今年國慶慶典期間，受到「電離層閃爍」（ionospheric scintillation）的空間天氣（space weather）現象影響，維多利亞港上空的幾次無人機表演被逼取消，但深圳的無人機表演卻能夠在稍作延遲後順利進行。很多市民都覺得疑惑，以為香港的無人機技術比人差，甚至猜估背後有不能說的秘密。反映大家對「電離層閃爍」這個相當技術性的術語感到陌生，而且對一河之隔的香港和深圳會有這麼大的差異感到困惑。
筆者今期邀得劉志趙教授一同撰文，介紹空間天氣與氣候。
| 劉志趙博士，香港理工大學土地測量及地理資訊學系教授、系副主任（對外交流），長期從事 GPS/GNSS 精密定位導航、電離層閃爍監測、空間天氣對飛行導航的影響、大氣水汽遙感及其對AI和數值天氣預報的影響等方面的研究。 他是香港天文台科學顧問、香港氣象學會理事和終身會員、香港工程測量師學會會士、中國氣象局氣象探測中心首席科學家、加拿大地理資訊學會香港分會首任會長。 |  |
空間天氣也可以影響氣候，多年前也曾有氣候懷疑論者（climate skeptics）提出氣候變化是受包括空間天氣等自然因素所引致的。我們借這個機會回顧一下。
什麼是空間天氣？
眾所周知，由強太陽活動引發的太陽風，甚至地磁暴等空間天氣現象，通常對高緯度地區的影響最大，例如帶來極光（圖 1），有時也可能導致某些長途航班從慳油的極地航線重新規劃到較低緯度航線，以避免可能引起的導航、通信和輻射帶來的健康問題。今年 10 月 9 日一班從紐約飛往香港的國泰航機就是因地磁暴影響而需要改道並短暫停留大阪，導致約兩小時的延誤。
在更強的事件中，例如 1989 年 3 月的地磁暴，導致加拿大魁北克的電力系統癱瘓至少 9 小時。據報導，美國佛羅里達州也出現了極光。包括 GEOS 氣象衛星在內的幾顆衛星在幾個小時內失去了控制或數據傳輸，無線電通信在世界許多地方也受到了影響。2003 年 10 月的另一次強烈事件甚至損壞了地磁緯度相對較低（磁南緯 40 度左右）的南非的 12 台變壓器。
迄今為止觀察到的最極端的太空天氣事件，被稱為卡靈頓事件（Carrington Event），發生在 1859 年 9 月 1 日至 2 日。儘管當時電力沒有被廣泛使用，但電報線出現火花，導致北美、歐洲甚至澳大利亞和亞洲部分地區的電報網絡在該兩天無法運作，極光甚至出現在巴拿馬附近（磁北緯約18度）。據估計，此類極端事件如果再次發生的話，估計會為美國造成 約 0.6-2.6 萬億美元的經濟損失。科學家相信魁北克和卡靈頓事件的重現期，分別約為 50 年和 200 年，與很多天災的重現期相約。
什麼是電離層閃爍？
香港所在的華南地區，由於地磁緯度較低（約北緯 15 度），我們不太容易受到太陽風暴帶來的空間天氣影響。然而，我們位於赤道電離層異常區域（equatorial ionospheric anomaly region）附近的獨特位置，容易受到電離層閃爍的影響（圖 4）。擾動現象包括赤道等離子體泡（equatorial plasma bubble EPB）可能在日落後在電離層（*1) 中產生，並在黃昏後在該區域持續數小時。當太陽活動相對較強時，這種現象會變得更加頻繁。研究還表明，電離層閃爍也具有季節性變化 ⋯⋯ 在中國的低緯度地區，春季最頻繁，其次為秋季。
（*1) 電離層是地球大氣層的上部，高度在 60 公里到 1,000 公里之間，由等離子體或自由電子組成。
電離層閃爍如何影響導航系統
我們都熟悉 GPS（全球定位系統），這是美國開發的第一個具有全球定位能力的系統。隨著其他三個全球定位系統（俄羅斯的 GLONASS、歐洲的 Galileo 和中國的北斗）的發展，涵蓋所有 4 個系統的全球導航衛星系統（GNSS）一詞變得越來越普遍。雖然我們經常說智能手機使用 GPS 進行導航，但它們也可能使用來自北斗和其他 GNSS 衛星的信號。
當 GNSS 衛星從地球上空約 20,000 公里處傳輸電磁信號時，這些信號必須穿過電離層，然後才能到達地面或空中的 GNSS 接收器，例如我們的智能手機、無人機和商用飛機中的接收器。當電離層閃爍發生時，GNSS 信號穿過 EPB（EPB 的大小通常從幾十米到幾十公里不等）可能會出現急劇波動，嚴重影響信號品質⋯⋯令信號強度降低到原來的 1% 或更低。這將導致定位誤差增加，嚴重時會導致接收器完全失去衛星信號，從而無法進行定位和導航。
電離層閃爍的細小範圍，可能就是香港（主要是維多利亞港）與深圳出現不同情況的因素之一。事實上，地政總署測繪處的兩個全球導航衛星系統監測站，在無人機預定表演期間及前後錄得重大定位誤差， 證實香港上空存在電離層閃爍。但由於 EPB 的範圍比較細小，對於個別用戶的實際影響，會視乎 EPB 的位置和分佈以及用戶的相對位置（圖 5）。
空間天氣會否引致氣候變化？
太陽是驅動地球氣候系統的能源，由於太陽光照射在地球表面的分佈不均勻（由於地球的球形和軸的傾斜），再加上地球圍繞太陽的公轉，令地球的氣候出現周期性的變化。雖然太陽在很大程度上影響地球的氣候，由太陽引起的氣候變化發生在以數十萬年的時間跨度上。而我們在過去幾十年所觀測到的急速全球變暖，並不能夠從到達地球大氣層的太陽能量（稱爲太陽輻照度）的變化得到解釋。事實上，美國太空總署的衛星觀測表明，在過去 40 年左右，太陽輻照度實際上一直在下降。（圖 6）顯示，全球氣溫上升的趨勢與太陽輻照度的趨勢不同。
太陽產生的能量在 11 年的週期中有所不同。在週期的高峰期，稱為太陽極大期，太陽非常活躍，有許多太陽黑子和太陽風暴。高峰期過後，太陽活動會減少，直到達到太陽極小期。即使考慮到太陽活動的這些起伏（圖 6 中的黃色綫），近期太陽輻照度的變化也不足以解釋當前的氣候變暖（圖 6 中的紅色綫）。
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