科学家开发出一种直接从太阳观测中预测地磁暴的方法

作者：小菜更新时间：2025-04-25 点击数：

简介：太阳上的冕洞，SDO / AIA。

（神秘的地球uux.cn）据美国物理学家组织网（作者：斯科尔科沃科技学院）：斯科尔科沃科

【菜科解读】

太阳上的冕洞，SDO / AIA。

（神秘的地球uux.cn）据美国物理学家组织网（作者：斯科尔科沃科技学院）：斯科尔科沃科学技术研究所（俄罗斯）的科学家与莱布尼茨天体物理研究所（德国），格拉茨大学和Kanzelhöhe天文台（奥地利），萨格勒布大学和萨格勒布天文台（克罗地亚）的同事一起开发了一种直接从太阳观测中预测地磁暴的方法。

这些结果使得有可能将提前预警时间从几小时增加到几天，并保护太空和地球上工程系统的运行免受空间天气的影响。

该研究发表在皇家天文学会的月刊上。

太阳风是电子、质子和氦原子核的流，永久地从太阳吹来，沐浴着地球和太阳系的所有行星。

高速太阳风流起源于太阳上的日冕洞——太阳日冕中具有低密度等离子体的黑暗区域，磁场线自由地进入行星际空间，电离的原子和电子沿着它逃逸到行星际空间，在日冕中留下一个“洞”。

当快速的太阳风赶上并与由日冕的“平静”部分产生的更密集的慢速太阳风碰撞时，它会导致形成一个称为共转相互作用区域的巨型结构，它随太阳旋转。

在几天内到达地球轨道，它会引起地磁风暴和极光。

由于日冕洞可以在一次太阳自转中重新出现在我们面前，来自日冕洞的快速太阳风会导致反复出现的地磁风暴和极光，每27天重复一次。

太阳风从太阳到地球的传播时间大致在一到五天之间，这为预警创造了一个自然的提前期。

然而，行星际扰动的磁性结构，特别是驱动风暴的行星际磁场的向南部分，目前无法从太阳观测中确定，这极大地限制了提前几天预测风暴的可能性。

目前的地磁风暴预测方法主要受到基于对靠近地球的拉格朗日点L1的太阳风和行星际磁场的测量的短期预报的限制，提前时间为数小时。

一个国际科学家小组解决了空间天气应用的一个非常重要的问题 - 高速太阳风流引起的地磁风暴是否可以直接从太阳观测中预测 - 并提出了利用来自太阳日冕洞的信息进行地磁风暴预测的新颖而成功的尝试。

这些结果使预测的准备时间从几小时延长到几天，这对于近地环境和其他空间天气应用中的空间天气条件预警非常重要。

“我们建立了卫星图像得出的太阳日冕洞区域与L1太阳风速之间的经验关系;太阳光球遥感磁场图与L1原位测量之间;以及冕洞区域，太阳相应磁场和地磁指数之间，“该研究的第一作者Simona Nitti说，她是Skoltech硕士毕业生，目前正在英国莱斯特大学攻读博士学位。

“我们发现，从太阳传播到地球的冕洞磁场在80%以上的情况下被保留下来。

这为使用来自太阳观测的磁场而不是L1的磁场提供了可能性。

此外，为了改进预测，我们将行星际磁场向南分量的季节性变化纳入了地磁活动的预测模型。

“我们的研究代表了模拟地磁活动和解释观测到的地磁活动指数变化的一大步。

我们认为向南的行星际磁场（IMF）是地磁活动的重要驱动力。

由于这个磁场分量Bs在被IMF极性分开时显示出一对眼镜图案：当IMF指向/远离太阳时，磁场在春季/秋季增强，在秋季/春季减少，我们将这种形式纳入我们的预测模型中。

由于我们已经使用了有关冕孔的信息，并且每个日冕孔都具有一定的极性，因此对于给定的极性使用适当的Bs模式至关重要，“研究合著者Mario Bandić博士说。

“通过这种方式，我们打破了将地磁指数中的变化解释为'罗素-麦克弗伦效应'的常见做法，并考虑了卫星数据所揭示的由极性分隔的B的形式。

来自 Russell-McPherron 模型的 B 的极性场在一年中的一半时间是未定义的：对于指向太阳的 IMF，B 在秋季为零，对于指向远离太阳的 IMF，B 在春季为零。

以极性场的实际形式作为输入，使我们能够获得相当准确和可靠的预测模型。

“地磁风暴的强度取决于太阳风的性质以及太阳风拖到行星际空间的'冻结'太阳磁场。

然而，太阳风和任何风一样，是反复无常和不稳定的，这使得预测其特性具有挑战性，“Skoltech数字工程中心副教授，研究合著者Tatiana Podladchikova说。

“我们基于使用来自太阳冕洞的信息的方法为直接来自太阳观测的地磁风暴预测开辟了新的篇章，将预测的准备时间从几小时延长到几天，这对于保护太空和地面基础设施以及推进太空探索至关重要。

无论风暴如何肆虐，我们都祝愿太空中的每个人都有好天气。

一种降低在月球上丢失太阳能漫游车风险的新方法

我们方法的概念性概述。

大多数用于太阳能供电的长距离导线规划算法没有主动考虑可能的导航延迟。

在这里，虚白色路径显示了一个计划，该计划将PSR内的漫游车尽快引向阳光，但它对可能的延迟没有弹性，这种延迟将导致漫游车落后于计划，并错过关键的太阳能充电事件。

另一方面，主动考虑延迟蓝线的规划策略将使漫游车走上潜在的更长但更安全的轨迹。

鸣谢:uux.cn/背景图像和蝰蛇漫游者渲染:美国宇航局和亚利桑那州立大学。

据美国物理学家组织网（英格丽德·法德利）：美国宇航局和世界各地的其他太空机构定期向太空发送机器人和自动飞行器，以探索太阳系中的行星和其他天体。

这些任务可以大大提高我们对太阳系其他地方的环境和资源的了解。

多伦多大学航空航天研究所和美国宇航局喷气推进实验室 JPL的研究人员最近进行了一项研究，探索可以提高使用太阳能漫游车进行月球探索的有效性和成功率的回收策略。

他们的论文预先发表在arXiv上，介绍了一种新的方法，可以帮助太阳能漫游车安全地离开月球上永久的阴影区域。

领导这项研究的研究员Opvier Lamarre告诉Phys.org:近年来，几个国家已经表示对探索月球南极感兴趣，包括美国、中国、印度、俄国和其他国家。

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他们中的大多数人计划使用太阳能漫游车来探索经常处于阴影中的区域称为永久阴影区，或PSRs，我们怀疑这些区域可能包含大量的水冰。

可以想象，用太阳能漫游车进入PSR是一项冒险的尝试！如果漫游车因故障而延迟，它可能无法在能量耗尽前回到阳光中。

太阳能漫游车在能效方面有许多优势，但它们受到依赖太阳光运行的限制。

由于月球上的一些区域永久处于阴影中，漫游者对阳光的依赖可能会阻止他们安全地探索然后离开这些区域，导致他们在执行任务时耗尽能量。

拉马尔和他的同事最近工作的一个关键目标是量化失去太阳能漫游车的概率，因为他们正在探索月球上的这些阴影区域。

此外，该小组希望设计一种方法，帮助最大限度地提高太阳能漫游车安全完成任务的概率。

首先，我们需要定义太阳能漫游车在月球南极‘安全’意味着什么，拉马尔解释道。

为了做到这一点，我们关注漫游车在什么地方、什么时间离开PSR，以及它的电池还剩多少能量。

这表明了漫游车在下一段任务之前是否可以在原地冬眠因此，在那之前保持安全。

然后，我们计算一种在线遍历规划方法，漫游车可以从任何起始状态包括PSRs内部开始遵循该方法，以最大化其生存概率。

拉马尔及其同事概述的规划方法被称为恢复政策，因为它本质上是一种后备策略，允许漫游车最大限度地增加到达安全的机会即阳光将到达的区域，为其电池充电。

在他们的论文中，研究人员表明，在这种情况下计算这种复苏政策可能具有挑战性，因为它需要几个近似值，如果非常不正确，可能会影响整体预测的可靠性。

例如，时间是我们状态空间的连续维度，需要离散化，拉马尔说。

我们需要确保这种近似/离散化不会危险地扭曲对故障概率的预测。

在月球南极，太阳光照是高度动态的；附近的山脉和环形山可能会在地表投下巨大的阴影。

如果与近似政策假设相比，漫游者稍微落后于计划，它可能会错过关键的太阳能充电期。

如果比政策设想的提前一点，也是如此。

由于这些时间近似值极大地影响了太阳能漫游车回收政策的可靠性，拉马尔和他的同事们保持了高度保守。

这最终将失败的风险降至最低，同时增加了该策略在现实任务中保持安全的可能性。

我们认为这种方法在许多方面都是有用的，拉马尔说。

首先，它代表着向远程自主移动规划算法迈出了一步，该算法主动考虑或‘推理’太阳能漫游车的风险。

此外，我们的技术可以成为人类操作员在月球南极制定新的月球车任务的有用工具它可以用于着陆点选择、全球遍历规划和风险预测等，甚至可以通过地面回路操作支持正在进行的任务。

在未来，这个研究小组引入的回收政策可以应用于月球上的真实世界探索任务，以降低在阴影区域丢失太阳能漫游车的风险。

由于最近的研究是与美国宇航局的JPL合作进行的，这种方法很快就可以在各种现实的月球场景中进行测试。

到目前为止，我们使用Cabeus环形山的轨道数据测试了我们的方法，但我们希望使用美国宇航局定制的太阳照明地图，并将我们的技术应用于月球南极的许多其他区域，这些区域有一天将被机器人或载人任务访问，如Shackleton，Faustini，Nobile，Haworth和Shoemaker环形山，Lamarre补充道。

此外，我们目前正在研究新一代风险预测远程导航算法，用于利用太阳能漫游车探索月球南极。