HF大气传播实时参数

HF大气传播实时参数

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前言

地表80公里以上的太空环境中并不是空无一物,仍然有着中性大气与带电粒子并且受到地球磁场、行星际磁场与太阳活动的影响。这些物质在太空环境中的变化现象在近年来开始受到瞩目,由于如同熟知的天气一般会随时间地点而有不同,科学家便称这些变化为「太空天气」。

太空天气最主要是受到太阳活动的影响,其次是来自地球大气层内活动等所产生的效应,又可以再分为稳定时的周期变化与特殊条件下的剧烈变化。在太阳活动宁静时,太空天气有着太阳周期变化、年变化、季节与日变化,或是与低层大气耦合产生其他的周期性的变化。但当太阳活动活跃且剧烈时,受到太阳表面剧烈的短波辐射或高能电浆物质喷发,太空环境粒子浓度升高、地球磁层受到太阳风挤压造成磁暴,就会产生剧烈太空天气变化。

感受不到且看似与日常生活无关的太空天气,随着太阳活动与太空中的行星际磁场变化,影响了地球的磁场与大气中的电离层,直接或间接的会影响人造卫星运作与干扰电波通讯。严重时,可能导致高频通讯中断、卫星定位偏差或资料传输缺漏。影响的范围涵盖人造卫星、空间站、航天员,卫星通讯、定位精准度与电波通讯,对太空中的设备,甚至是地面上的设施都有伤害。因此,太空天气其实对于民生、通讯、国防等领域都可能造成冲击,干扰到我们的生活。所以才需要提供即时的太空天气资讯,并让一般社会大众对于太空天气有所认识,不致于当剧烈太空天气发生时而有所恐慌。

常见的剧烈太空天气类型有:

  • 太阳闪焰
  • 高速太阳风
  • 日冕物质抛射
  • 磁暴
  • 电离层不规则体
  • 太阳辐射风暴

太阳活动数据

可见附录术语表

HF/VHF传播状态

太阳黑子活动状态


电离层实时气象资讯(台湾地区)

电离层全电子含量(Total Electron Content)

无线电波的传播会与电离层电子浓度的结构与分布有关,因此透过模式结合卫星和地面观测的资讯所建立的数值预报系统,能够每小时提供未来6小时全球电离层状态预报产品,以作为通讯与定位等活动的参考依据。

例如需要透过电离层反射的高频(High frequency, HF)无线电波通讯,电离层的浓度会对应到最大可用频率(Maximum usable frequency)的变化,也会影响到讯号可传播的范围。如果是地面与卫星之间的通讯,则会因为电波讯号穿透电离层而受到偏折的影响,像是生活中较常用到的卫星定位讯号,就会受到带电粒子浓度的变化而让定位结果出现偏差。

电离层全电子含量

电离层短波讯号吸收预报

当太阳辐射强度增强时,会游离电离层D层的中性大气,造成带电粒子浓度上升。此时,当高频(High frequency, HF)电波讯号利用电离层反射讯号达到远距离通讯时,讯号强度会因为通过电离层而出现衰减的现象,造成通讯干扰或中断,故称之为电离层电波吸收。

而太阳X-ray辐射中又以波长为0.1-0.8奈米(nm)的波段,最能够造成电离层D层的大气游离产生带电粒子,因此可以透过NOAA/GOES太阳辐射通量观测数据,计算出相关影响程度。影响程度还会随着太阳天顶角的变化,其中受到太阳直射的地区影响最为严重,并且随太阳天顶角降低,影响程度将随之减少直至日夜交界处,夜侧地区则不会受到影响。

电离层短波讯号吸收预报

太阳风与行星际磁场

太阳风主要由带电粒子所组成,除了直接影响到太空中运行的人造卫星外,太阳风也会挤压地球磁场造成扰动。由于地球磁层会阻挡太阳风的传播,当太阳风的密度或风速上升时,会挤压地球磁层导致磁层顶位置往地球靠近。同时,当行星际磁场的南向分量增加时,会在磁层顶产生磁力线重连的现象,造成更为剧烈的地磁扰动,甚至达到磁暴等级。因此透过太阳风密度、速度以及行星际磁场的分量强度的监测资料,能够更为准确评估地球磁场扰动的程度。

6小时数据
24小时数据

太阳X-ray辐射通量

当太阳表面活动较为剧烈或是有太阳闪焰发生时,会使短波(X-ray, 1.0-8.0埃(Å)波段范围)的辐射增强,使得日间地区的电离层D层电子浓度增加,造成高频/短波(High frequency/Short wave)无线电电波讯号在电离层中传播时受到影响,造成接收到的讯号强度出现衰减或中断。受影响的程度与太阳天顶角度、无线电波讯号频率有关,影响时间的长度不定,会与事件的强度和持续时间有关。

当1.0-8.0埃(Å)波段范围之短波辐射通量增强到M1(10 -5 Watts/m 2 )等级时,无线电干扰指标即为R1(微弱),并随着辐射通量数值上升划分至R5(剧烈)。

太阳X-ray辐射通量 6小时数据

过去30天空间环境观测数据与指数回顾

为什么需要回顾过去30天的观测数据与指数?

太空天气最主要是受到太阳活动的影响,由于太阳自转周期约为27天,因此当太阳表面上的太阳黑子或是日冕洞所能够维持的生命周期若能够超过太阳自转周期,就有可能再度影响地球。因此在进行预报作业时,预报员都会参考过去30天的观测资料总览,预测是否会有相同的事件再度向近地太空环境造成影响。

在过去30天回顾图中,由上至下分别为「太阳10.7公分波长辐射通量值(线段)、国际太阳黑子数(黑圆点)和气象署黑子数(蓝圆点)」、「GOES卫星X-Ray辐射通量」、「南北向行星际磁场强度」、「太阳风密度」、「太阳风风速」、「高纬度地磁扰动(Kp)」以及「低纬度地磁扰动(Dst,桃红线)和台湾地磁扰动数值(蓝线)」的观测资料一览图,以期能够让使用者了解过去的太空天气状态,并且评估剧烈太空天气再现的可能性。

过去30天空间环境观测数据与指数回顾

附录

证明:304A与SFI具有显著相关关系

  • 由杰瑞(VE6TL)提供。
  • 数据来自 SOHO/NOAA 的数据库,并绘制了 16 年期间 304A 通量与 SFI 的关系图。总体而言,这两个测量结果似乎具有良好的一致性。
  • 两条曲线的有趣差异之一是差异。它在前 5 年开始保持一致,然后在第一个峰值(2001 年)之后扩大,扩大,并在最大值(2002-2003 年)大幅缩小。从那时起,它一直在缩小,直到两条曲线基本上相互追踪(自 2009 年以来)。N0NBH 认为这可能是 SEM 传感器随着时间的推移而退化的原因。
304A 通量与 SFI 的关系图
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Source: github.com/k4yt3x/flowerhd
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