空间天气

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空间天气,是一个全新的概念,太阳上出现的耀斑和日面物质的抛射等剧烈活动,给地球磁层,电离层和中高层大气,卫星运行和安全,以及人类健康,带来严重影响和危害,人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化,称之为空间天气。 [1] 
相对于地面天气而言,空间天气发生在距离地面30公里以上。空间天气涉及的物理参数与大气天气有很大不同。 [1] 
在我们的太阳系内,空间天气主要受太阳风的风速和密度、以及太阳等离子体带来的行星际磁场三者的影响。各种各样的物理现象都与空间天气相关,包括地磁风暴和亚暴,在范艾伦辐射带的电流,电离层扰动和闪烁,极光和在地球表面的磁场变化诱导的电流等。 [1] 
中文名
空间天气
外文名
space weather
引    起
主要是太阳活动
应用学科
大气科学大气物理学
受影响
磁层、电离层、中高层大气、地球
对我们的影响
通讯损坏,卫星损坏,伤害人类

空间天气全新概念

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示意图 示意图
传统“天气”的物理定义是:瞬时或较短时间内、云、降水、温度、气压等气象要素综合显示的大气状态。日常所讲的天气,是指发生在对流层内、影响人类生活、 生产的中性大气物理图象和物理状态,例如阴、晴、雨、雪、冷、、干、湿等。
空间天气是一个近地空间环境变化的概念。它与行星大气层内的天气截然不同,涉及空间等离子、磁场辐射等现象。“空间天气”通常与近地空间磁层紧密相连,但其也研究行星际空间的变化。在我们的太阳系内,空间天气主要受太阳风的风速和密度、以及太阳等离子体带来的行星际磁场三者
影响空间天气的 日冕 影响空间天气的 日冕
的影响。各种各样的物理现象都与空间天气相关,包括地磁风暴和亚暴,在范艾伦辐射带的电流,电离层扰动和闪烁,极光和在地球表面的磁场变化诱导的电流等。
日冕物质抛射及相关冲击波,也是空间天气的重要动力,因为它们可以压缩的磁层和触发地磁风暴太阳高能粒子日冕物质抛射或由太阳耀斑加速,也是对空间天气的重要驱动力,因为它们可以破坏航天器电子设备,并威胁到宇航员的生命。空间天气对空间探索和发展这些领域产生深远的影响。地磁的变化可引起大气密度的变化导致低地球轨道航天器的高度迅速降低。由于太阳活动引起的地磁风暴能够致盲航天器上的传感器并干扰机载电子设备。对于人造航天器的防护系统的设计来说了解空间环
太阳风 太阳风
境至关重要。磁暴同样会增加高空飞行情况下飞机乘务员的辐射量。
空间天气是指近地空间或从太阳大气到地球大气的空间环境状态的变化。与地球行星大气(对流层和平流层)中天气的概念不同,空间天气描述的是空间中背景等离子体、磁场、辐射等的变化。大多数空间天气事件是由源于太阳近表面和太阳大气(色球和日面)的太阳风所携带的能量驱动的。空间天气有时候也指行星际空间(极少数情况下指星际空间)的环境状态变化。
空间天气有两个重点:科学研究和应用。空间天气这个术语直到20世纪90年代才开始使用,在此之前,当前意义上的空间天气活动被认为是物理或高层大气物理学和空间探索的一部分。

空间天气影响因素

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相对于地面天气而言,空间天气发生在距离地面30公里以上。空间天气涉及的物理参数与大气天气有很大不
空间天气对人类活动的影响 空间天气对人类活动的影响
同。太阳每时每刻往外喷射着高速带电粒子流,人们称之为“太阳风”。当太阳风十分强劲时,即产生名副其实的“太阳风暴”。当太阳风暴袭击地球时,便使地球磁场产生激烈的扰动——磁暴。磁暴会在人类的供电网中诱发强大的冲击电流,从而造成输电网络瘫痪。
其实,我们能够看到,感受到的阴晴冷暖,都是发生在对流层之内。而在此之外的空间天气,存在于地球与太阳之间,同样发生着剧烈的活动,并且与人类的生存,发展息息相关。

空间天气历史研究

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几个世纪以来,人们已经注意到空间天气造成的极光,但不理解它。中世纪欧洲航海家使用天然磁石磁罗盘导航仪时注意到石头的方向有时候会偏离磁北极。这是1600年在《De Magnete》书中描述的,但是直到19世纪才知道是由空间天气造成的。1840年空间天气在各区域的不同时段影响了第一份电报。1859年的巨大太阳风暴中断了全球的电报业务,被当时的许多主要报纸刊登报道。Richard Carrington把这次中断与一天前观测到的太阳耀斑以及与电报中断同时发生的地磁场大的偏转(磁暴)正确地联系起来。根据这种联系,空间天气已经成为太阳物理学范围内的学术研究课题。KristianBirkeland通过在他的实验室中人工制造极光解释了极光的物理过程,并预测了太阳风的存在。随着无线电在商业和军事领域的应用,人们注意到极端平静和噪声存在周期性。在1942年的大太阳事件期间雷达受到的严重干扰引导人们发现了空间天气的另一个方面:太阳射电爆发(太阳耀斑产生的覆盖很宽频率范围的无线电波)。
在20世纪,由于军事和商业系统都依赖于空间天气系统的影响,人们对空间天气越来越感兴趣。通信卫星是全球贸易的重要组成部分,气象卫星系统提供地面天气信息,全球定位系统的卫星信号在各种各样的商业产品和过程得到广泛使用。空间天气现象会干扰或破坏这些卫星,或者干扰这些卫星的无线电上行和下行信号。空间天气现象会在长距离输电线路中产生有损害作用的浪涌电流,也会使飞机上的乘客和机组人员暴露在辐射之中,特别是在极地航线上。
国际地球物理年(IGY)大大促进了空间天气研究。IGY期间获得的地基数据表明,极光发生在距离磁极15~25纬度,宽5~20度的极光椭圆带上,是一个永久的发光区域。1958年,Explorer I卫星发现了范艾伦带,也即辐射粒子被地球的磁场束缚的区域。1959年1月,苏联卫星Luna 1第一次直接观察到了太阳风,并对其强度进行了测量。1969年,INJUN-5(又名Explorer 40)第一次直接观察到由太阳风带来的地球高纬电离层电场。20世纪70年代早期,Triad数据表明在极光椭圆带和磁层之间永久的存在电流。由于这些及其它重要的发现,空间天气研究快速增长。
在我们的太阳系中,空间天气主要受太阳风的速度和密度,以及太阳风等离子体携带的行星际磁场(IMF)影响。很多物理现象都与空间天气有关,包括地磁暴和亚暴,范艾伦辐射带能量增强,电离层扰动,星地无线电信号闪烁,远距离雷达信号闪烁,极光和地球表面地磁感应电流。日冕物质抛射和与其相关的激波也是重要的空间天气驱动源,因为它们可以压缩磁层并引发磁暴。由日冕质量抛射和太阳耀斑加速的太阳高能粒子,也是一个重要的空间天气驱动源,因为它们能损坏航天器中的电子器件(如Galaxy 15的失效),并威胁到宇航员的生命。
20世纪90年代,空间环境对人类系统的影响使得人们越来越明显的感觉需要一个更加协调的研究和应用框架,空间天气这个术语也随之被人们使用。美国国家空间天气计划的目的就是将研究集中在受空间天气影响的商业和军事群体的需求上,将研究团体和用户群体联系起来,协调各业务数据中心,并更好地定义用户群体的需求。这个概念在2000年转化为行动计划,在2002年转化为实施规划,并在2006年进行评估,在2010年进行战略修订。修改后的行动计划将在2011年发布,修订后实施规划将在2012年发布。国家空间天气计划的一部分是让用户知道空间天气影响了他们的业务。
早在1994年,美国就批准实施了“国家空间天气计划”,包括政府部门、研究机构、大学、企业在内的跨部门持续协作,增强并巩固了美国在空间天气领域的领先地位。
特别引人关注的是,美国军方在空间天气研究中始终占据主导地位,关乎国家安全的空间天气探测设施和探测产品始终居于军方控制之下。例如,在太阳观测方面,美军拥有分别位于澳大利亚、意大利、马萨诸塞州新墨西哥州夏威夷州等地的太阳地基观测网,对太阳实施号称“日不落”式的连续观测;在电离层探测方面,美军拥有遍布美国全境和世界主要地区的电离层综合探测网;在卫星轨道空间天气探测方面,美军拥有部署于GPS等系列卫星的天基空间天气探测网。他们还在研究成果的业务转化方面给予了特别关注,比如,美国空军著名的第55中队,就是专门从事空间天气业务的专业力量。

空间天气威胁灾害

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空间天气对人类生活

003年10月空间天气灾害后果示例 003年10月空间天气灾害后果示例
空间天气对人类生活造成的威胁与危害是多方面的。以1989年历史上著名的“魁北克事件”为例,进行一番分析解读。该年是第22太阳活动周的黑子数高峰年,仅在3月,太阳风暴就先后产生了107次太阳X射线耀斑,以及数十次强度不等的日冕物质抛射。
“魁北克事件”广为人知的影响是造成多起电力系统故障。大磁暴造成加拿大魁北克省的大部分地区停电达9小时以上,600万居民受到影响。
大磁暴造成了多起通信故障或中断。强烈太阳耀斑引起过39次强烈短波通讯突然骚扰,其中15次通讯部分中断,24次全部中断。
大磁暴还引起了多起航天器运行故障。累计有46
相关卫星检测空间天气 相关卫星检测空间天气
例卫星异常的记录。例如,美国国家气象卫星一度中断向用户发送云图,某系列导航卫星几天不能正常工作,军事系统跟踪的几千个空中目标需要重新定位。
据不完全统计,类似“魁北克事件”的灾害性空间天气事件每个太阳活动周平均会出现几起至十几起。如在第23太阳活动周的“万圣节事件”(因正值西方的万圣节而得名),造成全球短波通讯中断,民航通讯出现故障,伊拉克战场美英联军通讯受到影响,NASA的火星探测卫星Odyssey飞船上的观测设备被粒子辐射彻底毁坏,我国北京、满洲里无线电观测点短波信号也曾因此一度中断。

空间天气对战争的影响

在战争历史上,利用天气而克敌制胜的战争范例不胜枚举,掌握和利用空间天气对于未来高技术战争乃至太空对抗同样重要。只有“把脉”空间天气,才能制胜未来战场。
随着现代军事高技术的发展,基于太空平台的武器系统和信息系统在军事中的应用越来越广泛。随之而来的是,空间天气对军事活动的影响范围不断扩大,影响程度也不断加深。
对航天安全产生影响:宇宙间高能带电粒子不断轰击航天器表面,可造成航天器辐射损伤,更高能的粒子可穿过电子器件,在电子信号串中改变数据位,导致仪器发出混乱指令或提供错误数据;另据估算,如果飞船在深空飞行或在磁层外进行舱外活动时,大约有十分之一的宇航员会受到致命剂量的高能带电粒子辐射。
对军用通信、预警、导航定位产生影响:当空间灾害性天气发生时,短波无线电通信和预警雷达的可用频带会因电离层突然骚扰而变窄,卫星微波通信也会因电离层闪烁而降低通信质量,甚至信号中断;GPS卫星导航、定位误差会因电离层暴而增至几十米至几百米。
对战略武器使用产生影响:太阳风暴导致高层大气密度发生剧烈扰动,导弹飞行的实际轨道将严重偏离预测轨道,以至地面跟踪站会“丢失”跟踪目标。

空间天气地球气候关系

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与太阳的可见光波段和红外波段的电磁辐射的能量相比,源于所有空间天气现象所引起的进入地球大气对流层和平流层的总能量是微不足道的。然而,在太阳黑子的准11年周期与地球的气候之间似乎确实存在着某些联系。比如,长达70年的几乎没有黑子活动的蒙德极小期与地球气候变冷相关。对于这种联系,有一种说法是,宇宙线通量的改变会使得云形成的数量发生变化。另一种说法是,地球气候的驱动源对太阳远紫外通量的变化响应敏感,而且,太阳远紫外通量的变化会决定了地球太平洋是出现厄尔尼诺还是拉尼娜现象。但两者是否有关联,仍然没有定论。

空间天气空间天气监测

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被用于科学研究和应用的空间天气的监测已经被建立起来。多年以来,由于我们对空间天气理解的领域的扩大和与其他空间相关的研究的资金竞争,使得用于科学研究的空间天气监测的种类十分多样化。而由于我们对其认识和应用的不断提高,与应用相关的空间天气监测则变得更系统、更广泛。
空间天气地基监测
目前,通过观测地球磁场几秒到几天内的变化、观测太阳表面和太阳大气所产生的无线电噪声已经能在地面上监控空间天气。比如沃尔夫黑子相对数,F10.7,地磁指数,太阳光球层,中子探测器,电离层电子总含量TEC等早已被监测和利用。
空间天气的卫星监测
自从探险者1号飞船发现太空不是真空虚无的,许多飞船(飞船上搭载了很多种探测仪器)就已经发射去发现和描绘空间环境。著名的卫星有:STEREO卫星,辐射带探针卫星RBSP,WIND卫星,ACE卫星,SOHO卫星,GOES系列飞船,POES系列,DMSP系列,Meteosat系列卫星等。这些卫星打造的磁强计,高能粒子探测仪,太阳X射线成像仪,远紫外成像仪等等,观测得到了持续不断的太阳风资料和太阳电磁频谱资料,对我们了解空间天气和预测空间天气有巨大帮助。

空间天气空间天气建模

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空间天气模式是指计算机对空间环境的模拟。类似于气象计算机模式,空间天气模式根据有限的一组数据值,并且推断出描述模式中整体或部分空间天气环境的值。每一个模式都能对环境随时间如何演变进行预测或部分预测。计算模式使用一系列的数学方程来描述涉及的物理过程。在过去的20年中,空间天气模式的研究与发展的一个重要部分就是成为美国国家科学基金的地球空间环境模式(GEM)计划的部分。模拟的两个主要中心分别是:空间环境模拟中心(CSEM)和综合空间天气模拟中心(CISM)。

空间天气空间天气事件

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1859年9月2日,过去200年中最大的地磁暴导致电报服务的普遍中断。
1994年1月20日,地磁暴使得加拿大通信卫星ANIKE1和E2及国际通信卫星Intelsat K的暂停。
1997年1月7日,1月10日日冕物质抛射撞地球的磁层并且对AT&T Telstar 401号通信卫星(价值2亿美元)造成损失。
1921年5月15-16日,其中一个最大的地磁暴引起纽约市125街纽约中央铁路的整个信号和交换系统失效。全球电报服务业中断。
1972年8月7日,出现一次大的太阳高能粒子事件。如果宇航员在那时候在太空,将会导致死亡,至少也会危及生命。
1989年10月19 日,一次大的太阳活动,包含了全部的空间天气效应:太阳高能粒子,日冕物质抛射,福布什下降,地面水平提高,磁暴等。
2002年4月21日,在一次大的太阳高能粒子事件中希望号火星探测器受到撞击,从而导致大规模的故障。已经超出计划3年了,最终于2003年12月被放弃了。

空间天气应对措施

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必须立足于构建包括天基、地基在内的“天地一体化探测体系”,着眼于形成完善的战场空间天气信息获取能力、准确的空间天气预警预报能力、有效的空间天气效应分析能力、可靠的空间天气辅助决策能力,全面加强军事空间天气保障能力建设。
必须清醒地认识到:现代战争正在向着精确化打击方向发展,环境信息成为影响精确化打击的一个重要条件,更需要空间天气预报能提供实时、准确的空间天气信息。恶劣的空间天气可能对空间、地面的高技术系统造成严重影响,而且这种影响一旦产生,可能代价将十分昂贵且难以短时弥补,甚至会直接导致战争的失败。
在我国,空间天气领域的专家学者也进行了相关的研究与研讨。主体结论是,第24太阳活动周太阳活动总体水平中等偏低,整个峰年期间出现几次至十几次太阳风暴是可以肯定的,至于是否出现超级太阳风暴,目前的认识水平无法给出肯定的答复。面对这一挑战,我们的态度应当是:积极应对,应急先行,统筹兼顾,反应适度。 [2] 

空间天气相关书籍

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空间天气学是应用广泛的一门新兴交叉学科,系统地介绍了空间天气学研究的内容和最新进展。全书共分五章,第一章是概论,主要介绍了空间天气学的基本概念。第二章是太阳大气与行星际天气,重点介绍太阳耀斑、日冕物质抛射、太阳能量粒子事件和行星际激波。第三章介绍地球空间天气系统与天气过程以及太阳活动影响气象过程的可能机制。第四章介绍空间天气对各种技术系统的效应。第五章介绍了空间天气建模和预报的基本情况和典型模式及预报方法。
本书可作为高等院校空间物理学、空间环境学和大气环境学等相关专业本科生和研究生的教材,也可作为空间科学、大气科学、天文学、环境科学、航天、通讯、军事、国防等部门研究人员和业务人员的参考用书。 [3] 

空间天气空间天气认识

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空间天气(Space Weather)一词始见于20世纪70年代初美国一位空间物理学家M.Dryer博士的《太阳活动观测和预报》的序言。它指的是“太阳上太阳风、磁层、电离层和热层中可影响天基和地基技术系统的正常运行和可靠性,危及人类健康和生命的条件或状态。 它研究地表对流层之上直至太阳大气整个日地空间环境中最富变幻、对空间技术系统最具危害性的天气变化,它包括有关电磁辐射、带电粒子、等离子体和中性大气中的突发性的、短时间尺度的、动态易变的暴时变化现象的基本过程和变化规律。 [4] 
二. 空间天气的影响
在我们的太阳系内,空间天气主要受太阳风的风速和密度、以及太阳等离子体带来的行星际磁场三者的影响。各种各样的物理现象都与空间天气相关,包括地磁风暴和亚暴,在范艾伦辐射带的电流,电离层扰动和闪烁,极光和在地球表面的磁场变化诱导的电流等。日冕物质抛射及相关冲击波可以压缩的磁层和触发地磁风暴。太阳高能粒子,日冕物质抛射或由太阳耀斑加速可以破坏航天器电子设备,并威胁到宇航员的生命。他们都是空间天气的重要动力。
空间天气灾害主要涉及高能带电粒子对航天器的危害,太阳爆发性活动对导航、通讯和定位的严重影响,地磁场急剧变化(磁暴)对输电系统和地下管线的破坏,高层大气密度对航天器轨道寿命的影响等。这些灾害可引起卫星运行、通信、导航以及电站输送网络的崩溃,造成各方面的社会经济损失。空间天气变化直接影响了以航天技术为代表的人累科技发展和社会生活越来越依赖的高技术。
空间天气对战争也有很大的影响。宇宙间高能带电粒子不断轰击航天器表面,可造成航天器辐射损伤,更高能的粒子可穿过电子器件,在电子信号串中改变数据位,导致仪器发出混乱指令或提供错误数据。当空间灾害性天气发生时,无线电通信和雷达信号传输会受到影响,卫星微波通信也会因电离层扰动而降低通信质量。电离层闪烁可导致GPS卫星导航、定位误差高达几十米至几百米,甚至信号中断。
三. 研究空间天气的意义
空间天气学是为适应人类高科技发展而诞生的,其研究对象是空间天气发生、发展和变化规律以及如何运用这些规律来进行空间天气预报,同时,空间天气学还研究各种空间天气效应以及避免和减轻空间天气灾害的方法和途径。
空间天气学要为人类的高科技活动“保驾护航”,开展空间天气服务,减轻或避免空间灾害的损失与危害是它的终极目的。空间天气服务包括:
  (1)提供空间天气产品——常规产品:观测数据、模式、环境规范,效应分析;专项产品(根据用户的特定需要而进行特别加工的产品):预报产品、警报、现报、预报。
  (2)效应诊断与分析——鉴别系统异常或失效是否由空间天气因素或其它工程设计、机械故障或软件错误引起。
  (3)建议防护措施或改进工程设计。
  (4)调整地面与空间技术系统的运作程序和采取应变措施。
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参考资料
词条标签:
通信技术 航空航天