关注空间环境预报的朋友们可能会发现，在近期发布的每日空间环境总结中，太阳活动水平常常出现“低水平”、“极低水平”等字眼。随着第24活动周进入下降年，太阳活动水平不断下降，太阳上的黑子越来越少，耀斑爆发也陷入沉寂。据统计，2016年1月至2017年4月只有13天爆发了M级及以上级别耀斑，其余时间太阳活动均在低水平以下，占总数的97%。太阳这座随时可能爆发的“活火山”逐渐进入休眠。

图1 太阳活动进入下降年，月平均黑子数不断减小

      太阳活动周下降段的到来，是不是意味着空间环境将会风平浪静？未来几年航天器在轨运行是否将高枕无忧？实际情况完全相反，在太阳活动下降年、低年，我们需要时刻警惕以下几种空间环境现象对航天器的恶劣影响。

1、  高能电子“海啸”

        在太阳活动下降年，冕洞频繁地登上太阳活跃的舞台。冕洞是高速太阳风的源头，它喷出的高速等离子体流随太阳自转以27天左右为周期扫过地球。这些周期性出现的太阳风高速流能够引起地球磁场强烈“地震”，在近地空间外辐射带内掀起高能电子的“海啸”——高能电子暴。如图2所示为同一冕洞分别在2017年2月25日、3月25日及4月21日经过日面中央时的形态变化。该冕洞喷发出的高速流到达地球，造成三月上旬、三月底至四月初、四月底至五月初近地空间高能电子通量上升几个量级，事件持续时间最长达14天。

       太空中最为繁忙的航天器轨道——地球同步轨道正好位于外辐射带内，高能电子暴期间，轨道上激增的“杀手电子”能够穿透卫星的外壳屏蔽，在内部器件上沉积，损坏卫星材料，破坏电子器件，严重时甚至导致卫星报废。近十多年来，多颗卫星由于这种深层充电效应引发卫星故障和失效，造成了巨大的影响。例如，1998年5月19日的高能电子暴造成美国GALAXY-4通讯卫星由于内部充电而失效，造成美国80％的寻呼业务的损失，无数的通讯中断，并使金融交易陷入混乱。

图2 同一冕洞分别在2017年2月25日、3月25日及4月21日经过日面中央

2、  沉降电子“暴雨”

       在地球两极附近的高层大气中，长期存在着从空间沉降进入的高能带电粒子。空间环境活跃的时候，这些沉降粒子如同“暴雨”一般落入地球，在电离层与大气分子、原子作用，引起变幻莫测、绚丽多彩的极光现象。然而与此同时，卫星如果经过这片区域，“暴雨”中的电子就会附着到卫星的外壳上，改变卫星表面电位，电荷累积到一定程度便会引发卫星表面的静电放电。这种放电轻则影响到卫星上携带的有效载荷，重则会危及其在轨安全。高倾角的低地球轨道卫星常常会穿越这一危险区域，其中包括与我们日常生活息息相关的对地观测卫星、测地卫星、通信卫星等。

        值得注意的是，卫星遭受电子“暴雨”袭击，并不意味着负电荷能够无限地在卫星表面累积。低轨卫星位于电离层之内，这里充斥着温度较低的电离层等离子体。当卫星表面受到沉降电子轰击电位降低时，电离层中带正电的低温离子会受卫星表面吸引，与负电荷中和并缓解表面的负充电，保护卫星免受表面充电效应影响。

图3 沉降电子在卫星表面沉积，电离层离子缓解表面充电电位

       不幸的是，在太阳活动低年时，太阳极紫外辐射通量降低。它的降低会造成电离层电离降低，进而导致正电荷“补给”不足，这时被负电荷“侵害”的卫星发生表面静电放电星的几率又再次增大，卫星故障的危险系数将大大提高。图5所示为1989年至2001年低轨卫星DMSP发生表面充电事件的概率（实线）和太阳黑子数（虚线）随时间的变化情况。从图中可以看到，在太阳活动低年，表面充电事件发生率高，反倒是在太阳活动高年，表面充电事件发生率低，两者的总体变化趋势呈现了相反的关系。

图4 太阳极紫外辐射随太阳活动呈周期性变化

图5 1989年至2001年低轨卫星DMSP发生表面充电事件的概率（实线）

和太阳黑子数（虚线）随时间的变化情况

 3、  银河宇宙线“偷袭”

        卫星运行期间，除了受太阳活动、地磁活动影响之外，还暴露在来自银河系的高能宇宙线中，这些宇宙线起源于太阳系之外，主要由质子（约占87%）、α粒子（约占12%）和其他各种原子核组成。银河宇宙线能量极高，可以达到GeV量级，是引起航天器单粒子效应的原因之一。银河宇宙线高能粒子在穿过微电子器件的灵敏结时会沉积能量、产生电荷，这些电荷被器件电极收集后，可能造成器件逻辑状态的非正常改变，威胁航天器在轨安全。此外在载人航天任务中，银河宇宙线也是航天员人体辐射防护的重点。举例来说，国际空间站上航天员受到的辐射剂量当量有75%至85%（铝屏蔽厚度10cm至2cm）来自银河宇宙线。

        那么太阳活动强弱对银河宇宙线的影响如何呢？这得从源自太阳的行星际磁场说起。在太阳活动高年，太阳磁场也较强，稠密的磁场会把宇宙射线粒子阻挡在太阳系外部，也就自然的形成了一道安全的屏障。而太阳活动低年时，太阳磁场较弱，银河宇宙线就会“趁虚而入”。图6反映了在不同的太阳活动时期，行星际磁场对银河宇宙线的阻挡作用。如图可见，受到太阳活动周的影响，宇宙线强度变化也表现出明显的 11 年的周期变化。太阳活动高年时行星际磁场的作用增强，太阳系内部的银河宇宙线强度较弱，相反在太阳活动低年银河宇宙线强度达到峰值，其结果就是在人类空间活动频繁的地球周围造成负面影响。

图6 Deep River 宇宙线台中子计数率随太阳活动水平的变化

       未来几年我国将加速推进太空探索的步伐，随着越来越多的航天器进入太空，我们更不应该对空间环境掉以轻心。太阳活动低年的空间天气环境复杂多变，需要我们加强对空间环境的日常监测和预报，为航天任务保驾护航。

北京时间2017年5月28日05:00-20:00，发生强地磁扰动。地磁有3小时达到大地磁暴水平（Kp=7），9小时达到中等磁暴水平（Kp=6），3小时达到小磁暴水平（Kp=5），3小时达到活跃水平（Kp=4）。 此次大地磁暴事件是5月23日的日冕物质抛射引起的，行星际磁场南向分量最低达到-20nT。距离上次大地磁暴的发生（2016年10月25日）已有7个月之久。

请低轨道卫星用户关注轨道变化和表面充电的影响。

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。

图1  2017年5月23日的CME

图2 2017年5月27-28日（世界时）发生地磁暴

   2017年3月底的一次较强地磁扰动中，最大地磁Ap指数达到了54，是自去年10月以来的最大值。那么4月份“天舟一号”发射遇到怎样的地磁暴呢？让我们来一起看看空间环境的情况。

 1  太阳冕洞

    地磁扰动的源头就是太阳，会不会有地磁暴发生就要看太阳的情况。但3月的太阳看起来十分平静，连黑子群也不多见，扰动源头在哪儿呢？其实平静只是用可见光观测到的太阳的一面，当我们用射电、紫外线、X射线等不可见波段观测时，太阳呈现出不被人们熟知的另一面（图1）。

 图1  3月19日太阳白光图和日冕图

    当我们用可见光拍摄时，得到的是常见的太阳白光图，看到的是太阳的光球部分。而当我们用软X射线或远紫外线波段观测太阳时，看到是太阳大气的日冕部分。3月19日的太阳日冕图，在中心位置有一片黑色区域，看上去就像洞一样，称为冕洞。这就是我们寻找的地磁扰动源头。

    冕洞的温度和密度要低于宁静日冕，因此看起来总是黑洞洞的。冕洞区域的磁力线是开放的，高速的太阳风从这里顺着磁力线往外“吹”，这通常称为冕洞高速流。当冕洞高速流到达地球时，就会对整个近地空间带来影响，导致地磁暴的发生。

2  重现性冕洞和地磁暴预测

    一般来说，冕洞的高速流从太阳传播到地球大约要经历3天，这为我们短期预测地磁扰动提供了方法。当我们在日面中心看到冕洞时，可以预计3天后将会有地磁扰动。但是更远一些的时候，怎么预测地磁扰动呢？对此我们有更进一步的预报方法。

    太阳作为星体，有自身的自转运动，自转一周的时间约为27天。太阳冕洞作为一种较为稳定的结构，会随着太阳转动。因此，如果冕洞没有变化的话，27天后，同一个冕洞又将转到日面中心。冕洞虽然随时间也有演化，但通常能在日面上存在两个太阳活动周以上，甚至更为稳定的能存在5-6个活动周。这种冕洞通常称为重现性冕洞。2016年就有多个“长寿命”冕洞，每隔27天就带来地磁扰动。因此我们可以从当前日冕上冕洞的分布情况来预测27天后的冕洞分布，从而估计冕洞高速流引起的地磁扰动情况。

3 “天舟一号”遇上的地磁暴

“天舟一号”货运飞船于4月20日发射，并在发射入轨两天后，与天宫二号完成首次交会对接。因此根据27天的重现性，3月下旬的重现性冕洞，在天舟一号发射前后影响地球。

3月下旬，日面上有2个值得关注的重现性冕洞。冕洞1，3月19日位于日面中心（图1），21日～22日带来小地磁暴。冕洞2，引起3月27-31日的较强地磁扰动，最大地磁Kp指数达到6，最大地磁Ap指数达54。它在之前也引起了1月31日～2月1日、3月1～6日的地磁扰动。图2给出了这个重现性冕洞三次在日面中心的日冕图。图3则是对应的地磁扰动情况。

图2   重现性冕洞在1月30日、2月26日、3月25日的日冕图

图3  冕洞2带来的三次地磁扰动

     由于27天重现性，冕洞1在4月19～20日影响地球，冕洞2则在22～24日影响地球。天舟一号的发射和交会对接遇上了这两次地磁暴。均为中小地磁暴水平。

 图4  冕洞2带来的4月地磁扰动

    空间环境复杂变幻，除了冕洞，其他太阳爆发活动也可能突然影响地球。天舟一号的旅途是否顺利，还需要密切关注近地空间环境的发展态势。

受重现性冕洞高速流的影响，2017年4月21-23日地磁连续3天达到磁暴水平。4月24-28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），分别为1.2E+09、1.6E+09、2.4E+09、2.8E+09、2.8E+09个/cm2•sr•day，连续5天达到橙色警报等级，目前仍处于高水平。预计中等高能电子暴事件还将持续1-2天左右。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平，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。

图1 2017年4月28日发生中等高能电子暴事件

受重现性冕洞高速流的影响，2017年4月21-23日地磁连续3天达到磁暴水平。4月24-27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），分别为1.2E+09个/cm²·sr·day、1.6E+09个/cm²·sr·day、2.4E+09个/cm²·sr·day、2.8E+09个/cm²·sr·day，连续4天达到橙色警报等级，目前仍处于高水平。预计中等高能电子暴事件还将持续1-2天左右。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平，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。

图1  2017年4月27日发生中等高能电子暴事件