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宇宙大霹靂的發現--《相對論百年故事》

PanSci_96
・2015/10/22 ・1843字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

繼勒梅特提出宇宙濫觴於「太初原子」的大膽構想後,離開蘇俄至美國發展的物理學家伽莫(George Gamow, 1904-1968)也認為,宇宙會自太初極度緻密與高溫的狀態開始膨脹冷卻。在那種極端的條件下,所有的物質都只以質子、中子與電子的形式存在,並且浸泡在如大洋般的高能輻射裡,就像一鍋熾熱稠密的太初原湯。在剛開始膨脹的頭幾分鐘內,宇宙可視為一場超大型的核子物理實驗,透過粒子持續捕捉中子建構出所有元素,各式各樣的物質都可從這鍋渾沌的原湯中烹煮出來。

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那是一場太古粒子的狂歡宴會,電子、質子、中子不受拘束地在裏頭躁動,熱力四射的他們照亮整個會場。 Source: Wiki

1948年夏天,伽莫證明了在宇宙年齡只有100秒時,質子可與中子結合形成氫的同位素——氘。伽莫的學生阿爾法(Ralph Alpher, 1921-2007)以及赫曼(Robert Herman, 1914-1997)則接續發展伽莫的構想,更深入探索太初核子作用,希望能建構出宇宙的熱歷史。他們首先推導出在均勻膨脹的環境下,物質密度正比於任何熱輻射溫度的立方。這代表他們能夠決定在宇宙開始兩分鐘後、溫度為10億度時,物質密度與輻射溫度的正確比例,以避免產生過量的氦而與現今的觀測結果抵觸。在獲得這個固定的比值後,再將今天觀測到的物質密度代入計算,就可推知現在的輻射溫度是多少。經他們估計得到目前宇宙的溫度大約是絕對溫度5K。這項預測可說是科學史上最重要的里程碑之一,它提供天文學家一個測試大霹靂理論的方法——假如宇宙果真發軔於一個高溫的過去,我們應能夠觀測到這大霹靂的餘暉輻射!

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當宴會結束,質子(中子)與電子無可避免地陷入熱戀,形成氫原子(氦原子),他們務實地尋求穩定,過往的激情與浪漫被他們拋棄,等待遺忘。 Source: MinutePhysic

伽莫等人的論文發表17年後,美國兩位頂尖的電波工程師潘奇亞斯(Arno Penzias, 1933-)與威爾遜(Robert Wilson, 1936- )終於在紐澤西州霍姆德爾鎮的貝爾實驗室維修一座角型天線時,發現了伽莫師生們所預測的大霹靂餘暉輻射。他們當時所偵測到的輻射噪聲,擁有7.35公分的波長,相當於溫度3.5K的熱輻射,因此稱之為宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background, CMB)輻射。

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那些被遺忘的激情與浪漫歷經了百億年的旅行,最終被WMAP捕捉到那場盛宴的餘暉。 Source: Wiki

潘奇亞斯與威爾遜的發現是我們理解宇宙的轉捩點,它大大增添了我們對愛因斯坦方程式預測宇宙行為的信心。弗里德曼與勒梅特最簡單的膨脹宇宙模型,可告訴我們任何時刻的宇宙溫度。有了這項簡單的訊息,物理學家便能夠預測宇宙從最初幾秒鐘膨脹至今的一系列事件。我們或許無法確切知曉曾經發生過的每一個單一事件,但確實可以據此建立起一幅大致公允的演化圖像,描繪溫度與密度如何隨空間膨脹變化,核子反應發生的時間與順序,以及原子與分子形成的時程。

大霹靂理論另一項重大的預言是宇宙裡氫與氦的豐度比例。在宇宙年齡小於1秒鐘、溫度高於100億度時,弱核力(weak nuclear force)的作用會維持質子與中子數目相等。由於中子的質量稍大於質子,在膨脹開始1秒鐘後,當宇宙溫度降到100億度以下時,這建構中子所需的額外些微能量,將導致質子的數目開始稍稍超過中子的數目。不過,由於中子與質子間關鍵的弱交互作用速率太低,無法趕上空間的膨脹速率,因此它們彼此間數量不均衡的比例並未擴大,約維持在1比6左右。

在膨脹開始後大約100秒時,溫度降低到1億度,核子反應突然進行起來。由於自由中子很容易衰變,此刻中子與質子的數量比已略降至1比7。幾乎所有倖存的中子都立刻與其他粒子結合形成氦-4原子核,只留下少數的氘、氦-3與鋰。從此,宇宙裡的核子物質有大約25%的氦-4,75%的氫,以及極少量的氘同位素、氦-3與鋰-7。這些元素的豐度比例,正是我們今天在銀河系與其他星系裡所觀測到的數值。因此,天文觀測再一次確證了大霹靂宇宙模型。

¦C¦L本文摘自《相對論百年故事》。中華民國重力協會主編,大塊文化出

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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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