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太空天氣對極地航線的影響

太空天氣對極地航線的影響

莊民諾
2025年1月

2024年10月上旬至中旬發生了劇烈的太陽活動,當時一些中緯度地區如北京罕有地觀測到極光 [1]。在這壯觀和驚艷的景象背後,航空公司卻要評估太陽活動對飛行安全造成的威脅,以及對一些航班的飛行路線作出調整。由於地球的形狀很接近一個球體,從紐約飛往香港的最短航線是取道北極一帶(圖一,上)而非跨越太平洋或大西洋 [2],但在10月份的劇烈太陽活動下,航班不得不改道以避開北極附近的區域,航線因而需要延長,導致航班途中要停日本關西機場加油及替換機組人員(圖一,下)才可繼續航程,整個航程的時間大大增加了約6小時。除了航程延長外,太空天氣還會對極地飛行的安全造成甚麼影響?
太陽表面出現劇烈活動時,太陽會向太空噴發出大量高能量及帶磁場的物質,包括質子及等離子。這些物質的傳播速度各異,若能成功抵達地球的磁場,質子只需要30分鐘到數小時,等離子則需要約20至90小時。這些物質會沿著地球的磁場被引導並滲透到北極和南極一帶的大氣層中,所以極地一般會較受太陽活動直接影響。對地球來說,高能量的質子會帶來太陽輻射風暴,而等離子會帶來地磁暴,極光是地磁暴衍生的主要現象之一。上述兩種太空天氣現象有機會同時發生,各自的持續時間從數小時到數天不等。
根據美國太空天氣預報中心,10月份劇烈太陽活動所造成的太陽輻射風暴及地磁暴分別達到S3(強)及G4(嚴重)級別 (兩者均以第五級為最嚴重,太空天氣分級可參閱以下連結[3]。在太陽輻射風暴期間,部分高能量的粒子會進入極地的大氣層,在高緯度地區飛行的航機內的乘客和機組人員會暴露於較高的電離輻射風險中。同時,高能量粒子與大氣層碰撞有可能在電離層底部產生一層自由電子,並會吸收高頻無線電波,阻礙甚至中斷航機通訊 [4]。而在地磁暴期間,外來能量會使電離層加熱從而改變其密度,電離層密度分布不均會影響無線電訊號的傳播路徑,干擾航機內的全球導航衛星系統及通訊系統 [5]
極地航班出發前,航空公司有需要參考不同太空天氣中心發出的資訊和預警,確保航班和乘客的安全,並為可能影響飛行安全的太空天氣制定後備方案,例如航線改道或停飛。
Figure 1
圖一  紐約至香港航班原有航線(上)及改道後航線(下)。(資料來源:Flightradar24)