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外太空的觀察家!福衛三號、七號即時觀測太空天氣
當地球遭到速度超過每秒500公里,溫度高於100,000K的太陽風暴電漿襲擊時會混滅嗎?外太空的磁暴電流變化瞬息,卻能影響100公里以外的人類現代生活,因此太空天氣能不能預報呢?台美合作的福衛三號,任務之一就是即時觀測太空電離層,引發太空天氣預報的契機。2019年6月將升空的福衛七號,則奠基於福衛三號基礎上,預計將提供更多太空的觀測資訊。
 
 

太陽系的行星都會受太陽影響,太陽磁場、太陽風不斷地吹拂著行星,與地球磁場作用,進而影響我們的日常生活。(圖片來源:pixabay)
▲太陽系的行星都會受太陽影響,太陽磁場、太陽風不斷地吹拂著行星,與地球磁場作用,進而影響我們的日常生活。(圖片來源:pixabay)
 
2002年春天,一架搭載著美國陸軍遊騎兵的運輸直升機正在惡劣的阿富汗高山群中找尋降落地點,好讓這群陸軍的菁英戰士前往救援幾個小時前因為直升機遭蓋達組織擊落而等待救援的海軍海豹部隊。這些海陸軍菁英部隊急需脫離這個白雪覆蓋並藏有蓋達主力部隊的山區,然而在遠方的任務指揮中心,卻不停地呼叫這架運輸直升機而不得,因為指揮中心發現給予運輸直升機降落的座標情報有誤,極不安全,那正是擊毀海豹部隊的蓋達陣地,擊落海豹部隊的火箭砲正對準著遊騎兵們。

這不是另一部反恐戰爭電影,這是真實發生在3月4日的救援行動。同樣也被擊落的遊騎兵們在經過17個小時的戰鬥,犧牲了7位同袍後,才脫離險境。這新聞被知名的《科學》(Science)期刊選為2014年10大科學新聞之一的報導。哦!不是美國有線電視新聞網於2002年所選的新聞?而是科學期刊?因為太空科學家們在分析衛星電離層觀測後,發現或許這次的任務不像先前所檢討的,因無線電通訊被阿富汗的高山群阻擋而失聯造成的損失。因為直升機的衛星通訊受地形影響有限,真正的原因很可能是電離層電漿泡造成的,這些散布在太空中的電漿不規則體把指揮中心藉由地球同步軌道衛星傳輸的超高頻(ultra-high frequency, UHF)無線電通訊散射掉了,搭載遊騎兵的直升機自始至終都沒聽到指揮中心無線電官要他們回頭的吼聲。

電離層電漿與電漿泡


電離層的高度起自於人類所定義的「太空」,也就是大約100公里的高度。在這高度以上,地球大氣吸收太陽紫外光,讓大氣分子與原子(主要是氧原子)解離,產生帶電粒子而形成太空電漿(電子與離子總數量相等),這個區域由地表上90公里高度一直延伸到大約1,000公里。

在1,000公里高度之上,氫跟氦離子取代氧離子成為主要的帶正電粒子,電漿的產生機制不再是經由吸收太陽輻射,這區域屬於地球的電漿層與磁層。隨著高度變化,電漿密度由距地表300公里高度電離層內的每立方公分106個帶電粒子慢慢轉變為1,000公里高度以上磁層內的每立方公分1個帶電粒子。由於太陽的紫外光等高能量輻射,大部分被位於電離層高度內高層大氣吸收並形成電漿,因此,住在地球表面的人們幾乎感受不到11年周期的太陽活動帶來的影響,太陽黑子數的多寡在過去並不會直接影響我們的生活。

由於太陽照射是電漿生成的主要原因,因此理論預測地球的最大電漿應該發生在地球磁場的赤道附近約300公里的高空,但是實際觀測卻是在地磁赤道的兩側,因此這現象被稱為電離層赤道異常現象(註1)。由全球不同地區上空的電離層赤道異常電漿結構,可以看到赤道異常可說是電離層最為顯著的電漿結構,而台灣恰好坐落在電離層赤道異常電漿結構區域中。

過去,電離層在無線通訊中扮演著重要的角色,因為電漿密度跟電磁波折射指數呈正比,電離層可以藉由反射與電漿振動頻率相同的高頻電磁波,達到遠地通訊的目的。今日,為了搭載更多的資訊,人類使用了超高頻的電磁波訊號,並利用人造衛星傳播資訊,因此電離層不再扮演傳遞通訊的重要幫手。但因電離層電漿屬於良好導體,會影響電磁的傳播,特別是電漿泡這類電漿不規則結構會造成無線電訊號嚴重衰減。
 
電離層最顯著的電漿結構—赤道電漿異常結構─位 於地磁赤道兩側約地磁緯度 ±15°,台灣正坐落在 赤道電漿異常結構中。
▲電離層最顯著的電漿結構—赤道電漿異常結構─位 於地磁赤道兩側約地磁緯度 ±15°,台灣正坐落在 赤道電漿異常結構中。
 
除了赤道異常結構外,電離層另一個特性是電漿會受到地球磁場的控制。因為帶電粒子主要是繞著磁場運動的,而地磁赤道上空的磁場與地表相互平行,因為磁場作用以及離子重量遠大於電子的關係,使得帶正電的粒子往東跑,形成向東流的電離層電流。在這個時候,如果低層大氣的任何波動,如大氣環流經過高山或旺盛大氣對流雲系,甚或火山爆發與颱風產生的大氣垂直震盪(我們稱為:大氣重力波,gravity wave),向上傳播到電離層高度,就會導致電離層底部電漿不均勻分布。

電漿不均勻分布意味著導電率不均勻,因此重力產生的東向電流在流經導電率不均勻的電離層後會產生擾動電場。當電場與地球磁場交互作用後 (往電場與磁場與磁場的外積方向,即E×B漂移),電漿密度高的地方會往下掉,密度低的地方會往上跑,往上跑的低密度區就如水中吹泡泡的情況,因此這種往上漂移的低密度電漿結構就稱為電漿泡。基於上述物理機制,我們知道電漿泡主要是在赤道與低緯度地區生成,並且在春、秋分最易形成,因為電離層電漿密度在春、秋分達到最大。

美國約翰霍普金斯大學的科學家利用著名的NASA TIMED衛星觀測,重建了2002年3月的電漿泡分布。他們發現3月4日那天,美軍遊騎兵的直升機與地球同步通訊衛星中間有許多電漿泡,由於電漿泡的密度約為正常電漿密度的1/100甚至1∕1,000,因此藉由衛星傳播的超高頻電磁波在穿越電漿泡時,由於電漿不均勻,造成訊號散射並大幅衰減,導致地表上的使用者無法正常接收。很可能禍首就是這些電漿泡,它們使通訊失聯,讓遊騎兵們失去轉換降落地點的契機。

電漿泡的生成與低層大氣的天氣系統有關,同時因為與電離層電漿密度大小有關,因此在太陽活動極大期較有利其生成,而2002年正是位於太陽第23周期的高活動期。
 
電漿泡結構散射超高頻電磁波示意圖,同時畫出形成電漿泡的電磁場變化情形,粉紅箭頭為重力誘發電場,橘色箭頭為電場與地球磁場交互作用產生的電漿飄移方向,低密度區恰好有著向上的電漿飄移,形成電漿泡往高空飄移。
▲電漿泡結構散射超高頻電磁波示意圖,同時畫出形成電漿泡的電磁場變化情形,粉紅箭頭為重力誘發電場,橘色箭頭為電場與地球磁場交互作用產生的電漿飄移方向,低密度區恰好有著向上的電漿飄移,形成電漿泡往高空飄移。
太陽磁暴

除了電漿泡會產生所謂的「赤道太空天氣」效應外,真正能夠撼動全球的太空天氣效應主要還是「太陽磁暴」。太陽系的行星都會受太陽影響,太陽磁場、太陽風不斷地吹拂著行星,在太陽活躍期,其表面有許多成對的太陽黑子形成太陽黑子群。這些帶有強大磁場的「黑子對」如果與其他「黑子對」產生交互作用,就會造成磁場重組,可能會形成太陽閃焰、產生日冕噴發物,以平常2~3倍以上的速度往外噴發。地球運轉的位置若恰好面向狂野的日冕噴發物時,一場來自太陽的風暴就此展開。地球的磁場會阻擋帶電粒子,減低太陽風侵襲,卻也會被太陽風電漿拉扯變形。

速度動輒超過每秒500公里,溫度是10~100萬K(絕對溫度kelvin)以上的太陽風暴電漿襲擊地球時,並不會如科幻片描述般地造成地球上一片火海,是因為地球有磁場保護嗎?不對,是因為太陽風裡每立方公分頂多才帶1~100顆帶電粒子,而地球的大氣在500公里的高度每立方公分仍有108個氧原子!那什麼因素才是重要的呢?

超高速的太陽風壓力壓縮地球磁場所轉換的電磁能,以及太陽風所攜帶的電流與磁場擾動才是重點!一場太陽風暴轟擊地球時的能量可以供應北美洲1~3天的用電量 (根據2011年北美用電量統計),太陽風暴攜帶的南向行星際磁場可以與地球自身的北向磁場產生磁場重組,造成南北半球中高緯度的磁場與太陽風磁場相連。太陽風攜帶的電流則經由這相連的磁場灌進地球高緯度電離層,加熱了高層大氣,並在地表引發感應電流。磁暴電磁場會藉由電離層底部與地表電流形成的波導管效應,以光速瞬間傳播至全球。
 
太陽風、日冕噴發物與地球磁場交互作用的示意圖。
▲太陽風、日冕噴發物與地球磁場交互作用的示意圖。
為了紓解大量流入電離層的磁暴電流,離地球3~6個地球半徑遠的帶電粒子會開始動起來,形成一環繞地球赤道面的環形電流,並且在流入電流區域往赤道方向略低的緯度把磁暴電流導引走,減緩電離層承擔的磁暴電流。由於環形電流是順時針方向的電流,產生的感應磁場與地球磁場方向相反,因此地面上的觀測會發現地球磁場衰減了,科學家也利用這一原理藉由量測地球磁場的差異來衡量磁暴的強度。

科學家利用4個建置於赤道的磁力計觀測磁場變化,依據磁場變化制定Dst指數做為度量磁暴發生時間與強度的重要參數。當Dst指數轉為負值,並快速減少時,顯示環形電流已經形成,產生了反向的感應磁場,代表著高緯度正有大量的太陽磁暴電流輸入電離層。因此Dst指數越小,表示太陽磁暴越強大,灌進電離層的電流越大!
 

磁暴擾動電流由高緯度灌進電離層,造成全球電離 層電流擾動,部分電流被引導至環形電流,順時針 環繞地球,產生與地球磁場相反的磁場擾動。
▲磁暴擾動電流由高緯度灌進電離層,造成全球電離 層電流擾動,部分電流被引導至環形電流,順時針 環繞地球,產生與地球磁場相反的磁場擾動。

Dst 指數變化情形。以 1989 年 3 月 13 日磁暴為例,Dst 指數在 3 月 13 日快速減少,並在 3 月 14 日凌晨達 到最低,這 Dst 減低到極小值的過程稱為磁暴的「主相位」。之後數天,Dst 指數慢慢地回復到接近 0 的值, 這過程稱為「回復相位」。
▲Dst 指數變化情形。以 1989 年 3 月 13 日磁暴為例,Dst 指數在 3 月 13 日快速減少,並在 3 月 14 日凌晨達 到最低,這 Dst 減低到極小值的過程稱為磁暴的「主相位」。之後數天,Dst 指數慢慢地回復到接近 0 的值, 這過程稱為「回復相位」。
 
太陽磁暴會使地球毀滅嗎?這可以參考過去發生的幾個超級磁暴來看。發生於西元1859年的卡林頓事件(Carrington event)可能是人類有紀錄以來最強的磁暴,推估當時的Dst可能小於-1,600 nT,但是人類卻沒什麼感覺。據推論,可能是當時主要的交通工具是馬車跟火車,那個年代的生活對電跟磁的依賴並不深。

真正讓人類有感的應是1989年3月13日那個20世紀以來最大的磁暴,它造成加拿大魁北克大停電長達9小時。人們赫然發現這個自1957年人類開始記錄磁暴強度以來最大的磁暴(Dst~-589 nT),引發的地表感應電流能讓供電的變壓設備燒毀。

不僅是超級磁暴會造成影響,1997年1月發生的小規模磁暴竟然也把美國AT&T公司負責轉播電視節目(包括流行的辛普森家庭卡通)、傳輸資料(包括美國地震觀測網資料)的人造衛星打壞了。

然而2001年3月與2003年萬聖節的兩個超級磁暴,雖然沒有造成預期的停電或衛星損毀,卻讓人發現了GPS衛星導航的弱點,連藉由多個地面GPS接收站計算做為輔助精密導航的廣域星基增強系統都無法承受,在磁暴期間無法協助衛星定位。這兩個超級磁暴讓人們發現在中緯度地區(主要是美洲地區)會產生強大的電離層電漿變化,在100公里的範圍內,電漿密度相差可以達30~50倍!加拿大海岸防衛隊也發現這劇烈變化會使他們的GPS衛星定位產生很大的誤差而無法使用。

進入太陽第24周期,2007~2010年是太陽超級寧靜期,2009年甚至幾乎整年都看不到幾個「太陽黑子」,小冰河期再起的傳聞喧囂而起!還好,太陽在2011年底慢慢甦醒,並且在2012年發生了可能僅次於卡林頓磁暴強度的超級磁暴,並險些打中地球(如果引發該磁暴的太陽閃焰提早一周發生)。

這個磁暴有多超級呢?據估計,這個太陽風暴以每秒2,500公里的速度噴發,如果擊中地球,Dst指數推估會低於-1,200 nT,其強度大約超過2003年萬聖節磁暴的3倍、1989年造成魁北克大停電的磁暴的2倍。幸好這個「卡林頓」等級的超級太陽風暴打到的是NASA的太陽探測衛星(STEREO)而非地球。

福衛三號與太空天氣預報

發射於2006年4月的福爾摩沙衛星三號,肩負著改善天氣預報與監測太空天氣的雙重任務。在太空天氣任務上,雖然正好遇到2007~2010年太陽極度寧靜期,卻意外成為探測地面天氣影響太空電漿的利器。除此之外,它提供的全球觀測也讓我們看到了地震、海嘯產生的強大震波往太空傳播。

除了提供屬於世界第一的全球電離層即時觀測之外,福衛三號在發射之前就已經是科學界萬眾矚目的衛星,因為它提供的全球觀測讓太空科學界邁向進行太空天氣預報的道路。

在談太空天氣預報之前,先來談談人類是怎麼進行天氣預報呢?不管是根據經驗、氣象觀測或大氣科學方程式,這些方法都各有其限制,但為了能夠報得準,我們把這些通通都用上了!

我們應用大氣科學方程式預測下一時刻的天氣變化,但是畢竟尚未能完全了解大氣科學中的每個細節,因此還需藉由觀測來修正預測。但是觀測卻不是全球到處都有,因此用經驗、大氣方程式猜測沒有觀測的地方、用經驗描述大氣方程式還沒包含的步驟,然後找到一個變化規則,再往下一個時間預測大氣變化情形,我們稱這整套預報方法為「資料同化」。人類發展了各種數學演算法做為資料同化的計算基礎,其中最適用於太空天氣預報的演算法就是「卡爾曼濾波」。

以下舉一個簡單例子讓大家了解資料同化常用的卡爾曼濾波。假設要估算教室裡的溫度,根據經驗,教室裡的溫度在短時間內(假設1小時)內是不會改變的,但是這個經驗並不是100%正確,而有±3°C的誤差。此外,我還有一個猜測室內溫度的「特殊能力」,這個特殊能力的誤差大約是±4°C。我現在運用特殊能力,猜測這教室溫度應該是攝氏23度,同時根據短時間內溫度不變的經驗法則,可以「預測」直到下一個小時之前,教室內的溫度應該都是攝氏23度。考量我猜溫度以及預測溫度不隨時間變化的誤差總和(分別是±3°C跟±4°C),我預報溫度的誤差總共是5°C(3°C與4°C平方和,開根號)。

我們有一支溫度計可驗證我的預測,若溫度計顯示現在溫度是攝氏25度,但是這支溫度計有±2°C的量測誤差。因此這間教室現在以及未來1小時內溫度到底應該是幾度呢?大家比較相信我的特殊猜測與預報能力呢?還是比較相信溫度計的觀測?我們可以利用計算卡爾曼因子(Kalman Gain)來決定。

卡爾曼因子大約是預報誤差的平方除以預報與觀測誤差平方總和 ,計算值是0.86。把溫度預測(攝氏23度)加上卡爾曼因子(0.86)乘以溫度計觀測與預測的差值(25°C-23°C=2°C),得到的預報溫度是攝氏24.72度,同時藉由結合溫度計觀測,預報誤差從5°C降到了4.4°C。

攝氏24.72度說明卡爾曼濾波比較相信溫度計,因為溫度計的量測誤差(±2°C)比預報誤差(±5°C)小,利用這一組新的溫度與預報誤差代入卡爾曼濾波方程式可以計算出下一個時間的溫度。這整套過程就是卡爾曼濾波資料同化,過程包括「預報」、「觀測」、「修正」的循環。藉由誤差量大小,分別權重預報與觀測的重要性,再修正預報誤差。隨著時間累積更多觀測量,預報誤差會越修越小,讓預報可信度提升。

同樣的方法可以預報隔壁教室的溫度,前提是必須大概知道我的教室與隔壁教室的溫度差異關係,以及這個差異的可信度(誤差)。利用這個方法,藉由觀測甲地的溫度變化,可以同時預報甲、乙地的溫度變化,這也是資料同化技術神奇的地方!不需要量測每一個地點的大氣參數,卻可以預報全世界各地大氣的變化。

不過前提是需要了解世界各地大氣變化的關聯性,這個關聯性可以藉由已知的大氣物理或經驗式獲得,一般是利用大氣物理理論模式得到這關聯性。因此天氣預報需要大氣物理知識以及觀測資料與時俱進。

取經於天氣預報的方法,把它套用在太空天氣預報上,挑戰卻不小,因為太陽磁暴產生的電磁場擾動會隨時間快速地變化。相較於大氣的變化尺度可能是數小時,太空天氣預報的時間尺度只有數分鐘!

現在太空科學界已經發展出藉由觀測太陽閃焰發生的位置,預報日冕噴發物是否會襲擊地球的預報模式。同時藉由太陽與地球之間的人造衛星,也可以觀測日冕噴發物帶來的太陽風磁場、帶電粒子的速度與密度,並藉此推估襲擊地球後造成的Dst指數變化。這時就可以結合福衛三號與其他衛星觀測,配合電離層資料同化模式,預報電離層電漿的變化了!

由於太陽活動第24周期以來最強大磁暴的發生時間(2015年3月17日)正好是愛爾蘭的聖派翠克日,因此也被稱為聖派翠克日磁暴。由資料同化結果可以看到磁暴「主相位」時(3月17日格林威治時間12:00)的電離層電漿含量較前一天(3∕16)增強許多,然而在磁暴「回復相位」時(3∕18),電漿含量卻大幅減少,顯示磁暴期間電離層有劇烈的動態變化。

福衛三號任務成功地改善了天氣預報,並引發太空天氣預報的契機,如今美國海洋暨大氣總署、美國空軍和台灣三方正在進行新一代的無線電掩星星系,也就是福衛七號。這個新一代包含了12顆衛星的星系,將可得到4倍於福衛三號的觀測量。這衛星星系也搭載其他電離層觀測酬載,更多元的觀測更有利於太空天氣預報。
 

結合福衛三號等衛星觀測的資料同化結果,顯示在 2015 年聖派翠克磁暴產生期間,電離層於磁暴前 一天、主相位、回復相位時於格林威治時間 12:00 (台灣時間 20:00)的電漿含量變化情形。
▲結合福衛三號等衛星觀測的資料同化結果,顯示在 2015 年聖派翠克磁暴產生期間,電離層於磁暴前 一天、主相位、回復相位時於格林威治時間 12:00 (台灣時間 20:00)的電漿含量變化情形。
太空天氣與現代生活

現代生活與1859年當然有天壤之別,其實與上一個超級磁暴發生時的2004年差異也很大。這些「現在」的生活大量仰賴衛星傳遞資訊與GPS定位、導航,藉由飛機與衛星連結,可以在飛機上使用WiFi、全程開啟行動電話。此外,也大量利用手機上的單頻GPS接收機,搭配Google Map進行城市探索,一些地區連提款機都使用GPS訊號做為標準時間。甚至,最近已有太空機場建造完成,美國民航局也開始規範太空飛機的作業準則,因此有人開始預購太空旅行,遨遊太空的夢想似乎指日可待。

但是在強烈太陽磁暴造成的太空天氣事件中,可能會讓電離層產生劇烈變化(如聖派翠克磁暴效應),而使得這些仰賴衛星定位的系統產生嚴重誤差。若能建立電離層太空天氣預報系統,就有機會可以即時修正這些太空天氣效應對人類生活產生的影響。

註1:在電離層科學研究中,一般把異於理論預測的現象或電漿結構稱為「異常」,但是這個「異常」電漿結構卻是可以每天出現的。

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