太空電漿模擬立大功 - 成大解開福衛二號科學酬載影像高度誤差之謎
台灣自2019年啟動第三期「太空科技長程發展計畫」,預計10年內投入新台幣251億元經費,全力發展尖端太空任務,建立臺灣自己的太空產業。這個以技術開發為主軸的規劃藍圖背後,除了追求工程上的精進,也需要有紮實的理論基礎支持,有時甚至需要藉由理論模擬來突破技術層面瓶頸。成功大學太空與電漿科學研究所研究團隊,從太空電漿物理最基礎的理論出發,透過衛星影像的幾何關係,重建大氣暉光影像應有的原始樣貌,成功解開衛星側拍影像長期以來存在的高度誤差之謎,更為未來衛星任務規劃,提供預先修正的解決方案。該研究成果已經於2021年10月發表在美國地球物理科學期刊。
福衛二號從2004年升空後,所搭載的科學酬載(ISUAL)亦從2006年開始進行長期的夜間大氣暉光觀測,因ISUAL觀測屬於側拍模式,很快的研究人員即發現,影像所定義出的暉光發光層高度與過去認知的高度存在將近20公里的誤差,然而暉光發光層高度分布範圍也不過約50公里,這樣的誤差足以將暉光暗區誤判為暉光亮區。經過研究人員反覆驗證衛星數據與計算公式,仍毫無頭緒。
成功大學太空與電漿科學研究所談永頤教授、張滋芳助理教授、江致宇博士後研究員以及黃垎禎研究生花了兩年的時間,利用太空物理中電漿化學反應機制,建置全球的暉光強度資料網格點,接著進行基礎光學的幾何影像重建,最終將衛星拍攝區域的輻射光通量完整反演而獲得模擬影像。經過進一步比對研究後發現,衛星進行影像側拍時,低於暉光發光層邊界高度的區域,會有更強的光疊加效應,使得整體發光層呈現高度降低的積分結果。該研究所提供的模擬影像修正方法,不單只應用在ISUAL影像上,凡是所有側拍的衛星數據皆可透過此方式重建資料,甚至可以提供未來相關的衛星任務預先修正模式。
主導此研究的談永頤教授表示,各項太空科學研究都必須建立在數據的正確性上,因為不正確造成錯誤的分析解讀,很可能影響接續任務的規劃方向。從事衛星酬載設計開發的共同作者張滋芳助理教授也表示,酬載所回傳的數據資料在每一個環節都必須小心以對,若無法被正確判讀,可能失去衛星儀器開發的意義和價值。
福衛二號已經於2016年正式退役,長期累積的科學資料隨之停止收集,連帶的資料被使用率也大幅下降。透過這份研究所提供的分析公式,不但能讓研究者自己輕易且快速的獲得局部空間圖像,更能重新點燃科學家對ISUAL數據的興趣,相信這個研究能讓台灣衛星為太空科學界作出更多貢獻。
瞭解更多:
論文:Retrieval of Airglow Emission Rates in Analytical Form for Limb-Viewing Satellite Observations at Low Latitudes,2021年10月發表於《Journal of Geophysical Research: Space Physics》美國地球物理科學期刊。
論文作者:談永頤、江致宇、黃垎禎、張滋芳。
補充資料:Supporting Information for “Retrieval of Airglow Emission Rates in Analytical Form for Limb-Viewing Satellite Observations at Low Latitudes”,
作者:談永頤、江致宇、黃垎禎、張滋芳。