Космическая погода — это раздел космической физики и аэрономии , или гелиофизики , изучающий изменяющиеся условия в Солнечной системе и ее гелиосфере . Сюда входит воздействие солнечного ветра , особенно на магнитосферу , ионосферу , термосферу и экзосферу Земли . [1] Несмотря на физические различия, космическая погода аналогична земной погоде в атмосфере Земли ( тропосфере и стратосфере ). Термин «космическая погода» впервые был использован в 1950-х годах и популяризирован в 1990-х годах. [2] Позже это послужило толчком к исследованию « космического климата », крупномасштабных и долгосрочных моделей космической погоды.
На протяжении многих столетий эффекты космической погоды были замечены, но не поняты. Проявления полярного сияния уже давно наблюдаются в высоких широтах.
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 объяснен Бальфуром Стюартом в 1882 году верхними электрическими токами, текущими 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 геомагнитных бурь на Земле коррелирует с количеством солнечных пятен , продемонстрировав новое солнечно-земное взаимодействие. Солнечная буря 1859 года вызвала яркие полярные сияния и нарушила работу глобального телеграфа . Ричард Кэррингтон правильно связал шторм с солнечной вспышкой , которую он наблюдал накануне возле большой группы солнечных пятен, продемонстрировав, что определенные солнечные события могут повлиять на Землю.
Кристиан Биркеланд объяснил физику полярных сияний, создав искусственные полярные сияния в своей лаборатории, и предсказал солнечный ветер.
Внедрение радио показало, что солнечная погода может вызвать сильные статические помехи или шум. Подавление 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 расширился, поскольку военные и коммерческие системы стали зависеть от систем, на которые влияет космическая погода. Спутники связи являются жизненно важной частью глобальной торговли. Метеорологические спутниковые системы предоставляют информацию о земной погоде. Сигналы спутников глобальной системы позиционирования (GPS) используются в самых разных приложениях. Явления космической погоды могут создавать помехи или повредить эти спутники, а также создавать помехи для радиосигналов, с которыми они работают. Явления космической погоды могут вызывать разрушительные скачки напряжения в линиях электропередачи на большие расстояния и подвергать пассажиров и экипаж летающих самолетов воздействию радиации , [3] [4], особенно на полярных маршрутах.
Международный геофизический год расширил исследования космической погоды. Наземные данные, полученные во время МГГ, показали, что полярные сияния возникали в авроральном овале — постоянной области свечения от 15 до 25° по широте от магнитных полюсов и от 5 до 20° в ширину. [5] В 1958 году спутник «Эксплорер I» обнаружил пояса Ван Аллена , [6] области радиационных частиц, захваченных магнитным полем Земли. В январе 1959 года советский спутник «Луна-1» впервые непосредственно наблюдал солнечный ветер и измерил его силу. Меньший по размеру Международный гелиофизический год (IHY) состоялся в 2007–2008 годах.
В 1969 году INJUN-5 (или Explorer 40 [7] ) совершил первое прямое наблюдение электрического поля, создаваемого солнечным ветром в высокоширотной ионосфере Земли. [8] В начале 1970-х годов данные Триады показали, что между авроральным овалом и магнитосферой текли 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] Этот термин вновь обрел популярность в 1990-х годах вместе с верой в то, что воздействие космоса на человеческие системы требует более скоординированных исследований и прикладных рамок. [10]
Цель Национальной программы космической погоды США — сосредоточить исследования на потребностях затронутых коммерческих и военных сообществ, соединить исследовательские сообщества и сообщества пользователей, обеспечить координацию между оперативными центрами обработки данных и лучше определить потребности сообщества пользователей. NOAA управляет Центром прогнозирования космической погоды Национальной метеорологической службы . [11]
Концепция была преобразована в план действий в 2000 году, [12] план реализации в 2002 году, оценку в 2006 году [13] и пересмотренный стратегический план в 2010 году. [14] Пересмотренный план действий планировалось опубликовать в 2011 году, а затем пересмотренным планом реализации в 2012 году.
В Солнечной системе на космическую погоду влияют солнечный ветер и межпланетное магнитное поле, переносимое плазмой солнечного ветра . С космической погодой связано множество физических явлений, включая геомагнитные бури и суббури , возбуждение радиационных поясов Ван Аллена , ионосферные возмущения и мерцание радиосигналов спутник-земля и радиолокационных сигналов дальнего действия, полярные сияния и геомагнитно-индуцированные токи. у поверхности Земли. Корональные выбросы массы также являются важным фактором космической погоды, поскольку они могут сжимать магнитосферу и вызывать геомагнитные бури. Солнечные энергетические частицы (SEP), ускоренные выбросами корональной массы или солнечными вспышками, могут вызвать события, связанные с солнечными частицами , которые являются критическим фактором воздействия космической погоды на человека, поскольку они могут повредить электронику на борту космического корабля (например, отказ Galaxy 15 ) и поставить под угрозу жизнь астронавтов . а также повысить радиационную опасность для высотной, высокоширотной авиации.
Некоторые неисправности космических кораблей можно напрямую объяснить космической погодой; Считается, что многие другие имеют компонент космической погоды. Например, 46 из 70 сбоев, зарегистрированных в 2003 году, произошли во время геомагнитной бури в октябре 2003 года. Двумя наиболее распространенными неблагоприятными последствиями космической погоды для космических кораблей являются радиационное повреждение и заряд космического корабля .
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 памяти электроники космического корабля ( единичные сбои ). В некоторых случаях излучение разрушает часть электроники ( однократное запирание ).
Зарядка космического корабля — это накопление электростатического заряда на непроводящем материале на поверхности космического корабля частицами низкой энергии. Если накоплен достаточный заряд, происходит разряд (искра). Это может привести к обнаружению ошибочного сигнала и обработке его компьютером космического корабля. Недавнее исследование показало, что зарядка космического корабля является основным воздействием космической погоды на космический корабль на геостационарной орбите . [16]
Орбиты космических аппаратов на низкой околоземной орбите (НОО) затухают на все более низкие высоты из-за сопротивления трения между поверхностью космического корабля ( т . е. сопротивления) и внешним слоем атмосферы Земли (или термосферой и экзосферой). В конце концов космический корабль LEO падает с орбиты и приближается к поверхности Земли. Многие космические корабли, запущенные за последние несколько десятилетий, имеют возможность запускать небольшие ракеты для управления своей орбитой. Ракета может увеличивать высоту, чтобы продлить срок службы, направить вход в атмосферу к определенному (морскому) месту или направить спутник так, чтобы избежать столкновения с другими космическими кораблями. Такие маневры требуют точной информации об орбите. Геомагнитная буря может вызвать изменение орбиты за несколько дней, которое в противном случае произошло бы в течение года или более. Геомагнитная буря нагревает термосферу, заставляя ее расширяться и подниматься, увеличивая сопротивление космического корабля. Столкновение спутников «Иридиум-33» и «Космос-2251» в 2009 году продемонстрировало важность точного знания всех объектов на орбите. «Иридиум-33» имел возможность уйти с пути « Космоса 2251» и мог бы избежать крушения, если бы было доступно достоверное предсказание столкновения.
Воздействие ионизирующего излучения на организм человека 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 длительности воздействия и плотности энергии излучения . Вездесущие радиационные пояса простираются до высоты космических кораблей с экипажем, таких как Международная космическая станция (МКС) и космический челнок , но степень облучения находится в пределах допустимого предела облучения в течение всей жизни при нормальных условиях. Во время крупного явления космической погоды, включающего всплеск SEP, поток может увеличиться на порядки. Зоны внутри МКС обеспечивают защиту, позволяющую удерживать общую дозу в безопасных пределах. [17] Для космического корабля «Шаттл» такое событие потребовало бы немедленного прекращения миссии.
Ионосфера искривляет радиоволны так же, как вода в бассейне искривляет 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 УКВ (от 30 до 300 МГц) могут быть искажены до неузнаваемости возмущенной ионосферой. Радиосигналы в диапазоне УВЧ (от 300 МГц до 3 ГГц) проходят через возмущенную ионосферу, но приемник может оказаться не в состоянии синхронизироваться с несущей частотой. 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, глобальная система дополнений, управляемая Федеральным управлением гражданской авиации США (FAA), используется в качестве навигационного инструмента для коммерческой авиации Северной Америки. Он отключается при каждом крупном событии космической погоды. Отключения могут варьироваться от минут до дней. Крупные явления космической погоды могут сдвинуть нарушенную полярную ионосферу на 10–30° широты к экватору и вызвать большие ионосферные градиенты (изменения плотности на расстоянии в сотни километров) на средних и низких широтах. Оба эти фактора могут искажать сигналы GPS.
Радиоволны в диапазоне ВЧ (от 3 до 30 МГц) (также известном как коротковолновый диапазон) отражаются от ионосферы. Поскольку земля также отражает ВЧ-волны, сигнал может передаваться по всей кривизне Земли за пределы прямой видимости. В 20 веке ВЧ-связь была единственным способом связи корабля или самолета вдали от земли или базовой станции. Появление таких систем, как Iridium, привело к появлению других методов связи, но ВЧ остается критически важным для судов, не имеющих нового оборудования, а также в качестве критически важной резервной системы для других. События космической погоды могут создавать неоднородности в ионосфере, которые рассеивают ВЧ-сигналы, а не отражают их, препятствуя ВЧ-связи. В авроральных и полярных широтах небольшие явления космической погоды часто нарушают ВЧ-связь. В средних широтах ВЧ-связь нарушается из-за всплесков солнечного радиоизлучения, рентгеновских лучей от солнечных вспышек (которые усиливают и нарушают D-слой ионосферы), а также из-за повышения ПЭС и неравномерностей во время крупных геомагнитных бурь.
Трансполярные авиалинии особенно чувствительны к космической погоде, отчасти потому, что федеральные авиационные правила требуют надежной связи на протяжении всего полета. [18] Изменение направления такого рейса оценивается примерно в 100 000 долларов США. [19]
Магнитосфера переносит космические лучи и солнечные энергетические частицы к полярным широтам, а заряженные частицы высоких энергий попадают в мезосферу, стратосферу и тропосферу. Эти энергичные частицы в верхних слоях атмосферы разрушают атмосферные атомы и молекулы, создавая вредные частицы с более низкой энергией, которые проникают глубоко в атмосферу и создают измеримое излучение. Все самолеты, летающие на высоте более 8 км (26 200 футов), подвергаются воздействию этих частиц. Доза воздействия больше в полярных регионах, чем в средних широтах и экваториальных регионах. Многие коммерческие самолеты летают над полярным регионом. Когда событие космической погоды приводит к тому, что радиационное воздействие превышает безопасный уровень, установленный авиационными властями, [20] траектория полета самолета изменяется.
Измерения радиационной обстановки на высотах коммерческих самолетов выше 8 км (26 000 футов) исторически проводились с помощью приборов, которые записывают данные на борту, где данные затем обрабатываются на земле. Однако система измерения радиации на борту самолетов в реальном времени была разработана в рамках программы НАСА по автоматическим измерениям радиации для аэрокосмической безопасности (ARMAS). [21] С 2013 года ARMAS совершила сотни полетов, в основном на исследовательских самолетах, и отправляла данные на землю через спутниковую связь Iridium. Конечная цель этих типов измерений состоит в том, чтобы ассимилировать данные в основанные на физике глобальные радиационные модели, например, в систему текущего прогноза атмосферного ионизирующего излучения НАСА (NAIRAS), чтобы получить информацию о погоде радиационной среды, а не о климатологии.
Активность магнитных бурь может индуцировать геоэлектрические поля в проводящей литосфере Земли . [22] Соответствующие перепады напряжения могут попасть в электрические сети через заземляющие соединения , создавая неконтролируемые электрические токи, которые мешают работе сети, повреждают трансформаторы, отключают 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 привела к полному разрушению электроэнергетической сети Гидро-Квебека в Канаде, временно оставив девять миллионов человек без электричества. Возможное возникновение еще более сильного шторма [25] привело к принятию операционных стандартов, призванных смягчить риски индукционной опасности, в то время как перестраховочные компании заказали пересмотренные оценки рисков . [26]
На магнитные исследования с воздуха и кораблей 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, по величине аналогичны изменениям магнитного поля подземной коры в районе исследований. Точные предупреждения о геомагнитных штормах, включая оценку силы и продолжительности штормов, позволяют экономно использовать исследовательское оборудование.
По экономическим и другим причинам добыча нефти и газа часто предполагает горизонтальное бурение траекторий скважин на многие километры от одного устья. Требования к точности строгие из-за размера объекта (резервуары могут иметь диаметр от нескольких десятков до сотен метров) и безопасности из-за близости других скважин. Самый точный гироскопический метод стоит дорого, так как может остановить сверление на несколько часов. Альтернативой является использование магнитной съемки, которая позволяет проводить измерения во время бурения (MWD) . Магнитные данные практически в реальном времени могут использоваться для корректировки направления бурения. [27] [28] Магнитные данные и прогнозы космической погоды могут помочь прояснить неизвестные источники ошибок при бурении.
Количество энергии, поступающей в тропосферу и стратосферу в результате явлений космической погоды, незначительно по сравнению с солнечной инсоляцией в видимой и инфракрасной частях солнечного электромагнитного спектра. Хотя утверждалось, что существует некоторая связь между 11-летним циклом солнечных пятен и климатом Земли , [29] это никогда не проверялось. 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. Предполагаемая связь между изменениями потока космических лучей вызывает изменения в количестве образования облаков. [30] не выдержали научных испытаний. Другое предположение заключается в том, что вариации потока EUV тонко влияют на существующие факторы климата и нарушают баланс между явлениями Эль-Ниньо и Ла-Нинья . [31] потерпели крах, когда новые исследования показали, что это невозможно. Таким образом, связь между космической погодой и климатом не была продемонстрирована.
Кроме того, была предложена связь 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, образуя зародыши 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, связанных с солнечными частицами ) и образованием облаков. [34]
Совсем недавно сообщалось о статистической связи между возникновением сильных наводнений и приходом высокоскоростных потоков солнечного ветра (HSS). Усиленное энерговыделение полярных сияний во время HSS предполагается как механизм генерации нисходящих атмосферных гравитационных волн (АГВ). Когда АГВ достигают нижних слоев атмосферы , они могут вызвать условную нестабильность в тропосфере , что приведет к чрезмерным дождям. [35]
Наблюдения за космической погодой проводятся как для научных исследований, так и для прикладных целей. Научное наблюдение развивалось вместе с уровнем знаний, а прикладное наблюдение расширялось благодаря возможности использования таких данных.
Космическая погода контролируется на уровне земли путем наблюдения за изменениями магнитного поля Земли в течение периодов от секунд до дней, путем наблюдения за поверхностью Солнца и путем наблюдения за радиошумом, создаваемым в атмосфере Солнца.
Число солнечных пятен (SSN) — это количество солнечных пятен на фотосфере Солнца в видимом свете на той стороне Солнца, которая видна земному наблюдателю. 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 выбросы корональной массы.
Радиопоток 10,7 см (F10.7) представляет собой измерение радиочастотного излучения Солнца и примерно коррелирует с солнечным потоком EUV. Поскольку это радиочастотное излучение легко получить от 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 заархивирован Национальным центром геофизических данных. [37]
Фундаментальные данные мониторинга космической погоды предоставляются наземными магнитометрами и магнитными обсерваториями. Магнитные бури были впервые обнаружены путем наземных измерений случайных магнитных возмущений. Данные наземного магнитометра обеспечивают осведомленность о ситуации в реальном времени для анализа после события. Магнитные обсерватории непрерывно работают на протяжении десятилетий и столетий, предоставляя данные для изучения долгосрочных изменений в космической климатологии. [38] [39]
Индекс времени возмущения бури (Dst-индекс) представляет собой оценку изменения магнитного поля на магнитном экваторе Земли из-за кольца электрического тока на геосинхронной орбите и непосредственно к ней . [40] Индекс основан на данных четырех наземных магнитных обсерваторий между 21° и 33° магнитной широты за часовой период. Станции, расположенные ближе к магнитному экватору, не используются из-за ионосферных эффектов. Индекс Dst составляется и архивируется Всемирным центром данных по геомагнетизму в Киото. [41]
Индекс Kp/ap : «a» — это индекс, созданный на основе геомагнитного возмущения в одной геомагнитной обсерватории средней широты (от 40 ° до 50 ° широты) в течение 3-часового периода. «К» — это квазилогарифмический аналог индекса «а». Kp и ap — это средние значения K и данных более чем 13 геомагнитных обсерваторий, отражающие общепланетарные геомагнитные возмущения. Индекс Kp/ap [42] указывает как на геомагнитные бури, так и на суббури (авроральное возмущение). Данные Kp/ap доступны начиная 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 на интенсивность геомагнитных суббурь, за исключением сильной геомагнитной бури, когда зоны полярных сияний расширяются к экватору от обсерваторий.
Сеть радиосолнечных телескопов сообщает о всплесках радиошума ВВС США и НОАА. Радиовсплески связаны с плазмой солнечных вспышек, которая взаимодействует с окружающей солнечной атмосферой.
За фотосферой Солнца постоянно наблюдают [43] на предмет активности, которая может быть предвестником солнечных вспышек и КВМ. Проект Global Oscillation Network Group (GONG) [44] контролирует как поверхность, так и внутреннюю часть Солнца, используя гелиосейсмологию — исследование звуковых волн, распространяющихся через Солнце и наблюдаемых в виде ряби на солнечной поверхности. GONG может обнаруживать группы солнечных пятен на обратной стороне Солнца. Эта способность недавно была подтверждена визуальными наблюдениями с космического корабля STEREO .
Нейтронные мониторы на Земле косвенно контролируют космические лучи от Солнца и галактических источников. Когда космические лучи взаимодействуют с атмосферой, происходят атомные взаимодействия, в результате которых поток частиц с более низкой энергией опускается в атмосферу и на уровень земли. Наличие космических лучей в околоземном космическом пространстве можно обнаружить путем мониторинга нейтронов высоких энергий на уровне Земли. Небольшие потоки космических лучей присутствуют постоянно. Большие потоки производятся Солнцем во время событий, связанных с энергичными солнечными вспышками.
Общее содержание электронов (TEC) — это мера ионосферы в данном месте. ПЭС — это количество электронов в столбе площадью один квадратный метр от основания ионосферы (высота около 90 км) до верха ионосферы (высота около 1000 км). Многие измерения ПЭС проводятся путем мониторинга двух частот, передаваемых космическим аппаратом GPS . В настоящее время данные GPS TEC отслеживаются и распространяются 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, удерживаемого внутри плазмы, исходящей от Солнца. В настоящее время разрабатываются новые методы измерения фарадеевского вращения в радиоволнах для измерения направления поля. [45] [46]
Множество исследовательских космических кораблей исследовали космическую погоду. [47] [48] [49] [50] Серия Орбитальных геофизических обсерваторий была среди первых космических аппаратов с миссией анализа космической среды. Среди последних космических аппаратов — пара космических аппаратов NASA-ESA Solar-Terrestrial Relations Observatory (STEREO), запущенная в 2006 году на солнечную орбиту, и зонды Ван Аллена , запущенные в 2012 году на высокоэллиптическую околоземную орбиту. Два космических корабля STEREO удаляются от Земли примерно на 22° в год, один опережает Землю на ее орбите, а другой следует за ней. Вместе они собирают информацию о солнечной поверхности и атмосфере в трех измерениях. Зонды Ван Аллена записывают подробную информацию о радиационных поясах, геомагнитных бурях и взаимосвязи между ними.
Некоторые космические корабли, выполняющие другие основные миссии, имеют вспомогательные инструменты для наблюдения за Солнцем. Среди первых таких космических аппаратов была серия спутников прикладных технологий [51] (ATS) на GEO, которые были предшественниками современного метеорологического спутника геостационарного оперативного спутника окружающей среды (GOES) и многих спутников связи. Космический корабль ATS нес датчики частиц окружающей среды в качестве вспомогательной полезной нагрузки, а навигационный датчик магнитного поля использовался для измерения окружающей среды.
Многие из первых инструментов представляли собой исследовательские космические корабли, которые были перепрофилированы для применения в космической погоде. Одной из первых из них стала IMP-8 (Платформа межпланетного мониторинга). [52] Он вращался вокруг Земли по 35 радиусам Земли и наблюдал солнечный ветер на протяжении двух третей своих 12-дневных витков 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 размещен вблизи точки Лагранжа L 1 Солнце-Земля , в 235 радиусах Земли над поверхностью (около 1,5 миллиона км, или 924 000 миль) и непрерывно отслеживал солнечный ветер с 1978 по 1982 год. Следующим космическим кораблем, наблюдавшим 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 она вращалась вокруг Земли и время от времени проходила через точку L 1 . NASA Advanced Composition Explorer отслеживает солнечный ветер в точке L 1 с 1997 года по настоящее время.
Помимо мониторинга солнечного ветра, мониторинг Солнца важен для космической погоды. Поскольку солнечное EUV невозможно отслеживать с земли, был запущен совместный космический корабль НАСА и ЕКА Солнечной и гелиосферной обсерватории (SOHO), который начиная с 1995 года предоставлял изображения солнечного EUV. SOHO является основным источником данных о солнечной энергии почти в реальном времени для обоих исследования и прогнозирование космической погоды и вдохновили миссию STEREO . Космический корабль Йоко на низкой околоземной орбите 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 Йоко послужили основой для создания солнечного рентгеновского изображения на GOES.
Космические аппараты с приборами, основной целью которых является предоставление данных для прогнозирования и применения космической погоды, включают серию космических аппаратов Геостационарного оперативного спутника окружающей среды (GOES), серию POES , серию DMSP и серию Meteosat . Космический корабль GOES оснащен рентгеновским датчиком (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, целый диск EUV- датчика с 2004 года и датчики частиц (EPS / HEPAD), которые измеряют ионы и электроны в диапазоне энергий от 50 кэВ до 500 МэВ. Примерно после 2015 года поколение космических аппаратов GOES GOES-R заменит SXI на солнечное EUV-изображение (SUVI), аналогичное изображению на SOHO и STEREO , а датчик частиц будет дополнен компонентом, расширяющим энергетический диапазон до 30 эВ.
Спутник Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) — это спутник NOAA для наблюдения за Землей и космической погоды, запущенный в феврале 2015 года. Среди его функций — заблаговременное предупреждение о выбросах корональной массы. [53]
Модели космической погоды представляют собой моделирование условий космической погоды. Модели используют наборы математических уравнений для описания физических процессов.
Эти модели используют ограниченный набор данных и пытаются описать всю или часть условий космической погоды или предсказать, как погода меняется с течением времени. Ранние модели были эвристическими; т . е. они не использовали непосредственно физику. Эти модели требуют меньше ресурсов, чем их более сложные потомки.
Более поздние модели используют физику для объяснения 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 Геокосмической модели окружающей среды (GEM) Национального научного фонда . Двумя основными центрами моделирования являются Центр моделирования космической среды (CSEM) [54] и Центр интегрированного моделирования космической погоды (CISM). [55] Центр координируемого моделирования сообщества [56] (CCMC) в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА представляет собой учреждение для координации разработки и тестирования исследовательских моделей, улучшения и подготовки моделей для использования в прогнозировании и применении космической погоды. [57]
Методы моделирования включают (а) магнитогидродинамику , в которой окружающая среда рассматривается как жидкость, (б) частица в клетке, в которой нежидкостные взаимодействия обрабатываются внутри клетки, а затем ячейки соединяются для описания окружающей среды, (в) сначала принципы, в которых физические процессы находятся в балансе (или равновесии) друг с другом, (г) полустатическое моделирование, в котором описываются статистические или эмпирические взаимосвязи, или комбинация нескольких методов.
В течение первого десятилетия XXI века возник коммерческий сектор, который занимался космической погодой и обслуживал агентства, научные круги, коммерческий и потребительский секторы. [58] Поставщиками космической погоды обычно являются небольшие компании или небольшие подразделения внутри более крупной компании, которые предоставляют данные о космической погоде, модели, производные продукты и распространение услуг. [ нужна цитата ]
Коммерческий сектор включает в себя научных и инженерных исследователей, а также пользователей. Деятельность в первую очередь направлена на изучение воздействия космической погоды на технологии. К ним относятся, например:
Многие из этих нарушений приводят к социальным последствиям, на которые приходится значительная часть национального ВВП. [61] [62]
Концепция стимулирования коммерческой космической погоды была впервые предложена идеей создания экономической инновационной зоны космической погоды, обсуждавшейся Американской ассоциацией коммерческой космической погоды (ACSWA) в 2015 году. Создание этой экономической инновационной зоны будет стимулировать расширение экономической деятельности по разработке приложений для управления рисков космической погоды и будет способствовать расширению исследовательской деятельности университетов, связанной с космической погодой. Это могло бы стимулировать бизнес-инвестиции США в услуги и продукты, связанные с космической погодой. Он способствовал поддержке бизнес-инноваций США в области услуг и продуктов космической погоды, требуя от правительства США закупок произведенного в США коммерческого оборудования, программного обеспечения и сопутствующих продуктов и услуг там, где ранее не существовало подходящих государственных возможностей. Он также способствовал продаже произведенного в США коммерческого оборудования, программного обеспечения и сопутствующих продуктов и услуг международным партнерам. обозначить произведенное в США коммерческое оборудование, услуги и продукты как «Зону экономических инноваций в области космической погоды»; Наконец, он рекомендовал, чтобы коммерческое оборудование, услуги и продукты, произведенные в США, учитывались в отчетах агентства как вклад в зону экономических инноваций в области космической погоды. В 2015 году законопроект Конгресса США HR1561 заложил основу для того, чтобы социальные и экологические последствия Зоны экономических инноваций в области космической погоды могли иметь далеко идущие последствия. В 2016 году был принят Закон об исследованиях и прогнозировании космической погоды (S. 2817), развивающий это наследие. Позже, в 2017-2018 годах, законопроект HR3086 взял эти концепции, включил в себя обширный материал из параллельных исследований агентства в рамках спонсируемой OSTP Программы действий по космической погоде (SWAP) [ 63] и при двухпалатной и двухпартийной поддержке 116-го Конгресса ( 2019 г.) рассматривает возможность принятия Закона о координации космической погоды (S141, 115-й Конгресс). [ нужна цитата ]
29 апреля 2010 года сообщество коммерческой космической погоды 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: [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.
