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第一顆台灣自主研發的衛星「福衛五號」要啟程了,你對他,以及造他的人了解多少?

彭 琬馨
・2016/03/30 ・2545字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 458 ・五年級

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Taiwan No.1~~! 如果你是太空迷,你應該已經知道,第一顆完全由台灣自行研發的遙測衛星,預計六月在美國發射;如果你還不知道,翻翻台灣衛星發展歷史,從 1999 年第一顆衛星(福衛一號)升空至今,將近二十年時間,國家實驗研究院太空中心才算是真正自製一顆衛星,不需要完全向國外採購衛星本體和重要元件,你就會了解這個消息對台灣太空界來說,意義非凡。

但衛星到底可以做什麼?特別對台灣來說,我們需要花那麼多錢做嗎?

記得 2009 年八月來襲的莫拉克颱風吧!短短幾天,台灣就有 681 人死亡,它造成近五十年來,台灣最嚴重的水災(沒有之一)。豐沛雨量引起土石流,位在高雄甲仙的小林村,一夕之間幾乎全遭洪水掩埋,當時國家太空中心提供關鍵的災區空拍影像,讓救難隊第一時間進行災情分析,加快救災與重建工程進度,背後功臣就是已經升空十多年、「人瑞級」的福衛二號遙測衛星。

2009年莫拉克颱風,福衛二號拍攝小林村災前(小圖)和災後(大圖)的改變。圖/太空中心提供
2009年莫拉克颱風,福衛二號拍攝小林村災前(小圖)和災後(大圖)的改變。圖/太空中心提供

原先預定執行五年就要退役的福衛二號,已經「超時」服役 11 年多,可以說是用到夠本,但終究要汰舊換新,後續任務就將由六月升空的福衛五號接手。

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自主研發光學遙測酬載

「這是二十幾年來,我們第一次自己負責全部設計。」福衛五號計畫主持人張和本,跟我們談起第一顆全由台灣自主研發的遙測衛星,語氣興奮。

過去台灣擁有的衛星,零件大多購自國外,卻常因為無法取得關鍵零組件延誤發射時程。這次國家太空中心花費八年左右規劃,從衛星的規格設計、到內部軟體開發通通自己來,在沒有相關經驗的情況下土法煉鋼,光是一開始衛星規格的設計就耗費三年。張和本以「全新的挑戰」形容這次經驗,過程中辛酸血淚,就跟很多男生都有的當兵經驗一樣,如今想起來在心中也是甜。(大概啦)

差一點行嗎?科學家的艱困挑戰 太空中固定超大型鏡面

遙測衛星就像是太空中的超大型數位相機,繞地球的同時幫忙紀錄地表影像變化,福衛五號每隔一天的早上 10 20 分經過台灣,能提供黑白影像(兩公尺)、彩色影像(四公尺)的照片,相較於福衛二號解析度提高不少,舉凡國土規劃、環境監測、災害評估都是衛星影像能應用的範圍。其中「光學酬載」就是福衛五號影像成形中最重要的部分,主要由「遙測取像儀」、「聚焦面組合件」與「電子單元」等三個次系統所組成。

遙測取像儀好比一顆大型的太空級望遠鏡頭,包含一個主鏡與一個次鏡,其中主鏡片直徑長達 45 公分,是國內製造最大的非球面鏡片。你可以想像,要把這麼大一個鏡片固定在 720 公里的外太空拍照,鏡面還要在火箭發射時加速度最大值達到 25G 的情況下不變形,足夠讓研究團隊搔破頭皮。最後,太空中心利用一種特殊的機械角鍊(isostatic mount, ISM)配合特殊膠合技術,才成功讓變形量下降到 10 奈米以下,大約是人類頭髮的萬分之一。(這過程之後有機會再詳細介紹)

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福衛五號在太空中心廠房內。圖/太空中心提供
福衛五號在太空中心廠房內。圖/太空中心提供

 

量身訂做金縷衣  保證衛星零失誤

除了要確保衛星不會在發射過程因為震動損壞,太空中極大的溫度落差(最高攝氏 120 度、最低負 120 度)也是衛星運轉要克服的主要環境因素。想像自己白天在非洲大草原上揮汗如雨、太陽下山後卻要適應北極零下的嚴寒氣候……好吧,根本無法想像。總之,鐵打的金屬可能都會因溫差過大而故障。為了確保儀器在太空中能確實執行任務,太空中心替福衛五號量身打造金光閃閃的「多層熱絕緣體」,用來隔熱與保暖。

每個衛星在送上太空之前,都會經過光學、震動、電磁干擾、熱真空艙等一系列的測試,確保衛星在運送升空過程,不會因為劇烈震動、噪音溫差等問題罷工。「我們會附上一個保證書,不是保固喔!保固只是說壞了我們會負責修,保證書是保證它不會壞掉。」太空中心整合測試組組長陳維鈞對福衛五號的測試品質毫不猶疑(真希望我的手機廠商也能這樣)。

福衛五號進行震動測試。圖/太空中心提供
福衛五號進行震動測試。圖/太空中心提供
福衛五號熱真空測試。圖/太空中心提供
福衛五號熱真空測試。圖/太空中心提供

難以計數的投入 成就一個福衛五號

斥資 36.64 億(其中 20 億為火箭發射成本)打造的福衛五號,從數字看來超級昂貴,但負責品管的陳維鈞形容,站在大家面前的成果,只是研發團隊心血結晶的冰山一角,一般人或許只看到這顆重達 525 公斤、高 2.8 公尺的衛星,不清楚要撐起這樣一個衛星,背後需要投注多大的研究心力,不只軟硬體開發、相關配備也要一併到位。「我們希望用五號證明給世界看,台灣真的可以自己把衛星做出來!」福衛五號從無到有,張和本就像是她的爸爸一樣。

福衛五號太空中心團隊合照。圖/太空中心提供
福衛五號太空中心團隊合照。圖/太空中心提供

說到這裡,你可能會想,能自己做衛星又如何?畢竟如果跟國外買省時又省事,何樂而不為?

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「如果有人把美國 NASA 開發出來的科技應用,標示在民生用品上的話,你會發現,其實很多產品都跟太空研究脫不了關係。」張和本說。

我們都知道,雖然不直接為了產業而研發,但因為要克服太空任務的極端挑戰而征服的技術與創意高峰,時常能回過頭來在地球上派上用場。但這種不確定性高的前瞻投資在台灣似乎很難被認同。身為計畫主持人,張和本不方便多說,但依舊感嘆,台灣有很多優秀的研究人員,技術研發不輸給外國,假設國家對太空科技有更長遠的規劃,或許衛星研發可以不用再等下一個十年。

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彭 琬馨
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一路都念一類組,沒什麼理科頭腦,但喜歡問為什麼,喜歡默默觀察人,對生活中的事物窮追不捨。相信只要努力就會變好,相信科學是為了人而存在。 在這個記者被大多數人看不起的年代,努力做個對得起自己的記者。

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E10 低碳汽油:台灣減碳新契機,為何我們應該接受?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/01/17 ・3468字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與美國穀物協會合作,泛科學企劃執行。

台灣將在 2040 年禁售燃油車。但別急,現在路上開的舊有車款不會馬上報廢消失,因為舊有的車輛會繼續開到年限結束。根據計算,當禁售燃油車的那一天來臨時,還有大約 60% 的車輛是燃油車。這時,在多數交通工具還是燃油的情況下,美國、歐盟等國已經開始使用酒精燃料來減少碳排放,那麼,台灣也能做到嗎?

你聽過 E3、E10 汽油嗎?

這是指在汽油中加入酒精,E3 代表有 3% 的汽油被酒精取代,而 E10 則是 10% 的汽油換成酒精。酒精是一種抗爆震性能更好的燃料,且比化石燃料更環保,因為它可以來自生質燃料,碳排放也較低。即便算上運輸和加工的碳足跡,用玉米製造的乙醇仍比傳統汽油的碳排放低了 43%。其實,在美國、歐洲、澳洲等地,E10 或更高比例的酒精汽油早已廣泛使用,這在我們之前的影片中也有提過。

現在,台灣有 14 間加油站可以加到 E3 汽油,而中油也正積極促使相關部門開放 E10 汽油的銷售。

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不過,在推動這項改變之前,仍有許多民眾對酒精汽油有疑慮。大家最關心的問題是,把不是汽油的燃料放到引擎中,到底會不會對車輛引擎造成不良影響?例如會不會影響引擎運行,甚至影響里程數?
其實,換燃料確實會對引擎有影響,因為不同燃料燃燒後所產生的能量與副產物都不一樣。但別擔心,根據我們之前的討論,2011 年以後生產的所有汽車,還有大部分 1990 年代後期生產的汽機車,都能直接相容 E10 汽油。換句話說,除了少數舊車或特殊車型,約 95% 的汽機車都不需要擔心這個相容性問題。

2011 年以後生產的所有汽車,還有大部分 1990 年代後期生產的汽機車,都能直接相容 E10 汽油。圖 / 美國穀物協會提供

E10 汽油在效能上的表現,會不會受到影響?

學過化學的人都知道,燃燒其實是一種氧化反應,可以用化學式表達。也就是只要汽缸的大小是固定的,就能算出空氣中能參與氧化反應的氧氣分子有多少,進而推算出每次汽缸燃燒時,應該搭配多少的燃料。

當引擎運作時,汽缸內的氧氣分子會與燃料反應,產生動力。為了最佳化效能,引擎的噴油嘴會精準控制每次的進油量,確保空氣和燃料的比例,稱為「空燃比」。接著調整噴油嘴的設定,讓出油量符合我們的需求。

每當空氣成分改變,燃料量或燃料的種類更換時,空燃比就會產生變化。在燃料相對空氣來說比較多時,我們通常稱為「富油」;相反的,如果燃料相比空氣來的少,就稱為「貧油」。如果我們把汽油換成百分之百的酒精,因為酒精每單位體積所需要的氧氣比較少,而且熱值比較低,因此會產生貧油現象,推力感受起來自然也會比較低。

要解決這個問題,方法其實不難,只要增加燃料量即可。而巴西早已證明,使用 E100 汽油是可行的。巴西近 50 年來推動 E85、E100 燃料車輛,並展示了彈性燃料引擎的優勢。

而巴西早已證明,使用 E100 汽油是可行的。巴西近 50 年來推動 E85、E100 燃料車輛,並展示了彈性燃料引擎的優勢。圖/美國穀物協會

這類交通工具被稱為彈性燃料引擎,顧名思義,能很彈性的使用汽油、E100 酒精汽油、或是任何比例的甲醇、乙醇、汽油的混合物。彈性燃料引擎跟一般引擎最大的差別,就是內建了「燃料成分感測器」。能透過判斷燃料的種類與比例,調整噴油嘴的出油量設定以及點火正時,讓引擎的輸出動力維持在最佳狀態,確保引擎效能不受影響。

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所謂的點火正時,指的是火星塞點火的時機。不同的燃料,化學反應的速度與膨脹的體積不同,當然會對應不同的點火時機。

但是 E100 其實也不是純酒精?

大家都知道,蒸餾酒需要經過多次反覆蒸餾,為什麼不能只蒸餾一次就好呢?原因在於,酒精與水的沸點雖然不同,但它們不完全互斥,會產生交互作用。在蒸餾過程中,即使酒精的沸點較低,水仍然會在加熱的過程中,隨著酒精部分蒸發進入容器中。

事實上,當酒精濃度達到 95.63% 時,不論再怎麼蒸餾,濃度也不會再上升。這是因為當酒精濃度接近這個比例時,酒精與水的沸點非常接近,這種現象稱為「共沸」,意思是酒精和水的混合物會一起沸騰,無法再進一步蒸餾分離。

共沸現象的結果,就是為什麼市面上銷售的藥用酒精,濃度最高都是 95%,而非 100%。因為更高濃度就必須使用脫水劑等方式處理,成本會提高,或是因為有添加物而不符合藥用標準。所以當然,E100 汽油裡面,實際上使用的也是濃度 95% 的酒精,而不是 100%。

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E100 汽油裡面,實際上使用的也是濃度 95% 的酒精,而不是 100%。 圖 / 美國穀物協會提供

解決迷思:酒精汽油是否容易因吸收水分,而產生油水分離?

事實上,酒精和水是高度互溶的,這使得高比例的酒精在汽油中有更高的水分耐受性。簡單來說,進入油箱的水氣,會溶在酒精汽油中而不會產生油水分離。

根據美國國家可再生能源實驗室的研究,即使在高溫高濕的極端環境下,E10 酒精汽油也需要經過三個月才會出現明顯的油水分離。而三個月也是一般汽油建議最長的保存時間,因為汽油放太久就會氧化。

也就是說,酒精與水混和物的特性,不是把酒精和水的相加除以二那麼簡單,它們的交互作用更加複雜。

一篇刊登在《國際能源研究期刊》的研究指出,在可變壓縮比引擎中的實驗結果,加入酒精後,引擎的功率會逐漸升高,在 E10 酒精時為最佳比例效果。

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當然,實際情況和實驗室當然不能直接類比。大多數汽車和機車並未專門為酒精汽油做調整,那這樣會有多大影響呢?根據英國政府的官方結論,直接使用 E10 汽油與一般汽油相比,每公升的里程數大約會降低 1%,但在日常駕駛中,這個差異幾乎不會被察覺。實際上,載貨量和駕駛習慣對油耗的影響,遠遠大於是否使用 E10 汽油的影響。

更好的一點是,酒精其實是一種常見的工業用品,以每美國為例,在過去一年中,酒精的離岸價格實際上都比汽油還低,因此不用擔心酒精會讓油價變貴。

此外,經過調校的引擎也不必擔心推力問題。事實上,F1 賽車從 2022 年開始使用 E10 作為燃料,納斯卡賽車更早在 2011 年就採用了 E15 燃料,運行上沒有太大問題。

F1 賽車從 2022 年開始使用 E10 作為燃料,納斯卡賽車更早在 2011 年就採用了 E15 燃料,運行上沒有太大問題。圖/unsplash

最重要的是,使用 E10 燃料的好處明顯更多。由於酒精和烷類燃料的分子式不一樣,酒精分子式中多了一個氧原子,這使得燃燒過程中反應會更完全,能夠產生更多二氧化碳而非有毒的一氧化碳,同時降低一氧化氮和二氧化氮等氮氧化物的產生。

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最關鍵的一點,酒精與化石燃料相比,能夠更快速地幫助減碳。只要確保使用永續農法、不與糧食競爭土地的前提下,所製造的玉米乙醇,碳排量就是比化石燃料還要低。

E10 低碳汽油是填補減碳缺口的最快方案,挑戰只在接受度

英國引入 E10 後,每年減碳 75 萬噸,相當於減少 35 萬輛汽車的碳排量。而台灣呢?目前根據政策規劃,台灣 2040 年起將新售的汽機車全面電動化。依照這個目標進程,在 2025 年將達成減碳 288.6 萬噸的目標。然而,這距離運輸部門須減少 487 萬噸碳排量目標,還差 198 萬噸。

如果燃油車全面改用 E10 低碳汽油,則能減碳 202 萬噸,幾乎能完全彌補缺口。這項方案的優勢在於,E10 與一般汽油性質相近,不需更換新的引擎設計或架設特規加油站,執行門檻低。

實際上,目前推動低碳汽油最大的瓶頸,大概就是民眾對於這個新燃料的接受度了吧!如果接受度提升,購買量上升,成本也有機會進一步再下降。

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解密離岸風電政策環評:從審查標準到執行成效,一次看懂
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/21 ・3546字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文由 環境部 委託,泛科學企劃執行。 

政策環評是什麼,跟一般環評差在哪?

隨著公共建設的規模越來越大,傳統的環境影響評估(EIA),難以應對當今層層疊疊的環境議題。當我們評估一項重大政策時,只看「單一開發案」已經不夠,就像評估一棵樹,卻忽略了整片森林。因此,政策環境影響評估(SEA)應運而生,它看樹,也看森林,從政策的角度進行更全面的考量與評估。

與只專注於「單一開發案」的個案環評不同,政策環評更像是一場全面性的檢視,強調兩個核心重點:「整合評估」與「儘早評估」。簡單來說,這不再是逐案評估的模式,而是要求政府在制定政策時,就先全面分析可能帶來的影響,從單一行為的侷限中跳脫,轉而聚焦在整體影響的視角。無論是環境的整體變化,還是多項行為累計起來的長期影響,政策環評的目的就是讓這些潛在問題能儘早浮現、儘早解決。

除此之外,政策環評還像是一個大型的協商平台,以永續發展為最高指導原則,公開整合來自不同利益團體、民眾與各機關的意見。這裡,決策單位不再只是單純的「評分者」,而是轉為「協調者」或「仲裁者」,協調各方的意見看法在這裡得到整合,讓過程更具包容性。

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政策環評並沒有所謂的「否決權」,而是側重意見的蒐集與整合,讓行政機關在政策推動時,能更全面地掌握各方意見。政策環評旨在建立系統化、彈性的決策評估程序(包含量化、特徵化等評估方式),也廣納社會面或民眾滿意度等影響因子,把正式與非正式的作法一併考量進去。再來,決策程序中能層層檢討、隨時修正,也建立了追蹤機制和成效評估標準(如環境殘餘效應、累積效應等),透過學習來強化決策品質與嚴謹度。就像一場球賽,隨時根據變化、調整策略。

這樣的制度設計,就非常適合離岸風電這類規模大、跨區域、影響層面廣泛的能源政策評估,讓我們可以在政策推動初期就想到整個工程對環境、產業發展與社會的諸多影響,也為後續政策執行奠定更穩固的基礎。

政策環評並沒有否決權,而是重在整合各方意見、量化影響以及建立追蹤與修正機制,這樣的制度設計便適用於離岸風電等大型政策評估。圖/envato

離岸風電為何需要的是政策環評?

離岸風電是能源轉型的重要策略之一,但這不是只在某塊空地上架幾個風車,而是要在廣闊的大海中進行大規模建設,牽涉的不僅是發電,還涉及海洋保育、航空交通、水下文化資產等議題,更與當地漁民的權益息息相關。

這樣的大型離岸風電工程,因海洋環境的風險和不確定性極高,很容易讓人擔心生態影響。如何在海洋生態保護和綠能發展之間找到平衡點?這就需要政策環評的把關,從多方檢視這些複雜的挑戰,確保政策推行既能穩妥,又能達成發電目標。

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2016 年 3 月,經濟部自願提出「離岸風電區塊開發政策評估說明書」,是臺灣首次針對再生能源政策所進行的政策環評。根據這份評估說明書,政府將採分期公告、逐年檢討的方式,每三年開放 0.5~1 百萬瓩(GW)的電量額度鼓勵業者投入開發。當時環保署(現為環境部)歷經九個月召開 2 次意見徵詢會議,蒐集環評委員、專家學者、相關機關、民眾等意見,最終於同年 12 月的環評委員會作出徵詢意見。這些協商和檢討的過程,讓政策「名正言順」,得以充分顧及各方利益與生態平衡。

共通性環境議題與因應對策

在「離岸風電區塊開發政策評估說明書」中,環評會議盤點了開發過程中共通的環境議題。

首先,對於海洋生態保育的重點,特別是對中華白海豚的保護。環評會要求風機基座必須距離白海豚棲地1公里以上,以減少對其生態的干擾。實際上,這項規範在後續的實務執行中更為嚴格,例如,福海二期示範風場已退縮到 2.5 公里外,臺電二期風場甚至退到 4.2 公里外,顯示政策環評確實發揮了實質作用。此外,針對施工期間的聲音干擾,要求施工需有 30 分鐘以上的打樁緩啟動時間,並限制聲量不得超過 180 分貝等。

針對鳥類保育,政策環評也訂立了具體規範。其中,包括風機之間必須留設 500 公尺以上的鳥類穿行廊道,並在施工期間避開每年 11 月至隔年 3 月的候鳥過境期。同時,為確保這些措施確實生效,工程方也被要求設置「鳥類活動監測系統」,持續追蹤、評估風場對鳥類的影響。

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此外,環評會也確立了「先遠後近」的開發原則,要求優先開發較單純的航道外側區塊,待累積足夠經驗及相關資料後,再進行近岸區域的開發。這項原則考量了近海生態系的複雜性,也顧到養殖漁業的漁民權益,展現出政策環評在平衡發展需求與環境保護上的價值。

新一代的審查機制:達成能源轉型及環境保護雙贏

為提升環評效率並確保審查品質,環境部參考過去離岸風電審查經驗,制定「風力發電離岸系統開發行為環境影響評估初審作業要點」,建立了全新的二階段審查機制。

環境部推動二階段審查機制,提升離岸風電環評效率與審查品質。圖/envato

這套新機制分為兩個階段。第一階段,就像「初步檢查」,由環境部依照檢核表進行初審,並由環評審查委員會執行秘書邀集 2-5 位環評委員進行初審,通過第一階段初審之業者,可取得經濟部遴選資格,其初審結果有效期為兩年,必要時可申請展延一年。接著進入「第二階段」,開發單位檢附目的事業主管機關核配的容量證明文件等資料,提供更詳細的環境影響說明書以進行實質審查。

檢核表明確規範了 15 大項審查事項、112 項檢核項目,涵蓋開發案的全生命週期。

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工程面,包含風機及海上變電站基礎設置、海域電纜路線規劃、陸域設施工程等硬體設施的規範。其中,風機基礎設置必須避開海岸保護區、河口、潮間帶等環境敏感區域,且須進行地震危害度分析。海域電纜部分,除特殊情形外,埋設深度至少須達 1.5 公尺,且不得跨越中華電信海底電纜 1 公里的範圍。

環境保護上,檢核表則對施工噪音管制訂立了明確標準。舉例來說,打樁期間警戒區 750 公尺範圍內的水下噪音不得超過 160 分貝,且必須全程採用最佳噪音防制工法。同時,每個開發案或聯席審查的風場,同一時間內只能進行一支基樁施作,而日落前一小時到日出前也不得啟動新的打樁作業。

環境監測計畫更是檢核表中的重點,分為「施工前、施工期間、營運期間」三階段,每個階段都規定了詳細的監測要求(包括海域底質監測、水下噪音監測、鯨豚目視監測等)。以鯨豚監測為例,每年需執行20趟次,四季中每季至少執行 2 趟次。此外,所有監測數據都必須上傳至環境部「環保專案成果倉儲系統」(https://epaw.moenv.gov.tw/)供各界查閱。

這套標準化的審查機制不僅解決了「同一風場可能有多家廠商重複調查或審查」的資源浪費,也透過明確的檢核項目,讓開發單位在規劃階段就能掌握更具體的環境保護要求。不僅如此,該機制亦確保了環境保護標準前後一致,避免不同案件之間標準不一。

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結語

透過新的審查機制,環境部正積極推動再生能源開發案的環評審查作業,在提升行政效率之餘,也確保環境影響評估的品質,支持臺灣的離岸風電開發及國家能源轉型政策,也做好把關。藉由標準化檢核表和二階段審查制度,期待能在推動能源轉型的同時落實環境保護。

為確保制度能持續精進,環境部每半年至一年會進行制度檢討,並持續公開所有環評書件於「環評書件查詢系統」(https://eiadoc.moenv.gov.tw/eiaweb/)。此外,環評會議召開前一週,也必須在指定網站公布開會訊息,讓民眾能申請列席旁聽或發表意見。透明化措施一方面展現了政府推動永續發展的決心,另一方面也確保全民能共同參與監督離岸風電的發展過程。未來,這套制度將在各界的檢視與建議中持續完善,為臺灣的永續發展貢獻心力,發揮環評作業的最大效益。

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精準預測氣象的「掩星技術」,讓你知道颱風放不放假!
科技大觀園_96
・2021/11/16 ・2380字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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新颱風生成後,大家最關心的就是颱風的路徑、帶來的風雨大不大,以及——到底放不放颱風假?要能預測和評估颱風的走向影響,可靠的氣象觀測資料是不可或缺的。這就不得不提,在我們頭頂上認真執行觀測任務的人造衛星,以及它們身懷測知氣象變化的絕技!

每次颱風來襲,大家都關心會不會放颱風假。圖/pixabay

貢獻全球氣象資料,福爾摩沙衛星功不可沒

過去福爾摩沙衛星三號(福三)執勤十年,為全世界多個氣象中心與研究單位提供無以計數的資料,可謂台灣在國際氣象上的外交大使,於減少天氣預報誤差的貢獻度上,更曾被評為全球前五。福三榮退後,接棒的福爾摩沙衛星七號(福七)也在今年二月完成任務軌道的全部部署。福三和福七都不只有一枚衛星,而是由各 6 枚衛星組成的衛星星系(constellation)。每一枚衛星就像在不同位置巡守、收集氣象情報並互相通報的將士,使得觀測範圍可以覆蓋地球各個區域,提供即時而完整的三維觀測數據。

福衛七號結構示意圖。圖/國家太空中心

但福七與行經南北極的「繞極衛星」福三不同的是,它在南北緯 50 度間軌道繞行,主攻台灣、赤道與中低緯度颱風盛行區的觀測。因此福七可以提供密集度更高、更多的溫度、壓力、水氣等氣象資料。國家太空中心推估,它可提升氣象預報準度 10% ——以颱風為例,可以讓 72 小時的路徑誤差改善 10%,協助我們更精準地評估氣象變化與預防災害。

每日可提供 4000 點大氣垂直剖線資料、大幅提升全球氣象預報準確度的福七,究竟是怎麽辦到的?答案就是掩星技術 (Radio Occultation) 。

掩星技術,讓衛星成為太空中最精準的溫度計!

在天文學上,「掩星」指的是一個天體,在另一個天體與觀測者之間通過,產生的遮蔽現象。但英文中的「Occultation」,也可以指前景中的物體,阻擋遮蔽背景中任何物體的情形。而所謂的「掩星技術」,就是利用電磁波訊號在經過大氣層時,會因穿透不同溫度、壓力或濕度的空氣層,被「遮蔽」而產生轉向、變慢、減弱等的特性,來反演出地球上空之溫度、氣壓和濕度。

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衛星與衛星之間,本來因為地球的阻隔看不到彼此,但可以接受來自彼此的電磁波訊號。福七的主要酬載儀器——全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」(TGRS),可以接受美國全球定位系統(GPS) 和俄羅斯全球導航衛星系統(GLONASS)全球定位衛星通過大氣與電離層的折射訊號。接著,通過計算電波訊號的偏折程度,就可以反演出大氣與電離層中的溫度、水氣、壓力、電子密度等數據。

掩星技術在 1995 年才開始投入應用,而從 2006 年的福三,到如今福七計劃中積累的研究經驗,使台灣成為這項新穎技術領域的佼佼者。掩星技術所得到的資料具備高準確度和解析度,也擁有不需要大量接收訊號的衛星,就可以得到大範圍數據、降低成本的優勢,不僅可以用作氣象預報,更能幫助我們監控和增進對氣候變遷的瞭解。

衛星加上同位素的助攻,可以使天氣預報更精準

另一方面,除了改善觀測一般氣象資料如溫度、濕度、大氣壓力等參數的準確度,在氣象觀測中新增測定不一樣的參數——如大氣水分子的同位素,也可以讓我們的天氣預報更精準!

過去礙於資料的取得有限,同位素分析在氣象觀測與預報中常被忽略。但近年來人造衛星技術的發展,為氣象科學推開新的一扇窗。來自歐洲太空總署、搭載光譜分析儀的衛星 IASI ( Infrared Atmospheric Sounding Interferometer ),讓東京大學的研究團隊,可以利用其所搜集到的大氣水氣資訊,在氣象預報的模型中,第一次嘗試納入同位素資訊的考量來做分析。

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我們都知道,擁有相同質子數、不同中子數的氫與氧元素之同位素,會讓個別水分子的重量變得更重或輕一些。水分子同位素對氣相和液相轉換相當敏感,與一般的水分子 H2O 相比,較重的水分子如 H2HO 或H218O 會更傾向於凝結成水珠,或更難蒸發。因此蒸發與降雨過程等大氣運動,便會影響不同同位素水氣分子的分佈。追蹤它們的行跡,能增進我們對氣象系統的瞭解。

研究團隊以 2013 年在日本發生的低壓事件作為參照,發現納入同位素的數據之後,氣象模型能更好地模擬這次事件的整體氣壓情形。而在全球的尺度,尤其是中緯度及北半球地區,融合同位素資訊後,氣象預報如氣溫及濕度預測的準確度,也都有所提高。雖然這只是初步的探究,但科學家期許,未來進一步完善氣象觀測衛星對同位素資料的收集,能使人類更往精準氣象預測的目標邁進。

人造衛星就像是科學家的千里眼,能觀測千里之外的風雲變化。發展衛星技術,不僅能讓我們更精準預測氣象,在全球化的現代,也能在國際上發揮「Taiwan Can Help」及互助的精神;各國對航太技術的投入與數據資源共享,更是科研工作與人類社會的一大福音。

福爾摩沙衛星拍攝的美麗福爾摩沙島。圖/國家太空中心

參考文獻

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科技大觀園_96
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第一顆台灣自主研發的衛星「福衛五號」要啟程了,你對他,以及造他的人了解多少?
彭 琬馨
・2016/03/30 ・2545字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 458 ・五年級

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Taiwan No.1~~! 如果你是太空迷,你應該已經知道,第一顆完全由台灣自行研發的遙測衛星,預計六月在美國發射;如果你還不知道,翻翻台灣衛星發展歷史,從 1999 年第一顆衛星(福衛一號)升空至今,將近二十年時間,國家實驗研究院太空中心才算是真正自製一顆衛星,不需要完全向國外採購衛星本體和重要元件,你就會了解這個消息對台灣太空界來說,意義非凡。

但衛星到底可以做什麼?特別對台灣來說,我們需要花那麼多錢做嗎?

記得 2009 年八月來襲的莫拉克颱風吧!短短幾天,台灣就有 681 人死亡,它造成近五十年來,台灣最嚴重的水災(沒有之一)。豐沛雨量引起土石流,位在高雄甲仙的小林村,一夕之間幾乎全遭洪水掩埋,當時國家太空中心提供關鍵的災區空拍影像,讓救難隊第一時間進行災情分析,加快救災與重建工程進度,背後功臣就是已經升空十多年、「人瑞級」的福衛二號遙測衛星。

2009年莫拉克颱風,福衛二號拍攝小林村災前(小圖)和災後(大圖)的改變。圖/太空中心提供
2009年莫拉克颱風,福衛二號拍攝小林村災前(小圖)和災後(大圖)的改變。圖/太空中心提供

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原先預定執行五年就要退役的福衛二號,已經「超時」服役 11 年多,可以說是用到夠本,但終究要汰舊換新,後續任務就將由六月升空的福衛五號接手。

自主研發光學遙測酬載

「這是二十幾年來,我們第一次自己負責全部設計。」福衛五號計畫主持人張和本,跟我們談起第一顆全由台灣自主研發的遙測衛星,語氣興奮。

過去台灣擁有的衛星,零件大多購自國外,卻常因為無法取得關鍵零組件延誤發射時程。這次國家太空中心花費八年左右規劃,從衛星的規格設計、到內部軟體開發通通自己來,在沒有相關經驗的情況下土法煉鋼,光是一開始衛星規格的設計就耗費三年。張和本以「全新的挑戰」形容這次經驗,過程中辛酸血淚,就跟很多男生都有的當兵經驗一樣,如今想起來在心中也是甜。(大概啦)

差一點行嗎?科學家的艱困挑戰 太空中固定超大型鏡面

遙測衛星就像是太空中的超大型數位相機,繞地球的同時幫忙紀錄地表影像變化,福衛五號每隔一天的早上 10 20 分經過台灣,能提供黑白影像(兩公尺)、彩色影像(四公尺)的照片,相較於福衛二號解析度提高不少,舉凡國土規劃、環境監測、災害評估都是衛星影像能應用的範圍。其中「光學酬載」就是福衛五號影像成形中最重要的部分,主要由「遙測取像儀」、「聚焦面組合件」與「電子單元」等三個次系統所組成。

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遙測取像儀好比一顆大型的太空級望遠鏡頭,包含一個主鏡與一個次鏡,其中主鏡片直徑長達 45 公分,是國內製造最大的非球面鏡片。你可以想像,要把這麼大一個鏡片固定在 720 公里的外太空拍照,鏡面還要在火箭發射時加速度最大值達到 25G 的情況下不變形,足夠讓研究團隊搔破頭皮。最後,太空中心利用一種特殊的機械角鍊(isostatic mount, ISM)配合特殊膠合技術,才成功讓變形量下降到 10 奈米以下,大約是人類頭髮的萬分之一。(這過程之後有機會再詳細介紹)

福衛五號在太空中心廠房內。圖/太空中心提供
福衛五號在太空中心廠房內。圖/太空中心提供

 

量身訂做金縷衣  保證衛星零失誤

除了要確保衛星不會在發射過程因為震動損壞,太空中極大的溫度落差(最高攝氏 120 度、最低負 120 度)也是衛星運轉要克服的主要環境因素。想像自己白天在非洲大草原上揮汗如雨、太陽下山後卻要適應北極零下的嚴寒氣候……好吧,根本無法想像。總之,鐵打的金屬可能都會因溫差過大而故障。為了確保儀器在太空中能確實執行任務,太空中心替福衛五號量身打造金光閃閃的「多層熱絕緣體」,用來隔熱與保暖。

每個衛星在送上太空之前,都會經過光學、震動、電磁干擾、熱真空艙等一系列的測試,確保衛星在運送升空過程,不會因為劇烈震動、噪音溫差等問題罷工。「我們會附上一個保證書,不是保固喔!保固只是說壞了我們會負責修,保證書是保證它不會壞掉。」太空中心整合測試組組長陳維鈞對福衛五號的測試品質毫不猶疑(真希望我的手機廠商也能這樣)。

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福衛五號進行震動測試。圖/太空中心提供
福衛五號進行震動測試。圖/太空中心提供

福衛五號熱真空測試。圖/太空中心提供
福衛五號熱真空測試。圖/太空中心提供

難以計數的投入 成就一個福衛五號

斥資 36.64 億(其中 20 億為火箭發射成本)打造的福衛五號,從數字看來超級昂貴,但負責品管的陳維鈞形容,站在大家面前的成果,只是研發團隊心血結晶的冰山一角,一般人或許只看到這顆重達 525 公斤、高 2.8 公尺的衛星,不清楚要撐起這樣一個衛星,背後需要投注多大的研究心力,不只軟硬體開發、相關配備也要一併到位。「我們希望用五號證明給世界看,台灣真的可以自己把衛星做出來!」福衛五號從無到有,張和本就像是她的爸爸一樣。

福衛五號太空中心團隊合照。圖/太空中心提供
福衛五號太空中心團隊合照。圖/太空中心提供

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說到這裡,你可能會想,能自己做衛星又如何?畢竟如果跟國外買省時又省事,何樂而不為?

「如果有人把美國 NASA 開發出來的科技應用,標示在民生用品上的話,你會發現,其實很多產品都跟太空研究脫不了關係。」張和本說。

我們都知道,雖然不直接為了產業而研發,但因為要克服太空任務的極端挑戰而征服的技術與創意高峰,時常能回過頭來在地球上派上用場。但這種不確定性高的前瞻投資在台灣似乎很難被認同。身為計畫主持人,張和本不方便多說,但依舊感嘆,台灣有很多優秀的研究人員,技術研發不輸給外國,假設國家對太空科技有更長遠的規劃,或許衛星研發可以不用再等下一個十年。

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彭 琬馨
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一路都念一類組,沒什麼理科頭腦,但喜歡問為什麼,喜歡默默觀察人,對生活中的事物窮追不捨。相信只要努力就會變好,相信科學是為了人而存在。 在這個記者被大多數人看不起的年代,努力做個對得起自己的記者。