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【Gene思書齋】絕地救援的火星任務

Gene Ng_96
・2015/10/14 ・4365字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

叫好又叫座的好萊塢科幻片《火星任務》……哦不……《絕地救援》(The Martian)被棒為大導演雷利‧史考特(Ridley Scott)十年來最佳的電影,我不僅同意,還想補充上「絕對是」,而男主角麥特‧戴蒙(Matt Damon)真的又創演藝事業高峰,在火星上的獨角戲,演活了一個理性又冷靜又幽默的科學家!

《絕地救援》的原著小說《火星任務》,是安迪‧威爾(Andy Weir)在 2011 年自費出版的科技驚悚小說,是他的處女作。他父母分別是微粒子物理學家及工程師,而他是熱愛物理相對論、軌道力學和火箭的電腦程式工程師。《火星任務》 裡頭有大量真實的科學,連美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration,NASA)都讚嘆不已,主動邀請他參觀 NASA!

有人說《絕地救援》是火星版的《星際效應》(Interstellar), 因為麥特‧戴蒙在那飾演一位等待同胞到來的科學家曼恩博士(Dr. Mann),和《絕地救援》裡等待救援的植物學家,一邪一正,相映成趣!加上《搶救雷恩大兵》(Saving Private Ryan),麥特‧戴蒙是第三回守候援兵了吧! 無獨有偶,飾演戰神三號探險隊長瑪麗莎‧露易斯(Melissa Lewis)的潔西卡‧雀絲坦(Jessica Chastain) 也在《星際效應》擔任要角,飾演長大後的女主角墨菲(Murphy)。

我對《絕地救援》的評價要比《星際效應》高,因為後者還是有些灑狗血賺熱淚的煽情戲碼,然而《絕地救援》,編導卻很平實地呈現了一個在火星上等待救援的植物學家馬克·瓦特尼(Mark Watney) 該如何靠科學知識存活;地球上像熱上鍋螞蟻的科學團隊,又該如何在政治壓力和緊迫的時間下,用盡全力、善盡所長地設計各種營救方法。

相對於《星際效應》,《絕地救援》顯得冷靜許多,可是卻仍然扣人心弦,讓人又哭又笑,是部不可多得的優異科幻電影。上映前不久就有新聞說火星是濕的,科學社群也在討論:如果把如生物學家、物理學家、化學家、地質學家、大氣科學家或者心理學家等等,丟包到火星上,那個領域專家的生存機率最高?種種討論,讓《絕地救援》顯得話題性十足。

《絕地救援》也像是《浩劫重生》(Cast Away)和《地心引力》(Gravity)的火星版,瓦特尼靠自己的毅力、知識和巧思,養活了自己一陣子!《浩劫重生》至少是在地球上,《地心引力》的女主角和瓦特尼都被困在地球外極為尷尬的處境!只不過在《地心引力》中,女主角真的要靠她自己的勇氣來解救自己,而瓦特尼想盡辦法,終於聯繫上了 NASA,所以有一整個大團隊來營救他。

能到火星的太空人都是萬中挑一,有高超的心理素質,以及受過嚴格的科學訓練來應該惡劣的狀況。人類是群居動物,在獨自長時間孤單地勇敢活下去,很不容易,所以瓦特尼對著攝影機的自言自語,彷彿和人對話的時候,會緩解不少壓力,他也不斷用幽默樂觀的態度面對危機。

令許多科學家激賞的是:《絕地救援》在科學層面稱得上嚴謹,雖然沒有人實際到火星做過那樣的實驗,可是在火星上種植物,理論上是可行的。電影也展示了真正的科學研究過程,就是 NASA 的科學家到噴射實驗室,翻出原型機進行實驗,取得真實數據和瓦特尼比對討論,這比許多好萊塢科幻片不實際地把科學家當神,不需要進行實驗來獲取數據的過程有天壤之別。除此之外,《絕地救援》還在許多地方都展示了真正的科學方法,值得討論。

先來點科普知識吧!其實《絕地救援》也非完美,火星上的氣壓極低,只有地球的百分之一而已,相當於地球上空 35 公里,所以太空人才要穿上太空裝,從太空裝提供氧氣,這也是太空裝的頭盔玻璃破了、裡頭氣體就拚命往外衝的原因。要不是瓦特尼被天線刺傷時,血液和天線封住了大空裝的破洞,他絕對活不了多久,那就沒戲唱了!但就因為氣壓很低,所以影片中出現的風暴很不實際──那麼稀薄的空氣所產生的風,不太可能有那樣強的破壞力。我們姑且就把這個當作是為了劇情所需的犧牲吧!

另外,火星的土壤可能含鐵太高,不見得加了糞便就適合種植植物,光線也是個問題,加上糞便沒發酵過,植物恐怕無法有效利用……那些馬鈴薯不會長得太好吧?另外,火星的引力只接近地球的四成,所以除了在戶外要穿厚重的太空裝,在室內的活動應該更輕鬆才對。

九月底《絕地救援》上映前,NASA 就很故意地發出新聞稿,說火星有水。這就有趣啦,原來瓦特尼只要去打水就好了,不需要太費周張去合成,實驗過程還被炸飛──其實 NASA 對《絕地救援》的拍攝提供了大力的幫助,甚至專門製作了網站「The Real Martians」,順便宣傳 NASA 的火星計畫:在 2030 年把人送上火星!

2015 年 9 月 28 日,NASA 宣布在火星上發現液態水。根據火星勘測軌道飛行器配備的光譜儀獲得的數據,科學家在火星的神秘斜坡上發現了水合礦物。有暗色條紋表明火星地表隨時間變化有流水存在。在較溫暖的季節,線條的顏色變得更深,顯示水流在斜坡上出現,在較冷的季節,地表特徵變淺。

不過,縱然火星有水,可能也是含鹽的水,加上火星的水大多鎖在永久凍土和極冠等冰凍圈(Cryosphere),不太可能直接灌溉植物,單憑瓦特尼一己之力,也不容易取得夠多的量,但農作物的生長需要不少水分,所以瓦特尼用合成的方法,其實是很實際又可靠的──只要他找到不把自己炸飛的方法。瓦特尼合成水的方法,其實是 NASA 研究出來的,所以知識真的是力量,同學們要專心上課啊~

科學知識是會變的,因為科學一直在進步。所以,一部科技驚悚小說或電影,只要盡力呈現當時已知的知識,就是很盡責了;更重要的是,科學的進步,是一個怎麼樣的過程呢?《絕地救援》正好提供了很好的討論材料。很高興,雖然不是紀綠片,但《絕地救援》還是最大程度地呈現了科學知識以及科學研究的過程,而且充滿娛樂效果和戲劇張力,與《侏羅紀世界》(Jurrasic World)編導的白爛相比,真是天壤之別!

《絕地救援》非常正確健康地揭示:科學家常常必須以團隊的方式合作!除了少數領域,科學家極少單打獨鬥地進行研究,更甭提解決重大困難。他們要有阿宅在背後提供科學理論的支援,還有收集和分析數據,也要有長袖善舞者應付媒體作公關,有體能、毅力過人者親自到前線去探險,雖然有人嫌配角人數太多,可是實際的狀況是,電影中出現的所有配角,在這個大型協作的複雜營救任務中,一個也不能少!

《星際效應》就沒有呈現團隊合作的精神,因為電影中的科學家,似乎就只有一個老教授和長大後的女主角而已,不過《星際效應》中最大的科學問題屬於理論物理,所以這情況倒也無可厚非。然而,在《絕地救援》中可以清楚地看到各領域專家貢獻其所長,在地球上用團隊的力量為瓦特尼解決許多關鍵問題,讓他能順利到達 「戰神四號」(Ares IV)基地,並且升空和他的隊友們會合。

除了 NASA 位於林頓·詹森太空中心的科學家,加州帕薩迪那噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的科學家也一起加入,合作試探營救的各種可能方案。JPL 由加州理工學院管理,負責為 NASA 開發和管理無人太空探測任務。JPL 是火箭迷的聖地,許多科技上的創新在那裡產生,讓人類能夠到外太空去探索。

JPL 有個英文名字和我同姓的華裔科學家 Bruce Ng,在他的領導下,科學家們日夜辛勤工作設計製造各種器具,這個突發狀況讓他們必須面對許多工程難題。我最愛看「國家地理」或「DISCOVERY」頻道關於工程的節目,這些節目不會一味空洞地宣揚科學家或工程師有多了不起,而是告訴我們,科學家或工程師常常面對計畫趕不上變化的狀況,他們如何一步步用團隊的力量,應用知識和智慧,突破解決一個又一個的難題。《絕地救援》很忠實地呈現科學家或工程師絞盡腦汁拚命解決難題的過程,而且他們還會慘遭失敗,不管是在地球,還是火星上。

其中一位非裔年輕科學家,凌晨在辦公室被喚醒時突然有了靈感,經過電腦模擬的驗證,這個初生之犢跑到休斯頓去跟長官提議,雖然過程頗為耍寶,可是長官們研究之後發現,他的提案雖然有風險,但最為可行!他們沒有因為他的年輕或魯莽而否決提案,雖然因為政治因素,必須讓一位主管扛起責任。

很有趣的,中國的國家航天局也參與了火星營救任務,他們如果見死不救,老美也未必知道,但他們還是選擇公開機密火箭,提供 NASA 必要的協助。加入中國因素,雖是好萊塢電影近來的趨勢,但原著小說《火星任務》其實就有這個橋段,不是電影刻意加入的。

事實上,我認為這是《火星任務》和《絕地救援》的一個亮點──面對人類開拓未知的領域,我們應該放棄政治成見,攜手合作!科學知識和理論是全人類的共同財產,不分種族國界,我們只有一個地球,要為後代子孫創造更有利的環境,文明社會間除了良性競爭,也該有積極的合作,因為我們為未來創造知識或物質的財富的過程,可以是非零和遊戲,跨國合作,是人類未來的希望。

人類對未知領域的探索需要大型團隊的合作,實際探險的科學家也會以團隊的方式進行,《火星任務》用不煽情且穩重的方式歌頌同袍同澤的情誼,友情和義氣,也成了改編電影《絕地救援》的大賣點!能夠在開疆拓土時互助,是我們人類這個靈長類物種,能夠從非洲草原擴散到全球各大洲的支柱力之一。

《絕地救援》電影毫不沉悶,以充滿戲劇張力的方式呈現,觀看《絕地救援》 時除了優異的科效和劇情,還能同時能享受到知識及科學上知性的感動!這是繼 2013 年的《地心引力》和 2014 年的《星際效應》後,好萊塢電影的影迷、科幻迷、科青、科宅絕對不容錯過的好片!

看了電影,更想要了解火星的話,有幾本科普好書可以參考:國家地理的《前進火星:尋找人類文明的下一個棲息地》Mission to Mars: My Vision for Space Exploration)和《火星零距離 好奇號任務全紀錄:人類史上最偉大的探險故事》(Mars Up Close: Inside the Curiosity Mission),以及以文筆幽默詼諧聞名的瑪莉‧羅曲(Mary Roach)的《打包去火星:NASA 太空人瘋狂實境秀》(Packing for Mars: the Curious Science of Life in the Void!還有以下幾篇科普好文:

本文原刊登於【閱讀‧最前線】,並同步刊登The Sky of Gene

 

文章難易度
Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋


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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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