全站搜尋 電子雜誌搜尋

AD

ad970250

不錯過任何知識訊息,立即加入國家地理官方Telegram

Dec. 05 2019

5G的發展會讓我們的天氣預報失靈嗎?

1
  • 在天上的衛星所裝設的儀器能測量大氣中的水氣含量,而要做出精準正確的天氣預報,這項資訊非常重要。不同的儀器利用電磁頻譜上不同的「頻段」測量水氣;在這個GOES-16衛星上的儀器測量的是水氣的紅外線訊號。PHOTOGRAPH COURTESY NOAA, NESDIS CENTER FOR SATELLITE APPLICATIONS AND RESEARCH

從水氣的模糊訊號就能推出超級正確的天氣預報──但科學家警告,如果不小心的話,5G可能會蓋過部分的水氣訊號。

在天上的衛星所裝設的儀器能測量大氣中的水氣含量,而要做出精準正確的天氣預報,這項資訊非常重要。不同的儀器利用電磁頻譜上不同的「頻段」測量水氣;在這個GOES-16衛星上的儀器測量的是水氣的紅外線訊號。PHOTOGRAPH COURTESY NOAA, NESDIS CENTER FOR SATELLITE APPLICATIONS AND RESEARCH

在天上的衛星所裝設的儀器能測量大氣中的水氣含量,而要做出精準正確的天氣預報,這項資訊非常重要。不同的儀器利用電磁頻譜上不同的「頻段」測量水氣;在這個GOES-16衛星上的儀器測量的是水氣的紅外線訊號。PHOTOGRAPH COURTESY NOAA, NESDIS CENTER FOR SATELLITE APPLICATIONS AND RESEARCH

2012年颶風珊迪(Hurricane Sandy)快速地襲向美國東岸,長驅直入紐約地區,還在那裡停留了好幾天,降下的豪雨造成超過100人死亡,淹沒了整個社區,催毀了當地的基礎設施。

如果不是有詳細與準確的預報提供颶風的前進路徑訊息,讓科學家能在颶風登陸前提早告知緊急管理人員,這次風災的破壞程度幾乎肯定會更糟。

氣象科學在過去數十年來愈來愈進步,已經能透過收集地球表面或大氣中的數據,從在空中環繞的衛星上裝設的儀器取得更多資訊,進而做出更精細、廣泛和正確的天氣預報。

不過科學家警告,我們逐漸習慣的預報準確度可能將受到威脅。我們充滿自信的天氣預測能力也許會倒退40年,而且一項關鍵的預測工具或許會嚴重退化。

如5G網路等的電信科技,需要在電磁頻譜上挪出一個空間使用。電磁頻譜包括所有種類的電磁輻射,如微波、紅外光和紫外光、迦瑪和X射線等。如今電磁頻譜上的可用空間稀少而珍貴,而電信公司為了5G而使用的頻譜區段,就緊鄰於提供許多資訊給精細氣候模型的頻譜區段。

「它就像是一棟不怎麼樣的公寓建築。」威斯康辛大學麥迪遜分校(University of Wisconsin, Madison)的大氣科學家喬登.葛斯(Jordan Gerth)解釋說。「人們普遍期望大家能保持相對安靜。在這個頻譜空間中,我們既要用在氣象上,又要用在科學上,這些都需要一個非常安靜的空間,周遭環境也要安靜。不過電信訊號通常都非常大聲,而且很容易從自己的隔間外洩出去。」

「這就像是經營一間托兒所,裡面的小孩想要睡午覺,不過它的隔壁卻是一間運動酒吧。二者中間或許會有面牆,但噪音還是會透進來。」

在11月,各國和各商業團體的委任代表聚集在世界無線通訊研討會(World Radiocommunications Conference)中,討論如何訂下嚴格保護電磁頻譜上對天氣預報極其重要的「頻段」的國際規範──也就是說,能允許多少運動酒吧的噪音透到午睡的房間。

最後他們所達成的決定,卻讓包括美國航太總署(NASA)署長吉姆.布萊登史坦(Jim Bridenstine)的某些科學家認為,可能會以一種危險方式降低預報的品質,而且也許無法挽回。

風險在哪裡?

麻省理工大學的大氣科學家與工程師威廉.布萊克威爾(William Blackwell)說,其中一個最重要的頻段,就是23.8 GHz(千兆赫)。水氣會吸收這個頻段的微波,過程中留下來的微弱訊號,會被衛星上用來觀察這個頻段的儀器偵測到。現在的問題是電信公司有興趣使用緊鄰這段訊號的頻譜。

電磁頻譜就像是河流裡的水:就只有這麼多。一部分的水必須用來讓棲地保持健康,就像一部分頻譜必須用來做天氣預報。不過其他大部分的頻譜已經被分派給各式各樣的無線通訊──GPS、無線電導航、衛星管控、電信通訊等等。對於剩餘頻段的需求自然日益增加。

「我們會捲入這場競爭的理由,就是因為所有這些手機,就像我手上拿的這隻。」華盛頓大學(University of Washington.)的大氣科學家湯姆.艾克曼(Tom Ackerman)說。

在過去,通訊使用的頻段和天氣和氣候科學運用的頻段總是離得很遠。

「不過現在頻譜快要用完了,」艾克曼說:「以前我們可以共存良好,不過現在這個沙盒(sandbox)滿了。」

今年稍早的時候,美國聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission,FCC)拍賣掉微波頻譜上緊鄰23.8GHz的部分頻段。急於取得新頻段的各家公司出價金額超過20億美金。

然而,在拍賣開始前,NASA署長吉姆.布萊登史坦警告說這些干擾──也就是5G訊號「漏」到23.8GHz頻段中微弱水氣訊號的部分──會將預報品質降低到從1970年代中期開啟微波探測時代後就沒見過的水準。

差不多在同一時間,美國國家海洋及大氣總署(NOAA)的代理主席尼爾.賈可布(Neil Jacobs)在一個國會委員會會議上說,鄰近那個頻段的電信活動會讓預報準確度下降30%,還可能造成對颶風的提前預報晚兩到三天。

他們和其他科學家都要求嚴格限制電信這個鄰居能發出「多大聲音」──要求如世界氣象組織(World Meteorological Association)所建議的-42瓦分貝(decibel watts)的干擾極限(愈大的負數代表限制愈強)。然而FCC卻決定使用-20瓦分貝這個干擾極限值。

在11月舉行的全球無線電通訊研討會上所做出的決定,則落在這二者之間。那些決策者最後定下來的干擾值,可能是-33瓦分貝,直到2027年,2027年後再稍微加強限制到-39瓦分貝。

這比FCC所提議的數值更好,葛斯說,不過還是離理想很遠。「這個問題不會消失的。」他說。

美國無線產業的主要貿易團體,行動通訊暨網際網路協會(Cellular Telecommunications and Internet Association,CTIA)並不同意這個決定。他們的執行副總布萊德.吉倫(Brad Gillen)在部落格上的貼文寫說,NOAA和NASA的分析所根據的是錯誤的微波測深結果,而且如果考慮使用更現代的儀器,問題就會消失。不過NOAA、NASA和海軍都不同意。

NOAA和NASA內部對這個特別議題的分析研究還未公開,所以非政府組織的氣候科學家現在還無法直接調查這些說法。

衛星時代改善了天氣預報

100年前,世界上最好的天氣預報頂多就是見多識廣後的猜測。雲的樣子和風吹的感覺或許能提供天氣在未來幾小時內可能轉變的暗示,不過要預測到更久之後就不可能了。如今科學家能預測到超過一星期後的未來天氣,並做出關於降雨、下雪、出太陽或颶風的可信預報。

到1970年代,科學家已經建立了如今所見的天氣預報系統的架構。他們已經開發出了電腦模型,描述控制空氣在大氣內如何流動的複雜物理。牠們在模型上對物理的細節愈講究,得到的預報就愈好。

然而科學家在了解的過程中發現,大氣有如一隻善變的猛獸,要預測未來的天氣會發生什麼事,就需要完全了解當前的天氣狀況。他們發現:物理定律只有在他們對事情的開端有非常完善的了解時才有用。

世界各地的科學家和工程師體認到,這個競賽就是要盡可能取得關於目前大氣狀態的最好資料,如此一來才能對未來做出最好的預測。

於是科學家愈來愈將精力投在開發儀器來精準繪製整個三維空間的大氣,例如從地面到平流層(stratosphere)之間的空氣究竟有多溫暖,以及和較高層的大氣相比,有多少水氣在低層大氣快速流動,不論研究地點是芝加哥、雅加達或海洋正中央。

其中一項最重要的發展是精確找出了水氣的含量及地點。要做到這點,科學家依賴的是水氣會吸收數個不同頻率的電磁輻射的現象。

隨著衛星觀測的進步,天氣預測的精準度也改善了。現在對五天天氣變化的預測,和1980年代早期只預測一天一樣準確。

最近,裝在環繞地球的不同衛星上,一種被稱為微波測深儀(microwave sounders)的儀器所做出的觀測,對預報人員而言也變得更有價值了。過去十年間,在歐洲中期天氣預報中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasting,ECMWF,被認為是世界最重要的天氣預報機構)所做的研究顯示,微波頻率資料在短期天氣預測中扮演關鍵角色,在預報模型所需要的重要資訊中,它提供了約20%。

NOAA的聯合極地衛星系統(Joint Polar Satellite System)和歐洲氣象運轉衛星(European Meteorological Operational,MetOp)等衛星上裝設的微波測深儀,會在每次從空中經過時偵測到大氣中的微波輻射量

它們可以藉由觀察一系列不同頻段的放射量,分辨出現在有多少水氣。這些頻段中的其中一個就是23.8GHz。雖然這個頻段的水氣訊號很微弱,就像是涓流小溪;但微波測深儀如今很擅長測出那種模糊的訊號。

就算天氣預報使用的頻譜部分受到嚴密的保護(麻省理工的布萊克威爾對此並不相信),還有很多對天氣預報很重要的頻段,也同樣因為類似的侵占而受到威脅。

「同樣的事情也發生在頻譜的其他部分,」他說:「5G的頻譜緊貼著那些頻段──緊貼著這些頻譜中的神聖領域。這樣一定會出問題的。」

延伸閱讀:聖嬰現象可能導致極端天氣、鯷魚減少氣候變遷,我們如何應變?

AUG. 2020

終結瘟疫

我們從歷史上的全球流行病學到了什麼?

終結瘟疫

AD

熱門精選

AD

ad300600

AD

Subscribe
立即訂閱
keyboard_arrow_up

AD

ad970250