監測電離層閃爍

2025年6月12日

林銘津, 梁偉鴻

甚麼是電離層閃爍?

電離層是地球大氣上層位於海拔約80至600公里之間，由太陽的極紫外線和X射線在該處使原子和分子電離，從而形成的電子層。

當電離層的電子密度出現不規則分布時，會形成一些電子密度較低的區域，稱為等離子體泡（Plasma Bubble）。當無線電波穿過這些區域時，會發生折射或散射，導致信號的強度和相位出現快速起伏變化。這種因電離層擾動造成地面接收信號不穩定的現象，稱為電離層閃爍[1]（Ionospheric Scintillation）(圖一)。

受電離層閃爍影響的地區，輕微則降低定位結果的準確性和可信度，嚴重則令衛星定位系統接收器無法鎖定訊號，失去定位功能。

電離層閃爍發生的時間和地點

電離層閃爍除了受太陽活動影響外，也會受地理位置、季節和日際變化所影響。

在低緯度地區，電離層閃爍現象通常在日落後至午夜期間最為明顯。這是因為日落後太陽輻射強度大幅減弱，電離作用隨之下降，導致電離層內電子密度分布變得不均勻，形成顯著的電子密度梯度。與梯度相關的電場在低緯度區域特有的地磁力場作用下，會觸發不穩定性，進而發展成等離子體泡結構，引致電離層閃爍現象。中緯度地區因缺乏此類有利條件，閃爍相對較少，但在強烈的地磁風暴期間也可能發生[2]。

閃爍活動在春分和秋分季節更為活躍，這與太陽直射角度和有利的地磁條件有關[3]。

此外，太陽活動具有約11年的週期性變化，例如上一個太陽週期高峰出現在2014年，當前2025年亦為太陽活動高峰期[4]。在太陽週期的高峯期，太陽活動和地磁擾動增強，電離層閃爍會出現得較爲頻密。

電離層閃爍的監測

天文台於今年3月在京士柏氣象站安裝了一套全球導航衛星系統 (GNSS) 接收器 (圖二)，實時監測電離層閃爍活動。接收器以50 Hz (即每秒50次) 高頻率方式取樣，同步接收全球定位系统 (Global Positioning System)、北斗衛星導航系统 (BeiDou Navigation Satellite System) 和其他導航衛星系統數據。由於電離層閃爍會造成GNSS信號傳播時的強度起伏與相位變動，透過分析接收到的信號變化，便可監測電離層的閃爍活動。

現時國際上一般以電離層閃爍指數 S4 表示電離層閃爍的強度。通過計算在一段時間內衛星信號的標準差與平均值的比值，便可得出該指數。

S4指數代表的電離層閃爍程度可分為三個等級:

輕微閃爍：	S4少於0.3，
中等閃爍：	S4由0.3至少於0.6，
強烈閃爍：	S4達到或大於0.6。

當S4指數達強烈閃爍程度時，會導致衛星定位系統出現較大定位誤差，甚至令定位系統接收器沒法鎖定訊號。

天文台在安裝GNSS接收器後短短數個月內，已成功監測到多次的電離層閃爍現象。其中在今年3月20日春分時分的晚上，錄得本港地區出現一次較強的閃爍活動。圖三顯示當晚全球定位系統和北斗衛星導航系統多顆衛星的S4指數都達到強烈閃爍程度。

另一方面，地政總署在本港設有監測站，接收GNSS衛星數據作定位用途，並比較測量坐標與已知坐標，實時將偏差數據於網上發布[5]。在3月20日，地政總署鰂魚涌站的監測網頁顯示當晚大約8時後的一段時間，衛星測量坐標與已知坐標有大幅度的水平和垂直偏移，表示衛星定位系統的準確度受到明顯影響 (圖四)。

天文台會繼續優化電離層閃爍監測系統，利用實時監測數據，加強在太空天氣方面的服務，包括支援本港利用無人機進行的低空經濟活動。

參考資料：
[1] 這連結會以新視窗打開。香港天文台:太空天氣會影響日常生活嗎 ?
[2] 這連結會以新視窗打開。Li, G., Ning, B., Otsuka, Y. et al. (2021). Challenges to Equatorial Plasma Bubble and Ionospheric Scintillation Short-Term Forecasting and Future Aspects in East and Southeast Asia. Surv Geophys 42, 201–238.（只有英文版）
[3] 這連結會以新視窗打開。程潔, 徐繼生, 蔡磊, (2018). 我國低緯電離層閃爍和周跳的統計特徵比較, 地球物理學報, 61(1), 18-29.
[4] 這連結會以新視窗打開。U.S. National Weather Service, National Oceanic and Atmospheric Administration: Hello Solar Cycle 25（只有英文版）
[5] 這連結會以新視窗打開。地政總署：網路實時動態完整性監測網頁