ACTIVITIES 我們的任務

Observing Atmosphere-Ionosphere Coupling from Space 從太空觀測大氣層跟電離層的連接

上:福衛三號對電離層中源自低層大氣的潮汐緯度構造多年觀測(原圖:NSPO & Chang et al. [JGR 2013])。下:美國 TIMED 衛星的 GUVI 酬載觀測的熱氣層 O/N2 濃度比例(原圖:NASA & Johns Hopkins University APL)。

地球的高層大氣與電離層的結構、流場、化學組成、及對衛星通訊的干擾會受到源自低層大氣的大氣波與大氣潮汐控制。為了量化這些行星尺度的擾動及構造,人造衛星觀測成為不可或缺的觀察工具。我們一方面必須瞭解軌道運動學、衛星採樣與訊號分析才能夠運用衛星酬載來觀測大氣現象,另一方面基於遙測原理必須瞭解光學、頻譜學、輻射傳輸及大氣化學才能從原始的觀測數據反演風場、溫場等大氣參數。最後,我們必須瞭解大氣動力學與大氣化學才能結合並解讀不同衛星酬載的觀測,以量化高層大氣的構造及變化。

Monitoring Space Weather Above Taiwan 建立台灣太空天氣觀測站

上:國際太空站觀察到的可見輝光(airglow),原圖:NASA。下:本實驗室團隊在鹿林山天文台組裝輝光光度計,以觀察輝光亮度並反演台灣上空高層大氣化學組成。

大氣層的結構、厚度及電離層的電漿含量會受到空氣及電漿的化學組成影響。特定的大氣化學成分會發出特定顏色的可見光,這個現象稱為輝光或氣輝(airglow),並可以用來量化高層大氣的化學組成。我們為了持續監測台灣上空的高層大氣變化設計、組裝、校正偵測輝光亮度的光度計,並正於高海拔、光害少的鹿林山天文台加設觀測站。我們也在開發可以運用氣輝光度計觀測反演高層大氣化學組成、密度的光化學反演模型,以增進區域太空天氣觀測、預報能力。

Modelling the Upper Atmosphere 高層大氣模型實驗與預報

左:物理大氣模型將全球各高度、精度、緯度切割成網格,並在各網格點為大氣流體、化學、熱力學、及電漿方程式求解,以推算各大氣參數分佈、時間變化。原圖:NOAA。中:高層大氣物理模型 TIE-GCM 可模擬熱氣層的溫場與風場。右:物理模型在不同邊界條件下模擬的電離層緯度與地方時間變化。原圖:Chang et al. [JGR 2013]

電腦模型是解讀觀測現象的重要工具之一。物理大氣模型運用計算流體力學的方式解控制大氣層及電離層的物理方程式,可計算個重要參數(如:風場、溫場)的空間分佈與時間變化。我們可以透過邊界條件及物理方程式的調整進行數值實驗,以判斷觀測現象的物理機制。更可運用電腦模型進行大氣、太空天氣預報。

Building Space Engineering Capacity in Taiwan 合力建造台灣航太空工程能力

由左順時針圖:(1) 衛星地面接收站天線組裝,(2) 衛星主體需求,(3) 衛星軌道、通訊模擬,(4)衛星熱控模擬,(5) 衛星與酬載機械結構,(6) 與 INSPIRE 國際同仁參訪國家太空中心。

立方體衛星(CubeSat)在過去十年已經從教育示範體演變成有多種科學、商業、及工程應用的太空平台。CubeSat 的迅速發展及普及化不但降低了太空飛行體的門檻,更增加了各政府、學界、業界對太空環境、太空天氣監測的需求,也形成科學研究的新工具。本實驗室配合擁有多年太空任務經驗的美國科羅拉多大學(University of Colorado)大氣及太空物理實驗室(Laboratory for Atmospheric and Space Physics),以及印度太空研究組織(Indian Space Research Organisation)附屬的印度太空科學科技學院(Indian Institute for Space Science and Technology)發起國際科學與教育衛星計畫(International Satellite Program in Research and Education,簡稱 INSPIRE)。

INSPIRE 計畫透過國際合作以 CubeSat 科學任務、發射後作業及資料分析為目標進行科學研究及太空系統開發、作業維護。本實驗室正對 INSPIRESat-1 大氣探測 CubeSat 進行平行設計,並建立地面接收站及資料處理中心;另外也評估其他科學酬載是否適合以 CubeSat 作為科學任務平台。本所也為 INSPIRE 計畫籌組、招集第一次國際研討會,為有意進行太空系統研發的學術單位提供難得的技術、文化交流及合作機會。

我們又另外響應國家太空中心台灣新興太空產業領航計畫,自主開發 IDEASSat (飛鼠號)立方衛星,建造我國太空科學、衛星工程能力。

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Space Science Education 太空科學教學

本實驗室於中大太空所及大氣系太空組提供以下課程,以介紹高層大氣、航太作業環境、以及太空任務設計、評估、作業工具,示範太空科學、科技對現代社會貢獻,並提供相關數理基礎。相關課程大綱、講義登錄於本校 LMS 教學平台

課名 Course Name 年級 簡介
大氣波耦合
Atmospheric Wave Coupling
研究所 高層大氣動力學入門,大氣波理論、影響、分析工具。
高等太空科學 I
Advanced Space Science I
研究所 入門壓縮版高層大氣、電離層物理。
太空物理 II
Space Physics II
大三 入門高層大氣、電離層物理。
向量分析
Vector Analysis
大一 向量微積分。
力學
Mechanics
大二 學習如何對太空物理及航太需求預測及了解各種系統的反應、運動、及變化。
軌道運動學
Astrodynamics
大三、四 衛星軌道如何預測、評估?對太空任務有什麼影響?
高空實驗
Upper Atmosphere Experiments
大三、四 以探空氣球實驗酬載為範例呈現系統工程、 飛行體評估、設計、測試方法。
太空任務設計
Space Mission Design
研究所 模擬衛星任務 Pre-Phase A 及 Phase A 可行性評估、概念設計、審核流程。實際設計科學任務概念,並分組介紹、設計個衛星次系統。
服務學習
Service and Learning
大一 對新生介紹太空科學、科技之社會運用及考量因素,並運用太空相關科技進行社會服務。