地球电离层的认知革命

[ 录入者:Melipal | 时间:2016-12-24 14:14:51 | 作者:Melipal 译 | 来源:NASA | 浏览:825次 ]

原文标题:Revolutions in Understanding the Ionosphere, Earth’s Interface to Space

作者:Sarah Frazier   原文来自:NASA  Posted: 2016. 12. 14

编译:Melipal   审校:Linq(编译版权所有,未经许可请勿转载)

来自NASA以及3所大学的科学家作出了新的发现,说明电离层中的热量和能量是如何移动并显现自身的。电离层是地球大气中的一个区域,这里对上方的太空与下方的地球发生的变化都有所反应。

国际空间站上所见夜间地球的边缘,图中还合成了气辉的影像。(图片提供:NASA)

在地表之上的高空,在最高层稀薄的大气之下,分布着由太阳有害的紫外光照射分离而成的正负离子组成的粒子海洋。这里叫做电离层,是地球面向太空的界面,也是地球的中性大气和地面天气让位于太空环境的地方。太空环境支配着宇宙中地球之外的绝大多数空间,这里拥有带电粒子以及复杂的电磁场。电离层由下方大气的波动塑造,又对太空中变幻的环境有着独特的相应,将这样的空间天气转化为影响地球的可观测现象——极光的塑造,对通信信号的干扰,有时还会导致卫星故障。

电离层是地球大气中由带电粒子组成的一层,分布在地表之上50到360英里的高度上。电离层中发生的过程还在天空中形成了明亮的色带,也就是气辉。点击下载NASA戈达德科学可视化工作室的多媒体信息(图片提供:NASA)

我们对这其中的很多效应了解得并不充分,这使得电离层在大半意义上仍属于神秘地带。2016年12月14日,在旧金山召开的美国地理学联合会秋季会议上,来自马里兰州格林贝尔特(Greenbelt)NASA戈达德太空飞行中心、华盛顿特区美国天主教大学、科罗拉多大学玻尔得(Boulder)分校以及加州大学伯克利分校的科学家展示了有关电离层的最新结果。

其中的一名研究者解释了电离层与大气中的热层之间的相互作用是如何抵消掉热层中的加热作用的。而这种加热作用会导致高层大气的膨胀,由此会引发航天轨道过早的高度损失。另一名研究者描述了电离层之外的能量是如何积累起来,最终发生放电的。这种放电与闪电并无二致,为空间天气的能量越过电离层的方式提供了一个解释。还有一名科学家讨论了NASA即将发射的两颗卫星,它们将提供该区域关键的观测,帮助我们更好地了解电离层对空间天气与地球天气的响应。

电离层变化的主要驱动力来自太阳活动。虽然对于地面上的我们来说,太阳看上去并无变化,但实际上它是一颗非常活跃的活力星球。在阻挡紫外线的大气之上,从太空中观测太阳,我们会看到持续的活动,包括光线、粒子和磁场的爆发。

太阳偶尔会释放出庞大的粒子与磁场云,它们从太阳上以超过每小时100万英里的速度爆发而出。这种现象叫做日冕物质抛射,简称CME。当CME抵达地球后,其中埋嵌的磁场会与地球的天然磁场(磁层)发生相互作用,有时会挤压磁层,甚至导致磁层部分区域的重组。

这样的重组事件会诱发漂移电磁场的链式反应,让业已束缚在地球附近的粒子四向飞掠,从而向地球大气传输能量。这些粒子可以产生一种认知度最高、最让人心生敬畏的空间天气事件——极光,又称北极光。

但是向大气传输能量的过程并非都如此无害。它还会加热低轨道地球卫星环绕其中的高层大气,让大气像热气球一般膨胀。

来自科罗拉多大学玻尔得分校的空间科学家德洛丽丝·克尼普(Delores Knipp)说:“这样的膨胀意味着,高空中的物质数量要比我们的预期更多。多出来的东西会阻碍卫星运行,破坏它们的轨道,并且让卫星的跟踪变得更加困难。”

在地磁暴期间,地球高层大气的膨胀会改变卫星的轨道,让它们的高度越来越低。点击下载NASA戈达德科学可视化工作室的多媒体信息(图片提供:NASA)

这一效应叫做卫星阻尼。新的研究表明,这一对高层大气在太阳风暴期间反应的观点(以及由此引发的卫星阻尼)可能并不是一直正确的。

新工作的领导者克尼普说:“我们的基本认知是,地磁暴会将能量注入地球系统,由此导致热层的膨胀,这会将卫星拉入低轨。但是情况并非总是如此。”

有时,来自太阳风暴的能量会诱发化学反应,在高层大气中产生一种叫做一氧化氮的化合物。在高度极高的空中,一氧化氮发挥着冷却剂的作用,促进能量向太空的太一,因此这一成分明显的增加会导致过度冷却的现象。

克尼普说:“过度冷却现象导致大气迅速将地磁暴注入的能量损失掉,速率要比预期快得多。这就好像是高层大气中的调温装置被设置在了‘制冷’一档。”

如此快速的能量损失会抵消先前提到的膨胀,让高层大气收缩回落,有时甚至比初始状态还要小,这使得卫星会在密度低于预期的区域运行。

克尼普及其小组进行的新分析为可能导致过度冷却以及高层大气快速收缩的磁暴分了类。通过比较美国国防部卫星以及NASA的热层、电离层、中间能量与动力学卫星(TIMED)在超过10年的时间里采集的数据,研究者辨认出了整个高层大气中能量移动的方式。

克尼普说:“当非常快速且磁场有序的太阳抛射物冲撞地球磁场时,最有可能发生过度冷却事件。慢速的云团或磁场有序度较低的云团不会带来同样的影响。”

这就意味着,与直觉相反,能量最高的太阳风暴可能会导致高层大气净的冷却和收缩效应,而非像先前认为的那样变热并膨胀。

与冷却过程相竞争的是太阳风暴的能量注入地球大气时导致的加热。虽然科学家已经知道,太阳风暴的能量最终会抵达电离层,但他们对能量转移发生的地点、时间和方式所知甚少。新的观测表明,这样的过程是局域化且爆发性的,部分取决于电离层本身的状态。

传统上说,科学家认为能量穿过地球磁层和大气的方式是由入射太阳风粒子和磁场的特性决定的。举例来说,持续时间长且稳定的太阳粒子产生的效应不同于快速但不持久的粒子流。然而新的数据表明,能量移动的方式与磁层和电离层联结的机制关系更为紧密。

来自NASA戈达德中心与美国天主教大学的空间科学家鲍勃·罗宾森(Bob Robinson)说:“实际上,能量转移过程非常类似于雷暴期间闪电的形成。”

在雷暴期间,云层和地面之间电势差异(电压)的积累导致了突然而猛烈的电能释放,其形式就是闪电。这样的放电现象只会在云层和地面之间存在导电通路的情况下才能发生。

类似地,轰击磁层的太阳峰会在电离层和磁层不同区域之间积累起电压。在这些区域之间会形成电流,产生导电通路,而这是积累的电能作为某种形式的闪电释放到电离层所必需的。

这一新研究的领导者罗宾森说:“地面上的闪电发生的时间是数毫秒,而磁层和电离层之间的这种‘闪电’会持续数小时,期间转移的能量也要比一般的闪电高数百到数千倍。”这些结果是基于全球性的铱星通信卫星系统采集的数据得出的。

由于太阳风暴会让导致磁层—电离层闪电发生的电流增强,当地球的磁场被太阳活动推挤的时候,这类能量转移发生的可能性最大。

此等磁层—电离层闪电带来的海量能量转移与电离层和高层大气的加热成协,同时也与增强的极光活动相关。

前瞻

虽然科学家在了解驱动电离层(转而是地球)变化的关键过程方面日益进步,但仍有很多东西尚待了解。2017年,NASA将发射两颗卫星来研究这个动态区域,它们分别是电离层联结探测器(ICON)全球边缘与圆面观测卫星(GOLD)

效力于ICON与GOLD卫星的空间科学家、来自加州大学伯克利分校的斯科特·英格兰(Scott England)说:“电离层不仅对太阳风暴的能量注入有所反应,龙卷风、风力行为等地球上的天气也会塑造大气层和电离层,改变它们相对空间天气响应的方式。”

ICON将同时测量电离层中的带电粒子与大气中中性粒子的特性,其中包括由地球上的天气塑造的那些,以了解它们的相互作用情况。GOLD将进行很多相同的测量,不过是在静地轨道上进行的,这就为电离层的变化提供了全球性的视角。

NASA的电离层联结探测器(ICON)与全球边缘与圆面观测卫星(GOLD)提供针对地球电离层和高层大气的互补观测。点击下载NASA戈达德科学可视化工作室的多媒体信息(图片提供:NASA)

ICON和GOLD卫星都将借助一类名叫气辉的现象来研究电离层。气辉是由受到太阳辐射激发或电离的气体发出的光线。通过测量气辉发出的光线,科学家可以跟踪电离层和中性大气中粒子组分、密度甚至温度的变化。

ICON的轨道距离地球表面350英里,这可以让它研究大气的剖面轮廓,让科学家空前地观测不同高度上电离层的状态。同时,GOLD距离地表22000英里的位置将使它跟踪电离层贯穿全球的变化,这就好像是气象卫星跟踪风暴一样。

英格兰说:“我们将使用这两颗卫星来了解动态天气系统是如何反映在高层大气中的,还有这些变化是如何对电离层产生影响的。”

ICON和GOLD都是探索者级别的卫星。NASA的戈达德中心为华盛顿的NASA科学任务理事会管理着探索者计划。加州大学伯克利分校的空间科学实验室将开发ICON卫星及其两台紫外成像光哦也,而华盛顿特区的海军研究实验室将开发MIGHTI仪器,德克萨斯大学达拉斯分校将开发离子速度计,ICON卫星本身正在由弗吉尼亚州杜勒斯市(Dulles)的轨道ATK公司建造。GOLD由中佛罗里达大学领导,科罗拉多大学波尔得分校的大气和空间物理实验室正在为其建造仪器。

NASA的戈达德中心为NASA华盛顿总部科学任务理事会属下的太阳物理学分部管理着TIMED卫星。马里兰州劳雷尔市(Laurel)的约翰·霍普金斯大学应用物理实验室为NASA建造了这颗卫星。

相关链接:NASA的美国地球物理学联合会网站 点击下载NASA戈达德科学可视化工作室的多媒体资源

沙粒之下存在着较硬的地表。蜘蛛结构的形成条件可能是要保证地表足够柔软,可以被沙粒雕琢,但是也不能过于疏松,否则沙子就要像北极那样将沟渠填满了。新的研究为二氧化碳以地下的方式塑造火星地貌的过程提供了线索。

MRO于2006年开始环绕火星。来自加州帕萨迪那(Pasadena)NASA喷气推进实验室的MRO代理任务科学家莱斯利·坦帕里(Leslie Tamppari)说:“极高分辨率成像与探测器的长寿命结合起来,让我们得以调研火星上活跃的过程,它们可能会在数季度或数年的时间里产生可探测的变化。我们因火星的动态变化程度而感到震惊。”

HiRISE是由图森(Tucson)市的亚利桑那大学操控的。这台仪器是由科罗拉多州玻尔得(Boulder)的波尔(Ball)航空航天技术公司建造的。隶属于帕萨迪那加州理工学院的JPL为华盛顿的NASA科学任务理事会管理着环火星巡逻者号探测器。丹佛市(Denver)的洛克希德—马丁航天系统公司建造了轨道探测器,并与JPL合作操控它。更多关于该项目的信息请访问:http://www.nasa.gov/mro

(全文完)

Tags:电离层 磁层 空间天气

责任编辑:Melipal

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