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• 帶電粒子沿磁力線進入地磁南北極時與大氣的中性粒子碰撞、形成激發態的氣體分子或原子，當激發態回到基態時會釋放不同波段的光輻射，便是我們看到的極光。
• 太陽黑子的週期性變化約為11 年，黑子數量愈多代表太陽活動愈頻繁，太陽風強度也愈強，可能影響太空天氣，增加地球磁暴發生機率。
• 磁暴時會在短時間內對高層大氣產生強烈影響，可能使衛星異常、干擾通訊和導航系統，甚至損毀地面電網。

人類自古以來就對於大自然的各種現象充滿好奇，科技的進步與知識的普及，更推動著我們對於太陽系及宇宙的認知。時至今日，我們已經了解地球並非宇宙的中心，並且重新認識到太陽對於地球上的生命多麼重要，以及太陽活動會對地球整體造成什麼影響。

過去人們仰望星空就能觀測到各式各樣的天象。除了月球之外，夜空中的星星和極光也相當吸引人們的目光，且用肉眼即可觀測。受益於科技的日新月異，人類在天文觀測技術上的進步，使我們製造出諸多先進的觀測儀器，例如詹姆斯．韋伯望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST）、阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（Atacama LargeMillimeter/submillimeter Array, ALMA） 等， 在各項大型國際計畫不斷推展下，加速提升人類對於宇宙起源的認知。

而在近地太空的觀測上更是不在話下，國際間的各項衛星任務在近70 年內不斷探索，行星際空間、磁層、電離層等到處都布滿各國的衛星，尤其是靠近地球的低軌道衛星數量，在近年來以相當驚人的速度成長。像是臺灣從過去到現在的太空發展主軸，也一直是以低軌道觀測衛星為目標，所以人造衛星在電離層內的安全運作，就必須是我們長期需要關注的議題。

太陽黑子

電離層是地球大氣層的一部分，位於海平面上方約50 ～ 2000 公里的高度範圍內。電離層中的氣體分子和原子因太陽輻射（主要是紫外線和X 射線）加熱而被解離，形成各式帶電粒子與中性粒子混雜的區域，所以太陽活動深深影響著電離層的狀態，包含電離層的結構和密度變化。太陽黑子一直是觀察太陽活動的重要指標，它是因太陽表面高密度的磁場活動所形成的低溫區域，當太陽黑子的數量愈多，也就代表太陽處在活躍期，有比較高的機率朝地球噴發電漿粒子，進而影響地球週遭的太空天氣，所以長期監測太陽黑子的數量就成為人類的重要課題。

當太陽黑子活動達到高峰時，太陽閃焰（solar flare）和日冕物質拋射（coronal massejection, CME）發生的頻率和強度也會顯著增加，導致更多的電漿粒子被拋射到太空中，一旦拋射的方向往地球而來，便會與地球磁場產生交互作用，進而改變地球附近的整體環境。當發生上述的太陽閃焰或日冕物質拋射時，都象徵著太陽風的強度和密度大幅增加，顯示出太陽黑子與太陽風的密切關係。從太陽表面（黑子）活動的增加到太陽向外噴發的機率提升，最終反應在太陽風量能上的改變，這因果關係的建立完整呈現出太陽系中太空天氣最初始的原動力。

太陽風的形成和影響

太陽本身就是一個灼熱的電漿火球。在星際空間、其它的恆星，以及地球上空的電離層或地球磁場所控制的磁層，也到處都充滿電漿。因此，電漿態是太空宇宙間物質存在最主要、最普遍的形式，想要了解或認識太空，甚至整個宇宙，電漿物理就成為最基本需要具備的知識背景。

電漿是物質的第四態，主要由帶負電的電子、帶正電的質子，以及帶各種不同正電質量的離子所組成。在太陽系中最主要的電漿來源和驅動力是來自於太陽，太陽最外層的日冕層不斷地噴發大量的電漿，使電漿進入行星際空間中，這個現象也就是所謂的太陽風。太陽風的速度會依據噴發的能量和規模而定，一般而言速度介於每秒200 ～ 800 公里之間，而且因為太陽磁場的週期性變化約為11 年，使得太陽的噴發效應也在時間上出現極大（solarmaximum）和極小期（solar minimum）的分別。這樣的活動變化都將直接性的影響太空中的各種電漿物理現象，同時影響著人類在地球的生活圈。

極光的生成

▲ 挪威的極光景致
（Adobe Stock）

雖然太陽風對人類的日常生活較無影響，不過我們可以從極光的樣貌直接看到太陽風對地球帶來的改變。

當太陽風中的帶電粒子透過磁重聯（reconnection）機制進入地球磁場範圍內時，帶電粒子受磁場約束而在磁層內移動，尤其主要沿著磁力線方向運動，因此無論粒子有無受其他因素影響，它們都被引導到地球南北兩極大氣層附近，與大氣中的中性原子或分子（主要是氧和氮）碰撞，使粒子形成激發態，而當處在激發態的氣體分子或原子回到基態時所釋放的輻射，便造就了色彩多變的極光。最常見的極光波段分別是來自於氧原子的紅光（630 奈米，nm）、綠光（557.7 nm），以及來自於氮分子解離後的紫藍色譜線（427.8 nm 和391.4 nm），這些不同的極光波段出現在不同高度，隨著磁力線的晃動在空中漫天飛舞。

在太陽活動旺盛時，太空中的電漿環境就容易受到擾動，尤其當強烈的太陽風往地球方向噴發而來時，就會對地球附近的太空天氣造成劇烈動盪。在對大自然的影響中，人類肉眼可見的變化就是極光的大規模擾動。除了劇烈移動的各式光輻射外，極光範圍增加也是重要的改變。而這些極光的移動與擴增，主要就是來自於磁層電漿環境的變化，包含電漿粒子能量的改變與磁力線的擾動，都會影響極光在強度與位置上的變化。因此，太陽風從行星際空間到進入地球磁層，最終將影響著極光的行為表現。

太空天氣對人類活動圈的影響

相較於無害的極光變化，受到太陽風實質影響的就是散布在近地軌道的各式衛星。這類靠電力驅動的人造設備，特別容易受到電磁波或帶電粒子的干擾。衛星的指令控制和資料接收基本上都倚靠電磁波的無線傳輸，當電磁波受到干擾時，簡單的指令傳輸錯誤都可能導致毀滅性的影響。像是因為受到干擾導致的衛星姿態控制指令錯誤，可能使衛星方向錯亂而無法充電；又或者在衛星電腦進行資料打包下載的過程中，錯誤的位元編碼會造成大量的衛星資料損毀。這些案例都曾經發生在過去大大小小的衛星任務中，如果太陽活動更加劇烈，甚至會使地面設備受損。最著名的案例是1989 年太陽風暴引發加拿大魁北克電網癱瘓，總共影響了加拿大和美國數百萬戶民眾的用電。

此外，近期太空迷應該都還記得的一次大量衛星報銷事件，就是全球知名太空公司SpaceX 於2022年2 月發射49 顆低軌通訊衛星「星鏈」（Starlink）時，遭遇到地球磁暴事件，當中有40 顆衛星受影響，導致衛星失能且只能選擇墜回大氣層燒毀，而這次事件的罪魁禍首居然只因一個程度不大的小磁暴。當火箭將衛星群送至預定高度200 公里處時，原先設計衛星可以藉由自身的推進器推升至工作高度，然而這場小磁暴造成當時在此高度下的大氣密度增加了50％，造成更大的空氣阻力，使得衛星無法靠自身的推進器推升高度，SpaceX 最終只能
選擇忍痛放棄衛星，造成龐大金錢的損失。

近期大規模的磁暴事件

▲ 2024 年5 月10 日拍攝到的太陽活動
（NASA SDO）

前面曾提及太陽的活動存在著約為11 年的周期性變化，最接近的一次太陽極大期就是現在，約為2024 ～ 2025 年。相信大家在這一、兩年間應該比往常更容易從各大網路平臺或新聞上看到大規模極光出現的報導。尤其是出現在今（2024）年5 月中旬時的磁暴，堪稱是自2003 年萬聖節磁暴事件以來，最嚴重的一次教科書級別的太空天氣擾動事件。

……【更多內容請閱讀科學月刊第657期】