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• 太空環境變化複雜，包括太陽活動、行星際空間、地球磁層及電離層的狀態。為了預測太空環境變化對地球的影響，監測這些現象非常重要。
• 相較於現有的地面觀測儀器，福衛三號提供的電離層電子濃度剖面大幅提升我們對電離層監測和預報的能力。
• 福衛七號提供密集、即時的三維觀測資料，加強電離層預報的準確度，更促進預報產品應用於通訊和導航等領域的發展。

每當新聞報導大規模極光現象發生時，關鍵字往往都會出現「太陽風暴」或「太空天氣」。

為什麼要監測太空？

從地球表面100 公里以上，直到整個太陽系，甚至是延伸到人造太空飛行器可以到達的範圍，都能夠稱作「太空環境」。起初，人們覺得太空中的空氣極為稀薄，應該不會有任何現象發生。但隨著各種觀測儀器的發展，再加上科學家持續地研究，如今已發現太空環境如同地面天氣一樣變化多端，甚至還能夠連結到太陽表面上的現象和活動。於是，自1950 年代起開始有科學家使用「太空天氣」一詞描述太空環境內的變化。

太空環境中需要監測的現象相當繁雜，包括太陽表面的黑子群數量、活耀區的規模、太陽X 射線輻射的強度、太陽風的速度和密度，甚至是地球磁場和電離層的擾動，都是現今各國太空天氣作業需要留意和預測的項目。但在沒有人造衛星的年代，唯一能夠和太空天氣有關的長期觀測數據，是手繪的太陽黑子紀錄。這種維持近300 年的觀測技術，一直以來都是利用望遠鏡將太陽投影到特定尺寸的紀錄紙上，分析每天太陽表面的黑子形態、數量和面積。經過長期觀測，我們得知太陽的活動週期平均約為11 年。雖然目前可以藉著太陽黑子數量變化大略理解太陽活動的週期變化和程度，但卻很難掌握到太陽風暴發生的時間點。直到專門負責監測太陽狀態的人造衛星連續地觀測之後，科學家才能開始進一步分析太陽風暴的成因，並評估對地球的可能衝擊。聽起來，太空天氣的觀測和預報似乎著重在太陽的活動與行星際空間的變化。然而，卻有一個也和太空天氣息息相關，直到近年來才開始被重視的區域，那就是地球高層大氣中的「電離層」。

▲ 太空天氣的種類可從太陽表面的現象到地球上的磁層和電離層變化，並包含兩者之間的交互作用。
（https://www.noaa.gov/explainers/space-weather-storms-from-sun）

電離層的監測困境

電離層是地球大氣層的中性大氣受到太陽輻射後，因為光化游離作用產生質子和電子，從而成為物質的第四態「電漿態」（plasma）。當電漿密度高到足以影響無線電波的通訊時，這個大氣範圍就稱為電離層，主要位於地表上空80 ～ 2000 公里之間。當無線電波傳播遇上電離層時，會依據無線電波的頻率和環境中的電漿密度和結構，被電離層反射回來，或是在穿透電離層的過程中產生折射和散射的現象，進而影響無線電波的傳播路徑。

雖然電離層中的電漿粒子生成主要受太陽輻射影響，但本身還是屬於地球高層大氣的一部分，因此密度的變化不僅會與太陽活動的強弱有關，也會受地球大氣動力作用影響。同時，因為是帶電粒子的緣故，電漿的運動也與地球磁場有關，因此電離層的濃度變化可說是相當複雜且快速。在過去很長的一段時間中，若想了解電離層的濃度變化或物理機制，只能憑藉少量的地面觀測站或探空火箭進行量測，且這些觀測資料的性質大多不具連續性、資料延遲時間長，無法即時作為太空天氣的監測資訊。

隨著全球衛星導航系統（global navigation satellitesystem, GNSS）的使用開始普及，科學家改為利用地面接收站所記錄到的GNSS 衛星訊號變化去推算電離層的電漿密度。這種方法雖然可以得到大量的全球觀測數據，但實際上得到的是電波路徑上的電漿濃度總和，稱為「全電子含量」（total electroncontent, TEC）。全球的全電子含量數據只能提供二維的資訊，無法提供電離層的三維濃度結構。

福衛三號帶來電離層預報的可能

直到2006 年，臺灣與美國合作的福爾摩沙衛星三號任務（FORMOSAT-3/COSMIC，簡稱福三號）順利升空後，才讓電離層的觀測資料有了新的里程碑。福衛三號的六顆人造衛星利用無線電掩星（radio occultation, RO）技術，與前述記錄訊號穿過地球大氣和電離層後所產生的變化概念類似，最大的差別在於地面接收站設立在地表上的特定位置，所以電波路徑量測範圍只能限定在地面接收站上空與人造衛星連線的區域。

而福衛三號運行於距離地800 公里高的低地球軌道（low earth orbit, LEO）上，以每秒約8 公里的軌道速度飛行，並同時接收來自美國全球定位系統（global positioning system, GPS）衛星的訊號，讓訊號路徑隨著兩組人造衛星的相對位置逐漸移動，使我們能夠掃描觀測地球大氣和電離層。
……【更多內容請閱讀科學月刊第657期】