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太空天氣問答集

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  • 專業名詞說明
  • 太空天氣影響
  • 事件等級區分
  • 觀測與技術

    ※名詞說明

  1. 太空的範圍如何定義?
    由於在大氣的特徵變化上,並沒有明確的界線能夠區分出所謂地球大氣層和太空範圍,目前以國際航空聯合會(Fédération Aéronautique Internationale, FAI)所採用的定義為主,以卡門線(海拔100公里的高度)作為太空的邊界線,而這個高度也位在一般所使用的大氣分層中的熱氣層範圍內。而太空的範圍就從這個高度一直延伸到人類的太空飛行器(包括火箭、人造衛星、太空梭和太空站等)所能夠航行抵達的區域。 /V2/img/Quiz/Quiz_AtmProfile.png 圖:常見大氣依溫度隨高度變化分層方式與太空的邊界(CWB/SWOO繪製)。
  2. 什麼是卡門線?
    美國科學家卡門透過物理定律計算後發現,在距離地球100公里的高空中,因為空氣密度已經減少到不足以提供飛行器飛行時所需要的浮力。這時候飛行器必須以極高的速度飛行才能夠維持高度,而這個速度與人造衛星圍繞著地球運行所需要的軌道速度接近,因此將這個定義出來的高度稱之為⎾卡門線(Kármán line)⏌。
  3. 什麼叫做太空天氣?
    太空環境裡並非空無一物,除了行星、衛星等大型的星體以及小行星之外,還充斥著⎾電漿(plasma)⏌、⎾行星際磁場(interplanetary magnetic field)⏌與⎾宇宙射線(cosmic ray)⏌。而在太空環境中的各種現象變化,像是電漿粒子濃度和分佈、行星際磁場的強度和方向以及宇宙射線的強弱等,都會隨著日、季、年等不同時間週期出現改變,就如同地球上的天氣現象,伴隨著時間不同而變化萬千。因此科學家從天氣一詞,延伸出⎾太空天氣(space weather)⏌這個名詞來表示太空環境的種種變化。 /V2/img/Quiz/Quiz_SWxOverview.png 圖:各種太空天氣現象 (原始圖片來源:NOAA/SWPC)。
  4. 什麼是劇烈太空天氣?
    就像是天氣變化,太空天氣也會有短暫且劇烈的變化,由於太空環境中的電漿粒子與行星際磁場主要受到太陽活動的影響,劇烈太空天氣也和太陽有關。主要的現象包括⎾太陽閃焰⏌、⎾日冕物質拋射⏌、⎾高速太陽風⏌進而影響到地球時產生⎾磁暴⏌、⎾太陽輻射暴⏌等現象。
  5. 什麼是太陽黑子?
    利用可見光進行太陽光球層(photosphere)觀測時,有時會記錄表面出現數量不定且大小不一的黑色斑點,這些黑色的斑點正是被稱作⎾太陽黑子(Sunspot)⏌的區域。細看太陽黑子,有些黑子在中央的位置顏色顯得深黑,然後外側圍繞著較為淺色的區域。這樣的深黑色區域稱為⎾本影⏌,而相較於本影周圍的淺色區域則叫做⎾半影⏌。由於光球層的溫度大約是克氏溫度6,000度左右,所釋放的輻射波長剛好落在人類肉眼可以看見的範圍,也就是所謂的可見光。太陽黑子是在光球層中磁場較強(約為地球磁場強度的400倍)、溫度較低(約4,000度左右)的區域,所以釋放出的輻射波長不在可見光的範圍,因此就成了黑暗的區域而稱之為太陽黑子。 /V2/img/Quiz/Quiz_Sunspot.png 圖:太陽光球層上的太陽黑子(本影與半影)。
  6. 什麼是太陽輻射指數?
    太陽輻射指數是指量測太陽所發出的輻射中,波長為10.7公分,頻率約為2800兆赫(MHz)的強度,故又稱為F10.7指數。藉由源起1947年起在加拿大渥太華(Ottwa)的觀測紀錄,這個波段的輻射強度變化與太陽黑子數和太陽活動極為吻合,因此可作為監測太陽活動的指數之一,而數值表示所使用的單位為sfu(solar flux unit, 10-22W/m2Hz)
  7. 什麼是太陽活動週期?
    科學家發現太陽黑子的數量與出現位置會隨時間變化,經過長時間的記錄分析後發現週期變化中最長約 13.3年,最短只有7.3年,平均10.8年,因此一般就以大約11年作為平均周期,而且也和太陽活動的強弱變化周期相吻合,因此將此稱為⎾太陽活動週期⏌。而回顧完整的太陽黑子紀錄後,科學家自西元1755年開始劃分成第1個太陽活動週期直到現在。例如:第23個週期從1996年到2008年,然後從2008年接續為第24週期。 /V2/img/Quiz/Quiz_SolarCycle.png 圖:1996年到2018年的太陽黑子數與太陽活動週期(CWB/SWOO繪製)。
  8. 什麼是電漿態?
    原子或分子的結構,可以想像成是一個小小的行星系統,中心有個不帶電性的中子和帶正電荷的質子所組成的原子核,外圍則有帶著負電荷的電子圍繞著原子核旋轉。不同種類的原子,圍繞著原子核的電子數量也不一樣,就像是不同的行星也有不同數量的衛星圍繞。當分子或原子持續受到足夠強的外加能量作用後,在外圍旋繞的電子就會跳脫原本的軌道成為自由電子,這樣的過程就稱為游離作用。當受到游離作用的原子或分子愈來愈多的時候,所產生的自由電子和帶著正電荷的離子的數量也會持續增加,便逐漸形成三態以外的電漿態。 /V2/img/Quiz/Quiz_FourStatus.png 圖:物質三態與電漿態。
  9. 什麼是太陽風?
    太陽的核心藉由核融合反應產生巨大能量,不僅只是讓太陽產生光和熱,也讓太陽上的物質成為電漿態。當這些粒子脫離太陽的束縛而向四面八方輻射傳播時,便形成了所謂的「太陽風(solar wind)」。而其主要成份則為帶負電的「電子(e-)」以及帶正電的「氫離子(H+)」所組成,傳播速度約為每秒200到500公里,如果速度高達每秒600-800公里或以上,就能夠稱為「高速太陽風(high speed solar wind)」。
  10. 什麼是日冕洞?
    日冕洞(coronal hole)是指當利用Xray或紫外線波段拍攝太陽日冕影像時,在影像上所存在的大片不规则的黑暗區域。由於太陽的磁力線在這個地方是開放的,因此粒子容易從此處以較高的速度傳出,成為日冕中溫度較低且密度較低的區域。也因為缺乏太陽磁場的作用,日冕洞的區域容易形成高速太陽風,如果出現的位置偏向太陽表面中、低緯度,就有可能而影響地球附近的太空環境。 /V2/img/Quiz/Quiz_CoronaHole.png 圖:NASA/SDO在不同時間紀錄到出現在不同位置與範圍的日冕洞。
  11. 什麼是太陽風暴?
    太陽風暴是指太陽上發生劇烈活動的統稱說法,包括電磁輻射、電漿粒子和高能粒子等現象出現時間短暫、規模顯著的能量釋放。而從太陽表面上劇烈活動所產生的能量與物質向外傳播後,就能夠影響太空天氣,甚至是影響到地球磁層、電離層和中高層大氣,進而影響人類活動。
  12. 什麼是太陽閃焰?
    太陽閃焰(solar flare)」是指太陽表面上的活耀區瞬間出現且強烈的X射線與伽瑪射線,依照規模可持續數分鐘到數小時不等。由於太陽閃焰是屬於電磁波現象,在太空是以光速傳播,因此從發生後到影響地球附近的太空環境,約需要8分多鐘的時間。 /V2/img/Quiz/Quiz_SolarFlare.png 圖:2017年9月6日藉由NASA/SDO所拍攝到太陽閃焰(圖片來源:NASA/SDO)。
  13. 什麼是日冕物質拋射?
    當更為劇烈的太陽風暴發生後,還能夠觀測到太陽表面上的大量電漿物質被向外朝著太空環境拋射而出。就如同是地球上的沙塵暴一樣,產生帶有濃密電漿物質的太陽風,此即為「日冕物質拋射 (Corona Mass Ejection, CME) 」。這些電漿粒子的速度相較平時的太陽風略為快,約需要4到5天的時間才會從太陽傳播到地球附近,也需要確認日冕物質拋射發生時的位置、角度和速度,才能評估是不是會影響到地球。 /V2/img/Quiz/Quiz_CoronaMassEjection.png 圖:2016年5月15日藉由NASA-ESA/SOHO酬載的日冕儀所記錄到的日冕物質拋射事件 (圖片來源:NASA) 。
  14. 什麼是太陽電波暴發?
    太陽輻射除了可見光以及Xray或紫外線波段以外,還能夠涵蓋到包括了電視轉播或是衛星定位所使用到的GHz頻段。因此,當太陽輻射增強時,除了在Xray波段的太陽閃焰以外,若在其他波段也有記錄到增強現象,便稱之為⎾太陽電波暴發(solar radio burst)⏌。
  15. 什麼是行星際磁場?
    當太陽風從太陽表面向外傳播的時候,可以拖拉著太陽的磁力線一起離開。由於太陽風本身有個向外的速度,配合太陽自轉的速度,讓被拖曳延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋的狀式,形成所謂的行星際磁場((Interplanetary Magnetic Field, IMF)。
  16. 什麼是地磁磁層頂?
    當太陽風或是日冕物質拋射傳播到地球附近的時候,地球磁場會阻擋這些電漿粒子的前進,如同一個防護罩般的在地球外抵擋電漿粒子直接襲擊。這個防護罩的外型,朝向太陽的那一側(地球的日側半球)因為受到太陽風的擠壓,所以往地球的方向被擠壓。而遠離太陽的那一側(地球的夜側半球)則受到太陽風的拖曳而被拉長。這個地磁防謢罩的位置稱之為磁層頂(magnetopause),但並非固定不變的,而是會隨著太陽風的速度和密度的變化擴張或被擠壓。當磁層受到作用改變時,地面上的磁力計也會同時記錄到地球磁場的強度在短時間內發生劇烈變化。 /V2/img/Quiz/Quiz_EarthMagnetosphere.png 圖:太陽風擠壓地球磁場與磁層頂示意圖
  17. 什麼是全球K指數(Kp Index)?
    這是一種用來紀錄地球磁場擾動的監測指數,Kp指數所使用的測站位於地磁緯度較高的地方,因此多用來表示高緯度地區的地磁擾動程度。而每個測站會先記錄每3個小時的地磁變化最大值,在根據各站的歷史記錄換算成0,0+,1-,1,……9-,9等27個等級的K指數。最後再將所有的測站整合成為全球的Kp指數,所以Kp指數最小值為0,最大值為9。 /V2/img/Quiz/Quiz_WorldKpStation.png 圖:Kp指數採用測站位置分佈圖。
  18. 什麼是赤道環形電流磁暴指數(Dst Index)?
    由於地球磁場被擠壓的時候,會在磁層內產生環型電流造成磁赤道附近的磁場強度改變,因此Dst指數所採計的測站所在的地磁緯度接近地磁赤道,量測地磁水平分量的強度。該指數可用來檢視低緯度的地磁擾動程度,並於每小時更新一次。由於是直接將觀測數據減去寧靜日參考值的結果,因此單位為奈特斯拉(nT),同時也沒有最大值與最小值的限制。 /V2/img/Quiz/Quiz_WorldDstStation.png 圖:Dst指數採用測站位置分佈圖。
  19. 什麼是磁暴?
    當地球磁場發生擾動程度時,如果Kp指數超過4或者是Dst指數小於-50nT,就稱為⎾磁暴(Geomagnetic Storm)⏌。 /V2/img/Quiz/Quiz_Storm.png 圖:磁暴事件發生期間的Kp(上)和Dst(下)觀測資料。
  20. 什麼是電離層?
    隨著高度逐漸增加,中性氣體也逐漸因為受到太陽輻射而游離成許多帶正電荷的離子以及帶負電荷的電子,當帶電粒子濃度大到足以影響無線電波傳播的區域便稱之為⎾電離層(ionosphere)⏌,範圍約在地表50公里以上到20,000公里高。因此,除了利用溫度隨高度的變化可以將地球大氣分為對流層、平流層、中氣層和熱氣層外,還可以利用帶電粒子(電子)濃度分出所謂的電離層D層、E層以及F層。電離層F層在特定的條件下,甚至還能夠在區分出F1層和F2層。 /V2/img/Quiz/Quiz_Ionosphere.png 圖:大氣隨溫度變化分層與電離層隨濃度變化分層。
  21. 什麼是電離層全電子含量?
    全電子含量(Total Electron Content)表示的是單位面積上所含有電子濃度總數,也就是單位面積上,有一個高度為無限高的柱體中,所含有的總電子數。為了簡化單位符號,以全電子含量單位TECU(TEC Unit)表示,1個全電子含量單位(TECU)表示每平方公尺上有1016個電子存在。 /V2/img/Quiz/Quiz_GlobalTEC.gif 圖:全球電離層全電子含量圖(Global Ionospheric Map, GIM)。
  22. 什麼是電離層不規則體?
    「電離層不規則體(Ionospheric irregularity)」是電離層中出現電漿密度在空間分佈不均勻的結構,大小尺度從幾千公里到幾十公分都有。 /V2/img/Quiz/Quiz_PlasmaBubble.png 圖:2002/03/11從大氣暉光中觀測到的電離層不規則體(影像來源:NCU/IRSL)。
  23. 什麼是電離層閃爍現象?
    電波訊號在經過電離層的過程中,如果經過小尺度的電漿結構,就可能受到帶電粒子影響而出現折射或散射現象。最後導致接收到的訊號強度忽強忽弱。這樣斷斷續續的訊號強度就好像夜空中的星光閃爍,除了會導致通訊品質下降、資料缺失以外,嚴重時甚至會造成通訊中斷的情況。
  24. 什麼是電離層電波吸收?
    當太陽閃焰發生時,瞬間增強的太陽輻射進入大氣層,大量游離中性氣體,改變電離層中的帶電粒子濃度,影響了特定訊號的反射高度而改變電波傳播的範圍。另外,由於D層的濃度也隨之上升,除了改變傳播路徑外,也因為帶電粒子的增加而讓電波訊號的強度在傳播過程中逐漸減弱。當太陽閃焰影響的程度較為輕微時,可能只會讓電波訊號的雜訊增加,而造成通訊品質下降與干擾。但如果太陽閃焰的劇烈,瞬間產生的電子濃度甚至會讓高頻電波通信完全中斷長達數分鐘至數十分鐘。
  25. 什麼是大氣暉光?
    白天時,中性氣體因為受到太陽輻射的作用而游離成帶正電的離子與帶負電的電子後,各自在空間中自由運動。當兩者相互吸引或在運動過程中發生碰撞而再度結合時,便會將原先游離時所吸收的能量釋放出來。如果同時間再結合的粒子數量夠多,且釋放的能量所產生的電磁波波長落在可見光範圍內,就能夠形成形成大氣暉光(airglow)。由於所能量釋放時所產生的電磁波波長會與氣種的成分(原子軌域能階)有關,所以不同波段可以對應到不同的電離層高度,也能從強度推算出不同高度上的電漿濃度,或者是分析有無電離層不規則體的現象存在。 /V2/img/Quiz/Quiz_Airglow.png 圖:從國際太空站所拍攝到的大氣暉光(圖片來源:NASA)。
  26. 什麼是地磁感應電流?
    依循著物理定律,當地球磁場受到擾動時,會在磁層中產生出相對的感應電流,同時透過原有電流系統傳入地球大氣中,並且伴隨此電流的強弱變化產生感應再產生出感應磁場。此時,如果地表上有個導線剛好位在感應磁場的範圍內,就能藉著感應磁場的變化,在迴路中生成感應電流,這就是所謂的⎾地磁感應電流(geomagnetic induced current, GIC)⏌。地磁感應電流的強度會隨著地磁擾動的程度、迴路的規模、所在的地磁緯度與地質條件而不同。如果輸電網路中缺乏相關的保護措施或是電流強度超過設備所能承受的上限,就會因為感應電流造成設備損壞。
  27. 什麼是太陽輻射暴?
    電漿粒子中包括帶正電的質子和帶負電的電子,當劇烈的太陽風暴發生時,質子能被加速而具有大量的能量成為高能粒子,進而對太空中運行的設施或造成地球輻射增強,故稱為太陽輻射風暴(solar radiation storm)。
  28. 什麼是掩星觀測?
    掩星觀測是利用電磁波通過非真空環境時,訊號會產生偏折的現象來進行量測。例如來自全球定位系統衛星所發射出來的電波訊號,應該像光一樣是直線前進的。因此當人造衛星被地球遮掩時,理論上是收不到任何來自定位系統衛星所發出的訊號。事實上,當衛星訊號穿過地球大氣層時,會產生不同程度上的偏折現象,造成人造衛星就算被星球遮掩住,仍然可以接收到被偏折後的訊號。因為訊號路徑受到影響而偏折的程度和大氣中的電子濃度、水氣含量、溫度、電子濃度等有關,因此就可以進一步計算出訊號路徑上的這些物理量,得到電離層電子濃度剖線與大氣溫、濕度隨高度變化的剖線。 /V2/img/Quiz/Quiz_RadioOccultation.png 圖:訊號偏折與掩星觀測示意圖。
  29. 什麼是全球導航衛星系統?
    全球導航系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)是泛指利用衛星廣播特性訊號,藉由設備在接收訊號計算出接收器與衛星的距離後,再進一步解算出確切的座標資訊。除了最早應用這個技術的美國外,近年來也陸陸續續有許多國家著手建置類似的系統。目前世界上主要的系統有(2019.02更新):
    1. 美國的Global Positioning System (GPS):具有32顆人造衛星分散在6個軌道面。軌道高度約20,200公里,可涵蓋全球大部分地區。
    2. 俄羅斯的GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS),具有31顆人造衛星分散在3個軌道面。軌道高度約19,100公里,提高了高緯度的涵蓋率。
    3. 中國的Beidou Navigation Satellite System (BDS,北斗),以5顆地球同步衛星與30顆中軌道衛星組成,提高在亞太地區的涵蓋率,目前已經發射了16顆衛星。
    4. 日本的Quasi-Zenith Satellite System(QZSS,準天頂衛星系統),利用四顆位在地球同步軌道的人造衛星作為全球定位系統區域性功能的衛星擴增系統。
    5. 印度的Indian Regional Navigation Satellite System(IRNSS),包含7顆衛星及輔助地面設施。其中3顆為同步衛星,分別位於東經34度、83度及132度。另外四顆衛星位於傾角29度的軌道上。
    6. 歐盟的Galileo,預計會有30顆衛星,設計能夠加強對高緯度地區的涵蓋。

    (資料來源:https://www.gps.gov/systems/gnss/)
  30. 什麼是飛航輻射?
    太空環境中具有各種能量的游離輻射,雖然有大氣層以及地球磁場的保護下,但仍然有一部分還是能夠穿透大氣層,因此以臺灣為例,人們所接受的天然背景輻射為每年2.44毫西弗,其中宇宙射線的貢獻為0.26毫西弗,約占11%。而隨著高度提升,宇宙射線貢獻也會增加,因此對於飛行在天上的飛行器,隨著時間、高度和緯度的不同,也會接受到不同量值得宇宙射線,此即為所謂的飛航輻射(Aviation Radiation)。
  31. ※太空天氣影響

  32. 太空天氣對於人類日常活動有哪些影響?
    生活中無法直接感受到的太空天氣變化,最直接的影響就是會干擾到我們的電波通訊。舉凡利用高頻波段進行通訊的電台或是單位,都會出現通訊干擾或中斷的現象。另外,當衛星訊號穿過劇烈變化區域的時候,也會對訊號造成干擾,造成GPS定位偏差增加、資料傳遞遺失,還有機會出現短暫中斷而造成衛星轉播的電視畫面短暫消失。另外,位處在軌道上的人造衛星、太空站,也會受到太空天氣變化的影響。當來自太陽的高能粒子傳播到地球附近時,就有機會干擾人造衛星與太空站上的電子設備,輕則造成短暫的訊號異常、短路現象,嚴重一點可能就會造成設備損壞。若是這些衛星恰好是通訊衛星或是定位系統衛星,就會再進一步衝擊到日常生活。因此,也許太空天氣的變化感受不到,但是對於今日充滿高科技的生活仍有所影響,甚至是對商業行為、交通運輸或國防安全造成衝擊。
  33. 太空天氣對於臺灣地區會有哪些影響?
    臺灣地區雖然處於較低緯度,受惡劣太空天氣的影響相對較少。但當太陽發生劇烈活動,所產生的影響也可能從其他地區伸延至臺灣,加上近年來科技發展迅速,新興科技(例如:全球衛星定位系統、行動通訊網路等)都未真正受到劇烈太空天氣的考驗,因此仍不可輕視太空天氣對臺灣地區的可能影響。太陽每次爆發的強度不定,即使是在太陽活動相對較低的週期也可能有非常劇烈的爆發。相反的,較強週期也可能只是爆發次數多但並不強烈。增加太空天氣在預測上的難度,也難於在較短的時間內作出應變。再加上臺灣位處在電離層赤道異常區,上空的電離層電子濃度相對其他緯度要高,電波通訊與衛星定位更容易受到電離層的影響,因此也更促進了電離層太空天氣的相關研究和發展。
  34. 太空天氣對於無線電通訊有哪些影響?
    多數的群眾生活中會接觸到的電波通訊以行動電話訊號、無線網路或藍芽等頻段,這些訊號所用的頻率並不會受到太空天氣的影響,但像是高頻無線電波訊號就有可能因為太空天氣的劇烈變化而受到干擾或中斷通訊。高頻波段是指無線電電波頻率在3-30赫茲的訊號,這個頻率區間的訊號可以透過電離層中的帶電粒子將訊號反射回地面,進而達到遠距離通訊的目的。但能夠被電離層反射的訊號頻率會與電離層中的電子濃度有關,因此電離層的電子濃度變化與分布,對於高頻通訊的使用者而言相當重要。
    平時,隨著太陽東升西落和季節的更替,電離層電子濃度會隨著太陽天頂角而有日變化與季變化,因此同樣的電波訊號在不同時間與季節所能夠傳播的距離也不盡相同。同時,當有太陽閃焰發生時,太陽表面所產生的短波輻射(X-Ray)能透穿透到 電離層底部,造成電離層D層的電子濃度增加。這些帶電粒子除了會反射部分頻段的無線電訊號外,也會吸收電波訊號的能量造成訊號衰減造成干擾與通訊中斷的現象發生。
  35. 太空天氣對於衛星通訊有哪些影響?
    在太空環境中,有超過2000顆的人造衛星圍繞著地球運作,衛星和地面接收站之間的通訊,能能夠互傳資料或指令而持續提供服務。衛星通訊一般使用的通訊頻率為特高頻(Ultra High Frequency, UHF, 0.3-3GHz)與超高頻(Super High Frequency, SHF, 3-30GHz),雖然可以直接穿透電離層,但在電離層中的電漿(帶電粒子)會干擾訊號傳播。當帶電粒子濃度分佈不均勻時,訊號的傳播路徑就會產生偏折,造成接收到訊號強度衰減或是忽強忽弱。如果訊號強度或相位發生快速的變化,就像是夜空中的星星閃爍,因此又稱之為閃爍現象(scintillation)。這樣的情況下,因為訊號品質不穩定,就有可能造成資料缺漏或是無法接收影響到衛星服務。
  36. 太空天氣對於衛星定位有哪些影響?
    當定位訊號自人造衛星發射後經由電離層傳至地面時,訊號會受到電離層電子濃度與電漿結構影響而偏折。因此,大部分的定位系統就會在利用平均電離層或是太陽活動寧靜時期的電離層資訊演算,降低電離層對衛星定位的影響。但是當劇烈太空天氣發生,或是電離層中出現一些異常的電漿結構時,衛星定位的精準度就會大幅度降低。一般而言,單頻的衛星定位系統可以提供公尺級的定位精確度,而雙頻的衛星定位系統則可以提高到公分級的定位精確度。但當電離層受到劇烈擾動時,不管是那一種系統,都會因為無法鎖定衛星訊號而產生極大的定位誤差。劇烈的電離層變化包括了當太陽活動劇增造成磁暴時的全電子含量(TEC)增強,以及平時在近磁赤道地區受到不穩定環境所產生的電離層不規則體,都會影響到衛星定位的準確性。
  37. 太空天氣對於衛星操控有哪些影響?
    當太陽活動增強時,因為底層的大氣接收到比較多的能量而增溫,氣體膨脹後將會繞衛星飛行的軌道高度上大氣密度增加,造成人造衛星受到大氣阻滯現象更為明顯。因此,在太陽活動寧靜期時,平均每一年大約需要進行三到四次的軌道調校。但如果是太陽活耀期時,可能每隔兩到三周就必須要修正一次軌道高度。另外,如果遇到日冕物質拋射或是強磁暴發生時,也會在短時間內影響造成中性氣體密度變化,造成軌道偏移。另外,電漿粒子和高能粒子也可能直接影響到人造衛星上的設備或是酬載的各種儀器,例如在影像上所造成的訊號雜點可能會干擾到尋星定位的設備,進而影響衛星姿態控制。又或者帶電粒子直接進入到位星本體電路,影響到飛行電腦的運作或是造成電路異常及短路,而有出現系統重新啟動的狀況以及短暫性或永久性的功能喪失。
  38. 太空天氣對於民用航空有哪些影響?
    太空天氣對於民用航空的影響,除了干擾高頻無線電通訊與造成衛星定位偏差以外,還會增加飛機駕駛、乘客與機上儀器的輻射量。對民用航空而言,飛機駕駛、乘客與機上儀器所受到的輻射源為二次宇宙射線(secondary cosmic rays),輻射劑量會和飛行路線以及飛行高度有關,特別是為了縮短飛行距離所使用及區航線。一般而言,宇宙射線在地球磁場接近兩極得區域能夠穿透得較深,而抵達大氣層中較低的高度,所以高緯地區的路線有較高的曝曬量。而當劇烈太空天氣現象發生時,輻射值更有機會是寧靜時期的數倍。因此,為了避免過高的飛航輻射對於人員或是飛機上的晶片與設備受損,部分國家已有相關的規定來規範班機飛行的路線與條件,要求民用航空飛行計畫修改飛行高度或避免使用高緯度航線。
  39. 太空天氣對於電力系統有哪些影響?
    太陽風暴期間,因為地球磁場受到擠壓擾動,進而改變了大氣中的電流系統,並進一步在地表的設施中產生了地磁感應電流(GIC)。這種突然且額外的電流,將有可能導致地表電力系統短路毀損,也會對網路通訊設備、精密的IC 製造業、與心律調整器等精密設施造成影響。歷史上因為地磁感應電流所導致的著名事件是發生於1989年3月加拿大魁北克,磁暴發生後因為感應電流造成輸電網中的變壓器受損,讓省經歷了數小時的大停電。而在同一時間,位於美國紐澤西州的一個變電系統也於相同的磁暴中永久損壞。
    雖然地磁感應電流主要是在高緯地區造成問題,但其實地磁感應電流也會影響較低緯地區。地磁感應電流的強度大小取決於地表導電率和系統的結構,包括了傳輸線的阻抗、長度與變壓器的位置,還有一些未知的因素。所以磁暴發生時需要能夠進一步預測不同地區的地磁感應電流強度,才能夠避免突發性災難。
  40. 太空天氣對於地球氣候有哪些影響?
    從地表到太空環境所有的天氣現象,都與太陽活動的變化與它的週期變化有關。來自太陽的能量大多數是可見光的的波長發射(約400-800奈米),在這個波長的能量變化非常的小,在11年的太陽週期中只有千分之一(0.1%)的變化。但太陽輻射在紫外線波長(120-400奈米)的變化,在一個太陽週期中的可以達到15%,而這個波長正好是臭氧的吸收波段,因此會影響到平流層中的臭氧濃度以及溫度。另外,從衛星測量太陽光的總波長綜合的能量變化,可以得到被稱為「總太陽輻射照度(Total Solar irradiance, TSI)」的數值。這個數值又被稱作太陽常數,數值約為每平方公尺1365.5瓦至1366.5瓦。即使拿太陽活動極大期與極小期的數值相比,差異也僅有千分之一。不過,也有研究指出,當歷史上出現太陽黑子極小期(長時間太陽表面沒有太陽黑子)時,恰好是地球上的小冰河時期。因此太陽活動對於氣候的變化,還是需要更多的研究來完成。
  41. ※事件等級區分

  42. 太陽閃焰的強度如何分等級?
    太陽閃焰的強度目前是依據美國NOAA\GOES衛星所量測到的Xray通量密度來判斷,依據觀測到的數值共可區分為A、B、C、M和X五個等級。每一個等級又可以再區分成100個等級,因此可以看到太陽閃焰的強度判定為B6.3或是M8.7等級。特別的是,因為X等級是目前分類中最強的,因此上限是可以超過10的,例如在2003年11月4日就記錄到強度為X28的太陽閃焰。 /V2/img/Quiz/Quiz_GOESXrayFlux.png 圖:NOAA/GOES的Xray通量密度觀測數據與閃焰強度對照圖。
  43. 太空天氣指標如何產生?
    太空天氣指標(space weather scale)係指由NOAA/SWPC藉由「NOAA/GOES短波輻射通量密度」、「全球高緯地磁指數(Kp)」與「NOAA/GOES高能粒子通量密度」三種不同的觀測和監測數據來產生的全球指數。分別針對「無線電干擾(radio blackout, R)」、「地球磁場擾動(geomagnetic storm, G)」和「太陽輻射暴(solar radiation storm, S)」三種較常對人類活動造成影響的太空天氣狀態所制定的指數。指數的數值依照對應的數據,分成6個等級,由0(None)到5(Extreme)。氣象局太空天氣作業辦公室依照NOAA/SWPC的指標規範,也會產生對應的6個等級的中文說明和色標。 /V2/img/Quiz/Quiz_SWxScale.png 圖:美國與臺灣太空天氣指標分級對照表。
  44. 無線電干擾指標如何分級?
    無線電干擾指標代號為R,是以NOAA/GOES針對波長在0.1-0.8奈米(nm)範圍內的短波輻射通量密度為依據,觀測數值未達到閥值前為R0,超過10-5 W/m2以上劃分為5個等級,自R1到R5。
  45. 地球磁場擾動指標如何分級?
    地球磁場擾動指標代號為G,是以Kp指數的數值為依據,觀測數值未達到閥值前為G0,超過4以上之後劃分為5個等級,自G1到G5。
  46. 太陽輻射暴指標如何分級?
    太陽輻射暴指標代號為S,是以NOAA/GOES針對能量在10MeV以上的質子通量密度為依據,觀測數值未達到閥值前為S0,超過10 #/s·ster·cm2以上劃分為5個等級,自S1到S5。
  47. ※觀測與技術說明

  48. 為什麼太陽表面影像有許多顏色?
    太陽除了利用可見光觀測太陽表面外,也可以透過不同的濾鏡記錄其他波段的變化情形,或者將影像處理後得到表面的磁場強度。例如NASA的SDO人造衛星不僅提供了可見光影像外,也可以針對波長為9.4, 13.1, 17.1, 19.3, 21.1, 30.4, 33.5和170.0奈米的波段進行觀測,同時也提供了太陽表面的磁場強度與方向的分佈圖。但不管是哪一種影像,人造衛星最初所觀測到的影像都只有每個波段的強度(明暗程度),所以原始資料都是一張張黑白的圖片。為了要讓太陽上的結構或變化更為顯著,並且讓使用者和科學家容易分辨,便將原本黑白的影像套上不同的顏色,也就造成不同顏色的太陽影像。
    但因為顏色並沒有統一個標準,因此各個衛星(NASA-ESA/SOHO、NSAS/SDO、NASA/STEREO、NOAA/GOES)即使是相同波長的觀測影響,顏色也不一定完全相同,在比較時也需要特別注意。 /V2/img/Quiz/Quiz_SDOWavelengths.png 圖:NASA/SDO個波段太陽影像範例一覽圖。 /V2/img/Quiz/Quiz_WavelengthCompare.png 圖:不同衛星在相同波段所觀測的太陽影像。
  49. 為什麼電離層可以幫助遠距離通訊?
    電離層是個充滿帶電粒子的區域,能夠反射無線電波,將電波訊號送到遙遠的地方(越地平線通訊)。因為電離層電子濃度會隨高度變化,而且電波被反射的條件又與電子濃度有關,因此不同波段(波長)的無線電波就會被不同區域(高度)的電離層反射(見下圖)。透過這樣的原理,如果知道全球電離層電子濃度的分佈情形,便可以推算出要將訊號送到特定地區最適合的電波頻率或是時段,提升通訊傳播的成功率。 /V2/img/Quiz/Quiz_HFPropagation.png 圖:電離層反射電波訊號達到遠距離通訊示意圖。
  50. 為什麼會產生極光?
    原本就在磁層內的電漿粒子受到太陽風擠壓磁層的作用,加速後沿著磁力線衝入地球的高層大氣,藉由碰撞的方式把能量轉移到氣體粒子上,氣體粒子受到激發後利用發光的方式把能量釋放出來。因為透過粒子碰撞轉移能量,能在短時間內大量激發氣體粒子產生明亮而顯著的發光現象,由於發生的地區都在高緯度接近極區的位置,所以稱之為「極光」。
  51. 為什麼極光有許多不同的顏色?
    因為高空缺乏讓空氣混合的動力,因此中性氣體粒子在太空中會受到地球重力的作用而按照質量隨高度分佈。當粒子從磁層順著磁力線進入到大氣層時,就會先遇到氫原子、氮原子及氧原子等中性粒子。粒子間互相碰撞後,由於不同的氣體粒子在吸收能量激發後所產生的光譜不同,所以極光除了常見到由氧原子所發出的綠色光以外,還有機會可以看到氫所發出的粉紅色光、氮原子所發出的藍色光。如果粒子所具有的能量,還能讓其下衝到更低的高度,就有機會進一步去激發氮分子和氧分子,而出現深紅色的極光。
  52. 為什麼極光的強弱和太陽活動有關?
    當劇烈太空天氣發生時,日冕物質拋射或高速太陽風配合著行星際磁場的變化,都能夠對地球磁層產生劇烈的擠壓。急遽的變化,不僅提高了粒子的速度和能量,也讓更多粒子具備足以激發出極光的能量。也因此,當太陽活動增加且有劇烈太陽風暴發生時,極光的規模跟強度也會跟著上升,同時也會讓極光發生的位置往磁赤道的方向移動,並且增廣可見到極光的範圍。
  53. 為什麼春、秋分時段衛星頻道容易受干擾?
    由於地球的自轉軸傾斜約23.5度,且通訊衛星又位在地球赤道面上的同步衛星軌道。因此在春分與秋分時節前後,就有機會讓地面接收站、人造衛星和太陽連成一線而讓從太陽所發出的電磁波訊號蓋過人造衛星所發送出來的訊號,進而造成短暫的訊號干擾或中斷。英文稱之為solar outage,中文有使用者給予太陽飛耀或日凌等名稱。以臺灣地區所在的緯度為例,因為位在北緯約23-24度左右,配合太陽的相對位置(直射赤道偏南位置時),所以上半年的訊號干擾會發生在春分之前(三月初),而下半年的訊號干擾則會發生在秋分之後(十月初)。
  54. 如何進行太陽黑子的觀測作業?
    自1948年開始,位在台北市中心的交通部中央氣象局天文站,每日上午在具有良好觀測條件的狀態下,會開啟天文站圓頂並透過望遠鏡和太陽濾鏡減光後,將太陽影像投影在直徑為20公分的描繪圖紙上,再利用鉛筆進行人工描繪作業。描繪完成後,在依作業規範計算太陽黑子數、分類與計算太陽表面佔比。作為全球聯合觀測的合作天文台之一,作業後立即將觀測數據上傳至比利時皇家天文台太陽影響資料分析中心(Solar Influences Data Analysis Center)的資料庫中,和全球其他的觀測數據聯合統計與分析。 /V2/img/Quiz/Quiz_CWBSolarDraw.png 圖:氣象局天文站太陽觀測作業所用望遠鏡和描繪作業示意。
  55. 如何區分無線電通訊的波段範圍?
    無線電通訊所使用的波段通常會依照頻率的範圍來進行區分,如果依照國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)的標準,可以區分成至高頻(EHF)、極高頻(SHF)、超高頻(UHF)、特高頻(VHF)、高頻(HF)、中頻(MF)、低頻(LF)、特低頻(VLF)、超低頻(ULF)、極低頻(SLF)、至低頻(ELF)。而在秭赫(GHz)以上的頻率,有些場合或文件則會根據電機電子工程師學會(IEEE) 521-2002的區分標準而畫分出所謂的C、X、K等波段。詳細的分類標準請參照表格。 /V2/img/Quiz/Quiz_RadioType.png 圖:ITU無線電波區分表。 /V2/img/Quiz/Quiz_RadioTypeIEEE.png 圖:IEEE 521-2002無線電波區分表。
  56. 如何利用電離層探測儀量測電離層?
    電離層探測儀配有一組發射與接收天線,其原理係將2至30MHz的電波信號,以100KHz/Sec之掃描頻率,垂直向電離層發射。因為不同頻率的無線電波會被不同電子濃度區域反射,當發射信號經電離層反射後,由接收天線接收訊號並分析電離層之高度。假設無線電波在理想狀態中傳播,是以光速前進,因此稱前述所得到的高度為虛高。而電離圖便是電離層反射的電波頻率隨虛高變化的觀測資料,並可藉此換算得到電離層電子濃度隨高度的分布。
  57. 如何量測電離層全電子含量
    電離層電子濃度隨高度不同而有增減,當全球衛星定位系統訊號自人造衛星發射後穿過電離層至接收機,會因電子濃度的不同差異而產生訊號偏折,就像是光線再通過不同密度介質時所發生的折射現象一般。因此當訊號接收器收到來自定位系統衛星的訊號後,便可以配合衛星位置等資料計算出訊號路徑在傳播的過程中改變了多少,而得知路徑上的電子濃度。由於接收器收到訊號時,只能瞭解訊號最終的變化結果,因此得到的電子濃度亦是路徑上電子濃度的總和量,故稱之為射線全電子含量(Slant Total Electron Content, STEC)。再藉由基本三角函數轉換成垂直於地面方向的量值,就稱為垂直全電子含量(Vertical TEC, VTEC)。嚴格說來,我們所量測到的全電子含量,其實只有包含地表到定位系統衛星之間的空間,但是因為大多數的電漿粒子都集中在距離地表200到2000公里之間的區域,因此就以量測到的結果表示空間上的全電子含量。 /V2/img/Quiz/Quiz_GNSSTEC.png 圖:利用GNSS量測全電子含量示意圖。
  58. 氣象局何時開始提供太空天氣資訊?
    自103年7月起,氣象局著手相關業務的規劃並且展開「太空天氣作業辦公室」籌設相關的準備工作。先於104年3月召開國內學者專家座談會後,透過專家學者意見與利用學研界所發展成熟模組進行太空天氣作業發展工作。於105年7月完成太空天氣資訊供應平台建置作業,整合國內外觀測資訊,提供一般民眾與相關單位各類相關資訊,瞭解太空天氣、避免相關危害。
  59. 太空天氣作業辦公室的主要業務有哪些?
    目前業務包括綜整國內、外太空天氣觀測與監測產品,維持模式產品正常運作,並且定時發佈太空天氣變化報告和提供未來太空環境預報。同時,維運太空天氣資訊服務平台以提供即時太空天氣資訊、推展太空科學教育與回應民眾問題。 /V2/img/Quiz/Quiz_CWBSWOO.png 圖:太空天氣作業辦公室的主要業務。
  60. 歷史上有那些重大的太空天氣影響事件?
    最早的紀錄為1859年9月2日的卡林頓事件,英國天文學家理查卡靈頓從望遠鏡投射出來的影像中看見太陽風暴發生,接著在17小時之後造成電報線路上產生強大的電流,讓巴黎、首都華盛頓等地的電報站出現火花而被迫關閉。之後,1989年3月13日在加拿大的魁北克省所發生的大停電,就是一次日冕物質拋射事件所引發的磁暴事件,引發的磁場劇烈變化在魁北克電力公司的輸電網路中產生地磁感應電流,造成超過9個小時的大停電。另外,加拿大和美國的通訊衛星也都曾因為太陽風暴的影響造成暫時性和永久性的損害。 /V2/img/Quiz/Quiz_TranformerDamage.png 圖:位在美國紐澤西州賽勒姆核電廠的設備,受到1989年3月13日磁暴所產生的地磁感應電流作用,造成設備受損 (圖片來源:NASA)。
  61. 人造衛星的軌道有哪些種類?
    人造衛星的軌道會因為任務的需求有所不同,但仍然可以依照軌道傾角、軌道形狀、軌道高度加以簡單的分類。舉例而言,中新2號衛星(商用通訊衛星,軌道高度約為35,800公里)就是一個赤道軌道、圓軌道的地球同步衛星,而福衛3號衛星(軌道高度約為800公里)則是屬於低軌道的圓軌道衛星。而福衛5號衛星的設計可以每2天在相同時間飛越臺灣上空,屬於太陽同步衛星的一種。 /V2/img/Quiz/Quiz_Orbittype.png 圖:衛星軌道分類。