?好?? 張權(quán) 何錫玉 佀長(zhǎng)剛 王燕

摘 要:隨著空間時(shí)代的到來(lái),空間天氣對(duì)人類的影響越來(lái)越廣泛,對(duì)空間天氣的研究越來(lái)越引起世界各國(guó)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(wù)、圍繞服務(wù)展開(kāi)的研究、地球和太陽(yáng)基礎(chǔ)研究,以及未來(lái)空間天氣研究的方向等。

關(guān)鍵詞:天氣澳大利亞

中圖分類號(hào):V419 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098x(2012)06(b)-0008-03

空間天氣對(duì)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(wèi)星,傷害太空中的人類?？臻g天氣也可以誘導(dǎo)長(zhǎng)導(dǎo)體上的電流,諸如地球上的管道和動(dòng)力線,中斷地面和航行器之間的無(wú)線電通信等。

北半球的國(guó)家更多的是監(jiān)測(cè)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(jì)算,提供了關(guān)于該區(qū)域較全面的觀測(cè)現(xiàn)象。相反,很少有針對(duì)南半球和南極地區(qū)的空間天氣研究和監(jiān)測(cè)。

澳大利亞在南半球擁有最大的地面、空間天氣網(wǎng)絡(luò)?？商峁牡卮诺降乩韺W(xué)廣泛的陸地服務(wù)以及非常多的不同的空間環(huán)境服務(wù)。戰(zhàn)后澳大利亞部分起著區(qū)域領(lǐng)導(dǎo)作用,1948年,政府建立了離子大氣預(yù)報(bào)服務(wù)機(jī)構(gòu)(IPS),這是早期的空間天氣監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)?？梢詾楦哳l無(wú)線電通訊有效提供離子大氣的信息。在1957-1958國(guó)際地球物理年(IGY),其作用拓展為包括對(duì)太陽(yáng)閃爍期等離子暴和地磁暴的短時(shí)警報(bào)。IGY之后,人們發(fā)現(xiàn)高頻通信警報(bào)和磁暴警報(bào)非常有意義。像世界其他許多國(guó)家一樣,隨著消費(fèi)者的增加,再加上20世紀(jì)90年代早期互聯(lián)網(wǎng)的介入,導(dǎo)致空間天氣服務(wù)的范圍日益擴(kuò)大。

同全球其他國(guó)家一樣,澳大利亞科學(xué)家一直努力研究太陽(yáng)-地球之間的相互作用,這對(duì)理解非常復(fù)雜的空間天氣物理機(jī)制,減輕空間天氣事件對(duì)人類的影響,提高減災(zāi)服務(wù)的效果,有著重要的科學(xué)價(jià)值和廣泛的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

1 空間天氣服務(wù)

1.1 服務(wù)的對(duì)象

作為氣象局的一部分,主要空間天氣服務(wù)由IPS通過(guò)其網(wǎng)站提供。而提供給澳大利亞國(guó)防部的服務(wù)是由IPS和其他幾個(gè)機(jī)構(gòu)共同完成的。IPS的客戶包括聯(lián)邦和州政府、教育機(jī)構(gòu)和一些私人機(jī)構(gòu)諸如高頻通訊機(jī)構(gòu)、廣播公司、航空公司、工程師、管道經(jīng)營(yíng)者、地球物理研究機(jī)構(gòu)、航空磁測(cè)測(cè)量機(jī)構(gòu)、無(wú)線電業(yè)余愛(ài)好者和極光觀測(cè)者。

1.2 服務(wù)的范圍

服務(wù)的時(shí)間范圍很廣,從空間氣候邏輯推理圖到太陽(yáng)耀斑的警報(bào)。服務(wù)的范圍包括地面高頻訊號(hào)中斷提示服務(wù)(主要針對(duì)廣播、通信、雷達(dá)等)、地磁干擾(針對(duì)航空磁測(cè)、建立和維護(hù)管道)、宇宙射線事件(針對(duì)太空飛行器),向人造衛(wèi)星操作者發(fā)布電離層破壞可能產(chǎn)生的火花和系統(tǒng)性干擾等。

有些服務(wù)如太陽(yáng)風(fēng)和地磁環(huán)境是自動(dòng)生成的;其它的較復(fù)雜的服務(wù)有專門的數(shù)據(jù)收集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。例如,澳大利亞Jindalee雷達(dá)操作網(wǎng)(JORN)。它是一個(gè)地平線雷達(dá)網(wǎng),用反射訊號(hào)探測(cè)電離層的當(dāng)前狀況。類似JORN之類的工程,需要根據(jù)所使用的雷達(dá)類型來(lái)收集不同的數(shù)據(jù)。

2 圍繞服務(wù)展開(kāi)的研究

無(wú)論是服務(wù)還是研究項(xiàng)目,在澳大利亞主要依賴陸地上建立的廣泛的樹(shù)型觀測(cè)網(wǎng)。絕大多數(shù)局地?cái)?shù)據(jù)在空間天氣服務(wù)中有重要的作用,常被科研機(jī)構(gòu)訪問(wèn)。尤其是一些實(shí)時(shí)資料,常通過(guò)世界太陽(yáng)表面科學(xué)研究數(shù)據(jù)中心獲得。

2.1 空間天氣研究的趨勢(shì)向服務(wù)方面靠攏

空間天氣研究的趨勢(shì)直接或間接地向服務(wù)方面靠攏。例如:由飛機(jī)完成的地磁測(cè)量,在地磁場(chǎng)發(fā)生擾亂時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差,地磁震動(dòng)和測(cè)量的方法之間會(huì)相互作用,產(chǎn)生虛假結(jié)果。為了估計(jì)由于觀測(cè)可能產(chǎn)生的震動(dòng)效應(yīng),IPS開(kāi)發(fā)出了可以繪制橫跨澳大利亞震動(dòng)效果的產(chǎn)品。其他研究項(xiàng)目主要關(guān)注在管道保護(hù)方面:當(dāng)氣流通過(guò)管道時(shí)可以防止侵蝕,但當(dāng)?shù)卮疟┌l(fā)生時(shí),磁場(chǎng)的改變可能降低保護(hù)的效果。精確的空間環(huán)境預(yù)報(bào)需要科學(xué)家研究數(shù)據(jù)來(lái)源,集體討論如何用更好的途徑來(lái)定量顯示太陽(yáng)風(fēng)和地球之間是如何相互作用的。

2.2 對(duì)電離層改變的研究重新引起人們的重視

對(duì)電離層改變的研究重新引起人們的重視。當(dāng)頻率低于100MHz的無(wú)線電波穿越擾動(dòng)或發(fā)生閃爍的電離層時(shí),會(huì)導(dǎo)致電離層的改變。電離層擾動(dòng)(TIDs)是大氣中的中性波,它可在電離層中產(chǎn)生扭曲的離子廓線,導(dǎo)致無(wú)線電波產(chǎn)生聚合、擴(kuò)散、反射或穿越電離層。巨大的電離層暴產(chǎn)生的電離層擾動(dòng)(TIDs)可以傳播很長(zhǎng)的距離和較寬的空間區(qū)域。這些自然的周期性的擾動(dòng)可以使無(wú)線電信號(hào)得到校正;相反,由于離子的不穩(wěn)定性產(chǎn)生的閃爍,可以使無(wú)線電信號(hào)的強(qiáng)度和相位產(chǎn)生嚴(yán)重的中斷,導(dǎo)致信號(hào)退化而不易校正。

3 太陽(yáng)基礎(chǔ)現(xiàn)象研究

對(duì)太陽(yáng)基礎(chǔ)現(xiàn)象的研究是從對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)開(kāi)始的,這包括了對(duì)太陽(yáng)陸地環(huán)境的所有方面。

3.1 Culgoora和Learmonth太陽(yáng)觀測(cè)站

離子大氣預(yù)報(bào)服務(wù)機(jī)構(gòu)(IPS)擁有兩個(gè)太陽(yáng)觀測(cè)站。其中,Culgoora太陽(yáng)觀測(cè)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(yáng)望遠(yuǎn)鏡對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行日常的可見(jiàn)光觀測(cè)。在一個(gè)觀測(cè)周期中,太陽(yáng)活動(dòng)情況被詳細(xì)地記錄下來(lái),相關(guān)信息被傳送到世界各地類似的觀測(cè)站。Learmonth太陽(yáng)觀測(cè)站坐落在澳大利亞西部的艾克斯蒙斯附近,由IPS和美國(guó)空軍(USAF)共同管理,總部設(shè)在美國(guó)空軍氣象處。它主要利用無(wú)線電太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)從太陽(yáng)發(fā)出的無(wú)線電噴射。太陽(yáng)無(wú)線電脈沖用太陽(yáng)聲譜儀觀測(cè),在太陽(yáng)活躍期,為預(yù)報(bào)員提供太陽(yáng)表面物質(zhì)拋離證據(jù)。太陽(yáng)光學(xué)觀測(cè)網(wǎng)(SOON)也坐落在Learmonth,它是全球六個(gè)太陽(yáng)地震觀測(cè)站中的一個(gè),它通過(guò)觀測(cè)太陽(yáng)的地震波來(lái)提供太陽(yáng)內(nèi)部的信息。

通過(guò)這些觀象臺(tái),澳大利亞擁有巨大的太陽(yáng)噴射研究數(shù)據(jù)。例如,關(guān)于太陽(yáng)風(fēng)的實(shí)時(shí)日食平面模式數(shù)據(jù)來(lái)源于太空船高級(jí)混合觀測(cè)儀和二型太陽(yáng)脈沖的合并。這只是活躍電子從太陽(yáng)表面噴射時(shí),產(chǎn)生的幾種脈沖的一種。

3.2 太陽(yáng)活動(dòng)周期及模式研究

悉尼大學(xué)在改良太陽(yáng)二型脈沖噴射模式[2]和改進(jìn)太陽(yáng)聲譜數(shù)據(jù)分析方面有重大突破。該數(shù)據(jù)為研究太陽(yáng)風(fēng)的擾動(dòng)速度和起因提供了新的有力證據(jù)。該研究是通過(guò)半自動(dòng)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)無(wú)線電噴射進(jìn)行的。太陽(yáng)無(wú)線電噴射與穿越太陽(yáng)風(fēng)的振動(dòng)波有關(guān),它有可能使振動(dòng)波的移動(dòng)軌跡從太陽(yáng)風(fēng)移出而指向地球。

空間天氣預(yù)測(cè)需要一系列服務(wù),其中關(guān)鍵是大量可靠的即將發(fā)生的太陽(yáng)自然活動(dòng)周期,而它的預(yù)測(cè)是極其困難的。冰核研究指出,太陽(yáng)活躍離子事件在空間時(shí)代之前是非常普遍的[3],這暗示著未來(lái)周期內(nèi)將造成更多的危險(xiǎn)。澳大利亞科學(xué)家正積極參與國(guó)際太陽(yáng)周期預(yù)測(cè)團(tuán)體,以期在該領(lǐng)域同世界各國(guó)進(jìn)行合作。

4 近地球空間環(huán)境研究

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

4.1 磁發(fā)電機(jī)

不穩(wěn)定的等離子區(qū)和磁氣圈中與離子和電子數(shù)量相關(guān)的波會(huì)引起許多類型的磁流體動(dòng)力學(xué)和離子回旋波。它們?cè)谕ㄟ^(guò)磁氣圈時(shí),分配太陽(yáng)風(fēng)的能量;并且在向下傳遞到電離層高度的過(guò)程中起重要的作用。在磁場(chǎng)發(fā)生震動(dòng)時(shí),觀測(cè)到極低頻率的磁場(chǎng)波動(dòng)與這些波有關(guān)系。通過(guò)大量空間磁力計(jì)數(shù)據(jù)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(dòng)力學(xué)和離子回旋波是非常重要的,因?yàn)檫@些波及其作用能給中緯度的地磁探測(cè)工作帶來(lái)一些有益的啟示。例如,它們可能會(huì)使從電離層反射回來(lái)的無(wú)線電波的相位和振幅發(fā)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(guó)際地球空間環(huán)境雷達(dá))等許多地面觀測(cè)站提供了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)對(duì)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(xiàn)象需要一定范圍的觀測(cè)資料。坐落在澳大利亞的Mawson宇宙射線天文臺(tái),擁有地下和地面設(shè)備,可以監(jiān)視和收集宇宙射線數(shù)據(jù)。Mawson是南半球此類天文臺(tái)中最大和最古老的天文臺(tái),而且也是極地地區(qū)唯一的一個(gè)天文臺(tái)。Hoba rt,和Tasmania也有類似的設(shè)備,兩者都是“地球空間船”計(jì)劃的一部分[Bieber et al.,2004]。“地球空間船”是一個(gè)國(guó)際性的計(jì)劃,可以為航空工業(yè)提供自然界高能量粒子的輻射估計(jì)值。這對(duì)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(jiān)視電離層的地基觀測(cè)站包括兩部超級(jí)雙極地雷達(dá)網(wǎng)。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(xué)(圖2)。這些TIGER雷達(dá)可提供大量局部空間環(huán)境信息,包括電離層對(duì)流圖的研究和電離層亞暴的發(fā)展等。另外,幾部中頻雷達(dá)屬于澳大利亞南部的阿德萊德大學(xué)。輔助的日常儀器包括磁力計(jì)陣(屬于澳大利亞政府和新南部威爾士大學(xué)),可直接提供確鑿的空間天氣活動(dòng)。

4.4 宇宙噪聲

宇宙噪聲成像測(cè)量器位于南極洲的戴維斯,是紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)南半球宇宙噪聲成像測(cè)量器實(shí)驗(yàn)的一部分。該儀器是一個(gè)天線陣列,可觀測(cè)由于活躍粒子的存在而產(chǎn)生的無(wú)線電波的吸收變化情況。另外,電離層探測(cè)裝置:垂直定向雷達(dá),用于監(jiān)測(cè)電離層的表面,隸屬于離子大氣預(yù)報(bào)服務(wù)機(jī)構(gòu)(IPS)、澳大利亞國(guó)防部和La Trobe大學(xué)。

4.5 其他研究項(xiàng)目

其他大學(xué)以基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)為基礎(chǔ)的研究項(xiàng)目包括:電離層和熱層耦合動(dòng)力學(xué),電離層不規(guī)則形成和動(dòng)力學(xué)機(jī)制,電離層和太陽(yáng)噴射對(duì)GPS的影響等等。

5 未來(lái)研究的方向

5.1 南極激光帶的研究

南極激光帶的研究對(duì)于揭示更多近地球空間環(huán)境問(wèn)題、動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題都有非常重要的意義[5]。

FedSat衛(wèi)星是澳洲聯(lián)盟2002年發(fā)射的第一顆用于監(jiān)測(cè)南極激光的電訊衛(wèi)星。它是澳大利亞第一顆使用周期超過(guò)30年的人造衛(wèi)星。圖2所示為FedSat衛(wèi)星上的 NewMag磁力計(jì)。它三維相互垂直正交于地磁場(chǎng)[6],用于測(cè)量通過(guò)南極激光區(qū)的電流和波,以便同地面磁力計(jì)陣進(jìn)行比較。FedSat上的GPS接收器用于提供FedSat運(yùn)行軌道上(高度在800公里)的總電容量(TEC)給GPS衛(wèi)星(高度在20200公里)。由于FedSat上的GPS接收器同時(shí)接收幾個(gè)GPS衛(wèi)星上的信號(hào),所以,電離層和等離子層的電子密度X光剖面圖是所有經(jīng)過(guò)FedSat衛(wèi)星軌道上的TEC的測(cè)量總合[7.8]。

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

5.2 精確確定邊界(OCB)問(wèn)題

地球磁氣圈可以用環(huán)繞地球的閉合場(chǎng)線和與太陽(yáng)風(fēng)連接的開(kāi)放的場(chǎng)線表示。當(dāng)能量從磁氣圈流向太陽(yáng)風(fēng)時(shí),磁氣圈的外形會(huì)發(fā)生改變。結(jié)果,閉合和開(kāi)放的場(chǎng)線的邊界也會(huì)改變。閉合和開(kāi)放的磁場(chǎng)線的邊界外形和緯度的變化結(jié)果,暗示著太陽(yáng)風(fēng)和磁氣圈-電離層系統(tǒng)之間有能量的耦合。確定其邊界對(duì)繪制磁氣圈結(jié)構(gòu)圖會(huì)有所幫助。預(yù)報(bào)員可使用這些信息估計(jì)諸如高緯度電離層無(wú)線電吸收增強(qiáng)的區(qū)域。所以,精確確定邊界(OCB)目前在澳大利亞是一個(gè)熱門研究課題。

用SuperDARN雷達(dá)工作的科學(xué)家經(jīng)常可以觀測(cè)到一個(gè)清晰的多普勒速度擴(kuò)展線,叫做光譜寬度邊界(SWB)。該過(guò)度帶被認(rèn)為與精確確定邊界(OCB)有關(guān)。與絕大多數(shù)SuperDARN雷達(dá)比較,TIGER相對(duì)在較低的緯度范圍,所以對(duì)SWB更加敏感,這使得TIGER數(shù)據(jù)對(duì)于研究OCB-SWB之間的關(guān)系非常理想。La Trobe大學(xué)的一項(xiàng)調(diào)查顯示,用TIGER獲取的SWB位置與從衛(wèi)星上獲取的OCB位置,在大范圍的地磁場(chǎng)中是協(xié)調(diào)一致的,包括小到午夜時(shí)地磁發(fā)生前后的中度亞暴。這說(shuō)明活躍粒子在倉(cāng)促通過(guò)亞暴周期時(shí),SWB的時(shí)空變化是可以從技術(shù)上獲得的[7]。

5.3 其他研究工作

在高緯度區(qū)域,地磁震動(dòng)也可以用來(lái)研究開(kāi)-閉磁力線與電離層對(duì)流之間有可能存在的聯(lián)系,Newcastle大學(xué)的科學(xué)家正在做這方面的研究。

參考文獻(xiàn)

[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.