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Take Home Message
• 2014 年，中央氣象署太空天氣作業辦公室成立，負責監測太陽風、帶電粒子、電場、磁場等太空環境的變化對於地球可能造成的影響。
• 太陽的週期活動影響著電離層和人造衛星運作，可能導致通訊中斷、衛星損壞。隨著太陽活動極大期臨近，這些影響將更為明顯。
• 隨著衛星數量增加，太空天氣扮演的角色也愈發重要。雖然目前可預測太陽風抵達地球的時間，但真實數據通常在事件發生前50 分鐘左右才能獲得。

1989 年3 月13 日，一道道絢麗的極光罕見地出現在美國南方的佛羅里達州、德克薩斯州上空。從未看過極光的人們被這壯闊的景象吸引，但也擔心這是不是跟核武大戰有關――畢竟當時處於軍事情況緊張的美蘇冷戰時期。此外，也有人聯想到突然出現的極光或許是由美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration,NASA）的STS-29 太空任務所造成，猜想這會不會是3 月13 日上午才剛發射的發現號（Discovery）太空梭在大氣中爆炸而引發的光芒。

但其實這些令人驚嘆的景象，源頭來自於一次劇烈噴發的太陽日冕物質拋射（coronal mass ejection,CME）。1989 年3 月10 日， 日冕物質拋射以每小時160 萬公里的速度在太空高速前行， 太陽拋射出的帶電粒子在兩天後撞上了地球磁層（magnetosphere），擾亂了地球磁場並引發這場嚴重的磁暴（geomagnetic storm）。相較於一般民眾的驚奇和興奮，任職於北美洲發電廠的工程師就對磁暴就相當頭痛了，當時加拿大魁北克水電公司（Hydro-Québec）的電網受到磁暴影響而全數癱瘓，導致加拿大東北部600 萬人斷電長達九個小時，學校、公司、地鐵、交通號誌，甚至是機場皆無法正常運作。

不過，磁暴現象與這次的專輯主題――電離層（ionosphere）有什麼關係？這種嚴重的磁暴未來有可能再次發生嗎？除了發電廠之外，還有哪些人造設備可能受到磁暴影響？

受到太陽活動影響的電離層

要回答上述問題，必須回歸到產生一切影響的起點――太陽。距離地球約1 億5000 萬公里的太陽，提供了地球上萬物所需的光和熱，讓地球得以成為一顆生機盎然的星球。

儘管距離遙遠，但太陽表面的各種活動處處影響著我們的生活。太陽風（solar wind）是持續從太陽大氣外層（日冕，solar corona）噴發出的高速帶電粒子流，當太陽表面出現劇烈活動時會引發日冕物質拋射，意指向太空中額外拋出大量高速粒子。這些粒子會與背景的太陽風相互作用，增強太陽風的特性和強度。這種強烈太陽風中的部分高速粒子能穿透地球磁層、進入電離層，同時也會擠壓地球磁場導致極光和磁暴的產生。由於無線通訊使用的電波會在電離層中被折射與反射，讓地球上的人們得以進行長距離通訊，當電離層受到太陽風和磁層活動的影響而改變了結構和密度，電波通訊的傳輸就會遭受影響，出現訊號衰減、通訊中斷等狀況。

觀測太陽活動並分析對地球可能造成的影響，就是中央氣象署太空天氣作業辦公室（簡稱太空天氣辦公室）的工作之一。負責太空天氣辦公室的數值資訊組研究員李奕德解釋：「太空天氣簡單來說就是太空環境內的物理變化。」我們常會在氣象預報中看到風速、溫度、濕度、降雨機率等數值，而在太空中其實也存在類似的「天氣」現象。太空中有太陽風、帶電粒子、電場、磁場等，這些因素會為太空環境帶來不同的變化，形成所謂的「太空天氣」（spaceweather）。其中，太陽活動包含太陽表面的輻射、帶電粒子向外傳播的變化，這些改變都有可能一路影響到地球磁場、電離層等區域，進而影響人們在地球上的各種活動。

早在1960 年，美國就成立了太空天氣預報中心（Space Weather Prediction Center, SWPC），並將太空天氣作為重要的監測和研究領域，進行系統性管理。隨著人類對太空的探索不斷加深，再加上人造衛星的製造技術日益進步，我們觀測太空天氣的能力大幅提升，也愈來愈認知到太空天氣對於地球的科技系統、通訊、航太任務，以及日常生活有著舉足輕重的影響。2013 年，中央研究院（簡稱中研院）地球科學研究所李羅權院士在中研院成立「太空天氣研發辦公室」，負責太空天氣的預報、測報，以及相關作業模組的開發，臺灣也自此正式踏上監測太空天氣的路途。當時，臺灣已有國家太空中心，負責與臺灣的太空科技研發、執行國家太空政策與計畫等，主要面向產業發展與實際的太空應用，「太空中心扮演任務跟應用的角色，中研院則是學術研究的角色，這個拼圖就少了一個可以『穩定作業、定時產出資訊產品』的角色。」李奕德道。2014年，中央氣象署開始規劃與太空天氣監測相關的業務與準備工作，於是「太空天氣辦公室」便以計畫的方式展開運作，除了整合國內外的觀測資訊，也即時提供一般民眾有關太空天氣的訊息。臺灣太空環境探索的三隻腳――研發、作業、應用的拼圖也終於完成。

太陽週期與太空天氣

點進氣象署太空天氣網站中的觀測資料，可以看到一系列與太陽和電離層相關的觀測數據。由於太空天氣中大部分變化都來自於太陽，電離層也常受到太陽週期（solar cycle）、太陽黑子（sunspot）、日冕等因素影響，因此針對太陽的觀測不可或缺。

太陽活動的活躍程度與太陽黑子有著密切的關係。在太陽黑子比較少的時候，發生太陽風暴的次數也比較少；反之，在太陽黑子數量增多時，太陽活動就會更加活躍。在各種現代化的觀測儀器尚未被發明之前，人類僅能利用望遠鏡將太陽的影像投影在白紙上，而後用手繪的方式記錄太陽黑子的分布、數量，藉此推估太陽的活動狀況。不過這種看似簡單的方法，卻為現代太陽物理學奠定了重要的基礎。

隨著觀測數據一天天累積，科學家發現太陽黑子數量會呈現週期性變化，它會在幾年間慢慢增加、減少、再增加，形成周而復始的循環，而這個現象就稱為太陽週期。太陽週期的時間短至8 年、長則13年，平均約每11 年進入一個週期。

……【更多內容請閱讀科學月刊第657期】