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你不知道的空间环境预报中心

    看到这个题目的时候,估计很多人已经充满了层层疑惑:什么是空间环境?空间环境可以预报吗?空间环境预报什么?空间环境预报中心怎么预报?谁在预报?预报给谁用?本文将会带您一起揭开空间环境预报的神秘面纱。

1.什么是空间环境?

    说到空间环境,我们不得不提到太空——这个与人类生存发展息息相关的“第四领域”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。人类要开展空间活动,就不能忽略空间环境。

    通俗地说,空间环境是人类赖以生存的自然环境之一,是空间中与人类生活、生产、军事活动有关的所有物质条件的总和。按其组成要素,又可分为空间电磁环境、空间带电粒子环境、中高层大气环境、流星体环境、空间碎片环境等。

1  空间环境与人类的关系

    空间环境和地面环境不一样,地面环境我们可能关注的是温度是多少,有没有风,有没有下雨。太空虽然没有风云变幻,但是各种看不见的危害更是暗箭难防空间环境不是一成不变的,尤其围绕太阳发生的环境变化比地面的天气现象更激烈更危险。空间环境时时刻刻在改变,这种变化叫做空间天气。空间天气和地面天气一样会发生剧烈变化,也会发生灾害性的变化,就像我们地面上会发生台风、龙卷风,暴风雪一样,它的灾害性的变化来自于太阳,所以我们叫做太阳风暴。太阳风暴主要有三种攻击形式来攻击地球第一种,光的辐射增强,就是太阳耀斑,它到达地球大约8分钟;第二种,太阳会喷射出能量非常高的带电粒子到达地球需要几十分钟到几个小时,会发生太阳质子事件;第三种影响范围最广,太阳的日冕物质向外喷出,大概一到四天后,到达地球空间,引起地球的磁层像海啸一样发生扰动,引起空间天气各种变化。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

2  太阳爆发三轮攻击示意图

    针对空间环境的预报就是空间环境预报,它的主要内容是对太阳活动和近地区域及其系统造成的影响进行预报。

2.空间环境预报中心

    为保障我国航天活动安全,空间环境预报事业应运而生。早在20世纪60年代初卫星事业刚刚起步时,中国科学院在赵九章先生的领导下就开始了空间环境的研究,当时主要研究的问题是地球辐射带中高能带电粒子对卫星的影响。在1971年编写了“人造地球卫星环境手册”为航天工程设计人员提供了一本便于查阅的工具书。

    我国航天事业的开拓者之一——钱学森先生预见到空间环境变化将是航天事业面临的一个重大问题,要求空间环境科学工作者能够预报太阳活动和空间环境的扰动,并誉之为“红色预报员”。从此,我国的空间环境预报开始了它的漫漫征程。

        1992年,载人航天工程正式列入国家计划,随后在此工程支持下,按照“边建设、边研究、边服务”的指导思想,中国科学院空间环境预报中心从1993年开始筹建,1998年基本建成并投入试运行,1999年月12月通过验收,正式运行,并公开向国内外发布空间环境预报,成为我国首个实现业务化运行的空间环境预报中心。

        “应载人而生,为载人贡献”,这是空间环境预报中心从开始就树立的服务信念。从神舟一号到神舟七号,飞船从无人到有人,从一人一天到两人多天,从两人多天到航天员出舱,从天宫一号目标飞行器与神舟八号到神舟十号飞船的交会对接、从天宫二号空间实验室与神舟十一号飞船及第一艘货运飞船天舟一号的交会对接,载人事业取得了举世瞩目的成就。空间环境中心为每一次载人航天飞行发射窗口准确预报,避开太阳质子事件,成功地提供了空间环境保障(图3)。

3  载人航天空间环境保障

    空间环境预报中心根据任务需要,也为我国的探月工程嫦娥一号、嫦娥二号和嫦娥三号卫星分别提供了空间环境保障服务。在空间科学先导专项任务中,为暗物质卫星、实践十号、量子卫星和硬X射线望远镜等系列卫星发射和在轨运行提供了空间环境预报保障服务。

    在飞行器或卫星发射前的一年,空间环境预报中心就针对任务特点,进行研究和准备,陆续不断地向工程指挥部提供各空间环境要素的研究报告。在预定发射前3个月,开始提供空间环境中期预报;进入1个月倒计时,每周提供空间环境安全期预报。从发射前一周开始,每天提供一次短期报告。飞船升空入轨后,更要派专人24小时值班,报告周期缩短至8小时一次。每一份报告都是多名预报工作者准确计算、反复会商的结果。每一次任务的顺利完成,预报工作者都经历着不同的考验。

3.如何做空间环境预报?

    空间环境预报是对日地空间(包括太阳、行星际、磁层、电离层、热层空间)可能影响天地基技术系统、人类身体健康和生产生活的各类环境状态和事件的预测、预报。

    空间环境预报不仅仅是对未来的预测,这一点与地面气象有点不同。因为气象是我们能够感知的,而空间环境是人无法感知的。预报的过程是空间环境模式与人的经验相结合的过程。空间环境预报的一般流程是获取天地基空间环境监测数据、经过各种预报模式、效应模式的处理,产生初级预报结果,结合预报员个人及集体的经验,形成预报产品,并分发给各级各类用户。

4  空间环境预报流程

    空间环境预报中心建立的空间环境预警系统以自动化、集成方式实现了空间环境数据收集、模式运行、预报、影响分析和空间环境预警产品发布的业务预报全过程的协同高效运行,也成了预报员发布空间环境预报的得力助手。

5  空间环境预警系统示意图

    空间环境预报内容主要是对空间环境参数、空间环境指数、空间环境事件三种要素进行预报。空间环境参数是描述不同空间区域特性的各种物理量,比如电离层分布、高层大气分布等;空间环境指数是描述不同空间环境状态扰动级别、大小的指标性参量,比如太阳F10.7指数、地磁Ap指数、Kp指数等;而空间环境事件是指空间中扰动大于一定级别、可对天地基技术系统或人类身体健康造成一定影响的事件,比如太阳X射线耀斑、太阳质子事件、地磁暴、高能电子暴等。

    空间环境预报产品则是对未来一段时间内空间环境状况、变化趋势、空间环境事件发生的预测。根据预报的时间尺度划分,预报产品可以分为短期预报(三天内)、周报、月报、长期预报(一年及以上时间)。根据服务用户划分,预报产品可以分为常规产品和定制产品。

    常规产品是针对特定参数,特定事件在日常运行中生成的产品,包括警报、通报、现报和预报。常规产品只是给出应用最为广泛的参数和事件的预报,只是空间预报服务的一部分内容。定制产品则是根据特定用户和特定需求,以常规产品和相关监测数据为基础,根据用户的具体需求,将数据、模式结果、预报结果、效应分析进行组合,提供的针对性预报产品。比如我们所服务的载人航天工程、探月工程和空间科学先导专项等。

    由于空间环境预报的专业性和特殊性,适用的领域不同,在大众化的媒体上展示较少,预报结果通常发布在专业的网站和新媒体平台上。

1 空间环境预报中心预报产品种类

    伴随中国人飞天梦想的实现,我国的空间环境预报事业蓬勃发展,我们的预报员也是伴随着我国载人航天事业的发展成长起来的。既有从神舟五号开始参加过多次航天工程空间环境保障任务的老预报员,也有刚刚参加工作的新预报员。空间环境预报中心现有预报员15人,有9名预报员直接从事日常空间环境预报工作。预报员值班采用主岗和副岗双岗值班制,每个预报员连续值班两天,一天副岗,一天主岗。随着空间环境用户需求及预报产品种类的增加,空间环境预报中心在发展和业务运行过程中实行制度化管理。建立和完善了预报员岗位职责、上岗、会商、作息和节假日值班补贴等5套规章管理制度。一年365天,合理安排预报员值班,任务期采用24小时工作制,确保空间环境预报中心业务预报全年稳定运行。预报中心编制了《空间环境预报产品手册》和专业预报指导书——《预报员手册》,指导预报员完成各类预报产品并按照既定规则分发各级用户。

4.空间环境预报的主角——预报员

 6  预报员会商讨论

 7  空间环境预报产品手册和预报员手册

图8  预报员参加工程任务空间环境预报保障

    在空间环境预报中心全体工作人员的努力下,预报中心先后获得过《中国载人航天工程突出贡献集体》和《中国青年五四奖章集体》,其中有5位预报员先后荣获《中国载人航天工程突出贡献个人》称号、1位预报员荣获《中国探月工程突出贡献个人》称号、1位预报员荣获《中国青年五四奖章》荣誉称号。

9  空间环境预报中心获得的荣誉证书

        2018年起,空间环境预报中心的预报员队伍在工作之余专门参加国科大研究生课程《空间环境预报》的学习,以提升个人理论基础和业务预报能力。预报中心也完善业务预报评估考核机制,提高预报准确率,促进空间环境预报中心业务预报水平的整体提高。

10  预报员参加《空间环境预报》课程学习

5. 空间环境走向公众

     在载人航天系列飞船、目标飞行器、空间实验室、探月卫星和空间科学先导专项系列卫星成功发射过程中,中央电视台、新华社、中央人民广播电台等媒体对环境预报中心的工作进行了全程实时报道(图11)。同时,预报中心还开展了丰富的科普宣传活动,接待了社会各界人士的参观访问(图12)。空间环境预报专家走进演播室、走进高校讲坛、走进网络(图13),深入浅出地讲解了空间环境和空间环境预报服务。空间环境——对公众来说这个曾经比较陌生的词汇,如今走进千家万户,逐渐为人们所了解。

11   神七空间环境保障CCTV直播现场

 12   预报中心开放日开展科普活动

 13   预报中心专家走进演播室

6 机遇与挑战同在

    随着我国航天事业的发展,极大地推动了我国空间环境预报事业发展。国内研究力量在壮大,预报能力在提升,空间环境预报在军队、高校和用户中的影响力逐渐扩大。空间环境预报研究和服务面临着前所未有的机遇和挑战。国内,空间环境预报中心一直被模仿,从未被超越;国际上,从早年的学徒成长为能平等进行学术对话的兄弟。“空间环境研究和预报——不是我们为了谋生才做的事,而是我们要用生命去做的事”。誓言永恒!我们一直在努力!!

空间环境预报的基石——太阳活动监测

    天上的卫星、地面的台站,数不清的仪器在监测着太阳,为什么呢?因为人们想知道,太阳除了带给人类光和热之外,还有什么不为人知的秘密。通过监测,人们不但认识到太阳无时无刻不在变化着,并且有多种活动方式,有规律性的,也有突发性的;同时通过对太阳活动的监测,人们可以预测不同太阳活动变化对地球空间的影响及程度。

1.太阳活动周期性发现

    太阳黑子,是人们最早观测到的太阳活动现象。1843年,德国天文爱好者施瓦布通过日常观测发现了太阳黑子数量的多少存在11年左右的周期。之后,随着观测数据的增加,这一规律不断被证实,并且人们发现黑子数的多少与这个时期的太阳活跃程度相对应。于是,太阳黑子数的这种规律变化成为人们划分太阳活动周期的标志,黑子数量的高峰年称为太阳活动峰年,黑子数最少年称为太阳活动低年,两次低年之间定为一个太阳活动周。

1 太阳活动周变化示意图

    至今,太阳黑子数仍是最典型、最具代表的一种太阳活动参数,人们对太阳活动周的预报主要体现在对太阳黑子数的预报。通过对一个活动周内太阳黑子数的预测,我们就可以判断未来一个太阳活动周的整体趋势,哪个阶段太阳会比较平静,什么时侯会到达太阳活动周峰年,峰年水平会有多高,太阳风暴发生的强度和概率有多大等等。

2 太阳黑子数年变化

    除了太阳黑子数之外,人们还发现了另一种能代表太阳活动周变化的参量——太阳10.7cm射电流量(F10.7)。从长期的监测中人们还发现,F10.7和太阳黑子数有很强的相关性,F10.7值的大小也能很好地代表太阳活动的强弱,并且由于F10.7在地面就可以监测获取,长久以来在许多重要的电离层和中高层大气模型中,通常都是以F10.7作为输入来表征太阳活动的水平。因此,无论是过去、现在,还是未来,F10.7监测在太阳活动预报和研究中都将具有举足轻重的地位。

3 F10.7和黑子数关系

    在长期观测中,人们还发现11年大规律下还隐藏着小秩序,即在一个活动周中内,太阳黑子的出现并不杂乱无章,而是非常有“秩序”,开始先是在太阳较高纬度对称出现,之后逐渐向赤道推移,一周接一周,永不改变,这便形成了我们经常看到的美丽的黑子蝴蝶图。

4 太阳黑子日面位置变化蝴蝶图

    到此,我们是不是很了解太阳黑子了呢?否。20世纪初,美国天文学家海耳在研究黑子的磁性时,发现成对出现的太阳黑子的磁场极性总是相反,如果北半球上前导黑子是N极,后随黑子则是S极,而南半球黑子则相反,并且在同一太阳活动周期内两个半球上黑子群的磁极性分布保持不变。当下一个周期开始时,南北半球双极黑子的磁极性则发生对换。因此,黑子磁场的极性分布每隔22年经历一个循环,称为一个太阳磁周期。

 太阳黑子磁场变化

2.蓄势待发的黑子群-风暴之源

        1908年,海耳利用磁场能够导致光谱线分裂的塞曼效应原理推算出黑子具有3000-4000高斯的强磁场。1952年,美国巴布科克父子研制出了世界上第一台光电磁像仪,它可以测出强度仅有1高斯的弱磁场,从而使太阳磁场的研究从黑子区域扩展到整个日面。越来越多的磁场观测已经证实了黑子的演化和爆发都与磁场有关。

    太阳风暴发生与否,关键决定于太阳黑子群的复杂程度。监测发现,黑子群的磁场结构越复杂,就越容易储存更多的磁能,也就更加容易产生大规模的太阳爆发活动,相反,那些面积小、磁场结构简单的黑子群由于没有能力储存更多的磁能,则几乎不会爆发或只爆发小规模的活动。历史上的那些强太阳风暴的发生都起源于具有复杂磁场结构的黑子群。因此,黑子群面积、磁场的实时监测,可以让预报员及时了解黑子群的发展和演化进程,为预测太阳风暴提供强有力的证据。

6 黑子群与太阳爆发

3.看天知地

    通过卫星云图监测,天气预报员可以告诉你会不会刮风、会不会下雨。太阳黑子爆发了,太阳风暴来了,我们如何知道?当然要靠太阳监测。而对太阳风暴的监测,最主要是对耀斑和日冕物质抛射监测。

    耀斑是电磁辐射突然增强的一种表现,在太阳观测图上常表现为某区域的突然增亮,在X射线耀斑流量监测中则表现为流量的快速上升。耀斑发生时,预报员通过流量的监测可以实时判断耀斑发生的时间和级别大小,并可以快速地预测出电离层发生扰动的区域和强度。而不同波段的耀斑成像监测,不但清晰、详细地展现耀斑的爆发过程和爆发强度,通过图像,预报员可以及时确定耀斑发生的位置,分析所对应的黑子群活动情况,从而预测后期的再爆发概率。

7 耀斑的Ha观测和极紫外观测

      日冕物质抛射,正如其词义所表达的那样,是指从太阳大气中向行星际空间抛射出一团日冕物质,当其发生时,从日冕图像中会很清楚看到明亮物质喷出。通过连续的日冕成像图,就可以判断日冕物质抛射发生的时间、抛射的方向及传播速度等等,再结合日面黑子群和耀斑发生情况,就可以确定这团物质的源区位置。目前,SOHO和STEREO卫星的的联合监测,实现了从不同角度对同一日冕物质抛射的立体观测,更加清晰地展现了日冕物质抛射的全过程。日冕物质抛射对地球的主要影响是引起地球磁场变化,产生地磁暴。而一般日冕物质抛出后,需要约1~4天才能到达地球,这样预报员有比较充裕的时间来分析日冕物质抛射的特性,并根据行星际到地球空间的各种观测资料,预测该团物质是否会到达地球、到达地球的时间及可能对地球磁场产生的影响程度。

8 日冕物质及地磁暴

    在耀斑和日冕物质抛射发生时,也可能伴随有高能带电粒子喷出,在监测中主要表现为不同能量段质子通量的增加,即我们常说的质子事件。根据实时的监测数据,预报员可以判定此次质子事件的级别、发展过程,并预测可能持续的时间,及时发出警报和预报信息。

5.太空中的眼睛

   人类对太阳活动的监测已有几百年的历史,随着人类活动进入太空,卫星在太阳活动监测中起到了巨大的作用。在过去半个多世纪的航天史上,有一系列经典的卫星被送入太空。人类对太阳的认识,对地日关系的理解,对太阳风暴的监测……,离不开这些置于太空中的锐眼――SOHOSTEREOSDO等等,将来还会更多,每颗卫星都搭载有多种探测仪器,实现不同的功能。

        SOHO是首当其冲的第一颗,1995122日发射升空,目前仍在服役当中。可以毫不夸张地说,在SOHO之前人类从未有过这样的机会,可同时对整个太阳,从内到外进行如此综合的探测。此后2006年发射的STEREO双子星,2010年发射的SDO,一颗又一颗的“大眼睛”,为人类揭示着这个神秘气体球的多种面孔。

    向它们致敬,更向其身后的科学家们致敬!!!

 

9 SOHO卫星对太阳的探测

2017年空间环境盘点

2017年空间环境盘点

        2017年,已经接近第24太阳活动周下降期的末端。太阳活动水平虽然在稳步下降,但却在9月份爆出了一个大烟花——中元节事件。而几个大冕洞轮番袭扰地球磁场,让地磁活动不甘寂寞。我们更不能忽略的是频繁发生的高能电子暴。下面我们一起回顾这一年仍不算太平的空间环境……

 1. 24太阳活动周的末端越来越近了

    众所周知,太阳活动具有11年左右的周期性。我们现在所处的第24太阳活动周,开始于200812月,截至目前已经过去了9年出头我们利用相似周方法进一步给出第24太阳活动周的预报结果。鉴于本太阳活动周与第1214太阳活动周活动水平相当、走势相似,在预报中,我们以这两个太阳活动周作为相似周,图1给出了预报结果。预计本太阳活动周将在2019-2020年结束,还有2-3年的时间。

1  24活动周F10.7平滑月均值的实测与预报值

2. 太阳活动整体稳步下降,但仍有偶发大事件

1)整体水平

    在2017,太阳活动整体水平完美扮演着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。

    从20171月到12月,太阳黑子月均值从28下降至7,太阳F10.7月均值从77sfu下降至72sfu

    太阳黑子数和F10.7年均值都有一定的下降分别为19.477.2sfu,相对2016年分别下降了47%13%

    日面上的黑子越来越少,无黑子日持续出现,相应的太阳爆发活动变得稀少。

2爆发情况

    全年日面上出现的活动区个数69个,2016年减少了54%无黑子日增加到了105天,比2016年增加了2倍,相当于一年中有近三分之一的时间里太阳上没有黑子出现

2  无黑子日越来越多

    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。2017年共爆发了243C级耀斑,2016年减少了24%

    但是,例外出现了,2017年爆发了39M级耀斑,比2016年增加了20多个。此外,更是爆发4X级耀斑!而这在2016年是不曾有的。

    进一步地,2017年发生了4次太阳质子事件,其中1大质子事件1次中等质子事件。而2016年仅仅发生一次小质子事件。

    是不是觉得有点反常?

    其实,这一点也不意外。这些异常的根源,就是黑子群AR2673这个大怪物的出现。它在9月份爆发的“中元节事件”中,共爆发了27M级耀斑、4X级耀斑,引起了大太阳质子事件等一系列空间环境事件。

3  黑子群AR2673的演化(8月29日-9月10日)

    该事件在历史留下了浓重的一笔,在后面的章节我们将单独回顾。

3. 地磁活动比较坚挺,不甘就此结束

    相对于太阳活动,2017年的地磁活动水平仅仅比2016年略有下降。从地磁活动标识的多个指标看,与去年相比,本年度地磁活动减弱趋势并不明显。

    从20171月到12月,地磁Ap指数月均值从10下降至8

    地磁Ap指数年均值为11.5,仅比2016年低1%

    而Ap15的天数为88天,也与2016年基本相当

    根据统计,在一个活动周中,地磁活动的演化比太阳活动有一定的滞后性,约1年左右。太阳活动先下降后,地磁活动才会在一年后扭扭捏捏的下降。并且,基于过去多个太阳活动周的地磁活动走势,我们的预测显示目前的地磁活动仍然处在本活动周相对较高的水平。为什么今年的地磁如此强势,不甘随着太阳活动的下降就此走向没落?

 4  24活动周Ap指数平滑月均值实测与预报值

    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2017年的冕洞又比较给力,多个大冕洞曾赖在太阳上不舍离去,再加上下半年大黑子群AR2673这个奇葩的大爆发,这都给了今年地磁活动硬气的理由。

5  2017年代表性冕洞和CME

    在地磁暴方面:小或中等磁暴(Kp=56)时段为142个,大磁暴(Kp=78)时段为7个。其中,本年度中最强的地磁暴由CME引发,发生在98日,Ap指数为96

4. 高能电子暴——舞台真正的大咖

        2017年,高能电子暴不断发生。全年共有129发生小高能电子暴,22发生中等高能电子暴,高能电子暴总达到了151天,已经超过一年时间的40%

6  2017年高能电子暴占比

    在这一年当中,曾经多次出现持续多天的高能电子暴。不过,仍然无强高能电子暴发生,这就只能归罪于本活动周的弱势了

7  7-9月份期间的高能电子滑动积分通量

    参照过去两个活动周,目前仍然处在本活动周高能电子暴的高发期。

8  22-24活动周高能电子暴发生次数分布图

5.  2017代表性空间环境事件

1横跨多个太阳自转周的大冕洞

    由于太阳具有27自转周期性,而日面上的冕洞在日面上存在的时间较长,因此随着太阳自转其引起的地磁扰动同样具有约27天的重现特征。

    在2017有多个冕洞持续超过3个太阳自转周其中有个大冕洞1月起多次影响地球磁场重现6个太阳自转周。该冕洞在2-4月份面积持续较大,南北几乎横跨太阳南半球、东西跨越几十度分别在131-23日、31-4日、327-41421-24日引起了地磁

9  典型大冕洞及其引起的地磁暴

2中元节事件

    太阳爆发活动是偶发性事件,即使在太阳活动下降年也需要警惕强烈太阳活动的爆发。而9月份爆发的“中元节事件”,就是这样活生生的例子。

    该事件的源头就是我们前文提到的大黑子群AR2673

 10  黑子AR2673

    在94日—10日,AR2673共爆发了多个大耀斑其中,比较有代表性的三次爆发:9420:28爆发的M5.5级耀斑611:53爆发X9.3级耀斑1015:35爆发的X8.2级耀斑,都对地球空间环境产生了比较明显的影响。

11  94-10日的耀斑爆发

         M5.5级耀斑:伴随有高能粒子的喷发,中等太阳质子事件伴随全晕日冕物质抛射,导致地球发生十几个小时的地磁活跃。

12  95日开始的中等质子事件

        X9.3级耀斑:是第24太阳活动周以来最大级别的耀斑,而上次出现超过这种级别的耀斑还要追溯到2005年。耀斑的爆发伴随的高能粒子喷发,导致地球同步轨道的中等太阳质子事件的持续至98日。该耀斑伴随日冕物质抛射,导致地球发生十几个小时的大地磁暴。

13  97-8大地磁暴

        X8.2级耀斑:该耀斑的爆发,伴有强烈高能的喷发导致发生大质子事件其中大于10MeV的高能质子最高通量达到1490pfu 伴随的偏晕日冕物质抛射,引起了小地磁暴。

 14  受太阳质子事件影响的LASCO观测图像

  15  910-12日的大质子事件

7.总结与展望

    回看2017年,太阳活动整体水平继续稳步缓慢地下降着但偶发的大爆发活动还是引起了一系列空间环境事件;地磁活动整体水平则仅仅略有下降这是由于其演化的滞后性造成的;高能电子暴最为活跃,正是其表演的时机

    展望2018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,但空间环境是不甘寂寞的,地磁暴和高能电子暴会常常骚扰地球。期待着与您一起关注!

 

 

地球静止轨道环境业务卫星系列——GOES

        GOES系列卫星从1975年开始,为空间环境监测、预报、建模提供了大量探测数据,为我们了解空间环境提供了一个窗口,其家族最新的卫星为GOES-16。这里我们将详细介绍GOES系列卫星,以便您了解它们的全貌。

l   GOES系列卫星

        GOES系列卫星由美国国家海洋与大气局(NOAA)管理,用于天气预报、空间环境监测等业务和气象学的研究,为地球同步轨道卫星。GOES采用双星运行机制,双星分别定位于135°W75°W赤道上空,覆盖范围为20°W~165°W,约占全球面积的1/3面积,可以每天24小时连续对西半球上空进行气象观测。GOES卫星算得上是个大家族,至今已经发展了三代,从最早的SMS衍生系列到第二代共计十五颗。GOES-1卫星于19751016日在美国卡纳维拉尔角空军基地发射,卫星重294千克。SMS衍生系列(GOES-1~3)和第一代(GOES-4~7)为自旋稳定卫星,都装载了可见光/红外扫描辐射计和大气探测器。1994413日首颗第二代业务卫星GOES-8发射成功,它采用了三轴稳定系统。最新的一颗GOES系列卫星是于2016年11月19日发射的GOES-16GOES虽然属于气象卫星系列,但从GOES-1开始的每颗卫星都搭载了空间环境监测器SEM子系统,2001723日发射的GOES-12开始携带用于监视太阳大气层的太阳X射线成像仪SXI

▲ GOES系列卫星定点位置

2  GOES卫星的使命

        GOES卫星所处的地球同步轨道位于赤道面上高度约为36000公里处,该轨道上的卫星与地球的相对位置不变,并且数据可连续、稳定、实时下行,是空间卫星的高密度区,同时也是监测太阳风暴与近地空间环境的理想平台。该区域的空间环境受太阳活动影响非常大,当强太阳风时,磁层被压缩,地球同步轨道区完全暴露在太阳宇宙线、高速太阳风之中。在磁暴或亚暴时,从磁尾注入的高温等离子体也使得该区域成为航天器异常的高发区。如此恶劣的空间环境也彰显了GOES卫星的“英雄”本色,在过去的三十多年中,GOES卫星已成为国际上开展同步轨道空间环境探测的典型代表,出色的完成了人类赋予它的使命。

        GOES探测的内容涉及到太阳活动、空间带电粒子和空间磁场三部分。GOES卫星监测数据是美国空间天气预报中心SWPC给出当前空间天气情况和发布空间环警报的重要依据,如利用GOES-13提供的质子通量数据,GOES-1315提供的电子通量和磁场的水平分量数据,绘制成图,进行实时发布。同样地球同步轨道的太阳质子事件警报的数据来源也是GOES卫星能量大于10MeV的五分钟平均高能质子通量。此外,国际上广泛采用的利用1~8埃软X射线辐射强度对X射线耀斑进行定级,参照的正是GOES卫星观测的软X射线峰值流量的量级。

   ▲ GOES-13/15卫星环境(3天)

▲ GOES-13卫星太阳质子通量

3  GOES卫星上监测空间环境的仪器

    在GOES卫星上搭载的仪器中,与监测太阳风暴有关的子系统有空间环境监测器SEM和太阳X射线成像仪SXI,下面的介绍以GOES-N系列(GOES-131415,属改进型第二代GOES卫星)仪器为主。

    空间环境监测器SEM主要用于测量X射线与极紫外波段的太阳辐射,同步轨道处的磁场和高能粒子环境,包括三个仪器组:X射线和极紫外射线探测仪XRS/EUV,它由一个数字处理器控制的2通道X射线探测器和5通道极紫外探测器组成,用于测量近地轨道处的射线环境;能量粒子探测器和高能质子、阿尔法粒子探测器EPS/HEPAD,主要测量起源太阳而被地磁场捕获的高能质子、电子和阿尔法粒子通量;磁力仪组MAGNETOMETERS,由两台磁力仪组成,分别测量卫星所处区域磁场的三个正交分量。太阳X射线成像仪SXI由洛克西德马丁公司太阳与天体物理实验室研制,旨在通过X射线监测太阳耀斑活动,及时地发布警报,降低太阳风暴给人类生活带来的影响。它由集成于控制台上一个CCD探测器和一个望远镜组成。

  ▲ X射线和极紫外射线监测范围

▲ GOES-14的结构图

4  新一代GOES-R卫星计划

    当地时间2016年11月19日,新一代的GOES系列卫星的第一颗卫星GOES-16,由“宇宙神-5号”火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔空军基地将其送入太空。GOES-16搭载的设备有空间环境监测仪、磁力计、极紫外/X射线辐射传感器、太阳紫外成像仪等。与其他GOES卫星相比,GOES-16在太阳X射线、太阳耀斑、日冕物质抛射方面的监测精度有很大提高。GOES-R系列的第二颗卫星GOES-S计划于2018年3月发射升空。

▲ 新一代GOES卫星计划

让人又爱又恨的电离层究竟是啥

    在地球上空大约60公里~1000公里范围内,有一个特殊的区域,人们对它可谓又爱又恨因为它的存在,使无线通信成为现实,同时它又GPS定位“捣乱鬼”

    这就是电离层。

     电离层的区域也属于高层大气的高度范围, 它之所以单独命名主要是由于其中存在自由电子,虽然电子的密度不到中性成分的1%,但这些自由电子足以影响无线电波的传播

    今天我们就来简单认识一下地球的电离层。

1.电离层的发现

        1901,扎营守候在加拿大讯号山的意大利科学家马可尼,用风筝架高接收天线,接收到了从英格兰发出的跨大西洋的无线电信号。

    这不禁让人们疑惑,无线电波是如何绕地球弯曲的表面传播的?因为按照当时的理论来解释,从英国发射的无线电波一定直太空,怎么可能到达加拿大?

1   马可尼在1901年那次著名实验中的留影

    当时美国科学家肯涅利和英国科学家亥维赛德不约而同地提出:在地球大气层中有电子层的存在,它可以像镜子般把无线电波反射回地面,这种反射回的信号,使得远方的电台可以互相通信。当时把这个电子层叫做肯涅利-亥维赛德层,这就是现在我们所称的电离层。

1924年,英国物理学家阿普尔顿利用新英国广播公司发射的周期性变频信号进行试验,接收到的信号显示距地面90公里处存在一个反射层。据此,证实了电离层的存在。

    从此,电离层作为近地空间环境的一个重要组成部分,成为人们认识自身生存环境的一个重要方面,随后建立了电离层物理学这一学科。

    另一方面,凡涉及电波传播和电磁环境的技术领域,例如通信、广播、导航、定位等都十分重视电波传播电离层效应的研究,以至于电离层无线电波传播成为电离层物理之外的另一研究领域。

    按国际无线电工程师协会(IRE)的定义,电离层就是“存在足够多的自由电子,能够显著地影响无线电波传播”的区域。

2. 电离层如何形成

   电子的产生

    电离层能够导电的原因是其中存在自由的电子和离子。在中性的原子和分子里,电子被原子核牢牢的吸引着,要使电子脱离原子核,必须消耗一定的能量。那么,是什么力量迫使电子离开它所紧紧依附着的原子或分子呢?

    这个看不见的力量来自于太阳。太阳辐射的极紫外线、X射线到达地球上空时,被大气吸收,消散的能量引起中性大气电离,这个产生自由电子的过程称为光电离过程。此外,进入大气层的高能粒子也能产生大气的电离,称为微粒电离。

2    光电离

    但是,并不是所有高度的大气成分都能电离产生大量自由电子。电离层的形成需要特殊的天时地利条件

        “天时”是指接收到的太阳辐射足够强,能够使中性成分发生电离;“地利”是指正好在地球上空约60公里~1000公里高度范围内,中性大气稀薄适中,电子能够自由存在,并且足够多以致能影响无线电波传播。

    在电离层以下,中性大气稠密,电子和离子很快复合而消失,电子不能自由存在。而在电离层以上的磁层,大气十分稀薄,电子密度极低

 3    电离层的形成示意图

   电子的复合与输运

    电离层中的自由电子、离子,还有中性大气分子和原子都处在不停的运动状态中。它们迅速向各个方向移动着,互相碰撞并向不同的方向分开,并继续不停的运动,然后重复着碰撞和分开的过程。

    电子的质量最小,因此也是最“调皮”的,它在大气中迅速到处游走,有时,它会出现在一个正离子的附近,由于相互吸引,电子就跑进了相遇的离子中,结果重新生成一个中性原子或分子,这就是复合过程。

    有时,自由电子也可能碰上一个中性粒子,它会调皮地在这个粒子上,这时就得到一个带负电的离子,这个负离子也可能遇上带正电的离子,重新复合成中性的分子或原子由于上述的复合过程,电离层中的电子消失了。

    除了电离产生电子、复合损失电子外,电离层中还有一个重要的过程既不产生新的电子也不使电子消失,只是电子在重力,电场和磁场等外力的作用从一个地方被输送到另一个地方,这个重新分布的过程就是输运过程。

电离层的分层

    电离层中低高度的电子主要因复合而损失,而随着高度的增加,电子的输运过程变得越来越重要。电子的产生与损失在不同高度上达到平衡时的结果不同,从而形成了电离层特殊的电子密度随高度分布的结构。

    科学家们喜欢用来给不同的区域命名,实际上这些层之间并没有明显的边界

① 底部:距地面大约60公里以下,电子密度极低,以致于无线电波感觉不到它们的存在,因此认为60公里就是电离层的底部。

② D层:距地面60公里到90公里左右的区域,它只存在于白天。在夜间,由于没有太阳辐射,D层自由电子迅速复合成中性成分而消失。

③ E 高度90公里到120公里左右。E层的自由电子峰值浓度约是D层峰值的100倍。在夜间,E层电子也会由于复合而迅速减少。

④ F高度120公里到1000公里左右。F层电子复合过程较慢,夜间仍然存在,这与夜间电离层顶部向下输送等离子体有关。F层在白天分裂成F1层和F2层,夜间则只有一个F2层。

    F层是自由电子最稠密的区域自由电子密度远远高于D层和E层,对无线电波的反射能力最强。它的存在是短波能够进行远距离通信的主要原因。

 4    电离层的分层

 3. 电离层与电波传播

    从电离层的发现历程可以看出电离层与无线电波传播是密不可分的,那么,无线电波在电离层中究竟是怎样传播的呢?

    光在水或者其它媒质中传播时,会发生折射和反射等效应。同样,无线电波进入电离层时也会发生传播路径的改变。电子密度越大,电波折射得越厉害。

    在一定条件下,从电离层的D层到F2层的峰值处,电波到达某一高度后将开始全反射向下传播,返回地面。对于不同频率的电波,穿过电离层时的传播路径不同,频率越高,越容易穿出电离层。

    例如,甚低频波一般只能在电离层底部和地面构成的腔体内进行传播,长波、中波、短波会在电离层的不同高度被反射,超短波、微波在一般情况下可以穿透电离层而不返回地面。

5    电离层中的电波传播A:折射B吸收C散射D反射

        另外,电波在电离层中传播时,电子从电波获取了能量,又会与中性粒子发生碰撞,从而将部分能量传递给中性粒子,导致无线电波损失了能量。当电离层中的电子足够多,而电波的能量又不够高时,电子对电波的吸收很强,甚至会将电波全部吸收。

    电离层中的D层中性成分的浓度很高,因此这一层是电波吸收的主要区域。D层电离的程度越高,吸收无线电波的能力越强。E层与D层类似,它主要在白天影响传播。F层在白天能把比较高频率的电波反射回地面,而到了晚上由于电子密度的降低,这些较高频率的电波会穿透电离层。因此在晚上,短波的通信频率应比白天低。

1    无线电波频段的划分

        人们利用不同频段的电波,通过电离层实现了各种方式的无线电通信和导航。例如,长波和超长波穿透海水的能力很强,人们利用它们实现对潜艇的通信;利用中波实现广播;利用短波实现远距离通信和广播。

    卫星上天后,利用较高频率的电波,人们实现了全球的卫星通信和卫星导航。卫星信号都是穿过电离层进行传播的。这时,电离层已经不再是信号传播的媒介,而纯粹是一个扰乱者的角色了。例如,人们常常使用的GPS导航设备,会因为电离层的折射误差而降低定位的精度。

    电离层是离我们最近的太空圈层,对无线电通信、卫星导航定位、雷达探测等都会产生重要影响,可以说,它与人类高新技术活动乃至日常生活息息相关。虽然让人又爱又恨,还真是离不开它呢!

 

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