2017年2月26日 星期日

地球科學狂想曲: 2037年地球科學家的工作與生活

2037228日,天氣晴,10年前才從父親力力教授手中,接下了研究棒子的小力博士,今天要到著名的台灣碧侯地區進行野外,這個在台灣東北部,蘇澳到花蓮間的地區,在本世紀初,還是一片蠻荒,山高水急,稀少有人能踏及的區域,由於是幾乎沒有道路與住民,只有在上世紀的時候,靠著幾個熟悉山區狀況的原住民的協助下,有幾位地質研究學者曾經到此進行野外調查與採樣工作。但是最近十年來的科技進步,已經使得進入到碧侯地帶,不再是困難的事情。
小力博士事先上網預約了兩架Uber無人機的運輸服務,將野外工具與各種裝備裝入了一個小型的一公尺立方貨櫃行李箱中,然後與兩個碩士班研究生,小楓和小雪,一同搭上了放在庭院中的透明運輸膠囊,小力博士按下放在手腕上的手機按鈕,不到五分鐘,兩架六個旋翼的Uber無人機來到庭院上空,利用懸吊掛勾精準的夾起運輸膠囊和貨櫃行李箱,朝向台北市區東南方飛去,由於是上班時間,因此空中交通比較繁忙,在自動導航儀的指示下,無人機避過了松山起飛爬升的大型越洋客機,沿著比山略高100公尺的3號近地路線前進,大約僅過了四十分鐘,就抵達事先選定的河邊空地,當小力博士等人卸下裝備後,無人機就帶著透明膠囊和空的行李貨櫃離去。


Cover of the first issue of Science Fiction, dated March 1939. The artwork is by Frank R. Paul

為了避免受到野生動物、蜂群以及有毒昆蟲的侵害,博士和研究生們都穿上了連身工作服和工作靴,特別的工作服具有特殊塗料,會發出特殊的驅除蚊蟲及野生動物的氣味,而工作靴可以適合全地形,甚至在需要時可以自動烘乾通氣。小力博士沿著溪流上溯,尋找露頭。順便沿途佈設地震和電磁感測器,由於微型電路的進步,每個感測器的大小都只有大拇指大小,只要把尖端插入地下,就可以佈設完成。感測器可以偵測地下電流與磁場的變化,以及區域微弱的地震,並自動同步連線,利用通信寬頻網路即時傳遞資訊到小力博士的位於Google的雲端硬碟和博士護目鏡裡的微電腦,博士和助理們只要在幾個地點,埋入小型高能電磁源或高頻震源器,就可以得到地表下100公尺內的地球物理參數分布情形。
在前進之前,博士打開了擴增三維實境地質圖,讓博士看到的,不只是景色,而是地層與構造在視線內的可能分佈。小力博士先放出蜂鳥探測器,探測前方500公尺內的地質情形,蜂鳥探測器是一種仿生微型機器人,利用探測器收納箱充電,一次可充電及放出10個蜂鳥探測器,每個可以飛行約15~20分鐘並自動飛回收納箱,具有高分辨率多光譜及熱感測器,與最小可以看到1毫米物體的鷹眼鏡頭;資料會即時傳到博士的護目鏡中,會自動辨認資料庫有的岩石種類、礦物屬性,以及化石分類,讓小力博士可以充分掌握可能的地質狀況,並進行採樣。
今天,憑藉著好運氣,蜂鳥偵測器在博士的護目鏡中,顯示了附近的幾個可能的化石及新鮮礦石露頭,於是博士來到其中一個露頭的位置,首先開啟了連結在護目鏡上的3維光達掃描,自動記錄及素描露頭情形,並顯示採樣位置在三維地質圖上。然後拿出機械地質槌,拿在手上,地質槌根據露頭採樣的需求,建議了最佳敲擊點,小力博士輕輕一敲,槌上的爆發加力器,自動調整敲擊力道,就把一塊巴掌大小的岩石標本敲了下來。博士連忙拿出地質標本感測布,包裹了岩石標本,感測布上密密麻麻的電極可以放出電磁波,進行快速三維內部掃描,然後把資料即時傳到小力博士的實驗室中,根據博士的野外指示,用列印機自動進行三維列印,放大印出岩石標本裡的大型有孔蟲化石結構,等到小力博士回到實驗室,化石的解剖結構已經印好放在桌上了。當博士完成所有的採樣以及資料收集,雲端資料庫很快自動分析所有資料,建議博士標本的最佳後續分析、定年的工作以及可能協助的實驗室,並且更新三維地質圖。小力博士很滿意今天的工作成果,於是來到了早上的降落地點,按下了手表通話器的召喚鍵,四十分鐘後,無人機又帶著貨櫃箱和透明載人膠囊出現,抵達不到五分鐘,博士一行就再度出發回程,在太陽下山前回到溫暖舒服的家中。
泡在熱水浴缸中,喝著調酒,小力博士心想,像今天這樣一天來回的野外,還有地球物理跟地質繪圖、標本採樣的工作量,20年前的前輩,恐怕是做不到的吧?科技的進步真是驚人呀!

2017年2月19日 星期日

地球誤理,地球霧裏,還是地球誤理霧裡誤你?

由於去年實在是太多煩惱的事,讓費雪著實忙到沒有閒暇時間聊天南地北。最近費雪聽到太多人來詢問有關某個由大陸開發,號稱用弦論原理進行地質探測的儀器,根據詢問的人告訴我,大力推廣的團隊宣稱這儀器可厲害了,又可測出地下應力/應變分佈,又可測地質構造情況,解析度比透地雷達還好,探測深度堪比大地電磁法,費雪看來,簡直是已經到了能張目對日,明察秋毫的地步。這種了不起的成就,直直讓費雪生鏽已久的手和筆都不自覺得癢了起來,有人吹牛就有人抓,覺得不上來部落格寫一篇抓牛文都不行呀………!

先來談談弦論這個東西,根據費雪Google的結果,他的核心是用波動的能量弦線作為宇宙的微觀單位,去解釋所有微觀物質的基本組成及相互間的關係,但是,至今仍沒有人可以作出實驗驗證能量弦線的真實存在,因此在物理學界仍有許多辨證爭議。所以費雪一聽到竟然有可以利用弦論原理的儀器,馬上是驚呆了,這絕對可以獲得諾貝爾獎的發明,怎麼從來沒有聽過呢?結果翻了一下儀器公司的技術網頁,除了弦論之外,好像就沒提到其他的理論細節了,網路上查到的相關論文,也都沒提到其他的物理推導,這…..使得費雪我開始覺得這麼牛逼的神器,怎麼物理理論中,就沒更淺顯的學說來陪襯,真是不可思議!!~~這些物理學家、大師等的,什麼霍金、楊振寧之流的,真的該打屁股。
圖1 找到錢流的地球"誤"理 (from: https://www.cartoonstock.com/directory/r/revenue_stream.asp)

既然理論不可得,費雪就覺得看看儀器的技術成分好了,或許能讓費雪這種水平不夠的魯蛇一窺堂奧。根據說明指南,這一儀器收取的是天然電磁場變動,使用的頻段是100-3000 Hz,由於這個頻段的大地電磁場,來自於高空閃電、太陽風與電離層交互作用等現象,發生的電磁波一部分傳入地下,一部分被反射回來,該儀器就是用磁力線圈放大被地層反射回來的電磁波訊號,轉換成電磁電阻率,用來分析地下構造初看好像很合理,但,且慢……這不是電磁學?弦論有什麼關係?

好吧,先撇開弦論,來看電磁學。這頻段的電磁波長,約在100-3000 公里,遠大於地殼厚度(最大約50-70公里)與目標構造地層(通常幾百公尺到幾公里)的深度,所以我們只能用電磁波的擴散理論,而非傳遞理論去解釋我們探測地殼中地層結構的結果。要用電磁探測,一般你要有一個穩定或已知的電磁波源,利用接收到的電磁場,相對於已知源的電磁場強度衰減,才可以推算出地下構造變化。通常這個源是人工發射的,因為才會穩定、已知,所以大部分的電磁地球物理探勘儀器與方法,都是採用人工發射源的主動方法。如果要探測不同深度,就要利用不同頻率的電磁波,因為不同頻率電磁波的穿透深度不同,但是一般儀器要發射很多不同頻率的電磁波是很難達到的,所以通常只有少數1-3個頻率可調整使用,也因此,這樣的電磁探測方法沒有太多深度分辨能力。


圖2 大地電磁方法原理( from: http://userpage.fu-berlin.de/mtag/mt-basics1-engl.jpg)

少數的方法,例如大地電磁方法,才會利用天然的寬頻電磁場。因為天然的尚好~天然的電磁場可從很低頻到很高頻(除了在1Hz附近的死頻之外)。但是問題來了~~天然的雖然好,但是我們卻不確定它的源的強度,事實上天然的電磁場源強度一直在變化,因此除非有目探測區域上高空(約數百公里高)的直接觀測資料,不然我們是沒法從電磁場的衰減推算出來地下電阻率的。於是,大地電磁法用了一個很巧妙的設計,就是用磁力線圈和電極,同時分別觀測電場跟磁場,然後利用同一個源,電場和磁場的相關特性,推算地下地層的電阻率。所以要利用天然的電磁場,同時觀測電場和磁場是很重要的。

剛剛提到的神器,看來並沒有電極的設置,所以想必是個磁力線圈為主的儀器。單單只量測磁場,恐怕僅僅能知道地球磁場的異常變化程度,說穿了,也就是個磁異偵測器,可以推測造成磁場異常的區域,但造成磁場異常的是地層、人為雜訊、或其他,就沒辦法分辨了。很重要的是,拿一個根本沒有功能的儀器來作地下探測,真的就變成地球誤理探勘,或是地球霧裏探勘,跟瞎猜或擲爻的成功率差不太多,費雪還是勸大家真的要擦亮眼睛,別掏出大筆金額便成地球誤理在霧裏誤你囉!!!!