1、Solar Wind (太陽風) 我們所知的太空其實並非是真空，在地球附近每立方公分約有10個質點，而且是帶電質點。這些帶電質點來自於我們的太陽- 從日冕洞吹來的太陽風。太陽風的速率在地球附近每秒約400 公里。 柏克(Parker)在1958 年提出有名的太陽風理論。太陽隨時有高速的電漿放出而充滿於行星際空間，也就是所謂的太陽風。柏克並算出，如果太陽附近的日冕溫度若是一百萬度時，則在距離太陽1AU 的地球附近地區，太陽風的速率是500 公里/ 秒及密度是每立方公分有七個質子或電子。1962 年，美國的水手二號太空船，證實了柏克的理論是正確的。Solar Wind (太陽風)太陽風中不但有電漿
2、，而且太陽表面的磁埸亦為其所帶出，即所謂的行星際空間磁埸(IMF)。太陽在旋轉，在赤道附近自轉一周約為地球的25 天，而兩極則是35 天左右。在太陽表面不同部份會放射出不同速度的太陽風。當太陽風吹出時，磁場會被太陽風拉著跑，由於太陽的自轉，太陽磁場會以螺旋結構分佈於太陽系當中，此一太陽磁場又會與太陽系行星的磁場相互影響而造成多個行星附近之太空天氣變化。太陽對地球太空天氣的影響太陽對地球太空天氣的影響太陽的爆發是所有太空天氣現象的主要來源，太陽風夾帶著這些效應到地球時，會與地球磁場作用而影響磁層與電離層，同時引發的磁層與電離層之電漿耦合作用也很重要。整個作用鏈從太陽直到地球觀測到的磁暴，這包含著
3、相當複雜的過程，而星際宇宙射線(galactic cosmic rays)也被視為傷害的次要來源。. disrupted by solar and geomagnetic events Satellite operations (衛星操作衛星操作) Space Shuttle and Space Station activities (太空任務太空任務) High-altitude polar flights (高緯極地飛航高緯極地飛航) Railway (鐵路交通鐵路交通) Navigation (航海航海) HF radio communications (高頻通信高頻通信) Mobile
4、 phone communications (行動電話通信行動電話通信) Electric power distributions (電力配送電力配送) Pipeline operations (油氣輸送油氣輸送) Long Term Climate Variations (長期氣候變動長期氣候變動) cardiovascular disease incidence (心血管疾病發病率心血管疾病發病率) 太空天氣對衛星運作可能造成的影響太空天氣對衛星運作可能造成的影響 False Operations (錯誤動作錯誤動作) : PHANTOM COMMAND PROTON EVENTS (質子
5、事件質子事件) Power Panel Output Loss (能源板輸出消失能源板輸出消失) Charge Deposition(電荷沉降電荷沉降) : SINGLE EVENT UPSETS Arc Discharges(弧狀放電弧狀放電) : Bulk Charging (Deep Dielectric) ION EFFECTS on OPTICAL SENSORS(光學元件受損光學元件受損) Tumbling(衛星翻滾衛星翻滾) Pointing Problems(指向問題指向問題) : Magnetopause Crossing Events Geomagnetic Storms
6、& Substorms (地磁活動造成的拖地磁活動造成的拖曳曳) : Drag (Adapted from : Joe H. Allen, SCOSTEP, GOMAC 2002)衛星運作異常次數的變化趨勢衛星運作異常次數的變化趨勢(恰與太陽活動周期趨勢相符恰與太陽活動周期趨勢相符)造成衛星運作被破壞的原因造成衛星運作被破壞的原因 Electromagnetic Radiation (電磁輻射電磁輻射) Flare X-rays and UV affect ionosphere/communications. Energetic particles (ions) (高能粒子高能粒子) form
7、 shock wave, move magnetosphere inside GEO, enhance radiation belts, and cause geomagnetic storms & substorms. Geomagnetic storm (地磁暴地磁暴) disturbed fields & current systems, surface charging. Auroral Substorm (極光副暴極光副暴) current systems and fields affect satellites directly. Killer Electrons (殺手電子殺手電
8、子) increase at GEO after low level magnetic storm, last for weeks.太空飛行太空飛行 (Space Flight) 太空天氣會影響太空飛行的每個階段，可能因太陽X射線暴(solar X-ray burst)引起的通訊困難而延期，增強的輻射可能傷及太空人而無法太空漫步，未來有人的行星際飛行也需考量配合較低星際宇宙射線(cosmic rays)劑量的時期，以及太陽高能粒子的屏蔽。太空飛船所面臨的危機來源有：熱電漿電子產生的表面充電(surface charging)、高能電子穿透飛船干擾或破壞電子儀器、長時間紫外線造成設備如太陽電池的
9、老化，以及過強紫外線使大氣層向上升展造成衛星在軌道運行的阻力，衛星高度陡降會衛星失去聯絡。 航空航空 (Aviation) 對於飛機駕駛、乘客與機上儀器有威脅的輻射線源為二次宇宙射線(secondary cosmic rays)，飛行路線與高度會關係著影響的程度。因宇宙射線在地磁極區穿透得較深入大氣層，高緯地區的路線有較高的曝曬量，因此科學家正研究該輻射劑量對飛航的影響，歐洲已有飛航的輻射防護法條實施。現代飛機上的微晶片極易受輻射損壞，研究(Ziegler and Srinivasan, 1996)指出飛行高度自9km提高至20km時，儀器上的CMOS的軟錯誤率(soft error rate
10、)將增加一倍。 鐵路交通鐵路交通 (Railways) 太空天氣風暴時鐵道設備會因地電場而驅動地磁感應電流(Geomagnetically Induced Currents, GIC)，目前對於GIC產生的電壓大小與影響的相關認知甚少，唯一明確的事件紀錄是1982年7月的磁暴期間，瑞典發生過鐵道號誌自行變成紅燈，但實際並無火車通過，其原因尚不明，但有理由相信一些鐵路設施的誤動作可能與太空天氣有關。 航海航海 (Navigation) 遠洋船舶之間的通信與定位，主要仍依賴穿透或利用電離層反射的通訊系統，此種系統深受太空天氣的影響，電離層特性的改變將導致地面與衛星之間通訊信號衰減或失真，例如全球定
11、位系統(GPS)會因電離層總電子濃度影響其信號傳輸。 低層電離層增加的粒子會吸收在相對高頻處(HF範圍)的短波無線電，造成無線電通訊完全失靈。平常在低處(D、E層)電離層反射出的較低頻率波在此刻會在比平時更低高度反射，而改變傳播途徑。由於此現象會依據太陽所產生的地磁擾動大小和位置而持續數日，因此對無線電通訊的影響格外嚴重。 高頻通信高頻通信 (HF radio communication) 最早發現太空天氣影響電信系統的是150多年前的電報員(Boteler et al.,1998)，當時出現電報機無法操作，有時則不需電池也能操作，因地磁場在通信電纜感應了GIC。1940年3月的大磁暴曾經中斷
12、了北挪威的通訊系統，這次感應的電場強度估計高達4555V/km，而一般太空天氣引發的電場強度約110V/km，因此國際電話的海底電纜可能會感應出上百或上千伏特的電壓。雖然現代的光纜不至於有GIC的問題，但信號放大器仍可能因連接金屬饋線而受GIC影響。 通信頻率分布圖通信頻率分布圖(頻率由左而右遞增頻率由左而右遞增)太陽無線電波暴與手機行動通信太陽無線電波暴與手機行動通信(Solar Radio Bursts and mobile phone communications) 太陽無線電波暴(solar radio burst)的雜訊會影響通訊，1996年某日美國的行動通信系統電話中斷率因太陽閃焰
13、(solar flare)無線電波輻射由2%增為9%(Lanzerotti et al., 1999)。 Call-blocking bursts can happen as often as once every 3.5 days during solar maximum. This decreases to once in 18.5 days during solar minimum. Consequently, when solar activity is at its maximum, an average base station could be temporarily knock
14、ed out several times per year. (Balachandran Bala, Louis J. Lanzerotti, Dale E. Gary, David J. Thompson, Noise in Wireless Systems Produced by Solar Radio Bursts, Radio Science, Volume. 37, number 2, 2002). 電力系統電力系統 (Power Grid Systems) 地電場會在電力傳輸網路感應GIC，因GIC是準直流，易造成變壓器飽和。最有名的GIC突發性災難發生於1989年3月加拿大魁北克
15、，該省經歷了數小時的大停電，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主要在高緯地區造成問題，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的強度大小取決於系統的結構，亦即傳輸線的阻抗、長度與變壓器的位置，還有一些未知的因素。石油與瓦斯輸送管石油與瓦斯輸送管 (Oil and Gas Pipelines) 地下輸送管若無正確防護容易腐蝕損壞，腐蝕最嚴重的部位在於管路插入周圍土壤之處，在那兒電化學條件會引起腐蝕作用，通常使用高阻抗鍍膜與陰極防鏽系統保護管線，但地磁暴發生時的感應電壓可輕易地超出陰極防鏽電位。位於芬蘭南部的天然氣輸送管未曾因太空天氣而
16、出過問題，即使沿著管線的GIC高達數百安培，因為只要保護鍍膜未破裂，導通電流密度每平方米僅數毫安培。 長期氣候變動長期氣候變動 (Long Term Climate Variations) 太陽電磁輻射量的變化 太陽電漿與磁場的變動 受控於太陽的宇宙射線量之變化Adapted form Solar Activity and Earths Climate, at Lund Space Weather Center 心血管疾病發病率心血管疾病發病率(cardiovascular disease incidence) 長期的心臟疾病與腦中風發病率與太空天氣變化的相關性研究指出，在地磁劇烈擾動期間出現
17、較高的發病率，在地磁寧靜期間則有較平常更低的發病率，其他研究也顯示腫瘤之類的病例也與太陽黑子數週期有正相關，這都顯示太空天氣可能影響人體的健康狀態，但這方面仍需更多與更仔細的研究，才能了解其影響性之大小與引發人體反應的機制。 胡漢明、李永生、張文元，太陽活動對腫瘤和循環系統疾病的影響，雲南天文台台刊，No.1, p.3540, 2000. 曾治權等，北京地區冠心病和腦猝中發病與太陽、地磁活動關係的探討，地理研究，Vol.14, No.3, p.8895, 1995.太空天氣保險 (Insurance) The market is composed of roughly 12 leading insurers (i.e. insurers able to study a risk and provide a quotation for it) worldwide, and roughly 30 followers (insurers that will provide capacity behind a leader). 太空垃圾(Space Garbage, Space Junk)太空垃圾(Space Garbage, Space Junk)
