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嫦娥四号上的空间环境探测仪器

        2019131026分,嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯卡门撞击坑内,实现了人类探测器首次在月球背面软着陆。嫦娥四号携带了大量先进的探测仪器,这些仪器中除了大家比较熟悉的各种相机,还包括几台能用于空间环境探测的仪器,本期特别关注就给大家说一说这些特别的仪器和它们要观测的物理现象。

月表中子与辐射剂量探测仪

    人类对太空的探索活动始终面临高能辐射的威胁,1958年,美国的第一颗人造卫星—Explorer I卫星研究组的Ernie Ray就发出了这样的感叹:“My God, space is radioactive!(天哪,太空居然是放射性的!)”。经过几十年的探测研究,人们对地球附近的高能辐射环境已经有了相当的了解,但月球表面的辐射环境与地球附近的辐射环境有很大的不同,月球表面没有稠密的大气,磁场也十分微弱,因此太空中的宇宙射线会直接轰击月表的岩石和月壤,宇宙线粒子与月表物质发生核反应会释放出中子、γ射线等具有强穿透力的粒子,尤其是中子,其辐射品质因子高于质子、电子和光子,对航天员具有很大的危害性。

1 月表辐射环境示意图

    嫦娥四号上携带的月表中子与辐射剂量探测仪,由中国和德国联合研制,安装在着陆器上,不仅能探测着陆区的中子和辐射剂量,还能探测太阳爆发产生的质子、电子和α粒子。该探测仪有助于科学家们对月表辐射环境进行评估,为未来载人登月及月球基地的辐射防护提供依据,同时,该仪器能够直接探测到来自太阳的能量粒子,用于研究太阳风暴的起因、高能粒子传播规律等。

2月表中子与辐射剂量探测仪

低频射电频谱仪

    所谓射电其实就是常见的无线电波,我们在家里就能够用短波收音机收听到非常遥远的地方、甚至地球另一端发出的无线电信号,是因为在地球大气上层(60公里以上)存在电离层,电离层中的大气处于部分电离和完全电离状态,会反射或吸收频率较低的无线电,短波信号可以在电离层与大地之间来回反射,从而传播很远的距离。

3 电离层与无线电传播示意图

    电离层虽然能够给地球带来通信的便利,却也阻断了电离层外的低频无线电向地面的传播。来自太阳及其它宇宙天体发出的低频电磁波信号被地球电离层遮挡,无法抵达地球地面,要探测它们只能在太空环境中进行,而月球背面由于阻挡了来自地球的各种天然及人工电磁辐射干扰,这里的电磁环境非常干净,是非常理想的低频射电观测位置。

    嫦娥四号任务中的低频射电探测仪有两台,一台由中国独立研制,安装在嫦娥四号着陆器上(图4),另一台由中国和荷兰联合研制,安装在中继星“鹊桥”号上(图5)。两台设备互相配合,可以对太阳、地月空间及宇宙天体的各种射电现象进行观测和研究,尤其是太阳爆发时,利用低频射电观测,可以观测并且追踪太阳爆发活动的整个过程,这对研究日地空间的天气效应,构建模型预报太阳灾害事件等有很大帮助。

4  嫦娥四号着陆器上的低频射电频谱仪

 5  中继星“鹊桥”上的低频射电探测仪

月表中性原子探测仪

    太阳持续不断的向四面八方“吹”出超声速带电粒子流,被称为太阳风。由于月球没有磁场、大气层的保护,太阳风能够直接“吹”到月球表面上,太阳风中的质子和离子作用到月壤表面会反射和溅射出能量中性原子(Energetic neutral atom,简称ENA)和其他粒子。同时,光照会导致月表充正电荷,等离子体会导致月表充负电,在月面阴阳交界处静电力会抛起月尘,所有这些抛出、溅射和反射出的物质组成了月球的逃逸层(图6)。科学家需要搞清楚月球逃逸层形成过程中各种机制的作用大小,这对于研究太阳系中许多与月球类似的星体(如水星、小行星等)具有重要意义。

6 月球逃逸层示意图

    嫦娥四号携带的月表中性原子探测仪,由中国和瑞典联合研制,安装在月球车“玉兔”二号上,用来测量太阳风和月表相互作用之后产生的中性原子。过去人类对月球中性原子的探测都是在环月轨道或地面上开展的,嫦娥四号将在月表巡视区直接测量中性原子,可以说是人类探月史上首次在月表开展中性原子探测。 

月表中性原子探测仪

预报中心为嫦娥四号任务保驾护航

    对空间环境进行探测研究是嫦娥四号任务重要的科学目标之一。但嫦娥四号携带的这些先进的探测仪器及嫦娥四号本身都面临恶劣空间环境的威胁,而针对太阳爆发等活动的探测也需要空间环境预报的支持,中科院空间环境预报中心将持续为嫦娥四号任务提供及时准确的空间环境预报信息,为嫦娥四号任务保驾护航。

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3月3日中等高能电子暴持续

受冕洞高速流的持续影响,2019年2月27日-3月2日,地磁发生小扰动,有9小时达到小地磁暴水平,27小时达到活跃水平。3月2-3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1.60E+09个/cm2·sr·day、1.82E+09个/cm2·sr·day。

预计高能电子暴事件还将持续2-3天。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。

图1 2019年2月27日至3月3日地磁活动及同步轨道高能电子通量

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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3月2日发生中等高能电子暴

受冕洞高速流的持续影响,2019年2月27日-3月2日,地磁发生小扰动,有9小时达到小地磁暴水平,27小时达到活跃水平。3月2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1.60E+09个/cm2·sr·day。

预计3日高能电子日积分通量仍将维持在中等高能电子暴水平,之后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。

图1 2019年2月27日-3月2日地磁活动和同步轨道高能电子通量

        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。

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2018年空间环境盘点

    说到空间环境,我们不得不提到太空这里是人造地球卫星、飞船、航天飞机、空间站等航天器的飞行区域,是人类开发和利用太空资源的主要活动领域,也是危害人类活动与生存环境的空间环境灾害事件的直接发生地。空间环境灾害性的变化来自于太阳,所以我们叫做太阳风暴。灾害性的空间天气会对航天系统、无线电链路系统、电力和能源系统、军事系统产生严重影响对生命系统产生显著影响还会对地面天气和气候系统产生较明显的影响空间环境研究的主要内容是对太阳活动和其近地区域及其系统造成的影响进行研究

         2018年,太阳活动水平仍是稳中有降,鲜有爆发活动发生。冕洞仍是地磁活动扰动的主要源头,但是威力却大大减小。高能电子暴依然独占鳌头,频繁发生。下面我们一起回顾这一年波澜不惊的空间环境…… 

1. 平静的太阳

        2018,太阳活动整体水平完美扮演着第24太阳活动周下降段的角色,从年头至年尾,稳步而缓慢地下降着。1我们利用相似周方法给出的24周的太阳活动预报结果,2018年处于太阳活动周的下降段,预计本太阳活动周将在2019-2020年结束,还有1-2年的时间。

1  24活动周F10.7平滑月均值的实测与预报值

    从20181月到12月,太阳黑子月均值有升有降,除2月、5月和6月超过10以外,其余月份均在个位数,7月份,太阳黑子数月均值只有0.4。太阳F10.7月均值已下降至70SFUSFUSolar Flux Units,太阳通量单位)。

    太阳黑子数和F10.7年均值相比较于2017年,都有明显的下降,分别为6.470.0sfu,相对2017年分别下降了67%9.3%(表1)。

    随着太阳活动水平的降低,日面上活动区个数大大减少无黑子日持续出现,相应的太阳爆发活动变得稀少。全年日面上出现的活动区个数37个,2017年减少了46%2018无黑子日为了224天,一年中有近三分之二的时间里太阳上没有黑子出现

    由于太阳黑子是太阳爆发活动的源头,太阳黑子的减少,自然意味着太阳耀斑等爆发活动减少。2018仅仅产生13C级耀斑,没有M级耀斑产生,更没有X级耀斑产生(表1)。2018年也没有观测到太阳质子事件(图2)。

2  2018年的太阳X射线流量与质子流量(GOES卫星观测)

    波澜不惊的一年,符合我们的预期,没有惊喜,更没有意外。

 3  太阳爆发活动比较

 2. 地磁活动同样偃旗息鼓

    在太阳的带动下,2018年的地磁活动水平表现同样波澜不惊。从地磁活动标识的多个指标看,地磁活动比2017明显下降(表2

    从20181月到12月,地磁Ap指数月均值除了8月和9月超过10以外,其余月份均在6-8之间波动。

    地磁Ap指数年均值仅为7.8,比2017年低32%

    而Ap15的天数仅为38天,2017年少了50天。

        2018年地磁暴级别较弱,以中小地磁暴为主(表5),全年发生小地磁暴(Kp=5)的天数为24天,中等地磁暴(Kp=6)的天数为6天,仅有1天发生了大地磁暴(Kp=78)。

4 2018年地磁Kp指数与Ap指数

    为什么今年的地磁如此之弱,是不是随着太阳活动的下降就此走向没落?我们知道,影响地磁活动的源头主要是冕洞和日冕物质抛射(CME),2018年的太阳活动非常微弱,没有大的爆发活动,于是冕洞就成了引起地磁扰动的主要源头,所以一整年的地磁扰动都比较微弱,但是很小的一次爆发活动也能引起较强的地磁扰动,2018年发生的唯一的大地磁事件就是由一次弱CME和冕洞的共同作用引起的。后文我们将重点回顾一下这次大地磁暴事件。

3. 高能电子暴——2018的强者

        2018年,高能电子暴不断发生。全年共有89发生小高能电子暴,13发生中等高能电子暴,3天发生强高能电子暴,高能电子暴总达到了105天,接近全年总天数的30% 

5  2018年高能电子暴占比

    高能电子暴受太阳活动的调制,来自太阳的CME和冕洞高速流都能够引发高能电子暴,统计上看,太阳活动的下降段和上升段,尤其是下降段,高能电子暴发生频次比较高。

    在这一年当中,曾经多次出现持续多天(最长持续时间12天)的高能电子暴。同时,出现了久违的强高能电子暴2018828-30日,地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量连续三天超过强高能电子暴事件阈值(3.0E+09 /cm2·sr·day),达到红色警报等级,高能电子日积分通量分别为3.5E+09/cm2·sr·day3.1E+09/cm2·sr·day3.2E+09/cm2·sr·day而上一次发生强高能电子暴事件还要追溯到2010年(201047日发生强高能电子暴,日积分通量为5.4E+09/cm2·sr·day

    高能电子暴发生在外辐射带区域,运行在这一区域的卫星包括地球同步轨道卫星、中轨道导航卫星等。高能电子暴发生时,卫星轨道上激增的高能电子穿透卫星的表面屏蔽层,在卫星内部介质中沉积时,就会形成内部电场。当电荷所产生的内部电场超过介质的击穿阈值,将产生静电放电。静电放电的脉冲可以形成伪信号,使卫星错误动作,从而引起故障;更严重的放电可造成电路击穿,导致卫星失效。这种现象也被称为深层充电效应。

    深层充电对导航卫星影响最大,其次是同步轨道卫星。近年来,多颗卫星由于深层充电效应引发卫星故障和失效,造成了巨大的影响。1994年加拿大Telesat公司的Anik E1E2卫星相继出现故障,罪魁祸首就是冕洞高速流引发的高能电子暴199716-11日高能电子暴造成TELSTAR-401通讯卫星失效,损失高达7.12 亿美元;1998519日,高能电子暴导致GALAXY-4通讯卫星失效,它造成美国80%的寻呼业务的损失,无数的通讯中断,并使金融交易陷入混乱。另外,Equator-S卫星于199851日受空间环境中高能电子通量升高的影响而失效。

4. 2018唯一的大地磁暴事件

    在太阳活动下降年份,虽然日冕物质抛射日益少见,冕洞高速流却是引发地磁扰动的主要源头。而2018年的冕洞表现并不是那么抢眼,太阳上发生的一次小小日冕物质抛射,就吸足了观众的眼球。

        2018820日(世界时),日面上爆发了一次并不起眼的弱CME(图6),这个弱小的CME经过大约5天的长途奔袭,在825日到达地球附近,引起地磁强扰动。82528日期间,地磁有6小时达到大磁暴水平,9小时达到中等地磁暴水平,12小时达到小磁暴水平,12小时达到活跃水平,26Ap指数达到76,为2018年的最高值。地磁暴会使磁层的粒子沉降到地球大气,引起大气加热,使高层大气密度急剧增加,增大卫星的大气阻力,影响卫星定轨和轨道寿命。

    地磁暴过后,地球同步轨道大于2MeV高能电子通量在82631日达到高能电子暴水平,其中2830日达到强高能电子暴水平,为20104月发生高能电子暴以来的首次强高能电子暴(图7)。

    此次事件将2018年的地磁扰动推向了高潮,也让人们看到了久违的强高能电子暴。预报中心针对这一事件,通过网站、微信公众号、电话等渠道发布预报、警报、通报和要闻等信息,让公众和各类卫星用户及时了解和掌握事件的进展,规避事件可能带来的危害。

6 2018821STEREO A看到的日冕物质抛射

7 2018826-30日发生地磁暴和强高能电子暴

 5. 总结与展望

        2018年,太阳活动整体水平继续稳步缓慢地下降着鲜有爆发活动发生。地磁活动整体水平则继续下降;高能电子暴最为活跃,出现了久违的强高能电子暴。

    展望2019年,随着第24太阳活动周趋于末端,预计太阳的爆发活动将进一步减少,但并不能排除低年偶发的太阳活动爆发,冕洞引起的地磁暴和高能电子暴也还会发生。太阳并不会甘于寂寞,我们期待着与您一起关注!

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流星的“声音”

   人们总是对流星雨充满了浪漫的想象。想看流星雨,一般要去远离光污染的郊外,但是在城市生活的我们,年年都听说有流星雨,但就是从来没有见到过。 

(图片来源:网络截图)

    如果你缺少特意跑到郊外看流星的“追星”热情,又想趁此机会浪漫一下,怎么办?或许你可以闭上眼睛,用另外一种方式感知流星,听流星的“声音”。

流星雨从哪里来

    流星雨来自太阳系中某些彗星小行星碎片。这些星体运行在大椭圆轨道上,几十年至上百年绕太阳一周,当它接近太阳时,受到太阳风的作用会喷射出大量颗粒这些颗粒直径介于100微米至10米之间,密度、质量很低(0.10.5 g/cm3,含有钠、铁、镁、铝、钙等多种元素在几个世纪时间内,这些颗粒在彗星小行星的轨道附近形成一条广阔的尘埃带。

    每当地球穿越这些尘埃带时,彗星小行星的碎片18km/s平均速度投射进地球大气,流星雨就会降临地球。由于地球轨道与尘埃之间的方位是固定的,因此在夜空上看流星雨似乎是从同一个位置投射出来,流星雨名字就用辐射中心处的星座命名 

1  地球在彗星留下的流星体穿行而过

    例如每年12月中旬,地球会从小行星Phaeton产生的碎片带中穿行而过,在观测条件好的情况下,以双子座为中心,平均每小时能看到120流星这就是双子座流星雨。

    那么我们要如何才能听到流星呢?这要从我们熟悉的收音机说起。

高层大气电离 传播电波信号

    距地表60公里至几千公里的高层大气被太阳紫外线电离,称为电离层。电离层能够反射频率低于30MHz的短波无线电波。电波在地面和电离层之间来回反射,可以传播到上千公里之外。

    常听广播的朋友可能会注意到,收音机可以接收到的广播频段分为两种,一种是频率比较低(3-30MHz)的AM调幅广播,另一种为频率较高(87.5-108MHz)的FM调频广播。AM调幅广播就是利用电离层反射的方式传播的。条件好的情况下,来自大洋彼岸的AM广播都能被接收到。一般来讲,电离层只能反射低频的无线电波。频率较高的FM调频广播不会受电离层反射,在大气层中只能沿直线传播。由于广播信号受地平线阻挡,传播距离会大大缩短。正因为如此,收音机通常只能接收到同城几十公里以内的FM广播信号。

电离层反射无线电波

    流星“转播”声音原理与电离层传播AM广播信号的原理类似当流星雨来临时,大量的流星在电离层底部与大气作用,烧蚀殆尽,留下一道道被电离的轨迹。这些轨迹可能有几十公里长,位于距离地面80~120公里的高度上,称为流星余迹。流星余迹增大了低层电离层的电子、离子密度。在一些情况下,流星余迹会像电离层对AM无线电波的作用一样,反射高频率的FM无线电波。这样我们就能突然听到由流星带来的远方电台的声音。

3 流星产生余迹图来自网络)

 一起来“听”流星雨 

    怎样收听流星“转播”的FM广播呢?首先我们需要找到一个目标电台。由于流星余迹的高度在100公里左右,它能够“转播”的电台与收听者的距离需要在10002000公里之间。我们可以拿出中国地图,在距离本地10002000公里之间找一个大城市,上网查询一下这个城市热门的广播电台频率。电台功率越大,收听到的几率也就越大。选择一个跟本地电台频率不冲突的电台,把收音机调到这个频率上。

    如果你足够幸运,当一颗流星幸运地出现在收听者和电台的正中间时(距离我们5001000公里处),收音机里的“嘶嘶”声会突然变为电台节目的声音。由于流星尾迹在几秒的时间内快速消散,信号就会消失,收音机里很快会又会变回无信号的状态。如果这颗幸运流星迟迟不出现,我们还可以试试其它方向的电台,碰碰运气。

    为我们“转播”节目的流星一般离我们很远,位于地平线附近,因此是看不到的,只能通过这种方法听到它们的“声音”。这一现象称为流星突发通信使半径2000 km 以内的两个点之间短暂达到通信条件,而不需要中继器的帮助。实际上更多情况流星雨电波通信影响是负面的流星尾迹的等离子体可能引起不规则反射和漫反射,改变电波传播的路径分散电波的强度降低通讯质量。例如在1966 超大规模的狮子座流星雨来临流星尾迹造成电离层电子密度上升100倍,电波传播被严重破坏。流星雨的精确的预报一般参考国际流星组织(IMO)的年度流星雨日历,每年6-8月以及10-12月均有较大的流星雨出现。

    下次流星雨来临时,虽然在城市中难以一睹流星的阵容,但可以打开收音机,试试收听流星的“声音”,想想也是非常浪漫呢~

 

 

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