天文太空

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

天文太空

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


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。


更多相關文章

2017年10月188期這不只是女性議題 雜誌訂閱

本期最新文章