Cluster衛星群資料顯示地球的弓形震波層只有17公里厚

本文與 BRITA 合作，泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎？

如果你回到兩百年前，試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水，可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐，氣味刺鼻，甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水，被戲稱為「流動的污水」，當時的人們雖然知道水不乾淨，但卻無力改變，導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

幸運的是，現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物，但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰，哪些技術真正有效？

濾水技術：從霍亂危機到高效濾芯

19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展，面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊，甚至未經處理的地下水，導致傳染病肆虐。

1854 年，英國醫生約翰·斯諾（John Snow）透過流行病學調查，發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關，這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度，促使公衛政策改革，加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初，英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒，成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率，這一技術迅速普及，成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾，尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後，惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年，後藤新平出任民政長官，他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設，對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題，他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓（William Kinnimond Burton） 來台，規劃現代化的供水設施。在雙方合作下，台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年，全台已有 16 座現代水廠，有效改善公共衛生，為台灣城市化奠定關鍵基礎。

進入 20 世紀，人們已經可以喝到看起來乾淨的水，但問題真的解決了嗎？ 科學家如今發現，水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物，甚至微量的內分泌干擾物，這些看不見、嚐不出的隱形污染，正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此，濾水技術迎來了一波科技革新，活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透（RO）等技術相繼問世，各有其專長：

• 活性碳吸附：去除氯氣、異味與部分有機污染物

• 離子交換樹脂：軟化水質，去除鈣鎂離子，減少水垢

• 微濾技術、逆滲透（RO）技術：攔截細菌與部分微生物，過濾重金屬與污染物等

這些技術相互搭配，能夠大幅提升飲水安全，然而，無論技術如何進步，濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯，決定了水質能否真正被淨化，而現代濾水器的競爭，正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是，最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能？

濾芯的壽命與更換頻率：濾水效能的關鍵時刻濾芯，雖然是濾水器中看不見的內部構件，卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例，其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂，能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質，並過濾鉛、銅等重金屬，同時軟化水質，提升口感。

然而，隨著市場需求的增長，非原廠濾芯也悄然湧現，這不僅影響濾水效果，更可能帶來健康風險。據消費者反映，同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯，顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全，建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯，避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙，正面則可看到 BRITA 商標，以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣，並且沒有拉環設計，底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節，才能確保濾芯發揮最佳過濾效果，讓每一口水都能保證潔淨安全。

不過，即便是正品濾芯，其效能也非永久不變。隨著使用時間增加，濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞，導致過濾效果減弱，濾水速度也可能變慢。而且，濾芯在拆封後便接觸到空氣，潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯，不僅會影響過濾效能，還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質，形成「過濾器悖論」（Filter Paradox）：本應淨化水質的裝置，反而成為污染源。為此，BRITA 建議每四週更換一次濾芯，以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題，BRITA 推出了三大智慧提醒機制，確保濾芯不會因過期使用而影響水質：

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈：即時監測濾芯狀況，顯示剩餘效能，讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒：掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間，自動提醒何時該更換，減少遺漏。

3. LINE 官方帳號自動通知：透過 LINE 推送更換提醒，確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天，濾芯已不僅僅是過濾裝置，更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備，成為了健康生活的關鍵。

濾水技術：不僅是進步，更是守護未來

人類對潔淨飲用水的追求，從未停止。19世紀，隨著城市化與工業化發展，水污染問題加劇並引發霍亂等疾病，促使濾水技術迅速發展。20世紀，氯消毒技術普及，進一步保障了水質安全。隨著科技進步，現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術，去除水中的污染物，讓每一口水更加潔淨與安全。

今天，消費者不再單純依賴公共供水系統，而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如，BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求，從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題，去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%，並通過 SGS 檢測，通過國家標準水質檢測「可生飲」，讓消費者能安心直飲。

然而，隨著環境污染問題的加劇，真正的挑戰在於如何減少水污染，並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具，更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備，它象徵著人類與自然的對話，提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利，更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源，且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

• 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.

眾所周知，狗狗有著一副靈敏的好鼻子，能夠感知周遭環境變化，然而不僅如此，最近更有研究指出，牠們可能還具有另一項隱藏能力——自動導航功能。這項功能就像狗體內擁有能感應磁場的羅盤，可讓牠們利用地球磁場推算陌生地形上的捷徑。

新研究發現，狗從陌生地折返回原點的方式有兩大類：一是隨著氣味依循原路回去的「原路折返」，二是從全新的路跑回來的「偵查折返」，其中有些採用偵查折返的狗會在回程時出現「沿著南北軸短跑」的現象，出現這種行為的狗，更有機會以最短的路徑回到牠們的主人身邊。

磁感悄悄出現？曾經發現狗會「定位」

「（導航能力）這是第一次在狗身上發現」，研究海龜磁感與導航的生物學家凱瑟琳．羅曼 (Catherine Lohmann)^註1 如此說道。

她提到，跟鳥類等遷徙動物比起來，對於狗身上導航能力的研究其實相對少得多。英國斑戈大學^註2研究鳥類導航的生物學家理查．荷蘭 (Richard Holland) 則附和道：「這是洞察狗如何建構牠們對於整個空間的畫面的機會。」

不過關於狗、其他動物甚至是人類「或許能夠感知地球磁場」這樣的情形，其實早已有過一些線索。2013年，已經研究磁接收 (magnetic reception) 30年的捷克學者海尼克．布爾達 (Hynek Burda)^註3 和他的同事就表示，狗在排尿和排便時會傾向將自己定為南北向，而同時，因為這樣的行為與標記和辨認領地有關，所以布爾達將這種定位校準解釋為「能夠協助狗釐清現在的位置與周遭的相對關係」。

然而，這種穩定不變的校準（白話文：知道東西南北），跟導航能力其實是兩回事。

隨意跑開後，狗竟然能從一條完全陌生的路折返？

在新的研究當中，布爾達的學生卡提捷娜．班尼迪克托瓦 (Kateřina Benediktová) 先將攝影機和 GPS 追蹤器放在4隻狗身上，然後再帶牠們到森林裡，接著讓狗四散而去，去追尋平均約 400 公尺外的動物氣息。

有趣的是，GPS 追蹤器顯示狗在回程路上（跑回向牠們的主人）出現兩種行為：一是「原路折返 (dubbed tracking)」，可能就是隨著氣味以沿著牠來時的路程回去；另一則是「偵察折返 (scouting)」，也就是從一條全新的路跑回來。

當卡提捷娜將獲得的實驗結果資料給布爾達看時，布爾達發現了一個奇怪的特性：在偵察折返的途中，狗會突然停下然後先向著南北軸跑個 20 公尺左右，才再又開始往回跑。那種短暫的 20 公尺小跑有點像是要校準磁場方向的模樣，但卡提捷娜還沒有充足的資料可以肯定這樣的推論。

於是他們擴展了這項研究計畫，幾乎人人都有養一隻獵犬的狩獵管理與野生動物學系^註4的同事也投入研究，3年來透過27 隻流浪狗進行數百次實驗。

在進入森林實驗時，研究團隊會試著避免給予狗其他能夠辨識方向的線索。只要情況允許，狗都會被帶到從沒去過的森林裡的一處，如此一來牠便不能依靠熟悉的地標來找路。同時主人會在牠開始漫步時就躲起來，以免狗是藉由看見主人而跑回來。另外，由於狗跑回來時，風向很少是從主人吹向狗的，所以氣味也不太會造成影響。

研究人員仔細看了 223 例的偵查折返狀況，發現狗會在回程時平均漫步約 1.1 公里的距離，而這當中有 170 次出現了「狗先停下，再掉頭沿著南北軸跑 20 公尺」的情形。同時，研究者們也指出，出現這種行為的狗，更有機會以最短的路徑回到牠們的主人身邊。「我真的對這樣的實驗結果感到蠻震撼的」羅曼如此說道。

內建羅盤判斷最短回家距離？！其實不太意外

布爾達認為狗之所以會沿著南北軸跑是為了釐清牠們的方向，「這是最合理的解釋」他說。

羅曼則表示，這個行為的意義在於狗可能能夠記得牠們之前的移動路程，然後再藉由參考體內的磁場羅盤，來釐清回家的最短路徑。

之後布爾達和卡提捷娜也開始嘗試另一種實驗方法，他們打算在狗的項圈中放入磁鐵，干擾磁場，然後觀察這樣是否會妨礙狗狗辨識方向的能力。這樣的想法與 1980 年曾經發表在《科學》期刊上的一篇爭議性實驗類似，當時的實驗是針對人類，研究者將磁鐵放入蒙眼受測者的眼罩中，實驗結果發現磁鐵似乎會擾亂人類直覺的方向感¹。

不過羅蘭大學^註5專攻狗隻行為的亞當．米克洛希 (Adam Miklósi) 則認為，要設計磁感的實驗其實是相當繁複的，因為很難排除其他感官，讓一隻動物完全只依靠一種感知來做出行為。

「這樣操作的難處在於為了要百分之百證明磁感，或是任何一種感知，你必須排除所有其他的感知。」

而米克洛希亦說道，其實「狗能夠利用磁場來辨識方向」並不是太令人吃驚的事，因為這似乎是一種古老的能力，而且可能出現在任何會橫越大片土地的哺乳動物身上。羅曼也贊同道：「你會期望動物在狩獵之後能夠藉這種方式回家，顯然能在狗身上看到應該滿合理的。」

註解： 

1. 時任北卡羅萊納大學 (The University of North Carolina at Chapel Hill) 生物系的助理教授。
2. Bangor University。
3. 為布拉格捷克生命科學大學 (Czech University of Life Sciences Prague) 的感官生態學家 。
4. The department of game management and wildlife biology, Czech University of Life Sciences Prague。
5. Eötvös Loránd University。

1. Baker, R. R. (1980). Goal orientation by blindfolded humans after long-distance displacement: Possible involvement of a magnetic sense. Science, 210(4469), 555-557.

本文主要編譯自：Dogs may use Earth’s magnetic field to take shortcuts

英國國王學院科學家Steven Schwartz等人，藉由歐洲太空總署（ESA）由4架衛星組成的Cluster衛星群觀測資料，發現太陽風遭遇地球磁場所形成的弓形震波（bow shock）非常薄，厚度只有17公里而已。像這樣的薄震波區，通常是粒子加速的早期階段所在之處。這項發現可能有助於解決有關背景宇宙線的粒子加速理論的爭議。

宇宙中的大部分重子物質（baryonic matter） 是帶電粒子和離子，即所謂的「電漿（plasma）」。電漿流可在各種大小的空間尺度中移動，穿透行星之間的行星際空間，也會穿越恆星之間的星際空間或星系之間的星系際空間。當超音速（supersonic）電漿流遇到如行星或恆星磁場、另一股速度慢一點的物質流等阻礙時，會產生震波（shock wave，或譯為衝擊波）。

天文學家在多種宇宙環境中都曾觀測到這種突然從超音速流轉換至亞音速流（subsonic）的狀況，其中比較顯著的是年輕和大質量恆星的恆星風、超新星爆炸的殘骸和電波星系（radio galaxy）產生的噴流和波瓣（lobe）等遭遇周圍星際介質的情況。以電波、X射線和伽瑪射線波段觀測時，可以清楚呈現這些震波與宇宙中能量最高的粒子—宇宙線（cosmic ray）的起源有密切相關。

雖然目前已知這些震波是非常有效率的粒子加速場，對於已經被加速到能量相當高的粒子，又從此能量門檻被加速到更高能量現象的物理機制，科學家們已經頗為瞭解。但目前並不清楚粒子如何與震波交互作用以獲取能量的機制究竟為何，尤其是宇宙線粒子加速的早期階段，這些粒子究竟是怎麼進入粒子加速場，可能是個非常複雜的過程，對天文物理學家而言，是個亟待探索的領域。

離地球最近的這類粒子加速區，其實就在地球上空—因太陽風與地球磁層相互遭遇而形成的弓形震波層，尤其是弓形震波層的厚度，是研究粒子加速物理過程的關鍵參數。Schwartz等人從Cluster衛星群資料發現：地球的弓形震波厚度只有17公里，比他們原本認為的薄了許多，這也顯示這類粒子加速場的工作效率遠超過科學家們之前預期的程度。

Cluster衛星群發射於2000年，由4架衛星組成艦隊隊形，以繞極軌道繞行地球，因此可由其觀測資料同時獲知某地球周圍事件的空間和時間變化，以及溫度等電漿中的粒子物理性質。科學家曾在2003年時，分析Cluster衛星群的資料，獲得地球弓形震波層的厚度上限頂多為100公里。而Schwartz等人的最新分析結果更將弓形震波層的厚度降至只有17.3公里，不到2003年估計的1/5。

　　Schwartz等人挖掘Cluster的觀測資料庫，發現2005年1月9日有一組Cluster衛星群逐漸穿越震波層的資料。由於穿越速度緩慢，所以弓形震波層隨太陽風改變而引起的擾動非常小，因此時間解析度細達250毫秒，衛星群可以取得非常精確的粒子族群樣本資料，粒子分佈在震波層的空間解析度也非常好。當衛星逐漸進入這電漿震波層的過程中，記錄到電子經歷非常劇烈而突然的溫度陡升現象，幾乎已接近波散（wave dispersion）的極限，意味著這個震波層非常薄；而在物理上，薄層的加速效果更好。

鄰近超薄震波層之處，一種稱為「多次反射（multiple reflection）」或「衝浪（surfing）」的粒子加速機制會變得特別有效率。離子速度起初很慢，僅相當於數keV能量等級，隨著在震波層中重複的來回反射跳躍，能量就愈來愈高。震波起初就像一堵牆，離子無法穿越；但當離子能量隨著來回跳躍升高到0.5MeV以上時，它就能突破震波這堵障礙而離去。（點選此處觀看動畫）

這個機制可能是粒子進入宇宙加速器的最佳解釋，如果震波層夠薄，粒子能量就可被加速到高能量級門檻，然後才有機會再藉由別的機制來加速1GeV，這是目前宇宙線研究所偵測到最高的粒子能量等級。

Schwartz等人很高興的說：即使只是研究自家門前的局部現象，也能對瞭解整個宇宙的粒子加速機制做出重要貢獻。

資料來源：Cluster reveals Earth’s bow shock is remarkably thin[2011.11.16]

轉載自台北天文館之網路天文館網站