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研究人員發現將反物質拋擲進入太空的雷暴

peregrine
・2011/01/28 ・1576字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

原文網址
翻譯:
peregrine,轉載自PEREGRINE科學點滴

圖片來源:NASA

利用美國航太總署之費米γ-射線太空望遠鏡(NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope)的科學家們業已發現,於地球雷暴(thunderstorms)上方產生的反物質束。這是先前未曾被發現的現象。

科學家們認為,此些反物質粒子是在陸地的γ-射線閃光(terrestrial gamma-ray flash:TGF)中形成的。陸地的γ-射線閃光是雷暴中產生的短暫爆叢(burst),且經證實與閃電有所關聯。據估,全世界每天約發生500次TGFs,不過多數未被發現。

美國阿拉巴馬州亨茨維爾市阿拉巴馬大學費米γ-射線太空望遠鏡的γ-射線爆叢監測器團隊(Fermi`s Gamma-ray Burst Monitor team at the University of Alabama in Huntsville)成員Michael Briggs宣稱:「此些表徵是雷暴產生反物質粒子束的首度直接證據。」2011年1月10日星期一,Briggs在美國天文學會(the American Astronomical Society)於西雅圖市的年會簡報中,提出了該項研究發現。

費米γ-射線太空望遠鏡旨在監測γ射線(光的最高能形態)。當擊中費米γ-射線太空望遠鏡的反物質與正常物質的粒子碰撞時,這兩種粒子立即被湮滅轉變成γ射線。目前,該γ-射線爆叢監測器業已偵測到具有51萬1千電子伏特能量的γ射線,這是顯示電子已經與其反物質對應物(正電子)發生碰撞的表徵。

雖然費米γ-射線太空望遠鏡的γ-射線爆叢監測器旨在觀測宇宙中的高能事件。不過也提供了上述奇特現象的重要洞察力。γ-射線爆叢監測器不斷地監測整個蒼穹及地球上空。打從2008年費米γ-射線太空望遠鏡發射升空以來,該γ-射線爆叢監測器團隊業已確認了130次TGFs。

位於華盛頓市之美國航太總署總部的費米γ-射線太空望遠鏡計劃科學家Ilana Harrus宣稱:「於軌道中運行不到3年,費米γ-射線太空望遠鏡的任務業已證實,這是十分令人訝異的宇宙探索工具。目前他們得知,該工具能發現極接近地球的諸多神秘事物。」

就多數被觀測到的TGFs而言,該航天器(spacecraft)是直接處於雷暴上方,不過於四次事例中,雷暴是遠離費米γ-射線太空望遠鏡的。此外,被全球監測網偵測到之產生閃電的無線電信號(radio signals)顯示,那時僅有的閃電是在數百餘英里之外。在發生於2009年12月14日的一次TGF期間,費米γ-射線太空望遠鏡是處於埃及(Egypt)上空。不過,該劇烈雷暴是在南方約2800英里處的尚比亞(Zambia)。該遙遠雷暴是在費米γ-射線太空望遠鏡的視域(horizon)以下方,因而其產生的任何γ射線不可能被偵測到。

美國佛羅里達州墨爾本市佛羅里達工學院(the Florida Institute of Technology in Melbourne, Fla.)的Joseph Dwyer宣稱:「儘管費米γ-射線太空望遠鏡無法察覺此雷暴,該航天器與此次雷暴仍然靠磁性作用被聯繫在一起。因為,該TGF產生了電子及正電子,而後此些粒子拱起了襲擊該航天器的地球磁場。」

射束不斷通過費米γ-射線太空望遠鏡,在到達被通稱為鏡點(mirror point)的位置時,其行進方向被逆轉,而後撞擊上該航天器。每次,射束中的正電子與該航天器中的電子產生碰撞。此些粒子互相湮滅,從而發出被費米γ-射線太空望遠鏡之γ-射線爆叢監測器偵測到的γ射線。

長久以來,科學家們懷疑TGFs起源於靠近雷暴頂端的強大電場。他們表示,在適當的諸多條件下,電場變強到足以驅動向上雪崩(avalanche)的電子。此些達到近乎光速的高能電子,因空氣分子而偏移時,發出γ射線。通常,此些γ射線以TGF的方式被偵測到。

不過,此些級聯的電子(cascading electrons)產生很多γ射線,以至於徹底地將電子及正電子轟擊出大氣層。這發生於γ射線的能量轉變成電子及正電子的粒子對時。而到達費米γ-射線太空望遠鏡之軌道的就是此些粒子。

正電子的發現證實,很多高能粒子從大氣層被逐出。其實,目前科學家們認為,所有TGFs皆發出電子與正電子束。《地球物理研究記事》(Geophysical Research Letters)期刊已同意刊出有關此研究發現的論文。

杜克大學(Duke University)的Steven Cummer宣稱:「費米γ-射線太空望遠鏡的研究結果,使人們更接近瞭解TGFs如何起作用。不過,人們仍需理解有關此些雷暴,有何特殊地方及閃電於此些過程中的確切角色。」

費米γ-射線太空望遠鏡是美國航太總署與美國能源部合作研發之研究天體物理及粒子物理的工具。該望遠鏡是由美國航太總署位於馬里蘭州綠地市的戈達德太空飛行中心(NASA’s Goddard space Flight Center in Greenbelt, Md)進行操縱管理。

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peregrine
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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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