太陽閃燄和電離層的特性-太陽無線電觀測

The changed characteristics between Solar flare and Ionization layer

By BM2EQB

龍潭無線電天文觀測站 曹永杰

<前言>:

研究太陽的閃燄爆發,除了光學觀測利用白光和氫離子(H-alfa)/鈣線譜線觀測太陽色球層外,利用各種電磁波的儀器也可以將太陽物理特性作一些觀測.如電波觀測或磁像觀測.此篇文章筆者以電波觀測的角度作一簡單的介紹.

我們知道除了在日常生活中,我們在88-108MHz的FM電波中收聽立體聲音樂或電視廣播外,在通訊方面利用HF,VHF,UHF或到微波.對於人類生活是非常的重要.這些電波我們可以利用它們來傳送訊息外,也可以將它們用於天文.其中太陽,就是可以利用電波來觀測表面的變化或內部的研究(太陽核融合產生的微中子和重水反應,產生的能量可以計算太陽內部的能量變化).

當然,我們利用太陽作為無線電源,來研究太陽黑子,閃燄和無線電強度也可以作許多的工作.但是由於太陽電波直接觀測和利用電離層的間接觀測有一些特性和不同.筆者在此作一簡單的分類:

電波觀測的方式和優缺點:

利用GHz作太陽直接觀測:

<優點>:

1.1.4和2.8GHz的電波接收,可以和太陽黑子和色球層爆發作直接指數比對.

2.無論有晴天或有雲天氣均可作12小時觀測,全年無休.

3.不容易受到地面干擾或雜訊影響.

<缺點>:

1.設備要求高,系統複雜.無商品來源.均需專門廠商製作.經費龐大

2.要追蹤太陽.精度要求高.

3.遇到下大雨會有信號衰減現象.

 

利用MHz的HF間接電離觀測:

<優點>:

1.設備要求較簡單,天線為Dipole型態.

2.不需追蹤太陽.也不受天候影響.可全天候觀測.

3.設備多可自製,經費較少.

<缺點>:

1.地面干擾和天候影響較大,數據獲得要有相當時間作測試調整.

2.因為間接觀測電離,要對電離層和電波特性有一完整了解.

3.要有衛星x光即時數據作比對.

在取得衛星數據方面,可利用網路進入太空氣象網站,進而取得其x光即時數據(每5分鐘更新一次).

在地球表面上,美國和歐洲合作的SOHO太陽監測衛星和NOAA的GOES氣象觀測衛星可以隨時利用X光或紫外線頻率觀測太陽表面.但現在除了研究太陽能量的密秘外,它們的任務主要是監測太陽的表面和爆炸所引起的能量對於地球影響(進一步預警),更是科學家研究太陽重要的目的之一.在10年後,SOHO計劃還會發展出雙衛星在太陽同步軌道上作太陽立體觀測.如此可以觀測出太陽閃燄的位置和爆炸速度,方向和強度.作更精確的預報.

在地面上的無線電望遠鏡,科學家除了利用高頻無線電觀測太陽外,身為天文業餘愛好者的我們而言,地球上的電離層會形成也是太陽的傑作之一,但其產生的變化比起太陽自身所發出的無線電更是複雜.所以全世界通訊研究所和電信單位,觀測電離層的電波傳導可以提供各行業的通訊狀況預測,也可以事先提出警告(如商業通訊衛星業者),而筆者在對於太陽的觀測設計,是以頻率20MHz觀測太陽為重點.以電離層D層和F層的電離濃度觀測太陽的閃燄爆炸情況.

<電離層和太陽>:

地球的電離層僅佔大氣層中的一部份.其範圍約在地表上空50公里到2000公里的高空.依最低的D層,E層和最高的F層.這些電離層的產生因原因最主要是太陽.也就是這些電離電子的能量來源就是太陽.因為太陽各種電磁波中的紫外線和X光射線是提供這些電離層的能量來源.所以美國的氣象衛星GOES在地球軌道上,設有X光的強度感應裝置,可以提供太陽X光強度的數據來源.

太陽方面本身的核融合因有自轉,南北極和赤道中央也因自轉速度不同,進而產生強大的磁場(地球也是內部高溫金屬物質和自轉關係產生磁場),有許多處的高溫電漿隨著各區域的小磁力線在太陽表面流通(利用氫離子色光可見太陽色球層表面有許多灰黑色的絲狀體),這些就是日珥.日珥產生後,會形成環狀形態,慢慢越來越大,最後掉落太陽表面,或隨著爆發而放出數百萬噸的高能粒子於太空中,這些高能帶電粒子形成太陽風.吹襲著太陽系的各行星.

太陽風在1,2天內會對地球的磁場產生或大或小的影響.這些粒子會延著地球南北兩極進入,在大氣層和氧分子產生磨擦而產生極光(和霓虹燈發光一樣原理).

另外影響地球的電離層最大因素的x光和紫外線,多由閃燄(flare)爆發產生,這種爆發多產生於太陽黑子範圍內,黑子的磁場由北向南產生磁力線,在黑子較多的時候.閃燄會突然從黑子中爆發出來,這種爆發產生大量的x光和紫外線進入太空.

由於x 光的電磁波和帶電粒子進入地球大氣層,導至我們的大氣層自由電離.此時這些高速運動的自由電子和空氣中的各分子碰撞,將氣體原子帶走電子,形成帶正電離子,另外帶正電的氣體原子也會和自由電子再復合.在電離層中這種強走電子,再和電子復合的情況產生一種平衡.所以我們稱為電子濃度或電離濃度即為此種平衡後的結果.

所以在大氣層上端,電離程度最強.可是因為空氣分子稀少,其電離濃度最低,可影響電波的高度約在500公里.此層的自由電子濃度(密度)約在一體積單位內的自由電子數.也就是每立方公尺10的12次方自由電子數量(N).也有人用電離度表示.也就是單位體積內的自由電子和不帶電的分子數比.

隨著高度下降,其空氣中的氣體濃度增加,雖然電離程度漸漸減少,但因氣體密度增加,所以電子碰撞氣體原子的機率增加.所以自由電子濃度反而增加.在其電離特性分界下,可分為對電波表現物理特性不同而分為好幾層來研究.

我們研究太陽閃燄的電波影響,最重視最高層的電離層和最低層的電離層.這是因為這兩層電離層受到x光的影響後,在白天,清晨,黃昏和上下半夜的期間,其兩層間的電離程度不同,會有反射,透射和吸收電波等物理特性的變化,所以研究太陽閃燄,對於偵測太陽x光強度和地球電離層中,電波傳導物理性/時間有絕對的關係.

而表現出電波的增益,衰減,瞬間衰減和偏移.再加上地球的磁場導波作用和太陽風影響下.一些要知道世界各地上空電離層最高工作電波頻率傳導的短波電台工程人員要事先預測,是非常困難..所以各國的氣象衛星(如GMS,GOES等)均裝有各波段的x光感應器,專門作x光強度偵測,因為x光不只對電波傳導有決定性的影響,對於氣象中,大氣的溫度變化也會有重大的影響.因為只要太陽x光有1/100的變化,其地球的氣象就會有巨大的改變.

<太陽黑子和電離層的關係>:

太陽黑子在太陽表面上,所發出的X光和無線電源也會嚴重影響地球的電離層,雖然利用電離層間接觀測黑子的能量變化,不如使用磁像儀或GHz的直接.但目前我們天文上利用R相對數(Wolf number)表現太陽的活動是十分普遍.

R=k(10*g+s)

R=相對數.g=太陽黑子群數.s=太陽黑子個數.k=觀測者的精確常數.

此數據由瑞士蘇黎士天文台所負責統計全世界各地天文台數據.

太陽黑子的活動約為11年為一週期,黑子數增加,表示太陽的活動增強.太陽的紫外線和X光也相對增加.同時閃燄發生的次數也會增加.相對的電離層發生SID的斷電現像象也會增加.

其黑子數和閃燄數 Nf=a(平均值R-10).

Nf=閃燄數目.a=常數.R=12個月的月平均值.

若電離層的自由電子急速增加時,會將HF頻率的電波傳導吸收,但對於HF較高的頻率15-20MHz以上會反射.但是頻率越高,其衰減越強.尤其是大爆炸時,受到D層的影響,衰減更加嚴重.進合造求成某一區域的無線電中斷.對於VHF和UHF也是會有衰減的影響.

相對的,若是黑子少的時候,電離層自由電子濃度較低.D層的濃度在白天較無吸收電波的特性,此時可用較低頻的電波傳導.(高頻會穿透F層到外太空).所以地球上的四季變化.亦會有D層電離濃度的變化.如白天中午點,D層濃度增加至最大.D層吸收電波特性變強.會吸收較低頻的電波.增加低頻的電波噪音,此時根本無法進行遠方通訊.但冬天的白天比夏天白天的濃度更強,所以夏天的清晨或黃昏利用低頻電波和指向性天線發射傳導,有時可以傳導較遠方(因D層吸收較小,可達歐洲或美洲),且噪音確明顯減少.

<電離層和HF頻帶>:

電離層分為最高層F層,E層和最低的D層:

F層:其高度在500公里到130公里是影響電波的高度.F層在白天,因電離濃度增加而加厚,產生F1和F2層.F2層比F1層高.且電離子濃度在F層中最高.約為2X10的11次方電子數/每立方公尺.但受到太陽在不同時間和活動會有些變化.但晚上F1和F2層縮小成F單層.其濃度降至5X10的10次方電子數/每立方公尺.但隨季節和太陽活動而有變化.

E層:高度約在90-130公里.電子濃度約在10的11次方電子數/每立方公尺.但因E層的電離來源為紫外線.所以E層的產生多在夏天.晚上因沒有紫外線照射,其濃度降至10的9次方電子數.此層可以用30-145MHz的頻率電波觀測流星.因為流星多在90-120公里處燃燒產生E層電離.可反射電波.因為流星突然掉落大氣層.因而途然產生傳導.又稱為E層的Sporadic(Es).此層的變化和特性在流星介紹專文中多有著墨.在此不再重覆.

D層:D層是電離層最低的一層,但也是吸收電波的最大兇手,此層高度僅在50-90公里.所以空氣分子濃度最密.電離濃度最低.約在10的8次方電子數/每立方公尺.此層電波自由電子進入後,和空氣分子碰撞的機率高.所以能量很容易衰減而被吸收.

在黃昏時刻,因太陽已下山.空氣中的X光急速減少.D層電離濃度也快速下降.因沒有太陽光的關係.D層的自由電子濃度非常低.上半夜的電波進入D層而穿透至F層反射.如此可以將電波多次反射至遠方.但此時要考慮遠方是否是在白天狀況.所以此電波可以反射至當地時刻是黃昏或清晨的地方(這也是HF較低頻的通訊多在清晨或黃昏時進行,頻率越高,則通訊時間可以加長).到了午夜過後,D層濃度開始增加.HF的通訊開始劣化.因為D層的物理特性轉為電波反射.即HF電波被反射,因D層較低...所以無法傳至太遠.此時短波收音機收到的HF電台可能都以大陸地區電台(1,2000公里內)為主.到了清晨6點.整個HF隨著太陽東昇而整個通訊劣化.因為此時D層多以吸收為主.但吸收電波頻率約在5-10MHZ為主.如果有閃燄爆發.則吸收頻率會提高至20MHz以上.

D層在70-90公里的電離能量來至太陽的X光電磁波.中午期間,其電離濃度可達最高,所以太陽的活動大小直接影響D層某些高度對電波的物理特性.

但在70公里至50公里的電離能量卻在太陽寧靜期的時候,電離濃度卻最強.據日本天文學家研究,其能量源來自宇宙的射線能量.這種來源可能來至中子星的X光源.

<建立20MHz頻率的太陽觀測計畫>:

筆者於在今年初進行流星觀測時,對於F層和D層的電波傳導也非常有興趣.只是當時對於E層傳導和流星反射電波時,已經花費很多時間,疲於奔命於校對天線和儀器修改(因為觀測時,很多都是想像和測試結果不同),根本沒辦法再更進一步研究HF頻帶.

今年6月後,在網路上看到很多國外業餘無線電天文同好,利用高頻(GHz)觀測太陽,好生羨慕.於是開始設計Giga波帶太陽望遠鏡,並尋找國外供應商的資料.可惜單單一個降頻器和接收機就無法突破...因為太陽幾個主要頻帶如氫離子的1.47GHz或黑子2.8GHz並不是商用規格(也就是無供應商提供).尋問2AC蔡兄自製也無多大結果.同時要有精密追縱太陽架座.計算太陽位置或控制追縱的系統或許可以自行設計.但如果投入,此計劃就非常龐大,所花的錢和時間就不是我能力所及(太懶了,也太窮了).在困難重重的壓力下,草草放棄此計劃.那好看的碟型天線或怪異的螺旋式天線也就泡湯了...

最後的計劃是利用電離層間接觀測太陽,在10月份裝設好初步的觀測設備後,每次星期假日一到龍潭站,都花滿多的時間,修理電腦或天線.實在是龍潭地勢較高.濕度和風都很大.電腦的硬碟或介面,時常當機.從去年觀測流星到今年的太陽.我的硬碟已經壞了3個.損失慘重.

我設計好的觀測系統,主要是觀測F層和D層的電離變化,原設計是使用10MHz的頻率,因為此頻率可以看出其臨界最高工作頻率的變化.也就是白天,一般情況是吸收到10MHz的臨界頻率值.10MHz以下的頻率均被D層吸收.但晚上則降至2MHz以下.這樣最容易觀測太陽的變化.

但是10MHz的電台被大陸和我國的WWV時間標準電台給蓋台.同時也有一些國內的短波電台,如此近的電台,單以地波就會蓋住微弱的太陽雜訊和遠方的電台訊號.我發現15MHz也一樣(15MHz的wwv就在中壢)..哈哈....

同時天線的問題很大.無法有效除去地方和人為的干擾(Dipole天線).這樣在接收電離層的背景波雜訊時,會出現此變化是人為或是太陽所引起的疑問.

試驗的結果,和GOES的資料無法分析出電離變化.努力了1個月.最後放棄10,15MHz的頻率.使用20MHz的頻率.這是接近HF電波穿透F層的最高臨界頻率(約在22-23MHz,超過此頻率會有穿透電離層現象).但20MHz因為對D層的吸收變化沒有10MHz敏感(Sensitive),也就是電波傳導特性比10MHz好.(很多時候,無線電天文觀測者所要求的和無線電火腿是相反的!流星觀測對Es的要求也是一樣...)所以很難觀測微量變化(太陽有微小爆炸的變化).但我也沒有更好的辦法啦...所以此系統和"台灣"只能檢出較大的M1-5級閃燄爆發.

所設計的系統測定原理是利用電離F,D層對20MHz的物理特性,接收其兩層電離後表現在背景電場強度的變化.此時變化,利用接收機的音頻輸出,此信號改變為電壓大小.(線性正比),此類比變化再轉為數位輸出信號.進入電腦作為記錄和數據存檔.

現在12月,設備已經全天候進行觀測.對於電離層的電場變化和太陽X光線能量的變化有同步數據反應.並已檢出太陽較大閃燄爆發的時間和規模.但太陽的電波觀測為長期的工作,需要有更多的觀測記錄才會對太陽有進一步的了解.

龍潭太陽觀測用系統設計簡圖:

本系統於民國89年8月開始建立,10月初完成硬体系統,10月中完成軟體和架設完成.

 

NOAA Space Weather Scale for Radio Blackouts

美國NOAA-無線電傳導影響狀況表

Category 種類

Effect 影響狀況

Physical measure 物理量測數據(單位)

Average Frequency
發生頻率

(1 cycle = 11 years)1循環為11年

Scale 等級(R1-R5)

Descriptor 說明

Duration of event will influence severity of effects在發生期間會影響的狀況

 

 

Radio Blackouts無線電"斷電"(斷訊)

GOES X-ray peak brightness by class (and by flux*)Goes氣象同步衛星偵測X光峰值的亮度等級

Number of events when flux level was met;
(number of storm days)發生風暴維持的天數

R 5

Extreme 極端情況

HF Radio:Complete HF (high frequency**) radio blackout on the entire sunlit side of the Earth lasting for a number of hours. This results in no HF radio contact with mariners and en route aviators in this sector. HF頻率(**包含高頻部份)全部斷電發生於地球向光面全部的地區.發生時間約在幾小時,會讓航海和天空飛航的通訊任務斷訊.

Navigation: Low-frequency navigation signals used by maritime and general aviation systems experience outages on the sunlit side of the Earth for many hours, causing loss in positioning. Increased satellite navigation errors in positioning for several hours on the sunlit side of Earth, which may spread into the night side.

X20
(2 x 10-3)W·m-2

Less than 1 per cycle

  少於1個循環(11年).11年內少1次發生機率.

R 4

Severe 劇烈情況

HF Radio: : HF radio communication blackout on most of the sunlit side of Earth for one to two hours. HF radio contact lost during this time. HF通訊斷電會發生在地球向光面大部份地區約1-2小時間.

Navigation: Outages of low-frequency navigation signals cause increased error in positioning for one to two hours. Minor disruptions of satellite navigation possible on the sunlit side of Earth.

X10
(10-3)W·m-2

8 per cycle
(8 days per cycle)

1個循環(11年)內有8天發生的機會.

(每11年約有8次發生的機會) 

R 3

Strong強烈情況

HF Radio: Wide area blackout of HF radio communication, loss of radio contact for about an hour on sunlit side of Earth. 在地球向光面會有廣汎地區發生HF無線電斷訊情況,此發生時間在1小時內.

Navigation: Low-frequency navigation signals degraded for about an hour.

X1
(10-4)

175 per cycle
(140 days per cycle)

11年內約140天會發生.

(每11年約發生175次的機會)

R 2

Moderate 中型情況

HF Radio: Limited blackout of HF radio communication on sunlit side, loss of radio contact for tens of minutes. 向光面的地球僅有少部份地區有發生HF通訊斷訊的情況,發生時約在數十分鐘之內.

Navigation: Degradation of low-frequency navigation signals for tens of minutes.

M5
(5 x 10-5)

350 per cycle
(300 days per cycle)

11年內約有300天會發生的機率.

(每11年約發生350次的機會)

R 1

Minor 小型情況

HF Radio: Weak or minor degradation of HF radio communication on sunlit side, occasional loss of radio contact.

在向光面的地球發生HF通訊斷訊的機率較少,屬於偶發性斷訊.

Navigation: Low-frequency navigation signals degraded for brief intervals.

M1
(10-5)

2000 per cycle
(950 days per cycle)

11年內約有950天會發生.

(每11年約有2000次發生的機會)

* Flux, measured in the 0.1-0.8 nm range, in W·m-2. . Based on this measure, but other physical measures are also considered.X光在0.1-0.8nm波長範圍,使用單位為= Watt·m-2.但其它的物理測量方式也可接受和考慮.


** Other frequencies may also be affected by these conditions. 其它的通訊頻率也同樣會受此物理現象(X光強度)所影響.

***向光面為地球受太陽光照射白天地表的電離層.夜晚的電離層無D層存在(電離濃度極低),HF層受到X光影響變化不同時受光面.

****.以上圖表資料為NOAA提供,並由筆者翻譯為中文說明.

2000年12月8日.曹永杰.台北