電離層電漿及電動效應儀
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資料簡介

簡介

電離層電漿及電動效應儀(Ionospheric Plasma and Ｅlectrodynamics Instrument，IPEI)為福爾摩沙衛星一號(FORMOSAT-1)的一項科學酬載，其中包含四個探測儀，分別為離子收集器(Ion Trap)，用於量測正離子密度；一對離子流向量測儀(Ion Drift Meter)，量測項目為正離子水平與垂直入射角；以及阻滯電位分析儀(Retarding Potential Analyzer)，用於量測正離子溫度與沿衛星行進方向之正離子速度分量。藉由這四個探測儀，可推算福爾摩沙衛星一號在電離層中飛行路徑上的正離子密度、速度和溫度。以空間分布來說，福爾摩沙衛星一號可在地球南北緯35度內、高度600公里的電離層進行全球觀測，也可對靠近台灣上空之赤道異常現象(Equatorial Ionization. Anomaly，EIA)進行研究，對於台灣地區高頻電波通訊品質將有極大助益。長時間而言，其在軌道中運作時間長達五年半，足以提供季節變化之資料；如以短時間而言，除了正常模式可提供每秒32個資料點之正離子密度、水平及垂直入射角與每秒1個資料點的正離子溫度之外，在快速模式下將可提供解析度高達每秒1024個資料點正離子密度、水平及垂直入射角與每秒2個資料點的正離子溫度資料。如果以衛星每秒鐘約飛行8公里，則表示電離層電漿及電動效應儀將可提供大於1.5公尺的離子密度與流向變化。透過電離層電漿及電動效應儀收集的資料，研究電離層的學者能夠進一步探討電離層小尺度的電漿動力現象，了解赤道地區電漿不穩定所產生之電漿泡(Plasma bubble)。此外，台灣的研究者也可以配合全球赤道附近低緯度高空雷達和美國太空總署(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的TIMED任務(Thermosphere • Ionosphere • Mesosphere • Energetics and Dynamics mission)在2001年12月發射之高緯度衛星，共同研究全球電離層之電漿及電動效應，進而對國際日地環境物理研究提供獨特且完整的數據及先進的科學研究成果。

福爾摩沙衛星一號電離層電漿及電動效應儀的資料分析及處理是由國立中央大學太空科學與工程學系(舊稱太空科學研究所)蘇信一教授的IPEI酬載實驗室科學團隊所負責。目前本資料庫僅提供離子速度、溫度、密度、組成成份、及軌道資訊等的1秒鐘平均資料供使用者下載。

儀器設備

電離層電漿及電動效應儀(如右圖)包含了四個探測儀，分別為離子收集器(Ion Trap)，一對離子流向量測儀(Ion Drift Meter)，及阻滯電位分析儀(Retarding Potential Analyzer)。其可用來量測福爾摩沙衛星一號在電離層中飛行所經路徑上的正離子密度、速度、和溫度等。

離子收集器為一平面裝置(截面圖如圖二所示)，主要目的為量測正離子密度。其孔徑為一直徑六公分的正圓，正離子可由此進入離子收集器。在離子收集器的入口處會鋪上金屬網(G1)與探測儀電位回路相連，以確保進入離子收集器內的離子不會受到水平方向的電場作用。接下來帶電粒子會遇到第二層金屬網——壓制網(G2)，其連結負12伏特的偏壓，可阻止電子從外界進入收集器，同時亦減少因光電效應而產生在收集器上的電子。通過壓制網的粒子會遇到第三層金屬網——屏蔽網(G3)，屏蔽網上有負1.5伏特的偏壓，其目的為壓制收集器上的光電效應並降低雜訊。最後，正離子會進入收集器，由靜電計來估量正離子的通量。在正常模式下，靜電計的擷取頻率為32Hz，在快速模式下則為1024Hz。

離子流向量測儀共有兩個，分別用來量測正離子速度的水平與垂直分量。截面圖如圖三所示。其孔徑為邊長2.8公分之正方形，除了壓制網(G6)會接負12伏特的偏壓外，其餘各網如輸入網(G1)、孔徑網 (G3)、屏蔽網(G4/G5)與收集器皆與探測儀電位回路相連，以確保離子能平穩地進入離子流向量測儀。在一個流向儀中又有四個收集器，分別為 A、B、C及D。當A與B為一組、C與D為一組時，流向儀可量測離子垂直流向；當A與C為一組、B與D為一組時，流向儀可量離子水平流向。

阻滯電位分析儀之截面圖如圖四。入口孔徑為直徑四公分的圓形金屬網(G1)所覆蓋，與上述兩種儀器相同，其與探測儀電位回路相連。在儀器內部有阻滯網(G2)，以控制流入探測儀之正離子的最小能量。改變阻滯網上的偏壓可篩選不同的正離子動能，偏壓範圍由0伏特到正25.5伏特之間，可隨時間逐步調整。若正離子以衛星的速度在運動時，阻滯電壓為0伏特的情況下所有正離子皆可穿越阻滯網；若阻滯電壓在正25.5伏特，則小於原子量60的正離子皆無法穿越阻滯網。負12伏特的壓制網(G3)可以避免電子進入，而屏蔽網(G4)上會加一負1.5伏特的偏壓，防止電子進入並同時降低雜訊。最後通過阻滯網的正離子可到達收集器，並藉由靜電器所計量。

特殊事件

可能有閃電現象發生之觀測資料時段，目前已完成1999年3月至7月之間的資料篩選。茲就依電子濃度的突然增加(型式A)與減少(型式D)作分類，將可能有閃電現象發生之IPEI觀測資料時段分類儲存，以供使用者下載。(葉惠卿教授指導，資料篩選：國立中央大學大氣科學系簡珊萍同學)

型式A

型式D

特別感謝蘇信一老師提供本資料庫電離層電漿及電動效應儀(IPEI)資料。

資料處理

福爾摩沙衛星一號電離層電漿電動儀所提供的資料為ASCII 資料檔。檔名以Julian Day為單位，每天包括一個觀測資料檔及一個軌道資料檔。關於資料的演算及導出過程請使用者參考此文件。目前資料格式分述如下：

觀測資料格式

每個檔案包含該天觀測資料（觀看範例）的每秒平均資料值，檔案內第一列為檔頭，簡單說明每一行資料的格式代號，第二列開始則為所觀測資料之每秒平均值。觀測資料檔每一行的資料格式代號說明如下：

Date_MM
Date_DD
Date_YY

分別代表觀測日期的月、日、年。

HH MM SS

分別代表國際標準時間的時、分、秒。

LH LM LS

分別代表區域（當地）時間的時、分、秒。

Vx_rpy

在人造衛星即地垂直/即地平行(LVLH)座標系統（如右下圖）上的離子速度(m/s) → x分量=沿著人造衛星的軌跡向量方向。

Vy_rpy

在人造衛星即地垂直/即地平行(LVLH)座標系統（如右下圖）上的離子速度(m/s) → y分量=角動量反方向。

Vz_rpy

在人造衛星即地垂直/即地平行(LVLH)座標系統（如右下圖）上的離子速度(m/s) → z分量=朝著地心方向。

Vpar

在地磁座標系統上的離子速度(m/s) → 平行磁場的速度分量。

VperM

在地磁座標系統上的離子速度(m/s) → 垂直磁場的速度-徑向(Radial)分量。

VperZ

在地磁座標系統上的離子速度(m/s) → 垂直磁場的速度-東西向(Zonal)分量。

LogN

基底為10之離子密度(#/c.c.)對數值。

Temp

離子溫度(絕對溫度：K)。

O+

氧離子的組成成份(%)。

H

氫離子的組成成份(%)。

He

氦離子的組成成份(%)。

NO

一氧化氮離子的組成成份(%)。

GLAT

地理緯度(degree)。

GLON

地理經度(degree)。

DipLat

地磁傾角緯度(degree)。

ALT

人造衛星高度(km)。

資料下載

起始時間
結束時間
範圍
儀器

預覽

包括地球上空600公里處之離子速度、密度、溫度、及組成成份之預覽圖。一天有16張圖，每張圖包含90分鐘之每秒平均資料（如圖例）。

相關文獻

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中文

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