表面成為宇宙中適居時間最長的世界之一。或許在遙遠的未來,當我們的太陽死亡之後,人類的子孫後裔就是生活在這類行星上。

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