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8月7日发生中等高能电子暴

        受冕洞高速流的影响,北京时间2019年8月5日,地磁发生小扰动,有12小时达到小地磁暴水平(Kp=5)。8月7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1.2E+09个/cm2·sr·day。

图1  2019年8月5-7日地磁活动及同步轨道高能电子通量

        预计高能电子暴事件还将持续3-4天左右。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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太阳黑子划水,连累地球打摆子?

        1989年,强太阳风暴引发了历史上知名的加拿大魁北克大停电事件。自此开始,每当新的太阳活动周临近,美国NASA和NOAA都会牵头成立国际太阳活动预测专家组,对未来一个太阳活动周进行预测。2019年初,第25太阳活动周预测专家组正式成立,由来自美国、加拿大、英国、比利时、日本和中国等国家的十二名科学家组成,这也是我国科学家首次受邀参加会商。

图1   第25太阳活动周预测专家组

        2019年4月5日,在美国空间天气研讨会上,专家组发布了初步预报结果。各位专家研讨了国际上60余个第25太阳活动周的预测结果,分析了第25太阳活动周太阳黑子数峰值、极小值和它们的出现时间。得出结论如下:第25太阳活动周太阳活动水平基本与第24太阳活动周相当,低于平均活动周水平,但是不再延续自第22太阳活动周以来连续三个太阳活动周太阳活动水平持续下降的趋势。 

图2   第25太阳活动周初步预测结果

        这个结论使担心太阳休眠的科学家松了一口气。回眸上一次太阳活动最急速下降时期,是在 1645 年至 1715 年间,这段长达 70 年之久的时期称为“蒙德尔极小期(Maunder Minimum)”。在这期间,太阳黑子数量异常稀少,太阳活动水平不高。“蒙德尔极小期”恰好与历史上的“小冰河期(1550年至1770 年间)”中最冷的一段时间重合,当时地球气温大幅下降,英国伦敦泰晤士河甚至因此而结冰,全球性粮食减产,饥荒遍地。所以有学者认为,是太阳辐射大幅减少造成的地球气温下降。 

图3  太阳黑子400年变化

        与蒙德尔极小期相比,第21—24太阳活动周黑子数峰值,分别在188、200、151、120,第25太阳活动周太阳黑子数峰值预计在95—130之间,只是比大部分活动周的黑子数峰值区间140—220略小,但远远高于蒙德尔极小期(图3)。

        那么公众关注的问题来了:第25太阳活动周太阳活动水平虽然不再持续下降,但太阳黑子出现依旧不多,太阳还会休眠、地球还会再次驶入小冰河期吗?地球真的会变得冷飕飕吗?更有意思的是:刚进入盛夏的北半球几乎是瞬间又进入了烧烤模式,地球仿佛生病了,忽冷忽热,打起了摆子。这让人们懵圈了,地球怎么了?这也是太阳黑子惹的祸吗?且听我们详细剖析。

        首先,太阳黑子是太阳活动强弱的重要标识。黑子数越多,太阳活动就越强,太阳耀斑、日冕物质抛射等现象就越频繁,产生的太阳风暴就越多。太阳上的黑子数存在11年的周期性变化,在11年中,太阳黑子会先变多,再变少,最终回到和一开始相似的数量。国际上规定,以1755年作为第一个太阳活动周的开始。目前太阳正处于第24个活动周的末期。

图4  第1-24活动周太阳黑子数的变化

        在太阳活动高年,太阳黑子通常成群结队出现。如果将太阳比喻成“火海”,那么这些“纵横火海”的黑子群就是其中的“弄潮儿”,源于它们太阳才“生机勃勃”。但黑子有些“古灵精怪”,好“偷奸耍滑”。远的暂且不论,就说自第21个太阳活动周始,太阳黑子数量已经连续三个活动周呈缓慢下降趋势,太阳黑子似乎既不出工也不出力了。尤其是2008年12月份进入第24个太阳活动周以来,太阳黑子数不仅增加缓慢,大黑子群出现数量也少,即使在太阳活动高年(极大期)也不例外,截至2019年6月,第24太阳活动周明显较第23太阳活动周记录到的重要事件数量少,规模小。而且太阳表面‘无黑子’现象出现得愈来愈频繁,太阳黑子消失的时间越来越长,从几天增加至几星期,甚至几个月之久。套句网络热词,就是太阳黑子开始“划水”了,它不知为何耍起了“小性子”,而且一闹就是几个太阳活动周,还不知道什么时候偃旗息鼓。

        太阳黑子划水,引起科学家广泛关注。英国著名物理学家和宇宙学家霍金在2017年10月曾预言,20年内太阳就会进入休眠期,可能将是世界末日。巧合的是在第24太阳活动周内,地球的确出现了极寒天气。首先2012年2月一股强烈的寒流席卷了欧洲大部分地区,俄罗斯最低气温低于零下50℃,多个国家发生罕见雪灾。英国《每日邮报》因此宣称2012年的寒冬显示“小冰河期来临”。2019年1月美国遭遇极寒天气,此次破纪录的寒流为美国中西部以及东北部各州带来了大幅降温和降雪,在中西部明尼苏达州和南北达科塔州等部分地区气温降至零下45℃。一些地区的温度降到破纪录的零下51℃,美国总统特朗普28日在推特上调侃,称想要全球变暖回来,引起舆论一片哗然。由此引发一波关于全球到底是变暖了还是变冷了的热议。很有意思的是,争论尚在继续,2019年6月底,高温天气肆虐欧洲多国,28日,法国南部部分小镇温度超过45℃。这又使得全球变冷言论不攻自破。到底是谁在捣乱?人们似乎更糊涂了,到底太阳活动能否影响地球气候!地球到底是变冷了还是变暖了?

        研究表明,影响气候变化的因素有太阳辐射、大气环流、地理环境和人类活动。太阳辐射是大气中一切物理过程或现象的基本动力,是地球、大气唯一的能量源泉。太阳辐射会通过大气环流和当地的热量平衡对地球和气候产生影响,所以很早以来,人们就把地球上气候变化原因用太阳活动来解释。

 图5 过去2000年温度序列

        地球小冰河期持续时间约200年(图5),实际上在1100年全球气温就开始有所下降,这个时期维持了约300年,1450年前后气温又有个大幅下降,这个时期大约维持了近400年,其中1550年至1770 年间期间,欧洲冰河迅速前进,亚洲多雨,北美降雨也很多,北半球气候极寒(小冰河期),小冰河期年平均气温比历史上年平均气温低约0.5℃。1900年以后,气温又迅速升高,冰河很快退却。

        全球气候从变冷一直到回到正常温暖状况,用了几乎800年的时间,而这期间黑子早就开始活跃,太阳黑子数虽几多起伏[2] ,但总体来看,太阳黑子有一个缓慢增加的过程,尤其是1750年以后,太阳活动基本保持在一个比较稳定的较高水平。研究表明,一般在太阳活动旺盛期,大气纬向环流发展,环极气流收缩,气候比较干热。所以,1900年以后的地球明显增温,但这是一个上百年的漫长过程。再有1750年以来,人类开始进入工业革命时期,人类活动从那时起或许也已经成为导致气候变化的另一个因素。

        太阳风暴期间,太阳辐射会短时增强,但太阳活动高年的总辐射量比太阳活动低年仅高出0.1%。并且,即使是弱的太阳爆发活动周,也可能会发生强的太阳风暴。比如,第24太阳活动周黑子数只有120,但2012年仍然发生过超级太阳风暴,只不过该太阳风暴没有朝向地球,但扫过了STEREO双子星并被记录下来。由此可见,太阳的总辐射量若想增加必须要经过一个超长期累积过程。根据地质学资料证明,一个完全的辐射循环的总长度在十万年与一百万年之间,太阳是一个变星,其辐射强度的振幅范围约达40%,其周期约为105年。记住超长哦!我们几代人也看不到哦!所以目前气候变化一定还有其他的影响因素。 

图6  2012年7月23日STERREO B和A卫星观测到的太阳超强爆发

        世界气象组织早在2018年11月发布《气候状况声明》指出,全球变暖趋势仍在继续,有记录以来20个最热年份都出现在过去22年,其中最近4年占据排行榜前4位。至今这个结论没有进行补充和修改。

图7 温室效应加剧气候变暖

        大量观测以及研究表明,进入工业革命以来,地球的剧烈增温主要是二氧化碳排放引起的。大气中的二氧化碳对太阳短波辐射是透明的,对于地面长波辐射,特别是13–17μm波段,有强烈的吸收作用。总之,它既不削弱太阳辐射,又能使地面辐射热量保留在大气层中,具有高保温作用(气候的温室效应),这就使得地球二氧化碳排放的越多,气温越高。二氧化碳的累计排放很大程度上决定了21世纪现在及以后的气候都将变暖。地球发着高烧,而且这种高烧将严重扰乱气候系统自身的变化规律,各种极端天气事件如极寒、高温、暴雨洪灾天气会不断增多。这是自然界对人类的惩罚!

         林林总总说了这么多,其实归根结底的结论如下:

        一、未来一个太阳活动周,太阳黑子虽然还会继续划水,但它可能会恶作剧呦!人类不能放松警惕;

        二、地球再次驶入小冰河期的可能性微乎其微,大家不用着急买“加拿大鹅”啦!

        三、地球大概率地会继续打摆子,一会儿冷飕飕,一会儿热烘烘,人们要好好锻炼身体。

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太阳扫射CME 大磁暴再临地球

        2019514日,地球再次爆发大地磁暴,地磁Kp指数出现1716Kp指数范围为09),是今年以来最强的地磁扰动事件。而上次发生大地磁暴,则要追溯到2018年中元节期间的826日,距离现在已经过去大半年了。

1  514日的大地磁暴

    事后分析认为,本次大地磁暴的“元凶”是太阳上的活动区AR2740。它在510日爆发了一个B2级耀斑,伴随有日冕物质抛射(CME)。当CME中的大量高速等离子体云经过日地之间3天多的奔波后,于13日晚到达地球附近,引起地球磁场的剧烈扰动,导致了这次地磁暴的发生。

2  510B2级耀斑伴随CME

    经过进一步分析,我们发现AR2740着实不简单,它的生命力实在太顽强了。这个活动区320日就在日面生成,当时编号为AR2736,于324日转出可视日面;随后于47日重新转入可视日面,编号为AR2738,于419日转出可视日面;直到53日再次转入可视日面,编号为AR2740,于515日逐渐消失于日面。

3  AR2736AR2738AR2740

    这个活动区在日面上存在了50多天,最大时达到了400个太阳面积单位。2018年一整年仅出现过一个面积超过200个太阳面积单位的活动区AR2699,那还是在遥远的20182月。由此可见,活动区AR2736/38/40确实是太阳活动低年难得一见的大块头。不过,这个活动区磁类型的演化实在称得上顽固,导致它的爆发活动也时大时小,先后产生了三波不同量级的耀斑。

4  AR2736AR2738AR2740产生的耀斑情况

    在AR2736时,磁类型达到过复杂的Beta-Gamma-Delta型,在3月下旬产生了十几个C级耀斑,最大为C5.6级。其中,320日的C4级耀斑伴随有明显的CME(图5),但并没有引起比较明显的地磁暴,仅仅带来了略微的地磁扰动(图6)。

5  320C4级耀斑伴随的CME

6  320CME引起的地磁扰动

    在AR2738时,磁类型仅为Beta型或Alpha型,只在4月下旬产生了一些B级耀斑,没有产生C级耀斑,也没有引发地磁扰动。

    在AR2740时,磁类型再达到略微复杂的Beta-Delta型,在5月上旬产生了十几个C级耀斑和多个B级耀斑,并像机关枪扫射一样,伴随向日冕外喷射了多次CME其中,53日的C1级、6日的C2级耀斑伴随的CME比较明显(图7、图8)。

       53日的CME抛射方向太偏,喷发的物质没有朝向地球,没有引起地磁暴。

7  53C1级耀斑伴随的CME

        56日的CME虽然也是一个偏晕CME,但仍有部分抛射物质到达了地球,在11日引起了小地磁暴。

8  56C2级耀斑伴随的CME

9  511日的小地磁暴

       到了510日,B2级耀斑再来一波CME,其中的高速太阳风最快速度达到550km/s左右,于513日晚上便迫不及待地来到地球附近(图10)。对地球磁场造成的结果是:514日,地磁Ap指数达到了36,标志极光活动水平的AE指数达到1800nT左右,地磁Dst指数达到-65nT左右。

 10  513-14日地球磁场扰动

11  514日的AEAL等指数

12  513-15日的Dst指数

    由上可见,虽然我们现在处于第24太阳活动周的太阳活动低年,太阳活动水平较低。但是,正如我们常常提到的太阳爆发活动的偶发性,近期太阳上的大活动区AR2736/38/40 比较活跃,持续爆发了一些小耀斑(C级和B级),并像是机关枪一样不断地向外扫射日冕物质(CME),主要成分是高速高温的等离子体。如果这些喷射物质能够到达地球附近,就会快速冲击地球周围的磁场,我们就得享受地磁暴盛宴了。当然,也是看极光的好时机。

13  514日在美国密歇根州拍到的极光

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太阳质子事件的危害

太阳质子事件是太阳风暴带来的最具破坏性的空间天气现象之一。质子事件发生时,地球周围如同遭遇了一场的高能带电粒子“暴雨”的袭击,这些高能带电粒子就如同高速飞行的子弹一般,能够击穿几毫米厚的金属,具有很强的破坏性。大量高能粒子的袭击有可能毁坏地球轨道上的卫星,并威胁到太空中宇航员的生命安全。

● 威胁在轨航天器

太阳质子事件期间,航天器轨道上的高能带电粒子会突然增强,给在轨航天器的安全运行带来巨大的威胁。由于地磁场对高能带电粒子的屏蔽作用,不同轨道的航天器受到的影响其实大不相同,高轨道航天器,比如同步轨道卫星,由于远离地球,地磁场的屏蔽作用已十分微弱,质子事件对它的影响往往比较严重,低轨道航天器,比如神舟飞船轨道,地磁场将绝大多数的太阳爆发粒子都阻挡在外,质子事件的影响就要小很多。对低轨道航天器来说,轨道倾角越高,质子事件的影响越大,比如国际空间站的倾角为51.6°天宫二号轨道为42.4°,虽然它们的轨道高度相差不多,但质子事件对国际空间站的影响比与天宫二号相比更大一些。

 1  2015400km高度上的地磁垂直截止刚度(Tsy89-BobergDst=-300),

红色虚线之间为天宫二号轨道范围

● 威胁太空中的航天员

与在轨卫星一样,在轨航天员同样受到太阳质子事件的巨大威胁,太阳质子事件产生的高能粒子流与地面放射性物质发出的射线一样具有致命的放射性,它们能够穿透航天服和太空舱,引起航天员身体器官的物理损伤。

高能粒子主要是通过两种机制危害人体的细胞组织,一是直接造成生物活性大分子断裂、脱落,导致直接损伤;二是与身体中大量的水分子产生自由基,这些自由基进一步与生物分子发生化学反应,造成间接损伤。最终的人体辐射效应危害是非常复杂的,其严重程度主要与所受到的辐射剂量大小有关,人体受到高剂量的高能粒子辐射会引起皮肤、骨髓等器官的急性损伤(比如引起白内障),严重时甚至会危及生命,而在低剂量辐照情况下,高能粒子可能诱发细胞产生变异,变异细胞可以发生遗传变化或导致癌变的严重后果,因此在载人航天任务中,航天员的接受的辐射剂量是受到严格的控制的,而质子事件正是航天员在空间环境中面临的最危险因素。

2  辐射形成的自由基对DNA的破坏

3 辐射造成DNA的断裂

为了保障在轨航天员免受高能粒子辐射的严重影响,载人航天任务实施过程中采取了大量的辐射防护措施,包括对太阳质子事件进行监测预警,制定各种情况下飞行计划与操作预案,在航天器中建造专门的辐射避难装置等等,尽可能地使宇航员受到的辐射降低到安全程度。载人飞行对辐射危害防护的案例之一就是美国的阿波罗任务。阿波罗飞行任务从1967年底至1972年底结束,持续5年左右,其中有11次载人飞行,6次登月。阿波罗任务期处于太阳第20活动周的峰年和下降年,太阳风暴频发,基本上每年都多次发生太阳质子事件,而且在19728月发生了有记录以来的最大太阳质子事件。但NASA对太阳质子事件的防护极为成功,除19724月底“阿波罗”16号返回途中遭遇到小的太阳质子事件,其余飞行都成功避开了太阳质子事件。这要归功于NASA开展的空间环境监测预报及辐射防护工作,有力保障了整个载人登月任务顺利完成。

4  阿波罗任务期发生的太阳质子事件,蓝色线条表示质子事件发生的时间,蓝色线条的长度表示这次事件可能造成的辐射剂量,灰色线条表示各任务飞行在轨时间

● 对航空飞行的影响

太阳质子事件发生时,大量的高能质子如同暴雨般袭击地球,幸运的是,我们的地球有两个可靠的保护伞,强大的磁场和厚厚的大气,磁场会使飞向地球的带电粒子发生偏转而远离地球,能量越低,越容易被偏转,能够达到地球表面附近的大部分带电粒子也会被地球稠密的大气消耗殆尽,因此生活在地面上的人们几乎觉察不大太阳质子事件的发生。但是在飞机飞行的高度,太阳质子事件的影响还是不容忽视的,而那些被阻挡在大气层中的高能粒子其实并没有完全消失,它们与大气中的氮、氧原子,发生连续的核反应并产生大量的次级粒子,次级粒子主要分布在十几公里高度的大气中,因而对航空飞行造成影响,1989年的特大质子事件期间,协和式飞机在巴黎和华盛顿之间飞行时,受到了50毫雷姆/小时的辐射剂量,超过了警戒水平。另外,质子事件造成的极盖吸收事件也会影响极区的无线通讯,会对跨极区的飞行造成影响。

图5   201791010km高度上太阳质子事件引起的有效剂量μSv/h

 

 

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2019年5月14日发生大地磁暴

北京时间2019年5月14日11:00-17:00,地磁有3小时达到大地磁暴水平(Kp=7),3小时达到中等磁暴水平(Kp=6)(见图1)。此次大地磁暴事件是5月10日的日冕物质抛射引起的,预计14日地磁暴事件仍将持续。

图1 5月14日发生大地磁暴

        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。

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