(Johannes Kepler, 1571/12/27~1630/11/15)

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1 (Johannes Kepler, 1571/12/27~1630/11/15)
沒那麼貪吃 約翰內斯·克普勒 (Johannes Kepler, 1571/12/27~1630/11/15)

2 衛星- 窺探但帶來便利 授課老師：陳建隆

3 人造衛星 人造衛星就是繞著地球運轉的人造物體，以適當的速度在適當的高空上飛行 以用途區分，可分為 依飛行方式，可分為
太慢了會掉下來，太快了又會飛離地球。 以用途區分，可分為 氣象衛星 地球資源衛星 通訊衛星 導航衛星 偵察（軍事）衛星 依飛行方式，可分為 繞極軌道衛星 (Polar Orbiting Satellite) 地球同步衛星 (Geostationary Satellite)

4 地球同步衛星(Geostationary Satellite)
地球同步衛星在赤道上方約36000公里的高空，繞著地球赤道由西向東轉的，因為衛星繞地球的公轉速度與地球約每二十四小時自轉一週的速度相等所以稱為「地球同步」，又因為從地面看來是固定不動的，所以又有人稱它為「地球靜止」衛星。例如日本的MTSAT衛星，相對於地球的位置固定在東經140度附近 同步衛星的高度可透過克普勒(J. Kepler)第三定律H + E = R = AP2/3來計算，其中周期P = ，比例常數A = 42241，地球半徑Er = 6378公里，故可算出同步衛星的高度為H = 35,786公里。 同步衛星的優點 是使用者只要對準人造衛星就可進行溝通而不必再追蹤衛星的軌跡 同步衛星的缺點 空間有高度的限制、因距離太遠造成電波傳遞時間的遲延，例如同步衛星約需要250ms(= 2*3.5*104/3*105)的傳遞時間及因距離太遠造成電波傳遞的功率要相當大。

5 同步衛星地球全景雲圖涵蓋的範圍 依據地球同步衛星所在的位置而定，以MTSAT-1R 衛星為例，它的位置約在東經140赤道上空約35800公里高，涵蓋範圍包括整個西太平洋、台灣、日本、韓國、菲律賓、澳洲、紐西蘭、印度、馬來西亞、中南半島及中國大陸，約佔地球表面積的四分之一。

6 克普勒 約翰內斯·克普勒 德語：Johannes Kepler 1571年12月27日~1630年11月15日
德國天文學家、數學家，克普勒定律的發現者。 他為自己撰寫的墓誌銘是：「我曾測天高，今欲量地深。我的靈魂來自上天，凡俗肉體歸於此地。」

7 克普勒 克普勒接受了並發展了哥白尼的天體貴賤觀，認為太陽是宇宙的統治者，行星各依其軌道環繞太陽而行。行星運動三定律的發現為經典天文學奠定了基石，促成了數十年後萬有引力定律的發現。 克普勒也是近代光學的奠基者，並指出光的強度和光源的距離的平方成反比。闡述了近代望遠鏡理論，他把伽里略望遠鏡的凹透鏡目鏡改成小凸透鏡，這種望遠鏡被稱為克普勒望遠鏡。

8 克普勒定律(Kepler's laws) 克普勒定律為描述太陽系中行星運行的定律 行星運動定律與萬有引力定律 克普勒的崛起
十七世紀初，Kepler 提出行星運動三大定律，使西方天文學起了巨大的改變。十七世紀下半，Newton 提出了他自己的運動定律及萬有引力定律，並且證明在適當的條件下，Kepler 行星運動定律與萬有引力定律是可以互導的 克普勒的崛起 1601年 Kepler 接替著名的天文學家 Tycho Brahe（1546～1601年），成為神聖羅馬帝國的宮廷數學家。 Kepler 不但接替了 Brahe(布拉赫)的職位，而且繼承了他幾十年的星象紀錄（望遠鏡發明前最精確的紀錄）

9 克普勒定律(Kepler's laws) 克普勒行星運動定律 克普勒三大定律
這三條定律將太陽系用數學結成一體，使 Copernicus (哥白尼)的太陽中心說得以確立，使天文學在定性定量兩方面都進入了新紀元。 克普勒三大定律 第一定律（軌道論） : 所有的行星運行軌道為橢圓形，以太陽居其一焦點 第二定律（面積論） : 如果我們將太陽到行星之間連接一條線，在等長的時間內掃過相同的面積 第三定律（周期論） : 行星繞行太陽一周所需要的運動週期(T)和行星與太陽的距離(半長軸R)有直接的關係. T2/R3= 常數

10 圖示遵守克卜勒行星運動定律的兩個行星軌道與。 (1) 第一個行星的橢圓軌道焦點是f1與f2，第二個行星的橢圓軌道焦點是f1與f3。太陽的位置是在點f1。 (2) A1 與 A2 是兩個面積相等的陰影區域。太陽與第一個行星的連線，掃過這兩個陰影區域，所需的時間相等。(3) 各個行星繞太陽公轉周期的比率為a13/2`:a23/2；這裡，a1 與a2 分別為第一個行星與第二個行星的半長軸長度

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12 太陽系行星運行資料 行星 半長軸R (A.U.) 週期T (地球年) 軌道離心率e T2/R3 0.387 0.241 0.206
水星 (Mercury) 0.387 0.241 0.206 1.002 金星 (Venus) 0.723 0.615 0.007 地球 (Earth) 1.000 0.017 火星 (Mars) 1.524 1.881 0.093 土星 (Jupiter) 5.203 11.86 0.048 0.999 木星 (Saturn) 9.539 29.46 0.056 天王星 (Uranus) 19.19 84.01 0.046 海王星 (Neptune) 30.06 164.8 0.010 冥王星 (Pluto) 39.53 248.6 0.248 1.001

13 與太陽距離 赤道半徑 體積 重量 密度 赤道重力 自轉週期 公轉週期 軌道 表面溫度 自轉方向 衛星 (百萬公里) (公里) (地球=1) (g/cm3) (m/s2) (日) 離心率 (度) 水星 2439.7 0.054 0.055 5.427 3.7 58.646 87.97日 -173~427 由西向東 金星 6051.8 0.88 0.815 5.24 8.87 243 224.7日 0.0068 420~485 由東向西 地球 1 5.515 9.766 365.24日 -88~58 火星 3397 0.15 3.94 3.693 1.026 686.93日 0.0934 -87~-5 2 木星 71492 1316 317.82 1.33 20.87 年 -148 63 土星 60268 763.6 95.16 0.7 10.4 29.448年 -178 56 天王星 25559 63.1 14.371 1.3 8.43 0.718 84.02年 -216 27 海王星 24764 57.7 17.147 1.76 10.71 164.79年 -214 13 冥王星 1151±20 0.0059 0.0022 0.81 6.387 247.92年 0.2488 -233 3

14 八大行星 冥王星 太陽系最遠的一顆行星，以平均59億公里的距離環繞太陽，軌道也與其他8行星很不同，是偏離率很大的橢圓形，環繞太陽一周需要247.9地球年，表面溫度估計只有攝氏零下210到235度之間。由於其質量遠不如太陽系其他行星，直徑約2360公里，體積僅地球的千分之六，質量更是地球的千分之23，甚至比地球的衛星月球還小 國際天文聯合會（International Astronomical Union, IAU）在2006年8月賦予行星定義：環繞恆星運行、質量足以使天體本身收縮成球狀，而且很重要的是，「足以清空軌道周圍，使該範圍內沒有其他大小相當的天體」。這定義最引人爭論的是，它把冥王星（Pluto）從行星的行列中剔除了。

15 牛頓三大運動定律 牛頓第一運動定律 牛頓第二運動定律 牛頓第三運動定律 靜者恆靜，動者恆作等速運動。這概念是從“伽利略的斜坡實驗"來的
力者，形變或加速度也，F=ma。 其實是從“克普勒3定律”來的。 不過通常我們常說是因為蘋果樹才發現萬有引力的 牛頓第三運動定律 作用力與反作用力必為等大反向，且無法抵消。這是動量守衡必然的結果

16 其他行星的發現 克普勒定律與萬有引力 海王星的發現 冥王星的發現 微積分的發展
互導做了如下的假定：行星只受制太陽的引力。事實上，根據萬有引力，行星也受到其他行星的引力，只是此引力比太陽的小得太多，其結果使得行星的實際軌道稍有偏離理想的橢圓形軌道；此種現象稱為擾動。 海王星的發現 英國天文學家 J. Adams（1819～1892）及法國天文學家 U. de Verrier（1811～1877）於1840年代，為了解釋天王星的擾動現象與預期的（受到已知行星的擾動）有些出入，而預測另有一未知的行星。他們都計算了該未知行星的軌道，而根據 de Verrier 的計算，德國天文學家 J. Galle 於1846年用望遠鏡找到了海王星。 冥王星的發現 故事再重演一遍，根據海王星的擾動，天文學家在1930年找到了冥王星。 微積分的發展 Newton 在考慮引力問題時，遇到一難題如下，假定球體各點的密度只與到球心的距離有關，則球體對質點的引力是否等於和質點全集中在球心後對質點的引力？這是有相當難度的三重積分問題，Newton 經過長久的嘗試，最後才以變換變數的方法來解決。

17 繞極軌道衛星 因為繞極軌道衛星環繞地球的軌道面與太陽成一固定角度且衛星通過地球赤道上空之當地時間也是固定的，所以稱為「太陽同步衛星」
環繞地球一周的週期 目前作業中的NOAA-15週期為101.1分鐘 NOAA-17週期為101.2分鐘 NOAA-18衛星的週期則為102.12分鐘

18 氣象衛星飛行高度 地球同步氣象衛星 繞極氣象衛星 飛行高度距地球赤道約36000公里，以維持繞地球一周24小時與地球同步
高度有高有低，就美國TIROS-N系列衛星而言，它距離地球表面平均高度為850公里。

19 氣象衛星 為了氣象用途而發射的衛星 氣象衛星的運用 氣象衛星的特點 利用可見光及紅外線拍攝地球大氣中的雲系
利用數據匯集系統(DCS)，接收偏遠地區及海上觀測台觀測到的數據資料，並傳送到地面控制站 利用不同頻率的掃描儀，測量海面溫度、探測大氣層的溫度與溼度的垂直分佈、計算雲高與風場等相關氣象重要參數，提供氣象預報作業，並作為學術研究之依據，以作為航海航空農漁牧發展的參數，在即時天氣系統的監視及預報上，如豪大雨與颱風等劇烈天氣，能做最迅速、最有效的掌控。 氣象衛星的特點 接收及傳送的數位資料量大 不受日夜天候影響

20 氣象衛星觀測的優點 氣象衛星觀測涵蓋範圍大 不受晝夜限制，亦不受天候影響 便於分析 接收氣象衛星資料便利 資料傳送迅速可靠
不受地球上惡劣環境影響，亦不致因天然災害之破壞而告中斷。 不受晝夜限制，亦不受天候影響 氣象衛星運用可見光、紅外線及微波等波段進行遙感探測 便於分析 由觀測資料，可看出大氣現象在時間上與空間上的連續變化。 接收氣象衛星資料便利 不須徵求物主同意，不受國際政局影響，不須繳納任何費用。 資料傳送迅速可靠 氣象衛星資料由衛星自行即時廣播

21 全球氣象觀測 在全球天氣守視(World Weather Watch)計畫下，建立了全球氣象衛星觀測網 南北緯60度間之天氣系統
地球同步衛星負責監測 極地附近地區 以繞極軌道衛星負責監測作業

22 作業中的地球同步氣象衛星 MTSAT-1R（Multi-functional Transport Satellite）
日本所發射，位於東經140度上空 GOES（Geostationary Operational Environmental Satellite）- WEST及GOES-EAST 美國發射，分別位於美洲東、西兩岸，西經70度及140度上空 MSG 歐洲太空組織所發射的衛星，位置在經度0度上空 Metsat 印度所發射，在東經74度印度洋上空 風雲衛星（ FY-2 ） 大陸所發射，位置在東經105度上空

23 同步衛星 繞極衛星

24 作業中的繞極氣象衛星 NOAA系列 EOS（Earth Observation System）
National Oceanic and Atmospheric Administration 美國的繞極軌道衛星 EOS（Earth Observation System） 主要任務為監測地球資源的系統衛星

25 Active Spacecraft and Operational Status (2012/10/18)
Spacecraft (launch time) Operational Status Status GOES 8 Decommissioned RED GOES 9 GOES 10 GOES 11 (2000/05/03) GOES 12 (2001/07/23) South America GREEN GOES 13 (2006/05/24) Operational East GOES 14 (2009/06/27) Standby GOES 15 (2012/03/04) Operational West

26 Spacecraft Mission Operational Status METOP-A AM Primary NOAA 11 Decomissioned 16 June 2004. NOAA 12 Decommissions 10 Aug 2007 NOAA 14 Decommission on 23 May 07 NOAA 15 AM Secondary NOAA 16 PM Secondary NOAA 17 AM Backup NOAA 18 NOAA 19 PM Primary

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28 氣象衛星的壽命 繞極軌道氣象衛星 地球同步氣象衛星
預定壽命二年。但現在科技技術進步，實際使用壽命往往較原訂壽命為長，以 NOAA-15 為例，它於 5/13/1998 發射，至今已使用超過14 年 地球同步氣象衛星 地球同步氣象衛星由於高度在三萬六千公里，所受阻力較小，可在太空中運行較久，它在正常作業情況下的平均壽命依設計而不同。 例如日本的 GMS-5 於 1995 年 3 月 18 日發射，原始設計使用年限 5 年，但因 1999 年 11 月 MTSAT-1 發射失敗，而一直延用到 2004 年 5 月才正式結束作業。

29 電影「全民公敵(Enemy of the State)」的場景 真的有那麼神嗎？ 各位看官可以想一想