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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)。

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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。

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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。

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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。

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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……

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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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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

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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造訪危險鄰居:歐西里斯的貝努採樣返回任務
EASY天文地科小站_96
・2023/09/23 ・3760字 ・閱讀時間約 7 分鐘

  • 謝承安/現就讀臺大物理系,因喜愛動畫《戀愛小行星》而喜好小行星
  • 林彥興/現就讀清大天文所,努力在陰溝中仰望繁星

2016 年 9 月 8 日,歐西里斯探測器(OSIRIS-REx)由擎天神五號火箭發射升空,追隨著前輩們 ── 隼鳥號隼鳥二號 ── 的腳步,前往近地小行星貝努(101955 Bennu),執行人類史上第三次的小行星取樣任務。

經過兩年多的飛行,歐西里斯號於 2018 年底成功抵達貝努,並在幾個月後成功採集樣本,預計在今年 9 月 24 號返回地球。透過採集小行星上的原始樣本,科學家將能夠推論 46 億年來太陽系的演變歷史,但除此之外,歐西里斯探測器也在環繞貝努的過程中進行了眾多觀測,也為小行星研究貢獻許多,現在就讓我們回顧歐西里斯號的浩瀚之旅!

歐西里斯基本介紹

歐西里斯想像圖。圖/NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

要了解歐西里斯號的觀測目標,我們只需要把他的英文全名攤開來看:

Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security-Regolith Explorer

翻譯作太陽系起源、光譜解析、資源識別、安全保障、小行星風化層探索者。其縮寫歐西里斯,是埃及神話中的冥神。儘管你可能無法了解各個專有名詞,但在看過那麼長的名字後,應該也能知道歐西里斯探測器的任務可不僅是採集樣本而已。

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歐西里斯號的目標是小行星 101955 號「貝努」。

這是一顆於 1999 年由林肯近地小行星研究小組(LINEAR)發現的近地小行星。之所以選擇貝努作為觀測目標,是因為貝努的軌道與地球十分接近,有撞擊地球的潛在風險,另一方面距離近,也可以讓探測器在較短的時間內抵達。

值得一提的是,「貝努」這個名字源自古埃及神話的神鳥,同時也是引領前往冥界的諸神之嚮導。同時,貝努小行星上的各式地形或是地點,也都是以不同神話中的鳥類來命名。

貝努的表面地圖,圖中的地名皆與鳥類神話有關。如 Strix 來自羅馬神話中的條紋鳥、Simurgh 則來自波斯神話中的西摩格鳥。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

在發射後過了兩年,2018 年,歐西里斯號逐漸接近貝努,並以相機模組中的 8 吋望遠鏡(Polycam)不斷進行觀測,直至十二月成功抵達貝努。

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而抵達後的第一項任務,就是詳細繪製全小行星的地圖,過去科學家曾經透過金石太陽系雷達來(GSSR)來探測貝努的模樣,但地面上的雷達雖然可以看到貝努的大致形狀,解析度卻仍不足以窺見小行星上詳細的地形起伏,也就無法事先決定採集樣本的地點但藉由探測器上攜帶的雷射測高儀(OSIRIS-REx Laser Altimeter, OLA),歐西里斯號得以透過發射雷射訊號與接收的時間差, 像是測量海底深度的聲納一樣,繪製全小行星的地形高度圖。另外其配載的高解析度相機(MapCam),也可以讓科學家一覽高解析度的貝努影像。

雷射測高儀測量過程示意圖。圖/NASA/Goddard/University of Arizona
NASA 哥達德太空中心以歐西里斯號製作的貝努表面導覽。影/Youtube

除了解地形以外,決定採樣地點時,另一項重要的考量是採樣地礦物或化學組成。正如同地球上各處的岩石化學組成不盡相同,不論是含水量、顆粒粗細程度以及有機物的有無,皆是採樣任務執行時需要考量的情況。於是,歐西里斯號使用了三種方法來探測小行星表面上的礦物。

第一種方法是透過風化層 X 射線成像光譜儀(Regolith X-Ray Imaging Spectrometer, REXIS)來觀測 X 射線光譜。讀者或許會想,X 射線多用來觀測高能天體的輻射,像是黑洞、超新星爆發等事件,並且小行星本身也不會發出 X 射線,為何要攜帶這樣的探測儀器?

事實上,當元素吸收到宇宙射線或太陽所發出的 X 射線時,內層的電子會吸收能量並游離,而外層的電子便會向下躍遷,補上原本內層電子的位置,更外層電子又再補上外層電子的位置。在這一連串的過程中,便會發出 X 射線。而由於每個元素的能階都是獨一無二的,藉由觀測X射線的光譜,我們便能了解小行星上各處的元素豐度。

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這樣的分析方式被稱作 X 射線螢光分析(X-ray fluorescence, XRF),是一種非破壞性的元素鑑定方式,地質考察、考古甚至是博物館文物鑑定都常利用此方式進行探測。

REXIS 儀器。圖/REXIS Team / The planetary society

另外,歐西里斯號上還配戴可見光與紅外線分光儀(OVIRS),也能夠獲取小行星可見光與紅外線波段的光譜來辨別來辨別礦物或是有機物的種類。並且由於不同礦物的熱導率差異,歐西里斯還可以藉由熱輻射光譜儀(OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer, OTES)掃描全小行星的熱輻射地圖來了解礦物與化學豐度。

熱輻射儀也可以更進一步用於研究小行星上的熱量傳輸問題。當小行星吸收太陽光後將以輻射的方式將能量釋放時,其光壓會給予小行星一個微小的作用力。在經年累月的作用下,便會對其軌道產生改變,此現象稱之為亞爾科夫斯基效應(Yarkovsky effect)。

由於亞爾科夫斯基效應的強弱會受到小行星的反照率、表面材質甚至是地形而影響,如果對小行星不夠了解,那預測小行星軌道的難度將大幅提升。因此歐西里斯號的近距離探測,對精準預測貝努的軌道非常重要。

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樣本採集:歐西里斯與貝努的零距離接觸

在近兩年的搜集數據後,歐西里斯號便開始執行此次任務的最終目標:採集樣本。

一開始,科學家們有四個候選地點:夜鷺(Nightingale),此處位於年輕的隕石坑上,且具有最細顆粒的礦物;翠鳥(Kingfisher)為新的隕石坑並具有豐富的含水量;魚鷹(Osprey)具有較低反照率的岩石樣本;鷸(Sandpiper)位於兩個隕石坑之間,可能含有水合礦物。

在科學家掙扎的選擇後,最終決定在名為「夜鷺」的地點進行採樣。因為此處較年輕的地質特性,能夠讓我們採集到貝努更原始的樣本,以此探討貝努在太陽系闖蕩時所遺留的痕跡,再加上較細的礦物也能讓執行任務時能有較高的成功率。至於其他候選地點,只能說後會有期了。

NASA所選定的四個樣本採集地點之照片。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

2020年10月20號,歐西里斯號伸出他的機器手臂,名為 Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism(TAGSAM),顧名思義便是碰一下小行星表面後便離開。其運作原理,是在碰觸到小行星表面時釋放加壓氮氣產生爆炸,再搜集飛散出來的碎屑樣本。

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說起來雖然簡單,但降落在微小重力的且未知內部構造的小行星上其實非常困難,科學家們需要考量到所有可能影響的作用力,甚至是太陽光所造成的輻射壓都必須考慮進去。

現在,想像你是個科學家,坐在任務的控制室中,透過相機模組中的 SamCam,望著歐西里斯號逐漸靠近小行星,3,2,1⋯⋯,碰!(狀聲詞,事實上,太空中是沒有聲音的。)

Touch-And-Go任務的執行過程。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

採集任務看似十分成功,歐西里斯號將 TAGSAM 的頂端放入樣品返回艙(Sample Return Capsule, SRC)中,SRC 也使用了眾多隔板將散落在太空中的碎屑放入其中,兩天後,歐西里斯號回傳了樣本採集艙的影像,確認歐西里斯號已搜集足夠的樣本,但此時卻發現了些意外,由於採集的樣本太大顆,艙門無法完全緊閉,導致有部分樣本散逸至太空中,還好這不影響任務的完成,算是有驚無險。

小行星的樣本從樣品返回艙中散逸。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

2021 年 4 月 7 日,歐西里斯號展開他的最後一次飛越任務,此次他以超近距離(約 3.5 公里)觀測「夜鷺」在採集後的模樣,可以清楚看見採樣任務前後的區別,中心區域產生了一個深度超過45公分的凹痕! 周圍的岩石也因此錯位。

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過去天文學家們透過眾多觀測數據推論,大多數的小行星比起堅硬的石頭,更像是散亂的碎石堆。後來科學家們也透過此次採樣任務確認貝努表面並非像是地殼般的堅硬固體,而比較像是流體般,才產生如此大的凹痕。

「夜鷺」在採樣任務前後的差異。圖/NASA/Goddard/University of Arizona

在做完惜別任務後,2021 年 5 月 10 號,歐西里斯號啟動了他的主引擎,開始返回地球的旅程。預計在今(2023)年 9 月 24 號,裝載著貝努樣本的樣本返回艙將與歐西里斯號脫離,並以秒速 12 公里的高速衝入地球大氣層,並著陸於猶他州的沙漠中,由研究人員回收後取出樣本進行更近一步的分析。

然而歐西里斯號的旅程仍尚未結束。

接下來它將在 2029 年對另一個有潛在撞擊地球風險的小行星 99942 阿波菲斯(APophis)進行觀測。就讓我們歡迎冥神與他所攜帶的樣本歸來,以及期待未來科學上的重大發現吧!

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延伸閱讀

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微重力下的挑戰!太空艙內除了上廁所以外,太空人還會遇到哪些生理問題?——《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》
三民書局_96
・2023/07/11 ・2898字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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人類探索神秘宇宙的步伐從未停下。目前,宇宙中有多個「太空站」,太空人會在太空站中進行實驗。但他們的生活狀況為何?和地球有何區別?

太空人的生活並不神祕,但以常人眼光來看,可能會覺得別有樂趣。畢竟在太空環境下,沒有地球重力,許多事情都變得「難以想像」。

擁擠的太空艙是太空人賴以維生的窩 任何資源都不容浪費

由於太空站的使命,是讓人類可以長期在那裡進行科學研究。太空站一旦進入宇宙,就不能再回到地球了,所以太空站中擁有所有生活起居需要的東西。人類送到太空的第一個太空站,是前蘇聯 1971 年的禮炮1號,在同年這個太空站被燒毀前,就已經足以承擔太空人生活 23 天的重任。

太空站的使命,是讓人類可以長期在那裡進行科學研究。圖/envatoelements

大家可以想像一下,太空中沒有重力,人類的排泄物可能會「亂飛」。這肯定是不能接受的,所以太空站中有一種設備,它會產生一些氣流,讓人類排出來的大小便朝一個固定方向流動抽除。這項設施,其實充當了地球重力的作用。整套設備在太空博物館中就有(在太空博物館中,你還可以瞭解許多失去重力後的生活方式)。

當然,太空人排出的大小便並不是直接「丟棄」到太空!像水資源,它在太空中十分寶貴,所以人們的尿液都會經過處理後再次飲用,糞便中的水分,也要經過處理完全提取出來,然後讓它變成一坨硬硬的東西,包裝好存放起來。至於糞便的後續處理,它可能應用於很多地方。比如糞便裡有細菌,就可能用於培養火星的土壤,或是帶回地球繼續做研究。

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氣壓是否不同?人還會不會排氣?

其實排氣放屁是人的生理功能,在太空站中,人的所有生理功能都不會變差。至於是否排氣,必須要看太空人吃了什麼東西,這跟自身腸胃功能有關,與太空的環境關聯不大。

太空人在太空中不是很「喜歡」吃東西,因為吃多就會上很多次廁所。但在太空中,上廁所的位置很小、很麻煩,所以大家吃的都很少。

一些太空站上會出現的食物。圖/維基百科

太空艙裡面的空氣如何?

最初,太空艙內、太空人的太空衣都是「純氧」的,最主要的原因是不想裝太多的氮氣,因為它太「重」了。

然而使用純氧的太空艙後,我們遇到了一個問題:大家都知道第一個到太空的太空人是加加林,但實際上他並非選定的第一人。之前,在做地面測試的時候太空艙突然著火,由於純氧易燃,當時的太空人直接在裡面發生了意外。

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而後美國也有 3 名太空人由於電線短路,被燒死在純氧的太空艙中。於是我們決定改善氣體結構,讓它的組成成分與地球一樣。所以,像和平號、國際太空站、太空梭、神舟和天宮號上的空氣,都和地球的大氣一樣。

不過,太空人有時候要到太空站外工作,這時他們出艙服內的氣體必須是純氧,這樣氣壓相對會比較小,可以讓他們胳膊和腿部的關節自由彎曲。所幸目前為止,太空人穿純氧出艙服出艙近 400 餘次,尚未發生意外傷亡事故。

太空人出艙執行任務。圖/維基百科

讓太空人在太空生活,沒有重力,身體生理機能處於高度失水狀態,吃喝拉撒也比較困難,我們當然要想辦法讓他們的呼吸儘量順暢啦!所以才為他們提供和地球一樣的家鄉氣體條件。

太空人會不會缺乏陽光?

在太空站中,每 45 分鐘,就會經歷日出、日落,在地球上則是 12 小時。但太空人睡覺的時間還是正常的,比如你想加班,那就睡 4、5 個小時,不加班就睡 8 小時。

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有人會擔心,太空人在太空站中,是一個昏暗的環境,只有燈光。沒有太陽的照射,人體內會不會缺乏一些營養物質,從而影響身體健康?其實,我們需要陽光照射,是由於太陽光照射皮膚後,人體內會產生維他命 D,它可以幫助身體吸收食物中的鈣。

所以,在太空中,太空人都會帶著維他命 D 片,這個問題也就不存在了。當然,太陽光是一個讓太空人生活環境舒適的必備條件。好在太陽每 45 分鐘就升起、落下,問題不大。

太空人會基因突變?

說到這個問題,就不得不提及之前的一則新聞了:有報導稱太空人在太空待了 340 天,回到地球以後,發生基因突變,和他的同卵雙胞胎兄弟有了不同,為什麼會這樣呢?

實際上,這兩名太空人在 NASA 非常有名,史考特・凱利馬克・凱利是一對同卵雙胞胎兄弟,NASA 對他們進行了實驗。讓史考特到太空中去,而馬克留在地球,觀察他們的基因表現。據新聞報導,史考特在太空中發生了 5% 的基因功能變化。從事實來看,並非史考特的基因發生了突變,而是基因的「打開閉合方式」出現了變化。

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我們都知道,基因是有功能性的 DNA 片段,DNA 是一個雙股螺旋結構,它會不定時的打開、閉合,並在打開的過程中,在細胞核中複製單股信使 mRNA,而 mRNA 脫離細胞核進入細胞質後,開始指揮身體製造所需的蛋白質組織,如頭髮、指甲、腸壁、紅白血球和荷爾蒙等等。人類在地球的環境下生存,DNA就會有適應地球重力環境的打開、閉合方式。同樣,在太空中,它會適應太空無重力環境,產生一定程度的變化,史考特的變化也是因此而來。

貧血、肌肉流失、骨質疏鬆 無重力下的生理問題

其實在太空生活,還有許多要注意的事情。比如,生活久了,你每天要做 4 小時的衝擊運動,讓自己的骨骼受到衝擊力。在地球上,我們走路、跑步,膝蓋都會受到衝擊。但在太空中,不會有這樣的「衝擊」,因此,骨細胞會偷懶減產,人體就會主動降低骨骼的強度,等他回到地球的重力場,再進行走路、跑步等活動,就很有可能受傷!

太空人正在做衝擊運動。圖/維基百科

還有,在沒有重力場的情況下,人體只能容納在地面情況下 95% 的水分,其實是處於極度缺水的狀態。體液一減少,體內紅血球、白血球又開始偷懶,產量會相對減少,人就會貧血,對細菌的抵抗力也會降低。諸如此類,都是太空人可能遇到的問題。

太空實驗不易,人類太空科學的進步,必須要這些英雄們為我們做出貢獻。如此,太空科學才能一步步發展起來。

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最後,讓我們向太空人致敬!  

——本文摘自《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》,2023 年 6 月,三民出版,未經同意請勿轉載。

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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。