澳大利亚空间天气研究概况

�好�? 张权 何锡玉 佀长刚 王燕

摘 要:随着空间时代的到来,空间天气对人类的影响越来越广泛,对空间天气的研究越来越引起世界各国的重视。本文概要介绍了澳大利亚在空间天气研究方面的情况,主要包括:空间天气服务、围绕服务展开的研究、地球和太阳基础研究,以及未来空间天气研究的方向等。

关键词:天气澳大利亚

中图分类号:V419 文献标识码:A 文章编号:1674-098x(2012)06(b)-0008-03

空间天气对人类的影响是非常巨大和广泛的。它可以威胁轨道中的人造卫星,伤害太空中的人类。空间天气也可以诱导长导体上的电流,诸如地球上的管道和动力线,中断地面和航行器之间的无线电通信等。

北半球的国家更多的是监测北半球的空间天气事件,尤其是不利的空间天气。他们集体研究和计算,提供了关于该区域较全面的观测现象。相反,很少有针对南半球和南极地区的空间天气研究和监测。

澳大利亚在南半球拥有最大的地面、空间天气网络。可提供从地磁到地理学广泛的陆地服务以及非常多的不同的空间环境服务。战后澳大利亚部分起着区域领导作用,1948年,政府建立了离子大气预报服务机构(IPS),这是早期的空间天气监测机构。可以为高频无线电通讯有效提供离子大气的信息。在1957-1958国际地球物理年(IGY),其作用拓展为包括对太阳闪烁期等离子暴和地磁暴的短时警报。IGY之后,人们发现高频通信警报和磁暴警报非常有意义。像世界其他许多国家一样,随着消费者的增加,再加上20世纪90年代早期互联网的介入,导致空间天气服务的范围日益扩大。

同全球其他国家一样,澳大利亚科学家一直努力研究太阳-地球之间的相互作用,这对理解非常复杂的空间天气物理机制,减轻空间天气事件对人类的影响,提高减灾服务的效果,有着重要的科学价值和广泛的经济和社会价值。

1 空间天气服务

1.1 服务的对象

作为气象局的一部分,主要空间天气服务由IPS通过其网站提供。而提供给澳大利亚国防部的服务是由IPS和其他几个机构共同完成的。IPS的客户包括联邦和州政府、教育机构和一些私人机构诸如高频通讯机构、广播公司、航空公司、工程师、管道经营者、地球物理研究机构、航空磁测测量机构、无线电业余爱好者和极光观测者。

1.2 服务的范围

服务的时间范围很广,从空间气候逻辑推理图到太阳耀斑的警报。服务的范围包括地面高频讯号中断提示服务(主要针对广播、通信、雷达等)、地磁干扰(针对航空磁测、建立和维护管道)、宇宙射线事件(针对太空飞行器),向人造卫星操作者发布电离层破坏可能产生的火花和系统性干扰等。

有些服务如太阳风和地磁环境是自动生成的;其它的较复杂的服务有专门的数据收集驱动系统。例如,澳大利亚Jindalee雷达操作网(JORN)。它是一个地平线雷达网,用反射讯号探测电离层的当前状况。类似JORN之类的工程,需要根据所使用的雷达类型来收集不同的数据。

2 围绕服务展开的研究

无论是服务还是研究项目,在澳大利亚主要依赖陆地上建立的广泛的树型观测网。绝大多数局地数据在空间天气服务中有重要的作用,常被科研机构访问。尤其是一些实时资料,常通过世界太阳表面科学研究数据中心获得。

2.1 空间天气研究的趋势向服务方面靠拢

空间天气研究的趋势直接或间接地向服务方面靠拢。例如:由飞机完成的地磁测量,在地磁场发生扰乱时会产生严重的误差,地磁震动和测量的方法之间会相互作用,产生虚假结果。为了估计由于观测可能产生的震动效应,IPS开发出了可以绘制横跨澳大利亚震动效果的产品。其他研究项目主要关注在管道保护方面:当气流通过管道时可以防止侵蚀,但当地磁暴发生时,磁场的改变可能降低保护的效果。精确的空间环境预报需要科学家研究数据来源,集体讨论如何用更好的途径来定量显示太阳风和地球之间是如何相互作用的。

2.2 对电离层改变的研究重新引起人们的重视

对电离层改变的研究重新引起人们的重视。当频率低于100MHz的无线电波穿越扰动或发生闪烁的电离层时,会导致电离层的改变。电离层扰动(TIDs)是大气中的中性波,它可在电离层中产生扭曲的离子廓线,导致无线电波产生聚合、扩散、反射或穿越电离层。巨大的电离层暴产生的电离层扰动(TIDs)可以传播很长的距离和较宽的空间区域。这些自然的周期性的扰动可以使无线电信号得到校正;相反,由于离子的不稳定性产生的闪烁,可以使无线电信号的强度和相位产生严重的中断,导致信号退化而不易校正。

3 太阳基础现象研究

对太阳基础现象的研究是从对太阳的观测开始的,这包括了对太阳陆地环境的所有方面。

3.1 Culgoora和Learmonth太阳观测站

离子大气预报服务机构(IPS)拥有两个太阳观测站。其中,Culgoora太阳观测站坐落在新南部威尔士的纳拉布赖附近。它主要利用Razdow太阳望远镜对太阳进行日常的可见光观测。在一个观测周期中,太阳活动情况被详细地记录下来,相关信息被传送到世界各地类似的观测站。Learmonth太阳观测站坐落在澳大利亚西部的艾克斯蒙斯附近,由IPS和美国空军(USAF)共同管理,总部设在美国空军气象处。它主要利用无线电太阳望远镜观测从太阳发出的无线电喷射。太阳无线电脉冲用太阳声谱仪观测,在太阳活跃期,为预报员提供太阳表面物质抛离证据。太阳光学观测网(SOON)也坐落在Learmonth,它是全球六个太阳地震观测站中的一个,它通过观测太阳的地震波来提供太阳内部的信息。

通过这些观象台,澳大利亚拥有巨大的太阳喷射研究数据。例如,关于太阳风的实时日食平面模式数据来源于太空船高级混合观测仪和二型太阳脉冲的合并。这只是活跃电子从太阳表面喷射时,产生的几种脉冲的一种。

3.2 太阳活动周期及模式研究

悉尼大学在改良太阳二型脉冲喷射模式[2]和改进太阳声谱数据分析方面有重大突破。该数据为研究太阳风的扰动速度和起因提供了新的有力证据。该研究是通过半自动监测太阳无线电喷射进行的。太阳无线电喷射与穿越太阳风的振动波有关,它有可能使振动波的移动轨迹从太阳风移出而指向地球。

空间天气预测需要一系列服务,其中关键是大量可靠的即将发生的太阳自然活动周期,而它的预测是极其困难的。冰核研究指出,太阳活跃离子事件在空间时代之前是非常普遍的[3],这暗示着未来周期内将造成更多的危险。澳大利亚科学家正积极参与国际太阳周期预测团体,以期在该领域同世界各国进行合作。

4 近地球空间环境研究

澳大利亚近地球空间环境的研究主要集中在磁发电机、宇宙射线、电离层和宇宙噪声等方面。

4.1 磁发电机

不稳定的等离子区和磁气圈中与离子和电子数量相关的波会引起许多类型的磁流体动力学和离子回旋波。它们在通过磁气圈时,分配太阳风的能量;并且在向下传递到电离层高度的过程中起重要的作用。在磁场发生震动时,观测到极低频率的磁场波动与这些波有关系。通过大量空间磁力计数据提供的线索,我们可以知道这些波是如何形成、传播和向高纬度电离层传递能量的[4]。研究磁流体动力学和离子回旋波是非常重要的,因为这些波及其作用能给中纬度的地磁探测工作带来一些有益的启示。例如,它们可能会使从电离层反射回来的无线电波的相位和振幅发生扭曲等。太空船和澳大利亚、新西兰、南极洲(包括塔斯曼海国际地球空间环境雷达)等许多地面观测站提供了大量的观测数据,这些数据对研究磁气圈和电离层中的ULF(极低频)波是非常有用的。(如图1图2)

4.2 宇宙射线

要理解宇宙射线现象需要一定范围的观测资料。坐落在澳大利亚的Mawson宇宙射线天文台,拥有地下和地面设备,可以监视和收集宇宙射线数据。Mawson是南半球此类天文台中最大和最古老的天文台,而且也是极地地区唯一的一个天文台。Hoba rt,和Tasmania也有类似的设备,两者都是“地球空间船”计划的一部分[Bieber et al.,2004]。“地球空间船”是一个国际性的计划,可以为航空工业提供自然界高能量粒子的辐射估计值。这对空间飞行器中飞行员避免宇宙射线造成的辐射危害将是非常有益的[4]。

4.3 电离层

监视电离层的地基观测站包括两部超级双极地雷达网。一部是TIGER Bruny,位于塔斯马尼亚洲,一部是TIGER Unwin,位于新西兰南部。它们隶属于位于Bundoora的维多利亚La Trobe大学(图2)。这些TIGER雷达可提供大量局部空间环境信息,包括电离层对流图的研究和电离层亚暴的发展等。另外,几部中频雷达属于澳大利亚南部的阿德莱德大学。辅助的日常仪器包括磁力计阵(属于澳大利亚政府和新南部威尔士大学),可直接提供确凿的空间天气活动。

4.4 宇宙噪声

宇宙噪声成像测量器位于南极洲的戴维斯,是纽卡斯尔大学南半球宇宙噪声成像测量器实验的一部分。该仪器是一个天线阵列,可观测由于活跃粒子的存在而产生的无线电波的吸收变化情况。另外,电离层探测装置:垂直定向雷达,用于监测电离层的表面,隶属于离子大气预报服务机构(IPS)、澳大利亚国防部和La Trobe大学。

4.5 其他研究项目

其他大学以基础和应用科学为基础的研究项目包括:电离层和热层耦合动力学,电离层不规则形成和动力学机制,电离层和太阳喷射对GPS的影响等等。

5 未来研究的方向

5.1 南极激光带的研究

南极激光带的研究对于揭示更多近地球空间环境问题、动力学驱动问题都有非常重要的意义[5]。

FedSat卫星是澳洲联盟2002年发射的第一颗用于监测南极激光的电讯卫星。它是澳大利亚第一颗使用周期超过30年的人造卫星。图2所示为FedSat卫星上的 NewMag磁力计。它三维相互垂直正交于地磁场[6],用于测量通过南极激光区的电流和波,以便同地面磁力计阵进行比较。FedSat上的GPS接收器用于提供FedSat运行轨道上(高度在800公里)的总电容量(TEC)给GPS卫星(高度在20200公里)。由于FedSat上的GPS接收器同时接收几个GPS卫星上的信号,所以,电离层和等离子层的电子密度X光剖面图是所有经过FedSat卫星轨道上的TEC的测量总合[7.8]。

TIGER雷达在监测南极激光方面也起到了重要的作用。激光带是电离层扰动(TIDs)的主要来源。TIGER已被用于研究它们向低纬度区域传播,并用于确定激光带的确切来源区。

5.2 精确确定边界(OCB)问题

地球磁气圈可以用环绕地球的闭合场线和与太阳风连接的开放的场线表示。当能量从磁气圈流向太阳风时,磁气圈的外形会发生改变。结果,闭合和开放的场线的边界也会改变。闭合和开放的磁场线的边界外形和纬度的变化结果,暗示着太阳风和磁气圈-电离层系统之间有能量的耦合。确定其边界对绘制磁气圈结构图会有所帮助。预报员可使用这些信息估计诸如高纬度电离层无线电吸收增强的区域。所以,精确确定边界(OCB)目前在澳大利亚是一个热门研究课题。

用SuperDARN雷达工作的科学家经常可以观测到一个清晰的多普勒速度扩展线,叫做光谱宽度边界(SWB)。该过度带被认为与精确确定边界(OCB)有关。与绝大多数SuperDARN雷达比较,TIGER相对在较低的纬度范围,所以对SWB更加敏感,这使得TIGER数据对于研究OCB-SWB之间的关系非常理想。La Trobe大学的一项调查显示,用TIGER获取的SWB位置与从卫星上获取的OCB位置,在大范围的地磁场中是协调一致的,包括小到午夜时地磁发生前后的中度亚暴。这说明活跃粒子在仓促通过亚暴周期时,SWB的时空变化是可以从技术上获得的[7]。

5.3 其他研究工作

在高纬度区域,地磁震动也可以用来研究开-闭磁力线与电离层对流之间有可能存在的联系,Newcastle大学的科学家正在做这方面的研究。

参考文献

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[3] McCracken,K.G.,Dreschhoff G. A.M.,Zeller E.J.et al..Solar Cosmic Ray Events for the Period 1561–1994:1. Identification in polar ice,1561–1950[J],J.Geophys.Res.,2001,106(A10),21585-21598.

[4] Howard,T.A.,and F.W.Menk, Ground observations of high-latitude Pc3-4 ULF waves[J],J.Geophys.Res.,2005,110(A04).

[5] Waters,C.L.,Anderson B.J., Greenwald R.A.,et al High Latitude Poynting Flux From Combined Iridium and Super DARN Data[J].Ann.Geophys.,2004.(22)2861-2875.

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[8] Parkinson,M.L.,Chisham G.,Pinnock M.,et al Magnetic Local Time, Substorm,and Particle Precipitation-related Variations in the Behaviour of SuperDARN Doppler Spectral Widths[J],Ann.Geophys.,2004(22),4103-4122.