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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!!

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中等高能电子暴事件持续三日

        受重现性冕洞高速流影响, 2018年3月23-25日地磁发生小扰动。3月25-26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,27-29日,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),日积分通量分别为1.33E+09个/cm2·sr·day、2.3E+09个/cm2·sr·day、1.3E+09个/cm2·sr·day,连续3天达到橙色警报等级。预计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 2018年3月27-29日发生中等高能电子暴事件

发表在 综合新闻

3月28日中等高能电子暴事件持续

        受重现性冕洞高速流影响, 2018年3月23-25日地磁发生小扰动。3月25-26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,27-28日,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,日积分通量分别为1.33E+09个/cm2·sr·day、2.3E+09个/cm2·sr·day。预计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。

 图1 2018年3月27-28日发生中等高能电子暴事件

发表在 综合新闻

3月27日发生中等高能电子暴事件

       受重现性冕洞高速流影响, 2018年3月23-25日地磁发生小扰动。3月25-26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,27日,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,日积分通量为1.33E+09个/cm2·sr·day。预计未来2天高能电子日积分通量仍可能达到小高能电子暴水平。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。

图1   2018年3月27日发生中等高能电子暴事件

 

发表在 综合新闻

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

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