林建宏／國立成功大學地球科學系教授，專長為太空物理與人造衛星任務，參與過數個福爾摩沙衛星任務。

沈敬華／國立成功大學地球科學系太空天氣預報模式研究人員，喜歡地球、太陽系，與其之外的一切。

 

 

夜晚我們仰望星空，充滿對宇宙的好奇，渴望了解地球以外的未知世界；不過一旦到了白天，太空的探索也只能止於興趣。但這一切隨著人類愈來愈多的太空應用而有重大的改變。隨著太空科技進展，我們能藉由地球同步人造衛星觀看國外電視、實況運動轉播；利用位於兩萬公里高空持續發射的無線電訊號，以全球衛星系統（Global Positioning System, GPS）進行導航；若再搭配海底纜線布建的網際網路，我們還可以在臺灣估算國外景點的旅行距離、行程規畫、街景體驗。

科學家的下一步是把海底纜線換成太空電纜線，讓網路更快速、容易取得，一個帳號就能行遍世界，不再需要申請國際漫遊服務，而後每輛汽車都開始能上網，你再也不能忍受沒有網路連結世界的生活。這就是我們身處的世界，現在已經開始不停運轉，也因為如此，太空不再僅是興趣、好奇，而是生活。所以，現在你也要開始關注「太空天氣」了！

 

從星鏈衛星破壞性創新談起

現今的太空發展來自於火箭發展的突進，很難想像這些劇烈改變發生在短短十年間，回想臺灣的福爾摩沙衛星三號（簡稱福衛三號）於 2006 年以一箭六星發射，堪稱創舉。當時為了一次發射六顆衛星，將衛星製作成扁平披薩盒狀以利堆疊，以及發射時可依序從第二節火箭彈出。不過這項創舉也付出不小代價，那就是福衛三號原先預計發射八顆衛星，最後縮減其中二顆的經費，作為支付一箭多星發射的專利費用。

 

▲圖一：獵鷹九號火箭搭載衛星，並將衛星推進到太空。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／SpaceX

 

2015 年 12 月太空探索技術公司 SpaceX 成功回收可重複利用的第一節火箭，並提升了火箭運載與投射衛星能力，也讓太空中布建大量衛星的可能性在短時間內大幅增加。到了 2019 年福衛七號發射時，它當時搭乘的獵鷹重火箭（Falcon Heavy）已具備在三個不同軌道位置分別發射 24 顆衛星的能力！獵鷹重火箭由三支獵鷹九號火箭組成，單一獵鷹九號火箭每次發射即可搭載 50 顆約 400 公斤重的微衛星，而每一顆 SpaceX 星鏈任務（SpaceX Starlink）的衛星重約 260 公斤，因此獵鷹九號火箭每次可以搭載 40～50 顆星鏈衛星，以目前該火箭發射一次所需約 20 億新臺幣計算，每顆星鏈衛星的發射費用約 4,000 萬新臺幣，遠低於過去單一火箭發射單一衛星任務所需的 10～15 億新臺幣。一箭多星節省的費用能讓數百甚至數千顆衛星發射至軌道，成功布建網際網路所需、具備商業可行性的太空纜線。

過去，通訊相關的衛星大都布軌在地球同步軌道（衛星於赤道面繞地球的週期正好等於地球自轉週期），因為衛星可以一直在同一地點上空傳輸資料並提供通訊服務，但缺點在於距地表較高的資料傳輸時間較長，因此傳輸速率並不比海底纜線快，再加上因衛星位於赤道，在高緯度地區的覆蓋率也較差。如果能在低軌道布建網路通訊衛星，則網路傳輸速率可以超過既有海底纜線，但條件是必須要有多個衛星軌道面，每個軌道面皆有足夠數量的衛星，以確保全球各地在同一時間都可以接收到數顆衛星的訊號（圖二 A）。低軌道布建網路衛星的另一項好處是藉由跨衛星通訊，在太空中建立的不僅是一條太空纜線，而是完整的太空纜線網，因此網路訊號的傳輸有多種可能的傳輸路線，當某條傳輸線路因衛星故障無法傳輸時可以快速轉換至備援線路，較傳統海底纜線的網絡密集並有更多其他線路作為備援（圖二 B）。

 

▲圖二：SpaceX 星鏈任務的衛星網路概念圖，（A）顯示預估的星鏈衛星太空網路布建，包含全球覆蓋以及最重要的跨衛星通訊（利用無線電或雷射在衛星間彼此傳遞訊息），兩個綠色的大點分別為國際太空站與中國太空站，紅方塊為高度較低可能墜毀（reentry）的 Starlink 衛星，綠色蜂巢狀為衛星地面接收站（gateway）的接收範圍；（B）橘線為跨衛星通訊，每顆衛星可與五顆其他衛星進行跨衛星通訊，故障無法傳輸時可快速轉換至備援線路。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／本文作者

 

人造衛星如何轉換軌道

人造衛星網如何在太空建構呢？當火箭發射了數顆衛星後，以福衛三號發射為例，搭乘同一火箭發射的六顆衛星於相同軌道中運行（圖三 A），要將它們分別轉換到不同的軌道面（圖三 B），則需要靠一些「力學」原理！由於地球並非為正圓形，而是腰圍略顯凸出的胖大叔（或稱地球扁率），因此地球的重力場並非是完美圓形對稱於地心；如果將地球的重力場以特殊函數表示時，地球扁率造成的重力場差異主要包含在擾動項（J2）之內，該擾動項讓衛星在軌道上受一額外指向赤道的作用力（圖三 C的藍箭頭）。此作用力在軌道產生的力矩（紅色虛線）讓軌道面在赤道上產生東西向偏移（由綠色軌道面偏至紅色），此效應即為軌道進動（precession）。由於力矩的大小與軌道面高度（半徑）相關，不同高度會有不同的力矩效應並產生進動，因此要將同一軌道面上的衛星分散開來，一個有效、節省燃料的方法是依序提升（或降低）各衛星的軌道高度，利用不同高度衛星間力矩差異造成的進動差異，逐漸拉開各衛星的距離。以福衛三號為例，任務高度為 720 公里，因此衛星先被發射至 500 公里高度後，再依序將各衛星推進至 720 公里高度以逐漸拉開距離。福衛七號則是先發射至 700 公里高度，再依序降低軌道至 550 公里高度以拉開距離。

星鏈任務目前主要軌道高度約 500 公里，SpaceX 採取的策略是先將衛星發射至 200 公里高然後再依序推進至 500 公里高。為何僅發射至 200 公里？因為如果將衛星發射至較低的軌道，火箭可以搭載更多「乘客」，為了讓火箭燃料發揮較大的效益，一般會將衛星發射至 200～300 公里高度後再推進至任務軌道。因此星鏈衛星發射至 200 公里後，在邊推進至較大高度的同時，藉前述 J2 效應分散到衛星軌道面。在太空天氣穩定的時後，這是一個一舉數得的方法。但 2022 年 2 月太空天氣不作美，太陽風暴來襲，讓 SpaceX 剛發射的 49 顆衛星至少就損失了 38 顆！

 

▲圖三

 

太空天氣是告訴太空人要帶傘嗎？

太空天氣的主要來源是地球磁場受擾動而造成太空環境的電磁場劇烈變化，大部分的變化來自於太陽（圖四）。太陽磁場若受扭曲而產生磁場重連（magnetic reconnection），重連區域會產生強大的電磁加速力，將太陽大氣的電漿與電磁場往外噴發。當這些高速電漿與電磁場以超過 500 公里／秒的速度衝擊地球時，與地球磁場相反方向的太陽風磁場會劇烈扭曲地球磁場，並且拖曳地球磁場至地球夜側。夜側磁場承接大量太陽風壓力後，又會產生另一個磁場重連區域，造成劇烈的電磁能，並由該處順著地球磁場往地球南北兩極傳輸。南北兩極承接巨大電磁能量，除了在地球上空產生電場、電流、磁場擾動之外，這些電磁場驅動南北兩極的電漿快速移動，電漿可以被加速到 1 公里／秒，這些高速電漿與地球的大氣分子、原子碰撞與摩擦，將大量的電磁能轉換成熱能，並且快速並劇烈的加熱地球上空 100 公里以上的高層大氣，使得較低高度之熱氣層大氣往較高層高度垂直擴散，造成較高層大氣密度增加。透過高層大氣模式模擬 2022 年 2 月 3～5 日太陽風暴時 250 公里高度大氣密度的變化（圖五），可以看到太陽風暴於格林威治時間 2 月 3 日 4 點侵襲地球之前的高層大氣密度變化（圖五 A），以及侵襲後 1～2 天大氣密度劇烈增加的模擬結果（圖五 B、C）。

 

▲圖四：太陽大氣的磁場重連使太陽風暴往地球噴發，並在地球夜側磁場產生另一個磁場重連造成地球磁暴效應。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／NASA

 

▲圖五：高層大氣物理模式模擬 2022 年 2 月 3～5 日輕度（G1）太陽風暴對 250 公里高度大氣密度（#/cm3）變化情形。（A）為太陽風暴在格林威治時間 2 月 3 日 4 點侵襲地球之前的大氣密度；（B）為侵襲後一天；（C）為侵襲後兩天大氣密度劇烈增加的模擬結果。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／本文作者

 

大氣密度增加會讓星鏈衛星墜落回地球？

人造衛星依靠快速飛過地球上空時產生的離心力與地球重力達成平衡，才能夠維持在地球軌道上運行；當軌道高度愈低、地心引力愈大、則需要愈快的速度才可對抗重力。剛發射至 200 公里高度的星鏈衛星，利用發射火箭提供的初始速度以維持它的高速飛行抵抗地球重力，同時又需要盡快將衛星推進至 500 公里任務軌道。因為在 200 公里高度大氣密度較高，所產生的空氣阻力會降低衛星速度造成衛星無法抵抗重力。當太陽風暴來襲時，大氣密度和空氣阻力將會快速增強，而一旦衛星的空氣阻力增強至推進力無法彌補時，衛星就會逐漸降低軌道並且墜落。2022 年 2 月 3 日發射的星鏈衛星在 4、5 日遭遇的大氣密度與空氣阻力擾動超過衛星原先設計的升軌推進力，造成衛星不但無法升軌甚至無法維持在 200 公里高度！

僅是太陽風暴 G1～G5 分級中最弱的 G1 輕度風暴，就已造成如此明顯的效應。此次事件也讓 SpaceX 變更了他們在 2 月 21 日的星鏈衛星計畫，改將衛星發射到 300 公里軌道高度，代價是發射衛星數量必須減少三顆，但倘若遇到更強大的太陽風暴，300 公里高度也未必安全。此次事件讓太空科學家都感受到，警戒多年的事情終於發生了！我們的太陽系正邁入第 25 太陽週期，在太陽劇烈變化的第 23 週期於 2006 年結束時，太空科技與人類生活也不若第 24 週期密切，而第 24 週期則是近數十年中太陽最不活躍的週期；然而，原本預估如 24 週期般寧靜的 25 週期，目前已經顯示它並非如預期般的安靜。因此近期如果有 G2 以上的風暴，都不需要感到訝異。

除了本文所述大氣密度劇烈增加影響衛星軌道，地球上空帶電的電離層也會因為受太陽風暴產生變化，進而影響無線電波傳輸，以及我們日常中的衛星導航與通訊；所有太空科技與工程人員也都需要在設計新穎的應用之時，重新思考如何面對太空環境的考驗。

 

延伸閱讀

1. Mark Handley. (2018). Delay is Not an Option: Low Latency Routing in Space. In Proceedings of the 17th ACM Workshop on Hot Topics in Networks(HotNets '18). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 85–91.

2. Hapgood, M., et al. (2022). SpaceX—Sailing close to the space weather? Space Weather, 20, e2022SW003074.

 

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2022 年 9 月