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The Earth from space
太空中看地球
【图片由NASA提供】

斯坦福太阳中心,斯坦福电子工程学院甚低频电磁波研究小组以及当地的一些老师共同研究制成了一种廉价的空间天气检测仪。学生能够在当地的高中或是大学安装并使用这仪器。观测仪主要探测有太阳耀斑或是其他扰动引起的地球电离层变化。学生只需花很少的钱和几个小时,自行制造简单天线即可参与这项活动。数据的收集和分析只需一台普通电脑完成。斯坦福将提供一个数据收集中心以及一个网络日志,方便学生互相交流。现有两个版本的检测仪——简称SID(电离层突扰)的仪器价格较低,主要用于高中。另一个更敏感的研究级的监测仪AWESOME,是为大学准备的。这份指南将介绍使用SID数据的方法。你不用拥有一个SID也能做到。更多关于SID监测仪项目的信息可以访问网站:

http://sid.stanford.edu

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Composite image of the Sun in extreme ultraviolet light. Photo courtesy of Steele Hill & the SOHO consortium.
太阳远紫外爆发时的组合图像。 Steele Hill & SOHO 组合
什么是空间天气监测仪?

空间天气监测仪通过观测甚低频 (VLF)在地球电离层反弹时的变化来测量太阳以及耀斑对地球的影响。甚低频电磁波由潜艇通讯中心发射,能在地球各个角落被接受。空间天气监测仪本质上就是一个VLF接收器。学生将观测无线电信号从接收器传到发射器的过程中在电离层发生反射后信号强度的变化。

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太阳如何影响地球?

太阳通过两种机制影响地球。第一种是能量。太阳平时向四面八方辐射恒定的X射线远紫外射线(EUV)。而当太阳发生耀斑时,它会突然放射出大量的X射线和远紫外射线。这些射线以光速前进,只需要8分钟就能抵达地球。

另一种机制是太阳喷出的物质。在扰动中,太阳也会喷射出等离子态的物质,这种状态下电子 可以在原子核周围自由活动。这一大堆物质被称为日冕物质抛射(CME)。这些物质流以每小时两百万公里的速度从太阳涌向地球,大约72小时就能到达。

太阳的能量和物质喷射都能影响地球。我们的空间天气监测仪追踪太阳活动造成的能量变化。这些来自太阳与宇宙射线的能量,始终都在影响我们头顶60公里处开始的地球的电离层。太阳的能量或是宇宙射线袭击电离层时,电子从原子核脱离。这种现象称之为电离,因此有电离层一说。

The Earth's Ionosphere
地球的电离层

电离层可以按海拔高度分为好几层,每层的电离程度不同。每层有自身不同的特性,而层的状态和数目每天都在太阳的干扰下发生变化。白天时电离层在太阳的影响下高度电离。而夜晚,因为太阳在地平线下面,宇宙射线占主导地位。因此,电离程度以一天为一个小周期。

除了每日的波动外,太阳的活动也能造成电离层的巨大突变。当太阳耀斑或是其他干扰所产生的能量到达地球时,电离层的物质将瞬时大量电离,直接改变各子层的电离强度和位置。因此,我们用SID(电离层突扰)来描述我们观测到的变化。

对无线电信号的传播产生强烈影响的是电离层中的自由电子。甚低频电磁波(波长较长)在电离层中被这些自由电子反射。这给我们带来了便利,使得无线电可以越过地平线并且绕过弯曲的地球表面进行通讯。接收到的无线电信号强度,由甚低频电磁波发生反射所在的那一子层的电离强度和位置决定。

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数据的获得

作为2007-2009国际日球物理年的一部分,SID观测仪在世界各地都有设置。从世界各地收集到的数据将被储存于位于斯坦福的总数据服务器,任何人都可以获取这些数据:

http://sid.stanford.edu/database-browser/

学生可以使用自己收集的SID数据,或是从数据中心得到的数据,或者使用这里提供的样板数据来进行上述研究活动。也就是说,学生不需拥有自己的监测器,也能接受和分析数据。

Students at Deer Valley High School calibrate their SID monitor.
鹿谷高中的学生正在校准他们的SID观测仪

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