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太空天气

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发现号在1991年5月观察到的极光。

太空天气是在地球周围的太空环境条件改变的观念。它与行星大气内的天气观念不同，涉及太空中的等离子、磁场、辐射和其他物质。"空间气象"经常隐藏性的意味着在地球附近的磁层，但是它也是在 星际间（并且经常是星际空间）的研究[1]

在我们自己的太阳系内，太空天气受到太阳风的密度和速度，还有太阳风携带的等离子造成的行星际磁场（IMF）很大的影响。不同的物理现象与太空天气有关，包括地磁风暴和次风暴、范艾伦辐射带的活动、电离层的扰动和闪烁、极光和在地球表面的地磁的诱导电流。日冕物质抛射和它们关联的冲激波经由压缩磁层和触发地磁风暴也是导引空间气象的重要驱动力。

被日冕物质抛射或闪焰加速的太阳高能粒子，也是太空天气的重要驾御者，它能经由感应电流危害到太空船上的电子设备，和威胁到太空人的生命。

太空天气在几个相关的地区对太空探索和发展发挥了深远的影响。不断变化的地磁条件可以造成大气密度的急剧改变，造成低地球轨道上太空船高度的堕落。由于太阳活动增强产生的地磁风暴会导致太空船上的检测器暂时失明，或是干扰到船上的电子仪器，或是太空环境的条件对设计太空船的遮罩和载人太空船的生命支援系统也是很重要的。此外，磁暴也会影响到在高纬度上常态飞行的飞机，使受到的辐射总量增加[2]。

卫星观测太空天气

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从1995年起，美国国家航空暨太空总署（NASA）和欧洲太空总署（ESA）合作的太阳和太阳风层探测器（SOHO）太空船接近即时太阳资料成为对太空天气预测的主要来源。在1998年，NASA的高新化学组成探测器（ACE）加入，它携带了可以连续传输有关原来位置的太空天气信标。SOHO和ACE都位于L1拉格朗日点，距离地球1%天文单位的地球上游位置，它测量到的太阳风和电浆大约在1小时后就会抵达地球。NASA和ESA最新发射的日地关系天文台（STEREO）增加了一个额外的太空天气资料流程，以立体的影像涵盖了地球与太阳之间的空间。两艘STEREO太空船，一艘超越在地球的前方，另一艘尾随在地球的后方，每年漂移远离地球约22度。

模型的尝试

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自1990年代以来，从太阳到地球以及周遭太空环境的主要模型，就使用三度空间的磁流体动力学架构模拟。在美国，两个主要的中心是密歇根太空环境模拟中心(CSEM) [3]和综合太空天气中心(CISM) [4]。

太空天气事件的例子

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主条目：太阳风暴列表
  • 1806年12月21日，亚历山大·冯·洪堡 (Alexander von Humboldt) 观察到他的指南针在一次明亮的极光事件中变得不稳定。[5]
  • 1859年9月2日，1859年太阳风暴（卡林顿事件）造成电报服务大规模中断。
  • 1921年5月磁暴,[6] 是最大的地球磁暴之一，扰乱了全世界的电报服务并损坏了电气设备。
  • 最著名的空间气象事件例子是发生在1989年3月13日魁北克水力的电力网络因为地球感应电流瓦解的事件。这个事件开始于一个变压器出现故障，然后导致大规模普遍的断电，至少持续了9小时，并有600万人受到影响。造成这个磁暴发生的事件是1989年3月9日的日冕物质抛射，太阳抛出了一些物质[7]。
  • 1994年1月20日的磁暴撞击了两颗加拿大的通信卫星Anik E1和E2，还有一颗国际通信卫星Intelsat K，使通讯暂时性的中断。
  • 1997年1月7日的日冕物质抛射轰击了地球的磁层，使AT&T损失了一颗通信卫星Telstar 401(价值$2亿美金)[8]。
  • 飞越极区的航线对太空天气别敏感，部分是因为联邦航空条例要求在飞行的全程都需要可靠的通信[9]。估计每次偏离极区的飞行都要多耗费$100,000美金的费用[来源请求]，有9家航空公司经营飞越极区的航线[9]，即使有一些卫星的讯号受到干扰，接收机自主完好监测技术可以协助飞机仍然能接收到GPS的讯号。
  • 2000年巴士底日事件恰逢异常明亮的极光。
  • 在载人太空任务期间没有发生较大的太阳高能粒子事件。虽然，类似的大事件发生在阿波罗16号和阿波罗17号登月任务中间的1972年8月7日。高能量的粒子有可能轰击到没有地球磁场保护的太空人，若这些事件发生在这些任务进行的期间，有可能造成死亡或至少会危及太空人的生命[10]。2002年4月12日，一次太阳高能粒子事件冲击到火星探测器Nozomi，导致大规模的失败。这个计划原本就已经比程序表落后了3年，最后终于在2003年12月被放弃[11]。

在地球表面的太空天气

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所知空间气象和地面层最重大的影响是地磁感应电流（英语：Geomagnetically induced current）(geomagnetically induced current，GIC)。这些可以造成电流在电网、管线和其他传导网络中流动并且产生损害。在地面上快速的磁场变化 － 在发生磁暴的过程和太空天气的结合 － 也可以是重要的活动，像是地球物理映射和碳氢化合物的产生。

地球物理的探勘

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飞机和船舶承担的地磁测量在磁暴期间可以快速的受到磁场改变影响。磁暴可能导致资料解释上的问题，因为在调查地区下的地壳磁场也会受到太空天气影响产生相似的变化。一个实用的测量设备能够准确的提出磁暴警告，包括严重程度的评估和磁暴持续的时间。

地球物理学和碳氢化合物的生成

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由于经济和其它的原因，石油和天然气的生产往往涉及定向钻井，井的路径从一个单一的井口在水平和垂直方向上都延伸好几公里。由于附近还有其它的钻孔，也由于目标的大小－储藏层可能只有数十到数百米宽－和安全上的理由，在精度上的要求很严格。使用陀螺仪的测量方法是最精确也是最昂贵的，因为它可能需要停止钻井数小时。一个替代的方法是使用磁性的测量，它可以进行钻井中测量。几近即时的磁性资料可以用来更正钻井的方向，并且邻近的磁场观测台是不可或缺的(Clark and Clarke, 2001; Reay et al., 2006)。磁性资料和风暴预测还有助于在持续的基础上弄清楚未知来源的操作错误。

延伸读物

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  • Clark, T. D. G. and E. Clarke, 2001. Space weather services for the offshore drilling industry. In Space Weather Workshop: Looking Towards a Future European Space Weather Programme. ESTEC, ESA WPP-194.
  • Carlowicz, M. J., and R. E. Lopez, 2002, "Storms from the Sun", Joseph Henry Press, Washington DC.
  • Reay, S. J., W. Allen, O. Baillie, J. Bowe, E. Clarke, V. Lesur, S. Macmillan, 2005. Space weather mom on drilling accuracy in the North Sea. Annales Geophysicae, Vol. 23, pp 3081–3088.
  • Odenwald, S. 2006, "The 23rd Cycle;Learning to live with a stormy star", Columbia University Press, (http://www.astronomycafe.net/weather.html（页面存档备份，存于互联网档案馆）)
  • Bothmer, V.; Daglis, I., 2006, "Space Weather: Physics and Effects," Springer-Verlag New York.
  • Gombosi, Tamas I., Houghton, John T., and Dessler, Alexander J., (Editors), 2006, "Physics of the Space Environment," Cambridge University Press.
  • Daglis, I. A. (Editor), 2001, "Space Storms and Space Weather Hazards," Springer-Verlag New York.
  • Song, P., Singer, H., and Siscoe, G., (Editors), 2001, Am. Geophys. Union, Washington, D.C.

外部链接

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相关条目

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注解

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  1. ^ Space Weather: A Research Perspective （页面存档备份，存于互联网档案馆）, National Academy of Science, 1997. "太空天气描述在太空中会影响到地球的环境和它的技术系统。我们的太空天气是太阳活动的结果，与地球磁场的本质，和我们在太阳系中的位置有关。"
  2. ^ Mertens, Christopher. Progress on NASA NAIRAS Model Development (PDF). Space Policy Institute Workshop on Space Weather, Aviation, and Spaceflight. 2008-01-11 [2008-04-27]. （原始内容 (PDF)存档于2008-05-28）. 
  3. ^ Center for Space Environment Modeling. [2020-10-06]. （原始内容存档于2011-08-02）. 
  4. ^ Center for Integrated Space weather Modeling. [2010-10-03]. （原始内容存档于2018-09-13）. 
  5. ^ Russell, Randy. Geomagnetic Storms. Windows to the Universe. National Earth Science Teachers Association. March 29, 2010 [23 February 2013]. （原始内容存档于2013-06-06）. 
  6. ^ Silverman, S.M. Low-latitude auroras: the magnetic storm of 14–15 May 1921. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2001, 63 (5): 523–535 [2024-05-12]. Bibcode:2001JASTP..63..523S. doi:10.1016/S1364-6826(00)00174-7. （原始内容存档于2015-06-23）. 
  7. ^ Geomagnetic Storms Can Threaten Electric Power Grid （页面存档备份，存于互联网档案馆） Earth in Space, Vol. 9, No. 7, March 1997, pp.9-11 (American Geophysical Union)
  8. ^ Space Weather and Satellite loss. [2010-10-03]. （原始内容存档于2011-06-27）. 
  9. ^ 9.0 9.1 United polar flights （页面存档备份，存于互联网档案馆） Mike Stills
  10. ^ 1972 Apollo Mission and SEP events (NASA). [2010-10-03]. （原始内容存档于2009-09-30）. 
  11. ^ Nozomi Mars Probe hit by a large SEP event[失效链接]

书目提要

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外部链接

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