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ICON——探索地球大气与空间环境关联的秘密

        20191010日,美国国家航天局(NASA)的Stargazer L-1011飞船从福罗里达州的卡拉维拉尔角携带运载火箭起飞,当飞船到大约12km的高空时,投放飞马座火箭,火箭上携带着这次发射的主角:电离层连接探测器(ionospheric connection Explorer, ICON)。

Stargazer L-1011飞船和ICON探测器(来自NASA 网站)

    从ICON的名字,我们就可以看出,这个探测器的主要目的是探测电离层及与之相关联的物理过程。电离层是地球上空60-1000km范围内的区域,它之所以单独命名是因为它含有丰富的自由电子,这些自由电子是因为中性大气接收到太阳的极紫外和X射电发生电离而形成的,虽然电子密度不到中性成份的1%,但足以影响无线电波的传播。对于现代社会的导航卫星、通信卫星来说,电离层的变化对于卫星信号的质量有非常重要的影响,会引起通信信号质量下降、导航定位精度增加,因此电离层一直是空间环境应用研究的重要区域。从空间上来说,电离层上游与太阳爆发活动、行星际扰动、磁层变化关系密切,是空间天气变化的重要组成部分,同时,电离层的下边界处于空间环境与地球地面环境的交接部分,其变化还会受到下游天气的影响。现在的研究发现,单纯的太阳活动或者空间天气的变化不足以解释电离层的变化行为,电离层与地球大气、甚至是地面的形状、地震、海啸等都有很大的关系。而ICON的目的就是对地球大气与空间环境之间的联系过程进行探测。

ICON探测的区域(来自NASA 网站)

        ICON将在地球上空约550km的高度上运行,它第一次将光学遥感探测和等离子体的就位探测结合在一起,能够同时探测电离层中的电动力学过程和化学变化过程。ICON携带有4种不同的仪器。两台用于全球高分辨率热成像的迈克尔逊干涉仪(MIGHTI),用于观察中性大气层的温度和风速;两支离子速度计(IVM)用于测量离子的漂移速度,从而可以得到电场的测量。极紫外线仪器(EUV)和远紫外线仪器(FUV)则可以进行远距离成像观测。EUV通过测量O+的辐射谱线可以得到电离层的密度和高度剖面。FUV通过对O135.6nmN2 157nm辐射的观测,可以得到白天大气密度成份的观测以及夜间电子密度的分布。通过ICON的观测,我们能解释能量和物质是怎样从地球的低层大气传入到空间环境中,引起电离层大尺度的逐日变化的。

 ICON探测器的配置(来自Space  Sci  RevDOI 10.1007/s11214-017-0449-2

        ICON卫星探测任务2011年提出后,其发射过程也是一波三折。原计划201811月发射,但由于Pegasus XL火箭数据异常,2018117L-1011 飞船没有进行发射。经过1年多的检验,在20191010ICON选择再次发射,但由于地面与飞船的通信问题,又错过了第一个发射窗口,后终于在第二个时间窗口(美国东部时间101021:59)成功发射。

        ICON将与NASA 20181月发射升空的“地球及边缘的全球范围观察”(GOLD)协同“作战”。GOLD从位于巴西上空的地球静止轨道的有利位置,可获得ICON将要研究的同一地区的全景视图。随着这两颗卫星数据的获得和分析,空间天气与我们地球的大气之间关联的秘密将会逐渐被揭开。

 

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10月29日中等高能电子暴持续

    受重现性冕洞高速流的影响,北京时间2019年10月24日-10月27日,太阳风速度最高达到690 km/s左右。地磁发生扰动,有3小时达到中等地磁暴水平(Kp=6),9小时达到小地磁暴水平(Kp=5)。10月27-29日地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量连续3天超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2•sr•day),达到橙色警报等级,高能电子日积分通量分别为1.0E+09个/cm2•sr•day、1.7E+09个/cm2·sr·day、1.0E+09个/cm2•sr•day。

图1  2019年10月24日-10月29日地磁活动及同步轨道高能电子通量

    预计10月30日地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量将下降至小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于较高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

    关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。

    具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn

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10月28日中等高能电子暴持续

       受重现性冕洞高速流的影响,北京时间2019年10月24日-10月27日,太阳风速度最高达到690 km/s左右。地磁发生扰动,有3小时达到中等地磁暴水平(Kp=6),9小时达到小地磁暴水平(Kp=5)。10月27-28日地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量连续2天超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2•sr•day),达到橙色警报等级,高能电子日积分通量分别为1.0E+09个/cm2•sr•day、1.7E+09个/cm2·sr·day。

       预计中等高能电子暴事件还将持续1天左右,之后将下降至小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于较高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

      关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。

     具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn

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10月27日发生中等高能电子暴

受重现性冕洞高速流的影响,北京时间2019年10月24日-10月27日,太阳风速度最高达到690 km/s左右。地磁发生扰动,有3小时达到中等地磁暴水平(Kp=6),15小时达到小地磁暴水平(Kp=5),33小时达到活跃水平(Kp=4)。10月27日地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2·sr·day),达到橙色警报等级,高能电子日积分通量为1.0E+09个/cm2·sr·day。

图1  2019年10月24日-10月27日地磁活动及同步轨道高能电子通量

预计中等高能电子暴事件还将持续1天左右,之后将下降至小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于较高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

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航空辐射与空间天气

    “坐飞机会受到辐射吗?”,这是很多人都很关心的问题,目前大多数国家都将空勤人员列入职业受照人群进行辐射剂量管理,航空辐射剂量的大小除了与航线有关外,也与空间天气的状况有关,本文将分析航空辐射产生的原因,以及空间天气对航空辐射的影响。

1. 航空辐射简介

    早在1911年,奥地利物理学家赫斯(Hess1883-1964年)就通过探空气球发现了宇宙射线。但宇宙射线对航空飞行人员的影响一直缺乏系统的研究, 直到1991, 国际辐射防护委员会(ICRP)建议将空勤人员列入职业受照人群, 这一问题才引起重视。

        200261, 我国颁布实施了《空勤人员宇宙辐射控制标准》,其中规定: 空勤人员职业照射有效剂量不得超过20mSv/, 女性空勤人员从发现妊娠之日起, 在孕期余下的时间内应采取补充的控制措施, 使其腹部表面( 下躯干)累积接受的剂量不超过1mSv

2. 航空飞行高度的辐射环境

    航空辐射是由宇宙射线造成的,宇宙射线包括来自太阳系以外的银河宇宙线和太阳爆发产生的太阳宇宙线(也称为太阳质子事件)。宇宙射线中的粒子被称为初级粒子,主要是质子、少量的氦和极少的其它重核离子。由于地球覆盖着厚厚的大气,初级粒子撞击大气的原子核后产生一些质子、中子、轻子及光子(γ 射线)。这些次级粒子再重复作用产生更多次级粒子,直到平均能量等于某些临界值,次级粒子的数目达到最大值,在此之后粒子逐渐衰变或被大气吸收,使次级粒子的数目逐渐下降,这种反应称为“空气簇射”。航空飞行高度的辐射剂量主要是由次级粒子产生,其中中子产生的剂量占总剂量的50%以上。

1  宇宙射线进入大气层引起“空气簇射”示意图

(图片来自https://phys.org/newman/gfx/news/hires/15-scientistspr.jpg

    宇宙辐射剂量的大小首先是跟高度有关,在海平面高度宇宙辐射产生的剂量大约为0.03μSv/h(注:1mSv1000μSv),大概占地面天然辐射剂量的15%(其余由岩石、土壤、空气等所含的放射性物质产生)。而在812km的航空飞行高度,宇宙辐射剂量达到16μSv/h。协和号超音速飞机的巡航高度为18000米,几乎是普通飞机的2倍,它受到的宇宙辐射剂量是普通飞机的23倍。

2  协和号超音速飞机

(图片来自http://a1.att.hudong.com/40/19/01300000244643122567192664556.jpg

    由于宇宙射线的成份主要是带电粒子, 它们必然要受到地球磁场的影响而向两极方向偏移, 所以赤道附近的宇宙射线强度较两极低, 相同高度极区的辐射强度比赤道处大约高一倍,因此穿越和靠近极区的航线上受到的辐射剂量相对较高。

    航空辐射除了与航线有关外,还与空间天气的状况有关,太阳爆发引起的地面宇宙线增强事件会导致航空辐射的突然增强,而长期的航空辐射变化则与太阳活动水平有关。

3. 地面宇宙线增强事件对航空辐射的影响

    地面宇宙线增强事件(GLE)经常发生在强太阳爆发活动期间,GLE事件发生时,分布在全球的地面宇宙线观测站会同时观到宇宙线强度突然增强的现象。GLE事件是由太阳质子事件引起的,大多数太阳质子事件中高能粒子的最高能量在500MeV以下,地面的宇宙台站几乎观测不到响应,对航空高度辐射环境的影响也很小,只有个别事件的粒子中包含较多能量超过500MeV的高能粒子,才会引起GLE事件。

 3  2005120日的GLE事件

    人类有观测以来,最强的GLE事件发生在1956223日,根据估算,该事件期间乘坐一次从巴黎飞往旧金山的航班受到的辐射剂量为3mSv,差不多是正常情况下剂量的50倍,最近一次强GLE事件发生在2005120日,该事件是1956年之后近50年内最强的一次,根据文献给出的估计,该事件期间巴黎飞往旧金山航线上受到的剂量为0.36mSv。而人类已知的最强太阳高能粒子爆发事件是发生在1856年的卡林顿事件,据估算该事件期间一架普通商业客机飞越极地8小时旅行受到的剂量将达到20mSv,该剂量是ICRP建议普通公众每天暴露于辐射的剂量限值的20倍。

4. 太阳长期活动水平下降对航空辐射的影响

    强GLE事件只是小概率事件,在太阳平静期间,航空辐射主要来自银河宇宙线的贡献。银河宇宙线来自太阳系以外,它们的起源仍是未解之谜,目前普遍认为它们可能来自超新星爆发、或来自遥远的活动星系。银河宇宙线的强度主要受太阳活动的影响,太阳活动水平增加时, 由于太阳磁场和太阳风增强的影响, 到达地球的宇宙辐射会降低。反之,如果太阳活动水平下降,宇宙辐射则会增强。

    目前人类还无法预测太阳活动水平的长期变化,但从太阳活动历史观测数据看,太阳活动除了11年的周期变化,可能还存在更大时间尺度上的周期变化,有研究学者认为,从人类进入航天时代以来,太阳活动一直处于比较活跃的太阳活动极大期,持续时间已经超过了历史上的平均极大期时间,应该很快会结束,未来60年有可能逐步进入极小期,太阳长期活动水平可能下降,而宇宙辐射强度则可能会超过人类有观测以来的水平,如果实际情况确实如此,现有的航空辐射安全标准和评估防护方法可能都得重新制定。  

4  太阳黑子数历史观测数据

(图片来自https://www.skybrary.aero/images/thumb/f/f2/MSSN_2.jpg/500px-MSSN_2.jpg)

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