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DSCOVR和ACE卫星——空间环境监测前哨站

         地球与太阳之间存在着一个稳定的拉格朗日点(Lagrange point)——L1点,该点在距地球高达150万千米的位置,是地球和太阳的引力平衡点(如图1所示)。太阳爆发活动在从太阳到地球的传播过程中,要与背景太阳风发生相互作用,是否最终能影响到地球,除了与太阳爆发活动本身的大小、位置和方向有关之外,还与传播过程密切相关。因此,需要对太阳爆发活动在日地空间传输过程进行密切监视。因此,L1点是一个独一无二、对于空间环境监测非常重要的位置。就像地球上的天气预报,精准的空间环境预报有赖于可靠的观测,L1点卫星可以直接监测太阳风暴是否到达,所监测的参数是太阳风暴所喷发的等离子体团的密度、温度和磁场特性,可以提前数个小时提供空间环境事件预警,有助于更可靠地预测太阳风暴,提高监测太阳活动的能力。

图1    L1点示意图

         ACE(要素/同位素成分高级探测器)于1997年8月25日发射,数据分辨率为1分钟,迄今为止,已经在L1点轨道运行了二十年,为空间环境的研究和预报提供了很多必要的监测数据。DSCOVR(深空气候观测卫星)于2015年2月11日发射,在110天后进入L1点轨道,实际上,DSCOVR卫星正在逐步取代即将退役的ACE卫星。DSCOVR相比ACE卫星更进一步的是,DSCOVR的数据分辨率提升至10秒。

      DSCOVR卫星携带的两个地球遥感装置——EPIC(地球多色成像仪)和NISTAR(高级辐射计),能够监测地球大气的臭氧与悬浮微粒水平、以及地球辐射的变化。图2是NASA于2015年8月5日发布的,DSCOVR卫星观测到的月亮与地球贴面的奇景,当月亮穿行于地球与DSCOVR卫星之间时,月亮看上去就好像贴在了一张湛蓝色地球画面的墙纸上。该图片是由7月16日通过不同波长观测的3种观测数据组合而成的。由于月球围绕地球转动过程中同时按照相同周期自转,因此朝向地球的总是同一侧面。虽然截至目前数架探测器对月球背面进行了拍摄,但是像此次NASA运用DSCOVR卫星捕捉到的摄影时机预测一年只出现两次。

图2    NASA公布的月亮与地球合影

        图3展示的是DSCOVR和ACE卫星对2015年3月17日的太阳风暴的实时观测,其中黑色曲线代表的是ACE卫星MAG(磁力计)观测到的行星际磁场强度,以及SWEPAM(太阳电子、质子和α粒子观测仪)观测到的太阳风等离子体速度和密度,而红色、绿色和蓝色曲线分别代表的是DSCOVR卫星MAG(磁力计)观测到的行星际磁场强度,FC(法拉第杯)观测到的太阳风等离子体速度和密度。DSCOVR卫星的观测数据很好的弥补了ACE卫星观测数据出现的“跳跃”、“缺失”等问题。当时,DSCOVR和ACE卫星的位置在日地连线上的投影相距约为4万千米。图4是该次太阳风暴的示意图,地磁指数Kp最大达到了8,达到了大地磁暴水平。

图3    对2015年3月17日太阳风暴的两卫星实时观测

图4   对2015年3月17日太阳风暴

         大部分质子事件发生期间,ACE卫星SWEPAM(太阳电子、质子和α粒子观测仪)对太阳风等离子体的密度和温度观测都出现了不稳定和发生错误的现象。例如1998年至2012年的44个大至强地磁暴事件中,ACE卫星只能为其中34次事件提供完善的实时观测数据,但DSCOVR卫星的太阳风等离子体监测仪器更为先进,可以解决这一问题。DSCOVR卫星PlasMag(等离子体磁力计)可观测的太阳风等离子体速度范围是[168,1340] km/s,密度是[0.22-219]cm-3,温度是[3.9×104,7.3×107]K。然而,DSCOVR卫星对太阳风等离子体的速度观测范围不够,一些可能引起强烈地磁暴的高速太阳风速度超过1340 km/s时,DSCOVR卫星就无法提供准确的实时观测数据了。但在1998年至2012年期间,只有万圣节事件(2003年10月31日)超出了DSCOVR卫星的观测范围,而ACE卫星对该事件的观测也不完善。

         随着ACE卫星的退役,DSCOVR卫星逐步接过空间环境监测任务的接力棒,成为空间环境监测的前哨站。

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3月7日发生中等高能电子暴事件

3月2-6日,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到小高能电子暴水平;3月7日,地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量持续上升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,目前仍处于高水平。预计中等高能电子暴事件还将持续1天左右。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,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。

图1 2017年3月7日发生中等高能电子暴事件

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口袋里的空间天气-"e SpaceWx"

   随着移动互联网的发展,各类天气软件如雨后春笋般迅速走入公众视线。雾霾、强降雨、台风、毒辣阳光,谁也不想被天气影响了出行安排,你的手机至少会安装一款天气app用以防身,随时获取最新的天气预报和预警信息。同样,当太阳风暴来临时,在看似平静的太空里,会发生各种恶劣的空间天气事件,它们会对卫星、航天员、无线电通信、导航系统等造成多种影响和危害。为了向各专业用户及科学爱好者提供更优质的空间天气预警服务,中科院空间环境预报中心除官网、邮件和短信系统之外,还研发了国内首款空间天气App“e SpaceWx”

一、全面的空间天气观测数据

      “e SpaceWx”实时提供日地空间链路的各类物理观测数据,涵盖太阳活动、行星际、高能粒子、地磁场、电离层等区域或要素的40余类监测数据。同时,采用的数据标签技术保证不会重复获取数据,节省时间与流量。

    太阳爆发活动是日地空间天气变化的根源-通过软件可访问各种太阳活动观测数据,包括光球、色球、日冕、日冕物质抛射成像、太阳X射线流量、太阳F10.7指数、日面黑子数等,监视太阳的动向。

    地磁场抵御太阳风等离子体,保护着地球,当太阳发生剧烈爆发活动时,快速的等离子体云将使地球磁场被强烈压缩-通过软件可获知最近3日的行星际太阳风速度、密度、温度、磁场等物理参数是否发生大的变化,以及地球磁场的Kp指数、Dst指数、Ap指数,了解地磁扰动情况。

    高能粒子有可能使卫星发生充放电、软硬件系统故障、以及对航天员造成辐射危害,威胁他们的安全-通过软件可实时观察到地球同步轨道能量范围不同的高能质子和高能电子的粒子通量变化,以便发生情况时迅速做出防护措施。

    人类利用电离层实现无线电通信和GPS导航,当电离层出现强烈扰动时,无线电通信信号将衰减或中断、卫星导航系统精度下降甚至通信链路中断-软件根据分布在我国低纬地区5个台站(福州、厦门、广州、南宁、海南)的观测数据,发布电离层闪烁指数和电子浓度总含量TEC数据,有助于判断电离层的扰动状态。

各类空间天气观测数据

二、主动推送预警信息

    用户除了自己主动打开App,进入相应的可视化界面获得空间天气的实时状态之外;“e SpaceWx”还提供预警信息的自动推送服务,即发生太阳风暴时,向用户主动推送相关空间天气事件的预警信息。

    太阳爆发时向空间抛射大量的物质和能量,通常表现为增强的电磁辐射、高能带电粒子流和高速等离子体云。这三种物质能量到达地球的时间不同,先后对地球空间形成三轮攻击,造成磁层、电离层和高层大气的剧烈扰动,引发一系列空间天气灾害事件,主要包括太阳X射线耀斑、质子事件、高能电子暴、地磁暴、磁层顶穿越和电离层突然骚扰事件。

       “e SpaceWx”在第一时间向用户主动推送这六类灾害事件预警信息。根据事件的强度和可能造成影响和灾害的等级,预警信息一般可分为红色预警、橙色预警和黄色预警三个级别。

 主动推送空间天气事件预警信息

三、专业的空间天气预报

    除了实时的观测和预警信息,专业的空间天气预报服务也是必不可少的。“e SpaceWx”不仅提供空间天气预报员面向各用户发布的空间天气预报内容之外,还集成发布各项物理模型预报、数值预报、经验预报等8类预报模式的结果,物理参数包括太阳F10.7指数、地磁Kp指数、地磁AE指数、高能电子通量等,让用户及时知晓未来的空间天气变化。

专业的空间天气预报

四、随意的定制式服务

    家具可以定做、衣服可以定做,“e SpaceWx”的界面同样也可以根据用户需求进行定制。日地空间链条涵盖了太阳、行星际、地球空间、地磁场、电离层、中高层大气等众多区域,各用户关心的空间天气要素也不一样。“e SpaceWx”提供的用户自定义功能,则方便用户将自己感兴趣和需要的内容集合到一个界面,进行统一定制和管理。

随意的界面定制

五、成熟的软硬件系统

    我们分别开发了AndroidiPhone两个版本,“e SpaceWx”通过C/S结构实现,即大家熟知的客户机和服务器结,通过它可以充分利用两端硬件环境的优势,将任务合理分配到Client端和Server端来实现,降低了系统的通讯开销。客户端服务端通过XML-RPCXMPP协议进行通信,减少了网络流量的消耗,极大程度的提高了资源的利用率。

“e SpaceWx”的软件架构

    总之,e SpaceWx是一种个性化的空间环境服务新方式,它的出现改变了传统单一的服务方式,内容丰富、图文并茂,信息实时,同时兼具了普通空间环境短信的方便与快捷。获取途径:访问http://www.sepc.ac.cn/sfdownload.php 点击“Android”“iPhone”图标,或扫描对应的二维码即可安装。  

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2016年空间环境盘点

2016年是第24太阳活动周进入下降期的又一个年头,相比于2014年我们关注第24太阳活动周的峰值是否确认,2015年关注地磁活动水平是否上升,2016年的空间环境状况又是如何呢?本文将同您一起回顾这一年的“风风雨雨”……

1. 2016年与第24太阳活动周

由太阳黑子数和10.7厘米射电流量的变化可知,太阳活动具有11年左右的周期性。刚刚过去的2016年属于第24太阳活动周,其开始于2008年12月,太阳黑子月均平滑值于2012年2月和2014年3月达到本活动周的两个峰值66.9和80.8,形成“双峰结构”,之后逐年下降,截止2016年5月下降至26.9。

2016年已处于第24太阳活动周下降期的中段,其太阳总体水平较2015年又有明显下降。太阳黑子数和F10.7年均值分别为36.8和88.8sfu,相对2015年分别下降了48%和24%,日面上出现的活动区个数和太阳耀斑、质子事件等爆发活动也大大减少。

图1 第24太阳活动周F10.7平滑月均值的实测值与预报值

2. 太阳活动水平

2016年的太阳活动整体水平继续了2015年开始的下降趋势。

太阳黑子数和F10.7年均值明显下降。全年日面上出现的活动区个数由2015年225个减少为2016年的150个,无黑子日则由0天增加为34天。

同时,太阳爆发活动也明显减少。2016年共爆发了321个C级耀斑,16个M级耀斑(黄色警报),无X级耀斑(橙色警报)和X10级以上的耀斑(红色警报),耀斑最大级别为M7.6级。2016年仅在1月2日发生了1次小太阳质子事件(黄色警报),大于10MeV质子最大通量达到22pfu,无中等质子事件(橙色警报)和大质子事件(红色警报)发生。此外,2016年太阳上爆发的日冕物质抛射事件(CME)也少于2015年。

表1 2014-2016年太阳活动比较

 

3. 地磁活动水平

2016年的地磁活动虽然仍较为活跃,但整体水平相比于2015年已略有下降。2016年年均Ap值为11.6,Ap≥15的天数为89天,占全年的24%。地磁活动达到小或中等磁暴水平(Kp=5、6)的时段为143个,达到大磁暴水平(Kp=7)的时段为4个。最大Ap指数值为70,最大Kp指数值为7。2016年没有特大地磁暴(红色警报)发生。

在2016年,日冕物质抛射事件减少,重现性冕洞高速流成为引发地磁扰动的主要因素,约80%以上的地磁暴完全是由重现性冕洞高速流引起。

本年度中最强的磁暴扰动发生在2016年5月8-9日,受重现性冕洞高速流的影响,地磁共有6小时达到大磁暴水平(橙色警报),9小时达到中等磁暴水平(黄色警报),12小时达到小磁暴水平(黄色警报),其中5月8日Ap指数达70,为全年最高值。次强的地磁扰动发生在10月24-30日,受重现性冕洞高速流的影响,地磁共有3小时达到大磁暴水平(橙色警报),12小时达到中等磁暴水平(黄色警报),39小时达到小磁暴水平(黄色警报),其中10月25日Ap指数达到60,为全年次高值。

 图2 最近三个活动周Ap指数月均平滑值。本活动周的地磁活动水平远低于前两周,且2016年略低于2015年

表2 2014-2016年地磁活动水平比较

 

4. 高能电子暴

2016年,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量全年共有110天达到小高能电子暴水平(黄色警报),21天达到中等高能电子暴水平(橙色警报),无强高能电子暴(红色警报)发生。高能电子暴总次数大大超过2015年,且事件级别和持续时间,都强于2015年的水平。

本年度中最强的高能电子暴发生在2016年5月9-13日,高能电子日积分通量连续4天达到中等高能电子暴水平,日积分通量的峰值为2.5E9(P/cm2-day-sr)。全年共有4次高能电子日积分通量持续4天达到中等高能电子暴水平。全年有3次高能电子暴持续超过10天。

表3 2014-2016年高能电子暴比较

5. 电离层环境

随着太阳活动水平的降低和地磁活动水平的略有下降,2016年的电离层环境相比于2015年更为平静。2016年共发生中国区域的电离层突然骚扰(SID)事件3次、极盖吸收事件1次、中国区域电离层暴事件10次。电离层闪烁事件以发生的天数统计,2016年仅2-4月和9-10月(春秋两季)发生电离层闪烁事件,夏季和冬季的闪烁天数为0天。闪烁最多的海南富克站2016年总计为25天,大大低于2015年。次多的广州和南宁站总计仅为7天。

表4 2015-2016年电离层扰动事件比较

 

6. 2016年的大太阳风暴

1)2016年最强的地磁暴事件

2016年5月8-9日,受重现性冕洞高速流的影响,太阳风速度最高达到766km/s左右,行星际磁场南向分量最低达到-12nT,地磁有6小时达到大磁暴水平,9小时达到中等磁暴水平,12小时达到小磁暴水平,Dst指数下降至-120nT,8日和9日Ap指数分别为70和33,其中70为2016年最高值。此次地磁暴是2016年的最强地磁暴。8~9日我国北部部分地区发生电离层暴事件,8日白天发生正相扰动,实测值高于背景值,8日夜间至9日晨为负相扰动,实测值低于背景值。9-13日地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到高能电子暴水平,且10-13日达到中等高能电子暴水平。

图3 SDO观测的日面中心冕洞(5月6日)

图4地磁Kp指数(5月6-12日)

 

图5 2016年5月8-9日漠河、北京站监测到电离层F2层临界频率(foF2)和电离层TEC的暴时变化

 

2)2016年持续时间最长的地磁扰动事件

2016年9月25日-10月5日,受连续的冕洞高速流影响,9月25-29日太阳风速度持续上升,最高达到800km/s左右,9月30日-10月5日太阳风速度均维持在500km/s以上。这11天期间,地磁Kp指数多次达到活跃或中小磁暴水平,Ap指数分别为23、22、38、42、39、21、19、18、14、26、13。

图6 SDO卫星观测到的9月23日的小冕洞和27日冕洞

 

图7 9月24日-10月5日的太阳风速度(上)和地磁Kp指数(下)

 

3)2016年持续影响地磁的大冕洞

日面上的冕洞随着太阳自转,具有27天的周期性(即重现性)。2016年有多个冕洞持续超过3个太阳自转周,其中9月起多次影响地磁的大冕洞,持续了5个太阳自转周。该冕洞在8月份扩张,占据了日面的北部到极区和中部赤道附近,于8月29日、9月25日、10月22日、11月20日、12月18日转到日面中心附近,其对应的重现性冕洞高速流引发了5次最大Kp≥6且持续多天的地磁扰动。

表5 冕洞引起的地磁扰动

7.小结

回首2016年,太阳活动的整体水平继续延续了下降趋势,地磁活动的整体水平也弱于2015年,而高能电子暴发生天数显著增加。2017年,我们仍将实时关注太阳活动的一举一动,并给出及时准确的预报。

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1月9日发生中等高能电子暴事件

1月6-8日, 地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到小高能电子暴水平; 9日, 地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量持续上升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1.4E+09个/ cm2·sr·day,目前仍处于高水平。预计中等高能电子暴事件还将持续1天左右。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,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

图1 2017年1月9日发生中等高能电子暴事件

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