Космическая погода — это раздел космической физики и аэрономии , или гелиофизики , изучающий изменяющиеся условия в Солнечной системе и ее гелиосфере . Сюда входит влияние солнечного ветра , особенно на магнитосферу , ионосферу , термосферу и экзосферу Земли . [1] Хотя физически они и отличаются, космическая погода аналогична земной погоде атмосферы Земли ( тропосфере и стратосфере ). Термин «космическая погода» впервые был использован в 1950-х годах и популяризирован в 1990-х годах. [2] Позже он побудил к исследованиям « космического климата », крупномасштабных и долгосрочных моделей космической погоды.
На протяжении многих столетий эффекты космической погоды замечались, но не понимались. Проявления полярного сияния уже давно наблюдаются в высоких широтах.
В 1724 году Джордж Грэхем сообщил, что стрелка магнитного компаса регулярно отклоняется от магнитного севера в течение каждого дня. Этот эффект был в конечном итоге приписан воздушным электрическим токам, текущим в ионосфере и магнитосфере Бальфуром Стюартом в 1882 году 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 геомагнитных бурь на Земле коррелирует с числом солнечных пятен , продемонстрировав новое солнечно-земное взаимодействие. Солнечная буря 1859 года вызвала яркие полярные сияния и нарушила работу всемирного телеграфа . Ричард Каррингтон правильно связал бурю с солнечной вспышкой , которую он наблюдал накануне вблизи большой группы солнечных пятен, продемонстрировав, что определенные солнечные события могут влиять на Землю.
Кристиан Биркеланд объяснил физику полярных сияний, создав искусственные сияния в своей лаборатории, и предсказал существование солнечного ветра.
Появление радио показало, что солнечная погода может вызывать экстремальные статические помехи или шум. Глушение радаров во время крупного солнечного события в 1942 году привело к открытию солнечных радиовсплесков, радиоволн в широком диапазоне частот, создаваемых солнечной вспышкой.
В 20 веке интерес к космической погоде возрос, поскольку военные и коммерческие системы стали зависеть от систем, на которые влияет космическая погода. Спутники связи являются важной частью мировой торговли. Системы метеорологических спутников предоставляют информацию о земной погоде. Сигналы со спутников глобальной системы позиционирования (GPS) используются в самых разных приложениях. Явления космической погоды могут мешать или повреждать эти спутники или мешать радиосигналам, с которыми они работают. Явления космической погоды могут вызывать разрушительные скачки напряжения в линиях передачи на большие расстояния и подвергать пассажиров и экипаж воздушных судов воздействию радиации , [3] [4], особенно на полярных маршрутах.
Международный геофизический год активизировал исследования космической погоды. Наземные данные, полученные во время МГГ, показали, что полярные сияния происходили в авроральном овале , постоянной области свечения от 15 до 25° по широте от магнитных полюсов и шириной от 5 до 20°. [5] В 1958 году спутник Explorer I обнаружил пояса Ван Аллена , [6] области частиц излучения, захваченных магнитным полем Земли. В январе 1959 года советский спутник Луна-1 впервые напрямую наблюдал солнечный ветер и измерил его силу. Меньший Международный гелиофизический год (МГГ) прошел в 2007–2008 годах.
В 1969 году INJUN-5 (или Explorer 40 [7] ) провел первое прямое наблюдение электрического поля, создаваемого солнечным ветром на высокоширотной ионосфере Земли. [8] В начале 1970-х годов данные Триады показали, что между авроральным овалом и магнитосферой протекают постоянные электрические токи. [9]
Термин «космическая погода» вошел в употребление в конце 1950-х годов, когда началась космическая эра, и спутники начали измерять космическую среду . [2] Термин вновь обрел популярность в 1990-х годах вместе с убеждением, что влияние космоса на человеческие системы требует более скоординированной исследовательской и прикладной структуры. [10]
Целью Национальной программы космической погоды США является сосредоточение исследований на потребностях затронутых коммерческих и военных сообществ, объединение исследовательских и пользовательских сообществ, создание координации между операционными центрами обработки данных и лучшее определение потребностей пользовательских сообществ. NOAA управляет Центром прогнозирования космической погоды Национальной метеорологической службы . [11]
Концепция была преобразована в план действий в 2000 году, [12] в план внедрения в 2002 году, в оценку в 2006 году [13] и в пересмотренный стратегический план в 2010 году. [14] Пересмотренный план действий планировалось выпустить в 2011 году, а затем пересмотренный план внедрения в 2012 году.
В Солнечной системе космическая погода находится под влиянием солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, переносимого плазмой солнечного ветра . С космической погодой связано множество физических явлений, включая геомагнитные бури и суббури , активизацию радиационных поясов Ван Аллена , ионосферные возмущения и мерцание спутниково-земных радиосигналов и сигналов дальних радаров, полярные сияния и геомагнитно-индуцированные токи на поверхности Земли. Корональные выбросы массы также являются важными факторами космической погоды, поскольку они могут сжимать магнитосферу и вызывать геомагнитные бури. Солнечные энергичные частицы (SEP), ускоренные корональными выбросами массы или солнечными вспышками, могут вызывать события солнечных частиц , критический фактор космической погоды, влияющий на человека, поскольку они могут повредить электронику на борту космического корабля (например, отказ Galaxy 15 ) и угрожать жизни астронавтов , а также увеличивать радиационную опасность для высотной, высокоширотной авиации.
Некоторые отказы космических аппаратов можно напрямую отнести к космической погоде; многие другие, как полагают, имеют компонент космической погоды. Например, 46 из 70 отказов, зарегистрированных в 2003 году, произошли во время геомагнитной бури в октябре 2003 года. Два наиболее распространенных неблагоприятных воздействия космической погоды на космические аппараты — это радиационное повреждение и зарядка космических аппаратов .
Радиация (частицы высокой энергии) проходит через обшивку космического корабля и попадает в электронные компоненты. В большинстве случаев радиация вызывает ошибочный сигнал или изменяет один бит в памяти электроники космического корабля ( однособытийные сбои ). В некоторых случаях радиация разрушает часть электроники ( однособытийное защелкивание ).
Зарядка космического корабля — это накопление электростатического заряда на непроводящем материале на поверхности космического корабля частицами с низкой энергией. Если заряда накопилось достаточно, происходит разряд (искра). Это может привести к обнаружению ошибочного сигнала и его обработке компьютером космического корабля. Недавнее исследование показало, что зарядка космического корабля является преобладающим эффектом космической погоды на космические корабли на геосинхронной орбите . [16]
Орбиты космических аппаратов на низкой околоземной орбите (НОО) снижаются на все более низкие высоты из-за сопротивления трения между поверхностью космического аппарата ( т. е . сопротивления) и внешним слоем атмосферы Земли (или термосферой и экзосферой). В конце концов, космический аппарат НОО падает с орбиты и движется к поверхности Земли. Многие космические аппараты, запущенные за последние несколько десятилетий, имеют возможность запускать небольшую ракету для управления своими орбитами. Ракета может увеличивать высоту, чтобы продлить срок службы, направлять повторный вход в атмосферу к определенному (морскому) месту или направлять спутник так, чтобы избежать столкновения с другими космическими аппаратами. Такие маневры требуют точной информации об орбите. Геомагнитная буря может вызвать изменение орбиты в течение нескольких дней, что в противном случае произошло бы в течение года или более. Геомагнитная буря добавляет тепла в термосферу, заставляя термосферу расширяться и подниматься, увеличивая сопротивление космического аппарата. Столкновение спутников Иридиум 33 и Космос 2251 в 2009 году продемонстрировало важность точного знания всех объектов на орбите. У Iridium 33 была возможность уйти с траектории движения Cosmos 2251 и избежать столкновения, если бы имелся достоверный прогноз столкновения.
Воздействие ионизирующего излучения на организм человека имеет одинаковые вредные последствия , независимо от того, является ли источником излучения медицинский рентгеновский аппарат , атомная электростанция или излучение в космосе. Степень вредного воздействия зависит от продолжительности воздействия и плотности энергии излучения . Постоянно присутствующие радиационные пояса простираются до высоты пилотируемых космических кораблей, таких как Международная космическая станция (МКС) и космический челнок , но величина воздействия находится в пределах допустимого предела воздействия на протяжении всей жизни при нормальных условиях. Во время крупного космического погодного явления, включающего всплеск SEP, поток может увеличиться на порядки. Области внутри МКС обеспечивают экранирование, которое может удерживать общую дозу в безопасных пределах. [17] Для космического челнока такое событие потребовало бы немедленного прекращения миссии.
Ионосфера изгибает радиоволны так же, как вода в бассейне изгибает видимый свет. Когда среда, через которую распространяются такие волны, нарушается, световое изображение или радиоинформация искажаются и могут стать неузнаваемыми. Степень искажения (мерцания) радиоволны ионосферой зависит от частоты сигнала. Радиосигналы в диапазоне VHF (от 30 до 300 МГц) могут быть искажены до неузнаваемости возмущенной ионосферой. Радиосигналы в диапазоне UHF (от 300 МГц до 3 ГГц) проходят через возмущенную ионосферу, но приемник может не успеть зафиксироваться на несущей частоте. GPS использует сигналы на частотах 1575,42 МГц (L1) и 1227,6 МГц (L2), которые могут быть искажены возмущенной ионосферой. Космические погодные явления, которые искажают сигналы GPS, могут существенно повлиять на общество. Например, широкополосная система усиления, эксплуатируемая Федеральным управлением гражданской авиации США (FAA), используется в качестве навигационного инструмента для североамериканской коммерческой авиации. Он отключается каждым крупным космическим погодным событием. Перебои могут длиться от нескольких минут до нескольких дней. Крупные космические погодные события могут сместить возмущенную полярную ионосферу на 10–30° широты к экватору и вызвать большие ионосферные градиенты (изменения плотности на расстоянии сотен км) на средних и низких широтах. Оба эти фактора могут искажать сигналы GPS.
Радиоволны в диапазоне HF (от 3 до 30 МГц) (также известном как диапазон коротких волн ) отражаются ионосферой. Поскольку земля также отражает волны HF, сигнал может передаваться вокруг кривизны Земли за пределами прямой видимости. В течение 20-го века связь HF была единственным способом связи для корабля или самолета вдали от суши или базовой станции. Появление таких систем, как Iridium, принесло другие методы связи, но HF остается критически важным для судов, которые не несут более нового оборудования, и как критически важная резервная система для других. События космической погоды могут создавать неровности в ионосфере, которые рассеивают сигналы HF вместо того, чтобы отражать их, препятствуя связи HF. В авроральных и полярных широтах небольшие явления космической погоды, которые часто происходят, нарушают связь HF. В средних широтах связь HF нарушается солнечными радиовсплесками, рентгеновскими лучами от солнечных вспышек (которые усиливают и нарушают слой D ионосферы) и усилениями и неровностями TEC во время крупных геомагнитных бурь.
Трансполярные маршруты авиалиний особенно чувствительны к космической погоде, отчасти потому, что Федеральные авиационные правила требуют надежной связи на протяжении всего полета. [18] Изменение такого рейса оценивается примерно в 100 000 долларов. [19]
Магнитосфера направляет космические лучи и солнечные энергетические частицы в полярные широты, в то время как высокоэнергетические заряженные частицы 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 измеримую радиацию. Все самолеты, летящие выше 8 км (26 200 футов) высоты, подвергаются воздействию этих частиц. Доза облучения больше в полярных регионах, чем в средних широтах и экваториальных регионах. Многие коммерческие самолеты пролетают над полярным регионом. Когда космическое погодное явление приводит к тому, что радиационное облучение превышает безопасный уровень, установленный авиационными властями, [20] траектория полета самолета изменяется.
Измерения радиационной обстановки на высотах коммерческих самолетов более 8 км (26 000 футов) исторически проводились с помощью приборов, которые регистрируют данные на борту, где данные затем обрабатываются на земле. Однако система измерений радиации в реальном времени на борту самолета была разработана в рамках программы NASA Automated Radiation Measurements for Aerospace Safety (ARMAS). [21] ARMAS выполнил сотни полетов с 2013 года, в основном на исследовательских самолетах, и отправил данные на землю через спутниковые каналы связи Iridium. Конечной целью этих типов измерений является ассимиляция данных в основанные на физике глобальные модели радиации, например, в систему NASA Nowcast of Atmospheric Ionizing Radiation System (NAIRAS), чтобы предоставить погоду радиационной обстановки, а не климатологию.
Активность магнитной бури может индуцировать геоэлектрические поля в проводящей литосфере Земли . [22] Соответствующие перепады напряжения могут проникать в электросети через заземляющие соединения , вызывая неконтролируемые электрические токи, которые мешают работе сети, повреждают трансформаторы, срабатывают защитные реле и иногда вызывают отключения электроэнергии. [23] Эта сложная цепочка причин и следствий была продемонстрирована во время магнитной бури в марте 1989 года , [24] которая вызвала полный крах электросети Hydro-Québec в Канаде, временно оставив девять миллионов человек без электричества. Возможное возникновение еще более интенсивной бури [25] привело к появлению эксплуатационных стандартов, призванных смягчить риски опасности индукции, в то время как перестраховочные компании заказали пересмотренные оценки рисков . [26]
Воздушные и судовые магнитные съемки могут быть затронуты быстрыми изменениями магнитного поля во время геомагнитных бурь. Такие бури вызывают проблемы интерпретации данных, поскольку изменения магнитного поля, связанные с космической погодой, по величине схожи с изменениями подповерхностного магнитного поля земной коры в районе съемки. Точные предупреждения о геомагнитных бурях, включая оценку величины и продолжительности бури, позволяют экономно использовать оборудование для съемки.
По экономическим и другим причинам добыча нефти и газа часто включает горизонтальное бурение скважинных траекторий на расстоянии многих километров от одного устья скважины. Требования к точности строгие 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 является дорогостоящим, так как он может остановить бурение на несколько часов. Альтернативой является использование магнитной съемки, которая позволяет проводить измерения во время бурения (MWD) . Магнитные данные в режиме, близком к реальному времени, могут использоваться для корректировки направления бурения. [27] [28] Магнитные данные и прогнозы космической погоды могут помочь прояснить неизвестные источники ошибок бурения.
Количество энергии, поступающей в тропосферу и стратосферу от явлений космической погоды, незначительно по сравнению с солнечной инсоляцией в видимой и инфракрасной частях солнечного электромагнитного спектра. Хотя и утверждалась некоторая связь между 11-летним циклом солнечных пятен и климатом Земли [29] , это никогда не было подтверждено. Например, минимум Маундера , 70-летний период, почти лишенный солнечных пятен, часто предполагался как коррелирующий с более прохладным климатом, но эти корреляции исчезли после более глубоких исследований. Предполагаемая связь между изменениями потока космических лучей, вызывающими изменения в количестве образования облаков [30], не выдержала научных проверок. Другое предположение о том, что изменения в потоке экстремального ультрафиолета (EUV) тонко влияют на существующие движущие силы климата и нарушают баланс между событиями Эль-Ниньо / Ла-Нинья [31], рухнуло, когда новые исследования показали, что это невозможно. Таким образом, связь между космической погодой и климатом не была продемонстрирована.
Кроме того, была высказана мысль о связи между заряженными частицами высокой энергии (такими как SEP и космические лучи ) и образованием облаков . Это происходит потому, что заряженные частицы взаимодействуют с атмосферой, образуя летучие вещества , которые затем конденсируются, создавая семена облаков . [32] Это тема текущих исследований в ЦЕРНе , где эксперименты проверяют влияние заряженных частиц высокой энергии на атмосферу. [33] Если это будет доказано, это может указывать на связь между космической погодой (в форме событий солнечных частиц ) и образованием облаков. [34]
Совсем недавно была обнаружена статистическая связь между возникновением сильных наводнений и приходом высокоскоростных потоков солнечного ветра (HSS). Усиленное депонирование энергии полярных сияний во время HSS предлагается как механизм генерации распространяющихся вниз атмосферных гравитационных волн (AGW). Когда AGW достигают нижних слоев атмосферы , они могут возбуждать условную неустойчивость в тропосфере , что приводит к чрезмерному выпадению осадков. [35]
Наблюдение за космической погодой проводится как для научных исследований, так и для приложений. Научные наблюдения развивались вместе с уровнем знаний, в то время как прикладные наблюдения расширялись благодаря возможности использования таких данных.
Мониторинг космической погоды осуществляется на уровне Земли путем наблюдения за изменениями магнитного поля Земли в течение периодов от нескольких секунд до нескольких дней, путем наблюдения за поверхностью Солнца и путем наблюдения за радиошумами, создаваемыми в атмосфере Солнца.
Число солнечных пятен (SSN) — это число солнечных пятен на фотосфере Солнца в видимом свете на стороне Солнца, видимой наблюдателю с Земли. Число и общая площадь солнечных пятен связаны с яркостью Солнца в EUV и рентгеновских частях солнечного спектра и с солнечной активностью, такой как солнечные вспышки и выбросы корональной массы.
Радиопоток 10,7 см (F10.7) является измерением радиочастотного излучения Солнца и примерно коррелирует с солнечным потоком EUV. Поскольку это радиочастотное излучение легко получить с земли, а поток EUV — нет, это значение измеряется и распространяется непрерывно с 1947 года. Мировые стандартные измерения проводятся Радиоастрофизической обсерваторией Доминиона в Пентиктоне, Британская Колумбия, Канада, и сообщаются один раз в день в местный полдень [36] в единицах солнечного потока (10−22 Вт ·м −2 ·Гц −1 ). F10.7 архивируется Национальным центром геофизических данных. [37]
Фундаментальные данные мониторинга космической погоды предоставляются наземными магнитометрами и магнитными обсерваториями. Магнитные бури были впервые обнаружены путем наземного измерения случайных магнитных возмущений. Данные наземных магнитометров обеспечивают ситуационную осведомленность в реальном времени для анализа событий. Магнитные обсерватории непрерывно работают в течение десятилетий или столетий, предоставляя данные для информирования исследований долгосрочных изменений в космической климатологии. [38] [39]
Индекс времени возмущения шторма (индекс Dst) представляет собой оценку изменения магнитного поля на магнитном экваторе Земли из-за кольца электрического тока на геосинхронной орбите и непосредственно в направлении к земле . [40] Индекс основан на данных четырех наземных магнитных обсерваторий между 21° и 33° магнитной широты в течение одного часа. Станции, расположенные ближе к магнитному экватору, не используются из-за ионосферных эффектов. Индекс Dst составляется и архивируется Всемирным центром данных по геомагнетизму, Киото. [41]
Индекс Kp/ap : «a» — индекс, созданный на основе геомагнитного возмущения в одной среднеширотной (40°–50° широты) геомагнитной обсерватории в течение 3-часового периода. «K» — квазилогарифмический аналог индекса «a». Kp и ap — это среднее значение K и более 13 геомагнитных обсерваторий для представления планетарных геомагнитных возмущений. Индекс Kp/ap [42] указывает как на геомагнитные бури, так и на суббури (авроральное возмущение). Данные Kp/ap доступны с 1932 года.
Индекс AE составляется на основе геомагнитных возмущений в 12 геомагнитных обсерваториях в авроральных зонах и вблизи них и регистрируется с интервалом в 1 минуту. [41] Публичный индекс AE доступен с задержкой в два-три дня, что ограничивает его полезность для приложений космической погоды. Индекс AE указывает интенсивность геомагнитных суббурь, за исключением периода крупной геомагнитной бури, когда авроральные зоны расширяются в сторону экватора от обсерваторий.
Радиошумовые всплески сообщаются сетью радиотелескопов Solar Telescope Network в ВВС США и NOAA. Радиошумовые всплески связаны с плазмой солнечной вспышки, которая взаимодействует с окружающей солнечной атмосферой.
Фотосфера Солнца постоянно наблюдается [43] на предмет активности, которая может быть предшественником солнечных вспышек и корональных выбросов массы. Проект Global Oscillation Network Group (GONG) [44] отслеживает как поверхность, так и внутреннюю часть Солнца, используя гелиосейсмологию , изучение звуковых волн, распространяющихся через Солнце и наблюдаемых в виде ряби на солнечной поверхности. GONG может обнаруживать группы солнечных пятен на дальней стороне Солнца. Эта способность недавно была 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 вызывают ливень частиц с более низкой энергией, спускающийся в атмосферу и на уровень земли. Присутствие космических лучей в околоземном космическом пространстве можно обнаружить путем мониторинга нейтронов высокой энергии на уровне земли. Небольшие потоки космических лучей присутствуют постоянно. Большие потоки производятся Солнцем во время событий, связанных с энергичными солнечными вспышками.
Общее электронное содержание (TEC) является мерой ионосферы над заданным местоположением. TEC — это число электронов в столбе размером один квадратный метр от основания ионосферы (высота около 90 км) до вершины ионосферы (высота около 1000 км). Многие измерения TEC производятся путем мониторинга двух частот, передаваемых космическими аппаратами GPS . В настоящее время GPS TEC отслеживается и распространяется в режиме реального времени с более чем 360 станций, поддерживаемых агентствами во многих странах.
Геоэффективность — это мера того, насколько сильно магнитные поля космической погоды, такие как выбросы корональной массы, взаимодействуют с магнитным полем Земли. Это определяется направлением магнитного поля, удерживаемого в плазме, которая исходит от Солнца. Разрабатываются новые методы измерения вращения Фарадея в радиоволнах для измерения направления поля. [45] [46]
Множество исследовательских космических аппаратов исследовали космическую погоду. [47] [48] [49] [50] Серия Orbiting Geophysical Observatory была одним из первых космических аппаратов с миссией анализа космической среды. Последние космические аппараты включают пару космических аппаратов NASA-ESA Solar-Terrestrial Relations Observatory (STEREO), запущенных в 2006 году на солнечную орбиту, и зонды Van Allen , запущенные в 2012 году на высокоэллиптичную околоземную орбиту. Два космических аппарата STEREO удаляются от Земли примерно на 22° в год, один опережает, а другой отстает от Земли на ее орбите. Вместе они собирают информацию о поверхности и атмосфере Солнца в трех измерениях. Зонды Van Allen регистрируют подробную информацию о радиационных поясах, геомагнитных бурях и взаимосвязи между ними.
Некоторые космические аппараты с другими основными задачами несли вспомогательные приборы для наблюдения за Солнцем. Среди самых ранних таких космических аппаратов были серии Applications Technology Satellite [51] (ATS) на GEO, которые были предшественниками современных метеорологических спутников Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) и многих спутников связи. Космические аппараты ATS несли датчики частиц окружающей среды в качестве вспомогательных полезных нагрузок и имели свой навигационный датчик магнитного поля, используемый для зондирования окружающей среды.
Многие из ранних инструментов были исследовательскими космическими аппаратами, которые были перепрофилированы для приложений космической погоды. Одним из первых из них был IMP-8 (Interplanetary Monitoring Platform). [52] Он вращался вокруг Земли на расстоянии 35 земных радиусов и наблюдал за солнечным ветром в течение двух третей своих 12-дневных орбит с 1973 по 2006 год. Поскольку солнечный ветер несет возмущения, которые влияют на магнитосферу и ионосферу, IMP-8 продемонстрировал полезность непрерывного мониторинга солнечного ветра. За IMP-8 последовал ISEE-3 , который был помещен вблизи точки Лагранжа L 1 Солнце-Земля , в 235 радиусах Земли над поверхностью (около 1,5 млн км или 924 000 миль), и непрерывно следил за солнечным ветром с 1978 по 1982 год. Следующим космическим аппаратом, следившим за солнечным ветром в точке L 1, был WIND с 1994 по 1998 год. После апреля 1998 года орбита космического аппарата WIND была изменена, чтобы он облетал Землю и иногда проходил через точку L 1. NASA Advanced Composition Explorer следит за солнечным ветром в точке L 1 с 1997 года по настоящее время.
Помимо мониторинга солнечного ветра, мониторинг Солнца важен для космической погоды. Поскольку солнечный EUV невозможно контролировать с Земли, был запущен совместный космический аппарат NASA - ESA Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), который предоставляет солнечные EUV-изображения, начиная с 1995 года. SOHO является основным источником данных о Солнце в режиме, близком к реальному времени, как для исследований, так и для прогнозирования космической погоды и вдохновил миссию STEREO . Космический аппарат Yohkoh на LEO 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 с Yohkoh вдохновили Solar X-ray Imager на GOES.
Космические аппараты с приборами, чьей основной целью является предоставление данных для прогнозов и приложений космической погоды, включают серию космических аппаратов Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES), серии POES , серии DMSP и серии Meteosat . Космические аппараты GOES несли рентгеновский датчик (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 изображений (SXI) с 2004 года, магнитометр, который измеряет искажения магнитного поля Земли из-за космической погоды, датчик EUV 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 с 2015 года, поколение космических аппаратов GOES-R заменит SXI на солнечный EUV-снимок (SUVI), аналогичный тому, что установлен на SOHO и STEREO , а датчик частиц будет дополнен компонентом для расширения энергетического диапазона до 30 эВ.
Спутник Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) — это спутник NOAA для наблюдения за Землей и космической погодой, запущенный в феврале 2015 года. Среди его функций — заблаговременное предупреждение о выбросах корональной массы. [53]
Модели космической погоды — это симуляции космической погодной среды. Модели используют наборы математических уравнений для описания физических процессов.
Эти модели берут ограниченный набор данных и пытаются описать всю или часть космической погодной среды или предсказать, как погода развивается 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 учета как можно большего количества 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 входных данных значительно меньше.
Значительная часть исследований и разработок моделей космической погоды за последние два десятилетия была выполнена в рамках программы Geospace Environmental Model (GEM) Национального научного фонда . Два основных центра моделирования — это Центр моделирования космической среды (CSEM) [54] и Центр комплексного моделирования космической погоды (CISM). [55] Центр координированного моделирования сообщества [56] (CCMC) в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА — это учреждение для координации разработки и тестирования исследовательских моделей, для улучшения и подготовки моделей для использования в прогнозировании и применении космической погоды. [57]
Методы моделирования включают в себя (a) магнитогидродинамику , в которой окружающая среда рассматривается как жидкость, (b) частицу в ячейке, в которой нежидкостные взаимодействия обрабатываются внутри ячейки, а затем ячейки соединяются для описания окружающей среды, (c) первые принципы, в которых физические процессы находятся в равновесии (или балансе) друг с другом, (d) полустатическое моделирование, в котором описывается статистическая или эмпирическая связь, или комбинация нескольких методов.
В течение первого десятилетия 21-го века появился коммерческий сектор, который занимался космической погодой, обслуживая агентства, академические круги, коммерческий и потребительский секторы. [58] Поставщики космической погоды, как правило, являются небольшими компаниями или небольшими подразделениями в составе более крупной компании, которые предоставляют данные о космической погоде, модели, производные продукты и распределение услуг. [ необходима ссылка ]
Коммерческий сектор включает научных и инженерных исследователей, а также пользователей. Деятельность в первую очередь направлена на воздействие космической погоды на технологии. К ним относятся, например:
Многие из этих нарушений приводят к социальным последствиям, которые составляют значительную часть национального ВВП. [61] [62]
Концепция стимулирования коммерческой космической погоды была впервые предложена в идее Зоны экономических инноваций космической погоды, обсуждавшейся Американской ассоциацией коммерческой космической погоды (ACSWA) в 2015 году. Создание этой зоны экономических инноваций будет стимулировать расширение экономической деятельности по разработке приложений для управления рисками космической погоды и будет стимулировать более широкую исследовательскую деятельность, связанную с космической погодой, со стороны университетов. Это может стимулировать инвестиции американского бизнеса в услуги и продукты космической погоды. Это способствовало поддержке инноваций американского бизнеса в услугах и продуктах космической погоды, требуя от правительства США закупок американского коммерческого оборудования, программного обеспечения и связанных с ним продуктов и услуг, если ранее не существовало подходящих государственных возможностей. Это также способствовало продажам американского коммерческого оборудования, программного обеспечения и связанных с ним продуктов и услуг международным партнерам. обозначить американское коммерческое оборудование, услуги и продукты как виды деятельности «Зоны экономических инноваций космической погоды»; Наконец, это рекомендовало, чтобы американское коммерческое оборудование, услуги и продукты отслеживались как вклады Американской экономической инновации космической погоды в отчетах агентства. В 2015 году законопроект Конгресса США HR1561 обеспечил основу, где социальные и экологические последствия от Зоны экономических инноваций космической погоды могут быть далеко идущими. В 2016 году был представлен Закон об исследованиях и прогнозировании космической погоды (S. 2817), чтобы развить это наследие. Позже, в 2017-2018 годах, законопроект HR3086 взял эти концепции, включил широкий спектр материалов из параллельных исследований агентства в рамках спонсируемой OSTP Программы действий по космической погоде (SWAP), [63] и при двухпалатной и двухпартийной поддержке 116-й Конгресс (2019) рассматривает принятие Закона о координации космической погоды (S141, 115-й Конгресс). [ необходима ссылка ]
29 апреля 2010 года коммерческое сообщество космической погоды создало Американскую ассоциацию коммерческой космической погоды (ACSWA) — отраслевую ассоциацию. ACSWA содействует снижению рисков космической погоды для национальной инфраструктуры, экономической мощи и национальной безопасности. Она стремится: [64]
Краткое описание широких технических возможностей ассоциации в области космической погоды можно найти на ее веб-сайте http://www.acswa.us.
Космическая погода описывает условия в космосе, которые влияют на Землю и ее технологические системы. Наша космическая погода является следствием поведения Солнца, природы магнитного поля Земли и нашего местоположения в солнечной системе
