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把我送上小行星!-《世界第一好懂的科學課》

PanSci_96
・2015/01/26 ・3072字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 486 ・五年級

這真的是世界第一好懂的科學課

你可能會大失所望,火箭之所以能飛上天,原理其實真的非常簡單。首先,你要有負載物,也就是那些你想送上太空的東西,接著,你需要一個由燃燒室與噴射口構成的引擎。我們從牛頓第三定律-作用力等於反作用力得知,如果引擎點燃燃料後施力在一大堆熱氣上,那麼那堆熱氣也會施力在引擎上;只要來自熱氣的力大於火箭的重量,火箭就會開始加速,並從發射台上升空。

牛頓萬有引力定律告訴我們,一旦火箭進入繞行地球的軌道,便會持續保持在橢圓形軌道上,不需要我們額外給任何動力。最後,根據牛頓第一定律,任何逃脫地球重力場的太空船,都將以等速率飛向外太空。

0010630550一般噴射機可以從大氣吸進大量氧氣來助燃,但火箭卻必須自己攜帶氧氣。若使用固體燃料,氧氣由固態化學物質,例如APCP的高氯酸銨或炸藥中的硝酸鹽提供;若用液態燃料,煤油和液態氧則是各裝一個儲槽,再由幫浦送去點燃。一般來說,如果出了什麼可怕的錯誤,採用液態推進劑的助推器可以叫停,所以比點燃後停不下來的固體推進劑安全一點。不論是哪種,火箭都能夠持續燃燒燃料,就算已經離開大氣層也一樣。

大多數人以為從地球到月球的一路上需要持續燃燒燃料,其實不必。首先,你燃燒掉大部分的燃料來讓自己上到低軌道。在那裏準備轉換到月球的重力場,此時,稍微燃燒一些燃料就能讓你進入一個相當大的橢圓形軌道,地球和月球分屬兩端;在阿波羅計畫中,這過程稱為「月球轉移軌道射入」(Trans-Lunar Injection)。

你到達月球後,會再短暫燃燒燃料讓自己慢下來,然後進入圓形的停泊軌道,並從那裡派登月小艇下到月球表面。之後當每個人都安全回到太空艙後,再次燃燒燃料可以讓你進入另一個相當大的橢圓形軌道,把你送到地球大氣層的邊緣;進入大氣層的角度不能太淺,以免又從大氣層彈回外太空。接著,你就等著安全掉進海裡了。

當然,地球和月球都不是標準的球形,而且你還需要考慮太陽的重力,所以要在計算中做一些修正,才能讓一切都上軌道。總之,牛頓的三大運動定律以及萬有引力定律是我們的數學工具,幾乎可以用來計算每樣與登月相關的重要事項:需要多大的力才能讓火箭升空?需要多少燃料?要在哪裡發射火箭?它會在月球的哪個準確地點降落?太空船重新進入地球的大氣層後,會掉在哪個地方?

沒錯,你已經達成任務了;接下來我們來了解人類建造過最棒的火箭吧—農神五號。

火箭人

1960 年代登月競賽如火如荼進行時,不管你怎麼去包裝,蘇俄與美國的太空計畫說穿了就是:把二次大戰時納粹研發出來、性能超優異的V2火箭,改裝成彈道飛彈,只不過彈頭裡不是放炸藥,而是幾個太空人。1945 年春天德國戰敗後,美蘇想盡辦法要搶到V2火箭;美國得到了V2的設計者馮布朗(Wernher von Braun, 1912-1977)。蘇俄拿到了火箭,由自己的火箭設計專家—科羅里夫(Sergei Korolev, 1907-1966),從V2火箭上所得到的知識,成功建造了第一枚多節火箭R-7,並且在1957 年10 月4日利用它發射了人造衛星旅伴號,為美蘇太空競賽鳴槍起跑。

R-7 有兩節火箭,都是燃燒煤油與液態氧。分節是火箭設計上的重要發明,一部分原因是,你可以把不必要的質量丟棄;另一部分原因是,最後幾節的燃料幫浦系統可以設計成專門在外太空的真空中(而非在有大氣壓力的狀況下)運作。

美國人對旅伴號的回應是成立NASA ,並且派馮布朗主導設計一枚足以跟R-7 抗衡的火箭。他發明的火箭系列統稱為「農神」,把我們送上月球的就是農神五號。

農神五號共有三節,第一節由五具巨大的F-1引擎構成,在燃燒煤油與液態氧兩分鐘後被丟棄時,已經把火箭送到約65公里的高空。第二節火箭裝載了五具J-2引擎,燃燒液態氫與氧約六分鐘,就可以把火箭帶到距地表約200公里的高空。第三節是由另一具燃燒氫與氧的J-2引擎構成的,燃燒約兩分鐘後,把農神五號送進圓形的低軌道,接著火箭會暫時停止燃燒燃料,讓太空人得以調整一下呼吸,然後再次點火,燃燒約五分鐘,把火箭送上通往月球的軌道。

那麼俄國人呢?很可惜,科羅里夫用來回應農神五號的火箭N-1,一直卡在測試階段。1966 年他的逝去是重要原因,另外,他設計的火箭過於複雜也是原因之一。直立起來只比農神五號少幾公尺的N-1 火箭同樣是由三節構成,但光是第一節就有超過三十個引擎。四次測試發射都以失敗收場,相較之下美國人在1969 年7 月後卻一次又一次登上月球,俄國人實際上已經輸掉這場太空競賽了。

登月明證

這一切要從水星計畫談起,當時他們已經有辦法每次把一位太空人送上低軌道繞行地球。接下來發展在外太空駐留技術的雙子星計畫,一來鞏固了水星計畫的成果,二來進一步聚焦成更重要的阿波羅登月計畫。

阿波羅計畫先是把月球引力當做彈弓,讓阿波羅八號從月球身旁盪過再彈回來;然後才終於在1969 年7 月20日利用阿波羅十一號,把第一架登月小艇送上月球。在

六次登月任務中,美國太空人都會把電視畫面傳回地球、拍照、採集岩石標本,甚至在月球表面架設反射鏡,我們到現在都還經常發射雷射光到這些反射鏡上,以便測量它們到地球的距離。

然而,至今仍有傳言說人類並沒有登上月球,為什麼?其中一個原因是,在阿波羅十七號之後,我們就沒再回去月球。經過一段時間後,整件事感覺上就開始變得不真實。

另外,水門事件緊接在登月任務後爆發,而事件主角正好就是在多次彩帶慶功遊行中與太空人握手的那位總統,這起案件讓大眾對美國政府及其所屬組織(例如NASA)失去信心。另一個原因是共用閘道介面(CGI)的出現。

對1969 年那些觀看電視實況轉播的觀眾來說,一切都是眼見為憑,但是今天觀眾的觀念卻是:圖像只不過是可以隨意操弄的一堆數字罷了。

讓我們用科學的角度來解釋這些登月陰謀論的疑惑吧。如果阿姆斯壯是第一個登陸月球的人,那麼誰拿相機拍他?沒人,而是架在登月小艇外的相機。如果NASA狡滑到捏造出整起登月事件,那麼他們會粗心到派攝影師到登月小艇外,拍攝阿姆斯壯走下登月小艇的照片嗎?難道大導演史丹利.庫伯利克(如果他真的是這段影片的導演)不會想到這點嗎?

在太空人的照片中看不到星星,是因為登陸時間是安排在月球的白天,有陽光照射在月球表面。照片的曝光度是配合月球上的陽光,而不是配合昏暗得多的星象。如果登月事件是NASA捏造的,那麼忘記把星星放進背景裡,NASA就該檢討了。你可以在某些影片中看到旗子在飄動,但月球上不是沒有風嗎?這沒什麼好奇怪的,因為從牛頓第一定律我們已經得知,除非有力作用在東西身上,不然它喜歡安分的保持等速運動。月球上沒有空氣來減緩旗子的運動,所以即使它一時糾結成一團,之後還是會繼續動起來的。拜託,就不要覺得連月球上的隕石也是NASA假造的了吧……

近距離接觸

所以1969 年7 月20 日是我們第一次冒險離開自己居住的行星,踏上最近的鄰居—月球。我們即將看到,在未來的幾十年裡,還會有其他太空探險行動,我們會先再次造訪月球,然後可能去登陸一顆小行星,然後肯定會再旅行到火星及更遠的星球上。那麼,有什麼東西等著我們去發現?在太陽系的其他行星上有生命嗎?銀河系中有其他文明嗎?在可觀測宇宙的更遙遠之處又如何?在直徑長達九百三十億光年的那一團黑暗之中有其他生命嗎?

老實說,當我們自問「冒險離開地球軌道,到太陽系或更遠的地方探索,會發現什麼東西」時,心中絕對不是只想到可能帶回什麼樣的石頭。我們心中的圖像應該是比較類似「星艦迷航記」裡的情況:從一個星系巡航到另一個星系,把智慧傳給那些看起來很像人類、穿著清涼太空裝的外星人。

但是我們有什麼證據支持外星人存在?他們會長什麼樣?像克林貢人還是博格人?現在我們可以來問科學界最發人深省的問題之一,這個著名問題是義大利物理學家費米(Enrico Fermi, 1901-1954)提出的:「大家都到哪去了?」

本文摘自《世界第一好懂的科學課》,天下文化出版社出版。

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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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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。
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