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往上打的雷!太空中才看得到的「藍色噴流」與它的精靈好友們

linjunJR_96
・2021/11/08 ・2121字 ・閱讀時間約 4 分鐘

今年十月,駐守在國際太空站的法國太空人 Thomas Pesquet 拍攝到難得一見的異象:耀眼的藍白色光暈在歐洲大陸上空炸開,彷彿《天使與魔鬼》中的反物質已經被引爆。

不過這陣閃光並沒有登上當地新聞,甚至沒幾個人看到他發生。因為它並不是發生在地面上的事件,而是大氣層上層的放電現象,稱為瞬態發光事件(Transient Luminous Event, TLE)。

往上打的雷

如同伴隨午後雷陣雨而來的閃電與雷聲,這些發光事件源自於雲層中充沛的電荷。在午後雷陣雨時,雷雨雲中的水滴與冰塊在劇烈的上升氣流中摩擦生電,使得雲層頂部和底部累積許多焦躁的電荷。一旦電荷累積足夠,巨大的電位差便會往地面打通一條游離化的導電通道,進而在陰雨的天空中劈出一道亮光。這就是我們常見到的雲對地閃電。

不過有時候,雲層中的電荷如果率先找到了向上的通道,便會產生「向上」的閃電,稱為「藍色噴流(Blue Jet)」,屬於 TLE 的一種。由於成因和一般雲對地閃電類似,這種宛如外星傳送門一般的景象有時被稱為中高層大氣閃電,但藍色噴流聽起來酷多了。雖然拍攝者沒有特別註明,不過這次在國際太空站拍攝到的有可能是藍色啟動器(Blue Starter),也就是長度較短的藍色噴流。

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從太空中觀測到的向上放電。來源/ESA

雲層上方的平流層和中氣層也時常見到另一種 TLE,叫做紅色精靈(Red SPRITE)。這種橘紅色的光影是受到下方閃電擾動後產生的高層放電所導致。他們通常成群出現,有著各種五花八門的型態,一般以下方觸鬚形狀分為水母狀和紅蘿蔔狀兩種。更高的電離層則有暗紅色的淘氣精靈(ELVES)。

不同高度的放電現象會產生不同的形狀與顏色。圖/Wikipedia

大氣科學家的小幽默

到這裡你可能已經發現,科學家為這類現象命名的品味十分獨特,而且他們還花時間將這些有趣的名字硬是編成煞有其事的縮寫。SPRITE 是強烈雷雨雲電離導致的平流層擾動Stratospheric/mesospheric Perturbations Resulting from Intense Thunderstorm Electrification);ELVES 則是電磁脈衝源造成的甚低頻擾動與發光現象Emission of Light and Very Low Frequency perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources)。為了延續這個主題,後來陸續被觀察到的現象也以這類概念取名,包括山怪巨魔(TROLL)、小妖精(Pixies)、幽靈(GHOST),和地精(Gnomes),為大氣科學增添許多奇幻色彩。

觀測紀錄太少,一度被視為謠言

這些曇花一現的大氣奇景過去只是飛行員間口耳相傳的傳說,被學界斥為無稽之談。一直到 1989 年,藍色噴流才首次被太空梭拍攝的黑白影片捕捉,證實了這些傳說中的閃光確實存在。在觀測影像技術進步的同時,人們也開始積極尋找觀測高層大氣的放電現象。世界各地的照片與錄影時不時紀錄到各種不同顏色和型態的 TLE。不過由於這些奇幻的光芒只存活在雲層上方的高空,而且通常只維持幾毫秒,要從地表觀察很碰運氣,使得至今關於這類現象的資料量仍然不多。

高層大氣中的各種瞬態發光事件。圖/Wikipedia

如果想要做觀測,除了像飛行員一樣在高空中拚巧遇,最好的方法就是從太空攝影。因此,國際太空站便成為 TLE 的最佳觀測站。這已經不是第一次駐紮上方的太空人目擊類似的現象,只要打開縮時攝影,就能捕捉這些轉瞬即逝的景象。由於赤道附近有許多雷雨雲,每當太空站經過這個區域時便是最佳觀察時機。

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除了地球之外,NASA 去年也透過朱諾號探測器在木星大氣層拍到類似精靈的放電發光現象。只不過這些精靈跟地球上的紅色精靈有些差別。紅色精靈的色彩來自於地球大氣中豐富的氮氣成分,不過木星大氣主要由氫氣組成,所以出現了前所未見的外星藍色精靈。科學家以前就預測:在木星這類同樣有大氣和閃電的星球上也能見到 TLE,不過一直到去年才首次直接觀察到,再度顯示這類觀測研究的難度。

根據福爾摩沙衛星二號的觀測資料,科學家估計全球每年會發生數百萬次 TLE。關於它們的成因和物理機制,目前只能算是略懂略懂,而其對氣候和高空飛行器的影響也有待科學家繼續探索瞭解。目前國際太空站上的哥倫布號實驗艙外已經配備專門的設施,針對 TLE 進行監控拍攝。將來或許能見到更多絢爛的奇幻物種現身在遙遠的空中。

參考資料:

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linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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馬斯克不屑一顧;比爾蓋茲卻視若珍寶!氫能源會成為永續發展的救世主嗎?
PanSci_96
・2024/02/04 ・5539字 ・閱讀時間約 11 分鐘

馬斯克的「氫能愚蠢說」被打臉了嗎?

馬斯克曾多次斷言發展氫能是個愚蠢的決定,更說氫氣不會自然出現在地球上。

然而今年 7 月,美國新創公司 Koloma 從比爾蓋茲與其他投資者手中,獲得了總計 9100 萬美元的融資,準備開採地下氫氣。今年 9 月,地質學家更是直接在法國的地底下發現大量氫氣,總量估計有 4,600 萬噸。
而且比起需要搭配綠能或是熱裂解設備才能製造的綠氫與灰氫,這些氫氣價格將會十分低廉,難道,氫氣的時代要到來了嗎?為了環保,我們得挖呀挖呀挖?

地球上真的還有氫氣嗎?

這張照片就能證明地底中含有氫氣?

這拍攝於澳洲的珀斯盆地,大大小小的圓圈被稱為仙女圈,在仙女圈內沒有植物生長,甚至向內凹陷形成鹽湖。當科學家調查這些仙女圈,他們意外發現土壤中竟然含有氫氣。氫氣與仙女圈之間的確切關係還未知,有人推測可能氫氣抑制了植物或是微生物菌落的生長,使得該區光禿甚至土壤流失。

我們知道氫氣是世界上最輕的氣體,一旦進入大氣,就會向上飄散,直至被拋至太空,離開大氣層。然而地球的大氣層中還是有少量的氫氣被束縛住,大氣濃度約為 0.55 ppm ,是臭氧的 13 倍。

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圖/pexels

但只要沒有進入大氣,還是被封在地底的氫氣因為不容易溢散,至今存量還很豐富。不只在澳洲,世界各地都觀察到了氫氣從地底向地表洩漏的情形。

第一炬奧運聖火至今還在燃燒?

位於土耳其奧林匹斯山山谷,就在希臘火神赫菲斯托斯的神廟廢墟上方,大大小小的火焰從土石間冒出,就好像赫菲斯托斯至今都還存在在該處一樣。該地的冒火處有十幾個,總燃燒面積高達 5000 平方公尺。

根據地質學家推估,這片火焰已經燃燒了 2500 年,根據史料比對,很有可能就是最早奧林匹克聖火的發源地。

圖/wikipedia

地質學家調查了這股火焰的形成原因,發現從岩石中噴出的氣體,除了含有 87 % 的甲烷以外,還含有百分之 7.5 到 11 是氫氣。這股持續 2500 年間不斷冒出的氣體,根據地質學家推估,與石油、天然氣成因不同,並不是因為遺骸或微生物等生物原因才產生的。而是大地之母地球源源不斷提供給我們的,這又是怎麼一回事?

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氫氣知多少:哪來這麼多地底氫氣?

地底的氫氣怎麼來?

這與岩石的變質作用息息相關,我們知道火成岩、沉積岩會在高溫高壓下產生變質作用,轉為性質截然不同的變質岩。而富含鎂與鐵的矽酸鹽類礦物,例如橄欖石、輝石,當他們在高溫環境下與水作用,會轉為蛇紋石、水鎂石、磁鐵礦等礦物,這個過程稱為蛇紋石化作用。

圖/wikipedia

這種作用是一種化學反應,會將大量的水吸入岩石,讓岩石的密度下降。在反應結束後,除了礦物特性產生變化以外,還會生成副產物,也就是氫氣。如果地層中又剛好有二氧化碳存在,就會在高溫的環境下進一步甲烷化,將氫氣與二氧化碳轉成甲烷。

目前科學家認為,大部分地層中非生物性原因產生的的氫氣與甲烷,多是由這樣的過程產生的。奧林匹斯山的聖火,推測也是這樣產生的。

而對於地質學家來說,也代表尋找天然氫氣這一目標,也可以從盲目搜尋,轉為限縮在尋找有經歷過蛇紋石化作用的地層上。

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圖/usgs

但除了蛇紋石化作用以外,大自然還有兩種生產氫氣的主要方式:深層蘊藏與水的輻解。

地球內的氫氣

在地底深處,推測蘊藏著大量氫氣。它們深達地底,甚至可能存在於地函與地核之中。

我們現在的技術當然無法直接來個地心探險開採這些氣體,但科學家陸續從美國、俄羅斯、東歐等地的岩石鑽探結果可以觀察到,在越深的地方氫氣濃度越高。因此地質學家推測這些氫氣可能來自更深的地方,並正從橄欖岩緩緩地擴散,進入靠近地表的岩層之中。

然而,因為我們還無法進入地底,因此即便我們知道它們存在,但對於這些氫的形成原因目前還未有結論。有些科學家放眼整個太陽系的形成過程,推測在原始地球形成時,整顆行星包含地核之中就有氫的存在。而也有人認為,地核中的鐵元素與水反應,形成氧化鐵與一氫化鐵兩種物質型態,將氫存在地核之中。

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這個問題的解答,就等待地球科學家為我們帶來解答吧。而且了解這些元素存在於地核、地函的形式,也可以解開許多未知謎團,例如地核的詳細組成分、地函存在異常低電阻區的原因、改善地函動力學模型,以及找出哥吉拉到底在哪裡等等。

圖/giphy

輻射也能產生氫氣?

地殼中的釷、鈾等放射性元素,在漫長的衰變過程中,會緩慢地將地層中的水分子鍵結破壞,形成氧氣與氫氣。例如一顆 1 MeV 的 α 粒子,平均足以讓 10 個水分子解離。而當岩石擁有更高的孔隙率, α 粒子會更有機會與水分子產生作用,會有更高的氫氣產量。

但其實,考慮到衰變的速度以及放射性元素存在於地底的超低含量,這個方式的效率並不高,而且實際上 α 粒子用來解離水分子的能量只消耗了 1 % ,剩餘的能量都還是被附近的岩層吸收,以熱的形式消耗掉。

除了產量不高以外,理論來說在輻射發生的地方,應該要能看到氫氣與氧氣同時存在,但目前實地調查的結果,都只有發現氫氣。氧氣是否進一步參與了其他反應,或是已經逸散,或甚至這個理論需要再做調整,還需要更多的研究。

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好的,我們知道氫氣是怎麼產生的,那麼重點是,我們到底有多少氫氣能用呢?

地底有多少氫氣?

世界各地都有發現自然氫氣的存在。對了,雖然這張地圖看起來氫氣的發現地點都集中在北亞與東歐,但這只是因為目前的探勘都聚集在這邊,並不代表真實的氫氣分布。

這些來自地底的氫氣,我們稱為地質氫,如果用顏色來分類,則稱為白氫或是金氫。如果氫氣的開採規模能像天然氣一樣龐大,白氫的價格,預計會落在每公斤 1 美元。

相比之下其他的氫氣生產方式,例如我們上次提到,由蒸汽重組產生的灰氫,售價約為 0.9~3.2 美元。由綠能生成的綠氫則是 3~7.5 美元。因此,如果白氫正式被大量使用,將大幅降低現在的氫氣價格,甚至帶動氫氣運輸、儲存、發電機組等產業鏈的發展,連帶降低其他顏色氫氣的隱含成本。

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比爾蓋茲與氫能產業

與馬斯克看衰氫能不同,比爾蓋茲不僅投資白氫的開發,也投資了不少氫能產業。

例如他就投資了西班牙公司 H2SITE ,一間致力於氫能運輸與氫氣製造的公司。因為現在運輸氫氣的成本是製造氫氣的三倍,如果能降低運輸成本,將有助於整個氫氣產業的發展。在開採方面,各國也都開始投入地質氫的調查與開採技術研發。

美國地質調查局初步估計,全球地底下可能藏有百億噸的氫氣等著被開發,能滿足全人類數千年的能源需求。當然,這個數字並沒有考慮到開發的困難度,只是單純地以全球存量作分析。

但也有人正打算轉個念頭,何不將熱水注入富含鐵的岩層中,促使更多的氫氣產生?類似於地熱發電會使用的增強型地熱系統,只是我們獲得的不是直接的熱能,而是氫氣。

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什麼?氫氣也是溫室氣體?

話說回來,氫氣真的會成為救世主嗎?先等等,事情可能沒那麼簡單。

氫氣作為最輕的氣體,存在於大氣的壽命大約只有兩年。但氫氣在存在的這段時間中,會與大氣中的羥自由基和其他氣體作用,產生一系列的反應。造成的結果包含增加甲烷停留在大氣的時間、臭氧的增加、與平流層中水氣的增加。

圖/wikipedia

因此,氫氣屬於一種「間接」溫室氣體,氫氣的一百年全球暖化潛勢 GWP 100 ,被評估為 11.6 ,也就是以 100 為區間進行評估,氫氣的溫室效應是二氧化碳的 11.6 倍。

此外,我們對氫氣的研究還太少,所以才到現在才發現它就在我們的身邊。而就跟我們上次提到的一樣,大量使用天然氣,就意味會有許多天然氣洩漏。而伴隨著氫氣被大量開採,一定會有更多的氫氣被釋放到大氣之中。這對我們的大氣是否會產生負面效應,甚至於弊大於利,都還需要更多研究。

最後想問問大家,馬斯克與比爾蓋茲,對氫能的看法十分兩極。你呢?你認為氫能會改變未來的能源形式嗎?

  1. 會,不論是什麼顏色的氫,大家都很認真的在進行研究,一定很快就有好結果。
  2. 不會,氫能運輸、儲存成本怎麼看都還太高
  3. 不論有沒有氫能,人類懂不懂得節制,才是關鍵中的關鍵

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我們需要覆蓋率更高的網路!低軌道衛星通訊的好處在哪?臺灣有機會發展自己的「星鏈」嗎?
PanSci_96
・2023/12/04 ・6233字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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要是海底電纜被截斷,馬斯克的星鏈又不幫忙?台灣會不會成為資訊孤島?

近年 SpaceX 不斷發射 Starlink,看起來野心滿滿,多到都成為光害了。

在烏俄戰爭爆發後,Starlink 為烏克蘭提供的不間斷網路服務,更讓全世界看見低軌道衛星通訊的重要性。

通訊戰已經逐漸打到太空,台灣也不遑多讓。今年 11 月 12 日,鴻海與中央大學合作的兩枚低軌道通訊衛星珍珠號,以及成功大學與智探太空合作的立方衛星「IRIS-C2」已經成功升空,三顆衛星都已經取得了聯繫。台灣,也能很快擁有自己的星鏈嗎?我們還欠缺哪些關鍵技術呢?

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什麼是低軌道衛星?它可以取代海底電纜嗎?

在全民都會上網的現代,我們的電腦網路依靠光纖等實體線路,手機、WIFI 通訊則仰賴周遭的基地台,因此只要手機離基地台太遠,就會收不到訊號。未來,這些問題低軌道通訊衛星都能解決。這些在天上快速移動的衛星,只要數量夠多,就能覆蓋整個地球表面。因此不論你是在遠離基地台的深山,甚至是高空中的飛機,都能透過通訊衛星來連線上網。

除此之外,在 5G 通訊逐漸成熟的現在,下一代通訊技術 B5G 追求更快、更低延遲的數據傳輸,也會需要低軌通訊衛星來解決傳統基地台功率與覆蓋性不夠的問題。

但因為人口密集、土地面積小,台灣現在的無線網路服務覆蓋率已經很高了。台灣需要擔心的另一個問題是對外的海底電纜斷裂,使我們與世界失去聯繫手段。

除了要擔心戰爭爆發時敵人為了封鎖台灣消息,而主動破壞電纜以外。台灣周邊的電纜也常因為底拖網、抽砂船作業時被破壞,甚至天災都可能導致電纜被破壞。例如 2006 年恆春地震發生時,高屏海底峽谷就產生海底濁流,也就是海底的土石流。這股海底濁流一衝而下,破壞了呂宋海峽的數條電纜,不只影響了整個東亞以及東亞到美國、英國之間的通訊,包括許多跨國銀行交易。海底電纜斷裂的影響層面非常廣,2006 年恆春電纜斷裂事件發生後,還被聯合國國際減災策略署(ISDR)形容為「現代新型態災難」。

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2006 年恆春地震震央與海底電纜位置。圖/wikimedia

不論海底電纜斷裂的原因會是什麼,我們都需要有充足的準備來應對,而低軌道通訊就是其中的首選。

目前全球有在發展低軌道通訊的不只有 SpaceX 的 Starlink,其他還有 Amazon 的 Kuiper、加拿大的 Telesat 和由美國、歐洲、日本等企業投資的 EutelSat OneWeb 等等。

當然,其中最受矚目的當然還是 Starlink,而且它的發展速度真的有夠誇張。Starlink 在 2020 年才開始在北美提供服務, 去年 4 月我們製作了一集節目在介紹 Starlink,當時就已經總共有 2,000 顆星鏈衛星被發射上太空,服務使用者有 25 萬人。到了今年 8 月,短短又 16 個月經過,在低軌道運行的衛星數量,從兩千顆增加到了 4500 顆,用戶人數從 25 萬人暴增到突破 200 萬人,這肯定是打了針或是吃了藥。當然,訂閱 Starlink 的服務可能需要考慮考慮,但訂閱泛科學頻道,請不要再考慮了,就在這邊,趕快按下去吧! 然後別忘了,SpaceX 的野心,是在天上佈下總計 42000 顆的通訊衛星,大約是現在數量的再十倍,當這個目標達成時,我們的通訊手段可能將迎來天翻地覆的變化。

你可能好奇,這些距離地面遙遠的通訊衛星,能提供多快的上網速度?會不會衛星通訊到頭來只是個噱頭?在光纖電纜的技術進步下,海底電纜的速度確實已經非常快,傳輸速度是低軌衛星的五千到十萬倍左右,這根本是阿烏拉對上芙莉蓮,只有被虐的份啊!

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世界越快心則慢,但網路越慢心更急。Starlink 到底夠不夠用呢?依照 Starlink 實際用戶的實測回饋,雖然星鏈服務的 Ping 值多落在 15~60ms 左右,下載約 100 Mbps,上傳約 15Mbps,但對於一般消費者來說已經算是能接受的了。尤其對於偏遠地區、研究站的通訊,又或是未來 B5G、6G 物聯網中,與大量自動駕駛汽車、智慧裝置的連動,通訊衛星都將成為可考慮的另類選擇。

星鏈服務的 Ping 值多落在 15~60ms 左右,下載約 100 Mbps,上傳約 15Mbps。圖/PanSci YouTube

但如果我們未來不想只看馬斯克或是大公司的臉色,勢必需要發展屬於自己的通訊衛星。那麼,發展一顆通訊衛星,需要哪些技術呢?

低軌道有多「低」?低軌道通訊衛星需要哪些技術?

實際上,在低軌通訊衛星出現之前,我們早就有使用衛星進行通訊的經驗,例如衛星電視使用的廣播衛星。然而廣播衛星和低軌道衛星卻有著完全不同的設計邏輯,這是挑戰,也是機遇。

廣播衛星位於地球同步軌道,距離地面約 4 萬 2 千公里,優點是距離地面遠,因此一顆衛星的覆蓋範圍極廣,只要三顆衛星就能覆蓋地球大部分地區。缺點就是距離地面真的太遠了,就算以光速傳遞訊息,來回 8 萬 4 千公里,就有 0.28 秒的延遲,想必沒有人希望用這種速度來上網。 而低軌道衛星,例如 Starlink,就將他們的衛星分布在距離地面 350 至 1500 公里之間,只有地球同步軌道的 120 分之一到 28 分之一的距離和訊號延遲。反過來說,低軌道的優點是延遲短,缺點就是覆蓋面積小,因此才需要那麼多的衛星來覆蓋整個地球。

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再來,在天線的設計上也完全不同。接收廣播衛星訊號的天線,就是我們暱稱為小耳朵的衛星碟形天線,通常設計成凹面鏡的樣子。根據光學原理,平行光入射凹面鏡後,會聚焦在焦點。也就是說,接收器不是圓盤本身,我們會將接收器放置在焦點來接受最強的訊號。除了小耳朵之外,大型電波望遠鏡的設計,也是出於同樣的原理。

Starlink 的做法則不是這樣,因為用戶不只有接收訊息,還需要發送訊息。Starlink 的天線,是一個稱作 Dishy McFlatface 的小圓盤,只是後來變成方形了就是了。當你在自家屋頂或庭院設置了 Dishy,它內建的 GPS 會鎖定自己與附近 Starlink 衛星的位置,並且建立點對點的雙向資料傳輸。

Starlink 的方形天線。圖/PanSci YouTube

重點來了,要做到點對點的傳輸,代表這些電磁波訊號不能再是廣播衛星那種廣發的波狀訊號,而是要聚集到一條又窄、能量密度又高,如同雷射般的筆直路線上。

有在看我們節目的泛糰肯定有印象,這是我們今年第三次提到這個技術了。沒錯,在無線獵能手環還有宇宙太陽能這兩集中,都有遇到需要遠距傳遞電磁波能量或訊號的情況。其實用到的技術都相同,那就是波束成型(Beamforming)。誒,我們都報明牌那麼明顯了,還不趕快找概念股,然後訂閱一下泛科學嗎?

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一般來說,電磁波都會如同水波般向外發散,波束成型會先把一個訊號源拆成數個小訊號源,將這些訊號源排成一排,並且控制大家的相位。在電磁波的互相干涉下,就會形成一條筆直前進的電磁波。你可以想像一群本來正各自單兵作戰的士兵,透過整隊與喊口號將大家都動作同步,那麼這些士兵就會一起筆直地朝一個方向前進。在比較舊的 Dishy 型號中,寬 55 公分的圓形接收器上,裡面共有 1280 個六角型,每個六角形裡面都是一個天線,這些天線在波束成型後,會構成一個筆直、能量又強的電磁波束,與天上的衛星展開通訊。

咦?但衛星一直在動啊,難道天線也要一直追著衛星跑嗎?其實不用,我們只要對這群士兵下向左轉、向右轉的口令就好。例如我們喊向左轉,那只要左邊的士兵步伐放慢,右邊的士兵加快速度,就能完成轉向。同樣的道理,我們只要改變每個訊號源發出訊號的時機,改變每個波的相位,就能讓干涉出的訊號朝向特定角度,而不用機械式的移動天線本身。而能做到這種功能的天線,我們稱為相控陣列天線。

相控陣列天線(Phased array)的工作原理是改變每個訊號源發出訊號的時機和每個波的相位,讓干涉出的訊號朝向特定角度。圖/wikimedia

知道了地面天線如何和低軌道通訊衛星取得聯繫後,還沒完。這些丟出去的指令,衛星收到了沒錯,但如果你想要連上網際網路,最終這些訊號還是要能連上有線網路。

在星鏈 1.0 時,每顆 Starlink 衛星都是單獨運作,衛星在接收地面天線發出的訊號後,會傳遞到附近的地面接收站 Gateways,接著 Gateways 一樣會走光纖電纜的方式與網際網路連接,讓用戶得以上網。地面接收站一般設有 9 個雷達天線,每個直徑 2.86 公尺。衛星本體,例如 Starlink 2.0 上,則配有四個陣列天線,兩個用來與使用者相連,兩個連向地面接收站。

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然而,這樣的設計限制了 Starlink 的服務,因為這代表地面接收站與你的天線,必須同時在同一顆衛星的訊號範圍內。但是低軌衛星的覆蓋範圍又不大,一個地面站只能照顧方圓 800 公里內的用戶。因此如果你家附近沒有地面接收站,抱歉,你還是收不到訊號的。如果你在廣闊的大海上,就更不用想了。再來,就算 Starlink 提供全台灣的無線網路服務,但如果這個地面接收站就設置在台灣,那麼當台灣的對外海底電纜斷了,就一樣回天乏術,星鏈的設置可說是毫無價值。

Starlink 2.0 上配有四個陣列天線,兩個用來與使用者相連,兩個連向地面接收站。圖/PanSci YouTube

SpaceX 當然也想擺脫地面接收站的束縛,況且如果到了海上就收不到訊號,那可遠遠無法稱上「全球通訊」。因此到了 Starlink 2.0 時,衛星間通訊技術 LISL (Laser Inter Satellite Link) 全面安裝到了衛星上,藉由衛星間的通訊,取代海底電纜的作用,進行跨地區的通訊服務。你看,現在不只海底有資訊高速公路,在天上也出現了網路任意門。比起過去衛星間使用的無線電傳輸,使用 LISL 技術的衛星與衛星之間,用的是雷射。雷射傳訊不僅頻寬較寬,因為光在真空中的速度是最快的,比在光纖中還快。因此與海底電纜相比,傳輸速度反而有可能更快,衛星間的雷射通訊技術,也成為目前太空研究領域中非常重要的一環。

在通訊研究中,除了硬體技術的革新外,另一個最大的問題是,如此龐大的星鏈星座網路該怎麼設計?如何選擇地面天線要與哪個衛星通訊?每個衛星該攜帶多少個雷射發射器與接收器?資料傳輸要經過幾個衛星,才不會因為過多的路由,造成網路延遲飆升。哇~諸如此類的網路設計難題,都是因應通訊衛星而生的新型態網路結構所需面對的課題。而當這些問題被解決,那麼 Starlink 將真正全面擺脫地面接收站,並且能向地球上任何一個角落提供不受限的網路服務。

台灣的低軌道通訊衛星

根據中央社報導,台灣和 SpaceX 從 2019 年開始就展開嘗試性商談,但至今仍未能談妥。今年 11 月 14 日,中華電信成功與另一家公司簽署了台灣低軌衛星的獨家代理合約。這間搶在 SpaceX 之前簽約的公司,就是前面也提到過的 Eutelsat OneWeb。相較於 SpaceX 已經發射升空的 Starlink 大約有 4500 顆,Eutelsat OneWeb 現在的低軌衛星數量大約有 600 顆。台灣的目標,則是在 2024 年底前,布建國內 700 個、國外 3 個非同步軌道衛星的終端設備站點、以及 70 個將資訊候傳的設備站點,建構能完整覆蓋全台的衛星通訊。

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除了與現有的低軌道通訊服務公司簽約外,在打造自製台版星鏈的道路上,也傳來令人振奮的消息,就在簽約的兩天前,11 月 12 日,由中央大學與鴻海科技集團共同研發的珍珠號 PEARL-1C 和 PEARL-1H,兩顆立方衛星升空,並且與地面取得聯繫。搭載的儀器除了中央大學的電離層探測儀之外,還包含了 Ka 頻段的通訊酬載以及剛剛介紹的相控陣列天線,希望能為台灣自製的低軌道衛星通訊打下基礎。

國家太空中心則預計在 2026 年,將第一顆低軌通訊衛星送入太空,2028 年發射第 2 顆。希望能推動 B5G 的發展,並成為發展台版星鏈的敲門磚。

目前台灣的太空領域,許多的技術都正在發展、測試階段。除了這集提到的相控陣列天線、衛星間通訊技術,還有這集還來不及提到的長時間航行的充電問題、姿態校正問題,甚至是未來自行發射衛星的所需要的火箭科技,都需要一步步來解決、實踐。而且根據太空中心估計,至少要擁有 120 顆低軌道通訊衛星,才能確保全台 24 小時的通訊都不間斷,要達成這個艱鉅的任務,我們還有好多路要走,好多衛星要升空。

但千里之行,始於足下,千星之鏈,始於發射架。從福衛系列衛星到獵風者衛星,台灣的太空路線越來越鮮明,也讓人期待包括火箭、衛星到通訊技術的未來發展。

這集我們以 Starlink 為例,詳細的介紹了低軌通訊衛星的重要性,以及需要面對的技術突破。

也想問問大家,你覺得未來低軌通訊衛星,會如何改變網路市場呢?

  1. 衛星通訊成為常態,到哪都可以上網,等等這代表不管去哪都無法以網路不穩當藉口了嗎?可惡!
  2. 衛星通訊只是壁花配角,有線的海底電纜終究是主流
  3. 先等等,衛星競爭太激烈,衛星都比星星還要多了,真的不會在天上發生連環車禍嗎?

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參考資料

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