RESEARCH: 研究主題
Exploring the Space Environment & Spacecraft Engineering 太空環境探索與人造衛星系統工程
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）。
我們的團隊以台灣及國外的人造衛星、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。
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。
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。
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。
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）在過去二十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。本實驗室於2015年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），結合各團隊的技術專長與資源共同開發小型衛星星系執行科學任務，同時也為學生提供太空科學與工程的實作機會。
INSPIRE旗艦下至2022年3月執行的小型衛星任務及參加單位國家（圖：CU Boulder LASP）。
INSPIRE已從原來的三間學校拓展到11間，到2022年3月也已經有七個衛星任務在INSPIRE地旗艦下共同執行。本實驗室正對 INSPIRESat-1 大氣探測小型衛星已於2022年2月14日發射啟動順利，本系從2017年參加衛星設計過程、貢獻酬載及次系統，並目前貢獻地面站協助衛星飛控作業進行。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。IDEASSat為INSPIRE旗艦下第二顆執行的衛星任務，於2021年1月24日順利發射啟動，並進行系統實飛測試與功能驗證，成為本校第一顆自行開發的人造衛星。
我們從這些經驗繼續在改良精進我們的衛星系統設計，未來還有更多太空飛行機會等著我們挑戰！
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