國家太空中心 黃正中研究員
太空天氣
太陽風(Solar wind)是太陽上層大氣射出的超高速電漿流，在太陽表面的高溫下，氫、氦等原子被游離成帶正電的質子、氦原子核和帶負電的自由電子等，這些帶電粒子運動速度極快，不斷有帶電的粒子掙脫太陽的引力束縛，射向太陽的外圍，形成太陽風。
太陽閃焰(solar flare)」是太陽表面上的活躍區瞬間出現且強烈的活動，這時會有Ｘ射線與伽瑪射線射出，可持續數分鐘到數小時不等。當太陽風暴變化劇烈時，高速移動的電荷抵達地球磁場與地球磁場相互作用，會使地面上的電子設備會產生感應而產生電流，感應電流會影響到地球上的電子設備，導致電子設備故障，太空天氣的總類以及成因，以及影響電子設備的感應電流如圖一，幫助我們認知太空氣象的成因。
▲ 圖一：太陽對地球的影響
圖片來源：中央氣象局太空天氣作業辦公室(李奕德博士提供)
太空風暴
當太陽活動劇烈時，威力強大的太陽閃焰，瞬間將大量能量釋放造成的大規模爆炸，伴隨了大量日冕物質主要是由電子與質子組成的電漿向太空拋射；太陽風震波或磁雲與地球磁場交互作用產生的磁暴，引起的地球磁層擾動和擠壓；依法拉第電磁感應定律，磁場變化會產生電動勢，使電子設備產生感應電流。
太陽的日常活動，我們因為地球受到磁場的保護，可能不知道太陽風暴正在發生，但是強烈的磁暴還是會影響到人們的日常生活。1859年9月發生了一個劇烈的太空氣象事件，在我們的太陽系中，這是過去500年來最大的太陽閃焰爆發，現在被稱為「卡靈頓事件」，那一年“太空天氣”的異常極端太空氣象，在地球大部分的地區都可以看到極光，北半球的極光遠至台灣也可以看到，異常天氣所產生的「磁暴」使得歐洲和北美各地，許多的電報系統都發生了故障。
太陽風伴隨太陽閃焰與日冕物質拋射直衝地球而來，除了會對太空人與衛星造成威脅，也會干擾衛星定位系統以及通訊衛星的運作，甚至癱瘓地面的電力系統，造成大範圍的停電。在2013年美國太空總署觀測到太陽異常強烈的太陽閃焰，伴隨了大量日冕物質拋射(coronal mass ejection)，並造成地球無線電通訊暫時中斷。
在2015年瑞典機場雷達因受太陽閃焰影響，造成機場大亂；近年來科技的發展，人們更加依賴電子儀器設備，飛機依賴電子自動駕駛或導航，很可能會造成前所未有的混亂。太陽風暴首當其衝的是衛星通信和GPS導航，廣播，電視或電話信號，互聯網，主電源供電的電子設備，而且世界上大部分現金都存儲在電子數據庫中，可能造成金融市場大亂。
▲ 圖二：太陽黑子(NASA網站)
中央氣象局太空天氣預報
我國交通部中央氣象局，6年前開始與學研界發展太空天氣監測及預報的工作，由太空天氣作業辦公室提供台灣的太空天氣資訊；太空天氣預報可以讓我們，在受到極端的太空天氣時，提早做準備，減低劇烈太空天氣時，在通訊、定位，導航造成太大的破壞，並減低經濟上的損失。
太空氣象觀測甚麼
太陽風影響地球表面的電離層造成電離層閃爍，會降低衛星導航系統的定位精度，我國的福爾摩沙衛星七號衛星觀測及地面GPS資料，可以監測電離層的變化，並提供電離層觀測資料(圖三)，預警區域電離層濃度劇烈擾動，減少對於該區域的通訊、定位導航產生高於預期的衝擊；還有美國國家海洋暨大氣總署靜止環境觀測衛星(GOES)提供太空天氣觀測資料，這些都可以在中央氣象局太空天氣作業辦公室網站查到。
▲圖三：電離層天氣預報產品
圖片來源：中央氣象局太空作業辦公室網站https://swoo.cwb.gov.tw/swapp/news/show/20200306001/
圖四是將靜止環境觀測衛星(GOES)所偵測到的「短波輻射通量」、「高緯地磁指數」與「高能粒子通量」三種觀測數據簡化，分為從0(無)到5(劇烈)的6種等級，可以方便我們判斷目前太空天氣的狀態；圖五是中央氣象局太空作業辦公室網站的即時太空天氣指標，太空天氣對於無線電干擾，地球磁場的擾動以及太陽輻射爆，昨天到目前的變化，以及今日最大的變化量。
▲ 圖四：太空天氣極時指標6種等級
圖片來源：交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室
▲ 圖五：即時太空天氣指標
圖片來源：交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室
衛星保護設計
在太空中飛行的人造衛星，若是被高能粒子擊中，衛星會造成損害；例如中秋烤肉時，木炭爆裂飛出的火星，正好飛向站在旁邊的人，若人們衣服穿得越厚，所受到的燙傷機率越小。太陽風和宇宙射線隨時襲擊太空人造衛星，就好像是下大雨時，雖然人們撐傘躲避，但還是會有部分身體被淋溼一樣，衛星很難避免被高能粒子突破防護外殼，而使電子零件受到影響，我們稱為「單一事件(Single event)」。
太空的輻射環境主要包含質子、電子與重離子，因此人造衛星在設計階段，工程師們依據任務期間衛星所受的輻射總量(Total Dose)，增加重要的衛星元件的保護機制，包括依不同的材質以及元件安裝的地點，增加衛星元件外殼的厚度，以及使用備份的元件設計等等。除此之外衛星組裝時，採購電子零組件，需選擇抗輻射的電子零件，並且衛星元件組裝完畢以後，還要通過在輻射的環境測試，以確保衛星可以順利在太空中執行任務，圖六是組裝完成的福衛七號在太空飛行的模擬英姿。
▲ 圖六：福衛七號衛星(太空中心對外網站)
台灣太空輻射環境驗測聯盟
人造衛星的輻射預防設計，除了參考太空氣象預測數據之外，最近國家太空中心聯合國內七個單位的輻射測試能量，組成台灣太空輻射環境驗測聯盟(圖七)，針對質子對電子零組件/元件的測試，除了可以協助我國福爾摩沙衛星驗證衛星元件的「工程體」，確保我國的人造衛星在太空的異常輻射環境中執行任務之外，還可以進軍國際太空產業，包括抗輻射電子產品，各種零組件/元件在太空、航空、軍事、醫療以及核能的設備上的應用。
▲ 圖七：台灣太空輻射環境驗測聯盟正式簽約(太空中心網站)
參考網站
- 英國廣播公司網站：http://www.bbc.com/earth/story/20150923-the-sun-creates-space-weather-that-affects-us-all
- 麻省理工科技評論：https://www.technologyreview.com/2019/06/05/888/space-weather-affects-your-daily-life-its-time-to-start-paying-attention/
- 科學與技術談話網站：https://theconversation.com/space-weather-threatens-high-tech-life-92711
- 中央氣象局太空天氣作業辦公室 http://swoo.cwb.gov.tw/
- 國家太空中心網站 https://www.nspo.narl.org.tw/
致謝：中央氣象局太空天氣作業辦公室李奕德博士提供資料
