Vesmírné počasí - Space weather

Nesmí být zaměňována s Space Weather (deník) .
Aurora australis pozorovaná z raketoplánu Discovery , květen 1991

Vesmírné počasí je obor vesmírné fyziky a aeronomie nebo heliofyziky , zabývající se časově proměnlivými podmínkami ve sluneční soustavě, včetně slunečního větru , s důrazem na prostor obklopující Zemi, včetně podmínek v magnetosféře , ionosféře , termosféře a exosféře . Vesmírné počasí se liší od pozemského počasí v atmosféře Země ( troposféra a stratosféra ), ale je s ním koncepčně příbuzné . Termín vesmírné počasí byl poprvé použit v 50. letech minulého století a do běžného používání se dostal v 90. letech minulého století.

Dějiny

Po mnoho staletí byly účinky vesmírného počasí pozorovány, ale nebyly chápány. Projevy polární světla jsou již dlouho byla pozorována ve vysokých zeměpisných šířkách.

Genesis

V roce 1724 George Graham oznámil, že jehla magnetického kompasu byla v průběhu každého dne pravidelně vychylována z magnetického severu . Tento efekt byl nakonec přičítán horním elektrickým proudům proudícím v ionosféře a magnetosféře Balfour Stewart v roce 1882 a potvrzen Arthurem Schusterem v roce 1889 z analýzy dat magnetické observatoře.

V roce 1852 astronom a britský generálmajor Edward Sabine ukázali, že pravděpodobnost výskytu magnetických bouří na Zemi koreluje s počtem slunečních skvrn , což dokazuje novou interakci Slunce a Země . V roce 1859 způsobila velká magnetická bouře skvělé polární záře a narušila globální telegrafní operace. Richard Christopher Carrington správně spojil bouři se sluneční erupcí , kterou den předtím pozoroval v blízkosti velké skupiny slunečních skvrn, což dokazuje, že konkrétní sluneční události mohou ovlivnit Zemi.

Kristian Birkeland vysvětlil fyziku polární záře vytvořením umělé polární záře ve své laboratoři a předpovídal sluneční vítr.

Zavedení rádia odhalilo, že nastala období extrémní statické elektřiny nebo hluku. Silné rušení radaru během velké sluneční události v roce 1942 vedlo k objevu slunečních radiových záblesků (rádiových vln, které pokrývají široký frekvenční rozsah vytvořený sluneční erupcí), což je další aspekt vesmírného počasí.

Dvacáté století

Ve 20. století se zájem o vesmírné počasí rozšířil, protože vojenské a komerční systémy začaly záviset na systémech ovlivněných vesmírným počasím. Komunikační satelity jsou důležitou součástí globálního obchodu. Meteorologické satelitní systémy poskytují informace o pozemském počasí. Signály ze satelitů systému Global Positioning System (GPS) se používají v celé řadě aplikací. Jevy vesmírného počasí mohou tyto satelity rušit nebo poškodit nebo mohou rušit rádiové signály, se kterými operují. Jevy vesmírného počasí mohou způsobit škodlivé přepětí v dálkových přenosových linkách a vystavit cestující a posádky letadel radiaci , zejména na polárních trasách.

Mezinárodní geofyzikální rok (IGY) vzrostl výzkum kosmického počasí. Pozemní data získaná během IGY prokázala, že polární záře se objevila v polárním oválu , trvalé oblasti luminiscence 15 až 25 stupňů zeměpisné šířky od magnetických pólů a šířky 5 až 20 stupňů. V roce 1958 objevil satelit Explorer I Van Allenovy pásy , oblasti částic záření zachycené magnetickým polem Země. V lednu 1959 sovětský satelit Luna 1 poprvé přímo pozoroval sluneční vítr a změřil jeho sílu. Menší mezinárodní heliofyzický rok (IHY) nastal v letech 2007–2008.

V roce 1969 provedla INJUN-5 (alias Explorer 40) první přímé pozorování elektrického pole, které na ionosféru Země s vysokou šířkou působilo sluneční vítr. Počátkem 70. let data Triadu prokázala, že mezi polárním oválem a magnetosférou protékají trvalé elektrické proudy.

Termín vesmírné počasí se začal používat koncem padesátých let, kdy začal vesmírný věk a satelity začaly měřit vesmírné prostředí . Termín získal popularitu v devadesátých letech spolu s přesvědčením, že dopad vesmíru na lidské systémy vyžaduje koordinovanější rámec výzkumu a aplikací.

Americký národní program pro kosmické počasí

Účelem amerického Národního programu kosmického počasí je zaměřit výzkum na potřeby postižených komerčních a vojenských komunit, propojit výzkumné a uživatelské komunity, vytvořit koordinaci mezi provozními datovými centry a lépe definovat potřeby uživatelské komunity. NOAA provozuje Centrum předpovědi kosmického počasí Národní meteorologické služby.

Tento koncept byl přeměněn na akční plán v roce 2000, prováděcí plán v roce 2002, hodnocení v roce 2006 a revidovaný strategický plán v roce 2010. Revidovaný akční plán měl být vydán v roce 2011 a následně revidovaný plán implementace v roce 2012.

Jevy

Ve sluneční soustavě je kosmické počasí ovlivněno slunečním větrem a meziplanetárním magnetickým polem (MMF) neseným plazmou slunečního větru . S vesmírným počasím je spojena řada fyzikálních jevů, včetně geomagnetických bouří a podřádů , napájení Van Allenových radiačních pásů , ionosférických poruch a scintilace rádiových signálů ze země na zem a radarových signálů s dlouhým dosahem, polární záře a geomagneticky indukovaných proudů na zemském povrchu. Koronální ejekce hmoty (CME) jsou také důležitými hybateli vesmírného počasí, protože mohou stlačovat magnetosféru a spouštět geomagnetické bouře. Částice sluneční energie (SEP) urychlené ejekcí koronální hmoty nebo sluneční erupce mohou vyvolat události slunečních částic (SPE), což je rozhodující faktor vlivu kosmického počasí na člověka, protože mohou poškodit elektroniku na palubě kosmické lodi (např. Selhání Galaxy 15 ) a ohrozit životy astronautů a také zvyšují radiační nebezpečí pro letectví s vysokou nadmořskou výškou a šířkou.

Efekty

Elektronika kosmických lodí

GOES-11 a GOES-12 monitorovaly vesmírné povětrnostní podmínky během sluneční aktivity v říjnu 2003.

Některé poruchy kosmických lodí lze přímo přičíst vesmírnému počasí; o mnoha dalších se předpokládá, že mají složku kosmického počasí. Například 46 ze 70 poruch hlášených v roce 2003 nastalo během geomagnetické bouře z října 2003. Dva nejčastější nepříznivé efekty kosmického počasí na kosmické lodi jsou poškození zářením a nabíjení kosmických lodí .

Radiace (částice s vysokou energií) prochází kůží kosmické lodi a dostává se do elektronických součástek. Ve většině případů záření způsobí chybný signál nebo změní jeden bit v paměti elektroniky kosmické lodi ( narušení jedné události ). V několika případech záření ničí část elektroniky ( latchup s jednou událostí ).

Nabíjení kosmické lodi je akumulace elektrostatického náboje na nevodivém materiálu na povrchu kosmické lodi částicemi s nízkou energií. Pokud je dostatečně nabitý, dojde k vybití (jiskra). To může způsobit, že počítač kosmické lodi detekuje chybný signál a reaguje na něj. Nedávná studie naznačuje, že nabíjení kosmických lodí je převládajícím efektem kosmického počasí na kosmické lodi na geosynchronní oběžné dráze .

Oběžná dráha kosmické lodi se mění

Dráhy kosmických lodí na nízké oběžné dráze Země (LEO) se rozpadají na nižší a nižší nadmořské výšky díky odporu způsobenému třením mezi povrchem kosmické lodi ( tj . Tažením) a vnější vrstvou zemské atmosféry (aka termosféra a exosféra). Nakonec kosmická loď LEO vypadne z oběžné dráhy směrem k zemskému povrchu. Mnoho kosmických lodí vypuštěných v posledních několika desetiletích má schopnost vypálit malou raketu, aby zvládly své dráhy. Raketa může zvýšit nadmořskou výšku, aby se prodloužila životnost, nasměrovat návrat do konkrétního (mořského) místa nebo směrovat satelit, aby se vyhnul kolizi s jinými kosmickými loděmi. Takové manévry vyžadují přesné informace o oběžné dráze. Geomagnetická bouře může způsobit změnu oběžné dráhy na několik dní, která by jinak nastala více než rok nebo déle. Geomagnetická bouře dodává teplo termosféře, což způsobuje expanzi a stoupání termosféry, což zvyšuje odpor kosmických lodí. 2009 satelit kolize mezi Iridium 33 a Kosmos 2251 prokázaly, že je důležité mít přesnou znalost všech objektů na oběžné dráze. Iridium 33 mělo schopnost manévrovat mimo dráhu Kosmu 2251 a mohlo by se vyhnout havárii, kdyby byla k dispozici věrohodná předpověď kolize.

Lidé ve vesmíru

Hlavní článek: Vliv vesmírných letů na lidské tělo

Vystavení lidského těla ionizujícímu záření má stejné škodlivé účinky, ať už je zdrojem záření lékařský rentgenový přístroj , jaderná elektrárna nebo záření ve vesmíru. Stupeň škodlivého účinku závisí na délce expozice a hustotě energie záření . Všudypřítomné radiační pásy sahají až do nadmořské výšky kosmických lodí s posádkou, jako je Mezinárodní vesmírná stanice (ISS) a raketoplán , ale míra expozice je za normálních podmínek v přijatelném limitu celoživotní expozice . Během velké události vesmírného počasí, která zahrnuje výbuch SEP, se tok může zvýšit o řády. Oblasti v ISS poskytují stínění, které může udržovat celkovou dávku v bezpečných mezích. Pro raketoplán by taková událost vyžadovala okamžité ukončení mise.

Pozemní systémy

Signály kosmických lodí

Ionosféra ohýbá rádiové vlny stejným způsobem jako voda v bazénu ohýbá viditelné světlo. Když je narušeno médium, kterým takové vlny cestují, světelný obraz nebo rádiové informace jsou zkreslené a mohou být nerozpoznatelné. Stupeň zkreslení (scintilace) rádiové vlny ionosférou závisí na frekvenci signálu. Rádiové signály v pásmu VKV (30 až 300 MHz) mohou být narušeny k nepoznání narušenou ionosférou. Rádiové signály v pásmu UHF (300 MHz až 3 GHz) procházejí narušenou ionosférou, ale přijímač nemusí být schopen udržet se uzamčen na nosné frekvenci. GPS používá signály o frekvenci 1575,42 MHz (L1) a 1227,6 MHz (L2), které mohou být narušeny narušenou ionosférou. Vesmírné meteorologické jevy, které poškozují signály GPS, mohou výrazně ovlivnit společnost. Například Wide Area Augmentation System (WAAS) provozovaný americkou Federální leteckou správou (FAA) se používá jako navigační nástroj pro severoamerické komerční letectví. Je deaktivován každou větší událostí vesmírného počasí. Výpadky se mohou pohybovat od minut do dnů. Velké vesmírné meteorologické jevy mohou tlačit narušenou polární ionosféru o 10 až 30 ° zeměpisné šířky směrem k rovníku a mohou způsobit velké ionosférické gradienty (změny hustoty na vzdálenost stovek km) na střední a nízké šířce. Oba tyto faktory mohou zkreslovat signály GPS.

Rádiové signály na dlouhé vzdálenosti

Rádiová vlna v pásmu KV (3 až 30 MHz) (také známá jako krátkovlnné pásmo) se odráží v ionosféře. Protože země také odráží vysokofrekvenční vlny, může být signál přenášen kolem zakřivení Země mimo přímku pohledu. V průběhu 20. století byla KV komunikace jediným způsobem komunikace lodi nebo letadla daleko od pevniny nebo základnové stanice. Příchod systémů, jako je Iridium, přinesl další způsoby komunikace, ale KV zůstává kritický pro plavidla, která nenesou novější zařízení, a jako kritický záložní systém pro ostatní. Vesmírné povětrnostní události mohou v ionosféře vytvářet nepravidelnosti, které rozptylují vysokofrekvenční signály místo toho, aby je odrážely, což brání vysokofrekvenční komunikaci. V polárních a polárních zeměpisných šířkách malé události v prostoru, které se vyskytují, často narušují KV komunikaci. Ve středních zeměpisných šířkách je vysokofrekvenční komunikace narušena slunečními záblesky, rentgenovými paprsky ze slunečních erupcí (které zesilují a narušují ionosférickou D vrstvu) a vylepšením a nepravidelností TEC během velkých geomagnetických bouří.

Transpolární letecké linky jsou obzvláště citlivé na kosmické počasí, částečně proto, že Federální letecké předpisy vyžadují spolehlivou komunikaci po celý let. Odklonění takového letu se odhaduje na zhruba 100 000 dolarů.

Všichni pasažéři v komerčních letadlech létajících nad 7 900 m nad 26 000 stop budou v tomto radiačním prostředí obvykle vystaveni určité expozici.

Lidé v komerčním letectví

Magnetosféra vede částice kosmického záření a sluneční energie do polárních šířek, zatímco částice s vysokou energií se dostávají do mezosféry, stratosféry a troposféry. Tyto energetické částice v horní části atmosféry rozbíjí atmosférické atomy a molekuly a vytvářejí škodlivé částice s nižší energií, které pronikají hluboko do atmosféry a vytvářejí měřitelné záření. Těmto částicím jsou vystavena všechna letadla létající nad 8 km (26 200 stop). Expozice dávky je v polárních oblastech větší než ve středních zeměpisných šířkách a v rovníkových oblastech. Mnoho komerčních letadel létá nad polární oblastí. Když událost vesmírného počasí způsobí, že expozice záření překročí bezpečnou úroveň stanovenou leteckými úřady, dráha letu letadla bude odkloněna.

Přestože k nejvýznamnějším, ale vysoce nepravděpodobným zdravotním důsledkům expozice atmosférickému záření patří úmrtí na rakovinu v důsledku dlouhodobé expozice, může dojít také k mnoha formám rakoviny, které narušují životní styl a ovlivňují kariéru. Diagnóza rakoviny může mít pro komerční pilota významný kariérní dopad. Diagnóza rakoviny může pilota dočasně nebo trvale uzemnit. Ke zmírnění tohoto statistického rizika byly vyvinuty mezinárodní směrnice Mezinárodní komise pro radiologickou ochranu (ICRP). ICRP doporučuje efektivní dávkové limity 5letého průměru 20 mSv za rok s ne více než 50 mSv za jeden rok pro negravidní, profesionálně exponované osoby a 1 mSv za rok pro širokou veřejnost. Limity dávky záření nejsou technické limity. V USA jsou považovány za horní limit přijatelnosti a nikoli za regulační limit.

Měření radiačního prostředí v nadmořských výškách komerčních letadel nad 8 km (26 000 stop) byla historicky prováděna přístroji, které zaznamenávají data na palubu, kde jsou data následně zpracována později na zemi. Systém palubního měření radiace v reálném čase byl však vyvinut prostřednictvím programu NASA Automated Radiation Measurements for Aerospace Safety (ARMAS). ARMAS od roku 2013 uskutečnil stovky letů, většinou na výzkumných letadlech, a odeslal data na zem prostřednictvím satelitních odkazů Iridium. Konečným cílem těchto typů měření je data asimilovat do globálních modelů záření založených na fyzice, např. Systému NASA Nowcast of Atmospheric Ionizing Radiation System ( NAIRAS ), aby bylo zajištěno počasí radiačního prostředí spíše než klimatologie.

Pozemní indukovaná elektrická pole

Magnetická bouřková aktivita může indukovat geoelektrická pole v zemské vodivé litosféře . Odpovídající rozdíly napětí se mohou dostat do elektrických rozvodných sítí prostřednictvím uzemnění , které řídí nekontrolované elektrické proudy, které narušují provoz sítě, poškozují transformátory, vypínají ochranná relé a někdy způsobují výpadky proudu. Tento komplikovaný řetězec příčin a následků byl prokázán během magnetické bouře v březnu 1989 , která způsobila úplný kolaps elektrické energetické sítě Hydro-Québec v Kanadě a dočasně nechalo devět milionů lidí bez elektřiny. Možný výskyt ještě intenzivnější bouře vedl k provozním standardům určeným ke zmírnění rizik indukčního nebezpečí, zatímco zajišťovny zadaly revidované hodnocení rizik .

Geofyzikální průzkum

Magnetické průzkumy přenášené vzduchem a lodí mohou být ovlivněny rychlými změnami magnetického pole během geomagnetických bouří. Takové bouře způsobují problémy s interpretací dat, protože změny magnetického pole související s vesmírem a počasím jsou svou velikostí podobné změnám magnetického pole podpovrchové kůry v oblasti průzkumu. Přesná varování před geomagnetickými bouřkami, včetně vyhodnocení velikosti a délky bouře, umožňuje ekonomické využití průzkumných zařízení.

Geofyzika a výroba uhlovodíků

Z ekonomických a jiných důvodů těžba ropy a plynu často zahrnuje horizontální vrtání cest vrtů mnoho kilometrů od jednoho vrtu. Požadavky na přesnost jsou přísné, vzhledem k cílové velikosti - nádrže mohou mít průměr jen několik desítek až stovek metrů - a bezpečnosti kvůli blízkosti jiných vrtů. Nejpřesnější gyroskopická metoda je drahá, protože může zastavit vrtání na hodiny. Alternativou je použití magnetického průzkumu, který umožňuje měření při vrtání (MWD) . Ke správnému směru vrtání lze použít magnetická data téměř v reálném čase. Magnetické údaje a předpovědi počasí ve vesmíru mohou pomoci objasnit neznámé zdroje chyb při vrtání.

Pozemské počasí

Množství energie vstupující do troposféry a stratosféry z jevů kosmického počasí je triviální ve srovnání se slunečním osluněním ve viditelných a infračervených částech slunečního elektromagnetického spektra. Ačkoli bylo požadováno určité spojení mezi 11letým cyklem slunečních skvrn a zemským podnebím ., Nikdy to nebylo ověřeno. Například Maunderovo minimum , 70leté období téměř bez slunečních skvrn, bylo často navrhováno jako korelace s chladnějším podnebím, ale tyto korelace po hlubších studiích zmizely. Navrhované spojení ze změn toku kosmického záření způsobuje změny v množství tvorby mraků. nepřežil vědecké testy. Další návrh, že změny v toku EUV jemně ovlivňují stávající faktory klimatu a narušují rovnováhu mezi událostmi El Niño / La Niña . se zhroutil, když nový výzkum ukázal, že to není možné. Vazba mezi vesmírným počasím a klimatem nebyla prokázána.

Pozorování

Pozorování vesmírného počasí se provádí jak pro vědecký výzkum, tak pro aplikace. Vědecké pozorování se vyvíjelo se stavem znalostí, zatímco pozorování související s aplikací se rozšiřovalo o schopnost tyto údaje využívat.

Pozemní

Vesmírné počasí je monitorováno na úrovni země pozorováním změn magnetického pole Země v průběhu sekund až dnů, pozorováním povrchu Slunce a pozorováním rádiového šumu vytvářeného ve sluneční atmosféře.

Počet slunečních skvrn (SSN) je počet slunečních skvrn na fotosféře Slunce ve viditelném světle na straně Slunce viditelné pozorovateli Země. Počet a celková plocha slunečních skvrn souvisí s jasem Slunce v extrémních ultrafialových (EUV) a rentgenových částech slunečního spektra a se sluneční aktivitou, jako jsou sluneční erupce a výrony koronální hmoty (CME).

Rádiový tok 10,7 cm (F10,7) je měření vysokofrekvenčních emisí ze Slunce a přibližně koreluje se slunečním tokem EUV. Vzhledem k tomu, že tyto RF emise lze snadno získat ze země a tok EUV nikoli, je tato hodnota měřena a šířena nepřetržitě od roku 1947. Světová standardní měření provádí Radio Astrophysical Observatory Dominion v Pentictonu, BC, Kanada a hlásí se jednou denně. v poledne v jednotkách slunečního toku (10 −22 W · m −2 · Hz −1 ). F10.7 je archivován Národním geofyzikálním datovým centrem.

Základní údaje o sledování kosmického počasí poskytují pozemní magnetometry a magnetická observatoře. Magnetické bouře byly poprvé objeveny pozemním měřením příležitostných magnetických poruch. Data pozemního magnetometru poskytují situační povědomí v reálném čase pro analýzu po události. Magnetické observatoře fungují nepřetržitě po celá desetiletí až staletí a poskytují data, která mají informovat o studiích dlouhodobých změn ve vesmírné klimatologii.

Dst index je odhad změny magnetického pole na magnetickém rovníku Země v důsledku prstence elektrického proudu na geosynchronní oběžné dráze a jen na zem . Index je založen na datech ze čtyř pozemních magnetických observatoří mezi magnetickou šířkou 21 ° a 33 ° během jedné hodiny. Stanice blíže magnetickému rovníku se kvůli ionosférickým efektům nepoužívají. Index Dst je sestaven a archivován Světovým datovým centrem pro geomagnetismus v Kjótu.

Index Kp/ap : „a“ je index vytvořený z geomagnetického rušení na jedné geomagnetické observatoři střední zeměpisné šířky (40 ° až 50 ° zeměpisné šířky) během 3 hodin. „K“ je kvazilogaritmický protějšek indexu „a“. Kp a ap jsou průměrem K a více než 13 geomagnetických observatoří, které představují celoplanetární geomagnetické poruchy. Index Kp/ap udává jak geomagnetické bouře, tak i subormy (aurorální poruchy). Kp/ap je k dispozici od roku 1932.

Index AE je sestaven z geomagnetických poruch na 12 geomagnetických observatořích v aurorálních zónách a poblíž nich a je zaznamenáván v 1minutových intervalech. Veřejný index AE je k dispozici se zpožděním dvou až tří dnů, což omezuje jeho použitelnost pro aplikace v kosmickém počasí. Index AE udává intenzitu geomagnetických substormů s výjimkou období velké geomagnetické bouře, kdy se aurorální zóny rozšiřují rovně směrem od observatoří.

Záblesky rádiového šumu hlásí síť Radio Solar Telescope Network amerického letectva a NOAA. Rádiové výboje jsou spojeny se sluneční plazmou, která interaguje s okolní sluneční atmosférou.

Fotosféra Slunce je nepřetržitě pozorována na aktivitu, která může být předchůdcem slunečních erupcí a CME. Projekt Global Oscillation Network Group (GONG) monitoruje povrch i vnitřek Slunce pomocí helioseismologie , studia zvukových vln šířících se Sluncem a pozorovaných jako vlnění na slunečním povrchu. GONG dokáže detekovat skupiny slunečních skvrn na odvrácené straně Slunce. Tato schopnost byla nedávno ověřena vizuálními pozorováními z kosmické lodi STEREO .

Neutronové monitory na zemi nepřímo monitorují kosmické paprsky ze Slunce a galaktických zdrojů. Když kosmické paprsky interagují s atmosférou, dochází k atomovým interakcím, které způsobují, že do atmosféry a na úroveň země sestoupí sprška částic s nižší energií. Přítomnost kosmických paprsků v kosmickém prostředí blízko Země lze detekovat monitorováním vysokoenergetických neutronů na úrovni země. Malé toky kosmických paprsků jsou přítomny nepřetržitě. Velké toky jsou vytvářeny Sluncem během událostí souvisejících s energetickými slunečními erupcemi.

Celkový obsah elektronů (TEC) je měřítkem ionosféry v daném místě. TEC je počet elektronů ve sloupci jeden metr čtvereční od základny ionosféry (přibližně 90 km nadmořské výšky) k vrcholu ionosféry (přibližně 1000 km nadmořské výšky). Mnoho měření TEC se provádí monitorováním dvou frekvencí vysílaných kosmickou lodí GPS . V současné době je GPS TEC monitorováno a distribuováno v reálném čase z více než 360 stanic spravovaných agenturami v mnoha zemích.

Geoefektivita je měřítkem toho, jak silně se magnetické pole kosmického počasí, jako například ejekce koronální hmoty, spojuje s magnetickým polem Země. To je určeno směrem magnetického pole drženého v plazmě, které pochází ze Slunce. Jsou vyvíjeny nové techniky pro měření Faradayovy rotace v rádiových vlnách pro měření směru pole.

Satelitní

Vesmírné počasí prozkoumala řada výzkumných kosmických lodí. Série Orbiting Geophysical Observatory byla jednou z prvních kosmických lodí s úkolem analyzovat vesmírné prostředí. Mezi nedávné kosmické lodě patří dvojice kosmických lodí NASA-ESA Solar-Terrestrial Relations Observatory (STEREO) vypuštěných v roce 2006 na sluneční oběžnou dráhu a Van Allenovy sondy , vypuštěné v roce 2012 na vysoce eliptickou oběžnou dráhu Země. Dvě kosmické lodě STEREO se unášejí od Země přibližně o 22 ° za rok, přičemž jedna vede a druhá vleče Zemi na své oběžné dráze. Společně shromažďují informace o slunečním povrchu a atmosféře ve třech rozměrech. Van Allenovy sondy zaznamenávají podrobné informace o radiačních pásech, geomagnetických bouřích a vztahu mezi nimi.

Některé kosmické lodě s jinými primárními misemi nesly pomocné přístroje pro sluneční pozorování. Mezi první takové kosmické lodě patřila řada Applications Technology Satellite (ATS) společnosti GEO, která byla předchůdcem moderního meteorologického satelitu geostacionární operační environmentální družice (GOES) a mnoha komunikačních satelitů. Kosmická loď ATS nesla senzory částic životního prostředí jako pomocné užitečné zatížení a pro snímání prostředí používala svůj senzor navigačního magnetického pole.

Mnoho z prvních nástrojů byly výzkumné kosmické lodě, které byly přepracovány pro aplikace v kosmickém počasí. Jednou z prvních z nich byla IMP-8 (Meziplanetární monitorovací platforma). Obíhal Zemi na 35 poloměrech Země a pozoroval sluneční vítr na dvě třetiny svých 12denních oběžných drah v letech 1973 až 2006. Protože sluneční vítr nese poruchy, které ovlivňují magnetosféru a ionosféru, prokázal IMP-8 užitečnost kontinuální sluneční monitorování větru. Po IMP-8 následoval ISEE-3 , který byl umístěn poblíž Lagrangeova bodu L 1 Slunce - Země , 235 poloměrů Země nad povrchem (asi 1,5 milionu km nebo 924 000 mil) a nepřetržitě monitoroval sluneční vítr v letech 1978 až 1982. Další kosmická loď, která monitorovala sluneční vítr v bodě L 1, byla WIND v letech 1994 až 1998. Po dubnu 1998 byla oběžná dráha kosmické lodi WIND změněna tak, aby kroužila kolem Země a příležitostně míjela bod L 1 . NASA Advanced Composition Explorer (ACE) monitoroval sluneční vítr v bodě L 1 od roku 1997 do současnosti.

Kromě sledování slunečního větru je pro vesmírné počasí důležité i sledování Slunce. Protože sluneční EUV nelze monitorovat ze země, byla vypuštěna společná kosmická loď NASA - ESA Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), která poskytla sluneční EUV snímky počínaje rokem 1995. SOHO je hlavním zdrojem slunečních dat téměř v reálném čase pro obě výzkum a předpověď kosmického počasí a inspiroval misi STEREO . Yohkoh sonda na LEO pozoroval slunce od roku 1991 do roku 2001 se v rentgenové části slunečního spektra, a byl vhodný pro výzkum a prostor pro předpověď počasí. Data z Yohkoh inspirovala solární rentgenový fotoaparát na GOES.

GOES-7 monitoruje vesmírné povětrnostní podmínky během sluneční aktivity v říjnu 1989, což mělo za následek pokles Forbush, vylepšení Ground Level a mnoho satelitních anomálií.

Kosmická loď s nástroji, jejichž primárním účelem je poskytnout údaje pro kosmické předpovědi počasí a aplikací patří geostacionární Provozní Satellite životního prostředí (přechod) řadu kosmických lodí, na Poes série, DMSP série, a Meteosat sérii. Sonda GOES nesla rentgenový senzor (XRS), který měří tok z celého slunečního disku ve dvou pásmech-0,05 až 0,4 nm a 0,1 až 0,8 nm-od roku 1974, rentgenový snímač (SXI) od roku 2004, magnetometr, který měří zkreslení magnetického pole Země v důsledku kosmického počasí, celokrajový snímač EUV od roku 2004 a senzory částic (EPS/HEPAD), které měří ionty a elektrony v energetickém rozsahu 50 keV až 500 MeV. Počínaje někdy po roce 2015 nahradí generace GOES-R kosmických lodí GOES SXI solárním obrazem EUV (SUVI) podobným tomu na SOHO a STEREO a snímač částic bude doplněn o součást, která rozšíří dosah energie až na 30 eV.

Deep Space klimatu Observatory (DSCOVR) satelit je NOAA pozorování Země a vesmíru meteorologická družice, která byla zahájena v únoru 2015. Mezi jeho funkcí je předem varování před koronální hmoty.

Modely

Modely kosmického počasí jsou simulacemi prostředí vesmírného počasí. Modely používají k popisu fyzikálních procesů sady matematických rovnic.

Tyto modely využívají omezenou sadu dat a pokoušejí se popsat celé vesmírné počasí nebo jeho část nebo předpovídat, jak se počasí v průběhu času vyvíjí. Rané modely byly heuristické; tj . přímo nepoužívali fyziku. Tyto modely vyžadují méně prostředků než jejich důmyslnější potomci.

Pozdější modely používají fyziku k vysvětlení co největšího počtu jevů. Žádný model zatím nedokáže spolehlivě předpovědět prostředí od povrchu Slunce po dno ionosféry Země. Modely kosmického počasí se liší od meteorologických modelů v tom, že množství vstupů je výrazně menší.

Významná část výzkumu a vývoje modelu kosmického počasí v posledních dvou desetiletích byla provedena jako součást programu Geospace Environmental Model (GEM) Národní vědecké nadace . Dvěma hlavními modelovacími středisky jsou Centrum pro modelování vesmírného prostředí (CSEM) a Centrum pro integrované modelování vesmírného počasí (CISM). Koordinovaný Community Modeling Center (CCMC) v NASA Goddard Space Flight Center představuje nástroj pro koordinaci vývoje a testování výzkumných modelů, pro zlepšení a přípravu modelů pro použití v predikci počasí prostoru a aplikace.

Modelovací techniky zahrnují (a) magnetohydrodynamiku , ve které je prostředí zpracováváno jako tekutina, (b) částice v buňce, ve které jsou v buňce zpracovávány interakce bez tekutiny a poté jsou buňky spojeny za účelem popisu prostředí, (c) nejprve principy, ve kterých jsou fyzikální procesy navzájem v rovnováze (nebo rovnováze), (d) semistatické modelování, ve kterém je popsán statistický nebo empirický vztah, nebo kombinace více metod.

Vývoj počasí v komerčních prostorech

Během prvního desetiletí 21. století se objevil komerční sektor, který se zabýval vesmírným počasím a sloužil agenturám, akademické sféře, komerčnímu a spotřebitelskému sektoru. Poskytovatelé vesmírného počasí jsou obvykle menší společnosti nebo malé divize v rámci větší společnosti, které poskytují údaje o vesmírném počasí, modely, odvozené produkty a distribuci služeb.

Komerční sektor zahrnuje vědecké a technické výzkumníky i uživatele. Činnosti jsou primárně zaměřeny na dopady vesmírného počasí na technologii. Patří mezi ně například:

  • Atmosférický odpor satelitů LEO způsobený energetickými vstupy do termosféry ze slunečních UV, FUV, Lyman-alfa , EUV , XUV , rentgenových a gama paprskových fotonů, jakož i srážením nabitých částic a ohřevem Joule ve vysokých zeměpisných šířkách;
  • Povrchové a vnitřní nabíjení ze zvýšených toků energetických částic, což vede k účinkům, jako jsou výboje, narušení jedné události a zablokování, na satelitech LEO až GEO;
  • Narušené signály GPS způsobené ionosférickou scintilací vedoucí ke zvýšené nejistotě v navigačních systémech, jako je letecký Wide Area Augmentation System (WAAS);
  • Ztráta radiových komunikací KV, UHF a L v důsledku scintilace ionosféry, slunečních erupcí a geomagnetických bouří;
  • Zvýšené záření do lidské tkáně a avioniky z galaktických kosmických paprsků SEP, zejména během velkých slunečních erupcí, a pravděpodobně bremsstrahlung gama paprsků produkovaných srážením energetických elektronů radiačního pásu ve výškách nad 8 km;
  • Zvýšená nepřesnost při průzkumu a průzkumu ropy/plynu, který využívá hlavní magnetické pole Země, když je narušeno geomagnetickými bouřemi;
  • Ztráta přenosu energie z přepětí GIC v elektrické rozvodné síti a odstávky transformátoru během velkých geomagnetických bouří.

Mnoho z těchto poruch má za následek společenské dopady, které tvoří významnou část národního HDP.

Koncept incentivizace komerčního kosmického počasí poprvé navrhla myšlenka zóny ekonomické ekonomické inovace v oblasti kosmického počasí, kterou v roce 2015 projednala Americká asociace komerčního vesmírného počasí (ACSWA). Zřízení této ekonomické inovační zóny by podpořilo rozšíření aplikací vyvíjejících ekonomickou aktivitu ke správě ohrožuje kosmické počasí a podpořil by širší výzkumné činnosti související s vesmírným počasím na univerzitách. Mohlo by to povzbudit americké obchodní investice do služeb a produktů týkajících se kosmického počasí. Propagovala podporu amerických obchodních inovací v oblasti služeb a produktů týkajících se kosmického počasí tím, že požadovala, aby vláda USA nakupovala komerční hardware, software a související produkty a služby, které byly postaveny v USA, kde dříve neexistovala žádná vhodná vládní kapacita. Rovněž podporovala prodej komerčního hardwaru, softwaru a souvisejících produktů a služeb v USA postavených mezinárodním partnerům. určit komerční hardware, služby a produkty postavené v USA jako aktivity „Zóny ekonomické inovace ve vesmíru“; Nakonec doporučilo, aby komerční hardware, služby a produkty postavené v USA byly sledovány jako příspěvky zóně ekonomické inovace ve vesmírném počasí v rámci agenturních zpráv. V roce 2015 poskytl americký zákon o kongresu HR1561 základy, kde by sociální a environmentální dopady zóny ekonomické inovace ve vesmíru mohly být dalekosáhlé. V roce 2016 byl zaveden zákon o výzkumu a předpovědi kosmického počasí (S. 2817), který staví na tomto odkazu. Později, v letech 2017-2018, převzal zákon HR3086 tyto koncepty, zahrnoval šíři materiálu z paralelních agenturních studií v rámci akčního programu Space Weather (SWAP) sponzorovaného OSTP a s dvoukomorovou a dvoustrannou podporou 116. kongres (2019) je zvažování přijetí zákona o koordinaci vesmírného počasí (S141, 115. kongres).

American Commercial Space Weather Association

29. dubna 2010 vytvořila komunita počasí v komerčním prostoru Americkou asociaci počasí pro komerční vesmír ( ACSWA ), průmyslovou asociaci. ACSWA podporuje zmírňování rizika kosmického počasí pro národní infrastrukturu, ekonomickou sílu a národní bezpečnost. Snaží se:

  • poskytovat kvalitní data a služby o kosmickém počasí, které pomohou zmírnit rizika pro technologie;
  • poskytovat poradenské služby vládním agenturám;
  • poskytovat pokyny k nejlepšímu rozdělení úkolů mezi komerční poskytovatele a vládní agentury;
  • zastupovat zájmy komerčních poskytovatelů;
  • reprezentovat obchodní schopnosti na národní i mezinárodní scéně;
  • rozvíjet osvědčené postupy.

Shrnutí širokých technických možností v kosmickém počasí, které jsou k dispozici od asociace, lze nalézt na jejich webových stránkách http://www.acswa.us .

Významné události

Hlavní článek: Seznam slunečních bouří

Viz také

Poznámky

Bibliografie

Další čtení

  • Ruffenach, A., 2018, „Enabling Resilient UK Energy Infrastructure: Natural Hazard Characterization Technical Volumes and Case Studies, Volume 10 - Space Weather“; IMechE, IChemE.
  • Clark, TDG a E. Clarke, 2001. Vesmírné meteorologické služby pro vrtný průmysl na moři . Workshop In Space Weather: Pohled směrem k budoucnosti evropského programu kosmického počasí . ESTEC, ESA WPP-194.
  • Carlowicz, MJ a RE Lopez, 2002, Storms from the Sun , Joseph Henry Press, Washington DC, ISBN  0-309-07642-0 .
  • Reay, SJ, W. Allen, O. Baillie, J. Bowe, E. Clarke, V. Lesur, S. Macmillan, 2005. Vlivy vesmírného počasí na přesnost vrtání v Severním moři . Annales Geophysicae, sv. 23, s. 3081–3088.
  • Odenwald, S. 2006, 23. cyklus; Naučit se žít s bouřlivou hvězdou , Columbia University Press, ISBN  0-231-12078-8 .
  • Bothmer, V .; Daglis, I., 2006, Vesmírné počasí: fyzika a efekty , Springer-Verlag New York, ISBN  3-642-06289-X .
  • Gombosi, Tamas I., Houghton, John T. a Dessler, Alexander J., (Editors), 2006, Physics of the Space Environment , Cambridge University Press, ISBN  978-0-521-60768-1 .
  • Daglis, IA (editor), 2001, Vesmírné bouře a vesmírná nebezpečí , Springer-Verlag New York, ISBN  1-4020-0031-6 .
  • Song, P., Singer, H., and Siscoe, G. , (Editors), 2001, Space Weather (Geophysical Monograph) , Union, Washington, DC, ISBN  0-87590-984-1 .
  • Freeman, John W., 2001, Storms in Space , Cambridge University Press, Cambridge, UK, ISBN  0-521-66038-6 .
  • Silný, Keithe; J. Saba; T. Kučera (2012). „Pochopení vesmírného počasí: Slunce jako proměnná hvězda“. Býk. Dopoledne. Meteorol. Soc . 93 (9): 1327–35. Bibcode : 2012BAMS ... 93.1327S . doi : 10,1175/BAMS-D-11-00179.1 . hdl : 2060/20120002541 .
  • Silný, Keithe; JT Schmelz; JLR Saba; TA Kučera (2017). „Pochopení vesmírného počasí: Část II: Násilné slunce“. Býk. Dopoledne. Meteorol. Soc . 98 (11): 2387–96. Bibcode : 2017BAMS ... 98.2387S . doi : 10,1175/BAMS-D-16-0191.1 .
  • Silný, Keithe; N. Viall; J. Schmelz; J. Saba (2017). „Pochopení vesmírného počasí: doména Slunce“. Býk. Dopoledne. Meteorol. Soc . 98 (12): 2593. Bibcode : 2017BAMS ... 98.2593S . doi : 10,1175/BAMS-D-16-0204.1 .

externí odkazy

Předpověď počasí ve vesmíru v reálném čase

Další odkazy