众所周知，严重的空间天气事件——尽管相当罕见——会对我们使用全球定位系统（GPS）设备产生负面影响。不过，我们发表在《 Geophysical Research Letters》上的研究显示，另一种每天都会发生的空间天气也会给 GPS 带来问题。
了解如何预测——或预报——这些日常空间天气事件，是保护依赖 GPS 的人们和行业的关键。
过去几十年来，人们对 GPS 的认知和使用大幅增加；这无疑部分归因于车载卫星导航系统和支持 GPS 的智能手机日益普及且价格亲民。
但在澳大利亚，包括农业、采矿和建筑业在内的行业对 GPS 的使用也大幅增加，预计 这将 在 2020 年前为国家经济带来最高达 137 亿澳元的增长。
这种使用量的增加，尤其是对 GPS 依赖程度的上升，实际上提高了社会对空间天气的脆弱性。正如其他网上 文章所详述的那样，空间天气会影响我们对全球许多基于空间的技术和资产的使用。
电离层扰动
空间天气中一种常见、但鲜有报道的现象，是夜间发生在地球电离层中的等离子体扰动，称为赤道等离子体泡。
顾名思义， 这些扰动 发生在磁赤道附近，例如东南亚和澳大利亚北部。在某些经度区域，例如非洲上空，这些等离子体泡几乎全年每晚都会出现。
导致这些电离层扰动开始发生的过程，并不涉及太阳表面的高能爆发，例如人们熟知的 太阳耀斑 和 日冕物质抛射。相反，等离子体泡是电离层内部驱动的扰动，日复一日地发生。
日落后，来自电离层下层、电子密度较低的等离子体上升到电离层上层、电子密度较高的等离子体中，类似轻质流体上升到重质流体中。这一过程称为广义 瑞利–泰勒不稳定性。泡边缘的陡峭梯度会产生等离子体波，即湍流。
信号中断
这种湍流会散射穿过其中的无线电波，例如卫星通信中使用的无线电信号，以及 GPS 定位、计时和导航所用的信号。
地面上的结果是，接收到的信号开始在振幅和相位上随机波动（这种效应称为 电离层闪烁），并变得无法被接收机识别。
这会经常导致卫星到地面的无线电链路完全中断。使用 GPS 时，只有在接收机同时失去多个卫星信号时，这才真正成为问题；由于这些等离子体泡的存在，靠近磁赤道的地点常会发生这种情况。
但在仅使用一颗卫星的情况下，例如卫星通信，失去对主卫星的锁定显然会造成负面影响。
一项近期研究 调查了等离子体泡可能造成的影响；该事件中，美国作战士兵与阿富汗塔利班战斗人员发生致命交战期间，无线电通信出现故障。
由于这些等离子体扰动影响的无线电频率范围很广，受影响的应用还包括其他形式的卫星信号和通信，例如卫星蜂窝通信和电视广播。
预报等离子体泡
目前还没有非实验性、可公开获取的模型或在线产品，能够告知人们等离子体泡可能导致的 GPS 中断。这主要是因为我们对这些扰动仍有许多不了解之处。
从科学角度看，等离子体泡的季节性行为已相对清楚，但它们为何某天发生、次日却不发生，仍是电离层物理学中一项重大且持续存在的挑战。
因此，这一特定领域的一项关键研究目标，是开发可靠的逐日空间天气预报能力，专门预报等离子体泡，方式类似气象学家发布的传统“雨天”预报。
我们的研究使用了一种人工神经网络（ANN）预测算法。这是一种自我学习程序，通过给定的多参数数据集进行训练。
在本例中，这些参数是由 先进成分探测器 航天器测量的若干太阳风量；该航天器位于太阳与地球之间的 L1 拉格朗日点 。该 算法 利用这些数据，预测由所测太阳风引发的地磁活动水平。
我们将该预测算法的输出与基于物理的高层大气建模相结合，尝试预测这些扰动的开始发生时间。
我们证明，对等离子体泡的预测准确率最高可达 95%，这有望让任何受电离层闪烁影响的人提前数小时获知可能发生的中断。有了此类预报，依赖 GPS 的人们和行业便能够在中断发生前做好规划并加以应对。
一些地磁活动有利于 GPS
我们的结果还表明，常见的低强度 地磁暴与太阳表面的等离子体扰动有关，能够有效阻止赤道等离子体泡生长，从而避免其造成 GPS 中断。
这一点很重要，因为在等离子体泡高发季节（澳大拉西亚地区为 2 月至 4 月以及 8 月至 10 月），每天都具备等离子体泡生长的有利条件。
我们发现，地磁暴会改变全球高层大气风场系统，从而在这些时段阻止赤道处的泡生长；我们的 GPS 观测有力地支持了这一结论。
来自太阳的这些地磁扰动会阻止等离子体泡生长，因此在这些等离子体泡高发季节，人们仍有机会在夜间继续使用 GPS。
因此，对于在低纬度地区使用 GPS 的人们——包括东南亚、太平洋地区、南美洲和非洲——来自太阳的地磁扰动实际上有助于在日落后阻止 GPS 闪烁事件，尤其是在闪烁通常每晚都会发生的时节。
合作发表。
作者：Brett Carter 是皇家墨尔本理工大学空间天气与电离层物理学博士后研究员。
