太空科學新進展：源自太陽與地球表面的太空天氣動量
 
自1997年展開的第23太陽活動週期帶給地球許多意想不到的太陽風暴效應，然而該週期自2005年後逐漸邁向太陽活動極小期，並於2007年底展開了極為寧靜的第24太陽活動週期，2008-2009年連續數百日觀測不到任何太陽黑子，該期間卻是人類科技的大躍進期間。2007年之後普及的智慧型手機具備導航功能、2012年開始有性感的電動車具備自駕功能、以及無人機開始在各地的天空運行，這些理應受電離層影響的GPS導航新科技卻準確得彷彿電離層並不存在，因為太陽極度安靜、電離層變得十分稀薄。
 
2022年2月3號發生的一個輕度(G1-G5等級中最低的G1等級)太陽風暴，造成100公里以上的熱氣層大氣密度劇烈增加，使得剛發射至200公里高度的Starlink 衛星在爬升入軌過程中，因高層大氣(thermosphere 熱氣層)密度快速增強而遭遇超過預期之飛行阻力（如圖一），造成38顆衛星因無法維持軌道高度而於大氣層燒毀。此一事件宣告目前第25太陽活動週期將比預期更加活躍，而太空學界正如火如荼的發展熱氣層-電離層預報系統，以因應未來更多更頻繁的人造衛星應用。預報系統的一大重要挑戰是需要有即時的觀測資料，我國於2019年6月發射的福爾摩沙衛星七號即以太空天氣預報所需之規範定義衛星任務，所觀測的資料需要在30分鐘傳至預報系統，這對於主要飛行於低緯度海洋上空的人造衛星任務是極為昂貴的，需要在各地建設衛星接收站方可達到此一任務需求，而也因為此一獨特的資料即時性，福衛七號是目前國際公認最重要的太空天氣任務之一。
 
除了來自太陽的能量釋放所產生的太空天氣擾動，來自地表的擾動 – 地震、火山爆發 – 產生的影響則有突破性的發展！太空學界一直認為電離層與其他的大氣層被位於約海拔90公里中氣層頂 (mesopause) 的強烈大氣紊流完美隔絕，但是2011年震驚世界的東北大地震與海嘯產生的電離層擾動卻是完美的同心圓波動，說明電離層具備十足潛力作為海嘯預警的工具。 2022年1月15日東加海底火山爆發，在太空中更產生了威力超越東北大地震的擾動，這百年來最強火山噴發在熱氣層與電離層中產生了過去超級太陽風暴才能觀測到的現象！隨著火山爆發所產生的獨特大氣 Lamb Wave 可以在全球數次傳播，電離層擾動也可在全球傳播（圖二）。2022年這兩起太空天氣事件突顯了過去20年太空科學研究的重要發展，我們有能力預報太空天氣嗎？太空 - 大氣 - 地殼是如何交互作用？對台灣的太空科學研究人員而言，這些對台灣社會的實質意義為何？
 
首先，在太空天氣的民生影響中，人造衛星應用將與我們生活緊密連結，未來提供服務的6G網路所使用的巨量衛星星系(Mega Constellation) 中成千上萬顆衛星的太空軌道交通將受熱氣層大氣密度影響，台灣的太空研究團隊在太空天氣預報模式發展執牛耳的地位以及具備福衛七號自主衛星的優勢之下，所預報的電離層電子密度在國際上已備受重視，下一步將挑戰預報熱氣層大氣密度，並藉此發展大氣密度影響人造衛星軌道之監測系統，作為太空交通系統之應用。
 
東北大地震誘發海嘯並驅動太空電離層擾動在海嘯上方領先傳播，東加火山則是藉由大氣Lamb Wave 驅動大氣海嘯 (meteo-tsunami) 與電離層擾動。我們希望藉由這些特殊觀測特徵建立一包含海、陸、空觀測參數的預警系統，以彌補單一觀測作為預警系統可能受到的限制，並且藉由多種觀測參數同時預警而降低誤報 (false alarm) 。從太空天氣到地震、火山、海嘯等影響，位於太平洋地震、火山頻繁區域的台灣，所具備的高科技能力最適合發展高科技太空研究來守護我們的家園。
 
  

 
圖一、（左）人造衛星軌道因大氣密度突增而面臨較大空氣阻力，造成減速以致於無法維持軌道示意圖，（右）為熱氣層-電離層耦合模式預測2022年2月3-4日因為輕度太陽風暴引起之熱氣層大氣密度增加情形。


 
圖二、2022年1月15日東加海底火山爆發引起之全球電離層擾動，（上圖）為火山爆發10小時後所誘發之大氣Lamb Wave（桃紅虛線）跨過歐亞大陸，（下圖）為16小時後Lamb Wave 在非洲上空聚合。因電離層電子密度具有沿地球磁場對稱之特性，觀測資料沿磁場投射至另半球時以銅色(copper)色階表示。