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標題: 磁層上的里程碑 [打印本頁]

作者: super3g 時間: 2019-5-6 01:34 AM 標題: 磁層上的里程碑

磁層上的里程碑
台灣科學家參與日本大型計畫，合作研發尖端科學酬載並在台灣設置數據中心，不僅把原先工程任務轉換成科學導向，後續也能培育國內人才。

撰文／張滋芳、王祥宇、王伯洲、顏吉鴻

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現今我們在很多方面都仰賴衛星科技，例如氣象衛星、遙測衛星、導航衛星與通訊衛星，為日常生活帶來相當大的便利性。但就像地球上的狂風暴雨會讓船隻翻覆，太空中的「天氣」有可能導致這些衛星運轉失常，甚至毀損。此外，在國際太空站（ISS）執行離艙任務的太空人也可能遭遇惡劣的太空天氣，而暴露在危險之中，因此了解太空天氣能幫助我們獲得從事太空旅行所必備的知識。

太陽是驅動太空天氣最主要的角色，太陽表面會不斷噴發高速帶電粒子（俗稱太陽風）到行星際空間。當太陽風靠近地球時，高能量的帶電粒子便開始襲擊地球。不過地球有磁層保護，避免了這些粒子直接入侵；同時，地球也有大氣層，隔絕了對生命有害的太陽輻射，有了這兩項保護，生命才得以生存。

磁層是地球附近、地磁可影響的範圍，當中有電子、離子等帶電粒子。磁層內有一塊區域充斥高能帶電粒子，稱為地球輻射帶或范艾倫輻射帶。輻射帶一般分為內外兩層，內層是距離地表約2個地球半徑的空間，大部份含有較高能量的質子，範圍和粒子數量比外層穩定。外層輻射帶則大約涵蓋3~6個地球半徑的所有區域，有大量高能電子，範圍和形狀多變。這些改變多半與太空天氣有直接關聯，所以了解輻射帶的物理機制，將是掌握太空天氣的重要指標。

然而，人類無法以肉眼觀察太空天氣，必須借助火箭把人造衛星送上太空，代替人類在輻射帶內進行長時間的監測工作，因此製作出高精密度的測量儀器相當重要。台灣在人造衛星和太空酬載的發展已努力超過20年之久，最早可追溯至1991年成立國家太空計畫室籌備處（現今國家太空中心）。在這期間已成功執行了三項科學衛星計畫：福爾摩沙衛星（簡稱福衛）一號至三號，以及預計在2017年升空的福衛五號和七號，主要任務是接續福衛二號和三號。另一方面，國家太空中心與中山科學研究院及多所大學合作，也完成了10次探空火箭計畫。台灣長期投入太空科技，除了展現台灣的科學實力，也提高國際能見度，而這背後完全仰賴一群熱血的科學家與工程團隊，不畏艱辛與挑戰，朝著相信會成功的方向邁進。

加入ERG衛星計畫

近年國際太空計畫的規模日趨龐大，單憑一國之力想有所斬獲，著實辛苦；多國合作已成主流，一來可以分攤風險與經費，二來可以加深科技交流。台灣雖非大國，但長期耕耘學術研究，已經栽培出許多優秀科學家，因而有機會參與先進國家的前瞻性衛星計畫。此外，台灣也可藉此途徑研發並製作衛星上的科學儀器，累積實作能量，用最少資源獲得最多的研發經驗與學術資源，同時也能建立台灣與各國之間的長遠合作根基。

台灣在2014年初與日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）合作，正式加入「地球磁層能量與輻射探索計畫」（Exploration of energization and Radiation in Geospace, ERG）。這次參與機會並非一蹴可幾，是基於台灣和日本友好、經過長時間努力爭取而來。台灣團隊成員來自中央研究院天文及天文物理研究所、成功大學太空與電漿科學研究所，負責開發並製作用於測量電子能量分佈的科學酬載「低能量粒子實驗－電子分析儀」（Low-Energy Electron Instrument, LEP-e，參見右頁〈深入磁層測電子〉），以及後續的觀測資料分析工作。

ERG計畫涵蓋了地面觀測站、衛星以及數值模擬，主要任務是了解太空天氣的變化，盡可能蒐集並分析輻射帶的資料。ERG衛星的科學酬載包含測量磁場強度的磁通量磁力計、測量電場與磁場高頻變化的儀器，以及粒子測量系統。此粒子測量系統有四部儀器，用於測量電子在數個電子伏特（eV）到20百萬電子伏特（MeV）的分佈狀態（LEP-e是其中之一），以及兩部測量離子在數個eV至180eV分佈狀態的儀器。值得一提的是，ERG衛星最遠可運行至距離地表約五個地球半徑，這將創下台灣自製科學儀器航行最遠的紀錄。

我們在參與LEP-e研發與製作的過程中，必須很專注、投入，盡可能周密考慮每個環節，因為每當有問題或瑕疵出現，代價就是耗費龐大的時間和金錢成本。任務初期的主要目標是設計儀器，我們必須與衛星本體研製單位、其他儀器團隊、科學任務中心、廠商反覆溝通，力求設計出最佳效能的測量儀器。任務中期需要廠商依照設計圖製作出各式組件與半成品，我們則對這些半成品進行高精密度的實驗檢測，以確保這些組件的性能符合任務需求。到任務後期，我們必須對儀器展開一連串太空環境測試，包含電磁波測試、熱真空測試、振動與衝擊測試，盡可能挑出毛病或需要修正的地方。在參與任務這幾年，成員不斷往返台日，考驗成員的精神和體力，以致於我們早已熟悉彼此的黑眼圈。

根留台灣

ERG衛星已於去年12月20日在日本內之浦太空中心成功發射，並以太空中心附近的河川ARASE為名。台灣團隊的任務並非在完成移交LEP-e之後就結束，而是把原先工程導向的任務目標轉換為科學導向。衛星計畫的重要任務之一，是把在太空中測量到的資料交由該領域的研究專家進行分析，因此第一項工作將由台灣團隊和日本名古屋大學的ERG科學資料中心共同合作。第二項則是台灣方面的另一個亮點，我們將在成功大學內設立台灣ERG科學數據中心，這是日本唯一授權的海外數據中心，負責保存並分送ERG衛星資料。更重要的是，可以提供台灣科學界第一手的即時觀測資料，幫助台灣參與未來有關太空天氣的科研議題。

透過這次參與ERG衛星計畫，台灣對太空的探索已突破高層大氣與電離層領域，進一步跨入充滿電漿的磁層環境，這是台灣投入太空發展累積而來的成果，也是新的起點。參與實際研發尖端儀器的過程，不但能培養出國內人才，還能把經驗完整保留在台灣。未來，台灣必須更加積極向外拓展，實質參與各項太空任務並做出貢獻，一步步讓台灣累積實力，相信假以時日，終能獨立發展出尖端的科學衛星技術。

【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2017 年第 181 期 03 月號】

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