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被「絕地救援」前,必看的火星求生教學手冊

廖英凱
・2015/10/06 ・4393字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

「大家好,我是谷O莫,今天要跟大家說一個火星馬鈴薯自耕農的故事...」
ㄜ……雖然這段「致敬」有點過分,不過好想看到谷式風格的影評哪 =w=

(以下有雷,慎入!!)

原本以為電影公司很貼心的準備了電影中的馬鈴薯當看電影的零食,既解饞又應景。但咬了一下發現是生的.......
原本以為電影公司很貼心的準備了電影中的馬鈴薯當看電影的零食,既解饞又應景。但咬了一下發現是生的…….

筆者日前有幸能參與到「絕地救援」的試映會(炫耀無誤),大致上可說這是「浩劫重生」的宇宙荒島版,只是威爾斯排球先生換成了GoPro置入行銷攝影機,宇宙荒島火星上雖然沒有會自我進化的兄貴蟑螂,但吸個幾口濃濃的二氧化碳也會上天堂。

也別提什麼被丟包火星還被遠端舉辦葬禮,好不容易聯繫到地球但連即時通打個髒話都會被全球直播的悲催情節了。這部電影倒是很紮實地告訴我們,想在火星生存下來,除了要有跨國合作的逆天科技應援,更別忘了國高中時課本裡的知識也是救你一命的關鍵。我們姑且來整理一下電影中曾出現的救命元素,希望能對各位的火星旅行置產移民計畫有所裨益XD

在火星上佔地為王,你需要……

絕地救援劇照。
絕地救援劇照。

每分每秒都不可或缺的氧氣

  對我們來說,火星的大氣組成相當的不友善,高達96%是二氧化碳,而賴以為生的氧氣僅有0.145%[1]。很明顯在曲速引擎那種等級的星際旅行科技出現以前,我們不太可能運送大量的壓縮氧氣到火星上供人使用。所幸,被戲稱為平均智商最高的組織NASA(CERN表示嚴正抗議……)在2014年7月,發表了將在2020年的火星探測車上,採用了 M.H. Hecht在麻省理工的團隊所研發的「火星在地資源製氧實驗 (The Mars Oxygen ISRU Experiment(MOXIE)[2]

  MOXIE的目的,是希望利用火星當地的資源,就能達到穩定的氧氣產製。其原理,是利用固體氧化電解(solid oxide electrolysis, SOXE)的方式,在800-850°C的環境中,讓二氧化碳通過scandia-stabilized zirconia (ScSZ)而與電子結合,分解成氧離子與一氧化碳分子。而氧離子可再與電子結合而氧化成氧原子,並與鄰近的氧原子結合成氧氣[3]

MOXIE製造氧氣的電解裝置示意圖
MOXIE製造氧氣的電解裝置示意圖

水也很重要,缺個三天就有機會在火星上發現木乃伊囉(誤)

很不幸的,火星的地表也實在不太友善,大部分的環境如沙漠般也很缺水。然而,近幾年陸陸續續有直接與間接的證據發現火星上是有水的。例如2008年6月,鳳凰號火星探測器首次發現火星的土壤中含有水。2013年9月,好奇號發現火星土壤的含水重量約為1.5% ~ 3%[4],有可能開發成水資源運用。而就在「絕地救援」上映的前夕,2015年9月28日,NASA更證實了火星表面有流動的鹽水[5],這代表如果有合適的蒸餾設備,我們是可以直接從火星地表的鹽水和土壤蒸餾出飲用水的。

而除了在地取材的水資源以外,過去太空計畫也建立了很高效率的水資源回收系統。例如在國際太空站的淨水系統[6],它會收集、過濾並蒸餾空氣中的水分、汙水與尿液,高達93%的水都會被回收再利用,這樣高回收率若能與火星表面的水資源結合運用,對個人用水的需求就不需太擔心。不過若是需要在火星上開始搞個「微農業」,這用水量恐怕又遠大於個人生活用水了。但要怎麼「製造」更多的水呢?或許,馬克的主角威能讓他回憶起中學時期化學課本一個簡單不過的化學式:水分子H2O。

既然我們已經有了能憑空製造出氧氣的MOXIE,這代表如果我們能再找到氫原子或含氫的化合物,就有機會讓氫氧結合產生水。而馬克所想到的方式,則是把火箭燃料拿來燒。在幾種常見的火箭燃料中,像是俗稱的肥料火箭是利用白糖混合硝酸鹽;太空梭利用液態氫;或是NASA的X-15試驗機利用液態氨作為燃料[7]。這些燃料都含有氫元素,而燃燒後的水蒸氣,正是馬可取得耕種用水的重要來源。

裝置於國際太空站裡的 NASA水回收系統[8]。
裝置於國際太空站裡的 NASA水回收系統[8]。

去火星只能吃土啊,不然要吃啥

ㄜ……當然吃土的不是人啦,可以是一些植物或微生物嘛XD,接續著已經解決了水的問題後,如果要開始量產糧食,首先需要植物的種子、果實,當然具有發芽能力的馬鈴薯塊莖也覺得是個好選項。然而,馬鈴薯含水量高不易長期儲存,所以多數會做成加工食品後運輸,或是透過放射線照射來抑制發芽[9]、利用真空包裝來避免發霉。但幸好劇中太空人們想要在火星上實做料理而準備了生馬鈴薯,放射線抑制發芽的一年有效期也可能被長時間的太空旅行消磨掉而保留了發芽的機會。

其次,土壤的成分與土壤內養分的循環也相當重要。2012年好奇號在火星上的探勘發現火星表土成分跟夏威夷火山的土壤雷同[10]。然而土壤中扮演養分循環的微生物在火星上卻完全不存在,但仍可利用太空人們不斷累積的「堆肥」中取得。或是更樂觀點想,如果剛好有要在太空中進行一些農業栽培實驗,或是有太空人堅持要帶個盆栽旅行的話,也許就有機會取得這些必要的微生物了。

不過,這一切的種植都無法在火星上「露天」進行。火星的地表溫度為 -140°C ~ 30°C[11],但日夜溫差可高達60度。平均氣壓只有7.5百帕,遠小於地球的1013百帕[12],完全不利於任何生命存活,所以這都需要仰賴具氣密加壓效果的豪宅農舍才能讓作物得以耕種。而室內耕種所需要的光源,則可以利用2012年起,國際太空站上正在進行的植物栽種系統,利用特定波長的LED來讓植物進行光合作用[13]

21838278716_c193d942af_oNASA在國際太空站上的蔬菜種植實驗。[14]

你知道人類生存基本需求除了水、氧氣和食物以外,還要有電源和網路嗎? =w=

前面雖然提到了這麼多方法,當然這一切都不是完全取於天地的「自然農法」可以搞出來的,都仰賴相當大比例的高科技技術。不管是製氧機、淨水循環系統,甚至是在居住艙種植馬鈴薯的照明都仰賴著電力的供給。若要在火星上取得充足電力,目前只能依靠在地取材的太陽能發電,以及體積利於運送且能量密度極大的核能發電。

在火星上要依靠太陽能當然是絕對可行的,而且也會是最主要的電力來源,火星雖然離太陽比地球更遠一些,平均日照強度大約是地球的43%[15]。但火星的雲層較少且薄,多是個艷陽這樣的高照的好日子,非常適合太陽能的使用。然而,火星上落塵量龐大,會削減太陽能電池的效率,且沙塵暴滯留時間長也會使太陽能無法運作,例如2007年火星漫遊者號就因遭遇長達一個多月的沙塵暴而被迫停機休眠;2014年歐洲太空總署探測彗星的菲萊登陸器(Philae)也因登陸地點誤差無法照射到陽光,而進入長達7個月的休眠[16]。

為了避免太空任務中太陽能的不確定性,電影中提到的「放射性同位素熱電機(Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG)」就成了一種穩定供電的輕巧選項。與核電廠所用的「核分裂」和夢想中的「核融合」原理完全不同,RTG是利用238Pu這樣的放射性元素,在衰變成234U的過程中,會有560W/kg 的大量衰變熱[17],這些衰變熱可經由熱電效應讓溫差轉換為電壓。在許多太空任務中,像是距離太陽較遠的土星探測器卡西尼-惠更斯號、飛出太陽系的航海家一號。或是在前文中提到需要在高溫環境下作業的MOXIE製氧機,都採用了這種發電方式。不過,要像馬克先生把它用做暖爐的話……這也算是超越設計極限的使用者想像吧XD

左側黑色平放的柱狀物,是裝設於新視野號上的放射性同位素熱電機。
左側黑色平放的柱狀物,是裝設於新視野號上的放射性同位素熱電機。

當然,要真的存活下去,你還需要很多很多東西…..需要知識,更需要知識實踐的能力;需要制定縝密計畫的聰明腦袋,更需要抗拒獨自一人的孤寂感;需要舉國之力的科技奧援,也需要探索未知之境的運氣。當然,更要忍受數百個每天只有不到半顆微波馬鈴薯果腹的飢餓日子。雖然對大多數人來說,我們終其一生也無緣涉足那遙遠的蠻荒之地。但多裝些科學知識在腦裡,或許就能助你度過天災人禍的急難困境。

解決問題的重要的技術突破,往往並不是按部就班直接得到的,而是藉由設定充滿挑戰的目標,激發出強大創新精神,燃起想像力和堅定的行動力,如催化劑般引起一系列的連鎖反應而達成。無可置疑地,太空計畫就扮演著這樣的角色。

Significant progress in the solutions of technical problems is frequently made not by a direct approach, but by first setting a goal of high challenge which offers a strong motivation for innovative work, which fires the imagination and spurs men to expend their best efforts, and which acts as a catalyst by including chains of other reactions. Spaceflight without any doubt is playing exactly this role.

1970 馬歇爾太空飛行中心科學副總監 Ernst Stuhlinger

參考資料:

  1. Mahaffy, Paul R., et al. “Abundance and Isotopic Composition of Gases in the Martian Atmosphere from the Curiosity Rover.” Science 341 6143 (2013): 263-66.
  2. NASA. “Nasa Announces Mars 2020 Rover Payload to Explore the Red Planet as Never Before”.  2014.
  3. Hecht, Michael H., Donald R. Rapp, and Jeffrey A. Hoffman. The Mars Oxygen Isru Experiment (Moxie) 2014.
  4. Leshin, LA, et al. “Volatile, Isotope, and Organic Analysis of Martian Fines with the Mars Curiosity Rover.” Science 341 6153 (2013): 1238937.
  5. NASA. “Nasa Confirms Evidence That Liquid Water Flows on Today’s Mars”.  2015.
  6. NASA. “Nasa Advances Water Recycling for Space Travel and Earth Use”.  2004.
  7. NASA. “Nasa Armstrong Fact Sheet: X-15 Hypersonic Research Program”.  2014.
  8. NASA. “Water: A Chemical Solution”. 2012.
  9. 原能會. “什麼是輻射照射食品?”.
  10. 網路天文館. “火星土壤礦物似與夏威夷火山土壤雷同”.  2012.  Pansci.
  11. NASA. “Mars Facts: Temperature”.  2015.
  12. NASA. “Mars Facts: Temperature”.  NASA Quest.
  13. NASA. “Veggie Plant Growth System Activated on International Space Station”.  2014.
  14. NASA’s Marshall Space Flight Center. “11 stmd_shareable_lettuce3”. flickr.
  15. “Solar Intensity”.  Mcauliffe-Shepard Discovery Center.
  16. NASA. “Mars Exploration Rover Status Report Concern Increasing About Opportunity”.  2007.
  17. Council for Nuclear Fuel Cycle, Institute for Energy Economics Japan. Can Reactor Grade Plutonium Produce Nuclear Fission Weapons?, 2001.

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廖英凱
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非典型的不務正業者,對資訊與真相有詭異的渴望與執著,夢想能做出鋼鐵人或心靈史學。 https://www.ykliao.tw/


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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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