澳大利亞空間天氣研究概況

?好?? 張權 何錫玉 佀長剛 王燕

摘 要:隨著空間時代的到來,空間天氣對人類的影響越來越廣泛,對空間天氣的研究越來越引起世界各國的重視。本文概要介紹了澳大利亞在空間天氣研究方面的情況,主要包括:空間天氣服務、圍繞服務展開的研究、地球和太陽基礎研究,以及未來空間天氣研究的方向等。

關鍵詞:天氣澳大利亞

中圖分類號:V419 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098x(2012)06(b)-0008-03

空間天氣對人類的影響是非常巨大和廣泛的。它可以威脅軌道中的人造衛星,傷害太空中的人類。空間天氣也可以誘導長導體上的電流,諸如地球上的管道和動力線,中斷地面和航行器之間的無線電通信等。

北半球的國家更多的是監測北半球的空間天氣事件,尤其是不利的空間天氣。他們集體研究和計算,提供了關于該區域較全面的觀測現象。相反,很少有針對南半球和南極地區的空間天氣研究和監測。

澳大利亞在南半球擁有最大的地面、空間天氣網絡。可提供從地磁到地理學廣泛的陸地服務以及非常多的不同的空間環境服務。戰后澳大利亞部分起著區域領導作用,1948年,政府建立了離子大氣預報服務機構(IPS),這是早期的空間天氣監測機構。可以為高頻無線電通訊有效提供離子大氣的信息。在1957-1958國際地球物理年(IGY),其作用拓展為包括對太陽閃爍期等離子暴和地磁暴的短時警報。IGY之后,人們發現高頻通信警報和磁暴警報非常有意義。像世界其他許多國家一樣,隨著消費者的增加,再加上20世紀90年代早期互聯網的介入,導致空間天氣服務的范圍日益擴大。

同全球其他國家一樣,澳大利亞科學家一直努力研究太陽-地球之間的相互作用,這對理解非常復雜的空間天氣物理機制,減輕空間天氣事件對人類的影響,提高減災服務的效果,有著重要的科學價值和廣泛的經濟和社會價值。

1 空間天氣服務

1.1 服務的對象

作為氣象局的一部分,主要空間天氣服務由IPS通過其網站提供。而提供給澳大利亞國防部的服務是由IPS和其他幾個機構共同完成的。IPS的客戶包括聯邦和州政府、教育機構和一些私人機構諸如高頻通訊機構、廣播公司、航空公司、工程師、管道經營者、地球物理研究機構、航空磁測測量機構、無線電業余愛好者和極光觀測者。

1.2 服務的范圍

服務的時間范圍很廣,從空間氣候邏輯推理圖到太陽耀斑的警報。服務的范圍包括地面高頻訊號中斷提示服務(主要針對廣播、通信、雷達等)、地磁干擾(針對航空磁測、建立和維護管道)、宇宙射線事件(針對太空飛行器),向人造衛星操作者發布電離層破壞可能產生的火花和系統性干擾等。

有些服務如太陽風和地磁環境是自動生成的;其它的較復雜的服務有專門的數據收集驅動系統。例如,澳大利亞Jindalee雷達操作網(JORN)。它是一個地平線雷達網,用反射訊號探測電離層的當前狀況。類似JORN之類的工程,需要根據所使用的雷達類型來收集不同的數據。

2 圍繞服務展開的研究

無論是服務還是研究項目,在澳大利亞主要依賴陸地上建立的廣泛的樹型觀測網。絕大多數局地數據在空間天氣服務中有重要的作用,常被科研機構訪問。尤其是一些實時資料,常通過世界太陽表面科學研究數據中心獲得。

2.1 空間天氣研究的趨勢向服務方面靠攏

空間天氣研究的趨勢直接或間接地向服務方面靠攏。例如:由飛機完成的地磁測量,在地磁場發生擾亂時會產生嚴重的誤差,地磁震動和測量的方法之間會相互作用,產生虛假結果。為了估計由于觀測可能產生的震動效應,IPS開發出了可以繪制橫跨澳大利亞震動效果的產品。其他研究項目主要關注在管道保護方面:當氣流通過管道時可以防止侵蝕,但當地磁暴發生時,磁場的改變可能降低保護的效果。精確的空間環境預報需要科學家研究數據來源,集體討論如何用更好的途徑來定量顯示太陽風和地球之間是如何相互作用的。

2.2 對電離層改變的研究重新引起人們的重視

對電離層改變的研究重新引起人們的重視。當頻率低于100MHz的無線電波穿越擾動或發生閃爍的電離層時,會導致電離層的改變。電離層擾動(TIDs)是大氣中的中性波,它可在電離層中產生扭曲的離子廓線,導致無線電波產生聚合、擴散、反射或穿越電離層。巨大的電離層暴產生的電離層擾動(TIDs)可以傳播很長的距離和較寬的空間區域。這些自然的周期性的擾動可以使無線電信號得到校正;相反,由于離子的不穩定性產生的閃爍,可以使無線電信號的強度和相位產生嚴重的中斷,導致信號退化而不易校正。

3 太陽基礎現象研究

對太陽基礎現象的研究是從對太陽的觀測開始的,這包括了對太陽陸地環境的所有方面。

3.1 Culgoora和Learmonth太陽觀測站

離子大氣預報服務機構(IPS)擁有兩個太陽觀測站。其中,Culgoora太陽觀測站坐落在新南部威爾士的納拉布賴附近。它主要利用Razdow太陽望遠鏡對太陽進行日常的可見光觀測。在一個觀測周期中,太陽活動情況被詳細地記錄下來,相關信息被傳送到世界各地類似的觀測站。Learmonth太陽觀測站坐落在澳大利亞西部的艾克斯蒙斯附近,由IPS和美國空軍(USAF)共同管理,總部設在美國空軍氣象處。它主要利用無線電太陽望遠鏡觀測從太陽發出的無線電噴射。太陽無線電脈沖用太陽聲譜儀觀測,在太陽活躍期,為預報員提供太陽表面物質拋離證據。太陽光學觀測網(SOON)也坐落在Learmonth,它是全球六個太陽地震觀測站中的一個,它通過觀測太陽的地震波來提供太陽內部的信息。

通過這些觀象臺,澳大利亞擁有巨大的太陽噴射研究數據。例如,關于太陽風的實時日食平面模式數據來源于太空船高級混合觀測儀和二型太陽脈沖的合并。這只是活躍電子從太陽表面噴射時,產生的幾種脈沖的一種。

3.2 太陽活動周期及模式研究

悉尼大學在改良太陽二型脈沖噴射模式[2]和改進太陽聲譜數據分析方面有重大突破。該數據為研究太陽風的擾動速度和起因提供了新的有力證據。該研究是通過半自動監測太陽無線電噴射進行的。太陽無線電噴射與穿越太陽風的振動波有關,它有可能使振動波的移動軌跡從太陽風移出而指向地球。

空間天氣預測需要一系列服務,其中關鍵是大量可靠的即將發生的太陽自然活動周期,而它的預測是極其困難的。冰核研究指出,太陽活躍離子事件在空間時代之前是非常普遍的[3],這暗示著未來周期內將造成更多的危險。澳大利亞科學家正積極參與國際太陽周期預測團體,以期在該領域同世界各國進行合作。

4 近地球空間環境研究

澳大利亞近地球空間環境的研究主要集中在磁發電機、宇宙射線、電離層和宇宙噪聲等方面。

4.1 磁發電機

不穩定的等離子區和磁氣圈中與離子和電子數量相關的波會引起許多類型的磁流體動力學和離子回旋波。它們在通過磁氣圈時,分配太陽風的能量;并且在向下傳遞到電離層高度的過程中起重要的作用。在磁場發生震動時,觀測到極低頻率的磁場波動與這些波有關系。通過大量空間磁力計數據提供的線索,我們可以知道這些波是如何形成、傳播和向高緯度電離層傳遞能量的[4]。研究磁流體動力學和離子回旋波是非常重要的,因為這些波及其作用能給中緯度的地磁探測工作帶來一些有益的啟示。例如,它們可能會使從電離層反射回來的無線電波的相位和振幅發生扭曲等。太空船和澳大利亞、新西蘭、南極洲(包括塔斯曼海國際地球空間環境雷達)等許多地面觀測站提供了大量的觀測數據,這些數據對研究磁氣圈和電離層中的ULF(極低頻)波是非常有用的。(如圖1圖2)

4.2 宇宙射線

要理解宇宙射線現象需要一定范圍的觀測資料。坐落在澳大利亞的Mawson宇宙射線天文臺,擁有地下和地面設備,可以監視和收集宇宙射線數據。Mawson是南半球此類天文臺中最大和最古老的天文臺,而且也是極地地區唯一的一個天文臺。Hoba rt,和Tasmania也有類似的設備,兩者都是“地球空間船”計劃的一部分[Bieber et al.,2004]。“地球空間船”是一個國際性的計劃,可以為航空工業提供自然界高能量粒子的輻射估計值。這對空間飛行器中飛行員避免宇宙射線造成的輻射危害將是非常有益的[4]。

4.3 電離層

監視電離層的地基觀測站包括兩部超級雙極地雷達網。一部是TIGER Bruny,位于塔斯馬尼亞洲,一部是TIGER Unwin,位于新西蘭南部。它們隸屬于位于Bundoora的維多利亞La Trobe大學(圖2)。這些TIGER雷達可提供大量局部空間環境信息,包括電離層對流圖的研究和電離層亞暴的發展等。另外,幾部中頻雷達屬于澳大利亞南部的阿德萊德大學。輔助的日常儀器包括磁力計陣(屬于澳大利亞政府和新南部威爾士大學),可直接提供確鑿的空間天氣活動。

4.4 宇宙噪聲

宇宙噪聲成像測量器位于南極洲的戴維斯,是紐卡斯爾大學南半球宇宙噪聲成像測量器實驗的一部分。該儀器是一個天線陣列,可觀測由于活躍粒子的存在而產生的無線電波的吸收變化情況。另外,電離層探測裝置:垂直定向雷達,用于監測電離層的表面,隸屬于離子大氣預報服務機構(IPS)、澳大利亞國防部和La Trobe大學。

4.5 其他研究項目

其他大學以基礎和應用科學為基礎的研究項目包括:電離層和熱層耦合動力學,電離層不規則形成和動力學機制,電離層和太陽噴射對GPS的影響等等。

5 未來研究的方向

5.1 南極激光帶的研究

南極激光帶的研究對于揭示更多近地球空間環境問題、動力學驅動問題都有非常重要的意義[5]。

FedSat衛星是澳洲聯盟2002年發射的第一顆用于監測南極激光的電訊衛星。它是澳大利亞第一顆使用周期超過30年的人造衛星。圖2所示為FedSat衛星上的 NewMag磁力計。它三維相互垂直正交于地磁場[6],用于測量通過南極激光區的電流和波,以便同地面磁力計陣進行比較。FedSat上的GPS接收器用于提供FedSat運行軌道上(高度在800公里)的總電容量(TEC)給GPS衛星(高度在20200公里)。由于FedSat上的GPS接收器同時接收幾個GPS衛星上的信號,所以,電離層和等離子層的電子密度X光剖面圖是所有經過FedSat衛星軌道上的TEC的測量總合[7.8]。

TIGER雷達在監測南極激光方面也起到了重要的作用。激光帶是電離層擾動(TIDs)的主要來源。TIGER已被用于研究它們向低緯度區域傳播,并用于確定激光帶的確切來源區。

5.2 精確確定邊界(OCB)問題

地球磁氣圈可以用環繞地球的閉合場線和與太陽風連接的開放的場線表示。當能量從磁氣圈流向太陽風時,磁氣圈的外形會發生改變。結果,閉合和開放的場線的邊界也會改變。閉合和開放的磁場線的邊界外形和緯度的變化結果,暗示著太陽風和磁氣圈-電離層系統之間有能量的耦合。確定其邊界對繪制磁氣圈結構圖會有所幫助。預報員可使用這些信息估計諸如高緯度電離層無線電吸收增強的區域。所以,精確確定邊界(OCB)目前在澳大利亞是一個熱門研究課題。

用SuperDARN雷達工作的科學家經常可以觀測到一個清晰的多普勒速度擴展線,叫做光譜寬度邊界(SWB)。該過度帶被認為與精確確定邊界(OCB)有關。與絕大多數SuperDARN雷達比較,TIGER相對在較低的緯度范圍,所以對SWB更加敏感,這使得TIGER數據對于研究OCB-SWB之間的關系非常理想。La Trobe大學的一項調查顯示,用TIGER獲取的SWB位置與從衛星上獲取的OCB位置,在大范圍的地磁場中是協調一致的,包括小到午夜時地磁發生前后的中度亞暴。這說明活躍粒子在倉促通過亞暴周期時,SWB的時空變化是可以從技術上獲得的[7]。

5.3 其他研究工作

在高緯度區域,地磁震動也可以用來研究開-閉磁力線與電離層對流之間有可能存在的聯系,Newcastle大學的科學家正在做這方面的研究。

參考文獻

[1] Florens,M.S.L.,I.H.Cairns,S.A.Knock,et al..Data-driven Solar Wind Model and Prediction of Type II Bursts[J],Geophys.Res.Lett.,2007,(34)

[2] Knock,S.A.,Cairns I.H..Type II Radio Emission Predictions:Sources of Coronal and Interplanetary Spectral Structure[J],J.Geophys.Res.,2005,110(A1)1-13.

[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.

[6] Fraser,B.J..The FedSat Microsatellite Mission[J],Space Sci.Rev.2003,107,303-306.

[7] Yizengaw,E.,M.B.Moldwin,P.L.Dyson,B.J.et al.First Tomographic Image of Ionospheric Outflows[J].Geophys.Res.Lett.,2006,(33).

[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.