chapter2 - 国立中央大学太空科学研究所.doc

2. 行星際太空 (The Interplanetary Space) 人類最初所認知的太空環境，認為那是一個空無一物、黑暗無光的真空環境。但隨著各式各樣的觀測紀錄與陸陸續續進行得太空探索，科學家逐漸地瞭解太空環境的真相。原來在行星際太空中，大多數的物質是以物質的第四態—電漿態(plasma)所存在。這些電漿主要是由太陽所產生，再藉由太陽風傳送到星際空間的各個角落。除了這些電漿物質之外，行星際太空中還包含著八大行星、流星、隕石、彗星與最近科學家熱門研究的暗物質。而整個行星際太空就是以太陽風與太陽磁場所能影響的範圍，而這個範圍內科學家又稱之為日磁層(Heliosphere)(圖4-1)。直到西元2011年，於1977年所發射的航海家一號太空船，根據太空船所搭載的科學學儀器量測結果，確定抵達日磁層頂(Heliopause)的位置，約距離地球120個天文單位(180億公里)之遠。 2.1 物理參量 (Physical parameter) 由於太空環境鐘高達90%的物質都以電漿態存在，因此若要深入地了解太空環境，首先就先得認識電漿的各種特性。電漿態不同於基本的物質三態(固態、液態、氣態)，電漿主要為中性氣體受到外加的能量進而離化後形成(圖4-2)，所以是由帶電粒子所組成，因此電漿可以與電磁場相互作用。不僅如此，由於電漿粒子是由中性物質離化而形成，所其中所具有的正電粒子與電子(負電)所具有之總電荷相當，而可維持電中性，稱之為「準中性(quasi-neutrality)」。藉由電漿中所存在的自由電子，使得電漿也具有超導體的特性。最後，由於正負電荷粒子之間會相互吸引，使得電離運動具有群體效應。總結來說，電漿的四個主要特徵即為：(1)物質第四態、(2)準中性、(3)電與熱之良導體以及(4)群體效應。以下就太空環境中常用以描述電漿特性的參數加以說明與介紹。 2.1.1 旋繞運動 (Gyro-motion) 當具有初度速的帶電粒子以垂直磁場方向進入均勻磁場時，粒子會與磁場產生交互作用，產生偏轉而改變其原先的運動方向。當粒子偏轉後，若仍然位再均勻磁場所能影響的範圍，使此電磁力可持續維持影響帶電粒子的運動，便會造成粒子在磁場內進行圓周運動，其運動狀態與作用力之關係描述可寫成： (2.01) FB為帶電粒子所受到的電磁作用力、m為粒子的質量、q為所帶電荷並描述電性、B為均勻磁場強度、V為粒子進入磁場的初速度。由2.01式可得知帶電粒子在磁場中的旋繞半徑(rH, gyro-radius)可以表示為： (2.02) 而速度又可用半徑r和頻率ω表示，故其圓周運動的旋繞頻率(ωH ,gyro-frequency)則為： (2.03) 當帶電粒子以平行磁場方向進入均勻磁場時，則不會產生旋繞運動，繼續平行磁場方向運動。 2.1.2 平均自由程 (Mean free path) 　　對於單一粒子而言，在其不受外力自由運動的過程中，會有機會與其他的粒子相互碰撞。而每一次碰撞之前粒子所能移動的路徑都不盡相同(圖4-4)，而其在兩次碰撞間所能移動的平均距離，便稱之為「平均自由程 (mean free path)」，可以透過粒子的平均速度與碰撞頻率表示成： (2.04) 從平均自由程中可以得知粒子在運動過程中和其他粒子相互碰撞的情形。若是將電漿粒子在磁場中運動一併考慮時，除了粒子本身的自由運動之外，還有受到磁場影響而產生的巡繞運動。當平均自由程遠大於粒子在磁場中的旋繞半徑，表示粒子在運動過程很不容易與其他的粒子產生碰撞現象，故可稱之為「非碰撞性電漿 (collision less plasma)」；反之若平均自由程小於粒子在磁場中的旋繞半徑，粒子在旋繞過程中便較為容易和其他粒子發生碰撞，故將這樣條件下的電漿稱之為「碰撞性電漿 (collision plasma)」。 2.1.3 標尺高 (Scale height) 而要描述一個特定環境中的電漿粒子分布情況，除了單純使用粒子密度界定外，也可以使用標尺高來描述。首先，氣體壓力隨著高度的變化量可以利用流體靜力方程式(hydrostatic equilibrium equation)加以描述： (2.05) 其中ρ為氣體密度、g為重力常數。再藉由理想氣體方程式pv=nkT，進一步改寫(4.05)式成為： (2.06) 其中n為粒子密度、m為粒子質量、k為波茲曼常數、T為粒子溫度。整理後可以得到 (2.07) H即為標尺高。可以藉由不同物質或者不同狀態下的標尺高，判斷物質的質量大小或溫度的高低。對電漿而言，需考慮正離子與電