國立中央大學大氣科學學系系友會

專長：電離層、太空物理。
經歷：美國猶他州立大學物理學博士。曾任國立中央大學太空科學研究所所長、全球定位科學與應用研究中心主任、國科會自然處地球科學研究推動中心主任。現任國立中央大學太空科學研究所暨太空及遙測研究中心教授、財團法人國家實驗研究院國家太空中心首席科學家。
榮譽：曾獲1996、2011年國科會傑出研究獎，並於國外地球科學領域頂級期刊發表多篇論文，其創新研究屢屢獲得國際間廣大迴響與討論。
連結：劉正彥教授電離層物理實驗室

二十世紀最偉大的科學家之一「科學頑童」費曼說：「科學是很好玩的遊戲。」他一生都對周遭事物保持好奇、懷疑、研究、動手實驗及揭開發現的態度，使人們敬佩他的學問、成就，又喜愛他的風趣、創意。無獨有偶地，中央大學太空所劉正彥教授一路走來，亦始終秉持作為一個科學人，須「好奇、熱情、持續力」三者缺一不可的堅持，他以無比熱情和驚人毅力投入的科學研究事業，當年電離層地震前兆研究初試啼聲便令他在國際間一舉成名。面對隨之而來的諸多批評，他捨棄聲嘶力竭的辯駁，選擇以紮實的研究數據與科學人的自信態度回應，方能在今日站穩學界領先地位，一如費曼對科學的態度─「傾聽大自然的聲音。」

臺灣體質特殊引發研究動機

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990年，劉正彥教授拿到美國猶他州立大學物理學博士學位，甫回國之初，即選擇電離層作為研究主軸，其原因來自於臺灣在太空科學中的特殊環境，具有高度研究價值。原來臺灣本身是電離層赤道異常區，電離層電子濃度是地球附近濃度最多的地方，濃度最多的時間大約是每天早上10點到下午6點甚至到晚上10點，足以嚴重影響衛星通訊、定位、導航的品質。以衛星導航（GPS）為例，其發射高頻電波至地面的接收器，由於受到電離層的干擾，導航在臺灣經常引起誤差，無法測量得十分精確，於是讓劉正彥教授對電離層與通訊導航定位之間的關聯產生興趣。

何謂電離層？電離層是指大氣層中存在數量龐大的帶電粒子，它位在地球上空60～2000公里高度之間，會受到各種中性流體力學及電漿物理作用的影響。一般而言，電離層會因重力場、中性風吹拂、光化學（photochemical）、電場、磁場、以及電流等影響，而隨時間和空間產生變化。為了探索電離層變化和動力機制，科學家發展許多儀器與分析方法進行觀測和研究。全世界電漿濃度（電子濃度）最大的地方則在地球上方200、300公里左右，濃度大到每1平方公分將近100萬顆電子，足以影響通訊及衛星導航的品質。

劉正彥教授進一步解釋，電離層位於地球上方，是太空範圍的開始，地球半徑它像是在地表上的一層薄膜、當太陽風或地球和其大氣層劇烈變化時會造成擾動，而由於電離層中有很多電子，當電波經過它的時候，電子和電漿之變化會干擾電波傳播，而這個影響卻反又變成我們偵測的利器。

自1996年開始，劉正彥教授研究團隊就利用GPS衛星定位導航進行相關研究，當時這是很具有軍事價值的研究，各國也在積極研發能夠精準測量的設備。劉教授回憶道，當時GPS的測量軟體換算下來要新臺幣300萬，硬體也是要300萬，在缺乏大量資金挹注的情況下，他便運用自身在美國從事數學推導工作的經驗，與學生共同研究發明出電離層計算軟體。他們使用的方法是先收集大量觀測數據，然後建構理論模式，再將理論模式數值化，用電腦模擬，找出計算公式，因此，只要代入觀測數值就能進行快速運算。透過這樣的方式，不僅可節省大量經費，又可排除各種軟體版本不同造成不相容的情況，為當時電離層研究之一大創舉。更難得的是，劉正彥教授為了使各國研究者都能使用這套軟體，無償地公開自己的研究成果，即使在今日看來，這樣的無私行為在社會上仍屬十分少見而更顯難得。
 

在天上找到地震前兆

1998年，劉正彥教授首次於西太平洋地球物理會議中發表「大地震前電離層電子濃度會異常減少」的研究成果，並以當年之瑞里地震為例，卻引起學術界一片譁然，隨之而來的難聽批評紛沓而至，出乎意料的是，他並未大聲為自己辯駁，而是選擇默默地埋首進行研究。

2000年，第一篇電離層地震前兆論文刊登於《地球物理研究通訊》（Geophysical Research Letters, GRL）；2010年電離層會與地震產生同震效應的論文則刊登於《地球物理研究期刊》（Journal of Geophsical Research, JGR），隨著論文一篇篇登上地球科學領域的頂級期刊，劉正彥教授用紮實的研究數據讓人無法反駁電離層地震前兆的存在，身為科學家的他對自己的研究成果信心十足，面對學界的質疑聲浪，他表示：「雖然大多數的科學家仍不相信，但我的研究成果卻也還沒有被人否定。探究科學真相和事實很簡單，我的資料都公開，歡迎大家來挑戰。」不過到目前為止，仍然沒有人提出過有力反駁地震前兆的研究結果。

其實當初會發現地震前兆，純屬一場美麗的意外，連劉正彥教授自己一開始都難以相信，硬是和學生們前前後後來回檢驗了5、6年，才終於說服了自己。

當時是1994年，劉正彥教授剛剛跨足地震領域，由於臺灣處於地震帶，所以當時突發奇想，想研究大地震當時會如何影響電離層，就請當時指導的研究生進行研究。只是，單純的好奇卻獲致了意想不到的成果，學生觀測半年後竟然只發現地震前1週電離層電子濃度會異常減少，但地震後卻看不出明顯變化，他直覺地認為不可能，一定是資料分析或處理有誤，於是叫學生來來回回觀測6、7次，前後5、6年間又陪著學生檢驗6遍。最後在1999年921大地震時，他向電信總局取得地震前幾天的電離層觀測資料，結果卻甚至分析都不需要，光從數據一眼就可看出明顯的電離層電子濃度異常減少，他這才完全確定自己的研究結果無誤。

劉正彥教授回憶道，當時幸好學生十分堅持和頑固，即使被他質疑，仍然一次次地拿著觀測數據支持自己的研究無誤。科學人講的是證據，在物理的世界裡，很多意想不到事情都有可能發生，再荒誕不經的研究假設都必須服膺在真理之前。「我自己會挑戰我自己，通則是科學可以被重複的，它一定要可以重製，才能禁得起檢驗。」劉正彥教授認為自己的成果能夠經得起檢驗，遵循科學的態度就是傾聽大自然的聲音，細細觀察大自然的真理，只要忠實地去觀察和紀錄事實，就是身為一個科學家應遵守的法則，與個人的好惡完全無關。
 

同震效應引發太空海嘯

為了不辜負探討大地震發生時會對電離層造成何種影響的初衷，也為了說服大家地震前兆效應的確存在，劉正彥教授又投入了同震效應的研究，這回結合GPS技術與電離層觀測數據，找尋地震及海嘯源頭，這才知道兩者的物理現象是不同的，原來地震前兆的原理是微震造成的電磁場產生，這會使得電離層電漿物質受到擾動，而前兆出現在地震前1天到前5天，甚至是1個星期前以上，這段期間電離層也會出現非常奇怪的波動；由於同震則是地震引發聲波震動造成電離層跳動現象，前兆與同震兩者不論是起因或是反應都大相逕庭，且互不悖離地同時存在。

同震效應由於牽涉到海嘯和地震波，攸關人民生命財產安全，因而引起世界各國的重視。劉正彥教授自豪地說，關於電離層同震效應與海嘯預警的技術，臺灣亦在世界各國居於首位，大約領先全球5-10年，因此海嘯預警的實現速度將會出乎意料之外地快。而在操作方式上，要觀測地震對地面造成的影響，只要運用GPS資料，除了從地面看之外，還能夠從天上快速推估地震造成的破壞區域以及海嘯的源頭，作出十分精準的觀測。

最近一次成功的觀測就在2011年日本311大地震於下午1時46分發生地震後，劉正彥教授研究團隊就透過臺灣與日本綿密的GPS資料，以及臺灣自行開發的軟體分析，領先全球鎖定海嘯生成位置就在震央東方200公里處，並且呈現「碟狀」的波紋。數據顯示，日本發生地震後，下午5時15分臺灣上空的電離層被抬升，6時10分海嘯抵達臺灣；也就是說，海嘯所引發的電離層震動，比海嘯提早約1小時抵達臺灣。此次研究成果再度刊登在2011年6月28日的地球物理頂尖期刊《地球物理研究期刊》，顯示臺灣的先進技術足以精準預警海嘯，預估將可以提早20-30分鐘發佈海嘯警報。

以電離層作為海嘯預警的工具，劉正彥教授不諱言自己再度受到學界的大力抨擊。多年來，海岸線綿長又易受海嘯侵襲的各國，紛紛積極發展海嘯預警技術，如日本的作法是發生地震即對沿海城市發佈海嘯警報，以及在沿海大量放置海潮計等，蒐集資料以監測靠近沿岸的波浪，然而上述作法卻常常無法精準預測海嘯的產生，發佈過多〝狼來了〞情報的情況下，容易使得人民失去戒心、延遲避難。劉正彥教授以日本311強震的例子為例，沿海宮城縣傷亡慘重並非由於海嘯警報失靈，而是前一天就已發佈過海嘯警報，以致在當天真正的大海嘯來臨時，人民反應不及；而即使人民未對海嘯警報失去戒心，沿岸的海潮計也未必能為沿海居民爭取足夠的時間，原因即出在海潮計的放置範圍雖廣，卻仍無法佈滿整片海洋，如果無法將海潮計放置在震源附近，會導致海嘯臨近岸邊才獲知資訊的情況，預警時間幾乎是不足。

針對上述問題，劉正彥教授指出以電離層作為海嘯預警的優點就在於遠距和快速以及精確。以2004年蘇門答臘海嘯為例，當時海嘯雖僅只0.4公分，但電離層仍然精準地「逮到」了，其原理就在於電離層有放大地面波動的效果，由於大氣層空氣密度隨高度遞減，因此地表和低層大氣的波動到了太空之後，會放大1到10萬倍左右，因此即使只有0.4公分的高度，卻能將電離層推動4到40公里。另外，海面上正一起一伏的是平凡的海浪還是可怕的海嘯，從電離層的觀測數據也能看出來，劉正彥教授解釋說，若是一般大浪，波浪是零碎的，雖偶有高浪但彼此高低相互扺消；但若為海嘯，一定會呈現綿延數十到數百公里的平行浪頭，整齊劃一地前進，在數據上看得一清二楚。上述例子正說明了為何電離層能做到如此精準的海嘯預警。

指出舊有海嘯預警技術的不足，發表電離層精準預警海嘯的創新成果，劉正彥教授坦言自己可能再度招來學界的批評聲浪，面對質疑，他選擇一邊默默地埋首研究，一邊等待研究成果之逐漸成熟。據他透露，在2011年9月到日本參加相關研討會時，以電離層預警海嘯的技術已然成為全場最熱門的議題，即使學界仍有部份學者認為此項技術無法立卽解決海嘯預警的所有問題，但劉正彥教授自信地說，即使電離層不是萬靈丹，但它仍是目前全世界最有希望解決海嘯預警問題的方法。

在科學的領域中，為社會服務的強烈動機推動著劉正彥教授，去研究出對人類更有益處、更能改善環境的新科技，他說：「我即使只向前邁小半步，卻也希望對人類的發展作出微薄的貢獻。」秉持這樣的信念，讓他勇於挑戰既定觀念，屢屢在學術上提出創新成就。

美式風格  鷹式教育

由於自己的研究興趣十分廣泛，劉正彥教授指導學生的研究論文題目也五花八門，以電離層為出發點，諸如從電離層觀察太空天氣，從電離層去探討地震和電離層間的耦合效應；太空方面則是研究太陽閃焰、日蝕、磁暴、太陽風暴對電離層和地球的影響；至於大氣研究則是進行電離層潮汐耦合作用火山效應、聖嬰反聖嬰的變化等，涵蓋面十分廣泛，幾乎涵蓋電離層所有的科學與民生應用範圍，研究量之大，讓劉正彥教授直說有時忙起來實在吃不消，曾經為了同時做自己的研究和幫學生做研究，每天只睡2個小時，持續3個月，到最後身體出問題。他坦言，自己拼命三郎的個性造就了今天的成果，但他提醒莘莘學子，努力固然重要，身體卻是更大的寶藏，先固本再外求才是應循之道。

談到學術上的成就，劉正彥教授謙虛地說，這和是不是天才無關，重點是決定要做了之後，就堅持以往，再加上旺盛的企圖心和無以倫比的熱忱。談到教育，他表示身教重於言教：「我這樣的拼他們敢不做嗎？其實太空所的教授們一直都很努力，這是風氣。」這雖是玩笑話但表現出其嚴謹態度，學生受到影響不僅不敢偷懶，實驗室裡還自發性地組成小組，由學長姐擔負起監督學弟妹的責任。劉正彥教授坦言：「我的實驗室很嚴，非常操，但是訓練非常紮實，而且能進我的團隊不是我決定，是二年級決定一年級能不能進來，就像公司大老闆徵才的時候，第一關是底下的主管。」實驗室也因此形成一股自律與團結的氣氛。

除了對學術的嚴格要求外，劉正彥教授對學生的選擇則採取美式風格的開放態度，留給學生自主的空間。他說：「小組成員可以自己決定要做什麼，要做研究我去申請經費，不做研究我就雙手一拍回家睡覺，我尊重學生的選擇，要做什麼我沒意見，研究題目我不會有偏好而喜歡這個或不喜歡那個，我都可以接受。」比起課業成績，出自真心的企圖心與熱情，是劉正彥教授更為看重的人格特質。基於科學驗證的精神，他說自己多年來在成功學生的身上反覆印證了「好奇、熱情、持續力」三項成功條件，以此期許年輕學子在精進課業之餘，能夠培養上述三項特質，長此以往，未來無論身處何地或從事何種工作，均能克服萬難、無往不利。

原文轉自：http://www.ncu.edu.tw/~ncu7020/rdnewsletter/cover.php?action=show&cid=36&id=23