「我有沒有搞錯？」的科學探究態度── 以平流層臭氧議題為例
文／吳育雅
前言
1930年代，通用汽車公司的化工科學家湯瑪斯.米基利（Thomas Midgley Jr.）發明了氟氯碳化物（以下稱 CFCs)。那是一種無毒、不易燃、製造成本低，俗稱「佛利昂」的神奇化合物，好到令人難以置信。它很快就被廣泛應用在各種產業中。到了1970年代，全球CFCs年產量已高達數十萬噸。被如此大規模應用的低化學活性物質，不會有人想去檢視它有什麼問題。
實用的工業產品發展迅速而且應用廣泛，容易成為人類依賴不疑的物質。那麼人們怎會知道CFCs可威脅高層臭氧的存在？臭氧層位於離地十餘公里的高空，遠在我們生活的對流層之上，非常不容易進行全面調查。1972年洛夫洛克（James Lovelock）提出「CFCs無所不在」的報告，羅蘭（Sherwood Rowland）與莫利納（Mario Molina）因此懷疑CFCs可能對臭氧層造成威脅，從而促使《蒙特婁議定書》於1987年誕生。在短短十五年之內，國際達成共識，約定由逐漸淘汰到全面禁用CFCs，臭氧層因而得以不被破壞殆盡。這是科學挽救地球環境，使它免於災難的成功典範。
科學家探究這個議題的過程並非一帆風順，而是摻雜許多質疑與反覆驗證，呈現的正是科學研究的態度與求真的精神。
本文主要陳述從1970年洛夫洛克尋思天空陰霾的成因，因而開始測量CFCs。他所發表的報告引起羅蘭關注，這位深諳氟化物性質的專家對CFCs的結局感到好奇。他的博士後研究生莫利納也有興趣探討穩定的CFCs最終會變成什麼？1974年，羅蘭和莫利納提出：每年增加10%的CFCs最終會上升到高層， 一旦CFCs的鍵結在平流層被紫外線打斷而釋放出氯，將可迅速破壞高空的臭氧。他們知道CFCs對地球環境造成嚴重的危害，論文發表之後，更積極地召開記者會，並全力參與各種市議會、州立法聽證會...等，強力呼籲禁用CFCs。然而這個議題要如何舉證讓全球接受並關注呢？更大的阻力是他們的主張引起業界很大的反彈，業界反制裁羅蘭。羅蘭奮戰十年，尋找各種方法和數據來檢驗並證實，卻屢遭業界抨擊，而且學術界也爭議不斷。一直到英國團隊在南極看到臭氧濃度陡降，督促美國國家航空與太空總署（NASA）重新分析臭氧的圖像並公諸於世，幾張南極上空出現巨大臭氧洞的衛星影像讓世界真正看出人類面臨的威脅，NASA緊急成立臭氧趨勢小組，確認各地臭氧層已遭受破壞，這些科學的進展催促國際合作，及時挽救了臭氧層。
以下由四段科學家的發現與檢驗證據的實例，來闡述科學研究反覆驗證與詳細檢視的發展流程。
一、 從陰霾的天空發現CFCs組成無所不在
1970 年，洛夫洛克看著家鄉陰霾的天空，他首先想到：會不會是人為的污染物造成天空的不清澈？他發明的電子捕捉偵測器（ECD，electron capture detector )可以偵測大氣極度稀薄的組成（圖１）。洛夫洛克想到，倘若測出空氣夾帶人造的CFCs，即可確認汙染物是由人類排放的。他使用ECD來測量空氣中微量的CCl 3 F（屬於CFCs的一種成分）。起初他假設風向若偏東，會把歐洲的工業廢氣與夾帶都會區人為污染物質的空氣帶至英國南方；而風向偏西代表空氣來自遼闊的大西洋海面，人為排放的污染物濃度會較低。他盡可能每天記錄風向，並搭配地圖上可見的最遠凸起地形景像來估算距離，能看見越遠的地標，代表大氣的能見度越佳。圖2是他在英國威爾特郡鮑爾查爾克（Bowerchalke, Wiltshire, UK）的觀測紀錄手稿之一（在地圖與照片中以紅色英文字母標示）。
圖1.洛夫洛克（James Lovelock, 1919~2022)手持他自創的電子捕捉偵測。
圖2.洛夫洛克在自家(Bowerchalke)觀測風向與能見度的原始手稿，以地形突出點(A~D)作為距離指標。
洛夫洛克也在英格蘭南端的阿德里戈爾（Adrigole）觀測。1971年夏天，出現連續兩天風向大幅改變且大氣混濁，他發表了觀測結果（圖3）。從這次紀錄可以看出大氣能見度（ x 標示視線可見距離，以哩為單位）與CCl 3 F濃度（以紅色小方塊標示單位ppt）相關。確實在7/7夜間到7/8正午能見度最低的時段， CCl 3 F濃度維持最高值。不過CCl 3 F濃度在西風出現後段開始上揚，持續到東風出現數小時後才降低。即便考量大氣中的空氣分子需要時間擴散，濃度改變與風向不完全同步發生的結果，與他最初假設大氣的濁度是來自歐洲內陸的空氣並不完全符合。或許這些人為排放的氣體與風向關係不大，也不是僅在天空陰霾時出現？
圖3.洛夫洛克1971年夏在Adrigole紀錄的能見度（哩）、風向（方位角）與CCl3F濃度（兆分之一）的關係（Lovelock ,1972)
他開始注意天氣晴朗的情形，發現晴日大氣中也有一定含量的CCl 3 F，因而猜想CCl 3 F是否無所不在？1971年底，洛夫洛克有機會搭乘從英國前往南極的研究船。他緊緊緊把握這個機會，從北大西洋到南大西洋航程中一路測量空氣樣本。在他分析的所有樣本中，都檢測到了 CCl 3 F的存在（圖4）。
圖4.洛夫洛克1971/72 年從英格蘭到南極的航程中觀測到空氣中 CCl3F 濃度的緯度分佈（Lovelock ,1973)
洛夫洛克測得的CCl 3 F的濃度，愛爾蘭南端（圖3）介於70~170 ppt（千億分之一，parts per trillions），遼闊的北大西洋海面上約40~80 ppt，南大西洋到南極附近也有40~50 ppt（圖4）。CFCs 在1950年上市，到了1970年代，用來作為化妝品噴霧、清潔劑與殺蟲劑的CFCs產品達數十億罐。因為相關產品普遍，也讓CFCs無處不在，不論南、北半球的大氣中均可偵測到。
洛夫洛克擅長設計微量氣體組成的色層分析儀器，他所發明的電子捕捉偵測器（ECD）輕巧靈敏，攜帶方便。由於他對大氣污染物質好奇，持久觀察並隨時紀錄發表，人類才知道全球到處都有稀薄的CFCs。然而在當時，CFCs是工業應用極盛的成功產品，作為製冷劑和許多氣溶膠噴霧產品的推進劑是一種近乎理想的組成，大家都很依賴它。洛夫洛克並未察覺CFCs會帶來什麼威脅，他想到CFCs的長期穩定，在大氣中可持久不變，或許可以成為科學家追蹤大氣氣團來源的彰顯劑，於是在1972年一場大氣科學家與化學家參與的原子能研討會（AEC)上提出報告。
莫利納-羅蘭 臭氧耗損假說
羅蘭（Sherwood Rowland）是加州爾灣大學的化學系教授，對於氟碳（CF）化學鍵了解深入。1970年，他卸下化學系主任的職位，開始關注環境議題。他出席了1972年佛羅里達的這場原子能研討會 ，洛夫洛克的報告引起他的注意，圖5便是他聽洛夫洛克那場演講的筆記手稿。他知道CCl 3 F這些物質在大氣中生命期很長，但更讓他好奇的問題是：我們對於CCl 3 F的物理化學行為認識夠清楚嗎？它們被釋放到大氣層後，可以預測其命運嗎？
圖5.羅蘭（Sherwood Rowland）
參加1972年研討會對洛夫洛克報告做的筆記手稿
(National Academy of Sciences ,2022)
羅蘭的專業背景與直覺，他知道某些物質在低層大氣中很穩定，既不會溶解，也不易被其他物質分解，但是他也知道CFCs不可能在大氣中永遠保持惰性。羅蘭想知道CFCs最終會如何在大氣中消失。 1973年來到加州羅蘭教授研究室的博士後研究員莫利納（Mario Molina），在羅蘭提出的幾個合作研究主題中，選擇用他自己最新的雷射實驗經驗和羅蘭的經驗，參與CFCs問題的探究（圖6）。
圖6.莫利納（右 ）加入羅蘭（左）有關CFCs結局的探究，一頭栽進了大氣化學的新領域(National Academy of Sciences ,2022)
他們想到，當人們使用噴霧罐時，CFCs被釋放到大氣中。在大氣底層地表長波輻射低能量的環境裡，可能什麼事也不會發生。但也因為CFCs的穩定性，經過一次次的噴霧飛揚後，它們將有機會進入大氣的高層。由實驗得知，一旦CFCs吸收短於220奈米的紫外線，便會分解。如果這些CFCs飄到25-30公里以上的高空，就有機會遭遇紫外線短波；也就是說，這種接收紫外光後分解的場景最可能在平流層發生。到了平流層，大氣CCl3F被紫外線分解，釋出了Cl原子。讓人警覺的是，那裡正好有臭氧。這些氯原子在30公里高空和臭氧相遇，會發生什麼事？Cl原子會去破壞臭氧！
Cl + O3 → ClO + O2 （1)
ClO + O →Cl + O2. （2)
_______________________
淨反應: O3 + O → 2 O2
羅蘭和莫利納計算CFCs在大氣平流層的垂直剖面，發現一旦升高到20-30公里高空，CFCs便會迅速分解。原本CCl3F生命期為40-55年，CCl2F生命期為75-150年，一旦到了高層，分解過程變得非常迅速，可能只剩幾個禮拜。
更嚴重的是，CFCs一旦釋放出氯原子，每個氯原子破壞臭氧之後，會重新獲得自由再釋回大氣，繼續不斷參與臭氧分子破壞。由於這種連鎖反應，單個氯原子竟然能夠破壞多達 100,000 個臭氧分子（圖7）。羅蘭和莫利納計算出這個結果，想到工業正在大規模使用CFCs和氧化氮，其嚴重性讓他們驚慌了。當天傍晚羅蘭回到家，他太太照例問：「親愛的，今天研究進行得如何？」他回應： 「嗯，很順利。」隨後補上一句：「但我認為，這看起來像是世界末日。」
圖7. CCL3F 在高層大氣被紫外線分解，釋出氯（Cl）原子，可以一再破壞臭氧，重複十萬回合 。(undsci.berkeley.edu)
羅蘭和莫利納明白，不能僅從化學背景推論大氣高層的反應。他們自知對於大氣系統所知有限，必須與大氣科學界合作討論。他們先去請教柏克萊大學的大氣化學專家詹森（Harold Johnston）。詹森曾指出，波音客機釋出的氧化氮會破壞臭氧層。諮詢大氣專家之後，羅蘭和莫利納也得知，就在幾個月前，科學家在太空梭尾部排氣中，發現氯和臭氧會交互作用。經過更仔細考量，並確認計算過程沒有錯誤，羅蘭和莫利納1974年便在自然《Nature》期刊發表關於該主題的第一篇論文〈莫利納—羅蘭假說〉（Molina-Rowland Hypothesis），指出一旦CFCs上升到平流層被強烈紫外線轟擊，一個氮原子被切斷而釋出後，可以吸收超過十萬個臭氧分子。更令人不安的是，這個氯原子可以在平流層存活超過一世紀。CFCs很可能會導致全球臭氧虧損，對人類造成難以想像的環境威脅。
緊接在論文發表後，無懼於對抗年產值數十億美元的大企業，羅蘭和莫利納又舉辦新聞發布會，公布他們的計算結果，呼籲全面禁止使用氣膠 CFCs。追蹤工業產物CFCs對全球臭氧的耗損以及對環境造成的威脅，這是史上首見的研究。為了解決業界的懷疑，並說服其他科學家和政策制定者接受，羅蘭和莫利納需要實際的大氣證據來測試他們的想法。然而要找證據十分棘手，畢竟高層大氣中的CFCs測量很困難，而且臭氧的濃度原本波動就大，即使觀測到臭氧濃度低，也難以區別究竟是自然波動還是濃度呈現下降趨勢。
〈莫利納－羅蘭假說〉建立在許多子假設之上，「Cl 和臭氧的反應速率」便是其中一項子假設，在他們1974年發表那篇關鍵論文時還沒有證據支持。雖然後來從實驗中得到一些支持的驗證結果，然而真實大氣是相當龐大而複雜的系統，曾有科學家在大氣運算模式加入羅蘭他們提出的CFCs反應，得出CFCs升高到大氣高層需要很長的時間，因此認為莫利納和羅蘭的假說不確定性很高。
到了1975年，終於有零星的支持證據出現。兩組獨立的研究團隊各在氣球上放置對氣壓敏感的真空箱，升空以取得高空空氣標本，分別測量CCl3F在不同高度的分佈情形。結果證實CFCs在大氣底層毫髮無傷，但是到達平流層後，隨著高度的上升，CFCs濃度下降的變化與莫利納—羅蘭的預測吻合。
許多媒體和大眾的關注接踵而至，包括在州立法聽證會、市議會和國會。產業代表極力反對羅蘭，有些同行也表示懷疑，最大的考量是關乎產業規模與龐大的經濟利益。羅蘭的「假說」缺乏更有力的證實，無法說服他們必須立即禁用。受影響的產業甚至開始起來反對，羅蘭因而被批判、被譏笑甚至被貶低。在1975至1985，長達十年期間，羅蘭受業界尖銳攻擊，也不再被化學系邀請去演講。然而羅蘭和莫利納繼續抽絲剝繭，深入細節，進行各種反應的實驗並發表無數的論文，堅定地驗證他們的假說，有時還必須出席科學會議，向激動、敵對的觀眾說明。由於他們探索的是全新領域，而且是化學—大氣跨域研究，對多數化學家而言實在太陌生了！多數科學家搞不清楚發生了什麼事，因為他們還沒準備好踏進這個嶄新的研究地盤。
地球大氣層的臭氧觀測
臭氧層分佈在平流層底部，是保護地球免受危險紫外線輻射之害的關鍵。對平流層臭氧一系列的觀測始於1920年代，而多布森（G.M.B. Dobson）是臭氧觀測的先鋒。他使用自行研發的UV光譜光度計，從1924年開始進行規律而連續的觀測。他仔細比較不同波段的紫外線強度，藉以推算頭頂上空單位截面積的臭氧總含量。多布森起初在牛津觀測臭氧濃度的變化，之後推廣建立全球各地的臭氧觀測，因而了解臭氧分佈與季節、緯度之間的關係。臭氧濃度的單位DU（Dobson Unit）正是紀念他的貢獻。近代大區域的平流層臭氧研究開始於1950年代。連人類最難抵達的南極大陸，也在1957-58年的國際地球物理年間（IGY）設立了哈利灣（Halley Bay）觀測站。因為意識到臭氧的形成（源）與移除（匯）可能不平衡，1978年起更有衛星升空，進行密集覆蓋且日夜不歇的全球觀測。人類於是有了高層臭氧的全球長期觀測史。
南極上空臭氧驟降的紀錄
羅蘭由實驗推論的假說，十一年後被英國南極觀測站證實。
包括英國在內的12 個國家，於1957國際地球物理年，在南極新設了多個觀測站，專門收集極地的氣象數據。在哈利灣（Hally Bay）研究站監測臭氧，那是英國南極調查隊資料收集常規的一小部分工作。
1981年南半球的春季，新的臭氧數值很低，引起了法曼 （Joseph Farman）和他的同事加迪納（B. G.Gardiner）、尚克林（J. D. Shanklin）（圖8）的注意。他們本來打算在開放日活動時，對參觀民眾指出當年的臭氧資料跟二十年前並無二致，好讓大眾安心。不料出現的臭氧數值卻明顯低落。起初他們對這數據抱持懷疑態度，猜想可能是儀器故障。畢竟在南極的嚴寒中，機器很難運作，何況這台特殊的儀器很老舊，自1957年建站以來已經持續使用了二十多年。他們重新調整校對了儀器。到了1982 年，臭氧讀數更加低下，大約達30- 40%幅度。他們因此申請經費，添購新的儀器。1983年啟用了新儀器，可是測得的數值依舊很低。他們翻出歷年的檔案，發現數值降落的趨勢其實早在 1977 年就已經出現（圖9）。
圖8.英國南極哈利站的法曼和他的同事加迪納、尚克林想要拿出臭氧濃度跟二十年前並無二致的資料，好讓大眾安心。(undsci.berkeley.edu)
圖9.洛夫洛克1971/72 年從英格蘭到南極的航程中觀測到空氣中 CCl3F 濃度的緯度分佈。（Lovelock ,1973)
第二年，團隊再前往哈利灣西北 1000 哩的地方進行測量，那裡的臭氧值同樣偏低。當越來越多不可否認的數值出現時，法曼認為是向科學界公佈的時候了。但是上級以羅蘭的境遇為鑒，非常擔心出錯，一度要他們撤消論文發表。1984年11月，內部為此特別召開審查會議。半年之後，他們的文章終於刊登在1985年5月16日的自然《Nature》期刊。文中明確指出：臭氧濃度驟減，經與歷史紀錄比對，並非自然原因造成，可能是由於 CFCs 等物質破壞了臭氧。
1984年，茨城縣日本氣象研究所的科學家忠鉢繁也注意到南極區域的臭氧耗損現象，他和英國隊的法曼一樣有疑慮。因為每個國家擁有的數據分別來自單一的站點，不如NASA衛星收集的數據是全球性的；如果臭氧層真有虧損，NASA應該會發現啊!
NASA的衛星臭氧觀測涵蓋全球，臭氧總量測繪光譜儀（TOMs，Total Ozone Mapping Spectrometer）每日監測高空臭氧。衛星接收的數據非常龐大，為了應對這些如洪水般湧至的數據，節省運算處理所耗費的時間，通常科學家會建立一個數據處理程序，預先刪除那些他們認為不可能出現的數值，也就是過濾所有太低或太高於門檻的測量值。法曼等人的論文發表後，NASA 的科學家重新處理他們的觀測數據。他們在1984年的臭氧層影像中，看見一個巨大的空洞， 一個相當於美國國土大小的臭氧耗竭區域（圖10）。
圖10.1986 年NASA公告的衛星觀測影像資料（TOMs），從1979到1984年十月南極上空的臭氧濃度變化，深藍色代表臭氧濃度 為何南極上的臭氧虧損特別嚴重？
「南極臭氧耗竭」揭露了許多科學問題，也令人十分震驚！工業污染造成臭氧層的破壞，這情形怎會在渺無人煙的南極上空特別嚴重？
於是幾位科學家便著手尋找臭氧洞形成的可能機制，其中最關鍵的人物是大氣化學家蘇珊.所羅門（Susan Solomon）。在模擬大氣化學和空氣運動的數值模式中，所羅門根據她的專業知識，懷疑某種未知化學物質涉及與CFCs 產品的化學作用，造成南極臭氧虧損。所羅門絞盡腦汁，思考模式中可能遺漏的變數。她聯想到發生在南極的不尋常現象，一種在高空出現的冰粒雲──極地平流層雲，也稱為貝母雲（圖11）。她猜想，可能是冰晶提供了一個可以攔截氣體分子發生反應的固態表面。
圖11.罕見的極地平流層雲，會出現珍珠般的光澤，也稱作貝母雲。ozonewatch.gsfc.nasa.gov
所羅門先聯繫羅蘭和莫利納，讓化學家們立即進行實驗操作。莫利納將含氯化學物質吹入有一層冰薄膜的狹窄玻璃管中，反應發生的速度果然比以前想像的要快得多。所羅門的團隊則在南極上空收集觀測資料。她根據莫利納和羅蘭提出的假說，當 CFCs 分解時會產生氯，氯破壞臭氧並產生一氧化氯（ClO）。如果這些反應發生了，可推斷一氧化氯含量高的地方，臭氧含量就會很低，反之亦然（參考第三頁反應式）。他們將測量儀器放置在機翼上，飛過南極臭氧洞周遭，得到了關鍵數據，Bingo! 結果正如原先預測的那樣（圖12）。
圖12.飛越南極臭氧洞周遭觀測，結果顯示一氧化氯含量高的地方，臭氧含量就會很低 undsci.berkeley.edu
極地雲也會出現在北極，然而北極不像南極長期低溫，因此北極的極地平流層雲比較不常見。儘管北極臭氧不像南極那麼嚴重虧損，觀測結果還是如同假設所預測：北極的臭氧一樣有耗損，只是消耗程度比南極低（圖13）。
臭氧濃度低於220多布森單位的範圍定義為臭氧洞（圖14）。 南極臭氧洞出現在南半球春季，尤其是每年九月到十一月，範圍明顯增大。
圖13.北極上空臭氧也是明顯虧損 ozonewatch.gsfc.nasa.gov
圖14.南極上空的臭氧洞，以臭氧濃度低於220DU的範圍 （2004年10月4日影像, gsfc@NASA)
看到南極圈巨大的臭氧洞，也了解臭氧破壞的機制之後，NASA立即召集來自世界各地共150位的科學家，組成「臭氧趨勢小組」。小組重新分析北半球自1969 年起十七年間的地面臭氧數據，發現在北半球臭氧年損率為 1.7~3%。冬季高緯度區臭氧耗損比夏季嚴重（圖十五），與所羅門提出的冰晶固態表面可加速反應速率有關。小組的分析也證實全球高空存在消耗臭氧的氯化合物，CFCs是主要原因。有感於CFCs對全球生命的嚴重威脅，最後國際社會不得不立法禁用它。
圖15.臭氧趨勢小組分析北半球在1969~1986年間各緯度區在年度、冬季與夏季的臭氧虧損比例。 臭氧洞的問題發現與驗證的科學過程
科學研究的第一步，是有個想了解的問題。
洛夫洛克看見天空陰霾，想知道：是否人為排放物污染了大氣？羅蘭瞭解沒有任何物質能在自然界永生不朽，想知道：化學性質穩定的CFCs最終會如何？哈利站的法曼等三位科學家看到紀錄的數值怪異，想知道：臭氧濃度大降是確切的事實，抑或儀器故障了？所羅門想知道：南極上空的臭氧嚴重虧損，是否與平流層固態的冰晶雲有關？
找到問題，可成為重要發現的契機。而持續好奇那個問題的真相，一直追蹤探索下去，就是科學探究的動力。
研究的第二步：需要「科學假說」，而假說是需要檢驗的。
依據過去的知識可以提出合理的預期結果，再列出有什麼可觀察、測量的現象。合乎邏輯的猜測並不意味必定屬實，因此得透過真實觀察，收集證據來檢驗是否吻合預期。這個過程很少一蹴可及。
由觀測而獲得的數據可能存在各種不確定性，也可能完全違背預期，又或許剛得出一個結果卻在其中發現更多問題。舉〈莫利納-羅蘭假說〉中的一個例子來說明。「氯」是破壞臭氧的元凶，莫利納他們需要考慮：高層有什麼化學反應可能拴住氯原子？比方說，硝酸可以和氯結合成無害的硝酸氯。
在他們考慮「硝酸氯能將氯束縛住」這個因素時，查早期文獻得知，1950年代實驗結果顯示硝酸氯存在的時間極短，因為硝酸氯只要有陽光就會分解，會很快又讓氯回到大氣中。他們直接引用了這個研究的推論。可是在論文發表後，他們重新檢驗細節，自己重新進行這項反應實驗，卻發現硝酸氯的存活時間比過去認定的還要長久，因此是有機會使氯破壞臭氧的速率減緩。
在羅蘭和莫利納飽受抨擊之際，公佈這個結果必然招來更多質疑，但他們還是提出實驗數據，並且告知其他科學家需要修正。幾個以數值模式進行運算的團隊加入這項修正工作，然而以不同模式重新運算所獲得的結果很不一致，有的臭氧濃度甚至不減反增。進一步檢查不同模式所使用的其他參數（例如太陽強度變化數值），經過反覆修改，並加上硝酸氯生存時間的新修正數值，最終所有模式全都顯示臭氧濃度會顯著下降。
嚴謹求真是科學家的基本態度，而科學思維的標誌則是地毯式檢驗哪裡可能出差錯。胡適先生曾說：「研究是在不疑處有疑。」對自己假說中的所有子假設，莫利納和羅蘭一直都抱持「有沒有差錯？」的質疑心態，一再檢查。
1995年，羅蘭、莫利納與提出微量氮氧化物對臭氧威脅的克魯芹（Paul J. Crutzen）同獲諾貝爾化學獎（圖17）。記者問羅蘭：得到科學界最高榮譽是不是他此生最感興奮的時刻？他斬釘截鐵地回答：「不是。」他說，真正興奮的時刻是「研究發現的真實性與重要性被充分理解時，那個『啊哈！』出現的當下」。
在收集數據驗證的過程，需要經常回頭檢視，質疑自己立論中的假設有沒有出錯。科學社群對此也發揮了更大的功能。在多樣的學術研究方法中，相同的數據經常會以不一樣的方式同時被檢驗──有人進行室內操作實驗，有人在真實環境中觀測收集數據，有些則是建立運算模式。科學研究的特徵正是受惠於科學社群會用各種角度去檢驗，透過同儕的回饋與互評，直到已無細節可否定或反駁，新的知識或理論才有機會被接納。
科學探究並非幾個簡單步驟的線性發展，而是反覆由不同路徑去檢驗想法的動態過程。研究的結果也不單是找出一個答案，通常會伴隨另一個新的疑問出現。探究的過程不但要拿出證實依據，更要以找碴的態度全面審度，再加上同儕社群的重複實驗，通過各種不同方式的檢驗、分析、互評、回饋而被接受、認可，最終獲得屢經驗證的答案，建構新了的知識，滿足了原始的好奇，也解決了日常與社會的問題（圖18）。除了以上諸般，臭氧洞的議題結果更解除危險紫外線對全球生命的威脅，其探究過程堪為科學社群回饋社會的典範。
圖17.羅蘭、莫利納與克魯芹，同獲1995年諾貝爾化學獎。 National Academy of Sciences ,2022
圖18、科學探究的過程 引自undsci.berkeley.edu 後記
本文承蒙李宜嬡女士潤筆增色，謹致上深深的感激。
維護臭氧層的長期監測
1987 年 9 月 14 日至 16 日，全球代表會議，制定了《蒙特婁議定書》。 1990 年，來自 93 個國家的政策制定者聚集在倫敦，簽署了一項條約，同意在 2000 年之前淘汰 CFCs（較貧窮的國家允許有更多時間提出替代品）。接下來的兩年，有越來越多的科學研究結果顯示臭氧消耗的嚴重，禁用日期因而提前到 1996 年。在《蒙特婁議定書》中，明確約束並監管近一百種化學物質的生產與使用，因為它們會導致臭氧破壞。這是全球普及實現的罕見條約之一。
幸好人類很快就限制排放有害臭氧的化合物。但過去已經進入大氣的CFCs壽命很長，迄今臭氧的恢復仍然相當緩慢。科學家必須隨時掌握大氣中臭氧的復原程度，高度正視「持續監測高層臭氧變化」的重要性。
南極上空的臭氧資料從1957年開始有哈利灣站紀錄，1978年開始有NASA的臭氧總量測繪光譜儀衛星TOMS （Total Ozone Mapping Spectrometer ）全面監測，2004年起加入臭氧衛星全面監測的還有更高解析度的臭氧監測儀OMI （Ozone Monitoring Instrument），2011年更有臭氧成像剖面儀 OMPS （Ozone Mapping and Profiler Suite）可提供臭氧的垂直剖面空間分佈。根據南極上空臭氧濃度逐年的紀錄（圖16），全球高空臭氧若要恢復至1980年的濃度，平均而言，2040年之後可達成；北極上空會晚至2045年才恢復正常，南極洲地區則要等到2066年。
參考資料 [1] Lovelock, J. E. Atmospheric Fluorine Compounds as Indicators of Air Movements, Nature 230, 379 （1971).
[2] Lovelock, J. E. Atmospheric Turbidity and CCl3F Concentrations in Rural Southern England and Southern Ireland, Atmospheric Environment, 6, 917~925 （1972).
[3] Lovelock, J., Maggs, R. & Wade, R. Halogenated Hydrocarbons in and over the Atlantic. Nature 241, 194–196 （1973). https://doi.org/10.1038/241194a0
[4] Molina, M., Rowland, F. Stratospheric sink for chlorofluoromethanes : chlorine atom-catalysed destruction of ozone. Nature 249, 810–812 （1974). https://doi.org/10.1038/249810a0
[5] F. Sherwood Rowland -A Biographical Memoir by B. J. Finlayson-Pitts, D. R. Blake and A. R. “Ravi” Ravishankara. National Academy of Sciences （2022). http://www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/rowland-f-sherwood.pdf
[6] Luisa Bonolis. Prof. Dr. F. Sherwood Rowland Research profile . Linda Nobel laureate Meetings. https://mediatheque.lindau-nobel.org/laureates/rowland/research-profile
[7] Farman, J., Gardiner, B. & Shanklin, J. Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal ClOx/NOx interaction. Nature 315, 207–210 （1985). https://doi.org/10.1038/315207a0
[8] Solomon, S., Garcia, R., Rowland, F. et al. On the depletion of Antarctic ozone. Nature 321, 755–758 （1986). https://doi.org/10.1038/321755a0
[9] 柏克萊大學網頁https://undsci.berkeley.edu/understanding-science-101/how-science-works/the-real-process-of-science/
[10] 臭氧監測：https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/SH.html
[11] 臭氧議題的科學研究流程：https://undsci.berkeley.edu/lessons/pdfs/ozone_depletion_complex.pdf
吳育雅
國立臺灣大學師資培育中心兼任助理教授
史前巨石與它們的產地── 從地質角度看卑南遺址石柱來源
文／梁勝雄、徐漢倫、俞舜文
世界史前巨石文化
英國英格蘭威爾特郡的巨石陣（Stonehenge）於1986年登錄成為世界文化遺產，更是諸多電影拍攝場域，如《雷神索爾2：黑暗世界（Thor: The Dark World）》與《變形金剛5：最終騎士（Transformers: The Last Knight）》等，加上堆疊巨石陣在現代來說也是相當困難的事情，更別說在數千年前沒有機械輔助的時代，更因各部科幻電影各種奇幻想像的包裝加持下，可說是世界最知名的史前巨石文化遺址之一，不過什麼是巨石文化？
巨石（Megalith）文化英文的字源來自古希臘的mega與lithos，分別代表巨大與石頭之意，這個詞最早由英國赫伯特博士（Algernon Herbert, 1792-1855）於＂Cyclops Christianus; Or, An Argument to Disprove the Supposed Antiquity of the Stonehenge and Other Megalithic Erections in England and Britanny＂一書中為了討論巨石陣而提出，現在則普遍指一個地區中存在「為了某個特殊目的而鑿成或排列成特定形狀」的單一塊岩石或多塊岩石的史前文化，稱之。
進一步來說，單一巨石表現的方式又可分為豎石（Menhir or Monolith），即直立豎起岩石；多顆岩石上頭放置一塊大岩石，則稱之為頂石（Capstone style），整體來說單一巨石的表現方式相對單調；多塊岩石就能創造出更多元的表現方式，例如排列（alignments）、石牆（walls）、環列（circles）、石棚（Dolmen）、石棺（Cist），以及石門（portals）等，顯而易見的英國巨石陣就屬於多塊岩石排列的方式（圖1）。
目前研究指出史前巨石遺跡的用處不僅是墓地，可能是當時住居建物與領土邊界的標記，也可能是天文事件預測或社會宗教等儀式場地，通常配合儀式聲光效果，可能有助於激發身心反應，增加敬畏感，進而鞏固權威等作用。史前巨石遺跡在歐洲、非洲、亞洲等洲皆有發現，其中光歐洲從北歐瑞典至地中海地區至少3萬5千處。
從世界看回臺灣，臺灣也有類似的史前巨石遺跡與文化嗎？答案當然是肯定的！
圖1.位於英國英格蘭威爾特郡的巨石陣遺址（黃愉珺與俞舜文拍攝）。 臺灣東部巨石文化
讓我們將時光倒回西元1896年，當時日本人鳥居龍藏（1870-1953）拍下多張豎石照片（圖2）揭開序幕，開始讓世人認識到臺灣也存在著「巨石」，也有所謂的巨石文化，陸續有記錄與報導，但是直到30多年後的1930年，鹿野忠雄於《人類学雑誌》發表「臺灣東海岸巨石文化遺跡に就て（一）」與「臺灣東海岸巨石文化遺跡に就て（二）」才有這些巨石可能用途的論述出現。
圖2a.鳥居龍藏於1986年拍攝卑南遺址最大石柱（翻拍自卑南遺址公園解說牌並進行色調強化）。
圖2b.位於卑南遺址公園展示廳內最大石柱復刻模型。 他記錄Satokoay（過去稱掃叭或舞鶴）遺址的豎石（圖3）、東海岸遺址的岩棺等，認為史前時期的臺灣存在巨石文化，而後經過近百年時間，諸多國內外研究學者努力研究的成果顯示目前花東地區發現的史前遺址至少有56處。其中，Satokoay為阿美族語，傳說為「主柱所在地」，其中-ay為所在地之意；Satoko為住屋牆柱，後來這個牆柱才變為大石柱。
圖3.Satokoay遺址的豎石現況，逢假日皆吸引不少遊客前往參觀，值得注意的是在石柱周邊排列成圈的岩石並非史前結構。 過去臺灣考古學界是以其具代表性遺址的最小地名名稱來命名史前文化，如麒麟遺址之於麒麟文化，卑南遺址之於卑南文化等，而針對史前文化性質判斷的指標多以陶器類型為主，一個遺址可能會有多個不同期的考古文化層，如卑南遺址就至少存在三個文化層，但少以巨石做為分類依據。
近年來，國外針對史前巨石遺跡相關研究，逐漸轉向探討「巨石」本身，隨著跨學科研究日漸普及，連帶產生更多新證據，當然也帶來更多疑惑，例如石材來源，是如何運抵當地等，若單純針對花東地區史前巨石研究，又會產生什麼火花？
中央研究院歷史語言研究所趙金勇老師及團隊參考過去前人研究，將花東地區的史前巨石遺跡分為典型巨石與非典型巨石兩大類，其中典型巨石是由裝飾較好、大而重的凝灰岩等大塊火成岩構成（圖4），偶爾也有砂岩或石灰岩等沉積岩，且存在之文化層年代較古老，並侷限於海岸山脈東側；非典型巨石存在的文化層較為年輕，分布範圍相對較廣，除了花東縱谷內之外，往北延伸至太魯閣峽谷與花蓮平原，往南至臺東平原甚至更遠的地方，石材多為片岩或板岩，通常較扁平，且研究認為已融入建築，成為當時居住建築的一部分（圖5）。
另外，他認為臺灣東部史前巨石遺跡共同特色是僅少部分典型石棺與非典型豎石等史前巨石能超過2公尺外，大部分小於1.5公尺，而綜合時間與空間分布數據與研究顯示東部地區最早的巨石文化出現在太平洋沿岸，而後慢慢擴展到花東縱谷，並進一步擴散。
圖4.新社石棺，石材屬於凝灰岩，更多介紹內容請參閱本刊第56-10號「臺11線地質「慢」旅行（III）-親不知子斷崖與新社海階」一文。 圖5.卑南遺址內石材已融入建築，成為牆面或是地板的一部分，其中圓礫為當地岩石組成，但平板的板岩或片岩則是從其他地方搬運過來。 卑南遺址公園簡介
在1980年臺東車站與南迴鐵路興建動工，站址挖掘出大量史前文物，而後宋文薰教授建議應該遺址上建立一座戶外博物館，經多年努力，終於在2002年正式對外開放，並命名為「卑南遺址公園」（圖6）。
卑南遺址位在卑南山東南側山麓河階面上，卑南山岩石組成以卑南山礫岩與紅土礫石層為主（圖7），這個遺址有幾個臺灣第一，甚至世界第一，其一為臺灣目前最大史前遺址，廣義面積超過100公頃；其二為出土超過1,600具石棺，超過20,000件石器與陶器，是臺灣目前出土歷史文物數量最多之遺址；其三是臺灣出土玉器最多樣且數量也是最多的遺址（圖8）；其四是東南亞乃至太平洋地區最大的石棺墓葬群遺址（圖9）。
現今展示廳內復刻石板棺墓葬情境與複製19世紀末鳥居龍藏拍下之卑南遺址內最大石柱等展品，園區內的「月形石柱」（圖10）是唯一留存原地的史前遺跡，更是國家一級古蹟。筆者參訪月形石柱時，想到一個有趣問題，即臺灣東部太平洋沿岸的大型史前巨石石材多以就地取材為主；縱谷內遺址的巨石則不是如此，這些石柱又是打哪來？筆者以月形石柱為例，討論可能的來源。
圖6.卑南遺址公園的考古現場，公園除了考古現場外，還包括遊客服務中心、展示廳、月形石柱等場域，相當值得參觀。 圖7.卑南山岩石組成以卑南山礫岩與紅土礫石層相當容易取得圓礫。 圖8.卑南遺址公園展示廳內展示的玉器之一。 圖9.卑南遺址公園展示廳內展示石板棺墓葬復原情境。 圖10.月形石柱 史前巨石可能產地
月形石柱的顏色呈灰黑色，仔細觀察能發現它顆粒極細且均質，容易分裂成薄板和板片的岩體，前面提及這種岩體稱為板岩（slate），是變質岩（metamorphic rock）的一種，其原岩可能為黏土或火山灰等細顆粒沉積岩經變質作用而形成，可是什麼是變質岩？
變質岩是由原先就存在的岩石轉變成新型岩石的過程，地質學家稱之為變質作用，在這個過程中，岩石大部分仍保持固態，但因受到溫度、壓力及化學等環境因素改變，逐漸重結晶成新的質地或礦物成分，而在變質過程中，如果岩石形成一片片平行排列的面，能沿這些面將岩石剝離開來，稱為葉理狀（foliated）岩石，若以原岩為泥岩為例，在不同溫壓條件，從輕度變質到高度變質，分別稱為硬頁岩、板岩、千枚岩及片岩等，但從輕度變質到高度變質要如何區分呢？
地質學家想出了一個區分的方式稱之為「變質岩相（metamorphic_facies）」，主要根據在相似壓力和溫度下形成之變質岩的礦物組合，主要是因當岩體中溫壓發生變化時，某些礦物將轉換成適合該溫壓條件環境之礦物（圖11a），此外變質岩原岩（原來的岩石）原始成分也影響著變質岩礦物組成，例如原岩為泥岩與石灰岩，它們的變質岩都不一樣，更多有關地殼中常見岩石，能參閱本刊2014年9月號由吳育雅博士著作的《認識地殼中常見的岩石》一文，本文不再贅述。
回到月形石柱身上，知道是它的岩石組成為變質岩中的板岩，進一步的問題是臺灣哪邊會有板岩呢？攤開臺灣變質岩分布圖，能觀察到整個中央山脈東翼都有可能是來源區（圖11b），目前推測的假說認為應該為卑南溪上游地層（圖12）採集後，使用水力運送。
圖11a、變質岩相簡圖
圖11b、福衛二號衛星影像與中央山脈變質岩相簡圖
改繪自陳肇夏，1994；底圖來源：國家實驗研究院國家太空中心 圖12、卑南溪上游地層露頭，拍攝地點為臺東紅葉村。（徐漢倫拍攝） 後記
近年來，國外針對巨石遺跡的研究已經由考古學界逐漸演進為跨領域跨、學科的研究題目，如結合地質科學針對礦物岩石的研究方法討論巨石的來源，結合物理與機械等學科討論過去的人類是如何將巨石搬移至現在的位置，諸多新的研究方向，而往往解答一個問題後，卻延伸出更多疑問。
過去數千年以來，史前巨石遺跡一直是世界各地重要的文化元素，也是權力的聖地與場域；時至今日，巨石文化成為強大磁鐵，吸引來自世界各地的遊客，欣賞它們的歷史、神秘與魔力，卑南遺址史前遺跡－月形石柱，透過本文只能粗略了解它來自中央山脈東翼，然而更確切地點則需要更進一步的岩石與礦物分析才能知曉。此外，不同遺址的巨型板岩石柱都來自相同區域嗎？筆者目前沒有答案。
相關研究主題其實頗適合成為高級中等學校科展跨學門的參展作品，聰明如您，要一同參與揭開史前謎題嗎？
參考資料 [1] 中央研究院「阿美族、雅美族口語傳說採錄翻譯資料數位典藏計畫」，胡台麗主持，花蓮舞鶴02-O malafoklohay a Hcek（石柱傳）。檢索日期：2022-8-31。
[2] https://aya.ioe.sinica.edu.tw/index.php/Frontend/loreDetail/215
[3] 宋文薰與連照美（2004）卑南考古發掘1980-1982：遺址概況、堆積層次及生活層出土遺物分析。臺北市，臺大出版中心出版，共254頁。
[4] 吳育雅（2014）認識地殼中常見的岩石。科學研習月刊，第53-9號（2014年9月），第8-13頁。
[5] 姜柷山、孫民英、林娜鈴（2016）臺東南王社區發展史。臺東縣，臺東市南王社區發展協會出版，共143頁。
[6] 梁勝雄、林依蓉、許晉瑋（2017）臺11線地質「慢」旅行（III）-親不知子斷崖與新社海階。科學研習月刊，第56-10號（2017年10月），第52-58頁。
[7] 陳肇夏編（1994）臺灣變質相圖。經濟部中央地質調查所特刊，第2號，比例尺：1:500,000附圖，經濟部中央地質調查所出版，臺北縣。
[8] 鹿野忠雄（1930）臺灣東海岸巨石文化遺跡に就いて（一）。人類学雑誌，第45卷，第7號，第273-285頁。Doi.org/10.1537/ase1911.45.273
[9] 鹿野忠雄（1930）臺灣東海岸巨石文化遺跡に就いて（二）。人類学雑誌，第45卷，第9號，第362-374頁。Doi.org/10.1537/ase1911.45.362
[10] 葉長庚（2012）臺灣東部巨石的發現與研究。臺灣博物，第31卷，第4期，第44-49頁。
[11] 葉長庚（2017）臺灣史前巨石與當代地景。科學發展，第532期，第40-43頁。
[12] Calado, M. and L. Rocha (2010) Megaliths as rock art in Alentejo, Southern Portugal. In Calado, D., M. Baldia, M. Boulanger (eds.) Session C68 (Part II): Monumental Questions: Prehistoric Megaliths, Mounds, and Enclosures. Proceedings of the XV UISPP World Congress. Lisbon, Portugal. 4-9 Sep. 2006. Vol. 8, 173pp. ISBN: 9781407306643.
[13] Chao, C. -Y. and K. F. Chung. Megaliths in Eastern Taiwan Reconsidered. In Muyard, F. and Y.-C. Liu (eds.) Maritime Exchange and Localization across the South China Sea, 500 BC- AD 500. École française d'Extrême-Orient (EFEO), Paris, France. (accepted)
[14] Delvoye, A. (2021) Megaliths. In Potts, D., E. Harkness, J. Neelis, R. McIntosh (eds.) The Encyclopedia of Ancient History: Asia and Africa. John Wiley & Sons, Inc. Doi: 10.1002/9781119399919.eahaa00628
[15] Gantley, M. J. (2017) Europe’s Mighty Megaliths "Rock" the Winter Solstice. National Geographic Society, Retrieved June 21st, 2022, from
[16] https://www.nationalgeographic.com/history/history-magazine/article/history-europe-megaliths-solstice
[17] Kostov, R. I (2008) Geological and Mineralogical Background of the Megalithic and Rockcut Sites in Bulgaria and some other European Countries. Proceedings of the International Conference on Geoarchaeology and Archaeomineralogy, Sofia, October 29-30, 2008, 163-168. Publ. House “St. Ivan Rilski”, Sofia, Bulgaria.
[18] Krzemińska, A. E., A. Dzikowska, A. D. Zaręba, K. R. Jarosz, K. Widawski, J. S. Łach (2018) The Significance of Megalithic Monuments in the Process of Place Identity Creation and in Tourism Development. Open Geosciences, vol. 10, no. 1, p. 504-516. Doi.org/10.1515/geo-2018-0040
[19] McCoy,M. D. & J. S. Athens (2012) Sourcing the Megalithic Stones of Nan Madol: an XRF Study of Architectural Basalt Stone from Pohnpei, Federated States of Micronesia. Journal of Pacific Archaeology, Vol. 3, No. 12, 105-114.
[20] Pawlikowski, M, M. Jaranowski, P. Papiernik (2020) Study on boulders of megalith 3 at the Wietrzychowice site (Central Poland). Acta Geographica Lodziensia, 110, p. 137-147. Doi.org/10.26485/AGL/2020/110/0
[21] Silva, A. M. (2020) The megalithic builders: new data on old bones from Megalitho do Facho (Figueira da Foz, Portugal) Documenta Praehistorica, 47, p. 390-403. Doi.org/10.4312/dp.47.21
[22] Vahia, M. N., S. M. Menon, R. Abbas, N. Yadav (2010) Megaliths in Ancient India and their possible association to astronomy. 7th International Conference on Oriental Astronomy, Mitaka, Japan, 6-10 Sep. 2010. 12 pp.
梁勝雄
經濟部中央地質調查所
徐漢倫
台泥綠能股份有限公司
俞舜文
臺灣中油股份有限公司探採研究所
從氣候觀點看颱風影響臺灣的頻率變化
文／涂建翊
「西北太平洋-南海」無疑是全球颱風最活躍的海域，平均一年可以生成26個，所挾帶的豪大雨和強風，不僅威脅途經國家人民的生命財產與安全，也對西北太平洋島國及沿岸國家的經濟產生一定程度的衝擊。因此，掌握颱風動態與減少災害損失，一直以來都是周邊海域國家的重要課題。特別是IPCC （Intergovernmental Panel on Climate Change，聯合國政府間氣候變遷專門委員會）第六次評估報告指出，受到全球暖化影響，颱風強度有增強趨勢，移動路徑偏北，緯度較高的東亞地區 （日本、韓國） 受颱風影響機率將會提高，緯度較低的南海周遭國家 （菲律賓、越南） 則相對降低 （IPCC AR6，2021）。臺灣正巧位於兩區域中間，受颱風影響的不確定性相對大，因此更需要投入關注，掌握未來颱風動態的變化趨勢，並評估對臺灣可能帶來的衝擊。
你知道西北太平洋與南海海域的颱風氣候特徵嗎？
如果我們將美國聯合颱風警報中心 （Joint Typhoon Warning Center, JTWC） 所提供的6小時颱風移動軌跡資料彙整，可以發現：西北太平洋與南海地區每個月都有機會形成颱風，不過2月生成機率較低，7至10月頻率相對高，約佔該海域全年總生成個數的70%，因此該時期也可視為是「西北太平洋-南海」海域的颱風季。 從颱風通過頻率的空間分布（圖1）來看，生成後的颱風，主要移動方向有二個，其一為直接朝西移動，通過巴士海峽或菲律賓進入南海，最後登陸中南半島或海南島沿岸地區。另外一條則是由西北轉向北，甚至東北，進入日本或韓國。臺灣所在位置正巧位於兩條主要移動路徑之間，通過頻率相對低，但卻是重要轉折點，也因為地理位置的獨特性，成為研究西北太平洋海域颱風路徑轉折的重要參考指標 （Camargo et al., 2007；Tu et al., 2009）。
圖1.西北太平洋與南海海域，颱風通過頻率空間分布。統計時間為1970-2021年，網格空間解析度為2° x 2° 經緯網格。
颱風到底會怎麼走？是一個複雜的問題。影響颱風移動路徑的因素很多，從颱風結構的不對稱性、地球自轉效應、高空槽線牽引、高壓環流導引（含太平洋副熱帶高壓與大陸冷高壓）、雙颱藤原效應以及颱風與地形的交互作用……等均是。從氣候觀點來看，副熱帶高壓環流導引 （也稱為駛流，steering flow） 被認為是最為關鍵的因子。這裡，我們特別使用500 （hPa） 重力位高度場來代表副熱帶高壓環流特徵，颱風移動軌跡則以2°×2°經緯網格大小為單位，統計每個網格點颱風出現次數所代表的頻率概念來解讀，所計算每個網格點的颱風通過頻率，會再進行九點空間平滑處理，如此即可以簡單掌握颱風移動軌跡與大尺度環流之間的關聯性。
圖 2 為颱風較為活躍的6至11月期間，各月分氣候平均之颱風通過頻率與太平洋副熱帶高壓（簡稱：副高）環流空間分布（統計時間為1970-2021年）。依據5870重力位高度線 （粗黑線） 的分布範圍可以看出，6月時 （圖2a）副高西側脊線延伸至南海北部，位置大約在20°N附近，7月 （圖2b） 明顯往北移動，脊線位置移至臺灣北部附近約25°N的地方。8月時 （圖2c） 副高脊線更往北移至30°N附近，勢力範圍也明顯東退。時序進入到秋季，副高西側脊線開始南移，勢力範圍也同步西伸，在9月時脊線位置大約在25°N （圖2d），10月南移至20°N （圖2e），11月又更往南至17.5°N附近 （圖2f）。由此結果來看，夏季期間副高西側脊線有明顯地季節性北移特徵，且範圍逐漸東退，秋季則剛好相反，副高西側脊線往南偏、範圍則明顯西伸，兩季節的環流特徵明顯不同。
從颱風生成位置來看，多數傾向生成於副高脊線的南側，也就是季風槽所在地方，生成後再沿著副高南緣移動。在6月時，受到副高脊偏南影響，颱風主要活躍於23°N以南，位置也偏西（130°E以西），包含南海和菲律賓海附近 （圖2a）。7月期間，除了颱風頻率增加外，路徑上仍以往西進入南海為主，不過也開始有颱風朝北移動，特別是在120-130°E區間範圍 （圖2b）。8月受到副高脊偏北、副高勢力範圍東退影響，讓颱風生成位置較為偏北，使得更多颱風活躍於西北太平洋區域 （15-32°N、120-135°E），並朝臺灣以及緯度更高的日本、韓國前進；相較之下，該月分生成的颱風往南海機率降低 （圖2c）。9月開始，副高脊又逐漸往南移動，副高範圍同步往西延伸，結果也使得往西移動的颱風又開始增加，往北部分有兩個分支，主要以130°E以西為主，另外一個分支則落在140°E附近，頻率相對較低，但緯度仍可到達30°N （圖2d）。10月分進入南海的颱風頻率明顯提高，轉向往北移動的颱風集中在130°E附近，隨後逐漸朝東北方向海域前進。11月開始，多數颱風往西移動且活躍在20°N以南，往北明顯受到副高以及北方大陸冷高壓環流所抑制。整體來說，秋季生成的颱風往西移動機率提高許多，不過主要移動軌跡所在緯度仍有所不同，9月時多落在20°N ，10月往南偏移至18°N附近，11月會更往南至14°N，南移位置與副高南緣範圍的季節變化十分接近，顯示從氣候觀點來看，副高環流的變化對於颱風路徑的影響相當大。
圖2.西北太平洋與南海海域，各月分之颱風通過頻率 （彩色陰影） 與500 （hPa） 重力位高度場 （等值線） 分布（統計時間為1970-2021年）。粗黑線為5870重力位高度線，等值線間距為5 （gpm），颱風頻率單位為每十年通過次數 。
▍ 圖參考自Chen et al. 2017
影響臺灣的颱風個數有改變嗎？
討論這個主題之前，我們應該先來了解，怎麼從氣候的觀點來客觀定義颱風影響臺灣。過去有不少學者以長方形範圍作為標準，不過卻容易將一些短暫經過設定範圍周邊，但卻對臺灣沒有任何影響的颱風判定為侵臺颱風，造成個數統計上的誤差與困擾。依此，目前有較多的人採用李與盧 （2012） 所提出較為客觀，考量臺灣海岸線形狀，往外擴展300公里範圍，所界定出來颱風影響臺灣的客觀定義。
圖3為利用JTWC所提供之6小時颱風移動軌跡資料，計算每十年影響臺灣的颱風個數年循環。由圖所呈現出來的統計結果顯示，過去1至3月並沒有颱風進入到臺灣附近，一直到4月中旬開始，颱風才有機會移入，並於6月下旬迅速增加，8月下旬達到最高峰，隨後從9月到11月，數量又逐漸減少，直到12月初完全消失。從年平均來看，一年約有5個颱風進入影響臺灣的區域範圍內，超過80%發生在6月中旬到10月中旬 （Tu and Chen, 2019），季節上則可以劃分為夏季（6月15日至8月31日；颱風數量增加）和初秋（9月1日至10月15日、颱風數量減少），所佔比例分別為59％和25％。這結果與大尺度大氣和海洋條件的季節變化有所關聯，特別是副高脊的南北擺盪 （Chen et al., 2017；Tu and Chen, 2019）。
圖3、每年進入臺灣海岸線往外延伸300公里範圍內之區域，且風速 ≧ 34 knots的颱風個數年循環圖。統計時間為1980-2018年，曲線為取五日移動平均之結果。
▍ 圖參考自 Tu and Chen, 2019
從長期變化來看，每年影響臺灣的颱風個數有所不同 （圖4a），少則1~2個，至多可達9~10個，年與年之間的差異相當大，聖嬰與反聖嬰現象可能是影響因素 （吳等，2022）。逐年增加或減少的趨勢不顯著，反而呈現出年代際變化特徵，1950至1960年代，以及2000至2008年期間，每年平均個數提高至6個左右，之後又稍微降低。計算氣旋累積能量 （Accumulative Cyclone Energy，ACE） （圖4b），發現他同時具有年際與年代際變化訊號。除了年與年之間的差異外，1950至1960年代和2000年至2016年間，氣旋累積能量值較高，颱風破壞力也相對大，其餘時期則較低，特別是2016年之後，連續五年數值均偏低。
註１：年際變化指的是變動週期為數年之訊號，所強調的是年與年之間的差異。
註２：年代際變化指的是變動週期長達數十年以上之訊號。
圖4a、每年進入臺灣海岸線往外延伸300公里範圍內之區域，且風速 ≧ 34 knots 的颱風個數時間序列。
圖4b、颱風於臺灣周遭海域時的氣旋累積能量（ACE，單位為105 knots2）時間序列。黑實線代表9年移動平均。 ▍ 依李與盧（2012）之定義重繪
颱風是否影響臺灣和大尺度環流有什麼關係？
由前面的討論可以知道，颱風移動路徑受到副高環流影響大，Tu and Chen （2019） 的文章重新定義了一個新的副高環流指數來診斷副高脊的南北擺盪特徵，當指數偏高（低），代表副高脊位置較為偏北（南）。透過指數高低，可以掌握副高脊的位置，有助於我們探討颱風對臺灣的影響頻率差異。另外，由於夏季和秋季的大尺度環流特徵並不相同，因此將夏季和秋季分開討論有其必要性。
圖5藉由颱風通過頻率與850-300hPa導引氣流場兩者之疊圖，可以更清楚看出導引氣流對颱風移動路徑之影響有多顯著。夏季時，若為高指數年（圖5a），副高脊線平均位置會落在28°–30°N附近，此時的臺灣正好位於副高脊的西南側，這樣的條件有利於颱風生成後沿著副高南緣往西北方向的臺灣移動，平均約有4.5個颱風影響臺灣。在低指數年（圖5b），副高脊線平均位置南移到22°–24°N左右，範圍延伸至臺灣以西處，強度則比高指數年弱，臺灣正好落在脊線正下方。這樣的條件，讓颱風更容易往西移動，但也因為副高西側強度較弱，使得颱風也可能提早北轉，對臺灣的威脅降低，平均影響臺灣的颱風個數僅有1.5個。
初秋時節，高指數年（圖5c）副高脊線平均位置在28°N左右。與夏季相同，臺灣位於脊線西南側，颱風生成後受到向西延伸的副高環流導引，往西北方向移動，有較高機率影響臺灣，平均影響臺灣的颱風個數為2.3個。在低指數年時（圖５d），不僅脊線平均位置向南偏移至22°N附近，強度也偏弱，特別是在120°–140°E的經度區間有一斷裂帶。生成後的颱風容易於斷裂帶轉向北方移動而不易到臺灣，也因此平均影響臺灣的颱風個數降至0.7個。綜合以上的討論可以發現，當西太平洋副高脊線位置偏向臺灣北邊（南邊）時，夏季和初秋時節影響臺灣的颱風數量會增加（減少），兩者之間具有高度正相關。
圖5、夏季（6/15-8/31）和初秋（9/1-10/15）期間，副高指數偏高與偏低時，颱風通過頻率和西北太平洋導引氣流 （850-300hPa風場平均） 特徵差異。虛線為副高脊的位置。
▍ 取自 Tu and Chen, 2019
颱風移動路徑的長期變化趨勢如何？
過去研究發現，影響臺灣的颱風個數，於2000年之後明顯增加，個數從過去每年平均3.3次，提高到每年5.7次，赤道中太平洋增溫，進一步改變大氣環流，是提高颱風往西北方向移動並影響臺灣的重要關鍵 （Tu et al. 2009）。由上面的討論也可以發現到120°-130°E經度範圍，是颱風轉向往北的關鍵區域之一。此外，該區域緊鄰東亞國家和菲律賓，移動路徑的改變，勢必對該區域帶來不同程度的影響，因此很適合拿來探討西北太平洋地區颱風整體移動路徑的轉變。
夏季期間 （6月至8月），颱風主要活躍於15-30°N之間，其中又以通過20°N以北區域的機率較高，約占通過該經度範圍颱風頻率的70％。於緯度上的變化以年際訊號為主，年代際特徵相對弱，另外，系統性往南或往北偏移的趨勢較不明顯 （圖6a）。秋季 （9月至10月） 則有所不同，颱風活動頻率主要集中在12-30°N之間，不僅有明顯的年際變化訊號，也同時具有年代際變化特徵，且年代際訊號較年際訊號顯著，轉變時間點約落在1998年（圖6b），前期颱風以通過20°N以南為主，後期通過20°N以北的機率大幅提升，連帶對該區域的降水產生影響 （Tu et al., 2020），此與夏季有所不同。
整體而言，西北太平洋颱風的生成和移動路徑變化，秋季 （9月至11月） 於1998年之後進入颱風不活躍期，包含生成個數減少、生命週期縮短、氣旋累積能量降低等，不過路徑上的轉變，讓往南海和中南半島的颱風個數明顯減少，往臺灣和中國東南沿岸的颱風個數卻是增加的，年代際變化特徵十分明顯 （Hsu et al.,2017），這也是值得我們特別注意的地方。
圖6、西元1970~2021年期間，颱風通過120°-130°E經度範圍的頻率時間序列。X軸代表年分，Y軸代表緯度，南北方向資料間距為2個緯度，水平實線為20°N位置，垂直虛線為1997/1998年分界線。
▍ 本圖修改自Tu et al., 2020
依據學者們的研究，發現秋季於1998年前後，西北太平洋與南海海域的颱風移動路徑有明顯的轉變。1998年以前（第一時期），颱風明顯以西行為主，且颱風多於20°N以南的位置通過巴士海峽、菲律賓北部進入南海。另外，於130°E以東則是提早北轉，進入北太平洋。從頻率空間分布來看，進入臺灣、中國、日本、韓國等東亞國家的機率相對低，對該區域的威脅也較小（圖7a）。1998年以後（第二時期），颱風於125°-135°E附近有明顯往西北方向移動的訊號，且緯度可以達到30°N（圖7b）。將兩時期的颱風通過頻率相減，發現通過頻率增加最主要的區域位於臺灣至日本中間的東海海域（圖7c），這樣的移動路徑轉變，勢必會增加對東亞地區降雨的影響，特別是臺灣。
對應到導引氣流場的空間分布可以發現，西太平洋副熱帶高壓環流明顯不同，第一時期的副高脊線平均緯度大約在25°N，副高西側範圍落在135°E附近，20°N以南的東風則偏強，這些特徵讓生成於20°N以南的颱風可以順著偏強東風氣流往西移動，少部分則沿著副高西側邊緣於135°E附近轉向往北。到了第二時期，副高西側範圍往西延伸至130°E附近，加上20°N以南區域的東風減弱，間接導致颱風更容易於120°-130°E附近北轉，提高影響臺灣及其他東亞國家的機率。藉由兩時期的環流差異（圖7c），可以更加清楚對應，環流條件改變對颱風移動路徑的影響有多大。
移動路徑改變是否與颱風生成個數或位置有關？從生成個數上來看，第一時期的颱風生成數是高於第二時期的，顯然個數不是往北移動增加的關鍵。生成位置部分，第一時期颱風主要生成於130°-150°E、10°-20°N區域內，主要高值中心有兩個，其一位於130°-135°E、15°-20°N，另一個則位於145°-150°E、10°-15°N，從緯度上來看都在20°N以南。第二時期颱風主要生成於125°-145°E、10°-25°N範圍內，主要中心位於125°-135°E、12°-22°N之間，經度往西偏移5度，緯度也往北偏移2-5度，颱風生成於135°E以東的個數明顯減少。從兩時期的差異可以更清楚看到，20°N以北的生成數提高許多，這樣的結果配合大尺度環流導引，有利於颱風往西北方向移動。
綜整上述結果，並比對導引氣流場的特徵不難發現，前期以西行進入南海及提早北轉朝日本外海移動為主，後期除了西行進入南海的颱風頻率降低外，往北轉折的經度位置更往西移，也更靠近東亞陸地，這勢必提高對東亞地區降雨的影響。颱風往北移動頻率增加，可能來自於兩個因素，其一為颱風生成位置的偏北，讓颱風更有機會往北移動，其二為副高環流西伸，導致副高南緣所導引的東風與東南風增強，讓颱風更有機會往西北方向朝臺灣及東亞地區移動。
圖7、不同時期的颱風通過頻率與颱風生成頻率空間分布差異。左側為通過頻率、右側為生成頻率。（a）第一時期 （1980~1997年）、（b）第二時期 （1998-2017年）、（c）為兩時期之差值。颱風通過頻率之網格間距為2° x 2° 經緯網格，颱風生成頻率之網格間距為5°x5° 經緯網格。
▍ 本圖取自Tu et al., 2020
結語
從氣候平均的角度來看，西北太平洋-南海海域的颱風整體移動路徑，和太平洋副熱帶高壓的季節性變化，有高度關聯，當副高脊線位置隨季節往北以及往南移動的過程，同時也會帶動颱風移動路徑的轉變。從長期變化趨勢來看，秋季通過鄰近東亞地區120-130°E經度範圍的颱風，往北移動的個數明顯增加，這樣的結果對東亞地區的降水勢必有正向貢獻，而這樣的轉變趨勢是否會受到暖化影響而持續維持？還是這僅是年代際變化的一部分?未來值得持續關注。
參考文獻 [1] 李清縢、盧孟明 （2012）。從氣候觀點探討影響臺灣颱風的定義問題。氣象學報, 48（4）: 25-38。
[2] 紀佳臻（2021）。大尺度環流變化對西北太平洋颱風活動及臺灣區域降雨之影響。博士論文，中國文化大學地學研究所，台北市。
[3] 吳明峯、陳鴻碩、李立言、林丹宇、江佳倫、王嘉琪 （2022）。聖嬰與反聖嬰期間，副高對於颱風路徑的影響探討。科學研習，61-06。
[4] Camargo, S. J., A. W. Robertson, S.J. Gaffney, P. Smyth, and M. Ghil （2007）. Cluster analysis of typhoon tracks. Part I: general properties. Journal of Climate, 20（14）, 3635–3653. https://doi.org/10.1175/JCLI4188.1.
[5] Chen, J.-M., P.-H. Tan, L. Wu, J.-S. Liu, and H.-S. Chen （2017）. Climatological analysis of passage-type tropical cyclones from the Western North Pacific into the South China Sea. Terr. Atmos. Ocean. Sci., 28, 327-343, doi: 10.3319/TAO.2016.10.04.02
[6] Hsu, P.-C., T.-H. Lee, C.-H. Tsou, P.-S. Chu, Y. Qian, and M. Bi （2017） Role of scale interactions in the abrupt change of tropical cyclone in autumn over the western North Pacific. Climate Dynamics, 49（9–10）, 3175–3192. https://doi.org/10.1007/s00382-016-3504-x.
[7] IPCC （2021）. Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou （eds.）]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2391 pp. doi:10.1017/9781009157896.
[8] Tu, J.-Y., C. Chou, P.-S. Chu （2009）. The abrupt shift of typhoon activity in the vicinity of Taiwan and its association with western North Pacific-East Asian climate change. Journal of Climate, 22 （13）, 3617-3628. https://doi.org/10.1175/2009JCLI2411.1
[9] Tu, J.-Y., J.-M. Chen （2019）. Large‐scale indices for assessing typhoon activity round Taiwan. International Journal of Climatology, 39（2）, 921-933. https://doi.org/10.1002/joc.5852
[10] Tu, J.-Y., J.-M. Chen, L. Wu, C.-Z. Chi （2020）. Inter‐decadal and inter‐annual variability of meridional tropical cyclone activity during September–October in the northwestern North Pacific after 1998. International Journal of Climatology, 40（3）, 1686-1702 . https://doi.org/10.1002/joc.6295
涂建翊
國立彰化師範大學地理學系教授
捕捉星動的瞬間~臺灣第一個全自動巡天望遠鏡：星瞬望遠鏡RIFT
文／金若蘭、李君樂
圖1. 位於鹿林山天文台的五十公分口徑望遠鏡—星瞬望遠鏡RIFT，由國立成功大學物理系李君樂教授所領軍的多信息研究室團隊設立。
▍ 圖片來源：李君樂教授研究團隊 如果你的朋友只告訴你他要遠行旅遊，卻沒告訴你要去哪，請問你要如何知道他去的確切地點呢？也許我們可以根據他在網路社群所發出的蛛絲馬跡，例如打卡地點、分享的照片之類的間接資訊，來推斷他可能前往的地方，就算不是百分之百正確，但是至少可以提供一些方向。同樣的，天文學家也常碰到很難確認所觀測到天體的確切位置，因為有些觀測儀器可以測到的訊號在天空上的定位誤差範圍很大，其中一個就是對於重力波波源的定位。 目前重力波探測最主要的就是使用位於美國的LIGO （The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory），位於義大利的Virgo干涉儀，還有位於日本的KAGRA （The Kamioka Gravitational Wave Detector）（見圖2）。這三者未來會進行聯合觀測，簡稱LVK。但就算三者聯合起來，對於回推重力波源方向的估算準確度仍是很低。將於2023年進行的第四期聯合觀測（簡稱O4），研究團隊估算重力波波源位置的不準確度會高達幾十平方度。幾十平方度可是幾百倍月亮的大小，在這樣的大範圍內都可能是重力波的波源位置，這樣實在很難讓我們找出真正重力波的發波所在地。 圖2. 全球重力波觀測儀器分佈圖。LIGO目前有美國華盛頓州的Hanford以及路易斯安那州的Livingston, Louisiana兩個場址，以及正在興建中位在印度的基地；VIRGO位在義大利，位於日本的KAGRA以及位於德國的GEO600。▍ 圖片來源：Caltech/MIT/LIGO Laboratory 最近在臺灣的鹿林山就有一個新的望遠鏡（見圖1）將要加入這個尋找發出重力波位置的行列。2022年，中央大學的鹿林天文台基地上有了一個小天文台，這個天文台裡所配備的望遠鏡是全台第二大口徑（50公分）的研究型望遠鏡－名為『星瞬』，英文全名是Robotic Imagers For Transients （RIFT）。RIFT雖然不是臺灣最大的光學望遠鏡，但卻是臺灣本土第一個全自動巡天望遠鏡觀測計畫，其建置的重要目的就是為了重力波的研究。這個望遠鏡是根據成功大學物理系李君樂教授所提出之構想，並且得到國科會（原『科技部』）愛因斯坦計畫的經費支持，設計成機械式的全自動望遠鏡。 用可見光可以看到重力波？重力波由誰發波？ 但是，重力波明明是一種時空的漣漪，並不是電磁波，為什麼我們卻要用可見光的來『觀測』重力波呢？ 要回答這個問題，我們要先了解重力波到底是如何產生。根據重力波的理論推論，目前觀測儀器可以測到的夠強的重力波，大多數都是由於兩個緻密星體旋轉合併的過程產生。從2015年第一次測到重力波訊號，一直到2020年結束的第三期（簡稱O3）重力波聯合觀測報告，總共觀測到83對雙黑洞，3對黑洞與中子星，2對雙中子星，以及2對不確定是中子或是黑洞與黑洞合併造成的重力波（見圖3）。黑洞及中子星是恆星演化到最末期，核心的部分塌縮形成一個密度很大，重力場很強的緻密星體。 圖3. LVK （LIGO-Virgo-KAGRA） 重力波聯合觀測到第三期 （O3）為止所測到的重力波源雙星及其合併後的質量，由左至右根據觀測到的時間先後順序排列。箭頭上方的圓，代表箭頭下方兩兩星體合併後的質量。藍點代表黑洞，橘色代表中子星，藍橘各一半的則是不確定。縱軸的質量以太陽質量為單位。
▍ 圖片來源： LIGO-Virgo-KAGRA Collaborations/Frank Elavsky, Aaron Geller/Northwestern 其中當兩個中子星，或者是一個中子星與一個黑洞互相旋轉並合併時，會瞬間發出很亮的光，其最大亮度可以達到一般新星（Nova）的一千倍！所以就把這種星體稱作「千新星 （Kilonova）」。因為當中子星或與黑洞這樣的緻密天體合併時，同時也會產生重力波。因此如果可以抓到千新星變亮的瞬間，同時也剛好測到重力波，我們就可以合理的推論那個重力波就是來自那顆千新星，因此也就找到重力波的波源位置。RIFT的重要任務就是希望可以加入這樣捕捉「千新星 （Kilonova）」爆發所放出的可見光觀測團隊。 國立成功大學的RIFT研究團隊，同時也是日本的重力波觀測單位KAGRA的成員之一，所以未來一旦LVK收到重力波的觀測訊號，RIFT會立刻接到通知，這時望遠鏡會根據通知自動啟動並快速轉向那個天區進行即時的觀測，迅速的捕捉因為該重力波事件所發出的可見光，以幫助找出重力波的真正位置。 別以為RIFT只能用來研究重力波 當然重力波不是隨時都有，這種時候RIFT可不是閒閒沒事做。我們可以利用RIFT可以快速移動並自動進行觀測的特性，讓它『順便』觀測其他的緻密『瞬變』星（compact transients）。所謂瞬變星指的是在天空中突然變亮的星體，千新星當然也是其中之一。但是RIFT預計可以觀測到的瞬變星不止千新星，還包括黑洞雙星、超大質量黑洞、新星爆炸、以及毫秒脈衝星等發出的可見光。下面就是一些RIFT預計要觀測的對象： 伽瑪射線新星爆炸（Gamma-Ray Emitting Nova Explosions） 宇宙中很多的星星常常相親相愛的成雙成對出現，當中質量比較大的恆星，演化速度比較快，稱為『主星』。如果主星質量與太陽類似，在進入老年階段時，核心會開始停止核融合並且縮小，中心會變成密度很高並且大小與地球差不多的白矮星。這個比伴星先進入白矮星階段密度較大的主星，就很可能把它伴星的物質吸過去。這些被吸過去的氣體塵埃會因為彼此高速旋轉碰撞產生熱能，並且發出從無線電波到X光波段的光，因此亮度變亮，讓白矮星表面彷如『回春』一樣，再度引發核融合反應並產生爆炸。這就是我們在天上『新』觀測到但實際上已經很老的『新星 （Nova）』（參考註1）。一波波爆炸的氣體往往會產生震波，把粒子加速到將近光速，因而發射出高能的伽瑪射線，所以稱為伽瑪射線新星爆炸。 李君樂教授於2017年協同美國密西根大學團隊還進一步發現，有顆新星（ASASSN-16ma） 在可見光與伽瑪射線的光度變化一致（見圖4），這支持了新星發出的伽瑪射線是由震波造成的假設 （見參考文獻1）。RIFT未來可以在可見光波段進行更多類似的新星觀測，以提供更有力的證據驗證這個理論。 圖4. V5856 Sgr新星在伽瑪射線（黑色線）與可見光波段（藍色圓點）的光度變化圖 。橫軸的日期為儒略日，是天文上常用來表示日期的方法，例如橫軸最中央MJD 57700相對應的是2016年8月11日。順序排列。箭頭上方的圓，代表箭頭下方兩兩星體合併後的質量。藍點代表黑洞，橘色代表中子星，藍橘各一半的則是不確定。縱軸的質量以太陽質量為單位。
▍ 圖片來源：見參考文獻1 紅黑雙煞：黑寡婦與紅背蜘蛛脈衝星 前面有提到恆星演化到末期有可能會變成白矮星，質量更大的恆星則會變成中子星。中子星因為是從比太陽還大的星體，塌縮到半徑只剩約十公里，由於角動量守恆，中子星的旋轉速度會變很快。對於帶有磁場的中子星，會從磁極發射出電磁波，隨著中子星的快速旋轉，就像燈塔一樣，當光束轉到地球方向變亮，轉到背對地球方向就變暗。因為一閃一閃發出有規律的光，所以被稱為『脈衝星』。有一類的脈衝星旋轉速度超級快，是脈衝星界的急驚風，每秒居然可以旋轉千次，所以被叫做『毫秒脈衝星（Millisecond Pulsar, 簡稱MSP）』（見圖5）。這些毫秒脈衝星，往往位於雙星系統。有些雙星彼此靠得很近，有可能一天或幾小時就可以互繞一圈。當其伴星被中子星（雙星中的主星）發出的脈衝星風及輻射摧毀，就像會摧毀掉自己伴侶的黑寡婦蜘蛛一樣，所以被稱為『黑寡婦』。有些類似的毫秒脈衝星，但其伴星質量比較大些，則稱為『紅背蜘蛛』，這也是種會吃掉伴侶的蜘蛛。 圖5. 脈衝星在脈衝週期（橫軸）及週期變化（縱軸）圖上的分佈。左下角的灰點是毫秒脈衝星 (MSP)，其他的黑點則是一般的脈衝星。黑寡婦及紅背蜘蛛脈衝星則分別用綠色及藍色圈出。其中黑實線代表等年紀線，黑點線代表脈衝星表面的磁場強度，黑虛線則代表脈衝星的死亡線。以上等值線都是根據理論公式推出。
▍ 圖片來源：見參考文獻2 此外，這些瘋狂旋轉的毫秒脈衝星，現在一般認為一開始是位在一個雙星系統，然後其中質量比較小的伴星上的物質會被那個已經演化成中子星的主星吸積過去，此時會發出X光，稱為低質量X光雙星（Low Mass X-ray Binary），簡稱 LMXB。在這過程中，那顆中子星因為吸了伴星的物質，能量就轉換成自己旋轉的動能，造成很強的磁場，使得它周圍的粒子也被加速。這些加速的粒子就會發出很強的風，把它周圍的塵埃吹散，露出中間的快速旋轉的中子星，我們也因此可以測到它的脈衝波。此時這個中子星發出的光就不是由伴星被吸過去的物質被加熱造成，而是自己因為磁場被加速的粒子造成的。而這些天文界的『蜘蛛』們，被認為就是處在從LMXB的狀態變到MSP的中間過渡帶。RIFT將會密切觀測這群紅黑雙煞在可見光的亮度變化，如果再配合其他波段的觀測，就可以知道它的光譜，好回推脈衝星的質量，並且也可以根據可見光的光度變化得知雙星系統繞行軌道的傾斜角。這些都對於解答毫秒脈衝星的成因十分重要。 黑洞雙星 至於雙星系統中，如果主星的質量再更大些，最後中間的核心會塌陷變成黑洞。黑洞吸積它的伴星的物質同樣會發出熱能，其中在X光波段通常最亮，但如果用可見光波段觀測，往往也可以觀測到其亮度變亮。除此之外，根據現有的黑洞雙星系統的理論模型，X光與可見光這兩個波段發的光量的比例，與其物理機制有關，所以可以用觀測到這兩個波段的資料來回推並且修正現有的黑洞雙星理論模型。因此當臺灣的RIFT接到X光望遠鏡觀測到爆發的消息後，可以立刻進行在可見光波段的追蹤觀測，以提供重要資料。此外，別忘了黑洞雙星中還有一顆黑洞的伴星，這個質量比較小的恆星主要發出的就是可見光，RIFT可以根據所觀測到的伴星資料，推測這個伴星的特性，這對於了解這個伴星系統會有很大助益。 除了被動等待通知，積極進取不偷懶的RIFT還會進行巡天的偵測，並且將不同時間觀測的天空影像進行比對，如此就有機會發現天空中突然變亮的天體，甚至有機會比X光望遠鏡提早一步呢。 超大質量黑洞 不同於黑洞雙星的質量大約是恆星質量等級的，有一種黑洞的質量是恆星質量的數十萬倍以上，最高甚至可能到達上億倍！不講太遠的，我們銀河系中央就有一個這樣超大質量的黑洞坐鎮。這個黑洞叫做人馬座A星（Sagittarius A*），也就是2022年事件視界望遠鏡（EHT）他們觀測到看起來像『甜甜圈』的黑洞影像（見圖6）。其實不只我們銀河系，宇宙中其他星系中央也常常透露出有超大質量黑洞存在的證據。其中一類比我們銀河系中央的超大質量黑洞『狂野』，發出的光較強且亮度會變化，因此更容易被觀測到，加上因為位在星系的中央，因此被稱為『活躍星系核 （active galactic nuclei）』 ，簡稱AGN。有一些AGN的噴流剛好是面對地球的方向，時不時發出很強的伽瑪射線，能量到達TeV等級，就可以被觀測到，叫做耀變體（Blazer）（見圖7）。 因為目前尚未有TeV等級的全天望遠鏡，因此當一個這樣的天體爆發時不見得剛好被觀測到。但是因為在它爆發時，可見光波段也會變亮，所以就有機會被很勤奮一直在對整個天空做巡邏的RIFT給逮到。在TeV波段的切倫科夫望遠鏡陣列（Cherenkov Telescope Array, 簡稱CTA）逐漸完工並且加入觀測行列後，未來會有越來越多這類的高能天體被發現，此時RIFT正好可以與他們進行合作，提供在可見光這部分的資料，好獲得更完整的資訊。 圖6. 視界地平面望遠鏡『Event Horizon Telescope，EHT』。首次拍攝到位於我們銀河系中央的超大質量黑洞人馬座A星。EHT實際上是由八個電波天文台共同組成一個基線為地球大小的望遠鏡觀測陣列，以獲取高解析度的影像。
▍ 圖片來源：EHT Collaboration 圖7. 耀變體（Blazer）的想像圖。耀變體中央是密度很大的超大質量黑洞，並且兩側會有噴流噴出，噴流速度可被加速到接近光速。當其對著地球噴發時，我們可以觀測到它的亮度的變化。
▍ 圖片來源：Boston University - Cosmovision RIFT有何獨特之處？ 說了這麼多，你也許會問：『可是地球上觀測可見光的望遠鏡這麼多，臺灣甚至還有一個比RIFT大的鹿林一米望遠鏡，為什麼還需要RIFT呢？』 第一個原因是，RIFT動作敏捷。你從前面的說明可以知道，RIFT設計的目的是希望觀測瞬變天體的可見光。一旦收到在其他波段有突然變亮的星體，望遠鏡需要快速因應。所以整個望遠鏡的系統是採用自動操作，可以根據目前天文台的天候狀況，自動打開天文台觀測圓頂，然後自動轉到要觀測的天區。為了能夠快速對準目標以捕捉他們的光度變化，RIFT的轉動相當的靈活，最快每秒可以轉50度，比其他大型望遠鏡快許多。 當然重力波不是隨時都有，這種時候RIFT可不是閒閒沒事做。我們可以利用RIFT可以快速移動並自動進行觀測的特性，讓它『順便』觀測其他的緻密『瞬變』星（compact transients）。所謂瞬變星指的是在天空中突然變亮的星體，千新星當然也是其中之一。但是RIFT預計可以觀測到的瞬變星不止千新星，還包括黑洞雙星、超大質量黑洞、新星爆炸、以及毫秒脈衝星等發出的可見光。下面就是一些RIFT預計要觀測的對象： 第二個原因是，RIFT具有寬廣的視野。在未收到其他波段亮度變化情報的其他時段，RIFT會根據事先排定的時程自動進行巡天觀測，好追蹤我們密切關注的幾百個已知的緻密瞬變星，甚至發現新的瞬變星。為了可以看到比較寬廣的天空範圍，RIFT鏡頭還加了減焦鏡，使得視野大約為0.48平方度。 RIFT預計未來會由兩支望遠鏡組成，甚至可以擴充到四支望遠鏡。不同的望遠鏡可以選擇一起觀測同一個星體，但是使用不同波段的濾鏡，這樣可以同時測到在不同波段的亮度變化。或者也可以選擇看天空不同範圍，好在巡天觀測時可以加快掃過全天的速度。 圖8. RIFT與世界其他知名的自動化或巡天望遠鏡比較。
▍ 圖中左上虛線圈內代表的是可以看到比較暗的星體，但視野範圍小的望遠鏡。而右下角虛線圈內則是光感度雖然較低，但是視野範圍比較大的望遠鏡群。RIFT的光感度和視野範圍介於這兩大群之中。藍色圓圈的大小是以望遠鏡的口徑大小為比例。 第三個原因是，RIFT既獨特又『敏感』。圖8列出世界上其他知名的自動化或巡天望遠鏡視野與極限星等（註2）的比較圖，RIFT雖然沒有右下角那群望遠鏡的視野大，但是感光度（我們用極限星等表示）卻比較好，可以看到比較暗的星體，所以當要追蹤觀測某一突然爆發星體時，當其亮度慢慢變很暗時RIFT都還可以觀測得到。另一方面RIFT的視野又比左上角那群高感光度的望遠鏡好，代表巡天可以覆蓋到的天空範圍比較大。也就是RIFT在以上兩個條件中可以在觀測的主要目標中取得一個平衡。 目前與RIFT一樣位在圖8中間這群都是目前最先進的望遠鏡，例如DECam （Dark Energy Camera） 與 ZTF （Zwicky Transient Facility）。RIFT 和 DECam 是唯二兩個地面望遠鏡其感光度在近紅外線波段很高。近紅外線波段對於觀測一些周圍有很多氣體遮住的星體，例如中子星雙星，黑洞雙星 以及新星都很重要。但DECam位於南半球，因此位於北半球的RIFT 對於觀測近紅外線的瞬變星相對重要並可以補其不足。 此外，RIFT所在的鹿林後山中央大學天文台的場址，海拔高度2850公尺，所以大氣擾動較地面低很多，大氣擾動會使得太暗的星點糊成一團。但在鹿林，位於中天星體的清晰度（seeing，也有人翻成『視寧度』）約1.3角秒，也就是影像在1.3角秒以上角度都可以解析出來。這樣的清澈度，加上低城市光害，使得鹿林天文台的天空亮度可以接近地球上最暗天空，例如位於智利的La Silla天文台。 第四，RIFT不孤僻。除了自己的兩支望遠鏡，甚至未來有機會陸續生出的四個兄弟姊妹互相作伴外，RIFT也會與同樣位在鹿林天文台場址的好鄰居－中央大學的一公尺望遠鏡彼此合作，一起加入一個由美國加州理工學院發起的望遠鏡觀測聯盟－ GROWTH （Global Relay of Observatories Watching Transients Happen）。你從它的命名就可以知道，GROWTH的野心是要慢慢成長為一個很大的合作團隊，主要就是要觀測瞬變星體。這個聯盟目前共有18個地面望遠鏡加入，其中一個就是臺灣的鹿林一米望遠鏡。 此外，如同前面提過，RIFT研究團隊同時也是日本重力波觀測計畫KAGRA的合作夥伴，會與KAGRA針對重力波觀測繼續合作。新一階段的重力波聯合觀測 （O4）將於2023年再度啟航，RIFT也正摩拳擦掌開始作出準備，好在一測到重力波時，立刻啟動追蹤觀測。 前面有提到觀測TeV波段由國際合作打造出的CTA計畫，RIFT團隊今年也加入CTA合作夥伴計畫，並且已簽訂合作協議。 Go! Go! RIFT 根據即將於2023年再度啟動的LVK O4 及O5時段可能觀測到的重力波數量，以及RIFT可以觀測到重力波源（以黑洞中子星合併事件為主）估算，大約平均一個月會發生一次。至於不定時會發生的黑洞及新星爆發，平均大約分別每兩個月及每兩週發生一次。根據前文所述，RIFT 在等候隨時有可能發生的重力波或者是瞬變星體爆發的時段時，也不會放空，目前已經挑選了許多要陸續追蹤觀測的口袋名單。我們預計要先監測共計259個緻密瞬變星（Compact Object Transient, COT）的亮度變化，其中包括黑洞、黑寡婦或是紅背蜘蛛毫秒脈衝星，以及AGN。這些名單大約每個月可以觀測100個左右（見圖9）。 圖9. 左側為每個月RIFT預估可以觀測的緻密瞬星數量圖，右側則為各種觀測目標的時間分配比例估算。 與世界其他更大型的望遠鏡相比，RIFT雖然口徑小，團隊人數也不如大型國際研究團隊，但也因為如此可以很機動地做應變，搶得先機並做出貢獻。也可以成為臺灣本土天文人才與國際大型計畫合作，與參與重要科學發現的好橋樑。目前RIFT已完成建置，並且開始陸續做各種測試，且已經開始進行巡天掃描觀測。我們現在只待宇宙遙遠某處，一對緻密星體開始舞出最後致命的迴旋曲時，放送出讓時空都為之震動的漣漪。到那時，位在太陽系中那顆藍色星球上一個島嶼山頂的RIFT，已經準備好要接收他們所傳送過來的宇宙密碼了！ 每當日光緩緩褪去
鹿林後山 一個暗黑的所在
星瞬望遠鏡從沈睡中被喚醒
從天文台圓頂中探出頭
開始一天漫長的等候 他在等候 等候被召喚的時刻
等候深邃星空某處
兩顆死亡恆星最後迴旋之舞
互相毀滅交融時發出的耀眼光芒 他在等候 等候被召喚的時刻
等候深邃星空某處
兩顆死亡恆星最後迴旋之舞
互相毀滅交融時發出的耀眼光芒 在等待的日子 星瞬看著無垠的星空
看著星起 星落
他仍忠心守候 然後 當那天 那時刻到來
星瞬已經準備好 他將會迅即轉身
抓住那
星動的瞬間 [1] 註１：千歲星會瞬間發出這麼強的光的原因與超新星是因為爆炸變亮的原因不太相同。根據目前理論，千新星變亮是源自一連串的名叫『快中子捕獲過程：千歲星會瞬間發出這麼強的光的原因與超新星是因為爆炸變亮的原因不太相同。根據目前理論，千新星變亮是源自一連串的名叫『快中子捕獲過程 （Rapid neutron-capture process） 的核反應，簡稱『r-process』。經由這個過程，可以合成出比鐵重的元素。所謂快，是指進行的過程必須要讓原子核在還來不及衰變前就捕獲了下一個中子。因此這個過程要在自由中子密度很高的地方最容易成功。 [2] 註２：極限星等：可以觀測到最暗的星等，星等數字越大代表亮度越暗。
金若蘭
國立成功大學物理系博士後研究員
李君樂
國立成功大學物理系助理教授 參考文獻 [1] Li, K.-L., Metzger, B. D., Chomiuk, L., et al. 2017, Nature Astronomy, 1, 697 https://doi.org/10.1038/s41550-017-0222-1 [2] Hui, C.Y.; Li, K.L. High Energy Radiation from Spider Pulsars. Galaxies 2019, 7, 93. https://doi.org/10.3390/galaxies7040093
本文引用格式：金若蘭、李君樂（2023）。捕捉星動的瞬間－臺灣第一個全自動巡天望遠鏡：星瞬望遠鏡RIFT。科學研習，62（2），57-66。
風從哪裡來？
文／王嘉琪 前言—天動說與地動說 「風兒真可愛，陣陣吹過來，誰能告訴我，風從那裏來？」這個開場不但暴露年齡，也點出一個千古疑問，風是怎麼形成的？對大多數現代學生來說，都知道「氣壓梯度力會推動空氣移動便產生風」，但是你知道這樣一句簡單的說明，是經歷了多少摸索才搞清楚的嗎？在摸索的過程中，科學知識的內涵也不斷修改，逐漸形塑出現代樣貌。 在古希臘時代，人們相信「風」是由風神控制的，而且不同方向的風，都有各自的風神，當時把風向分為八個方向，所以一口氣就有八個風神。雖然古希臘人相信風是風神製造的，但是他們已經有相對運動的概念了，很清楚的知道：如果空氣跟人之間有相對運動，就會產生風。為什麼這麼說？因為他們在辯論另一個千古疑問時就應用了這個概念。著名的到底是天在動（天動說），還是地在動（地動說）的疑問，當時支持「天動說」最有力的說法之一就是：如果是地在動，我們應該會感受到極大的風速，一直不斷的往某個方向吹。但是實際上，風時有時無，忽大忽小，所以不可能是地在動。「天動說」因此勝出，並影響後世直到約16世紀中。 天象論 「因為空氣在動，所以形成風」這個過程看來是沒問題的，如果不用風神來解釋，該怎麼解釋為什麼空氣會動呢？ 大約西元前350年，亞里斯多德出版了史上第一本氣象專書「天象論（Meteorology）」，詳細描述了人類文明對自然環境及天氣變化的觀察與理解。當時認為地球上所有的物質都由四種基本元素（空氣、火、水、土）組成，每種元素有自己的「自然位置」，所以當元素離開自然位置時，就會「想要」回到原位，像是水往低處流，火舌往上竄等，因此產生我們觀察到的各種自然運動。關於「風」的成因，天象論裡提到一些跟「風」有關的舊觀念，例如：「風在土壤潮濕的地方才能觀察到」、「水從土壤蒸發時會形成風」、「當空氣移動或流動時就是風，所以風和空氣是一樣的。但是同樣的空氣，凝結時會變成雲和水，暗示風的本質也和水一樣」。 天象論中亞里斯多德對「風」的解釋也是承襲舊觀念，他還是認同空氣移動時會形成風，只是形成的過程更複雜了一些。他認為有兩種形式的蒸發，一種是潮濕的，也就是「水氣」，一種是乾燥的，姑且稱為「煙」。兩種蒸發都不能獨自存在，它們同等重要。「水氣」會形成下雨，「煙」則是「風」的主要來源，他強調「風」和「水」的本質不應該相同，但是即便本質不同，「風」和「水」還是會混在一起出現。同時他也試著利用乾、濕兩種蒸發的地區性差異及風的形成與消散來解釋為什麼冬季比較多雨。 整體想法是，在遠方潮濕的土壤上，受到太陽加熱後，「水」蒸發變成帶有「水」及「冷」的性質的空氣，也就是水氣，同時在乾燥的地表上也有「煙」蒸發出來並帶有「熱」的性質，提供了「風」的來源，風便帶著水氣移動過來。因為這些空氣帶有「冷」的性質，所以在移動過程中同時也會下雨，隨著空氣中的「水」越來越少，「冷」的性質也減少，逐漸只剩下「煙」，也就是具有「熱」的性質的空氣。等到「熱」的性質也會逐漸逸散消失，空氣運動就會慢下來，「風」就消失了。如果仔細思考，其實亞里斯多德說的「風」，應該就是中緯度常見的冬季風暴，在冬季由遠方帶來降水及冷空氣，整個風暴系統具有「風雨相隨，快速移動」的特徵，下雨過程結束後，風暴通常也消散了。後來，亞里斯多德的學說受到教會推崇，影響歐洲科學的發展長達2000年之久。 機械論 直到16世紀，因為宗教改革的影響，科學家開始挑戰教會權威及經典並帶動透過實作來理解大自然的風氣。從16世紀中開始，陸續有好幾位科學家，像是伽利略（Galileo Galilei）、波以爾（Robert Boyle）等人，都非常熱愛在大眾面前展示各種新鮮有趣的實驗。隨著知識及工藝技術的進展，人類對自然運動的理解，逐漸由「因為他想動」轉變為「因為有外力推了他一把」的理性解釋，也就是所謂的「機械論」。機械論同時也把各種「性質」再分得更仔細一點，一種是物體的主要性質，包括組成成分及運動方式。一種是物體的次要性質，也就是「冷、熱、味道、顏色」這種跟人的感官直接連結的性質。這樣的分類可以協助科學家們在討論問題時，避免去爭辯這些可能因為個人感覺不同而產生的差異，更聚焦在可以客觀量化的主要性質上。機械論非常強調要尋找造成物體移動的「機械因」，因此科學家在描述過程時會變得更加仔細，上一個步驟和下一個步驟環環相扣，也因此在發展理論時更容易找出邏輯缺口，可說是奠定了現代科學的思考方式。 在這段期間，有兩位重要的科學家先後完成了對氣壓的研究，分別是托里切利（Evangelista Torricelli）及帕斯卡（Blaise Pascal），也因此我們現在以這兩位科學家的姓作為氣壓單位。故事開始於1635年，在佛羅倫斯的宮廷修建花園的工人發現，不管怎麼調整抽水幫浦，水好像都無法抽到超過10公尺高的地方，伽利略就被授命研究一下這個問題，當然他依循了機械論的原則來解釋真空如何施力，可惜伽利略還沒來得及完成研究就過世了。在他生命的最後幾年，在托里切利的協助下，出版了他最後一本著作「關於兩門新科學的對話」（1638年出版），其中便有他關於「真空的力」的研究（圖1）。
圖1. 伽利略在「關於兩門新科學的對話」中提及一個用來證明「真空的力」的裝置。
▍ ABC是金屬桶，EFGH是可以完全與桶子密合的木塞，IK 是可在木塞中活動的鐵絲，I頭呈漏斗狀，與木塞的形狀要契合。實驗的方式是把木塞推到底，把空氣由鐵絲孔擠出來後，再把鐵絲拉緊就形成真空，K的掛鉤處可以加上重物，藉此證明真空能施力在物體上。由於寫作這本書時，伽利略已經重病，一般認為他並沒有真的製作出這個裝置，而是一種「思想實驗（thought experiment）」。書中提及的實驗皆遵守機械論的原則，詳細描述其過程。 實驗論證 在機械論被廣泛接受前，人們對於幫浦為什麼可以抽水的解釋方法是深受亞里斯多德影響的。當你把管子裡的空氣抽走形成真空時，下面的水因為「厭惡真空」，所以會上升來填補。而且不同的液體厭惡真空的程度還不太一樣，所以上升的程度不同。除此之外，也有不少人覺得那個空間中，除了空氣以外可能還有其他物質，這些不知名的物質可以通過管壁填補真空。 後來由他的學生－托里切利接續這個研究並設計了水銀管實驗，托里切利把夠長的試管裝滿水銀後暫時封住開口，倒置到一盆水銀中後再打開封口，管中的水銀會下降到高度約76公分，傾斜試管時，水銀在垂直方向上的高度是維持不變的。這個水銀管實驗順利證明了真空存在，也因此被稱為「托里切利真空」。與伽利略不同的是，托里切利認為支撐住水銀高度的力是從管子外面來的，由於底下那盆水銀的表面上只有空氣，他認為就是空氣的重量形成了這個外力（圖2），而水銀柱的高度會與上方空氣的重量平衡，也因此留下一句名言：「我們生活在空氣之海的底部」。
圖2. 托里切利於1644年，寫給朋友Michelangelo Ricci 描述關於水銀管實驗的信中的插圖。
▍ E的球狀空間是用來證明真空無法施力拉住水銀柱，他的想法是，如果真空是力的來源，較大的真空空間，應該可以把水銀拉到更高的地方。 （圖片來源：A Source Book in Physics by William Francis Magie） 但是新觀念的建立沒有那麼容易，一直不斷有支持亞里斯多德經典的科學家質疑真空是否存在。對於支持透過實作來獲取知識的科學家來說，氣壓也不是那麼容易理解，因為一般感官很難察覺氣壓的存在與變化。所以後來托里切利的學生，帕斯卡，也接手了水銀管實驗繼續釐清真空與氣壓間的關係。最後，帕斯卡在1647年證明了水銀管頂部必須是真空，空氣壓力才能支撐住水銀柱。如果說空氣壓力來自我們頭上的那一整層大氣，那表示在不同高度的地方，上方空氣的厚度不同時，氣壓應該也會不一樣，如果可以在不同高度的地方重複水銀管實驗，應該可以證明這件事。 帕斯卡由於身體不好，便央求姊夫佩里埃（Florin Périer）幫他執行這個計畫。計畫執行當天，還邀請了城內數名重要人士作為證人，這是當時展示實驗的必要條件之一。佩里埃先在城內的教會花園裡，在固定的位置上重複執行水銀管實驗三次，每次都使用了好幾根水銀管，確認每次實驗，每一根水銀管的結果都讀到26.22英寸的水銀高度（約66.6公分，相當於888百帕），最後他把其中一根水銀管固定好位置，標記當時水銀柱高度後，就請神父幫他看著並記錄可能發生的任何變化。接著他帶著其他器材爬到住家附近的多姆山（Puy de Dôme），海拔大約1.46公里，比教會的海拔高約900公尺。他在山頂上幾個不同的位置，重複同樣的實驗五次，每次都量到大約23.125英寸的高度（約58.74公分，相當於783百帕）。因此證實了氣壓會隨高度減少，空氣是有重量的。 托里切利在數學及科學上的眾多成就大部分都沒有留下來，後人僅能從他與朋友間的書信略知一二，他在1642年被選入克魯斯卡學院（Accademia della Crusca）時曾給過一些演講，在其中一個關於「風」的演講中，他反駁了早期的理論（濕潤的土壤在蒸發時釋出的空氣形成了風），主張風是因為兩個地區間的溫度（因此也可說是密度）差異造成的，這也是有史以來最接近現代理論的成因解釋。可惜他跟帕斯卡都還沒有把對氣壓的研究和風的成因連結起來。不過這是可以理解的，因為當時氣壓的觀念很新穎，氣壓計的製作技術也還不夠完善，難以大量製造並建立夠廣的觀測網。 海上貿易活動，助長人們對風的理解 人類文明對於風的系統性研究是因為海上貿易活動，在工業革命前海上貿易都是靠帆船進行，也就需要風力，因此大約在14世紀左右就已經知道「信風」這個現象，當時稱為「貿易風」。也許是因為伽利略的望遠鏡大力支持了地動說，人們開始接受貿易風的成因是因為在赤道地區，地球自轉的速率比空氣快，跟不上地球自轉的空氣自然形成東風，這種直覺的理解完全承襲了文章一開頭提到的相對運動，並不是正確的解釋。大約在17世紀末，英國皇家學會興起了一陣關於大氣環流的辯論，其中最有名的一位是天文學家哈雷（Edmond Halley），他在1686年發表的文章中描述了在大西洋赤道附近會有長年吹拂的東北風，也就是貿易風（圖3）。 他也描述了在靠近非洲大陸這一側的貿易風與美洲那側的不太一樣，在Guinea Coast的附近是吹西南風。類似的現象也在北印度洋出現，從十月到隔年四月會吹東北風，另外半年則吹西南風，也就是「季風」。除了以地球自轉及空氣的相對運動來解釋貿易風外，哈雷再加上太陽對海面的加熱差異，來解釋為何貿易風會出現南北方向的分量，而不是單純的東風。同時他也以太陽對陸地及海洋加熱的差異來解釋季風的形成，他的想法也是沿襲自托里切利的主張，因兩地的溫度差異形成了空氣密度的差異來解釋。人們對風的理解，自此又維持了大約半個世紀。 圖3. 哈雷於1686年繪製的貿易風與季風圖。 科氏力─地球旋轉導致運動方向偏轉 到了18世紀，英國律師哈德里（George Hadley）提出地球自轉才是造成貿易風會偏轉的主要原因，他在1735年發表了這個理論：太陽在赤道地區加熱空氣，赤道的空氣上升到高空後往兩極移動並漸漸變冷，到了兩極會下降回地面並往回流向赤道，這就是「單胞環流理論」。同時他也提出因為地球的自轉軸在赤道上比在南北回歸線上長的關係，使得由高緯往赤道走的空氣，在到達赤道時速度會比赤道自轉的速度慢，因此風向會偏東。也就是運動中的物體，在沒有摩擦力的情況下，動量要守恆的概念。但是哈德里的解釋在當時很不容易被理解，同時前輩哈雷的論文已經被收錄在當時百科全書（Chamber’s Cyclopaedia）中，使得哈德里的解釋持續被忽視了近100年。 不過，因為地球旋轉產生運動方向偏轉的概念，其實早在1674年時就被提出來了。義大利神學家里喬利（Giovanni Battista Riccioli） 就曾討論到發射砲彈時，砲彈軌跡會因為地球旋轉而產生偏移的可能性（圖4）；有趣的是，這樣的偏移以當時的技術無法觀察到，因此里喬利及其後好幾位科學家都以此為依據反對「地動說」。之後歐拉（Leonhard Paul Euler, 1749）及拉普拉斯（Pierre-Simon, marquis de Laplace, 1778）這兩位數學家都嘗試以數學方法理解這個偏向力，但一直到1835年才由法國科學家科里奧利（Gaspard-Gustave Coriolis）推導出完整的數學式子，當時用來解釋水車運轉時，水流會受到的力及產生的方向偏轉等問題，科里奧利將這個偏向力命名為「複合向心力」，以便跟已知的向心力區隔。到了1856年，美國氣象學家弗雷爾（William Ferrel） 將「複合向心力」應用來解釋貿易風的風向偏轉，這種因為系統旋轉產生的偏向力才正式進入氣象學的領域，並在1920年左右正式出現「科氏力（Coriolis force）」一詞。 圖4. 義大利神學家里喬利在1651年出版的「新天文學大成」中，用來解釋砲彈軌跡因為地球自轉而偏轉的插圖。
▍ 他認為位在P的炮台往東發射時，砲台與砲彈B會一起跟著地球自轉，所以最後一起移動到東方一點的位置上，且砲彈的軌跡不會偏轉。但是往北發射砲彈時，原本AE的砲彈軌跡，會因為砲台與砲彈分別跟著地球自轉移動到 R與G的位置，所以軌跡變成AG，表示有了偏轉。 氣壓分布與空氣運動的關係
圖5. 德國物理學家布蘭德斯於1816~1820年左右繪製的天氣圖。 人類第一次意識到有綜觀尺度的天氣系統存在，是在1820年左右，德國物理學家布蘭德斯（Heinrich Wilhelm Brandes）畫出世界上第一張天氣圖後（圖五），科學家終於有機會看到氣壓分布與空氣運動之間的關係：風向呈現逆時針轉並偏向低壓中心吹（cyclone）。但是當時「複合向心力」的概念還沒有出現，布蘭德斯也無法解釋為什麼空氣往低壓流動時會偏轉方向。 有系統的氣象觀測大約自1850年開始，英國海軍中將費茲羅（Robert FitzRoy）注意到地表氣壓的變化趨勢和天氣變化有明顯的相關，因此在英國建立了大約15個氣象站，並設定好固定的觀測時間，再利用電報機把氣象資料傳回來。英國氣象學家高爾頓（Francis Galton）則更進一步開始收集全歐洲的氣象資料，並首次建立起國際間一致的氣象觀測項目及時間，高爾頓也首度製作出具有即時天氣預報功能的天氣圖，並把順時針轉的天氣系統命名為反氣旋（anticyclone）。在美國則是Joseph Henry教授，透過史密森尼學會（Smithsonian Institution）招募志願者來組成氣象觀測網（詳見《科學研習》雙月刊，第61卷第3期，「集眾人之力的氣象研究」）。 此後，隨著觀測資料及天氣圖逐步累積，氣象學家終於有足夠多的資料來驗證假說，發展新理論。最後透過挪威氣象學家皮耶克尼斯（Vilhelm Friman Koren Bjerknes）及他領導的卑爾根學派（Bergen School of Meteorology），在20世紀初以數學及物理定律，釐清了空氣運動與氣壓梯度力及科氏力的關係，漸漸建立了動力氣象學及現代天氣預報的基礎，人類也終於搞清楚風從哪裡來了。 科氏力─地球旋轉導致運動方向偏轉 到了18世紀，英國律師哈德里（George Hadley）提出地球自轉才是造成貿易風會偏轉的主要原因，他在1735年發表了這個理論：太陽在赤道地區加熱空氣，赤道的空氣上升到高空後往兩極移動並漸漸變冷，到了兩極會下降回地面並往回流向赤道，這就是「單胞環流理論」。同時他也提出因為地球的自轉軸在赤道上比在南北回歸線上長的關係，使得由高緯往赤道走的空氣，在到達赤道時速度會比赤道自轉的速度慢，因此風向會偏東。也就是運動中的物體，在沒有摩擦力的情況下，動量要守恆的概念。但是哈德里的解釋在當時很不容易被理解，同時前輩哈雷的論文已經被收錄在當時百科全書（Chamber’s Cyclopaedia）中，使得哈德里的解釋持續被忽視了近100年。 不過，因為地球旋轉產生運動方向偏轉的概念，其實早在1674年時就被提出來了。義大利神學家里喬利（Giovanni Battista Riccioli） 就曾討論到發射砲彈時，砲彈軌跡會因為地球旋轉而產生偏移的可能性（圖4）；有趣的是，這樣的偏移以當時的技術無法觀察到，因此里喬利及其後好幾位科學家都以此為依據反對「地動說」。之後歐拉（Leonhard Paul Euler, 1749）及拉普拉斯（Pierre-Simon, marquis de Laplace, 1778）這兩位數學家都嘗試以數學方法理解這個偏向力，但一直到1835年才由法國科學家科里奧利（Gaspard-Gustave Coriolis）推導出完整的數學式子，當時用來解釋水車運轉時，水流會受到的力及產生的方向偏轉等問題，科里奧利將這個偏向力命名為「複合向心力」，以便跟已知的向心力區隔。到了1856年，美國氣象學家弗雷爾（William Ferrel） 將「複合向心力」應用來解釋貿易風的風向偏轉，這種因為系統旋轉產生的偏向力才正式進入氣象學的領域，並在1920年左右正式出現「科氏力（Coriolis force）」一詞。 結語 我們學習的現代科學，來的並不是那麼理所當然。回顧歷史，會發現每個時代的科學家都可能被當時的信念框住，對於事實視而不見。或在他們摸索的過程中，受限於當時的科技水準及理解能力而受挫。但是每個時代都仍不斷創造出一些新觀念，淘汰一些舊想法，因此在科學課程中應該包含了科學知識和世界觀的演變，也就是看看人類過去是如何理解自然的運作。學習科學史，知道人類文明是如何走到目前的樣態也是非常重要的過程。
王嘉琪
中國文化大學大氣科學系教授 圖片來源 [1] Galileo G.: Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno à due nuove scienze [Discourses and Mathematical Demonstrations Relating to Two New Sciences] , translated by Crew H, di Salvio A. New York: Macmillan, 1914, p. 74–75 [2] Evangelista Torricelli: Letter to Michelangelo Ricci concerning the Barometer, June 11, 1644. In: Collected Works Vol. III （1919）. Also in: William Francis Magie: A Source Book in Physics （New York: McGraw-Hill, 1935）. [3] Edmond Halley （1686）: An historical account of the trade winds, and monsoons, observable in the seas between and near the Tropicks, with an attempt to assign the physical cause of the said winds. [4] ETH Library （https://library.ethz.ch/en/） https://www.e-rara.ch/zut/content/pageview/141486 [5] Friendly, M. & Denis, D. J. （2001）. Milestones in the history of thematic cartography, statistical graphics, and data visualization. Web document, http://www.datavis.ca/milestones/. Accessed: March 4, 2023. 參考文獻 [1] 王嘉琪（2022）：集眾人之力的氣象研究，《科學研習》雙月刊，第61卷第3期，P82-88。 [2] 亞里斯多德，天象論（英文版） http://classics.mit.edu/Aristotle/meteorology.html [3] 科學革命：一段不存在的歷史。作者：史蒂文．謝平（Steven Shapin），譯者：許宏彬、林巧玲，出版社：左岸文化，出版日期：2010年07月30日 [4] 關於兩門新科學的對話（中文版），作者：伽利略，出版社：大塊文化，2019出版。 [5] 托里切利介紹 https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Torricelli/ [6] West, J.B.（2013）：Torricelli and the Ocean of Air: The First Measurement of Barometric Pressure. Physiology （Bethesda）.66-73. doi: 10.1152/physiol.00053.2012. PMID: 23455767; PMCID: PMC3768090. [7] Brandes, H. W.（1819）: Einige Resultate aus der Witterungs-Geschichte des Jahres 1783, und Bitte um Nachrichten aus jener Zeit; aus einem Schreiben des Professor Brandes an Gilbert. Annalen der Physik. 61. 421-426. （Some results from the history of the weather in 1783, and asking for news from that time; From a letter from Professor Brandes to Gilbert）
本文引用格式：王嘉琪（2023）。風從哪裡來？科學研習，62（2），48-54。
聖嬰與反聖嬰期間，副高對於颱風路徑的影響探討
文／吳明峯、陳鴻碩、李立言
林丹宇、江佳倫、王嘉琪 研究動機
每逢七至十月，颱風（註1）會接二連三逼近甚至侵襲臺灣，為臺灣挾帶極其豐沛的雨量；然而2020年與往年相較，我國中央氣象局（Central Weather Bureau，以下簡稱CWB）僅針對一個颱風發布陸上颱風警報（如圖1），頻率遠低於每年平均（約三至四個），推測乃該年發生反聖嬰現象（La Niña）並對副熱帶高壓（subtropical high，以下簡稱副高）的強度以及勢力範圍產生影響，由於颱風通常沿著副高邊緣移動，副高發生改變後，進而讓颱風路徑偏離臺灣所致。 圖1. 2020年西北太平洋所有颱風的路徑集成圖
▍ 其中藍線為CWB未發布警報者（共18個）、綠線為CWB僅發布海上颱風警報的颱風（共4個）、紅線則為CWB發布海上陸上颱風警報的颱風（共1個）。
為此，本文將探討1981至2020年共40年間的熱帶氣旋旺季（即七至十月，以下將這四個月的平均值一併簡稱為JASO），聖嬰-南方振盪（El Niño-Southern Oscillation，以下簡稱ENSO）在不同相位（如表1）時的副高變化（含西緣處、勢力範圍、副高指數）與颱風路徑兩者間的相互關係及其機制。 表1. 1981年至2020年共40年間的逐年（發展期）ENSO相位 使用資料及研究方法
由於副高屬於半永久性的大尺度系統，故此研究僅考慮副高對颱風路徑的影響，並將藤原效應（Fujiwhara Effect）、高空冷渦（cold core low）等空間及時間尺度較小的條件，以及不易受時間推移而出現變化的地形因素予以排除。研究中所使用的副高指數（subtropical high index）為該年JASO的500hPa等壓面平均重力位高度（geopotential height，註2），減去近40年來逐年JASO的氣候平均值，空間範圍取北緯15至25度、東經115至150度海域（Huang et al., 2018），資料採自NCEP/NCAR Reanalysis 1（註3）。一般來說，如果副高指數呈正值，表示副高在該年JASO比氣候平均強，反之則較弱；副高指數的絕對值愈小表示愈接近氣候平均值，絕對值愈大則愈極端。若須濾除全球暖化影響，則將同樣範圍的500hPa平均重力位高度，與北緯0度至北緯40度、西經180度至東經180度平均重力位高度相減，即可求出其偏差值（deviation）。
至於聖嬰（El Niño）或反聖嬰現象，發生期間則約一餘年，首年夏秋為發展期、首年冬季至次年初之間為成熟期、次年春夏則為衰退期，其中發展期則與上述熱帶氣旋旺季相當。聖嬰指數的定義方面，資料採自美國國家海洋及大氣總署所重建的海表面溫度（NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature，以下簡稱SST），計算在Niño 3.4區域內（即北緯5度至南緯5度、西經120至170度）的SST距平（相較於同一區域的氣候平均值），經三個月滑動平均平滑過後，則可得出海洋聖嬰指數（oceanic Niño index，以下簡稱ONI）。若至少連續五筆ONI在絕對值0.5°C以上，即為聖嬰年或反聖嬰年（Lindsey, 2009）。
有關颱風路徑分類，資料採自區域專責氣象中心（Regional Specialized Meteorological Centre）所轄之東京颱風中心（Tokyo Typhoon Centre，通稱RSMC Tokyo）最佳路徑（best track，註4），從中篩選出強度達熱帶風暴（tropical storm，近中心十分鐘持續風速達35kts）且全程移動的西行分量大於東行分量的熱帶氣旋，並根據路徑分成TT、NT及ST三類——先將路徑進入臺灣本島海岸線向外延伸500km範圍以內的熱帶氣旋歸類為TT，再將其餘路徑分為NT及ST，其中NT通過北緯30度以北，而ST則須通過東經122度以西且未越過北緯19度以北（郭，2019）。 研究成果
研究過後發現，近40年間JASO副高勢力範圍有逐漸西伸的情況，面積亦顯著增廣（如圖2），副高指數的趨勢線則表現出上升的狀態。具體數據上，反聖嬰年的副高指數平均為3.14，大於聖嬰年的 -1.23，其中2020年之副高指數高達10.35，不僅超越反聖嬰年副高指數平均值，更已大於一個標準差（如圖3）；而在濾除全球暖化影響之後，其偏差值的趨勢線卻呈現下降的趨勢，有可能是受熱力機制影響，大氣層平均高度加厚，從而令副高隨之增強（如圖4）。 圖2. 1961年至2020年共60年間的JASO，太平洋500hPa等壓面重力位高度，其5880gpm等高線的位置。實線代表每20年的副高平均勢力範圍的分布狀況。顏色代表時間的先後順序，分別為綠色（1961年至1980年）、紅色（1981年至2000年）及藍色（2001年至2020年）。
圖3. 1981年至2020年共40年間的JASO副高指數時序圖。縱軸零值線代表此期間內500hPa平均重力位高度、紅點為聖嬰年、藍點為反聖嬰年、綠點則為正常年，標準差（σ）為6.88。大於一個標準差的值，以95% 信心區間執行student-t檢驗，p值為0.048（
圖4. 1981年至2020年共40年間的JASO副高指數（橘實線）與濾除全球暖化影響後所得出之偏差值（藍實線）時序圖，其中虛線則為上述各自之趨勢線。左側縱軸為偏差值、右側縱軸則為副高指數。
在副高勢力西緣處方面，近40年間JASO平均落在東經133度。其中聖嬰年平均落在東經135度，多分布於臺灣東部海面上；反聖嬰年平均則落在東經125度，均勻分布於臺灣本島及其東西兩側海面上，有4次個案（分別為1995年、2005年、2008年及2016年）於臺灣上空、有5次個案（分別為1983年、1998年、2010年、2017年及2020年）則伸進至中國內陸（如圖5、圖7）。若單論2020年此宗個案，更是落在東經108度（如圖6），顯見該年副高勢力異常強盛。分析上述副高指數及其勢力西緣處兩者之相關性，發現相關係數竟達 -0.9，呈高度負相關（如圖8），表示兩者關係甚為密切——當副高指數愈高時，勢力範圍向西伸；而副高指數越低時，勢力範圍向東退。 圖5. 1981年至2020年共40年間的JASO，500hPa平均重力位高度5880gpm等高線位置（黑色曲線）。其中(a)計算所有年份，(b)及(c)則僅分別計算聖嬰年及反聖嬰年。，500hPa平均重力位高度5880gpm等高線位置（黑色曲線）。其中(a)計算所有年份，(b)及(c)則僅分別計算聖嬰年及反聖嬰年。
圖6. 500hPa平均重力位高度5880gpm等高線位置。其中(a)僅計算2020年JASO期間，(b)則計算1981年至2020年共40年間的所有反聖嬰年JASO期間。
圖7. 1981年至2020年共40年間的JASO太平洋500hPa重力位高度5880gpm等高線西緣處空間分布圖。其中圓形表示正常年，三角形及方形則分別為聖嬰年及反聖嬰年。逐年ENSO相位如表1。
圖8. 1981年至2020年共40年間的JASO，副高指數（橘實線）及500hPa平均重力位高度5880gpm等高線西緣處經度（藍實線）時序圖，其中虛線則為上述各自之趨勢線。左側縱軸為副高指數、右側縱軸則為西緣處經度。
從各類颱風路徑的頻率統計來看（如表2），聖嬰年JASO以NT為最多，佔比高達48%（平均7.54個），與上述副高指數在聖嬰年時偏低、勢力向東退的情形相互呼應，從而令颱風大多往日韓一帶行進；反聖嬰年JASO則以TT為最多（平均5.93個），佔比則達42%，則反應出副高指數在反聖嬰年偏高、其勢力向西伸時，臺灣受颱風侵襲的機會較大。若單論2020年此宗個案，可發現到ST多達7個，遠多於平均反聖嬰年的數量，研判是JASO副高指數在該年相較反聖嬰年平均值高出許多，其勢力西緣處亦異常偏西，使得當年的颱風多往中南半島一帶侵襲。 表2. 1981年至2020年共40年間的JASO，所有年份與ENSO各種相位年份之間的颱風數量統計。其中TT為進入臺灣本島海岸線向外延伸500km範圍以內的颱風；NT為通過北緯30度以北且未進入TT範圍的颱風；ST則為通過東經122度以西且未越過北緯19度以北、亦未進入TT範圍的颱風。
淺談2020年副高異常偏強的成因，據觀察是當年JASO海洋大陸（Maritime Continent，註5）與印度洋熱帶海面的SST一度出現暖異常，該處垂直上升運動異常偏強，在經過大氣環流作用之下，於臺灣東部海面產生偏強的垂直沉降運動所致（Paek et al., 2016，如圖9）。 圖9. 2020年JASO海表面溫度距平（左）及垂直速度分布圖（右）。紅框範圍為海洋大陸。 結論
一、近40年間副高指數及其勢力西緣處兩者之相關性達 −0.9，呈高度負相關，表示兩者關係甚為密切—當副高指數愈高時，勢力範圍向西伸；而副高指數越低時，勢力範圍向東退。
二、反聖嬰年發展期的副高指數相較近40年間平均大，西緣處較西伸，颱風路徑以ST較多、NT較少；反之，聖嬰年發展期的副高指數相較近40年間平均小，西緣處較東退，颱風ST路徑較少、NT較多。
三、2020年副高異常偏強，ST路徑遠多於反聖嬰年平均值。研判是海洋大陸出現垂直上升運動，經大氣環流作用下，於西北太平洋產生沉降，使得副高指數在該年JASO相較反聖嬰年JASO平均值高出許多，其勢力西緣處亦異常偏西所致。 註釋 註1：如無特別強調，本文所指的「颱風」一概指強度達熱帶風暴（tropical storm，近中心十分鐘持續風速達35kts）的熱帶氣旋，而非由RSMC Tokyo所定義的近中心十分鐘持續風速達64kts以上。 註2：重力位高度相當於平均海平面以上某一氣壓面的高度。當單位質量的空氣在上升時，克服重力（g）的過程中作了9.8焦耳的功，其上升高度稱之為1gpm（重力位米）。重力位米（Z）和幾何米（z）兩者關係為 Z =gz÷9.8。 註3：再分析資料（reanalysis data）是一種融合觀測及電腦模式模擬的資料，格式整齊，使用方便，被廣泛應用在氣候分析上。 註4：最佳路徑（best track）是指在熱帶氣旋消亡之後，熱帶氣旋監測機關會再次定位其每六小時之中心位置，並重新評級每六小時之近中心最大風速、最低氣壓及各級風最大暴風半徑，以供氣象學界日後研究之用。 註5：「海洋大陸」（Maritime Continent）範圍包括菲律賓群島、馬來半島、婆羅洲、東印度群島、紐幾內亞及其上述島嶼之周邊海域。該地區由數千座大小不一的島嶼、多山的地形和許多淺海所組成。由於赤道東風為當地帶來溫暖的海水，大氣中富含充足的水份和熱力對流能量，被氣象學界認為是全球大氣環流系統的重要能量來源。
本研究為110學年度中國文化大學大氣科學系
畢業成果展作品
獲專業評分第一名、觀眾投票第一名
組員：林丹宇、江佳倫、陳鴻碩、李立言、吳明峯
指導老師：王嘉琪教授
參考文獻 [1] 郭韋辰（2019）。影響西北太平洋西行熱帶氣旋路徑之大尺度特徵。中國文化大學地學研究所大氣科學組碩士論文。 [2] Lindsey, R. (2009): Climate Variability: Oceanic Niño Index, NOAA Climate. [3] Huang, Z., W. Zhang, X. Geng, and F.-F. Jin (2020): Recent Shift in the State of the Western Pacific Subtropical High due to ENSO Change, Journal of Climate, 33(1), 229–241. [4] Paek, H., J.-Y. Yu, F. Zheng, and M.-M. Lu (2016): Impacts of ENSO diversity on the western pacific and north pacific subtropical highs during boreal summer. Climate Dyn., 52, 7153–7172. doi:10.1007/S00382-016-3288-Z
本文引用格式：林丹宇、江佳倫、陳鴻碩、李立言、吳明峯、王嘉琪（2022）。聖嬰與反聖嬰期間，副高對於颱風路徑的影響探討。科學研習，61（6），80-87。
國際化的地震資料中心
文／蕭乃祺、甘志文、莊雅婷 前言
氣象局從1990年代初期開始執行強地動觀測計畫（辛在勤，1993），建置現代化的地震觀測網與測報作業，過去30年來的成果國人有目共睹、有口皆碑，所累積的寶貴資料更是世界重要的瑰寶。為促進我國地球科學領域的學術發展，氣象局於2006年建置「地球物理資料管理系統」（Geophysical Database Management System，簡稱GDMS），彙整地震、地球物理觀測儀器紀錄與地震資料，透過網站提供國內學術界下載研究使用（蕭乃祺等，2012；Shin et al., 2013）。
原系統建置至今已逾15年，在系統功能面與資料服務面上，皆已不符合管理者與使用者的需求。例如資料缺乏檢核機制、儀器參數提供不完整、資料檔未使用國際慣用格式、資料更新即時性不足等，皆會造成使用者資料索取與使用的不便。另外資料僅開放國內學者使用，亦侷限資料的應用效益，無法有效擴大國際學者對於臺灣地震的研究興趣。
有鑑於此，為進一步活化地震觀測資料的使用，對國內外的地球科學研究作出貢獻，進而提升臺灣在國際相關領域的能見度，氣象局於2020年開始建置新一代符合先進國際標準的資料管理系統與服務平臺。新系統名稱為「臺灣地震與地球物理資料管理系統」，英文名稱則沿用GDMS，以建置標準化、自動化的資料典藏與服務系統為目標，期使我國成為國際地震資料中心之一。
新系統主要委託中央研究院地球科學研究所進行建置（梁文宗等，2020；梁文宗等，2021），該團隊具有地球物理相關領域資料服務推廣的實務經驗，並服務全球。經過雙方合作開發後，新系統於2021年初開始上線測試（圖1），透過試營運彙整使用者回饋意見，持續優化與擴充系統功能，並於2022年正式宣布啟用，開始全面服務全球註冊的使用者（圖2）。 圖1. 氣象局新GDMS提供全球註冊使用者申請資料的網站首頁，網址為https://gdmsn.cwb.gov.tw/。
圖2. 新GDMS於2022年正式開始服務全球學術界與教育界的使用者
▍ 中研院梁文宗博士提供 特色
新系統以「先進國家國際標準」為規範，經參考美國IRIS（Incorporated Research Institutions for Seismology）、歐盟ORFEUS（Observatories & Research Facilities for European Seismology）、日本NIED（National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience）等全球三大資料服務中心，管理與提供近即時地震、地球物理符合國際標準格式的觀測資料。其主要特色包含： 一、提供儀器觀測連續紀錄（完整性）
完整提供氣象局地震、地球物理相關儀器所蒐集的連續紀錄。地震資料包括短週期地震儀、強震儀、寬頻地震儀所記錄的震動波形，取樣率每秒100點。地球物理資料則包括全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）所記錄的地表變形、水位計的地下水位、磁力儀的地磁強度等3種資料，其中GNSS觀測資料的取樣率為每30秒1點，水位計與磁力儀資料的取樣率則是每秒1點。
另外，新系統最大進步是觀測儀器詮釋資料（metadata）的管理與提供，詮釋資料主要描述測站位置、營運歷史與維護紀錄，同時提供詳細的儀器響應（instrument response），對於使用者將原始資料（raw data）還原至真實物理量，進而分析資料非常重要。 二、資料檔符合國際標準格式（通用性）
儀器觀測資料與詮釋資料均採用國際標準格式，同時資料查詢、瀏覽與下載介面，亦參考國際上先進的資料中心設計。觀測資料方面，地震波形資料採用SEED（Standard for the Exchange of Earthquake Data）格式，方便數據的交換與歸檔，同時已有許多發展成熟的軟體或函式庫可以直接使用。GNSS資料亦採用通用的RINEX（Receiver Independent Exchange Format）格式，地磁資料採用IAGA2002格式，地下水位則因資料較單純，採純文字檔方式提供。
詮釋資料方面，地震儀採用dataless SEED以及StationXML兩種格式存檔，GNSS、水位計和磁力儀則以純文字、試算表或資料表等方式儲存，同時相關資訊亦全部轉入資料庫線上管理。 三、以即時或近即時更新頻率提供最新資料（即時性）
新系統在資料更新的頻率上進行優化調整，所有地震儀的波形資料會一直開放至現在時間的15分鐘前，因此使用者除了可以蒐集連續資料外，並能在大地震後，馬上下載震波紀錄進行分析。另外地球物理資料則每日產製1個檔案，開放到前一天。 四、開放全世界學術界下載資料（國際性）
新GDMS開放全球的學術界與教育界使用，預期可以吸引國內外有興趣的學者、教師與學生投入臺灣地震相關議題的研究，促進我國地球科學領域的研究發展，同時有助於我國成為全球重要地震資料的服務中心之一。 資料
GDMS所提供資料主要為氣象局地震、地球物理觀測網測站儀器的連續紀錄，以及臺灣的地震目錄。經過30年來的持續經營，氣象局已經建置3個全方位、高密度的觀測網，包括中央氣象局地震觀測網（Central Weather Bureau Seismographic Network, CWBSN）、臺灣強地動觀測網（Taiwan Strong Motion Instrumentation Program network, TSMIP）、臺灣地球物理觀測網（Taiwan Geophysical Network for Seismology, TGNS）（蕭乃祺，2019）。地震目錄則是透過氣象局地震定位專業的同仁，仔細挑選地震波相而完成，過程耗時且無法完全以機器取代，為地震方面學術與災害研究非常寶貴的資料庫。
資料種類與研究用途介紹如下： 一、中央氣象局地震觀測網CWBSN
CWBSN目前運作中的測站數量超過150站，安裝的地震儀包括短週期地震儀、強震儀與寬頻地震儀。寬頻地震儀與短週期地震儀皆是速度型地震儀，可以記錄非常微小地震的震動訊號，加上寬頻地震儀具有記錄長週期訊號的能力，因此也可以偵測震央距離超過1000公里以上的遠震。強震儀則是加速度型地震儀，可以忠實記錄強烈地震的波形紀錄，不會發生失真飽和的情形。測站位置除地表站外，為了避免人為雜訊的干擾，亦建置數十座井下地震儀觀測站，將地震儀安裝在平均深度300公尺的井內，另外為擴大地震監測範圍，在東部海域亦建置數座海底地震儀觀測站。
地震儀觀測資料可以提供臺灣地震活動、孕震構造與地震科學的相關研究，同時亦可應用於防災領域，例如有感地震的速報預警、震後山崩及土壤液化快速評估等。新系統將提供CWBSN地表站與井下站地震儀器的連續波形資料，目前提供下載的測站數約為120站（圖3），可下載資料時間從2012年1月1日開始，一直開放到現在時間的15分鐘前。 圖3. 新GDMS現階段提供中央氣象局地震觀測網CWBSN資料的測站分布，測站類型包括地表與井下地震儀觀測站，測站數約120站，儀器種類則有短週期地震儀、強震儀與寬頻地震。
▍ 取自氣象局新GDMS網站 二、臺灣強地動觀測網TSMIP
為完整蒐集臺灣各都會區地盤的強震波形紀錄，氣象局於1990年代初期開始建置高密度的強地動觀測網TSMIP，截至目前總共設有700座以上的自由場強震站。測站安裝的地震儀全部為強震儀，皆採用力平衡式加速度計FBA（Force Balance Accelerometer）感應器，可以完整記錄大地震的劇烈震動，對於臺灣的強地動研究、震區劃分調整、耐震設計規範以及地震工程應用非常珍貴。儀器解析度從早期的16位元已經全部升級成24位元，對於震幅的解析能力提升200倍左右。
氣象局從2015年開始將測站逐步升級為即時站，並規劃在2024年將即時站的數量擴增到600座。新系統將提供TSMIP即時強震站的連續波形資料，目前提供下載的測站數約為420站（圖4），後續會依據測站升級狀況逐步增加數量，可下載資料時間從2020年12月1日開始，一直開放到現在時間的15分鐘前。 三、臺灣地球物理觀測網TGNS
為了推動地震前兆的研究，氣象局在集集地震發生後開始建置臺灣地球物理觀測網TGNS，包括全面建置高精度的全球定位系統GPS（Global Positioning System）觀測站，以及地下水觀測站，並與國立中央大學合作，技術轉移接手維護地球磁場觀測站與大地電場觀測站。2012年起GPS測站儀器陸續升級成全球導航衛星系統GNSS儀器，可以進行多星系統的觀測。
TGNS觀測網目前運作中的測站包括163座GNSS觀測站、6座地下水位觀測站、12座地球磁場觀測站以及20座大地電場觀測站，所蒐集的資料對於臺灣環境背景值的相關研究非常寶貴。例如GNSS觀測資料經解算後，可以獲得臺灣各地地表位移的時間序列，除了可以提供氣象局進行地震前兆研究外，亦是同震位移、火山活動、地層下陷、地層滑動等監測重要的參考資訊。
新GDMS將提供TGNS中GNSS觀測站、地下水位觀測站、地球磁場觀測站的儀器觀測資料，測站總數約為210站（圖5），時間皆從2007年1月1日開始，每日1個檔案，開放到前一天。另外氣象局透過合作，交換獲得中研院地球所與國立東華大學臺灣東部地震研究中心的GNSS站觀測資料，經過兩個單位同意後，其所維護約80站的資料亦可透過GDMS提供。 圖4. 新GDMS現階段提供臺灣強地動觀測網TSMIP資料的測站分布，測站類型皆為即時地表強震站，站數約420站。
▍ 圖片取自氣象局新GDMS網站。
圖5. 新GDMS現階段提供臺灣地球物理觀測網TGNS資料的測站分布，測站類型包括GNSS觀測站、地下水位觀測站（GW）、地球磁場觀測站（MAGNET）等；另外中研院地球所（IES）與東華大學東部地震中心（ETEC）所建置的GNSS站觀測資料亦可透過GDMS提供，總測站數約290站
▍ 圖片取自氣象局新GDMS網站。 四、地震目錄
由於觀測儀器解析度與站房環境品質的提升，臺灣地震目錄的地震數量，由原先每年平均約2萬筆，從2012年起大幅增加至4萬筆，完整記錄臺灣地區規模1.5以上的地震，對於臺灣地區的地震活動、速度構造與孕震構造等相關研究，提供豐富的基礎資料。地震目錄的資料時間從1991年1月1日開始，提供到當下前1個月，時間超過30年，累積的地震數量超過77萬筆（圖6）。
另外，新系統特別針對重大地震設計資料快取的功能，當氣象局發布規模6.0以上的地震報告時，會自動擷取地震波資料，並按CWBSN、TSMIP分群輸出SEED與SAC（Seismic Analysis Code）格式的資料檔，方便使用者迅速下載研究，並可適度減緩系統在短時間內遇到大量資料索取所造成的負載。以2022年3月23日規模6.7東部海域地震為例，新GDMS在地震發生後，及時提供CWBSN與TSMIP測站地震儀的觀測資料（圖7），其中CWBSN有83站共228部地震儀的紀錄，包括短週期紀錄38筆、強震紀錄145筆以及寬頻紀錄45筆，TSMIP則有280站的強震儀紀錄供下載。
至2021年底，新GDMS系統整個資料量約達35TB，預估未來每年將會增加12TB的資料量。 圖6. 臺灣地震目錄收藏1991年至2021年的地震分布，累積數量超過77萬筆，圖中符號大小、顏色分別表示地震的規模大小與震源深度。
圖7. 新GDMS提供下載2022年3月23日規模6.6（速報規模）東部海域地震波形資料的頁面，包括CWBSN與TSMIP兩個觀測網測站觀測紀錄，檔案格式包括SEED與SAC格式，頁面中同時展示地震報告與部分地震儀波形紀錄供參
▍ 圖片取自新GDMS網站 維運
新GDMS主要運作伺服器包括網頁伺服器、訂單伺服器、上傳伺服器與資料伺服器，考量網路頻寬負載與資通安全需求，訂單與資料透過專線傳送，並設計雙重的防火牆（梁文宗等，2021）。資料索取與提供的流程如下（圖8）：使用者透過網頁伺服器索取資料後，首先會將訂單透過專線送進第1道防火牆內的訂單伺服器。由於第2道防火牆內的資料伺服器會隨時主動詢問是否有新訂單，所以當發現訂單時，將觸發系統開始處理訂單資料。當完成打包後，資料會先被送到第2道防火牆外的上傳伺服器，並由該伺服器再將資料穿過第1道防火牆傳回網頁伺服器，同時通知使用者資料處理狀態。訂單資料會在使用者的帳戶保留7天，逾時將自動刪除。
新GDMS系統與網頁程式皆經過源碼檢測與弱點掃描，內容也都符合政府網站服務管理規範與無障礙規範，同時亦邀請使用者參加系統的壓力測試，並填寫滿意度調查。上線後，氣象局將持續與中研院的工作團隊合作，於國內外相關會議與研討會上進行推廣宣傳，並參考使用者回饋意見與國際發展需求，進行滾動式系統功能擴充，以符合多數使用者需求與期待，實踐永續經營理念。
為強化服務品質與國際能見度，新GDMS資料服務已經向國際聯合地震觀測網（International Federation of Digital Seismograph Networks，簡稱FDSN，網址https://www.fdsn.org）申請註冊數位物件識別碼（Digital Object Identifier，簡稱DOI）。FDSN是一個全球性組織，該組織透過聯合世界各地不同的地震觀測網或觀測站，進行數位資料開放的合作模式，促進世界各地的科學家進一步推動地球科學發展與地震活動研究。DOI為網路環境的共通的辨識符號，是一個具有永久性與唯一性的辨識碼，使用者除可直接透過DOI取得數位資訊外，又因DOI連結服務永久有效，是以能夠強化數位資訊服務的品質與提昇國際能見度。
氣象局地震與地球物理觀測網儀器種類眾多且多元，維護不易，為達到國際化地震資料中心的目標，必須長久維持資料的穩定性與正確性。氣象局刻正發展新的儀器維護與參數連動機制（圖9），重新設計完善的訊號校驗流程，同時針對儀器的維護、更新與替換，皆會嚴格要求同步更新詮釋資料，俟此連動機制與新GDMS銜接後，將更有效維護觀測資料與詮釋資料的可靠性。 圖8. 新GDMS資料服務系統架構與作業流程圖（梁文宗等，2021）。
圖9. 氣象局同仁例行校驗地震儀訊號的展示頁面，透過人工目視震波紀錄與功譜密度機率函數等方式檢查地震儀訊號的品質。 ▍ 圖片取自氣象局地震測站管理系統
蕭乃祺
中央氣象局地震測報中心副主任
甘志文
中央氣象局地震測報中心技士
莊雅婷
中央氣象局地震測報中心研究助理
參考文獻 [1] 辛在勤，1993：臺灣地區強地動觀測計畫，臺灣地區強地動觀測計畫研討會論文摘要集，1-10頁。 [2] 梁文宗、李文蕙、李其芳，2020：臺灣地震與地球物理資料管理系統建置案完工報告書，中央研究院地球科學研究所，共60頁。 [3] 梁文宗、李文蕙、李其芳，2021：氣象局「110年度臺灣地震與地球物理資料管理系統」擴充案完工報告書，中央研究院地球科學研究所，共53頁。 [4] 蕭乃祺、林孝維、黃靖閑、張建興，2012：中央氣象局地球物理資料管理系統，2012 年臺灣海洋資料工作坊暨海洋雷達論壇（摘要），共2頁。 [5] 蕭乃祺，2019：臺灣地震測報的發展，科學研習月刊，第58卷第6期。 [6] Shin, T.-C., C.-H. Chang, H.-C. Pu, H.-W. Lin, and P.- L. Leu (2013). The Geophysical Database Management System in Taiwan, Terr. Atmos. Ocean. Sci., 24, 11-18, doi: 10.3319/TAO.2012.09.20.01(T).
本文引用格式：蕭乃祺、甘志文、莊雅婷（2022）。學童數位閱讀素養之教學初探。科學研習，61（6），69-79。