2016 十月號
標頭

第131期電子報  出刊日期:1051017


科學新文摘

 

水星逆行又來了,膩不膩啊?

水星逆行,諸事不宜
地鐵過站,電腦當機

「水逆」是個最近太常出現的占星/天文術語,用於解釋生活中的種種不順遂異常好用,小至公車過站忘了帶錢,大至戀人吵架電腦當機老闆抓狂大小症頭都適用,有病治病沒病強身(?)。在嚷嚷著「都是水逆的錯」之前,讓我們先來了解一下什麼是水星逆行。

「逆行」之前,先有「順行」

不管是星星月亮還是太陽,或者是等等要另外介紹的八大行星們,天體在空中移動的軌跡,主要是地球的自轉與公轉造成。地球以日為周期的自轉,造成了我們在地表看到天體(如月亮)固定東升西落的運行;而地球繞著太陽公轉的周期為一年,公轉加自轉的變化讓星星會比前一晚提早約四分鐘出現,四季出現的星座也因此而有變化。

但有一小群星體偏偏和其他的星座移動有所不同,這些星體不像其他星星(在整個天球中的相對)位置固定,古代的希臘人已經觀察到它們的位置會有些當時無法解釋的變化,他們將這些星體稱為「漫遊者」(asteres planetai)。「漫遊者」包括了當時的人們可以用肉眼認出的水星、金星、火星、木星、土星這五個較為明亮的天體,也就是我們後來所說的行星(planet)。現代行星的定義其實是相當近期才確立下來的[註],但為了行文順暢,接下來不管年代還是使用行星稱之。

如何知道一個行星的位置變化?就跟我們看動畫片一樣,其實是依據主角旁邊的背景往哪個方向移動。每天記錄行星的軌跡,就會發現這些行星與天空其他星星的相對位置,多數時候會由西向東移動,也就是所謂的「順行」;但在某些時候,這些行星與其他星星的相對位置會改變,讓我們看起來它換成由東向西移動,也就是我們所說的「逆行」。

retrogrademars_tezel_big在地球上觀察火星逆行的軌跡。圖/NASA
Apparent_retrograde_motion_of_Mars_in_2003從地球上觀察火星在2003年的逆行運動。圖/由Eugene Alvin Villar (seav) , CC 3.0, wikimedia commons.

「逆行」是怎麼發生的呢?

行星的逆行在以地心說為唯一解釋的年代,非常難以解釋。

當時托勒密的天文學模型之所以加上很複雜的「周轉圓」系統來解釋行星的移動,主要就是由於恆星逆行的現象。雖然對於我們來說,周轉圓系統真的很不直覺,但在當時卻已某種程度上為這樣的現象做了描述。

915px-Cassini_apparent周轉圓系統雖然在我們現代看來很不直覺,卻有一定的解釋能力了。圖/wikimedia commons

中學階段我們學過哥白尼的日心說以及克普勒的行星三大定律,不記得也沒關係,總之講到太陽系的行星軌道,大家應該可以很自然地想到以下圖片:

640px-Solar_sys8

想像行星在軌道上移動,加上克普勒的行星定律告訴我們的,內圈會走得比外圈快。畫面有沒有很像一群人在操場上跑步?只是圈子很大、人很少、移動速度很快;當內圈的人超過外圈的人時,由於視角的變化緣故,不管是哪方在超車的前後時刻都會有個「錯覺」,認為對方正在與自己並肩跑步、甚至向後跑;即使實際上從客觀的角度來判斷時所有人都向同個方向移動。

320px-Retrograde_Motion.bjb.svg

藍色為地球,紅色為火星,兩者以逆時針方向繞著軌道運行,當在較內圈的地球超越了火星的過程,在地球的我們會短暫看到類似火星「倒退跑」的錯覺。圖/By Brian Brondel – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

所謂的「逆行」就是內圈的星球超車外圈的星球:水星、金星超過地球,或是地球超過火星、木星,在這段「超車」的時間裡出現短暫的視差角改變。從地球的視角,原本向東移動的星球會先停下來,逆行一小段時間,之後當超車的星球完全超過,移動視角又恢復為順行。

不只發生在水星的逆行

有沒有注意到,我們在談「逆行」時,這件事情不只會發生在水星?水星平均每隔 94 天逆行 22 天(每年基本上會有 3 ~ 4 次水逆);火星每隔 25.6 個月逆行 72 天,木星每隔 13.1 個月逆行 121 天,土星每隔 12.4 個月逆行 138 天。行星逆行的頻率其實蠻高的,而且實際上逆行也不只發生會在行星,太陽系內的其他天體包括彗星、小行星等都有機會發生逆行的情況,所以想請假以茲避難的同胞們恐怕要失望了。

古代的中國人有個占星用語稱為「熒惑守心」,就是火星(熒惑)逆行停留在天蠍座主星心宿二附近,由於這兩顆星體都是紅色的,接近在一起常被古人視為極端不祥徵兆,會引起戰爭、皇帝死掉,是個奪朝竄位的良好時機。熒惑守心是個實在太好用的不祥之兆,因此中國史上有記載的往往都是假的。

星星不會逆著走,但人的生活總是有起起伏伏有賺有賠,有時候這些起伏無關努力與否、聰明與否,甚至難以解釋。這大概就是「水星逆行」可以帶來的撫慰吧!因為不管現在是如何的不順遂,我們總是可以預期接下來總有一天,水星會恢復為順行。

  • 註:現行的行星科學定義是由國際天文聯合會直到 2006 年才提出,過程中也充滿爭議。

文章來源網址: http://pansci.asia/archives/104973

 
 

活動訊息_圖示

航向颱風之眼:飛機觀測追風計畫

文/黃椿喜|中央氣象局氣象預報中心課長。

2003 年 9 月 1 日起,臺灣啟動了飛機觀測颱風的追風計畫,改裝過的 ASTRA 噴射客機航向杜鵑颱風 42000 英呎上的高空翱翔,數小時的任務內拋投了 14 顆投落送觀測,颱風內部資料透過衛星傳送到了氣象局的預報中心,預報員自螢幕上終於見到了真實的颱風結構,也終於我們每年都驕傲的見證西北太平洋上唯一經常性觀測之飛機,巡航在颱風上空不斷蒐集著關鍵的資料⋯⋯。

從二戰航向近代的飛機觀測

以飛機觀測熱帶氣旋的紀錄始於 1943 年。二次世界大戰期間,美國空軍中校達克沃斯(Joseph P. Duckworth)首先於 1943 年 7 月 27 日駕駛 AT-3 單引擎教練飛機穿越墨西哥灣附近的颶風中心,後安全返回基地,創下歷史上首次以飛機偵查並穿越颶風的紀錄。重大天然災害經常使政府投入資源進行研究,1954 年美國遭受到非常嚴重的颶風侵襲,颶風卡羅爾(Carol)、愛得納(Edna)及黑茲爾(Hazel)先後橫掃美國東部各州,導致將近 200 人死亡以及難以計數的損失。很不幸的,接下來的 1955 年災害並沒有因此緩和,北卡羅萊納州再度遭受 3 個颶風侵襲。美國國會於是決心撥款補助美國氣象局進行國家級的颶風研究專案計畫,從 1956 開始進行常態性的颶風飛行作業,這是世界上最早的官方例行性飛機觀測熱帶氣旋的作業。剛開始由於儀器限制、資料紀錄、處理方法及傳輸技術尚不成熟,造成分析上的困難,但經過數十年的改良及進步,加上投落送與機載雷達系統的應用,整體研究有非常大的進步。

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漢翔航空之 ASTRA 噴射機及追風計畫登機人員。 圖/中央氣象局提供

1960 年代起,美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)與國防部開始企圖以人工改造熱帶氣旋結構,進而改變其路徑,降低其對美國的影響。於是他們在 70 年代中期 NOAA 添購 2 架 WP-3D(P3)偵察機支援熱帶氣旋改造計畫,在此同時也針對熱帶氣旋發展之動力過程及其結構進行科學研究,並持續監測熱帶氣旋之生成、移動及強度作為其防災應變之參考。由於人工改造熱帶氣旋計劃評估之效果有限,且具政治上的敏感性,這個計畫最終在 1983 年停止,之後的觀測任務就更專注在熱帶氣旋的結構與環境的交互作用,以提高颱風路徑及強度之預報能力為主要目標。

60 年代人造衛星升空運作是氣象觀測史上的里程碑,其後衛星觀測很快就涵蓋了整個地球。飛機觀測熱帶氣旋生成、位置及強度之監測功能也逐漸被衛星所取代,尤其是德沃夏克(Dvorak)在 1980 年代利用衛星觀測資料與飛機觀測數據比較後,發展衛星估計熱帶氣旋強度及位置方法,直到現在仍是各國估計颱風強度的基本方法。美國海軍也因此自 1987 年起正式停止西北太平洋的颱風飛機觀測計畫,但影響美國本土的東太平洋及大西洋的飛機觀測計畫則仍持續至今。

美軍在西太平洋的觀測任務停止以後,我國對監測及預報只能依賴衛星、少數的島嶼、船舶或雷達等有限的資料,對於颱風內部的結構特徵、強度演變等則缺乏精密的實測數據,常造成過大的誤差及預報之不確定性。尤其因為我國位於西北太平洋的颱風移動的主要路徑,每年平均受3 至4 個颱風侵襲,因此衝擊相當大。1990 年以後,颱風持續威脅臺灣,楊希(1990)、奈特(1991)、道格(1994)、賀伯(1996)、溫妮(1997)、瑞伯(1998)、碧利斯(2000)、桃芝(2001)、納莉(2001)等颱風陸續造成重大的傷亡,學界及氣象局於是更積極推動加強颱風之監測,並致力於改善其預報能力。終於在 2002 起國科會決定以經費支持,於是臺灣大學吳俊傑、林博雄教授以及時任氣象局預報中心葉天降主任(現為氣象局副局長)得以規劃重新啟動西北太平洋地區的飛機觀測計畫,並在 2003年第一次執行了杜鵑颱風的任務,這是自 1987 年美軍停止作業以來,再度有飛機在西北太平洋例行性的觀測颱風。

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圖/科學月刊提供

現代飛機觀測常用的機型:低空穿越飛行(通常是螺旋槳機型改裝)之 NOAA P-3、AFC-130、NRL P-3,以及高空偵察飛行(通常是小型噴射客機改裝)之 G-IV、NASA DC-8、DLR Falcon、Canadian Convair、NASA ER-2 及臺灣的 ASTRA。

歷史上的特殊事件

在超過 70 年飛機觀測熱帶氣旋的歷史上,美國海、空軍曾經發生過 6 次失事事件,機上總共有 53 人全數罹難,失事事件都發生於早期 1945 至 1974 年間,主要是當時對颱風的認識不足,且舊型飛機性能較差所導致。這些事件有3件發生在西北太平洋,2事件在南海,另有1 事件是在大西洋。

有一個藉颱風觀測失事隱藏真實原因的特別的案例,這是發生在二戰後的美蘇冷戰期間。1956 年 9 月 10 日,美國空軍宣稱其 RB-50G 型超級堡壘轟炸機飛到日本海觀測艾瑪颱風時失事,而實際上這架飛機並非是「狩獵颱風」的機型,且失事當時並沒有颱風影響該地區。

近代另一個重要的事件則是發生於 1989年 9月 15日,當時 NOAA  派了 2 架 WP-3D 飛機針對胡古(Hugo)颶風同步進行高、低層之穿越飛行研究,一架飛約在 5~6 公里高度,另一架則飛在 450 公尺高度。當低空飛機以 450 公尺的高度穿越胡古颶風的眼牆時,遭遇劇烈亂流襲擊而導致一具引擎故障,加上事先沒預測到胡古颶風快速增強至 938 hPa 的過程,因此進入颶風眼時僅剩下 270 公尺高度,飛行員瞬間意識到飛機幾乎要被波濤洶湧且狂風怒號的危險海面所吞噬,周圍甚至還到處有旺盛的積雲風暴。好不容易在恢復控制後,飛行員才緩慢沿著颱風眼內風雨較小處逐漸盤旋而提升高度,上升達到 2200 公尺後才由颶風東北側較弱的眼牆對流區域突破,進而安全飛出颶風中心返回基地。

8-12n點擊看大圖。圖/科學月刊提供

追風常用的機型及搭載的觀測儀器

一般來說,飛機觀測通常可以分為2 類,一種是飛在中低對流層約 3~5 公里的高度,直接進入颱風眼區的穿越飛行,例如 P3、C130 等。另外一種則是飛在對流層頂約 13 公里高度,針對颱風周圍環境的偵察飛行,如美國的 Gulfstream IV-SP 或追風計畫使用的 Astra 噴射機。另外,近年來也常使用無人飛機進行偵查,如臺灣地區以研究為目的使用的小型遙控飛機 aerosonde,或美國最新的大型無人飛機全球之鷹(Global Hawk)系列。

1. 低空穿越飛行
用以穿越飛行的機型通常是螺旋槳機型的大型飛機改裝,目前美國進行穿越飛行的主力機型為 WP-3 及 C130J。這類的飛機通常搭配先進的都卜勒機載雷達,可對颱風的風場及降雨進行掃描。一般來說,單一顆都卜勒雷達只能掃描相對於雷達接近或遠離的風,如果有 2 顆都卜勒雷達就可以得到颱風完整的水平風場。但要同時出動 2 架飛機的機率不高,而如果颱風在短時間的變化不大,就可以利用同一架飛機在 2 個時間、不同位置的雷達掃描模擬 2 顆雷達進而估算水平風場。為了這樣的效果,這些飛機通常以 X 字型、4 字型或蝴蝶型的飛行路徑穿越颱風中心數次,一般會飛在 700hPa(約 3 公里),同時搭配投落送等儀器進行觀測。

2. 高空偵察飛行
現代常用來偵查颱風的通常是小型噴射機,例如美國的灣流(Gulf Stream)、臺灣漢翔航空的 ASTRA、德國的 Falcon 等,這類飛機機體較小,穩定度也較低,因此不適合直接穿越颱風中心。所以一般飛在颱風上空約 40000 英尺(約 12 公里)高度,對颱風暴風圈或環境場進行偵察飛行,以拋投投落送取得垂直的溫、濕度及風場結構。

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2003 ~ 2015 年飛機觀測之颱風路徑,圖上數字為 2003 年起算之觀測任務編號及當時的颱風中心位置。圖/文化大學周昆炫教授提供

3. GPS 投落送(GPS Dropsonde):
飛機投落送的結構如上圖,由筒狀紙捲包覆,裡面搭載拖曳降落傘、溫溼度感測器、氣壓感應器、電池、GPS 接收器、天線及無線傳輸器。而專門進行觀測的飛機須經特殊改裝並通過飛航認證的投落送拋投裝置,機上人員以每 10~20 分鐘間距投擲投落送。投落送離開飛機後會張開自動降落傘,由飛行高度逐漸降落到海表面,期間每秒會收集一次大氣的溫度、濕度。機上有天線接收投落送訊號,依據 GPS 及氣壓知道投落送的位置、降落速度和風速,機上的觀測員則以國際標準資料格式進行資料解碼並重新編碼,再透過衛星電話傳輸到地面接收站。

西北太平洋的飛機觀測

西北太平洋地區自 1987 年美軍停止飛機觀測颱風以後,中間有 17 年的觀測空窗期。之後才由國科會(現改組為科技部)在 2002 年同意支應「追風計畫」的研究經費。歷經1 年多的準備及測試,漢翔航空的 ASTRA 噴射機終於在 2003 年 9 月 1 日 12 時 30 分準時起飛至杜鵑颱風上空成功投擲 14 顆投落送觀測資料,並將資料即時傳輸到氣象局預報中心使用,這是西北太平洋自美軍停止颱風飛機觀測以來,再度見到飛機經常性航向颱風上空蒐集資料。這些資料創造了非常豐碩的科學研究成果外,也支援氣象預報作業使用,是氣象局預報作業上的重點觀測計畫。

由於飛行時機通常在颱風轉向或警報發布前後,因此這些資料常是預報的重要參考。例如 2015 年 8 月的蘇迪勒颱風就是依據 8 月6 日的連續 2 次觀測而將暴風半徑由 250 公里 2 度擴大至 300 公里,扮演預報的重要關鍵,並間接降低了難以預期的災難。目前追風計畫已經連續執行了 13 年,仍是西北太平洋上唯一常態性作業的飛機觀測計畫。期間總共針對 60 個颱風,執行 76 航次,並成功投擲超過 1000 個投落送觀測資料。另一方面,這些觀測資料也會進入超級電腦的分析系統,整合最新的地面、高空、衛星、雷達等多種觀測資料,再針對颱風優化後產生精準的大氣初始狀態,最後以數值天氣預報模式進行積分而計算未來天氣的變化。依據氣象局內部評估結果,採用飛機觀測資料後可以改善颱風路徑預報 5~7% 的誤差。與此同時,觀測資料也會即時送到美國的氣象資料接收系統,並傳送給世界各國的氣象單位,進一步改善各國數值天氣預報的模式,氣象局也會共享這些產品以進行最新的颱風預報。

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2015 年蘇迪勒颱風之衛星雲圖、颱風路徑、飛機觀測之飛行路徑及 925 hPa (約 1 公里高度)之觀測風場。圖/中央氣象局提供

跨國聯合實驗計畫

追風計畫執行期間,曾有 2 場很重要的聯合觀測計畫。第一次是 2008 年 8、9 月期間的亞太區域大型聯合觀測實驗計畫。此次聯合臺灣、美國、日本、德國、南韓、中國大陸等科學家共同參與,也是首次同時使用 4架飛機的聯合觀測實驗,包括我國的 ASTRA、美國的 C-130 和 P-3、以及日德合作的 Falcon。T-PARC 主要想解決西北太平洋颱風從生成過程、強度發展、結構演變、路徑轉折到溫帶變性及消散的科學與預報議題,而進行颱風生命期的完整觀測資料蒐集,改善颱風可預報度問題。期間總共對如麗、辛樂克、哈格比與薔蜜等 4 個颱風進行聯合觀測,尤其對辛樂克和薔蜜颱風更是蒐集到後續溫帶變性過程的完整生命期資料。

另一個重要的國際聯合觀測任務則是 2010 年 8 至 10月的颱風與海洋交互作用觀測實驗(ITOP),這個任務主要的議題包括海洋與大氣的交互作用、海洋冷暖渦漩對颱風強度的影響、颱風引起的海沫和波浪變化等,相較於 T-PARC 實驗更多了海洋影響颱風的探討。這次除 ASTRA 和 C-130 針對大氣部分的觀測外,另有大量錨定浮標佈署量測海洋的駐要參數,並搭配海洋研究船舶蒐集洋面資料。ITOP 實驗期間總共對凡那比和梅姬兩個颱風執行聯合觀測任務。

本文選自《科學月刊》2016 年 4 月號

文章來源網址:http://pansci.asia/archives/105494


活動訊息_圖示

主  題:2016物理學史研習會
時間地點:臺北場2016年10月22日,地點:東吳大學
     高雄場2016年10月29日,地點:高雄中學
主  題:天文學與物理學的關係
議程下載:https://goo.gl/yCqexZ
報名網址:http://goo.gl/hE3PpR

主  題:科學史講座
日  期:105年10月25日(星期二)14:00~17:10
講  師:洪萬生教授、張海潮 教授
地  點:國立臺灣大學思亮館國際會議廳
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2068373

主  題:玩snap circuit 學電子電路
講  師:戴明鳳教授(國立清華大學物理系)
場次資訊:北區10/18 13:30 松山高中,課程代碼:2067373
     中區11/03 13:30 臺中一中,課程代碼:2067996
     南區10/20 09:00 高雄中學,課程代碼:2067412
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名

主  題:雷達的故事
日  期:105年11月15日(星期二)14:00~17:10
講  師:嚴宏洋教授、趙丰教授
地  點:國立臺灣大學思亮館國際會議廳
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2084679

 
科學活動及演講_圖示

主  題:核能的美麗與哀愁
日  期:2016/10/16 10:00~12:00
講  師:台電/龍門核能發電廠(核四廠) 王伯輝 前廠長
活動網址:http://freesci.tw:8090/scholarmatch/page.activityshow.action?id=79

主  題:心理與心靈研究:談幾位諾貝爾得主的不同取向
講  師:黃榮村 教授
日  期:2016/10/21 星期五14:00 至 15:30
地  點:國立自然科學博物館科學中心地下樓演講廳
報名網址:http://www.nmns.edu.tw/ch/education/about/speech/

主   題:科普一傳十
報名時間:2016/10/18-10/21
活動網址:http://case.ntu.edu.tw/sciactivity/etrans-2016nobel/
直播網址:https://www.youtube.com/channel/UCZKccoQ-ASAmYqsEHFrDaNg/live

主  題:科學教育傳播新途徑國際研討會
日  期:2016年12月2-3日
地  點:國立臺灣科學教育館
活動網址:http://www.ntsec.gov.tw/User/Article.aspx?a=3192&theme=1

 

 
 

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