RESEARCH 研究主題

Aeronomy 高層大氣物理

從 410 km 高度的國際太空站拍攝的地球大氣分層,中氣層頂的構造為夜光雲(noctilucent clouds)。原圖:NASA JSC

坐過噴射機飛到海外嗎?你飛行的高度大約十公里,接近我們絕大多數人類生活的對流層(troposphere)頂端。再往上就進入到平流層(stratosphere,約 20 - 60 公里)、中氣層(mesosphere,約 60 - 85 公里)及大氣層最頂端的熱氣層(thermosphere,約 85 - 1000 公里)。這些區塊統一稱為中層大氣(middle atmosphere)及高層大氣(upper atmosphere)。特色就是因為吸收太陽子輻射而導致空氣產生光解離化學變化,形成了臭氧層(ozone layer)及電離層(ionosphere)。這個大氣區塊的結構、風場、溫場及化學變化的學門稱為過高層大氣物理(aeronomy)。

我們的團隊以台灣國外的人造衛星、地面儀器觀測高層大氣,並致力於新儀器、衛星平台的開發。我們另外也用電腦模型進行數值實驗與模擬,以了解觀測現象的物理機制、進行預報。

The Edge of Space 太空的邊緣

左:2013年完成國際太空站補給任務後再入大氣層的ATV-4太空艙,圖:ESA。右:C/NOFS人造衛星於2015年墜毀前的軌道遠地點(apogee)及近地點(perigee)變化。

100 公里高度由國際航空聯盟定義為太空的邊緣界線(卡門線)。高層大氣的範偉不但包含卡門線,也直接包含有超過700顆人造衛星運作的低軌道(Low Earth Orbit,簡稱 LEO)。高層大氣的空氣阻力也形成 LEO 衛星最大的軌道擾動,會導致衛星軌道偏移,甚至墜落。高層大氣的結構及變化也成為太空作業、衛星追蹤、任務設計、及衛星再入大氣層(spacecraft reentry)的重要太空天氣因素。

 

Radio Mirror in the Sky 空中的電波反射鏡

左:由全球GPS地面接收站觀測的電離層電漿全含量地圖,2003-1-10 UT0600。右:電離層電波反射、垂直結構示意圖,原圖:NRL(美國海軍研究實驗室)

中氣層以上的空氣因為吸收太陽高能量極紫外線(EUV)及 X 射線(X-ray)輻射而被游離成為電漿,有別於電中性的空氣。在中層、高層大氣裡與中性空氣混雜的電漿稱為電離層(ionosphere)。電離層的電漿可以對衛星通訊、GPS、及遠距離短波無線通訊產生折射及反射作用。會從電離層反射的無線頻段因收發範圍遠而廣受國際民航航海廣播、及軍事通訊運用。必須通過電離層到太空的衛星通訊或從太空傳過電離層到地面的 GPS 導航訊號會受到折射產生誤差,甚至因為訊號閃爍(scintillation)而受干擾。電離層的結構與變化,以及其對太陽及中性大氣的互動與耦合因此對通訊及導航科技有重要的影響。

Our Shield and Upper Boundary  我們的防護罩及高空循環

左:探空火箭發射後在中氣層跟低層熱氣層所留下追蹤風場用的TMA螢光劑,原圖:NASA。右:平流層大約 30 公里高度溫場中的行星波,資料:NOAA NCEP/NCAR Reanalysis

中層、高層大在行成電離層、臭氧層的過程中會抵擋對生日有害的高能量太陽紫外線、X 射線輻射,對住在地球表面的我們形成防護罩。中高層大氣的風場與溫場雖然離地面遠,但是仍然會受到來自低層大氣熱對流、海陸分佈、及水蒸氣加熱的大氣波及大氣潮汐控制,亦會受到氣候變遷、溫室氣體的影響。中層、高層大氣的風場、溫場也有能力影響下方的低層大氣,並透過平流層急速暖化(stratospheric sudden warming)等現象影響日常天氣變化。