Космическая погода - Space weather

Не путать с журналом Space Weather (журнал) .
Северное сияние, наблюдаемое с космического корабля " Дискавери" , май 1991 г.

Космическая погода - это раздел космической физики и аэрономии или гелиофизики , связанный с изменяющимися во времени условиями в Солнечной системе, включая солнечный ветер , с акцентом на пространство, окружающее Землю, включая условия в магнитосфере , ионосфере , термосфере и экзосфере . Космическая погода отличается от но концептуально связаны с земной погодой в атмосфере Земли ( тропосфере и стратосфере ). Термин космическая погода впервые был использован в 1950-х годах и вошел в обиход в 1990-х годах.

История

На протяжении многих веков влияние космической погоды было замечено, но не изучено. Проявления полярного сияния уже давно наблюдаются в высоких широтах.

Бытие

В 1724 году Джордж Грэм сообщил, что стрелка магнитного компаса регулярно отклонялась от магнитного севера в течение каждого дня. Этот эффект в конечном итоге был приписан Бальфуром Стюартом в 1882 году воздушным током, протекающим в ионосфере и магнитосфере , и подтвержден Артуром Шустером в 1889 году на основе анализа данных магнитной обсерватории.

В 1852 году астроном и британский генерал-майор Эдвард Сабин показал, что вероятность возникновения магнитных бурь на Земле коррелирует с количеством солнечных пятен , продемонстрировав новое солнечно-земное взаимодействие. В 1859 году сильная магнитная буря вызвала блестящие полярные сияния и нарушила работу глобального телеграфа . Ричард Кристофер Кэррингтон правильно связал шторм с солнечной вспышкой, которую он наблюдал накануне в районе большой группы солнечных пятен, продемонстрировав, что определенные солнечные события могут повлиять на Землю.

Кристиан Биркеланд объяснил физику полярного сияния, создав искусственное сияние в своей лаборатории, и предсказал солнечный ветер.

Внедрение радио показало, что имели место периоды сильного статического электричества или шума. Серьезные радиолокационные помехи во время крупного солнечного явления в 1942 году привели к открытию солнечных радиовсплесков (радиоволн, которые покрывают широкий диапазон частот, создаваемых солнечной вспышкой), еще одного аспекта космической погоды.

Двадцатый век

В 20 веке интерес к космической погоде расширился, поскольку военные и коммерческие системы стали зависеть от систем, на которые влияет космическая погода. Спутники связи - жизненно важная часть глобальной торговли. Метеорологические спутниковые системы предоставляют информацию о погоде на суше. Сигналы спутников глобальной системы позиционирования (GPS) используются в самых разных приложениях. Явления космической погоды могут создавать помехи или повредить эти спутники или мешать радиосигналам, с которыми они работают. Явления космической погоды могут вызывать разрушительные скачки напряжения на линиях передачи на большие расстояния и подвергать пассажиров и экипаж самолетов, путешествующих по маршруту, радиации , особенно на полярных маршрутах.

Международный геофизический год (МГГ) активизация научных исследований в области космической погоды. Наземные данные, полученные во время МГГ, показали, что северное сияние происходило в авроральном овале , постоянной области свечения от 15 до 25 градусов по широте от магнитных полюсов и от 5 до 20 градусов в ширину. В 1958 году спутник Explorer I обнаружил пояса Ван Аллена , области радиационных частиц, захваченных магнитным полем Земли. В январе 1959 года советский спутник Луна-1 впервые непосредственно наблюдал за солнечным ветром и измерил его силу. Меньший по размеру Международный гелиофизический год (МГГ) пришелся на 2007–2008 гг.

В 1969 году спутник INJUN-5 (также известный как Explorer 40) провел первое прямое наблюдение электрического поля, создаваемого солнечным ветром на ионосфере высоких широт Земли. В начале 1970-х годов данные Триады показали, что постоянные электрические токи протекают между авроральным овалом и магнитосферой.

Термин космическая погода стал использоваться в конце 1950-х годов, когда началась космическая эра, и спутники начали измерять космическую среду . Термин вновь приобрел популярность в 1990-х вместе с убеждением, что влияние космоса на человеческие системы требует более скоординированных исследований и применения.

Национальная программа космической погоды США

Цель Национальной программы космической погоды США состоит в том, чтобы сосредоточить исследования на потребностях затронутых коммерческих и военных сообществ, объединить сообщества исследователей и пользователей, наладить координацию между оперативными центрами обработки данных и лучше определить потребности сообщества пользователей. NOAA управляет Центром прогнозов космической погоды Национальной службы погоды.

Эта концепция была преобразована в план действий в 2000 году, план реализации в 2002 году, оценку в 2006 году и пересмотренный стратегический план в 2010 году. Пересмотренный план действий должен был быть выпущен в 2011 году, а пересмотренный план реализации - в 2012 году.

Явления

В Солнечной системе на космическую погоду влияют солнечный ветер и межпланетное магнитное поле (ММП), переносимое плазмой солнечного ветра . С космической погодой связаны различные физические явления, в том числе геомагнитные бури и суббури , возбуждение радиационных поясов Ван Аллена , ионосферные возмущения и мерцание радиосигналов спутник-земля и радиолокационных сигналов дальнего действия, полярных сияний и геомагнитно-индуцированных токов. на поверхности Земли. Корональные выбросы массы (CME) также являются важными факторами космической погоды, поскольку они могут сжимать магнитосферу и вызывать геомагнитные бури. Частицы солнечной энергии (SEP), ускоренные выбросами корональной массы или солнечными вспышками, могут запускать события солнечных частиц (SPE), критически важный фактор воздействия космической погоды на человека, поскольку они могут повредить электронику на борту космического корабля (например, сбой Galaxy 15 ) и угрожать жизни людей. космонавтов, а также увеличивают радиационную опасность для высотной и высокоширотной авиации.

Эффекты

Электроника космического корабля

GOES-11 и GOES-12 осуществляли мониторинг условий космической погоды во время солнечной активности в октябре 2003 года.

Некоторые отказы космических аппаратов можно напрямую отнести к космической погоде; считается, что многие другие имеют компонент космической погоды. Например, 46 из 70 отказов, зарегистрированных в 2003 г., произошли во время геомагнитной бури в октябре 2003 г. Двумя наиболее распространенными неблагоприятными воздействиями космической погоды на космические аппараты являются радиационное повреждение и зарядка космических аппаратов .

Излучение (частицы высокой энергии) проходит через обшивку космического корабля и попадает в электронные компоненты. В большинстве случаев излучение вызывает ошибочный сигнал или изменяет один бит в памяти электроники космического корабля ( сбои при единичном событии ). В некоторых случаях излучение разрушает часть электроники ( однократное срабатывание ).

Зарядка космического корабля - это накопление электростатического заряда на непроводящем материале на поверхности космического корабля частицами низкой энергии. При накоплении достаточного заряда возникает разряд (искра). Это может привести к тому, что компьютер космического корабля обнаружит ошибочный сигнал и отреагирует на него. Недавнее исследование показывает, что зарядка космических аппаратов является преобладающим влиянием космической погоды на космические аппараты на геостационарной орбите .

Изменения орбиты космических аппаратов

Орбиты космических аппаратов на низкой околоземной орбите (НОО) переходят на все меньшие и меньшие высоты из-за сопротивления трения между поверхностью космического корабля ( т. Е. Сопротивления ) и внешним слоем атмосферы Земли (также известным как термосфера и экзосфера). В конце концов, космический корабль на НОО падает с орбиты и направляется к поверхности Земли. Многие космические корабли, запущенные за последние пару десятилетий, могут запускать небольшую ракету для управления своей орбитой. Ракета может увеличивать высоту, чтобы продлить срок службы, направить вход в конкретный (морской) объект или направить спутник, чтобы избежать столкновения с другим космическим кораблем. Такие маневры требуют точной информации об орбите. Геомагнитная буря может вызвать изменение орбиты за пару дней, которое в противном случае произошло бы в течение года или более. Геомагнитная буря увеличивает тепло в термосфере, заставляя термосферу расширяться и подниматься, увеличивая сопротивление космического корабля. 2009 спутниковое столкновение между Iridium 33 и Космосом 2251 продемонстрировало важность наличия точного знания всех объектов на орбите. Иридиум 33 имел возможность маневрировать с траектории Космоса 2251 и мог бы избежать крушения, если бы был доступен достоверный прогноз столкновения.

Люди в космосе

Основная статья: Влияние космического полета на человеческое тело

Воздействие ионизирующего излучения на человеческое тело имеет одинаковые вредные последствия, независимо от того, является ли источником излучения медицинский рентгеновский аппарат , атомная электростанция или радиация в космосе. Степень вредного воздействия зависит от продолжительности воздействия и плотности энергии излучения . Вездесущие радиационные пояса простираются до высоты пилотируемых космических аппаратов, таких как Международная космическая станция (МКС) и космический шаттл , но степень воздействия находится в пределах допустимого предела воздействия в течение срока службы при нормальных условиях. Во время крупного явления космической погоды, которое включает в себя всплеск SEP, поток может возрасти на порядки. Зоны внутри МКС обеспечивают защиту, которая может удерживать общую дозу в безопасных пределах. Для Space Shuttle такое событие потребовало бы немедленного завершения миссии.

Наземные системы

Сигналы космических аппаратов

Ионосфера изгибает радиоволны так же, как вода в бассейне изгибает видимый свет. Когда среда, через которую распространяются такие волны, нарушается, световое изображение или радиоинформация искажается и может стать неузнаваемой. Степень искажения (мерцания) радиоволны ионосферой зависит от частоты сигнала. Радиосигналы в диапазоне VHF (от 30 до 300 МГц) могут быть искажены до неузнаваемости из-за возмущенной ионосферы. Радиосигналы в диапазоне УВЧ (от 300 МГц до 3 ГГц) проходят через ионосферу с возмущениями, но приемник может не поддерживать синхронизацию с несущей частотой. GPS использует сигналы на частотах 1575,42 МГц (L1) и 1227,6 МГц (L2), которые могут искажаться возмущенной ионосферой. Явления космической погоды, искажающие сигналы GPS, могут существенно повлиять на общество. Например, система расширения зоны действия (WAAS), управляемая Федеральным авиационным управлением США (FAA), используется в качестве средства навигации для коммерческой авиации Северной Америки. Он отключается при каждом крупном событии космической погоды. Сбои в работе могут составлять от нескольких минут до нескольких дней. Крупные явления космической погоды могут подтолкнуть возмущенную полярную ионосферу на 10–30 ° широты к экватору и могут вызвать большие ионосферные градиенты (изменения плотности на расстоянии в сотни км) на средних и низких широтах. Оба эти фактора могут искажать сигналы GPS.

Радиосигналы на большие расстояния

Радиоволны в диапазоне HF (от 3 до 30 МГц) (также известном как коротковолновый диапазон) отражаются ионосферой. Поскольку земля также отражает высокочастотные волны, сигнал может передаваться по кривизне Земли за пределами прямой видимости. В течение 20-го века ВЧ-связь была единственным способом связи на корабле или самолете, удаленном от земли или базовой станции. Появление таких систем, как Иридиум, принесло с собой другие методы связи, но ВЧ остается критически важным для судов, на которых не установлено новое оборудование, и в качестве критически важной резервной системы для других. Явления космической погоды могут создавать в ионосфере нерегулярности, которые рассеивают ВЧ-сигналы, а не отражают их, препятствуя ВЧ-связи. На авроральных и полярных широтах небольшие явления космической погоды, которые часто происходят, нарушают ВЧ связь. В средних широтах ВЧ-связь нарушается из-за солнечных радиовсплесков, рентгеновских лучей от солнечных вспышек (которые усиливают и возмущают D-слой ионосферы), а также из-за увеличения ПЭС и неоднородностей во время крупных геомагнитных бурь.

Транс маршруты полярной авиакомпании особенно чувствительны к космической погоде, отчасти потому , что федеральные авиационные правила требуют надежной связи по всему полету. Перенаправление такого рейса оценивается примерно в 100 000 долларов.

Все пассажиры коммерческих самолетов, летящих на высоте более 26 000 футов (7900 м), обычно подвергаются некоторому облучению в этой авиационной радиационной среде.

Люди в коммерческой авиации

Магнитосфера направляет космические лучи и частицы солнечной энергии к полярным широтам, в то время как заряженные частицы высокой энергии попадают в мезосферу, стратосферу и тропосферу. Эти энергичные частицы в верхней части атмосферы разрушают атмосферные атомы и молекулы, создавая вредные частицы с более низкой энергией, которые проникают глубоко в атмосферу и создают измеримое излучение. Воздействию этих частиц подвергаются все самолеты, летящие на высоте более 8 км (26 200 футов). Дозовое воздействие больше в полярных регионах, чем в средних широтах и ​​экваториальных регионах. Многие коммерческие самолеты летают над полярным регионом. Когда в результате космической погоды воздействие радиации превышает безопасный уровень, установленный авиационными властями, траектория полета самолета изменяется.

Хотя к наиболее значительным, но весьма маловероятным последствиям для здоровья воздействия атмосферной радиации относятся смерть от рака в результате длительного воздействия, также могут возникать многие формы рака, ухудшающие образ жизни и влияющие на карьеру. Диагноз рака может иметь существенное влияние на карьеру коммерческого пилота. Диагноз рака может временно или навсегда заземлить пилота. Международные руководящие принципы Международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ) были разработаны для снижения этого статистического риска. МКРЗ рекомендует эффективные пределы дозы на уровне 5-летнего среднего значения 20 мЗв в год и не более 50 мЗв в год для небеременных лиц, подвергшихся профессиональному облучению, и 1 мЗв в год для населения. Пределы дозы излучения не являются инженерными пределами. В США они рассматриваются как верхний предел приемлемости, а не нормативный предел.

Измерения радиационной среды на высотах коммерческих самолетов выше 8 км (26 000 футов) исторически выполнялись приборами, которые записывают данные на борту, а затем данные обрабатываются на земле. Однако система измерения радиации в реальном времени на борту самолета была разработана в рамках программы НАСА «Автоматизированные радиационные измерения для аэрокосмической безопасности» (ARMAS). С 2013 года компания «АРМАС » совершила сотни полетов, в основном на исследовательских самолетах, и отправила данные на землю по спутниковым каналам связи Iridium. Конечная цель этих типов измерений состоит в том, чтобы ассимилировать данные в основанные на физике глобальные модели излучения, например, прогноз NASA по системе атмосферной ионизирующей радиации ( NAIRAS ), чтобы обеспечить погоду радиационной среды, а не климатологию.

Названные электрические поля

Активность магнитных бурь может вызывать геоэлектрические поля в проводящей литосфере Земли . Соответствующие перепады напряжения могут попасть в электрические сети через заземление , вызывая неконтролируемые электрические токи, которые мешают работе сети, повреждают трансформаторы, срабатывают защитные реле и иногда вызывают отключение электроэнергии. Эта сложная цепочка причин и следствий была продемонстрирована во время магнитной бури в марте 1989 года , которая привела к полному обрушению энергосистемы Hydro-Québec в Канаде, в результате чего девять миллионов человек остались без электричества. Возможное возникновение еще более сильного шторма привело к принятию операционных стандартов, направленных на снижение рисков индукционной опасности, в то время как перестраховочные компании заказали пересмотренную оценку рисков .

Геофизические исследования

На воздушные и морские магнитные исследования могут влиять быстрые изменения магнитного поля во время геомагнитных бурь. Такие штормы вызывают проблемы с интерпретацией данных, поскольку изменения магнитного поля, связанные с космической погодой, аналогичны по величине изменениям магнитного поля подповерхностной коры в районе исследования. Точные предупреждения о геомагнитных штормах, включая оценку силы и продолжительности шторма, позволяют экономно использовать геодезическое оборудование.

Геофизика и добыча углеводородов

По экономическим и другим причинам добыча нефти и газа часто связана с горизонтальным бурением траекторий скважин за много километров от одного устья. Требования к точности жесткие из-за размера цели (резервуары могут быть всего от нескольких десятков до сотен метров в поперечнике) и безопасности из-за близости других скважин. Самый точный гироскопический метод стоит дорого, так как он может останавливать бурение на несколько часов. Альтернативой является использование магнитной разведки, которая позволяет проводить измерения во время бурения (MWD) . Магнитные данные, близкие к реальному времени, могут использоваться для корректировки направления бурения. Магнитные данные и прогнозы космической погоды могут помочь выяснить неизвестные источники ошибок бурения.

Земная погода

Количество энергии, поступающей в тропосферу и стратосферу из-за явлений космической погоды, ничтожно по сравнению с солнечной инсоляцией в видимой и инфракрасной частях солнечного электромагнитного спектра. Хотя утверждается некоторая связь между 11-летним циклом солнечных пятен и климатом Земли , это никогда не было подтверждено. Например, минимум Маундера , 70-летний период, почти лишенный солнечных пятен, часто предполагалось коррелировать с более прохладным климатом, но эти корреляции исчезли после более глубоких исследований. Предлагаемая связь с изменениями потока космических лучей вызывает изменения в количестве образования облаков. не выдержали научных испытаний. Другое предположение, что вариации потока EUV незначительно влияют на существующие факторы климата и нарушают баланс между явлениями Эль-Ниньо / Ла-Нинья . рухнул, когда новое исследование показало, что это невозможно. Как таковая связь между космической погодой и климатом не была продемонстрирована.

Наблюдение

Наблюдения за космической погодой выполняются как для научных исследований, так и для прикладных целей. Научное наблюдение развивалось вместе с уровнем знаний, в то время как наблюдение, связанное с приложениями, расширилось благодаря способности использовать такие данные.

Наземный

Космическая погода отслеживается на уровне земли путем наблюдения изменений магнитного поля Земли в течение периодов от нескольких секунд до нескольких дней, наблюдения за поверхностью Солнца и наблюдения за радиошумом, создаваемым в атмосфере Солнца.

Число солнечных пятен (SSN) - это количество солнечных пятен на фотосфере Солнца в видимом свете со стороны Солнца, видимой наблюдателю Земли. Количество и общая площадь солнечных пятен связаны с яркостью Солнца в крайнем ультрафиолетовом (EUV) и рентгеновском диапазонах солнечного спектра, а также с солнечной активностью, такой как солнечные вспышки и корональные выбросы массы (CME).

Радиопоток 10,7 см (F10.7) представляет собой измерение радиочастотного излучения Солнца и приблизительно коррелирует с солнечным EUV-потоком. Поскольку это радиочастотное излучение легко получить с земли, а поток EUV - нет, это значение измеряется и распространяется непрерывно с 1947 года. Мировые стандартные измерения выполняются Радиоастрофизической обсерваторией Доминиона в Пентиктоне, Британская Колумбия, Канада, и сообщаются один раз в день. в местный полдень в единицах солнечного потока (10 −22 Вт · м −2 · Гц −1 ). F10.7 находится в архиве Национального центра геофизических данных.

Основные данные мониторинга космической погоды предоставляются наземными магнитометрами и магнитными обсерваториями. Магнитные бури были впервые обнаружены с помощью наземных измерений случайных магнитных возмущений. Данные наземного магнитометра обеспечивают ситуационную осведомленность в реальном времени для анализа после события. Магнитные обсерватории непрерывно работают на протяжении десятилетий или столетий, предоставляя данные для изучения долгосрочных изменений в космической климатологии.

Индекс Dst - это оценка изменения магнитного поля на магнитном экваторе Земли из-за кольца электрического тока на геостационарной орбите и прямо от нее . Индекс основан на данных четырех наземных магнитных обсерваторий между 21 ° и 33 ° магнитной широты в течение одного часа. Станции ближе к магнитному экватору не используются из-за ионосферных эффектов. Индекс Dst составляется и архивируется Мировым центром данных по геомагнетизму, Киото.

Индекс Kp / ap : 'a' - это индекс, созданный на основе геомагнитного возмущения на одной геомагнитной обсерватории средней широты (от 40 ° до 50 °) в течение 3-часового периода. «К» - квазилогарифмический аналог индекса «а». Kp и ap - это среднее значение K и более 13 геомагнитных обсерваторий для представления общепланетных геомагнитных возмущений. Индекс Kp / ap указывает как на геомагнитные бури, так и на суббури (авроральные возмущения). КП / ап выпускается с 1932 года.

Индекс AE рассчитывается по геомагнитным возмущениям в 12 геомагнитных обсерваториях в зонах полярных сияний и вблизи них и регистрируется с 1-минутными интервалами. Публичный индекс AE доступен с задержкой в ​​два-три дня, что ограничивает его полезность для приложений космической погоды. Индекс AE указывает на интенсивность геомагнитных суббурь, за исключением периода сильной геомагнитной бури, когда зоны полярных сияний расширяются к экватору от обсерваторий.

Сеть радиошумов сообщает ВВС США и NOAA. Радиовсплески связаны с плазмой солнечных вспышек, которая взаимодействует с окружающей солнечной атмосферой.

Фотосфера Солнца постоянно наблюдается на предмет активности, которая может быть предвестником солнечных вспышек и CME. Проект Global Oscillation Network Group (GONG) осуществляет мониторинг как поверхности, так и внутренней части Солнца с помощью гелиосейсмологии , изучения звуковых волн, распространяющихся через Солнце и наблюдаемых в виде ряби на поверхности Солнца. GONG может обнаруживать группы солнечных пятен на обратной стороне Солнца. Эта способность была недавно подтверждена визуальными наблюдениями с космического корабля STEREO .

Нейтронные мониторы на земле косвенно отслеживают космические лучи от Солнца и галактических источников. Когда космические лучи взаимодействуют с атмосферой, происходят атомные взаимодействия, которые заставляют поток частиц с более низкой энергией опускаться в атмосферу и на уровень земли. Присутствие космических лучей в околоземной космической среде может быть обнаружено путем мониторинга нейтронов высоких энергий на уровне земли. Небольшие потоки космических лучей присутствуют постоянно. Солнце создает большие потоки во время событий, связанных с мощными солнечными вспышками.

Общее электронное содержание (TEC) - это мера ионосферы в данном месте. ПЭС - это количество электронов в столбце на квадратный метр от основания ионосферы (высота около 90 км) до верха ионосферы (высота около 1000 км). Многие измерения TEC выполняются путем мониторинга двух частот, передаваемых космическими аппаратами GPS . В настоящее время GPS TEC контролируется и распространяется в режиме реального времени с более чем 360 станций, обслуживаемых агентствами во многих странах.

Геоэффективность - это мера того, насколько сильно магнитные поля космической погоды, такие как выбросы корональной массы, связаны с магнитным полем Земли. Это определяется направлением магнитного поля внутри плазмы, исходящей от Солнца. Новые методы измерения вращения Фарадея в радиоволнах разрабатываются для измерения направления поля.

Спутниковая

Множество исследовательских космических аппаратов исследовали космическую погоду. Серия орбитальных геофизических обсерваторий была одним из первых космических аппаратов, предназначенных для анализа космической среды. Среди последних космических аппаратов - пара космических аппаратов NASA-ESA Solar-Terrestrial Relations Observatory (STEREO), запущенных в 2006 году на солнечную орбиту, и зонды Ван Аллена , запущенные в 2012 году на высокоэллиптическую околоземную орбиту. Два космических аппарата STEREO удаляются от Земли примерно на 22 ° в год, один впереди, а другой за Землей по ее орбите. Вместе они собирают информацию о солнечной поверхности и атмосфере в трех измерениях. Зонды Ван Аллена фиксируют подробную информацию о радиационных поясах, геомагнитных бурях и взаимосвязи между ними.

Некоторые космические корабли с другими основными задачами несли вспомогательные инструменты для наблюдения за Солнцем. Среди первых таких космических аппаратов были спутники серии Applications Technology Satellite (ATS) на GEO, которые были предшественниками современного геостационарного спутника наблюдения за окружающей средой (GOES) и многих спутников связи. Космический корабль ATS имел датчики частиц окружающей среды в качестве вспомогательной полезной нагрузки, а их навигационный датчик магнитного поля использовался для измерения окружающей среды.

Многие из первых инструментов были исследовательскими космическими аппаратами, которые были переоборудованы для использования в космической погоде. Одним из первых из них была IMP-8 (платформа межпланетного мониторинга). Он вращался вокруг Земли на радиусе 35 земных радиусов и наблюдал солнечный ветер на двух третях своих 12-дневных орбит с 1973 по 2006 год. Поскольку солнечный ветер несет в себе возмущения, влияющие на магнитосферу и ионосферу, IMP-8 продемонстрировал полезность непрерывного солнечного излучения. мониторинг ветра. За IMP-8 последовал ISEE-3 , который был размещен рядом с точкой лагранжиана L 1 Солнце - Земля, на высоте 235 радиусов Земли над поверхностью (около 1,5 миллиона км, или 924 000 миль), и непрерывно отслеживал солнечный ветер с 1978 по 1982 год. Следующим космическим аппаратом для наблюдения за солнечным ветром в точке L 1 был WIND с 1994 по 1998 год. После апреля 1998 года орбита космического корабля WIND была изменена, чтобы вращаться вокруг Земли и иногда проходить через точку L 1 . НАСА Advanced Composition Explorer (ACE) отслеживал солнечный ветер в точке L 1 с 1997 года по настоящее время.

Помимо мониторинга солнечного ветра, мониторинг Солнца важен для космической погоды. Поскольку солнечный EUV не может контролироваться с земли, совместная NASA - ESA Солнечная и Гелиосферная обсерватория (SOHO) космический аппарат был запущен и обеспечил солнечные изображения EUV , начиная с 1995 SOHO является основным источником , близком к реальному времени солнечных данных для обоих исследований и предсказания космической погоды и вдохновил на миссию STEREO . Космический аппарат Yohkoh на НОО наблюдал Солнце с 1991 по 2001 год в рентгеновской части солнечного спектра и был полезен как для исследований, так и для прогнозирования космической погоды. Данные Йохко вдохновили на создание солнечного рентгеновского тепловизора на GOES.

GOES-7 отслеживает погодные условия в космосе во время солнечной активности в октябре 1989 года, которая привела к Запредельному снижению, повышению уровня земли и множеству спутниковых аномалий.

Космические аппараты с приборами, основной задачей которых является предоставление данных для прогнозов космической погоды и приложений, включают серию космических аппаратов геостационарного оперативного спутника окружающей среды (GOES), серию POES, серию DMSP и серию Meteosat . Космический аппарат GOES оснащен датчиком рентгеновского излучения (XRS), который измеряет поток от всего солнечного диска в двух диапазонах - от 0,05 до 0,4 нм и от 0,1 до 0,8 нм - с 1974 года, рентгеновский формирователь изображения (SXI) с 2004 года, магнитометр, который измеряет искажения магнитного поля Земли из-за космической погоды, датчик EUV для всего диска с 2004 года и датчики частиц (EPS / HEPAD), которые измеряют ионы и электроны в диапазоне энергий от 50 кэВ до 500 МэВ. Начиная примерно после 2015 года, поколение космических аппаратов GOES GOES-R будет заменять SXI солнечным EUV-изображением (SUVI), аналогичным изображению на SOHO и STEREO, а датчик частиц будет дополнен компонентом для расширения диапазона энергий до 30 эВ.

Deep Space Климатическая обсерватория (DSCOVR) спутник является NOAA наблюдения и космической погоды спутник Земли , который запущен в феврале 2015 года Среди его особенностей является заблаговременное предупреждение о корональных выбросов массы.

Модели

Модели космической погоды представляют собой моделирование условий космической погоды. В моделях используются наборы математических уравнений для описания физических процессов.

Эти модели используют ограниченный набор данных и пытаются описать всю или часть среды космической погоды или предсказать, как погода меняется с течением времени. Ранние модели были эвристическими; т . е . они не использовали физику напрямую. Эти модели требуют меньше ресурсов, чем их более сложные потомки.

Более поздние модели используют физику для объяснения как можно большего числа явлений. Ни одна модель пока не может надежно предсказать окружающую среду от поверхности Солнца до нижней части ионосферы Земли. Модели космической погоды отличаются от метеорологических моделей тем, что объем вводимых данных значительно меньше.

Значительная часть исследований и разработок моделей космической погоды за последние два десятилетия была выполнена в рамках программы « Геокосмическая модель окружающей среды» (GEM) Национального научного фонда . Двумя основными центрами моделирования являются Центр моделирования космической среды (CSEM) и Центр комплексного моделирования космической погоды (CISM). Центр координированного моделирования сообщества (CCMC) в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА - это центр для координации разработки и тестирования исследовательских моделей, для улучшения и подготовки моделей для использования в прогнозировании и применении космической погоды.

Методы моделирования включают в себя (а) магнитогидродинамику , в которой окружающая среда рассматривается как жидкость, (б) частица в клетке, в которой не-жидкостные взаимодействия обрабатываются внутри клетки, а затем клетки соединяются для описания окружающей среды, (в) сначала принципы, в которых физические процессы находятся в равновесии (или равновесии) друг с другом, (d) полустатическое моделирование, в котором описываются статистические или эмпирические отношения, или комбинация нескольких методов.

Развитие коммерческой космической погоды

В течение первого десятилетия 21-го века возник коммерческий сектор, который занимался космической погодой, обслуживая агентства, научные круги, коммерческий и потребительский секторы. Поставщики космической погоды обычно представляют собой небольшие компании или небольшие подразделения в рамках более крупной компании, которые предоставляют данные о космической погоде, модели, производные продукты и распространение услуг.

Коммерческий сектор включает научных и инженерных исследователей, а также пользователей. Деятельность в первую очередь направлена ​​на изучение воздействия космической погоды на технологии. К ним относятся, например:

  • Атмосферное сопротивление на спутниках НОО, вызванное поступлением энергии в термосферу от солнечного УФ, FUV, Lyman-альфа , EUV , XUV , рентгеновских и гамма- квантов, а также из-за осаждения заряженных частиц и джоулева нагрева на высоких широтах;
  • Поверхностная и внутренняя зарядка из-за повышенных потоков энергичных частиц, приводящая к таким эффектам, как разряды, сбои в результате единичного события и фиксация на спутниках от НОО к ГСО;
  • Прерывание сигналов GPS, вызванное ионосферным мерцанием, что приводит к повышенной неопределенности в навигационных системах, таких как авиационная система расширения зоны действия (WAAS);
  • Потеря радиосвязи в диапазонах HF, UHF и L из-за мерцаний в ионосфере, солнечных вспышек и геомагнитных бурь;
  • Повышенное излучение человеческих тканей и авионики от галактических космических лучей SEP, особенно во время крупных солнечных вспышек, и, возможно, тормозное гамма-излучение, производимое высыпанием энергичных электронов радиационного пояса на высотах более 8 км;
  • Повышенная неточность съемки и разведки нефти / газа, в которых используется главное магнитное поле Земли, когда оно нарушается геомагнитными бурями;
  • Потеря передачи электроэнергии из-за скачков напряжения в электросети и отключений трансформаторов во время сильных геомагнитных бурь.

Многие из этих нарушений приводят к социальным последствиям, на которые приходится значительная часть национального ВВП.

Концепция стимулирования коммерческой космической погоды была впервые предложена идеей экономической инновационной зоны космической погоды, обсужденной Американской ассоциацией коммерческой космической погоды (ACSWA) в 2015 году. Создание этой экономической инновационной зоны будет способствовать расширению экономической деятельности, разрабатывающей приложения для управления рискует космической погодой и будет стимулировать более широкую исследовательскую деятельность университетов, связанную с космической погодой. Это могло бы стимулировать инвестиции американского бизнеса в услуги и продукты, связанные с космической погодой. Он способствовал поддержке бизнес-инноваций США в области услуг и продуктов, связанных с космической погодой, требуя от правительства США закупок американского коммерческого оборудования, программного обеспечения и сопутствующих продуктов и услуг там, где ранее не существовало подходящих государственных возможностей. Он также продвигал коммерческое оборудование, программное обеспечение и сопутствующие продукты и услуги американского производства международным партнерам. обозначить коммерческое оборудование, услуги и продукты, производимые в США, как «зону экономических инноваций в области космической погоды»; Наконец, он рекомендовал, чтобы коммерческое оборудование, услуги и продукты, производимые в США, отслеживались как вклад в экономическую инновационную зону космической погоды в отчетах агентства. В 2015 году законопроект HR1561 Конгресса США заложил основу для того, чтобы социальные и экологические последствия от зоны экономических инноваций в области космической погоды могли иметь далеко идущие последствия. В 2016 году в развитие этого наследия был принят Закон о исследованиях и прогнозировании космической погоды (S. 2817). Позже, в 2017-2018 годах, законопроект HR3086 взял эти концепции, включил широкий спектр материалов из параллельных исследований агентств в рамках спонсируемой OSTP Программы действий по космической погоде (SWAP), и при двухпалатной и двухпартийной поддержке 116-й Конгресс (2019) рассмотрение принятия Закона о координации космической погоды (S141, 115-й Конгресс).

Американская ассоциация коммерческой космической погоды

29 апреля 2010 года сообщество по коммерческой космической погоде создало Американскую ассоциацию коммерческой космической погоды ( ACSWA ), отраслевую ассоциацию. ACSWA способствует снижению рисков космической погоды для национальной инфраструктуры, экономической мощи и национальной безопасности. Он стремится:

  • предоставлять качественные данные и услуги по космической погоде, чтобы помочь снизить риски для технологий;
  • предоставлять консультационные услуги государственным органам;
  • дать рекомендации по лучшему разделению задач между коммерческими поставщиками и государственными учреждениями;
  • представлять интересы коммерческих провайдеров;
  • представлять коммерческие возможности на национальной и международной арене;
  • разрабатывать лучшие практики.

Краткое описание широких технических возможностей в области космической погоды, которыми располагает ассоциация, можно найти на их веб-сайте http://www.acswa.us .

Известные события

Основная статья: Список солнечных бурь
  • 21 декабря 1806 года Александр фон Гумбольдт заметил, что его компас стал нестабильным во время яркого полярного сияния.
  • Солнечная буря 1859 г. (Carrington Event) вызвала массовые нарушения телеграфной службы.
  • Aurora от 17 ноября 1882 сказывался телеграфной службы.
  • Мая 1921 геомагнитный шторм , один из самых больших геомагнитных бурь нарушается телеграфной службой и повреждения электрического оборудования всемирного.
  • Солнечная буря августа 1972 года , произошло большое событие Сентября Если бы космонавты находились в то время в космосе, доза могла быть опасной для жизни.
  • Марта 1989 геомагнитная буря включены различные эффекты космической погоды: SEP, CME, форбуш, повышение уровня земли, геомагнитный шторм, и т.д ..
  • День взятия Бастилии 2000 года совпал с исключительно ярким полярным сиянием.
  • 21 апреля 2002 г. на зонд « Нозоми Марс» произошло крупное событие SEP, которое привело к крупномасштабной аварии. Миссия, которая отставала от графика уже примерно на 3 года, была прекращена в декабре 2003 года.

Смотрите также

Примечания

Библиография

  • Райнер Швенн, Космическая погода , Living Reviews in Solar Physics 3 , (2006), 2, онлайн-статья .
  • Жан Лиленстен и Жан Борнарел, Космическая погода, окружающая среда и общества , Springer, ISBN  978-1-4020-4331-4 .
  • Марк Молдвин: Введение в космическую погоду. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2008, ISBN  978-0-521-86149-6 .
  • Иоаннис А. Даглис: Влияние космической погоды на технологическую инфраструктуру. Springer, Dordrecht 2005, ISBN  1-4020-2748-6 .

дальнейшее чтение

  • Руффенах, А., 2018, «Создание устойчивой энергетической инфраструктуры Великобритании: технические тома и тематические исследования с описанием природных опасностей, том 10 - Космическая погода»; IMechE, IChemE.
  • Кларк, ТДГ и Э. Кларк, 2001. Службы космической погоды для морской буровой индустрии . Практикум по космической погоде: взгляд на будущую европейскую программу космической погоды . ESTEC, ESA WPP-194.
  • Карлович, MJ, и RE Lopez, 2002, Storms from the Sun , Joseph Henry Press, Вашингтон, округ Колумбия, ISBN  0-309-07642-0 .
  • Reay, SJ, W. Allen, O. Baillie, J. Bowe, E. Clarke, V. Lesur, S. Macmillan, 2005. Влияние космической погоды на точность бурения в Северном море . Annales Geophysicae, Vol. 23. С. 3081–3088.
  • Оденвальд, С. 2006, 23-й цикл; Учимся жить с бурной звездой , Columbia University Press, ISBN  0-231-12078-8 .
  • Ботмер, В .; Даглис И., 2006 г., Космическая погода: физика и эффекты , Springer-Verlag New York, ISBN  3-642-06289-X .
  • Гомбози, Тамас И., Хоутон, Джон Т. и Десслер, Александр Дж. (Редакторы), 2006 г., Физика космической среды , Cambridge University Press, ISBN  978-0-521-60768-1 .
  • Даглис, ИА (редактор), 2001, Космические штормы и опасности космической погоды , Springer-Verlag New York, ISBN  1-4020-0031-6 .
  • Сонг, П., Сингер, Х., и Сискоу, Г. (редакторы), 2001, Космическая погода (геофизическая монография) , Союз, Вашингтон, округ Колумбия, ISBN  0-87590-984-1 .
  • Фриман, Джон В., 2001, Буря в космосе , Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Великобритания, ISBN  0-521-66038-6 .
  • Сильный, Кит; Дж. Саба; Т. Кучера (2012). «Понимание космической погоды: Солнце как переменная звезда». Бык. Являюсь. Meteorol. Soc . 93 (9): 1327–35. Bibcode : 2012BAMS ... 93.1327S . DOI : 10.1175 / BAMS-D-11-00179.1 . ЛВП : 2060/20120002541 .
  • Сильный, Кит; JT Schmelz; JLR Saba; Т.А. Кучера (2017). «Понимание космической погоды: Часть II: Жестокое Солнце». Бык. Являюсь. Meteorol. Soc . 98 (11): 2387–96. Bibcode : 2017BAMS ... 98.2387S . DOI : 10.1175 / BAMS-D-16-0191.1 .
  • Сильный, Кит; Н. Виал; Дж. Шмельц; Дж. Саба (2017). «Понимание космической погоды: область Солнца». Бык. Являюсь. Meteorol. Soc . 98 (12): 2593. Bibcode : 2017BAMS ... 98.2593S . DOI : 10.1175 / BAMS-D-16-0204.1 .

внешние ссылки

Прогноз космической погоды в реальном времени

Прочие ссылки