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Take Home Message
• 電離層始於地表上空90 公里處，能影響電波傳播、反射特定頻率波的
電磁波，讓我們進行長距離通訊和衛星通訊。
• 火箭頻繁發射會對電離層產生影響。當火箭燃料釋放的水分子與電層中的氧離子反應，會導致電漿耗散並形成電漿洞，影響通訊和導航運作。
• 電離層可用於觀測全球火箭發射、核試驗，甚至是地震和火山爆發使它成為重要的科研和安全監測工具。

太空一般被定義為地表上空高度約100 公里以上的區域，這個高度正好接近電離層的起始位置。電離層在廣義上是指太空電漿密度足以影響電波傳播的範圍，高度始於90 公里。而電離層最初會被發現，正是因為科學家觀察到無線電波傳播在高度為90 公里的區域會受到影響。當時的科學家認為高層大氣中有一個會影響電波傳播的導電層，因此以「electric layer」中的「E」將該層大氣命名為E層。後續在E 層之上，約高度150 公里以上，科學家又發現一層F層。F層因為高度較高、中性大氣分子密度較小，使得電漿可以有較長的生命週期可達數小時。相較之下，E 層電漿的生命週期僅為數秒鐘。因此F 層的電漿密度較大並且日夜皆存在，E層則在夜晚幾乎消失。隨著探測科技的進步，他們又在E 層之下發現以大型離子為主要成分的D 層。但因D層電漿密度明顯較小，且會發生複雜的化學反應，再加上觀測上較爲困難，使得D層的研究與E層、F層脫鉤，也是我們不太了解的大氣區域。

偵測核子試爆意外演變成外星人

電離層的發現與應用最早可追溯到1930年代，科學家在當時確立了電離層對跨洋通訊的重要性。到了第二次世界大戰期間，無線電波通訊的重要性急遽提高，特別是在太平洋戰爭中，使用大量飛機與航空母艦作戰，因此讓通訊領域中的電離層觀測變得更為重要。

第二次世界大戰後，電離層觀測的重要性仍然極高。這是因為終結二戰的原子彈讓各國憂心忡忡，當時他們認為必然發生毀滅世界的原子彈大戰。因此監測哪個國家在大氣層進行原子彈乃至於核彈試爆，成為一項重要任務。由於核彈試爆會引發大氣、電離層聲波等波動，在電離層的傳播速度是地面的兩倍以上，且可傳播至上千公里外。於是當時美國、蘇聯等國皆以氣球監測核彈試爆後產生的電離層波動，藉此推估在大氣層的哪個區域有核彈試爆活動。這些氣球觀測陣列巨大，且在30公里以上的高空飛行，很容易被一般民眾視為不明飛行物體（unidentified flying object,  UFO）。1947年，一個氣球陣列在美國新墨西哥州的羅斯威爾（Roswell）墜毀時，就被目擊者誤傳為外星人駕駛的UFO墜落在第51區，此事件也就是後來電影裡充滿外星人幻想的「第51區外星人事件」的由來。

隨後的美蘇冷戰時期，由於兩國位於北極的兩側，使得北極相關研究也變得十分重要。例如美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics andSpace Administration, NASA）發起的電離層實驗研究「高頻主動式極光研究計畫」（HighfrequencyActive Auroral Research Program, HAARP）。該研究在北極利用數個雷達發射天線沿地球磁場發射高頻無線電波，藉此加熱極區上空的電離層電漿，產生沿較高高度磁場往地球方向加速的電漿粒子，並輻射出極低頻的電磁波和人造北極光。這樣的研究除了可以令我們更了解太空物理，同時也具備軍事用途。這是因為極低頻電磁波從太空朝對方國境發射後會被地表反射，只要利用人造衛星接收該訊號，就可以探測對方國土的地下設施結構。

由上述事件可知電離層研究在二戰後蓬勃發展，不僅出於人類對於太空探索的慾望，也有著實質的國土安全應用，使得電離層的應用一直都被視為重要的太空科技探索區域。

人造衛星全球通訊必經之路

電離層之所以可作為跨洋通訊的基礎，在於當乘載無線電訊號的電磁波頻率與電離層中的電漿震盪頻率相近時，電離層可以將電磁波反射回地面。我們可以利用此特性，將與電離層電漿震盪頻率相近的高頻（high-frequency, HF）電磁波發射至電離層，再藉由電離層反射完成長距離通訊傳輸（圖一）。特別的是，電離層電漿頻率正好與電漿密度成正比。在高度約300公里的電離層F層，電漿密度（或頻率）達到最大值，因此如果通訊用電磁波接近該頻率，它會被電離層反射到地表並再次反射至電離層，我們便能以此方式進行長距離通訊傳播。

然而，如果發射的電磁波頻率高於F層的電漿頻率，電磁波將會穿透電離層、進入更高的太空。因此衛星通訊往往使用高於F層電漿頻率的電磁波，確保訊號能穿透電離層F層達到衛星高度。此外，為了確保衛星有較長的任務壽命，衛星的飛行高度會高於400公里，減少衛星受到的空氣阻力。

隨著科技進步，無線通訊和網路傳輸的資料量需求大幅提升。傳統高頻無線電頻率僅為數個百萬赫茲（mega hertz, MHz），無法負荷傳輸資料量的需求。於是現在的衛星導航與通訊選擇使用高頻率的無線電波段，例如全球衛星導航系統（globalnavigation satellite system, GNSS）利用1～2千兆赫茲（giga hertz, GHz）的L頻段無線電，傳輸導航訊號至地面接收站進行定位解算。近年熱門的低軌道衛星通訊則使用更高頻率的Ku（12～18GHz）、Ka（26.5～40GHz）頻段。不過，當這些較高頻率的無線電波穿透電離層內各種尺度的不規則電漿結構後，會產生散射等效應，使地面接收到這些訊號時發生衰減或閃爍等現象，最終可能讓無線電波訊號無法被有效解析，造成通訊失效。

海洋通訊則是另一個廣泛應用衛星通訊的領域。船舶通訊和定位高度仰賴衛星，常用頻率30～300MHz的特高頻（VHF）頻段。此頻段也容易受到不規則的電漿結構影響，電離層電漿密度的水平梯度變化與不規則結構會造成電磁波訊號產生不同角度的散射，因此影響海洋上的衛星定位精準度和衛星通訊的訊號品質。

SpaceX 將太空炸了一個洞！

隨著知名太空運輸公司SpaceX在2016年後密集使用可回收火箭發射人造衛星，再加上一箭多星的大量發射能力，2022年火箭成功發射的次數突破過往紀錄達到180次，遠較前一年多了44次，幾乎每兩天就有一枚火箭成功發射到太空；到了去（2023）年更是往前躍進，達到一年223次！如此密集的火箭發射，對地球的大氣、電離層環境影響為何，也立刻成為矚目的議題。

首先，人們必須先習慣仰頭望星空時不會受到驚嚇。2017年12月22日，美國加州洛杉磯附近的居民被天空中呈現如幽浮般的水母形波包（圖二）給嚇壞了。大家對從未見過的異象感到害怕，以為是外星人來訪，洛杉磯附近的一個郡在短時間內就有至少130通911報警電話，眾多照片紛紛傳到社群媒體，連SpaceX創辦人馬斯克（Elon Musk） 都發文表示可能是外星人或北韓核彈。事實上， 這是SpaceX的獵鷹9號火箭（Falcon9）發射Iridium-Next通訊衛星時產生的特殊景象。

為什麼會出現像是外星人來訪的影像？當火箭在日落後或日落前的1 ～ 2小時內發射，火箭燃料燃燒噴出後殘留的水氣在遇到大氣後，便會由於溫度隨高度陡降而凝結成冰晶。此時高空殘留的太陽光被冰晶反射，才因此讓地面上的人們看到光亮的火箭凝結尾。隨著火箭高度升高，周遭大氣密度降低，凝結尾逐漸擴張。當火箭達到超音速時，火箭前端就會形成有如子彈頭形狀的超音速爆震波。同時，由於SpaceX 設計使脫離的第一節火箭能點火進行姿態控制返回地球，當第一節火箭再次點火燃燒後，也會產生小型音爆震波，便形成大型的尾氣爆震波中包含小型震波的特殊景觀。

不僅如此，去年7月的夏天，美國亞利桑那州上空也出現了紅色的輝光（airglow，圖三）。這是獵鷹9號發射產生的絢麗色彩，但為什麼是紅色，而非冰晶反射的白色光亮？
……【更多內容請閱讀科學月刊第657期】