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解读空间天气预报因果链

2011年10月13日 星期四 17:45:29 来自: 《科学时报》 (2011-10-10 A4 基金) 记者:张双虎

电力管网、通讯技术和信息技术是现代社会文明建立的基础。社会发展程度越高,对其依赖性越强,而这些都是极易受到空间天气影响的领域。

随着“神舟”系列火箭、天宫一号等空间飞行器的顺利发射,我国航天领域的迅速发展也让公众对空间天气的关注度越来越高。

指数化让空间天气易知可感

“如果我们直接把监测的数据告诉你。比如,今天有多少个太阳黑子,你可能不知道是什么意思,很难对太阳活动程度有个大致的判断,很多监测数据就连专业人员也不易有个大致的概念。”中国气象局国家空间天气监测预警中心主任王劲松研究员说,“但如果告诉你今天太阳是平静、活跃或者特别活跃,你就有个大致的感觉了。”

就像中央气象台在天气预报中的作用一样,国家空间天气监测预警中心在空间天气监测预报时,要面对决策、专业(受到空间天气影响的部门,如航天、通讯领域和进行相关研究的科学家)和公众三类最终用户。

“日地空间环境与空间天气是国家自然科学基金委员会地球科学部的优先发展领域之一。而空间天气预报预警则是该优先发展领域中与最终用户联系最紧密的一个亮点研究方向,空间天气指数化就是把科学认识与应用需求进行高度的融合和概括,让空间天气可感易知。”中科院院士、空间科学家魏奉思说。

在天气预报中,气象台会将降雨量为多少毫米等数据转化为暴雨、大雨、中雨、小雨等公众可直接理解的级别。当存在用户群体时,空间天气状态的描述和预报也不再像单纯的科学研究那样可以直接使用众多的专业术语。空间天气预报也和日常天气预报一样,要给用户一个基本的可感知的概念,用户可以据此对空间天气状况有个基本的了解和判断,并进而制订应对空间天气灾害的措施,避免恶劣空间天气给社会生活造成影响。

“今天太阳活动是活跃还是平静,太阳爆发强度怎样,电离层扰动与否,地磁活动性强弱等,都要有一套标准。我们先把空间天气等级化,再把等级化的后果指出,就是把它们指数化。”王劲松说,“重点是,指数本身代表一种可预报性,比如黑子数、KP指数,都代表一种可预报性。”

“优秀的空间天气指数特点是数据可获得、简洁、可分级、可预报。”中科院地质与地球物理研究所研究员徐文耀说,“比如地磁活动性,其所涉及的地磁场变化种类繁多、形态各异,而且频谱宽、范围广、分量多、原因复杂,指数有六七十种。面对复杂的地磁活动和无穷的变化很有必要根据实测资料进行分析研究,用简洁易行的指标进行总体检阅和形态描述。当我们面对非专业人员的时候,能简洁地描述空间天气状态。”

完善空间天气预报指数链

从实际应用的角度出发,人们更注重结果,即某一事件对人类生产生活产生怎样的影响。如台风从太平洋产生,如果它不会影响人类的正常生活,我们就不会关注它。我们研究它、跟踪它就是想掌握它产生、运动、登陆的规律,并预测它对我们的影响。

“现在我们监测太阳活动区,看它有没有爆发,有没有物质喷出,判断喷发的物质怎样在太空传播,进而判断太阳活动后期对地球有没有影响。”王劲松说,“如果不究其因,就不知其果。做空间天气预报预警必须监测空间天气从日到地的整个因果链条。”

一次太阳风暴可以分三个时空区域去考察:起源(太阳),传播(从太阳到地球的星际空间)和影响(太阳风暴冲击到磁层后对地球的影响)。在这一链条中,人们对太阳活动和地磁活动的指数研究相对较多,而对电离层的分类指数还十分缺乏。

电离层的电子密度昨天是多少,今天是多少,未来会有什么变化,什么样的状态我们可以把它定义成平静、扰动或剧烈扰动,现在科学上还没有严格的定义。

“从研究的角度总能找到一套指标体系,但从因果链的角度看,什么样的太阳活动等级、地磁活动等级能引起怎样的电离层扰动?好的指标体系应能让不同区域的指标相互匹配起来,从而用以描述从太阳活动到地磁影响再到电离层变化等一系列的耦合关系,但这其中关系很复杂。例如,目前地磁暴到电离层之间的环节还没有完全搞清楚。”王劲松说。

“好的指标体系不仅可以帮助我们理解空间天气的总体好坏,还应该可以帮助我们掌握空间天气因果链上各环节的空间天气好坏。”王劲松说,“如果把这一链条上每一个环节都指数化,并从整个系统的角度,考虑各个环节指数间的耦合,并提炼出一个总体的指数,就可以形成一套从科学到应用都好用的指标体系。”

航天梦背后的空间天气服务

国家空间天气监测预警中心时刻在进行空间天气观测、预报和预警。在天宫一号成功发射、顺利变轨运行中,中心每天都为有关部门提供预报服务。此外,我国还有如中科院的天文台、中科院空间科学与应用研究中心以及中国电波传播研究所等许多单位为天宫一号的安全运行实施空间天气服务。

“对专业用户,我们除提供基本的空间天气服务外,还会根据其需求,提供订制服务。”王劲松说,“比如我们为天宫一号提供保障安全(空间碎片预警预报)、稳定(高层大气密度预报)、精确(电离层电波特性预报)、保险(空间辐射变化预报)四个方面的服务。”

天宫一号目标飞行器顺利进入近圆轨道后,还将与“神八”飞船实现空间交会对接。高层大气密度的变化会直接影响低轨道航天器的轨道与姿态保持。对接中要对空间飞行器进行精确控制,飞行器和控制中心的联系必不可少,而电离层的变化会影响通讯效果。若遇上强烈的太阳风暴吹袭地球,这些影响将变得格外重要。

“所有这些,都需要我们做好空间天气指数化工作,研究和掌握空间天气预报预警因果链。”王劲松说。



空间天气因果链示意图(CME为日冕物质抛射)

 

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