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May. 30 2013

地球脈動

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  • 地球脈動

從國際太空站拍下的景象中,一年一度的洪水淹沒了波札那的內陸綠洲——奧卡凡哥三角洲。高空攝影和遙測地圖正以清晰的細節揭露地球的新陳代謝。Photograph by NASA, International Space Station

撰文:彼得.米勒


窗外的景象已經夠糟了。研究專機飛越加州紅杉林上頭時,葛列格.亞斯納看到了加州四年乾旱對這種全世界最高的樹種之一所造成的傷害。「下面看起來乾得要命,」他說。然而,當他將目光從窗外移到機上實驗室裡的螢幕時,看到的影象更令人擔憂。有些地方的森林看起來是鮮紅色的。「森林承受的壓力之大讓人震驚,」他說。


亞斯納是卡內基科學研究所的生態學家,而這些數位影像則來自他剛安裝在這架渦輪螺旋槳飛機上的3D掃描系統。掃描器上的兩具雷射會掃描樹木,從2100公尺高處辨識出每一根樹枝。與之配套的成像光譜儀由美國航太總署噴射推進實驗室製造,能記錄陽光反射回來的數百種波長,從可見光到紅外線都有,顯示出詳細的化學特徵,不但能辨識樹種,甚至能顯示樹木吸收了多少水分――而這正是健康狀況的重要指標。「這就好像幫整片森林做血液檢查一樣,」亞斯納說。而那天他選用的顯示色彩,會讓缺水的樹木呈現鮮紅色。


這些影像令人不安,卻也代表一種嶄新而有力的地球觀察方式。亞斯納後來寫道,「只要飛機飛越一趟,這個系統測繪的地圖針對一個生態系所能提供的資訊,可能就會比我們在地面上研究一輩子的成果還豐富。」而他的卡內基空中觀測站只是走在一個廣泛研究趨勢的最前端。


第一具氣象衛星將雲層在北大西洋上方打轉的模糊照片傳回之後,已經過了半個世紀,如今,先進的感測器能為科學家做的事,就像醫療掃描器提供給醫生的協助一樣――賦予他們不斷進步的工具,以追蹤地球的重要生命徵象。在2014年和2015年初,美國航太總署啟動了五項觀察地球的重大任務(其中包括位於太空站上的兩具新儀器),讓任務總數增加到19項。巴西、中國、歐洲和其他地區的太空機構也紛紛加入。美國航太總署地球科學主任麥可.弗雷力克指出,「毫無疑問,我們正處於遙測的黃金年代。」


無可諱言,這些空中之眼帶來的多半不是好消息。它們見證了一個正在急速改變的世界,包括冰川消融、雨林縮減,乃至海平面上升以及其他種種。但在人類對地球的衝擊前所未見的時代,這些最新的感測器卻也提供了前所未有的可能性,讓我們能監測、了解這些衝擊――雖然這不是可以治癒地球病痛的療方,但至少可以提供更正確的診斷。這本身就值得讓我們寄予厚望了。


水是地球的命脈,而科學家有史以來第一次可以利用在高空飛行的感測器,追蹤水在自然循環中每一階段的活動:以雨或雪的形式降下、流入河川、從含水層被抽出,或蒸發回到大氣中。研究人員利用他們所獲得的資訊來預測乾旱、預警洪水、保護飲用水、並且改善作物。


加州的水危機也使得該州成為遙測計畫的實驗室。過去三年間,湯姆.潘特帶領的美國航太總署團隊,多次駕駛滿載設備的飛機,飛越優勝美地國家公園上空,以測量供應赫奇赫奇水庫的雪量,因為該水庫是舊金山的主要水源。


潘特的雙水獺型飛機名為「空中雪量觀測站」,機上裝設的感測設備跟亞斯納飛機上的很類似:有一臺用於測量積雪深度的掃描光達,以及可分析積雪性質的成像光譜儀。光達的作用方式很像雷達,不過使用的是雷射光,藉由光反彈回來所需要的時間,來判斷飛機和積雪之間的距離。只要將覆雪地帶的掃描資料跟夏季無雪時的資料互相比較,潘特和其團隊就能透過反覆測量,知道占地1200平方公里的整個集水區內究竟有多少積雪。同時,成像光譜儀也能顯示雪粒的大小、表層又有多少塵埃――兩者都會影響在春季陽光下積雪溶解和逕流產生的速度。「這都是我們以前得不到的數據。」葛蘭說。


潘特也一直在追蹤洛磯山脈上積雪縮減的情況,這些積雪是整個美國西南地區數百萬居民的用水來源。他計畫在不久後將他的技術帶到世界各地雪水資源面臨危機的山區,例如印度河和恆河的喜瑪拉雅集水區。「到了2020年,積雪的變化將影響將近20億人,」他說,「這是氣候變遷最重大的事件之一。」


由於流入加州河流和蓄水庫的水量變少了,農人開始從水井抽取更多水來灌溉農田,導致地下水位下降。過去州政府是將感測器探入水井以監測地下水的供給。但由加州大學爾灣分校和噴射推進實驗室的水文學者傑.法米格利帝所領導的科學團隊,正利用一對名為「重力回復與氣候實驗」(Gravity Recovery and Climate Experiment, 簡稱GRACE)的衛星,從太空中為加州地下水「測重」。


這對衛星執行任務的方式,是偵測地球重力的引力改變時,會如何改變衛星的高度和衛星之間的距離。


GRACE衛星可測量的精準度高達一微米。等到一年過去,農民抽了更多地下水以後,第一顆衛星受到的拉力會略為減少,GRACE衛星也可以偵測出這樣的改變。


法米格利帝說,含水層提供了至少三分之一的人類用水,因此全球含水層的枯竭已成為嚴重的危機。GRACE衛星提供的數據顯示,全球最大的含水層中有超過一半的失水速度比重新補充的速度快,尤其是在阿拉伯半島、印度、巴基斯坦和北非地區。


法米格利帝說,自2011年起遭遇乾旱以來,加州來自薩克拉門托河和聖瓦金河盆地的水量每年減少了大約15兆公升(即15立方公里),比該州各城鎮一年的用水量還多。失去的水有大約三分之二來自中央谷的含水層,而該區抽取地下水的情況也造成了另一個問題:有部分谷地已經開始下陷。


噴射推進實驗室的地質學家湯姆.法爾,利用在地球上空800公里高處運行的加拿大衛星傳回的雷達數據繪製下陷的狀況。他運用的技術原本是發展來研究地震的,可以偵測出小到2.5至5公分的地表變形現象。法爾的地圖顯示,中央谷有些地區每年下陷約30公分左右。


這些地區包括洛斯巴諾斯市附近的一座小型水壩,該水壩可將水導引至該地區的農田。


「我們原本就知道水壩有問題,因為水開始從旁邊溢出來,」包爾斯農業公司的總裁坎農.麥可說,「但直到我們取得衛星數據後,才知道問題有多大。」農地上出現了占地共9300平方公里的兩塊碗狀下陷,威脅到價值數百萬美元的水壩、橋梁、水道、管線和疏洪道等基礎建設。2014年底,加州州長傑瑞.布朗簽署了該州第一條逐步管制抽取地下水的法令。


關於地球各種疾病的證據愈來愈多,從氣溫上升、海洋酸化乃至森林濫伐和極端氣候,因此美國航太總署開始優先執行旨在因應這些衝擊的計畫。他們最新的衛星之一,是造價9億1600萬美元的觀測站,名為SMAP(Soil Moisture Active Passive的縮寫,意為土壤水分主被動探測),於今年1月升空。它可對地表發射雷達光束並觀測土壤表層的反射情況,也可記錄土壤本身發散的輻射,藉此測量土壤溼度。主動雷達已經在今年7月停止傳輸,但被動輻射計仍照常運作。這顆衛星所測繪的地圖將可協助科學家預測旱災、水災、作物產量和飢荒。


「如果在2012年就有SMAP的資料,我們就能很容易預測到中西部那場讓大家措手不及的乾旱了。」噴射推進實驗室的科學研究員納倫德拉.達斯說。沒幾個人預料到在那年夏季,中西部會因為「驟發性乾旱」(突如其來的熱浪加上異常低的溼度)而損失了價值約300億美元的作物。「SMAP的資料早早就會顯示那個地區的土壤水分已經匱乏,如果再不降雨,作物將無法存活。」達斯說。如此一來,農人可能就不會因為指望作物豐收而投資太多了。


氣候變遷也使得極端降雨的情況增加――而SMAP對減低這樣的風險也有幫助。倘若土壤水分已經飽和,可能即將發生山崩和下游洪災,SMAP能及時通知官方單位。但其實缺水才是更普遍、更長期的威脅。如果土壤缺少水分,原本健康的環境就會崩解,就像加州的情況那樣,導致熱浪、乾旱和野火。「土壤水分就像人類的汗水一樣,」達斯說,「水分蒸發會帶來冷卻效應,但土壤如果缺少水分,地球表面的溫度就會升高,就和人類中暑一樣。」


地球的健康雖然面臨這麼多挑戰,但到目前為止,地球仍展現了卓越的恢復能力。人類活動每年導致大約370億公噸的二氧化碳排入大氣中,其中一半左右持續由海洋、森林和草原所吸收。然而,沒有人知道這些「吸收槽」何時會飽和。一直到不久前研究人員仍苦無良策,不知該如何測量碳進出的流動情況。


但這個情況在美國航太總署於2014年7月發射「繞軌碳觀測衛星二號」(Orbiting Carbon Observatory-2,簡稱OCO-2)之後改變了。誠如負責人員所形容的,用來「觀察地球呼吸」的OCO-2能精確測量世界上任何地區的二氧化碳釋放和吸收量,精確度足以測量到每百萬顆分子之一。第一張利用OCO-2數據製作的全球地圖顯示二氧化碳的煙雲從澳洲北部、非洲南部和巴西東部排出,這些都是森林為了農業而遭焚毀的地方。未來的地圖將用來辨識情況相反的區域――也就是那些將二氧化碳從大氣中移除的地區。


亞斯納和他的團隊也試圖釐清,究竟所有的碳都跑到哪裡去了。在他們開始飛越加州林地上空之前,曾花了好幾年時間掃描祕魯境內約72萬平方公里的熱帶林地區,以計算這些森林的碳含量。


當時祕魯政府正在與國際夥伴共同研商應該如何保護祕魯國內的雨林。因此亞斯納得以讓他們看到,那些受伐木、農業、石油和天然氣開採威脅最嚴重的林區,正是保存最多碳的地方,大約有60億公噸。亞斯納說,保留這些地區,就可以把碳鎖住,也就能保護無數物種。到了2014年底,挪威政府承諾投入高達3億美元的資金,用於防止祕魯的森林遭到濫伐。


美國航太總署計畫在未來數年內展開五項新計畫,研究水循環、颶風和氣候變遷,其中包括GRACE計畫的延伸。名為立方衛星、有些小得可以握在掌心的小型地球觀測器,將搭其他計畫的便車飛上太空。對亞斯納這樣的科學家來說,情況的急迫性顯而易見。「這個世界正在急遽變化,」他說,「目前的科學還不足以了解某些變化。」


在未來約十年內,類似亞斯納和潘特所使用的成像光譜儀,可能就會被送上地球軌道。潘特說,跟地球軌道上現有的其他儀器比起來,這種科技會像是《星艦迷航記》裡出現的一樣。「我們在木星、土星和火星的軌道上都放了成像光譜儀,卻從未對自己的星球投入同樣的計畫。」他說。從這種儀器上得到的影像會十分驚人:我們將可以從太空中看到和辨識每一棵樹。我們也會因此見樹又見林,看到大局:人類和科技,才是治癒人類所造成問題的唯一希望。

APR. 2020

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