我们的空间天气科学家在“北京极光”刷屏时忙着什么?

前不久北京“极光”事件刷屏。在北京看到“极光”实属罕见,一般只有在接近极光卵的有限纬度(地磁纬度约65°～75°)处能观测到。大家在兴奋地感慨居然北京也能看到“极光”的时候,一群预判了该事件的科学家早已忙碌了起来。

作为专业的空间环境服务保障机构,中国科学院国家空间科学中心(以下简称空间中心)空间环境预报中心从此次事件的初始,就利用我国重大科技基础设施子午工程、夸父一号等天地基监测数据紧盯事件发展状况,第一时间向空间站等用户发送预报产品。

▲图1:子午工程站点布局图

▲图2:以子午工程为基础,国际子午圈计划联合120°E+60°W上的地基探测设备,探测全球空间环境

磁暴事件既是挑战也是机遇

磁暴事件期间,科学家们在争分夺秒地进行空间环境探测和研究。空间卫星在运行的同时也会采集一手的就地空间环境参数。我们还有很多地面的探测设备——如我国的子午工程,从地表向上遥测空间环境的变化情况,监视着空间天气的一举一动。

为了获知此次强磁暴事件对地球空间环境造成的全球性影响,国际子午圈联测工作组与空间环境预报中心紧密合作,于11月28日第一时间分析和研判了地球空间爆发强磁暴的可能性,并及时发布了自30日开展联合观测的倡议。

国际联合观测获得宝贵数据

子午工程、国际非相干散射雷达网、南美空间天气实验室等国际子午圈的成员和合作监测网络迅速响应、高效部署,圆满完成此次国际联测,获取了极为宝贵的强磁暴期间多要素的同步观测数据。

参与联测的地面设备采用无线电、光学、地磁场测量等多种探测原理,采集到了80余个主要站点的电离层数据和中高层大气数据(如图3-图6所示),为此次磁暴期间的空间环境综合研究建立了完整详实的数据库,为解答令人困惑的中国北部地区极光,包括北京“极光”,提供了最直接和最有效的专业数据库。

▲图3:2023年11月30日至12月2日(世界时)美国Millstone Hill非相干散射雷达探测的电离层100km-500km高度区域的电子密度

▲图4:2023年12月1日珠海站全天空气辉成像仪观测到的电离层不规则体

▲图5:2023年11月25日至12月3日子午工程武汉崇阳站MST雷达风场

▲图6:2023年12月1日子午工程三亚站非相干散射雷达观测的电子密度、电子温度、离子温度等参数

12月7日,为了总结联测活动成果、规划后续科学研究,美国麻省理工学院的张顺荣教授(国际子午圈计划首席专家组专家)、空间中心徐寄遥研究员(子午工程总工程师)、中国科学技术大学雷久侯教授三位联测活动召集人,以及中国科学院地质与地球物理研究所刘立波研究员等60多位专家和学者联合发起了探测科学分析讨论会,组织本领域科学家对磁暴时空间环境特征进行初步梳理和研读,安排了后续联合研究活动。

通过对重大空间天气扰动事件的国际联合探测和后续研究,可以更完整地揭示太阳活动对地球空间环境的全球/大尺度影响,了解空间环境扰动在全球特别是沿子午面的传播过程和规律,最终实现对空间天气的准确预测,造福人类高技术系统和文明发展。 这也是国际子午圈计划的主要科学目标。

本次地磁暴对航天工作有什么影响?

对于在空间执行任务的航天员,质子事件是威胁航天员身体健康和生命安全最主要的空间环境事件,但本次事件不伴随太阳质子事件,因此对航天员没有影响。

此次地磁暴期间中国空间站的轨道速率并没有表现出明显的加快趋势(如图7所示),这种现象是因为空间站在轨操作频繁,空间站轨道维持及姿态调整都可能对轨道产生明显影响。单纯从轨道数据不能判断地磁暴对空间站轨道衰减的影响。

▲图7:地磁暴期间中国空间站轨道半长轴变化

▲图8:地磁暴期间球星(NORAD:53301)轨道半长轴变化

图8给出了“轨道大气密度探测试验卫星”(以下简称“球星”)在此次地磁暴期间轨道的衰减情况。该卫星由空间中心太阳活动与空间天气重点实验室和中国科学院上海微小卫星创新研究院联合研制。卫星设计为球形,构型简洁,具有确定的面质比,且没有轨道制动,因此其轨道变化可准确反映地磁暴的影响。从图中可以明显看出地磁暴加剧了卫星轨道的衰减。具体而言,磁暴发生前,轨道衰减速率为109米/天,在磁暴发生期间及随后的数个小时内,轨道衰减迅速增加到189米/天。可见大磁暴对低轨卫星的轨道有着显著的影响。考虑到当前球星高度约为480km左右,而空间站轨道高度约为380km,大气密度更加稠密,因此在无轨道制动等其他因素的影响下,地磁暴对其轨道造成的衰减效应应当更加显著。

本次地磁暴对导航通信有什么影响?

此次地磁暴事件期间,我国部分地区的电离层在12月1日～2日发生弱扰动,各个观测站的电离层F2层临界频率(foF2)和电离层TEC参数相对背景值均有变化,但幅度不大(如图9所示),对通信导航等系统的影响不大。

▲图9:12月1日～2日地磁暴期间,漠河(mhgr)、北京(bjgr)和三亚(syge)站观测到的电离层foF2变化,以及漠河(mhgr)、北京(bjgr)、广州(GZ03)和南宁(NN04)站观测到的电离层TEC变化。(数据来自子午工程和空间中心台站)

结语

当前太阳活动处于第25活动周的高年,日面爆发活动频繁,太阳黑子数处于上升阶段,大或强地磁暴(Kp≥7)数目也将呈现上升趋势,未来两三年这种大地磁暴事件还会多次发生,“极光猎人”可以做好观测准备,航天用户们则需要提高警惕。

致谢:罗冰显、刘四清、丁凯、陈志青、杨昉、李晖、崔延美、敖先志、石育榕、王听雨、任廷领、沈华、陈艳红、苗娟、周振奇对本文亦有实质性贡献。

来源:中国科学院国家空间科学中心