文／穿山甲

仰望夜空，看著遙遠的星球在宇宙深處閃爍微光，不禁會讓人感嘆宇宙之大與人類之渺小。所處的地球之外，還存在更廣闊的世界，這代表著還有更多更豐富的資源，藏在觸不可及的夜空之中。目前科學家已經知道火星地表有豐富的氧化鐵資源，這讓火星地表整體呈現鐵鏽的紅褐色。月球土壤中則含有大量的氦-3，是核融合的潛力材料，一噸氦-3核融合約為1000萬噸石油產生的能量。月球土壤中亦含有許多稀土元素。一些小行星也被發現存有大量的貴金屬元素，這些都是地球上的珍稀資源。然而這些行星並非坐趟飛機就可以抵達，更別說有些行星的環境惡劣能否成功著陸都有問題。不禁啟人疑竇，為什麼科學家無法取得礦物樣品，卻依然知曉這些遙遠天體的物質組成與礦產分布？這都要歸功於一種既精密又巧妙的科學儀器，即「光譜儀」的發明。

稜鏡光柵 色散光線



光譜儀的工作原理，是將複雜的光線分解成其組成的波長，並精確測量每種波長的強度。它通常由幾個關鍵部分組成，首先是光源，可以是來自太陽或其他恆星的光照至物體的反射光、物體自身的熱輻射，抑或儀器中發射的光源。光線會通過一個細長的狹縫，被限制成一條細窄的線，以確保進入儀器的光線整齊有序。然後，光線會進入分光元件，分光元件可以是稜鏡或光柵。稜鏡利用不同波長光通過時折射角度不同的原理將光線色散，光柵則是利用繞射原理將不同波長的光精確地分開。最後，這些被分解開的光信號會被探測器接收並轉換成電訊號。探測器能記錄下每種波長光線的強度，最終透過電腦程式處理，轉換成我們常見的光譜圖，供科學家進行詳細分析。

我們之所以能夠隔空分析這些遙遠星球的物質，關鍵在於光譜分析。這項技術的核心奧祕在於每種元素和礦物都擁有其獨特的光譜。這類似我們用來解鎖手機的指紋辨識般，從特定的光譜圖即可知道元素的種類。

光譜比對 元素現形



當來自恆星的光線如太陽光，照射至星球表面時，不同的物質會選擇性地吸收或反射特定波長的光。在太空中的光譜探測器會接收從星球表面反射回來的光線。如果某個波長的光被表面的物質吸收了，那麼在反射光譜中，該波長的強度就會顯著降低，形成一個吸收帶或暗線。科學家們正是透過分析這些吸收帶的位置和形狀，來判斷是哪種元素或礦物吸收了光。這些特殊的光譜密碼，能反應出物質獨特的「指紋」。例如，火星上的黏土礦物與水冰，在近紅外波段就擁有非常獨特的吸收特徵，成為火星過去可能存在水的線索。

天眼遙測 守護國土



光譜儀除可探測元素與礦物外，還可用來探測地表狀況，例如將光譜裝設在人造衛星上，太陽光照射至植物，藍光與紅光會被葉綠素吸收以進行光合作用，綠光亦會被部分吸收，少部分反射，近紅外光則會被植物的薄壁組織所反射，因此分析近紅外光譜，則可了解地表植被狀況，監測水土保持程度，防止山體滑落。國內自主研發的福爾摩沙衛星有好幾個系列都有裝設光譜儀，分別可以遙測可見光與多種波段的光譜，除分析植被外，更可進行水體監測、地表分類、土地利用，以及災害監測與評估等任務。