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太空科普 太空

作者:陳朝焱
國家太空中心
2020-07-07

太空的範圍-跟你想的不一樣

太空泛指地球以外的空間,自距地表高度100公里以上,到太陽系之間*1。事實上我們可以說太空即是人造物體所能抵達的地方,目前航行最遠的太空船為航海家一、二號(Voyager 1 & 2),距地球超過220億公里,持續以每秒20公里的速度遠離。(詳細資料可持續關注https://voyager.jpl.nasa.gov/)。


航海家一、二號位置
圖片來源:https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2019/11/Heliosphere.jpg

神秘的隱藏角色

早期的人類認為太空除了太陽、行星、矮行星與太陽系小天體外乃是既黑又空無一物的。後來科學家發現太空中並非真空,而是遍布了電漿(plasma)。一般而言,物質有固、液、 氣三態,若給予氣態物質大量能量,原子或分子會游離化而成為帶正、負電的離子,成為物質的第四態-電漿。電漿有幾種特性:準電中性、高導熱導電、群體效應。因為電漿是由中性氣態物質所游離化的,即使分成帶正、負電的離子,但總電荷不變,故稱為準電中性;因呈電離狀,電漿有良好的導電、導熱性;受電磁場的影響,在電漿粒子在不需碰撞下即可相互作用,產生集體行為稱群體效應。地球環境中常見的極光、閃電是自然電漿,而電漿球、霓虹燈與日光燈管則是人造電漿的應用。


物質四態物質狀態與溫度的關係                                                                           電漿球
圖片來源:https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/147515main_phases_large.jpg
圖片來源:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/46/Plasma_globe_60th.jpg
 

電漿的供應商 

太空中的電漿主要源自太陽系的能量來源-太陽。太陽核心高達1千5百萬度,表面也達6千度,氣體皆已游離為電漿態,故太陽稱為一顆「電漿態」星球而非氣態星球。電漿日以繼夜、持續不斷地自太陽日冕向四面八方射出,形成所謂的太陽風。太陽風速隨太陽活動有所不同,一般約在每秒200至800公里間,每立方公分大約10個正離子(還有相同數目的電子),主要成分大多為氫離子(氫原子約占太陽質量的73%、數量占92%)。在太陽有特殊活動時,如閃焰、日冕物質拋射、日冕洞變化…等,都會讓太陽風的速度、濃度劇烈改變,進而造成太空環境中的電漿變化,並直接、間接影響到地球環境及現代人類生活,如同熟知的天氣一般會隨時間地點而有不同,科學家稱這些變化為太空天氣。


2020.03.11即時太陽觀測
圖片來源:https://sdo.gsfc.nasa.gov/

 

註1:太空範圍的定義在各領域有不同的解釋:

  • 太空科學中的太空是距地表五十公里開始,此高度的電漿數量已經足以影響到電波通訊,而太陽系之外,就屬天文學研究的範疇。

  • 美國聯邦郎空局、美國空軍、美國海洋暨大氣總署(NOAA)與NASA以50英里(80公里)為太空邊界,超越該高度之人員皆可稱為太空人。

  • 國際航空聯合會(Federation Aeronautique Internationale,FAI)定義100公里以上為太空,又稱為卡門線(Kármán line)。此高度將不足以支撐空氣動力飛行器,也是目前大眾較為所知的定義方式。

  • NASA任務控制中心則以76英里約122公里左右,大氣阻力開始高到須考慮的高度作為太空的界線。

 

參考資料

  • Green, L. (2016). 15 Million Degrees: A Journey to the Centre of the Sun, Penguin UK, ISBN:0241963567, 9780241963562

  • Kallenrode, M. B., Space Physics, Springer, Berlin New York, 1998.

  • Kelly, M. C., and R. A. Heelis, The Earth’s Ionosphere, Plasma Physics and Electrodynamics, Academic Press, San Diego, 1989.

  • Kenneth Davis, Ionospheric Radio, Peter Peregrinus Ltd, London,1990.

  • Ratcliffe, J. A., An Introduction to the Ionosphere and Magnetosphere, 256pp., Cambridge, UK, 1972.

  • NASA, https://voyager.jpl.nasa.gov/

  • NASA, https://sdo.gsfc.nasa.gov/

  • National Geographic, https://www.nationalgeographic.com/science/2018/12/where-is-the-edge-of-space-and-what-is-the-karman-line/

  • NOAA, https://www.nesdis.noaa.gov/content/where-space

  • 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室, https://swoo.cwb.gov.tw/V2/