太空與海洋世界 - 太空部份 - 朱延祥 國立中央大學太空科學研究所研究室 : 科學四館 818 室, 分機 :65764 E-mail: yhchu@jupiter.ss.ncu.edu.tw 第二週 (105 年 4 月 28 日 )
地球高層大氣與太空環境的結構 - 行星際空間介質 (Inter-Planetary Medium) * 太陽風 (Solar Wind) 與太陽磁場 - 磁層 (Magnetosphere) * 極光 (Aurora) - 電離層 (Ionosphere) * 短波電波傳播 (Short Wave Propagation) - 中層大氣 (Middle Atmosphere) * 地球溫度最低處 : 中氣層頂 (Mesopause)
行星際空間內的太陽磁場 https://ryanoursun.wikispaces.com/the+journey+of+solar+wind +In+The+Solar+System+And+Earth_Ethan 太陽磁場會凍結在太陽風中, 隨太陽風向外吹拂而被拉扯向外伸展, 形成片狀結構, 由於太陽風的不均勻性分布, 導致太陽磁場片狀形狀呈現皺摺結構 當地球繞太陽公轉時, 由於地球位於片狀皺褶中不同位置, 地球磁層所遇到的太陽磁場方向將有可能不同, 導致地球層磁層發生擾動 http://pluto.space.swri.edu/image/glossary/imf.html
地球磁層結構以及與太陽風的關係 開放磁力線 磁層弓型震波 太陽風中的粒子 磁尾 太陽風 范艾倫帶 電漿片 中性片 磁層 封閉磁力線 極區辦尖 (Polar Cusp) 極光發生處
地球磁層粒子特性
地磁微脈動 - 地球磁場的微小擾動現象 - 地磁微脈動的分類 地磁微脈動的實際擾動 Pc1 0.2-5 ( 秒 ) Pc2 5-10 Pc3 10-45 Pc4 45-150 Pc5 150-600 註 : 地面地球磁場平均大小約為 0.45 高斯 (Gauss), 或 45000 nt
人腦波的分類與特性 -a 波, b 波,q 波, d 波 - 人腦波的分類 腦波特性 a 波 b 波 q 波 ( 每秒振動次數 ) 8-14 赫茲大於 14 赫茲 4-8 赫茲 a 波 b 波 q 波 在清醒與放鬆的情形下出現, 適合思考與學習出現在有壓力與緊張狀態下入定時發生 d 波 0.4-4 赫茲 m 波與 a 波類似, 但稍快一些 d 波與睡眠品質有關, 在熟睡中出現 m 波進行或想像肌肉收縮 ( 運動 ) 時會被壓抑 ( 念力控制 )
不同腦波出現的位置圖 m 波特別明顯 a 波特別明顯
近地球太空環境 范艾倫帶 電漿層 (Plasmasphere) 結構 電離層 電離層 (Ionosphere) 結構
電離層 (Ionosphere) 的形成與定義 定義 若地球大氣中之某一部分, 具有充分多的自由電子 (free electron), 且能持久的影響無線電波 (Radio Waves) 之傳播 (Propagation) 者, 此氣層即稱為電離層 形成 地球大氣中之氣體粒子, 受到太陽輻射中的 X 射線與紫外線的照射, 將氣體粒子最外層的電子游離出, 產生自由電子以及帶正電的離子 由於地球高層大氣中的自由電子與主要的離子 ( 即氧原子離子 ) 的結合反應甚慢, 使得自由電子可以長久存在, 而形成電離層
電離層的結構 電離層係由四個副層所組成 : (a) 60 ~ 90 km 為 D 層 此層僅在白天出現, 但並不是每天均出現, 對高頻電波具強烈之吸收作用 (b) 90 ~ 140 km 為 E 層 此層亦僅在白天出現, 夜間消失 此層中有較強之電場存在, 影響了電離層之動力 (c) 140 ~ 200 km 為 F1 層 事實上, 此層之上邊界甚難界定 此層只在日間存在, 對遠距離電波傳播助益不大 (d) 200 ~ 1000 km 為 F2 層, 為電離層的主體, 深深影響低頻 (Low Frequency) 與高頻 (High Frequency) 電波越地平 (Over-The-Horizon) 傳播以及人造衛星的通信
電離層電子密度的垂直與水平結構 電離層電子密度 F 域 E 域 D 域 中性大氣密度
高頻電波傳播 - 天波 (Sky Wave) 模式 F 層 電離層反射 E 層 電離層反射電波頻率與電離層電子密度之關係 f 0 9 10 6 n e (f 0 in megahertz, n e in cm -3 )
F2 域 ~10 6 ele/cm 3 ~10 5 ele/cm 3 F1 域 E 域 ~10 4 ele/cm 3 ~10 3 ele/cm 3 D 域 電離層電子密度垂直分布示意圖 http://imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/emspectrum1.html
最大可用頻率 ( Maximum Usable Frequency, MUF) MUF f sec i v o 若發射短波電波頻率超過 f sec i, 則電波將會穿透電離層, v 0 而不會被反射回地面, 其中 f v 為反射點處的最大臨界頻率 (Maximum critical frequency) 因此欲進行電離層短波傳播, 操作頻率必須小於或等於最大可用頻率, 亦即 MUF 在實際的電波傳播應用上, 則通常使用最佳操作頻率 FOT, 來作為短波通訊之用, 亦即 FOT=0.85xMUF
電離層臨界頻率與最大可用頻率 MUF f=f 0 (critical frequency) f > f 0 / sin a IONOSPHERE h 垂直入射 a 傾斜入射 D f = f 0 / sin a (classical MUF) f = f 0 * SQRT[(D 2 /4h 2 ) + 1]
太陽活動性與電離層臨界頻率的關係 電離層最大臨界頻率 太陽黑子數 電離層 E 層最大臨界頻率
太陽黑子週期與地球電離層發生擾動的關係
太空天氣 (Space Weather) 現象
電離層高頻 (HF) 電波傳播方式 透射 E 層反射 F 層反射 多次反射 單次反射
人造衛星訊號的電離層閃爍現象
電離層閃爍現象發生原因 ( 電子密度不規則體存在所致 ) 入射平面波 電離層電子密度不規則體 不規則繞射波 地面接收天線
人類在大氣中的活動範圍
電離層與 GPS 定位 GPS 人造衛星網 GPS 人造衛星
GPS 衛星定位系統的組成 ( 至少要能接收到四顆 GPS 衛星以上才可以進行定位 ) 由於自由電子的存在, 將導致 GPS 訊號通過電離層時, 電波傳播速度撿慢, 造成人造衛星訊號傳播的遲延, 因而使得 GPS 定位產生誤差 目前已針對此問題有了解決之道 亦即使用雙頻 GPS 訊號進行電離層遲延校正
人造衛星軌道與太空垃圾 HEO 高地球軌道 MEO 中第球軌到 LEO 低地球軌道 GEO 地球同步軌道 自 1957 年 10 月起, 人類共發射超過 4800 火箭, 佈放超過 6000 枚人造衛星在軌道中 目前在太空中共有約 29000 個大於 10 公分的人造物體繞地球運行, 其中 17000 個被相關單位監測中, 而其中的 7% 屬於功能正常的運作中的衛星, 約 5000 個為喪失功能的衛星, 剩下約 7000 個物體, 為衛星在軌道中裂解後的殘骸, 不同軌道中
太空碎片 ( 垃圾 )Space Debris http://wordlesstech.com/2011/03/26/space-junk/
太空碎片 ( 垃圾 )Space Debris http://space.io9.com/surprisingly-pretty-space-junk-1572559005
太空垃圾的監控 http://ccar.colorado.edu/asen5050/projects/projects_2010/bicket/
中層大氣的位置與特性 太空環境 高度 熱氣層 400 公里 中層大氣 (Middle Atmosphere) 中氣層 平流層 對流層 120 公里 85 公里 50 公里 15 公里 -120 度 15 度 1500 度 溫度 (C)
臭氧濃度在中層大氣中的分布 垂直分布 緯度 - 時間分布 相對濃度 ( 混合比 ) 絕對濃度 臭氧的化學反應式 控制臭氧產生化學反應式 控制臭氧消失化學反應式
極區臭氧洞 (Ozone Hole) 的形成 ( 人類釋放大量氟氯炭化物的結果 ) 臭氧耗竭的反應式 其中 X 為溴 (Br), 氯 (Cl),NO 與 HO 中的任何一種, 而 M 為大氣中第三者氣體分子
南極上空臭氧破洞變化圖
極光的成因 當從太陽表面 吹送 出來的太陽風到達地球時, 太陽風中的高能量帶電粒子, 會順著地磁的磁力線方向往兩極方向移動, 這些帶電粒子到了電離層, 與大氣中氣體原子碰撞放電, 就會發出瑰麗的極光 由於高層大氣中, 氧原子含量較高, 因此我們看到的極光多為綠白色, 也就是氧原子被電離之後發出的光顏色, 而偶爾看到像閃電那樣的紫紅色, 則是氮原子電離後發光的顏色 而除了地球之外, 天文學家們觀察到其他行星也有極光的現象, 例如木星與土星
地球磁層三維結構示意圖 極辦尖 開放磁力線 電漿層 電離層 封閉磁力線 磁層尾 極光圈 太陽風
極光冠 ( 極光橢圓圈 )
綠色極光
藍色極光
極光特性 在大约離磁極 25 30 的範圍内常出現極光, 這個區域稱為極光區 (Auroral Region) 在地磁緯度 45 60 之間的區域稱為弱極光區, 地磁緯度低于 45 的區域稱為微極光區 極光下邊界的高度, 離地面不到 100 公里, 極大發光處的高度约 110 公里左右, 正常的最高邊界为 300 公里左右, 在極端情况下可達 1000 公里以上 根据近年來關於極光分布情况的研究, 極光區的形状不是以地磁極為中心的圆環状, 而是更像卵形 故極光區亦稱極光橢圓圈 (Auroral Oval) 極光的光譜線範圍约為 310 670 奈米, 其中最重要的譜線是 557.7 奈米的氧原子綠線, 稱為極光綠線 一般來说, 極光的型態可分為弧狀極光 带狀極光 幕狀極光 放射狀極光等四種 在北半球出現的稱為北極光, 在南半球 出現的则稱為南極光
極光種類 片狀極光 弧 ( 帶 ) 狀極光 擴散狀極光 幕狀極光
土星上的極光 ( 卡西尼太空船所拍攝 ) Jan. 28, 2004 Jan. 26, 2004 Jan. 24, 2004 土星極光每天都在變化, 有時能伴随土星自轉而運動, 有時却又保持静止 它有時發亮能持續好幾天, 不像地球極光那樣只能持續幾分鐘到幾十分鐘 與地球或木星極光尤為不同的是, 土星極光在這颗行星的晝夜交替之際顯得尤其明亮, 有時會成為一個螺旋形 由此研究人員認為, 影響土星極光的因素與地球和木星的不完全相同
木星上的極光 ( 卡西尼太空船所拍攝 ) 木星極光會受到衛星磁場的影響 紫外線波段 木衛一 (IO) 衛星 木衛二 (Europa) 木衛三 (Ganymede)
地球自轉軸與地磁北極與南極 地磁軸南極 地磁軸 地球自轉軸 地理南極 地磁南極
地球磁極的變遷 年 緯度 ( N) 經度 ( W) 2001 81.3 110.8 2002 81.6 111.6 2003 82.0 112.4 2004 82.3 113.4 2005 82.7 114.4 地球磁極位置的預測
Magnetic Stratigraphy from lava layers 地磁反轉的證據 ( 火山熔岩的證據 )
習題一 請想一想, 若沒有地球磁場, 會對地球造成什麼影響 ( 包括地球環境, 生態, 動物, 與人類等等 )? 習題一 大氣懸浮微粒中直徑小於 PM2.5 的粒子,會對人類帶來嚴重的疾病,屬於第一級致癌物 請問 PM2.5 的含意是什麼,我國對於 PM2.5 濃度標準的警戒值為何?
習題三 請問下述科學報導是否有誤,請指出錯誤之處 科學家證實, 仙后座 A 在收縮過程中, 核心會生成放射性同位素鈦 44, 而鈦 44 會向外輻射出大量的高能量 X 射線, 將核心外層氣體以每秒 50 萬公里的速度吹散, 形成一般認知中的超新星爆炸 NuSTAR( 核光譜望遠鏡陣列 ) 則拍下人類史上第一組輻射圖像 ( 台灣醒報 - 民國 103 年 2 月 21 日 )