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# 電離層、日地關係與太空天氣

## GPS

### GPS參數
GPS:Goobal positioning system
Height:20190 km
T:11h58min (克三)
V:2.7km，低地軌道速度：7~8km
數量：約33顆
六個尾道面
### 測量距離方法
雙相距離測量：聲納、雷達，藉由反射測量
單相距離測量：GPS系統

### GPS定位方法
二維：三圓定位，三維（加上高度）：四圓定位
座標差＋c*dt= 距離

### 應用
導航、無人駕駛、飛機導航、起降、定位、戰爭、飛彈導航

### 世界四大導航衛星
GPS（美國）：33顆
GLONASS（俄羅斯）：24顆
Galileo（歐洲）：預計三十，現在十四
北斗 （中國）：30顆，預計三十四

日本：QZSS，有傾角的地球同步軌道

### GPS 誤差
衛星誤差（不明顯）
* 軌道誤差
* 衛星時鐘誤差
* 接收器時鐘誤差
* 接收器雜訊

訊號傳播誤差（較明顯）
* 電離層：數公尺到十公尺
* 對流層：兩公尺
* 多路徑效應 直達、反射多路徑產生不同訊號

## 電離層 Ionosphere

電離層現象：大氣輝光
電離層高度 80~1000km，含大量電離子
### 光游離 Photoionization
* 高能光子撞擊原子或分子，使電子獲得足夠能量，脫離原子核束縛
* 游離能：原子游離所需能量，大約需幾十eV的光子才能產生游離
* 氫原子游離能：13.6eV，對應波長91.2nm，極紫外光（$E=hc/\lambda$）
* 韋恩位移定律：黑體輻射產生的光子，91.2nm~31774K

### 太陽光譜
* 黑體輻射：顯示太陽輻射波長最短約250nm，無法游離地球大氣
* 日冕：溫度＞$1.5*10^6K$，產生能量足以游離地球大氣

### 電漿 plasma
* 氣體中，電子從原子跑出的狀態
* 正負電荷數相同，總體而言是電中性
* 固體 :arrow_right: 液體 :arrow_right: 氣體:arrow_right: 電漿
* 電漿動力行為取決於外部電場與磁場（馬克思威方程式），氣體取決於牛頓力
* 質子質量是電子的1370倍，電子易移動，因此電漿狀態下看的是電子移動
* 火焰：日常電漿態，可能加空氣導電力

### 磁力&磁場
* 磁力：取決於磁場B、電荷量q與速度v
* F=qv x B （右手定則）
* 帶電粒子運動方向與磁場垂直時，在磁場中行圓周運動
* 帶電粒子運動方向與磁場以清剿時
* 磁場兩不：磁場無磁單極、電荷允許單極或偶極
* 任兩條磁力線不相交，若相交則具有兩個電磁場，無法表示

### 太陽＆電離層
* 太陽活動：自轉、太陽週期，活躍時電離子密度最高
* 地球運動：自轉，白天高晚上少，季節：冬天時電離子密度最高
* 中性大氣：化學成分、電廠與阻力交互作用，煙滅電離子

### 電漿來源
* 氧分子、氮離子、氧原子為主
* 各個高度中性原子數量不同，數量越接近越易游離，絕大多數仍為中性
* 太陽輻射強度＊中性氣體濃度＝電子產生率
* 輻射強度增加速率，中性氣體為來源，兩者兼具才能產生電漿。
* 
* 電子與氣體重新結合消散，且平均自由徑逐漸變小
* 往上傳輸最高濃度約為250km

### 電離層用途
* 電磁波反射無線電訊號
* 影響高頻通訊

### 電離層異常
#### 赤道異常現象(Equatorial Ionization Anomaly)
* 磁赤道（磁座標系統中的赤道）
* 白天方向電離層較強，夜晚較弱，產生向東的磁場
* 東向電廠使電離層抬升，赤道地區電漿密度增加
* 電子抬升，受壓力梯度與重力影響，沿著磁場現象下擴散
* 造成赤道電子密度減少，兩側密度增加
* 

#### 赤道電漿泡
* 地磁赤道在夜間的現象
* 太陽停止游離後，離子重新結合，形成密度較低的層，
* 低密度層通過對流上升，產生密度不均一的泡泡
* 電訊通過電漿泡後，產生干擾使訊號偏散

### 觀測電離層

#### 電漿頻率
* 比電漿頻率高的波，可穿過電離層，低於此頻率皆會被反射
* 決定反射頻率與電漿高度的 9 x $sqrt(電子密度(m^-3^))$
* 不同頻率的波發射，會在電離層不同的高度被反射或直接通過，以此觀測

### 觀測方式
* 火箭：直接發射測量
* 無線電波：量測回波訊號
* 衛星遙測
* GPS：一次發射兩個頻率的訊號，會有反射和發射不同，藉此了解電離層擾動
* 全電子含量：TEC 10^16^ele/m^-2^，透過GPS測量截面積的電子量
* 日本311地震造成垂直位移，藉由GPS觀測地震垂直位移影響電離層
* 海嘯、
* 火箭發射：形成船首波，造成電離層變化，可藉此觀測火箭活動
* 福衛五號發射
* 日全食：產生類似船首波
* 東加火山對電離層的影響
* 電波掩星觀測：透過兩衛星傳送接收電波穿透大氣
* 因不同溫度壓力濕度的空氣，造成轉向變慢減弱，造成電波變化
* 突破海洋限制，提供高時間與空機密度的大氣與電離層觀測資料

## 日地關係與太空大氣
* 太陽表面溫度極高，物質都處於電漿態
* 飛離太陽表面的電漿粒子，稱為太陽風
* 與行星磁場或大氣層影響，伴隨攜帶太陽的磁場

### 太陽圈 Heliosphere
* 太陽風能吹到的區域
* Teminarion shock 太陽風最遠的區域，通過後Xray增加
* 測量：航海家一號

### 地球磁場
* 地球內部金屬流體流動，產生環形電流造就磁場
* 磁軸與地球自轉軸約為11.5度
* 磁極會隨年份偏移
* 行星磁場：地球＋類木行星

### 磁重聯
* 磁力線不能相交，當兩相反方向磁場接近時 產生Current sheet
* 兩磁力線重新連接，磁場方向轉向
* 擠壓時磁力線逐漸變密，重聯後密度降低，釋放磁能轉為動能與熱能

### 太陽活動
#### 太陽黑子
* 表面較冷的區域，約3800K
* 太陽具有差動自轉，赤道自轉週期約25.4d，高緯度約36d
* 磁力線因自轉差動糾結，電漿粒子無法通過磁力線，對流較差
* 內部能量無法傳遞，能量減少溫度較低

#### 閃焰
* 黑子上糾結的磁場產生磁力線擠壓
* 被擠壓的磁力線斷裂，導致磁場重聯
* 磁場重聯導致能量釋放，產生太陽閃焰
* 電漿被加熱至一千萬度，亮度電磁波能量增加，頻率不固定
* 突然釋放的能量會導致通訊中斷、停電
* CCD的電子井被太陽閃焰中的電子填滿，導致畫面變白
#### 日冕物質拋射
* 電漿被拋射入太空中，主要為電子與直子的電漿，伴隨磁場
* 拋射物與地球磁層交互作用，產生磁重聯

### 磁暴
* 太陽巨大閃焰產生的太陽風震波與磁雲，和地球磁場交互作用引起磁層擾動

### 太陽風暴
#### 卡林頓事件
* 1859 9月，大量黑子與閃焰
* 日冕物質拋射衝擊地球，極光向兩側擴散
* 電報塔未通電都能著火
* 發生在現代：衛星失能、通訊中斷、電力崩潰、GPS失能、鐵管通電油管爆炸

#### 完美的太陽風暴
* 日冕拋射速度快
* 正對地球
* 比不規則長期磁暴更強烈
* 磁場方向正好與磁場相反

## 太空天氣
* 驅使者：太陽，與大氣環境相同

### 太空天氣可預測
* 光到太陽的時間：8m18s
* 太陽風到地球的時間：5~6d，不超過十天
* 太陽風速400~ 500km/s，閃焰發生時700~ 800m/s，最高1000m/s

### 衛星墜落
* 太陽風暴使電離層厚度增加
* 黏滯力不同，導致衛星速度減慢下降
* 衛星墜毀

### 日常生活
* 通訊衛星、資源衛星、科學衛星、通訊系統、電力系統、交通工具定位⋯⋯
* 美國預警系統雷達癱瘓：差點導致核戰

### 太空天氣預報
* 物理模式：透過計算預測
* 觀測：透過觀測資料與物理預算進行資料同化增加精準度

### 台灣衛星
* 福衛七號：主要觀測赤道，了解電漿泡對通訊的影響
* 電離層掩星觀測資料提升太空預測精準度30%

## 極光 aurora
* 快速進入地球的粒子撞擊高層大氣氧原子與氮原子使其發光

### 磁場螺旋運動
* 帶電粒子不垂直磁場，導致沒有平行磁場的分量，產生螺旋形運動
* 磁力線可捕捉帶電粒子

### 磁瓶捕捉
* 若帶電粒子速度具有平行磁場分量，會繞著磁場方向以螺旋路徑前進
* 位於端點的磁場線較密，磁場夠大，帶電粒子會由其中另一端反彈至另一段
* 粒子於兩端反覆反射，稱為磁瓶捕捉
* 磁瓶捕捉區域為極光常發生的區域

### 南大西洋異常區
沒講什麼
### 太陽磁場與地球磁場交互作用
* 太陽磁場與地球磁場方向相反。產生磁重聯
* 磁場向後彈，擠壓後方磁場
* 後方磁場重聯向前彈，再擠壓前方磁層
* 磁重聯釋放的能量撞擊大氣，產生極光

### 行星極光
* 木星極光
* 土星極光
* 天王星極光
* 海王星（沒被觀測到）