Ham Radio组建了一个行星大小的太空天气传感器网络

对于监视太阳活动对地球大气,电信和电力设施的影响的研究人员而言,业余无线电广播标志着众包科学的黄金时代。

由太阳辐射及其与地球大气相互作用引发的空间天气事件可能对通信和导航技术以及电力系统产生重大影响。与地面天气事件一样,与空间天气有关的破坏可能会产生巨大的经济影响,从而影响卫星系统以及地面系统。严重的地磁风暴(以1859年的卡灵顿事件为例)可能对现代基础设施造成灾难性影响。即使是更普通大小的太阳风暴,也会在电网中感应出电流,从而推高能源价格,从而影响制造业和商业。

人们非常关注开发太空天气预报技术,该技术使用地球的电离层作为其邻近大气层中事件的传感器。电离层在地理空间系统中占据着特权地位,因为它与下面的中性大气的地面天气和上面的磁层的空间天气都耦合在一起。

尽管我们对电离层气候有很好的了解-众所周知,昼夜和季节变化以及黑子周期的节律-但仍有新的重要研究领域需要探索。例如,已知电离层和近地空间会发生变化(例如,由于沿信号传播路径的电离层电子密度的变化,无线电信号可能会在数秒,数分钟或数小时的时间内淡入淡出),但是这种变异性尚未在区域和全球范围内进行充分的抽样或研究。

为了充分了解小空间尺度和短时间尺度上的可变性,科学界将需要庞大而密集的传感网络,以收集大陆和全球尺度的数据。开源仪器比以往任何时候都更便宜,更丰富,因此业余科学家进行电离层分布式测量的时机已经成熟—业余无线电界正面临挑战。

业余无线电科学公民调查(HamSCI)是一个集合组织,将业余无线电运营商与太空和大气科学领域的研究团体联合起来。这个由科学家,工程师和业余爱好者组成的联盟每年举行一次研讨会,在此期间,业余无线电操作员和太空科学家将分享发现。HamSCI的一项新工作是“个人空间气象站”项目,旨在开发一个健壮且可扩展的业余站网络,该网络将使业余爱好者可以为太空科学研究人员收集有用的数据。下一次HamSCI研讨会将在2021年3月19日至21日举行,其重点将放在中纬度电离层测量上。

现有的志愿者科学社区

从通信的角度来看,电磁频谱是一种有限的资源。来自广播,电信和导航的信号都有自己的带宽和范围要求。频谱分配由政府机构管理,例如美国的联邦通信委员会(FCC)。大多数国家将一些可用频谱分配给业余用户,以用于娱乐,实验和促进国际善意。仅在美国,就有760,000多名有执照的业余无线电运营商和不计其数的短波听众。

业余无线电运营商对太空天气有经验知识,因为他们想知道何时,在什么频率上可以建立通信,以及何时,何地无法建立通信。电离层的变化,例如由昼夜转变或太阳活动引起的变化,可能会阻碍或帮助各种频率上的通信。例如,在白天,20米波段(14–14.35兆赫兹)通常具有最长的跨大陆距离,而40米波段(7–7.3兆赫兹)通常在晚上工作效果最佳。业余无线电频率分配分布在整个电磁频谱中,可以在任何频率范围内进行有用的传播实验。

在追求业余爱好时,许多业余操作员都经历过听到高频(HF)频段(3–30兆赫兹)在日落之后立即变得安静或交换频率以到达遥远的电台的经历。汉姆斯非常重视太空天气状况的预测以及有关传播的实时信息,社区对此主题具有很高的科学素养。如今,为寻求远距离联系的业余爱好者经常会定期查阅诸如spaceweather.com之类的资源以及Tamitha Skov(“spaceweatherwoman”,其业余呼号是WX6SWW)每周播客。

由于廉价的单板计算平台(在单电路板上构建的完整计算机,例如Raspberry Pi)和开放源代码软件的出现,Ham radio当前正在经历技术复兴。这种基于计算机的系统充当虚拟无线电转发器,将计算机通过Internet连接到现实世界中的实际火腿无线电,以实现远程控制和数据收集。除了老式的语音通信追求之外,制造运动项目的诱惑以及业余执照考试中对摩尔斯电码要求的取消,导致了更多的有执照的业余爱好者。

在日益复杂的技术中,诸如自动分组报告系统(APRS),弱信号传播报告器(WSPR)和反向信标网络(RBN)之类的数字通信网络享有广泛的会员资格,并在收集时为业余社区服务以以前不可能的速率和分辨率传播数据。这些众包系统的覆盖范围以及业余社区的支持,为科学测量提供了巨大的机会。

利用科学数据

ham无线电信号如何告诉科学家起源于太阳并穿越太空数百万英里的能量和粒子?答案就在电离层,电离大气层可以将无线电信号折射回地球。这是一个复杂的区域,受到太阳风,极端紫外线电离辐射和地磁干扰的影响很大,甚至受到中低层中性大气的影响。

从研究电离层的科学家的角度来看,总的来说,ham无线电数据变得最为有趣。从2009年至今,RBN中的所有数据都存储在reversebeacon.net中,可以免费下载。从规模上看,较早引用的克利夫兰传输仅代表2017年10月17日记录的168,713个无线电点的一小部分,每个代表在给定时间在给定频率上两点之间的传播路径。

HamSCI鼓励业余运营商在2017年北美月蚀期间生成有关RBN的数据。后来的分析证实了RBN数据与基于物理学的电离层模型是一致的[ Frissell等。(2018年),表明该系统有望收集传播数据。

通过业余社区收集数据的另一个优点是,这些观察结果自然可以满足FAIR数据的要求:可查找,可访问,可互操作和可重用。执照的严格规定禁止业余操作员通过操作行为来赚钱,因此,操作员使用的大多数数据在创建时都是开放且可访问的。由于业余社区的大多数人都具有技术素养,因此数据库和记录的结构围绕机器的可读性。最重要的是,业余无线电在每个记录的联系人的元数据中都有一个全局和持久的标识符:每个持牌运营商或俱乐部都有一个唯一的呼号,并与各自政府数据库中的实际地址绑定在一起。

科罗拉多州柯林斯堡的外面就是电磁通信频谱的心跳,也是精确测量ham无线电和太阳天气之间相互作用的关键之一。广播电台WWV的声音,是美国国家标准技术研究院的时间和频率标准,是任何短波听众都熟悉的。

这些电台为收听者提供标准化的时间信息,公海天气预报和其他节目。位于科罗拉多州同一站点的WWVB站以0.060兆赫的频率传输,并向无线电控制的“原子”时钟提供定时信息。近几个月来,WWV的精确铯控制载体已被发现又可以用作电离层测量的信标。

将接收到的无线电信号与精确的本地频率标准(例如GPS约束的振荡器)进行比较,使用户可以测量这些电离层引起的频移。可以使用开源软件准备并记录此测量。从数据采集时,从多个位置同时记录的大量数据集提供了有关电离层的信息(当这些数据集被单独或集中检查时)。该信息包括电离层扰动的运动以及其他各种规模的重要现象。

Ham Radio组建了一个行星大小的太空天气传感器网络

频率测量节

2019年10月1日,HamSCI通过频率测量节庆祝WWV一百周年。HamSCI向业余无线电运营商和短波收听者发出了公开电话,以收集多普勒频移数据,大约有50个电台做出了回应。他们在AGU的2019年秋季会议上展示了该实验的结果[ Kazdan等。(2019年),并且实验数据可免费获得。这些数据具有丰富的电离层动力学特征,包括相干的波状扰动,周期性扰动约为一个小时。白天的观察更安静。即将在IEEE Geoscience和遥感快报中发表的论文中还将总结这些结果

WWV从未打算提供这些数据,但是该站的卓越精度,高功率和有保证的连续可用性使其成为理想的灯塔。由于廉价的受GPS约束的振荡器和单板计算机的出现,业余科学家可以组装完整的原型系统,以不到200美元的价格收集此类数据,或者可以从现有设备构建系统。

2020年日食期间的数据收集活动证明了科学家与业余社区互动的潜力。这些事件被称为“ Eclipse Festivals”,它遵循了WWV百年纪念活动的模板,在全球范围内使用10兆赫兹的时标站。2020年6月的Eclipse Festival于6月21日围绕东非和亚洲的环形日食而建,为期3天,包括来自19个国家/地区的50个电台的志愿者参加。在2020年12月的Eclipse节,为期7天的活动围绕建成的日全食12月14日在整个南美地区,从80多个站点收集了数据。两者都是通过用于无线电竞赛和其他活动的相同渠道进行广告宣传的。这些活动的大力参与表明了社区对社区科学的兴趣以及在科学运动中进行部署的潜力。

使太空天气个性化

个人气象站已成为气象学家熟悉的装置。通过诸如“地下天气”之类的站点联网的属于业余爱好者的站点提供了密集的传感器群,这些传感器报告了气温,压力以及降水。由于有了这些网络,我们对陆地天气有了更好的了解,但是对于电离层天气还没有这样的系统。

通过HamSCI,业余无线电运营商和研究人员通过设计用于个人空间气象站(PSWS)分布式网络的硬件来弥合这一差距,专业和业余科学家都可以使用。这些台站分为两种(图4):一种低成本模型,仅用于观测之类的频率测量节;另一种功能更强大的软件定义的无线电TangerineSDR,可以重新配置为宽带接收器。实验范围。两者的核心是单板计算机,该计算机与一组模块化仪器(例如磁力计)连接,并将数据上传到中央数据库。

这些台站正处于原型设计和测试阶段,计划在未来3年内部署PSWS网络,以记录即将到来的2024年北美日食。当月球的阴影在地球表面传播时,它将屏蔽下方的广播电台,使其免受太阳极端紫外线的辐射,这是收集基线无线电数据的绝佳机会。我们希望在2024年频率测量节之前及时建立并运行该网络,并邀请火腿作为志愿者科学家加入,以帮助增进我们对地球空间环境的了解。

该研究得到了美国国家科学基金会授予的AGS-2002278,AGS-1932997和AGS-1932972的支持。作者感谢所有HamSCI合作者,特别是图森业余分组无线电协会,麻省理工学院Haystack天文台,斯克兰顿大学,新泽西理工学院和凯斯业余无线电俱乐部(W8EDU)的合作者。

参考: K。Collins,D。Kazdan和NA Frissell(2021年),Ham电台组成了一个行星大小的太空天气传感器网络Eos,102,https://doi.org/10.1029/2021EO154389。2021年2月9日发布。

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