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世界末日擦身而過?──破解太陽閃焰的謠言

歐柏昇
・2015/02/24 ・3087字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

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網路上流傳著一篇文章,聲稱2月21日發生了強烈的太陽閃焰,程度達1859年「卡林頓事件」的等級,因此「人類差一點點就GG了」。如此關於世界末日的謠言,相當危言聳聽,甚至作者引用了英文的Youtube影片,試圖訴諸權威,讓讀者更容易相信此謠言。

這幾天根本沒有劇烈閃焰

要如何知道這篇傳言是否真實呢?現在,我們來設想另一個情境。假若今天的傳言不是關於太陽閃焰,而是如此:「西太平洋上形成了一個強烈颱風,這個颱風的強度相當於2013年重創菲律賓的海燕颱風,只慶幸颱風已經轉向,並不會直撲臺灣。」

如果今天看到這樣關於颱風的消息,你會有興趣查詢中央氣象局的網站。倘若消息是假的,很容易就看得出來──如果氣象局網站隻字未提,那颱風的消息顯然是謠言。

關於太空天氣也是一樣的,目前很多即時資料在網路上都是公開透明。我們只要稍微察看,就可以分辨出網路傳言的真偽。現在和大家介紹兩個查詢「太空天氣」的網站。

第一個是SpaceWeather.com,這個網站以簡易明瞭的介面,呈現了太空天氣的各種即時資訊。網站首頁左上角顯示了即時的數據,包括太陽風(solar wind)的速度及粒子密度,以及X射線太陽閃焰(X-ray solar flare)的近六小時、二十四小時最大強度。

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在此向各位簡介「X射線太陽閃焰」的分級。科學家使用0.1至0.8奈米的波長的X射線,來計算X射線的通量(單位面積每秒通過多少能量),而定義出太陽閃焰的強度。在這樣的定義下,我們可以將閃焰由強至弱分為X、M、C、B、A這幾個等級。當我們看到一個閃焰事件時,可以從它最高峰的強度,來決定出這個閃焰的等級。

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↑太陽閃焰分級說明──以2000年7月為例(修改自網站

了解這個分級方法,我們就來查看這幾天的閃焰等級。你只要點選網頁右上角的日期欄,就可以調整日期。你很快就會發現──不對呀!這幾天都只有B級、C級的閃焰,連M級都稱不上,怎麼會說出現致命的閃焰呢?

另一個網站較為專業,是美國國家海洋暨大氣總署的太空天氣網站,可以在這裡找到關於太空天氣的原始資料。我們不詳述此網站的使用方式,只向大家分享這張圖:

GOES X-ray Flux
GOES X-ray Flux

我們從NOAA的網站找到官方公布的X射線通量圖。你會發現,這幾天的閃焰等級幾乎都在B級,最多也只擦到C級的邊而已,完全沒有M級或X級的強烈閃焰!

我們都安然度過了很多次X級閃焰

你又會問,如果真的發生X級的閃焰,那又怎麼辦呢?告訴你,其實去年發生了好幾次X級閃焰。其中一次就在2014年12月19日,發生了X1.8級的閃焰,以下就是當時由NASA的太陽動力學天文台(Solar Dynamics Observatory: SDO)衛星拍攝下來的影像。你也知道,在12月19日那天,大家還是照常滑著手機,我們生活中毫無感受到任何威脅!

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2014年12月19日的太陽閃焰 (Image Credit: NASA/SDO)

史都華‧克拉克所寫的科普書籍《太陽風暴》當中說明:「完美的太陽風暴有四個要素:(一)閃焰引起的日冕物質噴發速度一定要很快,(二)必須正對著地球,(三)必須比散亂的長命磁暴更加凝聚,(四)日冕物質噴發的磁場一定要正好跟地球反方向。」這四個條件必須同時達到,才會發生嚴重的太陽風暴。就算發生X級的閃焰,也很難精準打中地球。這就是為何去年發生那麼多次X級閃焰,我們安然無恙,還以為沒有任何事情發生呢!

太陽風暴來襲並不是世界末日

那如果真的同時達成四個條件,是不是就會發生世界末日了?我們必須釐清太陽風暴如何影響地球。首先,太陽閃焰會產生了無線電波,干擾地球上使用電波的通訊系統。此外,日冕物質噴發(Coronal mass ejections; CMEs)經常伴隨著閃焰出現,這與地球上的磁暴與息息相關。日冕物質噴發通常是以每秒200至500公里的速率前進,有時甚至可以超過每秒1000公里。這些電漿衝向地球,擾動了地球磁場而產生磁暴。產生的感應電流,可能使得電力輸送受到影響。例如1859年那次強烈的太陽風暴,讓電報通訊系統嚴重受阻。另外,GPS可能因為磁場的變動而失靈。

最劇烈的太陽風暴,有可能造成全球電力、通訊系統受損,但並不能將它想像為「世界末日」。人們經常誤解了太陽風暴的實情,將它想像成一個大火把燒到地球,或者像是炸彈一般丟向地球。我們要先釐清,「閃焰」與「日冕物質噴發」兩者並不相同。事實上,「閃焰」是太陽表面的爆炸事件,並不會透過這麼遠的距離「燒」到地球,只不過發出的電磁波可能干擾我們的通訊。真正可能拋向地球的是伴隨閃焰出現的「日冕物質噴發」。但這裡提供一些數據:日冕的物質密度,大約是每立方公分1,000,000,000(十億)個粒子;平時太陽風在地球附近的物質密度,則只有每立方公方0.01個粒子。比較地球上空氣的密度,就可以了解到日冕的密度有多低了──地球上接近海平面處空氣的粒子密度,大約是每立方公分10,000,000,000,000,000,000(一千萬兆)個粒子!密度極低的日冕物質噴發可能造成災害,但顯然不是人們想像中的巨大火把,更不會造成「世界末日」。

此外,網路傳言聲稱太陽閃焰可能毀壞核電廠,對人類造成嚴重威脅。這裡就舉1989年的例子,給各位了解。1989年3月的太陽風暴的主要災區在北美,當時由磁暴引起的感應電流損害了魁北克的輸電網路,造成九小時的大停電。牽涉到電力輸送,核電廠當然有受到牽連,但是並非影響到反應爐,而是影響到輸電網路。例如魁北克的Gentilly-2核電廠,當時斷絕電力供應,但立刻啟動備用電力設施。而在美國紐澤西州的Salem核電廠,當時則是輸電的變壓器受到感應電流毀壞,與反應爐並無關聯。

太陽風暴可能影響人類所仰賴的高科技電力設施,造成人類暫時失去電力與通訊的風險。但是,這些風險與媒體經常誇大的「世界末日」完全不同。我們也要說明,太陽風暴對人類來說,並不真的是毫無招架之力的災難。目前人們已經隨時監測太空天氣,並不斷發展著防災的措施。

太空天氣監測的防災意義

1859年的太陽風暴,在卡林頓等科學家細微的觀察之下,解開了重大的難題。人們終於了解,「地球上發生磁暴」與「太陽上出現閃焰」是相關的。1859年的歷史意義,在於人類開始使用電力通訊的時候,為了克服來自太陽的威脅,而逐步揭開太陽閃焰與磁暴的真相。

這些年來,人類對電力的仰賴程度越來越高,勢必在太陽風暴來襲時要承受更高的風險,這是我們不否認的──然而,科學家同時做了很多努力,人們對於太陽的了解已經遠超過1859年。現在,NASA的SDO、SOHO等衛星,都隨時監控著太空天氣的變化,即時回傳各項數據,讓人們做好準備。

就如同地球上天氣變化的防災一般,科學家當今對於「太空天氣」的觀點,早已從「恐懼」轉為「防災」。地球上的天氣,我們有天氣預報;太空中的天氣,我們一樣有天氣預報。在剛才介紹的spaceweather.com這個網站中,你可以在左下方看到「NOAA Forecasts」的欄位,隨時為大家做太空天氣預報,專家們可以根據這些預報來防患未然。

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太陽風暴的發生不是世界末日,但科學家隨時做好準備。我們使用的高科技,在太陽底下暴露著風險,但科學家早已體認到,我們必須付出相應的代價來做防災工作。科學家的態度,就如同面對地球上的風暴一樣──那是一種天然災害,我們需要隨時監控。關於太空天氣的各項監測,隨時都在未雨綢繆!網路上流傳的謠言,任意捏造太陽閃焰事件,並且聲稱人類只是僥倖,這種說辭顯然抹煞了科學家持續為全人類的防災所做的一切努力。

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歐柏昇
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台大物理與歷史系雙主修畢業,台大物理碩士。現為台大物理系、中研院天文所博士生,全國大學天文社聯盟理事長。盼望從天文與人文之間追尋更清澈的世界觀,在浩瀚宇宙中思考文明,讓科學走向人群。


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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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