彩虹極光

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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• 本文編譯自《Physicists explain how type of aurora on Mars is formed》

形成極光的要素有三，其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場，可以在兩極地區生成北極光和南極光；然而，火星沒有覆蓋全球的磁場，因此火星上的極光並非出現在兩極，只能在特定區域生成。

近期，愛荷華大學領導的研究團隊，根據美國航空暨太空總署（NASA）火星大氣與揮發物演化任務（MAVEN）探測器的數據，確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成。

極光三要素：大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前，讓我們先把鏡頭轉到地球，談談地球上的極光在哪裡形成，以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區（auroral oval），涵蓋北極與南極地區，但並非以兩極為中心；換句話說，極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外，極光橢圓區的寬度與延伸範圍，會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引，沿著磁力線加速往高緯度地區移動，最後和大氣中的原子碰撞時，就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述，可以得知極光的三個要素是：大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」，若屬於可見光波段，就能用肉眼觀測，並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍，綠色區域則為極光橢圓區。圖／National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前，得先介紹它的幕後推手——行星際磁場（Interplanetary Magnetic Field，IMF）。IMF就是太陽風產生的磁場，在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化，並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢？當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播，會同時拖曳太陽的磁力線一起離開；太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子，讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話，太陽就像是在轉盤上的蛋糕，太陽風粒子就是擠花裝飾；而當蛋糕一邊以固定速度自轉，擠花逐漸向外擴散的同時，就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

對太陽風和 IMF 有基本認識之後，讓我們把鏡頭轉向火星，談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說，火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層，強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態，導致大氣層的散失；該過程稱作濺射（sputtering），發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一，在 IMF 的作用之下，部分的離子會環繞磁力線運動，隨著 IMF 移動而被帶離火星；另外一部份的離子則像撞球一般，撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子，引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明，根據團隊研究的成果，太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離，並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素（質子數相同，但是質量不同的元素）以氬-38 以及氬-36 為主，後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比，Jakosky 的團隊推估火星約有 65％ 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形；其中又以二氧化碳為焦點，畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在，而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

接著，讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢？這要先從行星發電機理論開始說起，該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例，地核內部保留了地球形成初始的熱能，約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵，因為密度下降而上升至地核頂端，接觸到地函時，這些液體會喪失部分熱能而冷卻，因為溫度比周圍環境低，密度變高而下沉；如此不斷的熱對流循環下，讓帶有磁力的流體不斷運動，進而形成電磁感應。另外，科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向，產生螺旋狀的流動效果，有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示，火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚，其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關，在火星形成之初散熱較快，造成火星外核液態鐵短時間內就凝固，無法像地球一樣，保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化，不斷從地核深處上升至地函，再冷卻下降，持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力，導致火星內部的發電機幾乎停止運轉，無法形成全球的磁場。話雖如此，火星仍然具備小區塊的磁場，主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

磁層與大氣層相互依存，火星在太陽風不斷吹襲之下，大氣層愈趨稀薄；火星內部又缺乏發電機的動力，無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護，就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢，因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣，看似缺乏極光形成要素的火星，又是如何形成極光的呢？

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護，但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡，磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用，滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」，與地球上常見的極光不同，有些發生在人眼看不見的波段（比如紫外線），所以也更加提升了觀測難度。

那麼，研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢？那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀（Imaging Ultraviolet Spectrograph，IUVS）！

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家，他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果，比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場（IMF）強度、時鐘角和錐角^{[註 1]} 以及火星上極光的紫外線，發現在磁場較強的地殼區域內，極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向；反之，區域外的極光發生率則與太陽風動壓（Solar Wind Dynamic Pressure）關聯較高，但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到，在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內，當 IMF 的時鐘角呈現負值，如果正逢火星的傍晚時刻，較容易觀測到離散極光；也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯（Magnetic Reconnection）——意即磁場斷開重新連接後，剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量（如動能、熱能等）加以釋放，例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向：移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關，而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料，也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果，主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光；以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想，火星是目前人類圓夢的最佳選擇；但是在執行火星移民計畫之前，火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護，生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果，科學家們將發掘新的突破點；期許在不久的將來，我們能找到火星適居的鑰匙。

• 註1：IMF 的時鐘角（Clock Angle）與錐角（Cone Angle）

如何判定 IMF 的角度呢？因為磁場空間是立體的關係，我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念，來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上，IMF 方向與 Z 軸的夾角；而錐角則是在 X、Y 平面上，IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

參考資料

1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫。
7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的？物理學家有新發現，帶你揭秘。
8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平。
9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的？ 科學家解謎。
10. BBC News 中文。北極光：美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理。
11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風。
12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖，證實火星有磁場。科技新報。
13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集。
14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.

呂凌霄／中央大學地球科學院太空科學研究所教授，研究領域包含太空電漿物理、電腦數值模擬、太陽物理、磁層物理、行星際空間物理、激震波等。

太空天氣（Space Weather） 這個名詞， 早在距今約六十年前，也就是蘇、美首顆人造衛星升空的年代（1957~1958 年），就已經被提出來使用過了。可是當時科技不夠發達，因此太空天氣的變化，對一般民生的影響，微乎其微。因此其後的三十年，太空天氣這個名詞很少出現在文獻與新聞報導中，但是科學家仍沿用氣象中storm（暴風雨／暴風雪）這個字眼，來描述某些特殊的太空天氣事件，例如，日磁暴（solar magnetic storm）、磁暴（magnetic storm）、磁副暴 （magnetic substorm）、電離層暴（ionospheric storm）等。隨著科技的進步，同步衛星、全球衛星定位系統（GPS）、長距離的電力傳輸、越洋航空、太空探險，都深受這些太空中 storms 的影響。因此在三十年前，太空天氣再度被提出來，並成為太空科學家與一般民眾溝通的重要話題。

什麼是太空天氣？

太空天氣就是太空中的游離態氣體與磁場所構成的電磁環境與變化。雖然太空中好天氣的時間佔一半以上，但是談到太空天氣，大家想到的都是惡劣的太空天氣。驅動太空天氣的能量來源是太陽。圖一顯示太陽內部的結構。太陽的核融合反應產生的高溫讓太陽的大氣成為游離態氣體（電漿，plasma）。而影響太空天氣甚巨的太陽磁場，則是在太陽的對流層中產生的，其中表面對流層是超米粒組織與黑子的產生區，也是浮出太陽表面之暗紋與日珥等磁繩結構的主要產生區。

在繼續解釋之前，先看看太陽內部結構

對流層 Convective Zone

位於距離中心0.7~1 太陽半徑的區域，由於太陽外部為寒冷的太空，導致此區氣體溫度快速向上遞減，造成不同程度的對流不穩定。透過游離氣體的對流運動，太陽的磁場在對流層產生。反過來，對流層的磁場也會影響游離氣體的運動。

輻射層 Radiative Zone

位在距離中心0.25~0.7 太陽半徑的區域，它就像X 光檢查室外的厚重鉛門，阻擋致命的短波輻射X ray 與γ ray。太陽的核反應所產生的短波輻射，被輻射層中的粒子不斷的吸收、放射，以至於平均大約要花150~200 萬年（也有人估計不到100 萬年），才能穿過這個緻密的輻射層，並成為較長波的紫外線與可見光。

核心 Core：位在距離中心0.25 太陽半徑以內的區域為太陽核融合反應區。

米粒組織 granulation

是太陽表面的一種極淺層快速對流。成因是因為越接近太陽表面，溫度梯度越大，對流也越旺盛。米粒組織中央明亮邊緣較暗，是造成觀測上「太陽五分鐘震盪」的主因。米粒組織對太空天氣的影響甚微，但它們卻是太陽觀測上最糟糕的天然雜訊，嚴重影響科學家對太陽對流層的觀測。

超米粒組織 supergranulation

是位在米粒組織下方的對流系統，約涵蓋0.9~1 太陽半徑的區域。超米粒組織邊緣為徑向強磁場區。更深層的高溫游離態氣體，可沿著這些磁場直達太陽表面。因此超米粒組織邊緣比中央區域更為明亮。

太陽黑子 sunspot：通常在超米粒組織邊緣形成。太陽黑子深度也差不多是0.1 太陽半徑。

日磁暴造成的惡劣太空天氣

用氫–α（H-alpha）光譜觀測太陽，在太陽盤面可以看到長短粗細不同的暗紋（filaments），暗紋轉到在太陽盤面邊緣就是光亮浮起的日珥（prominence），如圖二所示。長又粗的大尺度暗紋，生命期超過半個月（太陽自轉週期約一個月），開始上升後，要一天左右才會噴發。太陽黑子群附近對流旺盛，容易形成細又短的暗紋，生命期只有兩三天。開始上升後，只要幾小時就會噴發。在活動區一條細短暗紋噴發後，很快又會形成另一條細短暗紋。暗紋噴發時，會遇到上方的日冕（corona），於是就會像幼兒用筷子撈麵那樣，一部分麵條滑落麵碗，形成太陽閃焰（solar flare），一部分麵條打入空中變成日冕物質拋射（coronal mass ejection, CME）。噴發後的暗紋就變成磁雲。在磁雲與CME 的前方會形成激震波。這整個過程就構成了日磁暴事件。因此當一團黑子群出現在太陽盤面時，我們就可預期未來半個月，會持續有多次的日磁暴事件發生。至於盤面上大尺度的暗紋噴發，就像非地震帶的地震，很難預測！

日冕洞與高速太陽風造成的惡劣太空天氣

太陽除了藉著日珥噴發，噴出密度高、速度快的電漿外，平時太陽表面的電漿也會因為外太空電漿密度低所造成的壓力梯度力，持續吹出太陽風（solar wind）。由於日冕洞（coronal hole）區域的磁場接近徑向，因此來自日冕洞的太陽風，平均風速可達每秒800 公里。相較之下，來自日冕區的太陽風，平均風速只有每秒400 公里左右。當日冕洞移到緯度比較低的區域時，隨著太陽自轉，就有可能出現從日冕區吹出來的低速太陽風，被後方來自日冕洞的高速太陽風追撞，而形成行星際激震波（Interplanetary shock wave），如圖三所示。因此，只要在太陽X 光影像（solar X-ray image）中，看到一大塊日冕洞，正掃過太陽盤面中央區，科學家就會預測未來一兩天會有惡劣的太空天氣了。

宇宙射線與太空天氣

太陽閃焰與各種激震波都可以有效的加速粒子。其中帶正電的粒子，質量比較大，一旦被加速後，就很難被減速，因此在日珥噴發後，會發生太陽高能正質子事件（solar proton event）。外太空超新星爆炸所產生的激震波，也會產生高能的粒子，且能量更高。這些粒子也會進入太陽系，影響太空天氣。由於這些高能的正離子，以接近光速的速度前進，因此早期的科學家，誤以為它們是一種光，所以稱它們為宇宙射線（cosmic ray）。由於宇宙射線是一種高能的正離子，所以科學家就把它們比做太空天氣中的「雨」，取諧音為cosmic rain。宇宙射線雨和太陽風合起來就是有風有雨的太空天氣了！

磁暴與磁副暴造成的惡劣太空天氣

除了太陽閃焰與各種激震波可以產生高能的帶電粒子，地球的磁場風暴也會產生本土性的高能粒子事件。浸泡在太陽風中的磁層，可說是一座最好的風力發電機，可將太陽風的能量，轉換為電磁能，推動磁層與電離層中電漿的環流運動。然而穩定的環流，很容易被異常的能量來源所破壞。當高速太陽風、行星際激震波吹過磁層時，或是太陽風中的磁場具有南向分量時，都會在地球的磁層中，灌入異常多的能量，是造成地球磁場風暴的主因。地球上的磁場風暴可大致分為兩種，磁暴與磁副暴。地面上的磁場擾動，是高空電流強度與位置改變所造成的。磁暴發生時地表的磁場變化是因為位在六個地球半徑以外的環電流（ring current）位置內移且強度增強所致。磁副暴發生時地表的磁場變化則是因為高緯100 公里高空的電離層中電流增強所致。雖然環電流的總電流量改變很大，但是距離遠，在地表產生的磁場改變量只有磁副暴的五分之一左右。不過也因為它距離遠，所以影響範圍是全球性的。磁暴持續時間可達數天到一週之久。磁副暴的影響只及中高緯地區，持續時間不超過兩小時。磁副暴發生時，會有極光的活動。通常一個磁暴期間會發生好幾個磁副暴。但是偶爾也有單一磁副暴事件，這意味著來自太陽風的能量變化不足產生磁暴與多個磁副暴。

太空天氣對於我們有什麼影響？

惡劣的太空天氣對民生的影響，至少可歸納為以下三種型態：輻射傷害、通訊干擾、與電磁感應造成的破壞。

輻射傷害

宇宙射線的穿透力強，可以打穿太空船與人造衛星，導致儀器設備受損；也可打穿人體，造成細胞受損，增加罹癌風險。日本的希望號火星探測器（Nozomi Mars Probe），在飛往火星的途中，就不幸遇到了「太陽高能正質子事件」而受損。如果換成是宇航人員在執行任務時遇到此種事件，將大大提高罹癌的風險。因此，除了早期不了解此種事件的嚴重性時，有幾次太空人登陸月球的紀錄，後來的太空探測，都以無人探測為主。

進入地球磁層後，大多數的宇宙射線被束縛在范艾倫輻射帶（Van Allen radiation belt）中。因為范艾倫輻射帶的底部約在500 公里高空，所以安置太空站的位置，都選在約400 公里高空，以降低太空人的輻射傷害。磁副暴期間磁場結構會發生大幅改變，因此不受磁場束縛、直接落入中高緯電離層與大氣層的高能粒子數量，會大幅增加。因此在磁副暴期間，跨極航線需要停飛或改道。其他長途飛行所接收到的輻射量，也會隨太空天氣不同而有數十倍以上的差異。

通訊干擾

地表上空100~250 公里的電離層，電漿濃度相當高。地面與衛星的通訊，包括GPS 衛星，都要穿過此層。由於衛星通訊所採用的高頻電磁波會受到傳播路徑上電子濃度的影響而偏折。因此任何造成電離層電子濃度不均勻的物理機制，都會影響地面與衛星之間的通訊。造成電離層電漿密度不均勻的原因很多。磁暴與磁副暴期間，地球磁場結構改變，會導致部分夜側電離層電漿大量流失到磁層中，造成該區電離層電漿密度異常下降，影響通訊。電離層電漿，也會受到日出、日落、與中性風場的影響，產生各種電漿不規則體，影響通訊，這也是臺灣電離層研究特別關注的課題。地表的無線電通訊也會受到太空中激震波所產生的大振幅無線電波的影響而長時間斷訊，這就是所謂的無線電暴（radio burst）。由於大振幅無線電波是沿著磁場傳出去。因此即使該激震波沒有撞到地球，只要激震波的磁場線連到地球附近，地表就會發生無線電暴。

電磁感應的傷害

太陽閃焰所發出來的短波輻射，以及磁副暴期間落入中高緯電離層中的極光高能粒子，都會增加電離層的電子濃度與導電率。即使是同樣強度的電場，若導電率增加，電流就會增加。電離層的電流增加，會導致地表的磁場改變，產生感應電場，導致地表電力系統短路毀損，也會對網路通訊設備、精密的IC 製造業、與心律調整器造成影響。同樣的，磁副暴發生時，同步軌道區域的磁場變化很大，因此感應電場也很強。如果同步通訊衛星上的電磁防護設備做得不夠好，就很容易受損。

展望

過去三十年來，太空天氣預報，已經成為先進國家太空單位的例行任務。了解太空天氣，不僅可以避免災害的發生，未來也可化災害為能量，利用感應電場開發出另一種天然的乾淨能源。

極光源自於太陽，自太陽抛出的高能粒子（也稱為太陽風），在接近地球時撞擊了上層大氣中的原子或離子而產生這般燦爛的天象。極光的顏色則是由於大氣中的原子吸收撞擊能量後再以發光的方式釋放出這些能量，因原子的不同產生了綠色或藍色各種不同的顏色的極光。大氣主要由氮（78%）與氧（22%）所組成，綠色光是來自氧原子被外來電子撞擊後，本身電子被激發至高能階激態，再放出光子躍遷至低能階。當原子離開激態所放出的光子為單一頻率的綠光，我們就看到了綠色的極光。極光大約在400～1000公里的高空即已發生，但是在100公里以下時，由於大氣太過濃密而使原子本身的碰撞都無法放出足夠的光，在低高度處，氮則會放出紫色、藍色與紅色的光，由於氮原子放出光子較快，所以極光較低的部分看起來比高處移動要快。較慢的部分主要是由氧原子放出的光。

通常極光會同時發生於地球的南北極，除此之外太陽系的其他行星也有極光的現象，如下圖是哈柏太空望遠鏡於1998年以紫外光拍攝的木星極光，另外一張是2004年1月哈柏太空望遠鏡以紫外光拍攝的土星極光。

下方是歐洲太空總署的太空人Alexander Gerst 從國際太空站400公里高的軌道上拍下了這張全球最佳角度的極光照片。位於影像左側亮藍色的連續區域是太陽的餘暉，其上的黃色線條是受到地球大氣反射的陽光，這條帶狀的薄層正是保護地球免於受到太陽強烈幅射傷害的重要區域。影像前方是收縮起來的太空站機械手臂，正在等待下一次運補作業將送進來這個低重力實驗室的補給及設備。

Alexander Gerst 原是地球物理及火山的專家，於2009年成為ESA （Euro Space Agent）的太空人，在藍點任務（Blue Dot mission）中主持物理、生物、人類生理學、幅射研究及示範技術的延伸研究計劃。所有在這個世外實驗室執行的研究計劃，其結果將運用於未來探側太陽系及改善人類生活等目的。

資料來源：2014.09.16, Alan Yang

• Rainbow aurora ／2014.09.16
• Space Aurora ／2014.09.09

本文轉載自 網路天文館

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• 聽見極光
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