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太空科學博士李奕德的極光關鍵字：磁暴會造成什麼後果？全球極光大爆發為何還會持續2年？太空天氣怎麼觀測？
刊出日期 2024.06.18
我是太空科學博士李奕德，目前在中央氣象署擔任研究員。從我博士畢業之後，就投入在太空環境監測和預報的工作，已經快要10年囉。同時間我也做了很多太空科學的知識推廣，希望讓大家可以瞭解太空環境可能對人造衛星之外，對我們的生活還會有什麼樣的影響。
我們現在錄音的當下是2024年的5月，在這個月初、接近母親節的時候，發生了一件轟動全球的太空現象，很多地方的人都看到了平常看不到的「極光」。極光因為色彩繽紛、而且通常只有在地球上特定的地方才可以看得到，所以常常被認為是「幸福」的象徵，但從我們科學家的角度來看，極光的發生，是因為高空中帶電粒子跟大氣碰撞，還有一些磁場的交互作用之下所產生的特殊現象。而且當極光發生的時候，也會對地球產生電力和通訊的影響。
極光看起來就像是天空中被大片的光彩所籠罩著，常見的顏色可能有綠色、紅色、粉色、紫色甚至是藍色，因為顏色非常多，又帶點雲霧的感覺，讓人感覺到非常地夢幻。但你知道嗎？其實第一張極光的照片是黑白的！它是130多年前、1892年的時候，由德國天文學家馬丁・布倫德爾（Martin Brendel）在斯堪地那維亞半島所拍攝的照片。因為早期沒有彩色的相機，只有底片，一直要等到1953年的時候，我們才能看到第一張彩色的極光照片。
不知道各位同學會不會好奇，到底極光是怎麼樣出現的？為什麼又這麼地少見？但是今年5月為什麼又突然間在全世界都看得到呢？ 在這集《少年報導者》Podcast節目，我會帶你認識有關「極光」的5個新聞關鍵字。
＃太陽黑子
首先來到我們今天第一個關鍵字「太陽黑子」。不說可能很多人不知道，極光真正的起因其實和太陽有關！事實上，極光現象會發生，是因為太陽表面的活動影響了地球，讓很多的帶電粒子從太空衝進地球的大氣層，跟地球大氣交互作用之後，所釋放出來的能量產生了極光。
那太陽黑子又是什麼呢？其實那是太陽表面上人類肉眼唯一能夠看見的一種特徵。雖然我們平常看到的太陽很亮，但是如果透過特殊的裝備來看太陽的話，你會看到太陽表面上會有一些黑斑的出現。這些黑斑其實是太陽表面，它的結構有一個叫做「光球層」，那它上面呢因為溫度比較低、磁場也比較強，所以它發出來的光就沒有那麼地亮，我們看起來就有點像是黑斑。那個黑斑，我們發現那是在太陽的上面，我們就稱之為「太陽黑子」。 不過，實際上太陽黑子是太陽表面上能量很強的區域，所以一但它累積的能量瞬間釋放出來，就會產生所謂的「太陽風暴」，除了造成太陽輻射短暫地增強，也會拋射出大量的帶電粒子到太空當中，這些帶電粒子，我們就稱之為「日冕物質拋射」。
從歷史上長期的觀測來看，太陽黑子的數量有它的週期性變化，平均大概以11年左右為一個週期。如果我們從1755年開始算起，目前就是太陽活動的第25個週期，它是從2019年開始。
科學家估計，在這個週期中，太陽黑子最多的時間會落在2024年到2026年之間，甚至還會比前一個週期還要更多。也就是說，太陽的輻射會比較強，活動會更加地劇烈和頻繁，自然而然，後續極光發生的亮度和規模也就更大、更廣了。
為了方便我們分析太陽黑子，每一群被記錄到的黑子，我們都給它1個編號。在今年5月造成極光大爆發的黑子群，編號是AR3664，它的活躍區域直徑超過20萬公里，面積也達到36億平方公里，跟地球相比，足足可以容下29個地球，可以說是非常巨大的太陽黑子群。
而就在我們今天錄音的5月31號，這群黑子隨著太陽的自轉，又繞了1圈，再度轉回到面對地球的方向，它有了一個新的編號AR3697。這也讓我們所有觀測太陽的人再度繃緊神經，不知道這群黑子會不會再度作怪，或著又為地球上帶來炫麗的極光。
＃地球磁場
地球內部的核心會產生一個磁場，讓地球就像一塊大磁鐵，有所謂的N極和S極。而地球也被肉眼所看不見的磁力線緊緊包覆著，而這個受到地球磁場所保護的區域就叫做磁層。
我們前面提到，太陽黑子多的時候，太陽活動愈來愈活躍，會出現許多的太陽風暴，從太陽表面噴出相當多的帶電粒子。其實太陽平常表面也是會有帶電粒子吹拂而出，形成所謂的太陽風，所以我們不只有太陽光，還會有太陽風。當這些粒子吹到地球的時候，其實不會直接吹到地表的生物，那是因為地球的磁層就可以像是一把保護傘，幫地球擋住這些帶電粒子的吹襲。
但是當太陽風暴太強烈的時候，這些帶電粒子的速度跟密度都會增加，衝擊的力道也會變得更強。磁場就會受到這個力量強力的擠壓，讓磁層的位置更加靠近地球。在這樣的作用下，原本位在磁層內的帶電粒子，也會被加速而順著磁場線往下衝到地球南北兩極的大氣層，進而形成炫麗的極光。
不過要記得喔，地磁的兩極跟地理上的南北極是不一樣的。我們以地球來說的話，地球磁場的軸線和地球的自轉軸大概有11度的夾角，以北半球來說的話，地磁的磁極是比較靠近歐美地區。
所以如果我們比較同樣位於北緯23度的墨西哥來看，墨西哥的地磁緯度是38度，而台灣的地磁緯度卻只有15度。這也就是為什麼今年5月極光大爆發的時候，在墨西哥的人可以看到極光，但同樣緯度的台灣卻什麼都看不到。
再跟各位補充一個小知識，太陽系裡面，只要是具有磁層的星球，都會有機會出現極光唷。所以我們在望遠鏡的觀測裡面，像是木星、土星和天王星，也都會在太陽風暴發生的時候看到極光現象。
＃磁暴
要跟各位特別提到的是，磁「暴」是沒有火字旁的「暴」，它不是「爆炸」，它代表的是劇烈的變化。
所以我們前面提到，當太陽發射的帶電粒子襲擊地球，地球的磁場會被擠壓，而我們在地表上就會看到磁場出現各種變化，為了要衡量這些地磁擾動的變化，科學家訂出了一個監測的數值，叫做Kp值。
Kp值它是利用13個位在高緯度地區的地磁觀測站，它所觀測到的數字，那如果直接看地球磁場的變化，其實很難看得出來到底哪個測站的變化是大還是小。所以科學家又進一步把這些變化分成0到9不同的等級，當Kp的值超過4，就發生所謂的「磁暴」。
一般來說，Kp值超過4的磁暴，一年平均大概會發生十幾次左右，最少的時候可能才3、4次。不過如果我們從歷史上來看，在太陽黑子的活躍期，1年甚至會出現超過上百次的磁暴事件。
而磁暴發生之後，往往就會造成大規模的極光現象。因此，在國外有一些專門提供追逐極光的網站或是手機App，他們除了會提供天氣的資訊之外，也會提供Kp指數，讓你了解今天晚上看到極光的機率有多少。
不過，雖然有磁暴的時候，看到極光的機會會增加，但是對於民眾也會有一些影響。像是今年5月，Kp值已經達到9的劇烈磁暴，就有可能造成衛星定位、無線電通訊、電力這些系統出現異常的情況。歷史上有名的事件包含像是1952年的磁暴，就造成紐約地區的鐵路訊號異常、2004年的萬聖節磁暴也損害了不少人造衛星。
而眾多的事件中，影響大家最嚴重的，應該就是1989年3月的磁暴事件。這個磁暴事件導致加拿大魁北克的電力系統故障，造成9個小時的停電。北半球的3月可是寒冷的冬天，這場停電總共影響的人數高達600萬人，也讓我們進一步了解到，原來太空環境的變化跟我們之間的生活是有密切關係。
而至於太空中的變化為什麼會造成這些影響呢？當輸電網路或是電子儀器受到影響的原因，主要是地球磁場在短時間內出現劇烈變化。在物理現象當中，這樣的磁場變化會讓導線裡面產生一種感應電流，如果你的設備或儀器沒辦法負荷這些突然出現的電流，就可能會造成儀器過熱、短路，或是進一步造成電子設備晶片的損害，讓這些設備產生故障，甚至是導致大停電！
＃極圈
「極圈」指的是地球緯線大約66.5度所圍成的圓圈。北半球我們稱之為「北極圈」，在南半球的稱之為「南極圈」，是太陽照射地表最北跟最南的界限。
如果要觀賞極光，也差不多是在這個範圍裡面，不過如果我們要更準確地來說，其實極光發生的位置應該叫做「極光圈」或「極光橢圓圈」，而這也跟剛剛所講到的磁場有關唷。
在北極所發生的極光叫做北極光、南極看到的就是南極光。咦？我們好像比較常聽到北極光，很少聽到南極光？這是因為極光圈通過，在北半球經過的陸地跟城市比較多，所以我們有的極光紀錄相對也增加不少。比如像是阿拉斯加的費爾班克斯（Fairbanks），它就是個極光出現機率最高的城市，一年幾乎有三分之二的時間都看得到極光，被稱為北極光的首都。另外在北半球，像是北歐的冰島、格陵蘭、芬蘭、挪威、瑞典，還有加拿大的黃刀鎮（Yellowknife）等等，都是很常看得到極光、非常熱門的城市和景點。但南半球平常的時候極光大概就只會發生在南極大陸的邊緣上，除非是遇到很大的磁暴，才有機會在紐西蘭的南島或是澳洲南方看到極光。
不過，就算在極光最常見的地區，我們也不是每次都能成功看到極光，老師我就曾經撲空過。要觀賞極光的條件，除了太空當中的太陽活動之外，不要忘記你也要留意天氣的變化，因為極光的高度是距離地球表面80到100公里的一種現象，所以如果遇到多雲或是下雪的天氣，就無法穿透雲層看到美麗的極光。當然，也別選擇永晝的夏天去，不然就只剩下陽光而沒有極光囉！
至於，如果幸運追到美麗極光、想拍攝下極光的繽紛色彩，建議準備高感光度、夜拍效果好的相機，跟看星星一樣找找比較沒有光害的地點，肉眼如果看到有不明顯的極光，也可以試試看長曝光，多曝個幾秒鐘也許會有意外的驚喜。畢竟在追極光的現場，最常聽到的一句話就是「你有看到嗎？」所以當你要去追逐極光的時候，除了注意天氣的變化，也別忘記上網查一下太空天氣的現況，才能知道今天的極光到底強不強。
＃太空天氣
你可能會覺得，我身為一個中央氣象署的研究員，我的工作是做天氣預報，預測明天的氣溫、會不會下雨、颱風會不會來。但其實我主要的專長是研究太空當中的天氣變化。
太空的定義，是距離地表100公里以上，可以一直延伸到太陽系，在這個範圍並不是什麼都沒有，也不是真空的狀態。它還是會有一些帶電粒子或是磁場的變化，而這些所有的變化，我們就統稱叫做太空天氣。因為它就像天氣一樣，每天會有陰晴圓缺，會有風火雷電，有各式各樣的變化和情形。
這裡面一路包含中氣層、熱氣層，甚至是充滿帶電粒子的電離層，一直延伸到地球的磁場。而行星和行星際之間的範圍，我們就稱之為「行星際空間」，然後一直到太陽。
哇，太多了對不對？這些所有變化都是太空天氣的領域呢！而我們在氣象署也有很多特別的儀器，可以從地表上觀測太陽的變化，觀測地球磁場的變化，我們每天也會描繪太陽黑子的形狀跟數量，最後搭配人造衛星回傳的資料，讓我們做更精準的分析和判斷。
不過，極光的預測還是很困難的！雖然我們能夠從人造衛星的影像上看到太陽風暴的發生，不過地球相較於太陽，直徑僅僅只有百分之一，距離也有1億5,000萬公里之遠，從太陽噴發出來的帶電粒子究竟會不會擊中地球，我們其實從有限的資訊是很難精準地估算出事件來的。
所以呢，雖然從太陽表面到地球，太陽風暴大概會需要3到4天的時間傳播，但我們唯一能夠提供準確資訊的人造衛星，其實要到距離地球150萬公里的地方才有。150萬公里聽起來好像還很遠，可是實際上我們所剩下的預警時間就只剩下50分鐘左右。這也正是磁暴特報大概只能提早1至2天發布，卻很難真正掌握極光發生的規模。就像是今年5月份的磁暴，其實也比我們預報還要來得更大、更強，極光發生的範圍，也比我們預期的還要更廣。
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