4-1-3 利用实时数据进行空间天气预报外文翻译资料

 2022-11-25 15:07:19

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4-1-3 利用实时数据进行空间天气预报

摘要：近些年来，通信技术正在飞速的发展，通信技术的进步使得我们有可能进行实时的收集空间和地面观测数据的空间天气预报。实时的数据也可以通过连续的监测空间天气得到，同时，也可以通过对实时的空间天气数据进行分析，发布关于产生太空风暴的必要空间天气的预报警告，从而使我们及早的认识到空间环境条件的变化。此外，许多其他的应用程序也是可以做到这一步的，假如它们使用实时数据作为预测模型中的输入的数值作为预测值，而产生输出。本文介绍了实时空间天气监测的技术，还有空间天气的应用。

关键字：实时监测；空间天气；国际空间环境服务；国际地球物理年

简介

国际地球物理年（IGY）的国际联合研究项目在1957年一直到1958年期间持续进行。对于IGY，开发了称之为世界数据中心（WDC）的世界观测网络和数据中心，以研究离子球，地磁场， 太阳，宇宙射线等感兴趣的话题为目的。

在这个IGY期间，各个国家的参与机构之间交换了称为太空世界区间（SWI）的地磁风暴的24小时预报，以联合国际上的各个组织一起观测太阳和地球的环境。这个SWI是国际空间环境局（ISES）提供的空间天气信息服务的起源之一。在日本，无线电研究实验室（今日的国家信息通信技术研究所）进行了SWI的观测。在IGY时期，由于科技方面不是很发达，通信没有像现在那么便利，没有能够立即发送大量数据的通信方式;因此，所有观测到的信息都需要被编码，并且通过电传发送到不同的站点。然后，每个网站获取到这些信息之后需要再次将信息转换成莫尔斯电码，并通过短波的方式进行广播。图1显示了编码观察数据的一个典型的例子。这些活动后来被继承并且形成国际URSIgram和世界日服务（IUWDS）。图2显示了IUWDS国际合作中的信息交流

图1 编码观察数据例子

图2 IUWDS国际合作信息交流

近些年来，快速互联网的迅速普及使得人们可以在几乎实时的基础上从地面观测站和卫星上获得大量的观测数据。这反过来同样又使人们有可能进行联合观测，而从地面观测站和卫星获得的观测数据，监测，并扩大了可能的联合观测的范围，如灵活修改观察对象按照对象的活动。在空间天气中，利用实时数据对空间环境进行连续监测已成为可能，从而认识到。另一件可能的事情是自动检测太阳高能粒子的到达，星际冲击，以及其他危险现象，警告发送给用户等等。从卫星和地面观测网实时数据监测在日本空间天气预报中心的国家信息通信技术研究所（NICT）如图3所示，如果一个空间风暴发生，警告就会发送给用户。这样的实时数据，不仅可以识别空间环境条件，同样也可以作为输入的预测模型。预测模型的使用有望提高预测精度。日本一直试图通过使用实时的太阳风数据的神经网络预测地磁DST指数。仿真模型的地球磁层的磁流体的代码是在近实时的方式实时太阳风计算已开发的实时仿真模型，电离层和太阳和太阳风。利用磁层仿真模型计算了电离层的仿真模型。太阳和太阳风的模拟模型利用太阳磁场数据作为输入。

图3 国家信息通信技术研究所（NICT）

实时收集数据从观测点没有很好建立通信基础设施的一个有效的方法是利用人造卫星。利用人造卫星实时数据采集的一个创业项目是一个叫做INTERMAGNET国际项目（国际实时地磁观测台），是在上世纪80年代末推出。从观测点收集的地磁数据，INTERMAGNET使用气象卫星通信信道（通道，向日观测，和气象卫星）。NICT成为成员，收集INTERMAGNET地磁数据在实时的基础上，从Kakioka磁台，和其他的天文台利用气象卫星向日观测。

本文介绍了空间天气实时数据的有效性，包括NICT。

2 基于实时数据的空间风暴警报

实时数据使有的是具有争议的监测空间环境，用以认清空间风暴产生的条件。这使得它可以尽可能的发出早期警告，使用户能够提前知道关于太阳高能粒子的到来，地磁暴的发生，高能电子通量在地球同步轨道的增强，以及其他现象的技术系统的危险。另一种可能性是自动检测危险空间环境的发生，然后发出关于空间风暴的警告。例如，Shinohara等人。开发了一个基于风暴突然开始自动检测系统（SSC），在此基础上，实现了从日本的地面地磁观测网实时数据。本系统采用从地磁观测的网络数据的实时自动检测与行星激波振幅最大值的波动数值和有关地磁场脉冲的变化，上升时间和时间的变化，通过分析得到的这些数据，得到较为准确的实时数据然后报告检测结果通过电子邮件上传系统。图4是一个网页空间天气信息显示地磁风暴开始，对德林杰现象发生，太阳高能粒子的到来，高能电子通量增强，并通过自动检测发生的偶发E层。在从美国气象卫星实时数据、太阳X射线、太阳高能粒子和高能电子被用于事件的自动检测。

图4 网页空间天气信息显示地磁风暴

3 实时数据作为空间天气预报模型的输入

实时数据可以用作预测模型的输入。预测模型的使用有望提高预测精度。美国宇航局发射ACE（高级组成探险家）的航天器一直在观察太阳风在点L1的太阳和地球是平衡的重力从地球上游约150万公里，并连续发送太阳风数据的实时基础，因为1997。日本已共享来自美国国家海洋和大气管理局/空间天气预测中心合作的ACE航天器实时接收数据（NOAA / SWPC）。实时的太阳风数据从ACE飞船使太阳风扰动的到来被检测到约30分钟至一小时才到达地球。尝试使用实时的太阳风数据是从国际太阳地球explorer3接收数据（ISEE-3）从3月1980至1982年年中由NOAA /秒的飞船（今天的NOAA / SWPC）与为磁暴预警NASA合作。当时，数据主要用于监测太阳风条件。

已经开发了几个预测系统的基础上的神经网络模型，通过使用实时的太阳风数据。Watanabe等。利用Elman神经网络，建立了地磁磁暴的地磁DST指数预测模型。Watanabe等。使用实时的太阳风数据（例如，速度，密度，磁场强度，X，Y和Z组件的磁场）作为输入。图5显示了基于该模型的DST指数预测实例。渡等人。研制的高能电子通量的变化对地球同步轨道基于神经网络预测模型。高能电子通量在地球同步轨道的增强引起的介质深层充电人造卫星故障。因此，这种增强的预测是必要的。高能电子通量在地球同步轨道，可以利用现有的高能电子通量由从ACE卫星的太阳风卫星实时观测数据提前24小时预测。图6显示了一个例子，预测在此模型的基础上地球同步轨道高能电子通量。

实时太阳风数据也可以用来作为输入的数值模型。图7显示了地球的磁层的实时仿真结果，通过基于实时的太阳风数据作为输入磁码进行NICT开发。这个模拟的结果是在开放的网页上的公众的。地磁指数被称为极光电喷流（AE）指数的极光活动的一个指标是利用仿真计算结果。

图5 DST指数预测实例

图6 地球同步轨道高能电子通量

图7 地球的磁层的实时仿真结果

4 实时数据在空间天气研究中的作用

空间天气是一个近地空间环境变化的概念。它与行星大气层内的天气截然不同，涉及空间等离子、磁场和辐射等现象。“空间天气”通常与近地空间磁层紧密相连，但其也研究行星际空间的变化。在我们的太阳系内，空间天气主要受太阳风的风速和密度、以及太阳等离子体带来的行星际磁场三者的影响。各种各样的物理现象都与空间天气相关，包括地磁风暴和亚暴，在范艾伦辐射带的电流，电离层扰动和闪烁，极光和在地球表面的磁场变化诱导的电流等。实时数据使连续监测空间和地面观测数据成为一个可能方向。这增加了未来联合观测的灵活性以及可靠性。例如，这使得它能够更容易灵活地改变观测时间和观察对象的活动的状态，主要是通过确定发射火箭的定时等手段。连续监测的实时数据为我们的研究开辟出了一个新的现象，发现了迄今为止还未确认的实时数据流的可能性。此外，实时采集的数据使得它可以验证的想法，及时引用相关数据时发现一个新的现象。

5 作为教育和公众宣传材料的实时空间天气数据

实时空间天气数据是目前来说较为优秀的教育和公众宣传材料。图像的极光和提供一个实时的基础上太阳让大众成为目前空间天气情况比较熟悉。例如，SOHO区（太阳和日光层天文台）的太空飞船由美国宇航局和欧洲空间局允许的近白色的光，被太阳极紫外图像实时推出，和日冕是在图8所示的网页公布。因此，一般公众都可以去访问这些网页，享受实时观看太阳图像的服务。日冕物质抛射及相关冲击波，也是空间天气的重要动力，因为它们可以压缩的磁层和触发地磁风暴。太阳高能粒子，日冕物质抛射或由太阳耀斑加速，也是对空间天气的重要驱动力，因为它们可以破坏航天器电子设备，并威胁到宇航员的生命。空间天气对空间探索和发展这些领域产生深远的影响。地磁的变化可引起大气密度的变化导致低地球轨道航天器的高度迅速降低。由于太阳活动引起的地磁风暴能够致盲航天器上的传感器并干扰机载电子设备。对于人造航天器的防护系统的设计来说了解空间环境至关重要。磁暴同样会增加高空飞行情况下飞机乘务员的辐射量。

太空天气的变化有时会影响到我们的日常生活，甚至会可能成为吸引公众对太空科学兴趣的切入点。例如，在1989三月发生强烈的地磁风暴时，一个地磁感应电流引起的大停电在加拿大的魁北克省，影响到了大约六百万人。此外，空间风暴还能够干扰到通信卫星和广播卫星的通讯，

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