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第25太阳活动周要开始了?

        2019111日,打破连续28天日面上没有黑子的沉默,一个新的太阳黑子(AR2750)浮现在太阳南半球(图1)。在这张来自美国宇航局太阳动力学观测站(SDO卫星)的局部太阳表面磁图中,我们可以清楚地看到这个黑子。

1   AR2750

    值得注意的是AR2750的位置:S28E25,即纬度偏高;磁场极性:+/-。这两个特征与目前隶属第24太阳活动周的南半球太阳黑子截然相反,意味着该黑子属于下一个活动周——第25太阳活动周。

    那么,现在是不是第25太阳活动周已经开始了?

1.  一个新太阳活动周到来时的黑子特征

    一般来讲,判断一个新的太阳活动周的到来,有两个决定性因素:(1)在相对较高的太阳纬度出现新的太阳黑子,(2)新的太阳黑子磁场极性的逆转。

    其中,第一个因素最初由理查德·卡林顿于1861年提出,后来由古斯塔夫·斯派勒在一个以他的名字命名的定律中定义。斯派勒注意到,从长期看,太阳黑子位置的纬度变化也存在11年周期的变化规律。在一个太阳活动周开始时,黑子一般都出现在纬度30度左右;随着黑子数的增加,黑子出现的纬度逐渐降低,在黑子数达到极大时,平均纬度15度左右;当太阳活动周结束时,黑子的平均纬度10度以下。如果按纬度绘制出太阳黑子随时间而出现的外观,就会得到一个整洁的“蝴蝶图”(图2),描绘了从最小到最大再到最小的 11 年太阳活动周期。

2   太阳黑子在日面上的纬度分布-蝴蝶图和各太阳活动周太阳黑子

(源自 NASA/MSFC/Solar Physics division

        第二个因素,20世纪随着观测技术的进步才能发现它。1908年,美国天文学的先驱乔治·埃勒里·黑尔使用威尔逊山天文台的太阳望远镜,注意到太阳黑子对的旋转方向相反,利用塞曼效应来推断黑子的磁场,进而得出结论,在每一个太阳活动周太阳都会逆转其强大的磁场,而反转周期为22年,同一半球则回到同一周期,称为“黑尔周期”。即在一个太阳活动周内,太阳北半球或南半球的太阳黑子对在磁图上以相反的形式出现,若太阳北半球前导黑子有正的极性(北极)、后随黑子就有负的极性(南极),而在南半球的前导黑子为负的极性、尾随黑子有正的极性。到了下一个太阳活动周则完全相反,直到下下个太阳活动周再次反转回来。

3   n周和n+1周的黑子极性

   让我们回到太阳黑子AR2750的新鲜案例,它完全符合第25太阳活动周的特征。

   然而,进一步往前两年回溯,我们会发现,属于第25太阳活动周特征的黑子在之前的20161220日(AR2620)、20181117日、2019528日、201971日、201977日(AR2744)就分别记录过。而这些时间尚处于第24太阳活动周中。这样就出现了新老活动周(第2425活动周)的新旧黑子交叉出现的重叠期,完全符合新老太阳周的交接过程中的过渡期特性,即“蝴蝶图”中相邻的两只“蝴蝶”翅膀有重叠部分。

    因此,虽然这些黑子属于第25太阳活动周,仍然不能根据这几个新特征黑子就判定第25活动周的到来。

2. 预测第25太阳活动周何时开始

    一个太阳活动周的开始,最科学的判定依据是,太阳黑子数平滑月均值达到最小值。目前,根据太阳黑子数平滑月均值的计算规则,其最新值是20195月的3.9(图4)。与之前相比,还在缓慢下降中,还无法判断是否到了谷底。

4 24活动周的观测和第25活动周的预测(源自SEPC

    我们通过分析以往的活动周交替期的谷值数据,并根据最新的观测数据来预测太阳黑子数平滑月均值的最小值出现时间。

    首先,太阳F10.7指数的平滑月均值与太阳黑子数的平滑月均值有很好的相关性(图5),过去几个交替期,几乎都是同时到达谷值。因此,在预测时将F10.7作为重要的考虑因素。

5 太阳F10.7指数与太阳黑子数的平滑月均值相关性

1 活动周交替期间的太阳F10.7/黑子数的月均值谷值与平滑月均值谷值时间

        我们回头来看现在所处的第24/25活动周交替期:在201811月和20198月,F10.7月均值出现了两个谷值;在20192月和10月,黑子数月均值出现了两个较为明显的谷值。最近3个月(9-11月),F10.7月均值稳定上升,黑子数均值也止跌回升。借鉴历史,我们初步判断,20196月前后,或者20201月前后,将是第24太阳活动周黑子数平滑月均值的谷值,也将是第25太阳活动周的开始。    我们分析了过去6个太阳活动周交替期的太阳F10.7指数/黑子数的月均值谷值的出现时间与黑子数平滑月均值谷值的出现时间。由表1可见,在太阳活动周交替期,月均值谷值出现不止一次,且分布于平滑月均值谷值(太阳活动周起始时间点)的前后。在月均值的第一个谷值出现后3-4个月,将出现平滑月均值谷值,之后2-5个月月均值将再次出现谷值。通俗地讲,即使进入新的太阳活动周,并不意味着太阳活动会义无反顾地快速上升,而是太阳活动将在低谷徘徊几个月后再单调上升。

    目前,国际上比较权威的关于第25太阳活动周预测,来自美国国家航空航天局(NASA)和国家海洋大气管理局(NOAA)共同主持的国际预测小组。他们201912月发布最新结论:预计第25太阳活动周的开始时间为20204月±6个月,即介于201910月—— 2020 10月。

6 25太阳活动周国际预测小组的最近结论

        因此,我们不妨将20201月前后,预测为第25太阳活动周的开始。

    综上,在目前的太阳活动周交替期,第24太阳活动周的旧黑子和第25活动周的新黑子将交替出现在日面上。当然,老黑子持续减少,新黑子持续增多。与之伴随的是,第25太阳活动周的悄然来临,我们预测时间为20201月前后。这个答案是否正确,根据黑子数平滑月均值的计算规则,还需要再等半年才能揭晓,拭目以待吧。

 

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ICON——探索地球大气与空间环境关联的秘密

        20191010日,美国国家航天局(NASA)的Stargazer L-1011飞船从福罗里达州的卡拉维拉尔角携带运载火箭起飞,当飞船到大约12km的高空时,投放飞马座火箭,火箭上携带着这次发射的主角:电离层连接探测器(ionospheric connection Explorer, ICON)。

Stargazer L-1011飞船和ICON探测器(来自NASA 网站)

    从ICON的名字,我们就可以看出,这个探测器的主要目的是探测电离层及与之相关联的物理过程。电离层是地球上空60-1000km范围内的区域,它之所以单独命名是因为它含有丰富的自由电子,这些自由电子是因为中性大气接收到太阳的极紫外和X射电发生电离而形成的,虽然电子密度不到中性成份的1%,但足以影响无线电波的传播。对于现代社会的导航卫星、通信卫星来说,电离层的变化对于卫星信号的质量有非常重要的影响,会引起通信信号质量下降、导航定位精度增加,因此电离层一直是空间环境应用研究的重要区域。从空间上来说,电离层上游与太阳爆发活动、行星际扰动、磁层变化关系密切,是空间天气变化的重要组成部分,同时,电离层的下边界处于空间环境与地球地面环境的交接部分,其变化还会受到下游天气的影响。现在的研究发现,单纯的太阳活动或者空间天气的变化不足以解释电离层的变化行为,电离层与地球大气、甚至是地面的形状、地震、海啸等都有很大的关系。而ICON的目的就是对地球大气与空间环境之间的联系过程进行探测。

ICON探测的区域(来自NASA 网站)

        ICON将在地球上空约550km的高度上运行,它第一次将光学遥感探测和等离子体的就位探测结合在一起,能够同时探测电离层中的电动力学过程和化学变化过程。ICON携带有4种不同的仪器。两台用于全球高分辨率热成像的迈克尔逊干涉仪(MIGHTI),用于观察中性大气层的温度和风速;两支离子速度计(IVM)用于测量离子的漂移速度,从而可以得到电场的测量。极紫外线仪器(EUV)和远紫外线仪器(FUV)则可以进行远距离成像观测。EUV通过测量O+的辐射谱线可以得到电离层的密度和高度剖面。FUV通过对O135.6nmN2 157nm辐射的观测,可以得到白天大气密度成份的观测以及夜间电子密度的分布。通过ICON的观测,我们能解释能量和物质是怎样从地球的低层大气传入到空间环境中,引起电离层大尺度的逐日变化的。

 ICON探测器的配置(来自Space  Sci  RevDOI 10.1007/s11214-017-0449-2

        ICON卫星探测任务2011年提出后,其发射过程也是一波三折。原计划201811月发射,但由于Pegasus XL火箭数据异常,2018117L-1011 飞船没有进行发射。经过1年多的检验,在20191010ICON选择再次发射,但由于地面与飞船的通信问题,又错过了第一个发射窗口,后终于在第二个时间窗口(美国东部时间101021:59)成功发射。

        ICON将与NASA 20181月发射升空的“地球及边缘的全球范围观察”(GOLD)协同“作战”。GOLD从位于巴西上空的地球静止轨道的有利位置,可获得ICON将要研究的同一地区的全景视图。随着这两颗卫星数据的获得和分析,空间天气与我们地球的大气之间关联的秘密将会逐渐被揭开。

 

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10月29日中等高能电子暴持续

    受重现性冕洞高速流的影响,北京时间2019年10月24日-10月27日,太阳风速度最高达到690 km/s左右。地磁发生扰动,有3小时达到中等地磁暴水平(Kp=6),9小时达到小地磁暴水平(Kp=5)。10月27-29日地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量连续3天超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2•sr•day),达到橙色警报等级,高能电子日积分通量分别为1.0E+09个/cm2•sr•day、1.7E+09个/cm2·sr·day、1.0E+09个/cm2•sr•day。

图1  2019年10月24日-10月29日地磁活动及同步轨道高能电子通量

    预计10月30日地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量将下降至小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于较高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

    关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。

    具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn

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10月28日中等高能电子暴持续

       受重现性冕洞高速流的影响,北京时间2019年10月24日-10月27日,太阳风速度最高达到690 km/s左右。地磁发生扰动,有3小时达到中等地磁暴水平(Kp=6),9小时达到小地磁暴水平(Kp=5)。10月27-28日地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量连续2天超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2•sr•day),达到橙色警报等级,高能电子日积分通量分别为1.0E+09个/cm2•sr•day、1.7E+09个/cm2·sr·day。

       预计中等高能电子暴事件还将持续1天左右,之后将下降至小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于较高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

      关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。

     具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn

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10月27日发生中等高能电子暴

受重现性冕洞高速流的影响,北京时间2019年10月24日-10月27日,太阳风速度最高达到690 km/s左右。地磁发生扰动,有3小时达到中等地磁暴水平(Kp=6),15小时达到小地磁暴水平(Kp=5),33小时达到活跃水平(Kp=4)。10月27日地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2·sr·day),达到橙色警报等级,高能电子日积分通量为1.0E+09个/cm2·sr·day。

图1  2019年10月24日-10月27日地磁活动及同步轨道高能电子通量

预计中等高能电子暴事件还将持续1天左右,之后将下降至小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于较高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。

具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn

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