太空是真空的嗎？

　　在本講中，我們將簡單的介紹一下我們的太空環境，太空中場與介質的特性，並舉一些有趣的例子，來說明太空物理的起源、發展、及應用。

太空中場與介質的特性

問：太空是真空的嗎？

據說坊間一些通俗科學雜誌上，往往告訴讀者：「太空是一個比地表上人為所能製造的真空環境還要真空的世界」。

姑且不論這句話是否正確（因為人為抽真空的技術不斷在改進）但是這句話很明顯的有語病。因為絕對的真空，也就是零密度，是沒有什麼好比較的。因此它們所謂的「真空環境」，只不過是「低密度環境」的代名詞。

事實上，太空(Space)並不是一個真空的世界，太空中充滿了一種叫做電漿(Plasma)的介質。因此要談太空物理，首先就要了解太空中介質的物理特性。

（註：Space，大陸上譯作空間，因此太空物理他們稱之為空間物理。）

• 電漿(Plasma)是一種呈現部分游離的(Partially Ionized)或完全游離的(Fully Ionized)氣體。
• 電漿態是物質繼固態、液態、氣態外的第四態。
• 日常生活中常見的電漿如：火、霓虹燈、日光燈管內發光的氣體、雷雨時空中閃電光亮處之氣體、以及發生核融合反應之氣體等。
• 太空中主要的成分就是電漿，這是因為電漿易處於高溫、低密度的環境中。這樣的環境使得電漿能保持游離狀態，不至於因碰撞，而使電子與正離子有機會重新結合(Recombination)為中性原子或分子。
• 不過，如果有足夠的能量來源，可不斷地提供游離所須之游離能，使得游離反應速率(Ionization Rate)與重新結合反應速率(Recombination Rate)兩者達到平衡，則可形成高密度的電漿，例如：火、白天時電離層底部（約一百公里以下）的電漿、太陽表面的氣體等等。
• 值得一提的是，電漿的密度雖低，但仍應有別於個別帶電粒子的運動行為。
• 電漿物理是一門研究許多帶電粒子集體行為的科學，就好像流體力學是一門研究許多中性氣體分子或液體分子之集體行為的科學。
• 流體力學中的中性氣體分子或液體分子是藉著頻繁的碰撞來交換其動量和能量，進而達到彼此牽制的集體行為。
• 然而，電漿中的帶電粒子卻是靠著彼此運動所產生的電磁場來交換其動量和能量，進而達到其彼此牽制的集體行為。
  • 問：帶電粒子如何在電場與磁場中運動？

• 統計力學中的熱平衡態：
  • 大多數的情況下，我們所觀測到的中性流體由於密度高，碰撞頻繁，在速度空間中，呈現常態分布，也就是呈現熱平衡狀態。因此我們可用幾個簡單的統計物理量，如：密度、平均速度、溫度、壓力等來描述中性流體的物理特性。
  • 可是在許多情況下，我們所觀測到的電漿，卻不一定完全達到速度空間中的熱平衡態。如果電漿未達熱平衡態，就不能用幾個簡單的統計物理量來描述電漿的物理特性，而必須直接考慮正離子（有時甚至電子）在速度空間中的分布情形。
    • 由於組成電漿的成分：電子與正離子，兩者的質量相差甚遠，因此(1)要達到電子熱平衡態的時間，比較短；(2)要達到正離子熱平衡態的時間，比較長；(3)要達到電子-正離子熱平衡態的時間，最長。
    • 如果觀測現象的時空尺度小於或等於電子或正離子的特徵時空尺度，電漿就不一定能完全達到速度空間中的熱平衡態。
    • 問：什麼是電子的特徵時空尺度？什麼是正離子的特徵時空尺度？
  • 好在太空中，仍有不少大尺度（遠大於正離子的特徵時空尺度）的電漿物理現象，可以視為達到電子-正離子熱平衡的狀態，故可用簡單的磁流體力學 (MHD, Magnetohydrodynamics) 來描述這些大尺度的電漿物理行為。因此我們可用幾個簡單的統計物理量，如：密度、平均速度、溫度、壓力、電場、與磁場等來描述磁流體的物理特性。
  • 問：為什麼《大尺度的電漿》被稱為《磁流體》，而不被稱為《電磁流體》？
  • 提示：因為Ｅ^＊﹦０且Ｅ^＊﹦Ｅ＋Ｖ×Ｂ，故Ｅ﹦－Ｖ×Ｂ，因此決定了磁場與電漿速度，電場也就決定了。
    • 其中Ｅ^＊為隨著大多數電漿一起運動時所測到的電場。因為電漿為良導體，因此Ｅ^＊﹦０。
    • 至於為何Ｅ^＊﹦Ｅ＋Ｖ×Ｂ，就請各位自己深思了。實在想不出來，再去問物理老師。

總結：

• 電漿的運動，深深受到環境中電場與磁場的影響。反過來，環境中的電場與磁場，也會隨著環境中電漿的分布與運動而改變它們的大小與方向。這種互為因果的特質，形成了一種《場》與《電漿》「因果一致」的特別關係。
• 在「部分游離」的電漿中，中性粒子的運動，會藉著與帶電粒子的碰撞而交換動量和能量。因此中性粒子也會間接的受到環境中電磁場的作用而影響其運動。反之，帶電粒子也會受到中性風的吹拂而改變其運動方向，進而產生電場或磁場，進一步改變其運動方向。（例如：低緯電離層中的赤道噴泉效應。）
  • 赤道噴泉效應(equitorial fountain effect)：在白天，赤道兩側的電離層中，有一個東風形式的中性風在吹拂（由東方吹向西方）。這個中性風發電的結果，會產生東向的電場。帶電粒子在北向磁場與東向電場中運動，會向上飄移，造成這區域的電漿舉升。到了高空，再沿著磁場線（俗稱的磁力線）落下。由於軌跡很像噴泉，故被稱為《赤道噴泉效應》。）
  • 問：中性風如何發電？

• 我們將用《磁場線》(magnetic field line)，取代一般常用的《磁力線》。
• 磁場線為順著空間中磁場向量所畫出來的曲線。
• 磁場線與鐵屑所受的磁力方向一致。
• 磁場線與電子或正離子所受的磁力方向垂直。
• 為了避免觀念混淆，我們決定用《磁場線》取代俗稱的《磁力線》。否則，太多的小朋友，誤以為電子或正離子的受力方向，是沿著《磁力線》方向！

在李察吉爾所主演的「新龍鳳配」的電影中，有這麼一段情節：男女主角來到一個印度餐廳用餐。男主角想說一些幽默的話來增加用餐的氣氛。只聽李察吉爾說道：「要是湯也可以用手抓來喝，我們就用不著餐具了！」沒錯，固體的飯，可以用手抓來吃。液體的湯，就要用碗，或杯子來盛。請問，杯子可以用來裝氣體嗎？大概不行，除非杯子上蓋著蓋子。那麼地表的大氣是不是被什麼東西給蓋住了？否則不是全跑光了嗎？等各位讀完這一節後，好好想一想這個問題吧！

由於電漿的溫度相當高，我們無法用一般的容器來盛裝電漿。因此若想要將電漿物質束縛住，不讓它散開來，「磁場」恐怕就是最理想的容器了。要了解磁場如何束縛電漿，就先要了解帶電粒子如何在磁場中運動。

• 若以外加磁場方向為軸（大拇指指向），磁力的作用會使得垂直磁場運動之正離子繞著磁場左旋，而電子則繞著磁場右旋。
• 由於正離子的質量為電子的1836倍，等速旋轉的正離子的迴旋半徑遠大於電子的迴旋半徑，就好像砂石車轉彎時所須的迴轉半徑要較其他等速小車的迴轉半徑大得多。
• 高速行駛中的車子轉彎時所須的迴轉半徑較大，因此高速正離子的迴旋半徑會大於低速正離子的迴旋半徑。
• 如果磁場變化的空間尺度小於或等於正離子的迴旋半徑，則雖然電子仍能完全地被磁場束縛住，但是磁場束縛正離子的能力就要大打折扣了。

帶電粒子在地球附近的磁層中（內磁層，也就是電漿球層，或不含磁尾的磁層），除了繞著地球磁場旋轉(gyro motion)外，還會在地球磁偶極場中，沿著磁場線反射彈跳運動(bounce motion)與繞著地球迴轉漂移的運動(drift motion)，如圖一。

• 一般說來，繞著磁場旋轉運動(gyro motion)的週期約為0.1秒到數十秒。反射彈跳運動(bounce motion)的週期約為十幾分鐘。漂移運動(drift motion)的週期約為數小時到一天。
• 繞著磁場旋轉運動(gyro motion)，是由磁力提供向心力。
• 沿著磁場線反射彈跳運動(bounce motion)，是因為以下兩物理條件所造成的結果：
  • 《垂直磁場動能》與《磁場強度》的比值為一定值。（這是《磁矩》守恆的結果。不懂的話，去請教電漿物理老師。）
  • 《垂直磁場動能》與《平行磁場動能》的和為一定值。（這是因為磁力不做功，因此動能守恆的結果。不懂的話，去請教物理老師。）
  • 問：以上兩物理條件能成立的先決條件為何？

• 繞著地球漂移運動(drift motion)的成因，比較複雜。
  • 為期24小時的漂移運動，主要是受到地球自轉的影響。
  • 其他週期的漂移運動，則是受到《地球磁偶極場線彎曲》，以及《地球磁偶極場強度隨著遠離地球而減少》，兩因素所造成的。（不懂的話，去請教物理老師。）
  • 只有動能比較高的帶電粒子，才會受到後面這兩個因素的影響，繞著地球，快速的漂移（數小時就可以繞行地心一週）。
  • 一般的低能粒子，原則上都是隨著地球一起自轉（約24小時繞行地心一週）。

• 高能電子在內磁層中的各種轉彎運動（一種加速度運動），會放出Ｘ光，是造成范愛倫輻射帶的主因。也是科學家想到用Ｘ光，觀測太陽日冕的理論根據。
  • 高能帶電粒子在磁場中加速度運動時，所放出的輻射能強度，大致上與其轉彎加速度大小的平方，成正比。（不懂的話，去請教物理老師。）
  • 相同速度的電子與質子，因為電子質量小，因此迴旋半徑小，故加速度較大，所以放出較多的輻射能。（不懂的話，去請教物理老師。）
  • 范愛倫輻射帶的詳細介紹，請參閱《磁層》主題的介紹。
  • 太陽日冕的詳細介紹，請參閱《太空中的太陽》主題的介紹。

• 激震波(Shock Wave)是一種威力強勁的壓縮波（密度波）。
  • 激震波的實例如：瓦斯氣爆所產生之爆炸波、原子彈爆炸所產生的蕈狀雲爆炸波、火山爆發時炙熱的水蒸氣所產生的爆炸波、閃電所造成的雷聲、超音速飛機所產生的音爆、銀河的旋渦臂…等等。

• 一般說來激震波是以超音速(supersonic)相對其前方（上游）之氣體傳播，而上游氣體通過激震波後密度增加、溫度昇高、熵值(Entropy)增加（即亂度增加）、速度則減小為次音速。
  • 由此可見激震波的主要功能除了快速壓縮氣體外，並能提供不可逆的耗散機制，將上游氣體的流動動能轉換為熱動能。
  • 由於氣體要被快速壓縮，因此激震波必為一可壓縮波（疏密波）的變形。

• 由於街上的車流也可視為一疏密波，因此我們可以用車流來描述激震波與一般等熵的聲波不同之處。
  • 比方說，高速公路上一連續車陣中有一輛車子稍微地煞了一下車，然後又繼續向前行駛。這種過程將造成一疏密波向後方車陣傳播。
  • 然而如果這輛車在高速行駛中突然熄火，則會造成連環大車禍，這就是不可逆反應的激震波。
  • 事實上，自然界中，絕大多數的激震波，對人類或生物都有負面的、破壞性的影響。只有銀河系中的激震波，壓縮原始雲氣，製造新的恆星，算是唯一具有建設性功能的激震波。
  • 銀河系中的激震波，包括：銀河的漩渦臂、以及超新星爆炸所產生的羽毛狀星雲。

• 以上所談的激震波都是藉著碰撞來增加其熵值(Entropy)，因此這些激震波的厚度差不多等於其氣體的平均自由路徑(Mean Free Path)。
  • 平均自由路徑，就是統計上說來，一團氣體中的粒子，平均要走多遠的距離，就會與另一個粒子碰撞。這段距離，科學家稱它為《平均自由路徑》。

• 太空電漿中也有許多激震波，但是其厚度卻遠小於太空電漿氣體的平均自由路徑（以太陽風為例，其平均自由路徑約為一個地日距1AU），因此這些激震波並不是藉著碰撞來增加其熵值，故又稱之為無碰撞激震波(Collisionless Shock)。
  • 這些無碰撞激震波的厚度，通常為數個到數十個正離子迴旋半徑。由此可知，這些無碰撞激震波是藉著電磁場與帶電粒子之間的非線性交互作用，來增加其熵值。其所伴隨的磁場與電場變化不僅可加熱電漿，也可加速少數正離子，因此成為高能宇宙射線的來源之一。（超新星爆炸所產生的激震波被認為是宇宙射線的主要來源。）

• 太陽風中的激震波來襲，對我們的影響非常的大。不僅電訊受到干擾，許多人造衛星也可能因此失去控制。上百萬、上千萬、甚至上億美元的人造衛星投資可能就此泡湯了。而這些激震波對未來在太空站上的工作者所可能造成的傷害更是不可忽視。

太空物理(Space Physics)研究的範圍由電離層(Ionosphere)開始，向外一直到人造衛星或太空船所涵蓋的範圍（目前已接近五十個地日距，50AU）。因此太空物理與天文物理的研究範圍有時區分的並不太清楚。不過若依照以上的定義，則太空物理正逐漸的在蠶食天文物理的研究範圍。由於太空物理研究的範圍，內接地表中性大氣，外接天文。因此在研究太空物理時，對於地表上的中性大氣以及簡單的天文知識也應有所認識。

地球外表包著一層大氣層，大氣層的密度隨著高度遞減，大氣成分也隨著高度的改變而不同。

• 一般天氣變化都發生在距離地表約十公里（對流層頂Tropopause）以下的對流層(Troposphere)中。
  • （比較：世界第一高峰聖母峰Mt.Everest海拔8,848公尺，約九公里，略低於對流層頂。而此對流層頂的高度也隨著緯度的不同而略有不同。一般說來高緯的對流層頂的高度較低些。）
  • 對流層中平均氣溫隨高度增加而遞減，故有上下對流的產生。
    • 例外：晴朗無雲的夜晚，輻射冷卻的結果，往往使得清晨，靠近地表氣溫隨高度增加而遞增，於是形成一逆溫層。這種情形也常發生於南北極的冬天。

• 對流層上方為平流層(Stratosphere)，由於該處溫度隨高度增加而遞增，因此氣流穩定，無上下對流運動，故稱之為平流層，是噴射飛機飛翔的高度。
  • 此外由於此區的主要成分之一為臭氧，因此又稱之為臭氧層(Ozon Layer)。

• 臭氧層的上方為中氣層(Mesosphere)。科學家對中氣層的了解並不多，目前可用特高頻雷達(VHF Radar)等儀器探測其物理特性。
• 中氣層的上方為增溫層(Thermosphere)，也有人譯作熱氣層。
  • 增溫層和平流層一樣，其中氣體溫度隨高度增加而遞增。
  • 增溫層中除了中性分子、原子氣體外還含有一足夠量之游離態氣體，其量多的足夠使得整個氣體（中性氣體與游離態氣體）運動受到電磁場的支配，而形成一個導電性佳的部分游離電漿態(Partially Ionized Plasma)，故此層又稱之為電離層(Ionosphere)。

圖二表示由對流層到增溫層之間的氣溫隨高度增加而變化的情形。

問：為何對流層與臭氧層中，平均氣溫隨高度增加而改變的情形不同？
（提示：兩者加熱機制有何不同？）

問：無線電通訊與電離層有何關係？

問：高空閃電與電離層有何關係？

問：電離層是如何被發現的？

第一次世界大戰時期，科學家發現短波收音機的訊號，可以藉著在地表與上空的兩個良導體之間來回反射，而呈現越洋傳播的現象，不受限於地球表面曲率的影響。上空中可以反射短波無線電訊號的良導體，就被稱為電離層(Ionosphere)。

問：為什麼會形成電離層？

• 在高空，空氣稀薄，中性氣體密度低。在白天受到陽光的照射後，中性分子、原子氣體吸收光能發生光化游離現象(Photon Ionization)後，由於密度低，碰撞頻率小，因此重新結合(Recombination)成中性粒子的機會並不大。如果《光化游離速率》與《重新結合速率》達到平衡，就可以形成一個濃度穩定的《部分游離電漿態》(Partially Ionized Plasma)。
• 部分游離的氣體能被稱為《電漿態》，先決條件是，游離態的成分比例一定要夠高（約高於百分之一），高到能使整團氣體的運動，會受到環境中電場與磁場的影響。反之，如果整團氣體的密度夠高，則一定比例的游離態氣體密度，也就相對增加。於是它們的運動，所產生的擾動電場與磁場，也可能影響電磁波的傳播。
• 如果高空中的氣體，游離態的成分比例夠高，且《絕對濃度》也夠大，大到會影響電磁波的傳播，就可以稱為是《電離層》了。

問：電離層有多高？

• 電離層的上緣最高可達地表一、二千公里。
• 電離層底部的高度，會隨著日照量的多寡而異。
• 在白天日照量多時，光化游離反應也較頻繁，可使較低層的大氣也具有足夠的游離電漿態。因此在白天，電離層底部的高度，距離地表可能只有50到90公里。
• 到了晚上，電離層底部的高度，距離地表平均約100公里。
  • 因為日照情形會隨緯度以及南北半球季節變化而有很大的不同，因此夜間電離層底部的高度，也會隨季節與南北緯度的不同而異。
• 圖三顯示電離層結構隨日夜變化的情形。在白天地表上方80-100公里處會出現一Ｄ層電離層。但在夜晚則僅剩下Ｅ、Ｆ兩層電離層。

問：電離層如何反射無線電波？

• 無線電波是一種電磁波。《某些頻率的電磁波》在電漿中傳播時，會因為電子與電磁波中的電場與磁場的交互作用，而使得這些電磁波在電漿中，走得比較快。因此，一團電漿（良導體）對某些頻率的電磁波而言，是一個《疏介質》。也就是說電磁波傳入電漿中，行進方向會偏離法線，甚至發生全反射。（這就是為什麼電磁波無法穿透一個被良導體包圍的空間。這也就是一般家電產品以及電腦設備，在設計上，外層加上一層金屬網，以防止電磁波外洩或防止電磁波干擾的理論原理。）
• 科學家根據電磁波在電漿中傳播的特性，找出發生全反射的電磁波頻率為：《8980 赫茲（Hz ）》乘以《單位立方釐米中的電子個數開根號》。因此，
  • 當1c.c.的體積中有一百萬個電子時，會發生全反射的電磁波頻率大約為9兆赫（MHz），以及所有比它更低的頻率。
  • 當1c.c.的體積中有一萬個電子時，會發生全反射的電磁波頻率大約為900千赫（kHz），以及所有比它更低的頻率。
  • 各位可以去查一查看，調頻、調幅、以及短波收音機電台的發射頻率是多少。再由圖三，研究一下，哪些頻率的電磁波會被電離層反射。再想一想，如果白天晚上，電離層的電子密度分布情形不同，會對接收無線電波發生什麼影響？
  • 電磁波在真空中以光速前進，如果你知道電磁波的頻率，你會不會換算它的波長？
  • 如果我們知道電磁波的波長是多長，我們就可以設計天線來接收特定的電磁波。
  • 同樣的，如果自然界存在一些大小與這些電磁波長差不多相同的導體或極性分子（如水），則這些電磁波在傳播時，就會受到這些物質的嚴重干擾。
  • 好了，現在各位就來估算一下，要接收調頻、短波收音機電台的天線各為多長？要接收無線電視（VHF以及UHF）的天線大約多長？要接收手機的天線大約多長？
  • 未來的通訊會改為Ka波段（一種微波），與目前人造衛星與地面接收佔的通訊頻率相仿。要接收Ka波段的天線大約多長？這個Ka波段的傳播會受到什麼自然現象的影響？
  • 微波爐為什麼可以加熱食物？這與用火加熱食物的原理有何不同？
  • 請上網（圖四）查一查微波爐、手機、Ka波段、VHF、以及UHF的頻率，各是多少？再換算成波長，再想一想以上的問題。

題外話扯遠了，讓我們回到正題……

電離層之外為由幾乎完全游離的電漿所組成的磁層(Magnetosphere) 或譯作磁氣圈。電離層、磁層以及行星際空間(Interplanetary Space)都以電漿為主要介質，這些區域中的各種電漿物理現象是目前太空物理(Space Physics)研究的主要對象。

問：除了中性風的影響外，這些電離層之外的太空物理現象，是不是也會影響電離層呢？

答：電離層之外的太空物理現象，可以用兩種不同的形式，影響電離層。第一種形式，是以《光》的形式影響電離層。另一種形式，是以《磁流體波動》的形式影響電離層。

• 太陽表面發生太陽閃焰（Solar Flare）時，會放出許多紫外光、Ｘ光、以及γ射線（圖五）。這些短波長的光波，正是使電離層中，中性粒子發生《光化游離》反應的主要波源。也就是說，波長比較長的光波（比方說，可見光）是無法游離電子（也就是使電子脫離原子核的束縛）。所以中性粒子《吃》（吸收）再多的可見光，也很難發生《光化游離》。但是只要多餵它們一點紫外光、Ｘ光、以及γ射線，就會大幅的增加它們的游離程度。
• 因此，在太陽閃焰發生八分鐘後，電離層中的游離程度就會在突然增加。
• （問：為什麼是八分鐘呢？答案：光由太陽表面傳到地球，需要八分鐘的時間。不過，當我們觀測到太陽閃焰時，這些光就已經傳到地球了，所以電離層中的游離程度，也已經開始增加了。）
• 當電離層中的游離程度大幅增加後，所有要通過電離層傳到地面的衛星訊號，以及要藉著電離層反射的無線電訊號，都會受到強烈的干擾。
• 太陽表面的擾動、行星際空間中的的擾動、都可能以《磁流體波動》的形式，傳到地球磁層外面。有時候，我們的地球磁層，可以很有效率的擋住這些擾動。但有時候，外來的擾動，帶對了鑰匙，就可以很輕易的《開啟》我們的地球磁層。一但，地球磁層的防線被攻破了，外來的擾動，就會長驅直入，傳入地球磁層，造成磁層的擾動，產生磁暴（magnetic storm）以及磁層副暴（magnetic substorm）。嚴重的影響人造衛星的安全。
• 磁暴以及磁層副暴所產生的電流、擾動電場、以及極光中的高能粒子，都會對電離層產生很大的影響。進而影響中、高緯地區高壓電輸電系統的正常運作。嚴重時，可造成大範圍的大停電。
• 太陽表面的擾動，如果以《磁流體波動》的形式，傳到地球磁層，通常要花個一、兩天才能傳到地球磁層的外面。所以，如果這個擾動，與太陽閃焰，是在差不多同時、同一個區域，發生的，那麼我們就可在一、兩天前，看到太陽閃焰時，就先發佈磁暴的警報。
• 問題是，截至目前為止，科學家還很難預先估計，這個擾動所帶的鑰匙，是否正確，是否可以突破地球磁層的防線。所以常常會發生假警報，讓大家虛驚一場。
• 問：你知道什麼樣的鑰匙，可以開啟我們的磁層（也就是，可以突破地球磁層的防線）嗎？