當太陽活動活躍且劇烈時,受到太陽表面劇烈的短波輻射或高能電漿物質噴發,太空環境粒子濃度升高、地球磁層受到太陽風擠壓造成磁暴,就會產生劇烈太空天氣變化。
這些感受不到且看似與日常生活無關的太空天氣,透過太陽活動與太空中的行星際磁場變化,進一步改變了地球的磁場與大氣中的電離層。影響的範圍涵蓋人造衛星、太空站、太空人,衛星通訊、定位精準度與電波通訊,對太空中的設備,甚至是地面上的設施都有傷害。因此,太空天氣其實是會對於民生、通訊、國防等領域都可能造成衝擊,干擾到我們的日常生活。
事件名稱 | 現象說明 |
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太陽閃焰 Solar Flare |
太陽表面磁場扭曲重連後,瞬間釋放大量能量而放出從伽瑪射線到無線電波各種波段的輻射。在太陽表面的觀測影像上,會形成明亮光芒,故稱之為太陽閃焰。閃焰發生從開始後,會在幾分鐘之內達到最明亮的程度,然後光度逐漸衰減並且持續數分鐘到數小時不等。 |
高速太陽風 High Speed Solar Wind |
從太陽表面高速朝外吹送的帶電粒子稱之為太陽風,傳播速度約在每秒鐘200到400公里。但在太陽表面部分區域因為缺乏太陽磁場的影響,而讓太陽風的風速更為快速,可到達到每秒鐘500公里以上。 |
日冕物質拋射 Coronal Mass Ejection |
當太陽表面發生劇烈能量釋放時,除了產生各種波段的輻射以外,另一種日冕內的電漿粒子受力被向外拋射而出的現象。 |
磁暴 Geomagnetic Storm |
當太陽風風速或密度突然增強時,朝向地球而來的帶電粒子會推擠地球磁場,造成地表上所量測到的磁場出現劇烈變化而稱為磁暴。 |
電離層不規則體 Ionospheric Irregularity |
電離層中帶電粒子濃度原本是均勻分布的,但受到外力作用後,會產生濃度不均匀的現象,此空間尺度達到數公里到數公尺不等。 |
太陽輻射暴 Solar Radiation Storm |
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,質子有機會被加速,並獲得大量的能量成為高能粒子,進而使太空中運行的設施產生異常或造成地球輻射增強,故稱為太陽輻射暴。 |
在臺灣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為主,這些訊號所用的頻率並不會受到太空天氣的影響。但仍有少數的電波訊號在傳播的過程中,需要透過藉由電離層反射或穿透電離層的電波訊號,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,以下就兩種不同頻率的電波訊號分別進一步說明。
高頻波段是指無線電電波頻率在3-30MHz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,以致訊號干擾與通訊中斷的現象發生。
臺灣位處電離層赤道異常區,是相當容易因為電離層的變化而影響到高頻無線電通訊,也就直接影響到相關的廣播電台、民用航空通聯與業餘無線電的使用者。
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。如今,衛星通訊也與我們的生活息息相關。包括點對點通訊、影音通訊、衛星資料傳輸和人造衛星控制等,都是在日常生活中常見到的應用範疇。
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。當帶電粒子濃度分布不均時,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,而影響到衛星服務。
隨著科技的進步,全球導航衛星系統的定位技術已經應用到各式各樣的交通工具以及行動裝置中,便利又即時的獲取精準的定位資訊。但是太空天氣也會以不同的方式影響到定位系統的精確度,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,不管是哪一種系統,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)增加,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。
衛星在太空中的軌道上飛行時,還是會受到大氣阻力而減緩飛行速度。如果速度減少太多,就沒辦法讓衛星安穩的在任務軌道上飛行,有可能降低軌道高度,甚至是墜毀。一般而言,軌道高度低於2000公里的的低軌道人造衛星都會出現這樣的現象。雖然在這個高度人們認為大氣密度相當的稀薄,但是對於飛行速度達到接近每秒8公里的人造衛星而言,這樣的環境還是會對衛星造成阻滯的現象。衛星阻滯不只會改變人造衛星的飛行軌道,更會影響地面站與人造衛星的通訊。因為地面站無法直接看到人造衛星,只能夠應用一些輔助軟體預測衛星會出現的方位跟時間,並在所預測的方位與時段下接收到人造衛星的訊號時,開始傳送指令與接收資料。如果人造衛星受到大氣空氣阻力影響,而改變了飛行速度或軌道,地面站所預測的資訊就會有所偏差。這時候可能要花費更多的時間去修正方位而縮短聯繫的時間,甚至無法接收跟傳送資訊。
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,將更多的中性氣體分子往上提升到衛星運作的軌道高度上,使衛星阻滯現象更為明顯。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。但如果是太陽活躍期時,可能每隔兩到三週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時,也會在短時間內造成中性氣體密度變化,造成軌道偏移。
太陽風暴期間,電離層電子濃度與導電率的增減以及被擠壓的地球磁層,都會導致地表的磁場改變,造成感應電場的產生,而感應電場所生成的感應電流,稱之為地磁感應電流(Geomagnetically induced current, GIC)。目前對於GIC產生的電壓大小與影響的相關研究持續發展中,但已知的影響包含可能導致地表電力系統短路毀損,此外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GIC所導致的著名事件是發生於1989年3月加拿大魁北克省,磁暴發生後因為感應電流造成輸電網中的變壓器受損,讓該地區經歷了數小時的大停電。同時間,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。
由於GIC主要影響範圍多位於高緯地區,因此北美與北歐國家相當關切這方面的研究,但其實GIC也會影響較低緯地區,因為GIC的強度大小取決於地表導電率和電力系統的結構,包括了傳輸線的阻抗、長度與變壓器的位置,仍然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GIC強度,才能夠避免因GIC帶來的突發性災難。
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),輻射量質與飛行路線以及飛行高度有關。寧靜時期,宇宙射線在地磁極區能夠穿透得較深,而抵達大氣層中較低的高度,因此高緯地區的路線有較高的曝曬量,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。
部分國家為了避免民用航空飛行高緯度時,過高的輻射對於人員或是飛機上的晶片與設備受損,而有相關的規定來規範班機飛行的路線與條件。國際民航組織(ICAO)近幾年來也針對太空天氣對於民用航空的影響進行評估與研析,並且進一步修正航空氣象規範後,自2019年11月開始將太空天氣納入民用航空氣象服務所必需提供的參考文件,並在劇烈太空天氣發生時,由負責的太空天氣中心發出電碼告知所有航班。
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。太陽所產生的能量以光的形式,傳播到整個行星際空間。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),但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。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與大氣溫度。但是從太陽光的總波長集成能量被稱為總太陽輻射照度(Total solar irradiance, TSI),是一種從衛星測量的數值,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。另外一項研究也曾指出,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。