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造成恐龍滅亡的真正兇手?

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・2015/06/10 ・1197字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 523 ・七年級
六千六百萬年前的小行星撞擊地球事件可能引發火山爆發。  source:Wiki
六千六百萬年前的小行星撞擊地球事件可能引發火山爆發。 source:Wiki

曾經稱霸地球的恐龍為什麼會在六千六百萬年前滅亡?科學家對於這個問題的看法主要分成兩派,一派認為當時撞擊地球的小行星是導致恐龍滅亡的主因,另一派則說火山爆發才是殺害恐龍的真兇。近期一份刊於《The Geological Society of America Bulletin》的研究則提出了一個兼顧兩派說法的見解,研究指出,小行星和火山都是促成恐龍滅亡的兇手,該研究也列出諸多證據,證明小行星撞擊地球、火山爆發和物種大滅絕之間的因果關係。

六千六百萬年前,一顆小行星落在墨西哥的猶加敦半島,導致恐龍大滅絕。十萬年後,位於印度德干高原的火山開始噴發出大量岩漿,長時間的火山爆發可能再次造成地球上的物種大滅絕。在柏克萊大學(UC Berkeley)教授地球與行星科學的馬克‧理查(Mark Richards)認為這兩起事件之間絕對有因果關係,他說:「為什麼地球上規模最大的撞擊事件和德干高原的火山爆發事件會在十萬年間接連發生…這一定不只是巧合而已。」

理查和他的研究團隊因此推論,火山爆發是由小行星撞擊所引起的。在小行星撞擊地球之前,德干高原就已經有岩漿流出,而撞擊事件就像是導火線一樣,一下子點燃了火山內部的岩漿,在接下來的數十萬年之間,火山不斷噴發出二氧化碳等其餘會改變氣候的氣體。理查表示,地球上大多數的生物在恐龍時代接近尾聲時滅亡,但科學家還不是很確定火山爆發是導致物種大滅絕的成因。

地球經歷的六次物種大滅絕中,理查發現其中有四次的物種大滅絕都與火山爆發發生於同一時期。於是他大膽假設,六千六百萬年前的火山爆發事件肯定與當時的物種大滅絕脫不了關係。為了證明他的假設,理查找來各方專家組成研究團隊,其中也包含了Walter Alvarez這位提出「恐龍是因小行星撞擊而滅亡理論」的科學家。

結果該研究團隊找到的許多證據都支持理查的假設。例如,與理查在同一系所任教、同時也身兼柏克萊地球年代學中心(Berkeley Geochronology Center)主任的Paul Renne在兩年前就已經確定小行星撞擊事件和物種大滅絕是在同一時期發生的,而這兩個事件與之後的德干高原火山爆發事件相隔大約十萬年。

理查和Renne的同事Michael Manga也指出,火山爆發也會因強烈地震而引起。理查估計,小行星撞擊的強度可以在地球各地引發規模九以上的地震,而這樣的規模已能促成德干高原及其他地區的火山爆發。同時,研究團隊也發現火山在小行星撞擊地球前後所噴出的岩漿的化學成分並不相同,再次驗證了小行星撞擊促成火山爆發的說法。

不過,許多科學家仍對火山爆發在恐龍滅絕中所扮演的角色抱持著懷疑的態度,他們依然深信,小行星撞擊是導致恐龍消失的主要原因。理查則表示,小行星撞擊事件是造成物種大滅絕的開端,而這個事件又促成了火山在短時間內爆發出大量的岩漿。

資料來源:

  1. Did dinosaur-killing asteroid trigger largest lava flows on Earth? phys.org [Apr 30, 2015]
  2. Asteroid – lava combo may have killed the dinosaurs CBS News [May 4, 2015]

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泛科學特約編譯作者。一個很容易臉紅的女生,最想去的國家是印度。


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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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