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太阳上黑子去哪了?

  太阳黑子是太阳活动水平的标识,但是在2015年6月底,太阳上连续十几天没有黑子,难道很快要进入太阳活动低年?太阳马上要进入休眠状态了?地球要进入新一轮“冰河期”了?

  1、“冰河期”真的要来了吗?

  最近,随着第24活动周太阳活动水平的不断下降,太阳上的黑子真是越来越少了,以前还可以板着指头数,现在恐怕只能握着拳头数了。甚至在6月下旬开始的十几天里,太阳上便没有了黑子,明亮的太阳上干干净净。

            

               图1 7月5日没有黑子的太阳(SDO卫星观测)

  眼瞅着这么冷冷清清的太阳,仿佛要进入休眠状态了。这不禁让我们想起了去年流传甚广的一篇报道——《太阳2030年将休眠地球即将步入冰河时期》。文章回忆起了1645-1715年期间的“小冰河期”,当时的情况简直太凄凉了。据记载彼时太阳活动衰减到极低状态,太阳黑子几乎没有记录。而这段时间,全球普遍出现气温下降趋势。英国大部分河流都结冰了,人们纷纷在泰晤士河上溜冰。全世界范围内农作物产量降低,许多地方都出现了大量饿死人的现象。

                                                     

图2 泰晤士河上溜冰的英国小伙伴们

  对着这么衰弱的太阳再细看一眼,是不是背后反而有点冒冷汗了。莫非历史要重现,地球提前要进入寒冷的“冰河期”了。

  然而,实际上,虽然太阳黑子变弱和地球变冷表面看有着70年的重合,但没有证据表明“小冰期”是由太阳黑子无记录造成的。与太阳活动周强弱有关的全球气温变化幅度其实是很小的,根据经验,最近几次太阳活动周影响全球平均气温的变化,大约只有0.1度左右。因此,千万别随便就断言太阳周期变化能直接影响地球气温的骤变。

  不过,太阳上持续无黑子,还是需要引起我们的重视,这究竟是不是意味着太阳上的黑子很快变得极其稀少了?太阳活动低年马上要到来了吗?

 

  2、太阳黑子会迅速变少吗?

  答案是否定的。

  众所周知,当太阳活动水平较高时,日面上的黑子就会非常多;反之,当太阳活动水平较低时,日面上的黑子就会比较少。尤其是当太阳非常平静时,日面上就没有黑子,这种情况称之为“无黑子日”。在太阳活动谷年这种现象将会频繁出现。

  在图3中,我们给出了自1849年有记录以来至今所有年份的无黑子日的天数,并附以年均黑子进行一番比较。可见,自第10活动周(1855-1867)以来,在所有大活动周(即太阳活动整体水平较高)里,无黑子日持续出现的年份基本上都是处于该活动周接近末尾的下降段和末尾;而在小活动周(即太阳活动整体水平相对低)里,无黑子日持续出现的年份大部分处于该活动周的下降段。

  值得注意的是,在太阳活动水平最小的第12活动周(1878-1890)和第14活动周(1902-1913)里,太阳高年偶尔出现了无黑子日。第24活动周也是一个小活动周,太阳活跃程度与上述两个活动周水平相当,巧合的是在2014年也出现了1天无黑子日。

  因此,回顾历史,我们可知,本活动周与第12和14活动周类似,在未来的几年里,无黑子日将会越来越多,太阳上的黑子将会慢慢地逐渐变少,一直到本活动周结束。

图3 1849年以来每年无黑子日和年均黑子数

  然而,众所周知,太阳黑子是太阳活动的标识,随着无黑子日越来越多,该活动周慢慢地到达它的谷年。那么,本活动周的太阳活动究竟到了哪个阶段呢?

  3、第24活动周什么时候到底?

  首先,我们简单给出第1-24活动周每周太阳黑子数的出现情况,看一看第24活动周的进展。图4中,每个空心柱子是整个活动周的数量;每个斜线实心柱子则是每个活动周前91个月的数量(截至2016年6月,第24活动周过去了91个月)。从图可见,第1-23活动周前91个月的黑子数占活动周总黑子数的比例为85%。若以此类推,那么第24活动周在未来的几年里还剩大约85%的黑子还没有出现。

图4 第1-24活动周的黑子数

  此外,根据对过去太阳活动周的统计,平均一个活动周大约有11年的长度。但是,每个活动周的长度不同,有的活动周持续时间很长,有的活动周持续时间较短。由图4可见,第4活动周长达164个月,而第2活动周则仅有107个月。并且,由图4和图5的比较可知,太阳活动周的长度与太阳活动水平高低不是相对应的,太阳活动水平较低并不意味着活动周也较短。因此,单纯从历史统计上不能断定第24活动周的长度究竟有多长。即使最保守的估计,以第2活动周作为参考,本活动周仍将持续一年多的时间;而最乐观的估计,以第4活动活动周作为参考,那么本活动周还将持续6年之久。

图5 第1-23活动周的长度

  当然,我们不能简单地根据历史统计,给出过于迷糊的结论,必须采用一定的预报方法进一步分析本活动周的长度。在第23活动周的预报中,我们采用相似周方法得到比较理想的预报结果。鉴于本活动周与第12和14活动周活动水平相当、走势相似,在第24活动周预报中,我们以这两个活动周作为相似周,图6给出了预报结果。预计,本活动周将在2019-2020年结束,大致持续11-12年。

图6 第24活动周太阳黑子数的预报

  4、我们可以高枕无忧了?

  既然本活动周还剩下3-4年的时间,并且是持续的下降年份,是不是没啥严重的空间环境事件值得我们注意了?

  现实当然没那么简单,不要天真地幻想风平浪静的日子,那样只会分分钟被火热的太阳打红脸。因为,即使在太阳活动下降年,还是有着许多的暗礁等待着地球这艘大船。

  首先,不能排除有强空间环境事件发生的可能性。例如,在2003年10月底至11月初,发生了著名的“万圣节太阳风暴事件”,爆发了X28级太阳耀斑,是史上有记录以来最强大的耀斑。当时,约半数卫星出现故障,全球范围内的通讯受到干扰,全球定位系统精度降低。而2003年正值第23活动周的下降年,已进入该活动周的第8个年头。掐指一算,今年乃2016年,我们恰还处在第24活动周第8个年头。

               

图7 万圣节事件期间的X28级耀斑          图8 日本ADEOS-2卫星在事件期间失效

  其次,地磁活动与和太阳黑子数的发展特性有明显的差异,它总是要慢上半拍。一般来说,地磁指数的极值会出现在太阳黑子数极值后一年左右,且呈现出明显的双峰结构。这主要是因为在太阳活动下降年,冕洞会频繁地登上太阳活跃的舞台,它喷出的高速等离子流会冲击地球的磁场,造成地磁的扰动。图10是我们对地磁Ap指数的预测结果,可见在未来的几个下降年里,地磁活动仍然会比较活跃。

      

图9 黑糊糊的冕洞                           图10 第24活动周Ap指数平滑月均值预测

  此外,根据对第22和23太阳活动周的分析,高能电子暴主要发生太阳活动周下降段(图11),且随着活动周逐步进入谷年,该事件持续不断爆发,并没有因为太阳活动水平的下降而减弱。高能电子暴,俗称“卫星杀手”,会造成卫星的深层充电效应,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。

  参照过去两个活动周,截至目前,本活动周预计还有不到一半的高能电子暴没有发生。

      

      图11 第22-24活动周高能电子暴发生次数分布图                                      图12 深层充电效应

  因此,很明显,在未来的3-4年里,我们当然不可对空间环境掉以轻心,尚需关注太阳黑子的演化情况,持续关注地磁暴的发生性,密切关注高能电子暴的频繁爆发。

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空间环境研究的“小助手 ” ——“即插即用式”空间环境分析绘图软件

  随着信息化时代的到来,太阳活动对人类社会活动的影响力和破坏力日益凸显。因此,越来越多的人开始关注和研究太阳活动对地球空间环境的影响。俗话说千里之行始于足下,任何空间环境的探索都立足于对相关数据的透彻分析。而研究学者或空间环境科学爱好者在数据分析的过程中,往往会遇到以下 4 大困境。困境一:搜索数据“慢”。空间环境数据包括 SOHO 卫星太阳图片、太阳黑子数等上百种数据,分散在 NOAA、NASA 等多个网站上。借助于传统的网络信息检索,研究人员需要花费大量的时间搜集所需的数据。困境二:查看数据“烦”。研究者通常需要打开多个相关数据文档或界面,在各相关数据间来回切换、查看,以及分析。困境三:绘制曲线图“丑”。通常 Origin 等软件所生成的默认曲线图并不美观,需要投入过多的精力在曲线图样式调整上。困境四:分析数据“难”。空间环境科学爱好者在空间天气分析过程中难免会遇到很多疑惑,但是又不知道应该向谁求助。那么,是否有办法可以摆脱这 4 大困境呢?

  “即插即用式”空间环境分析绘图软件(Plug-and-Play SWx Analysis and Plotting Program,以下简称 PPSWAP)应运而生,是研究人员和空间环境科学爱好者们可依赖的辅助在线决策及绘图工具(下图为 PPSWAP 软件启动界面)。PPSWAP 的源代码由 C# 编写而成,其运行平台为微软 Windows 操作系统。软件具有以下 4 大特点。

图:PPSWAP软件启动界面

  1. 预报相关信息的“一站式服务”

  与网络上传统的桌面客户端 / 服务器相比,基于创新网页服务技术的 PPSWAP 可以更加方便地为用户提供储存于远程数据库中的大量准实时数据及历史数据。PPSWAP 所提供的数据既包括国内外地基观测站和空间卫星的监测数据,也包括空间环境预报中心(Space Environment Prediction Center,以下简称 SEPC)整理的事件统计,以及 SEPC 自主模型的预报。也就是说,用户在家就能够通过 PPSWAP 随意查看各种空间环境数据,包括 SOHO 卫星太阳图片、太阳黑子数等,从而摆脱了传统的网络信息检索。

  2. 空间环境信息的“随意组合” 

  PPSWAP 在线工具可提供图表、影像及统计表格等多种格式的数据查看,用户可以通过点击分析操作界面左侧的数据列表菜单,将所有感兴趣的元素添加至右侧界面中。PPSWAP 显示界面左侧的数据名称是基于易识别的规则来命名的,如以“ACE_SIS_Proton”命名的数据表示是由 ACE 卫星上的太阳同位素质谱仪(Solar Isotope Spectrometer)所提供的质子通量。用户还可以通过历史数据查询及空间环境事件统计结果查询功能获取空间环境预报所需的数据,随意组合各种空间环境信息,定制个人操作界面。图 19 显示了 CME 事件的空间环境扰动分析界面。

图:PPSWAP软件分析界面截图(截图显示了CME事件的空间环境扰动分析)

  3.专业的绘图功能

  PPSWAP 还集成了专业的绘图功能,用户可以通过点击绘图操作界面左侧的数据列表菜单,将所需的绘制元素添加于右侧界面中。用户还可以在右侧界面中对表格标题、边框、曲线等样式进行更改,通过保存按钮将图片保存至指定位置。默认的表格样式都是由设计人员精心配置的,通常不需要调整或只需要微调即可。图 20 显示了行星际太阳风参数和地磁 Kp 指数的曲线图绘制界面。

图:PPSWAP软件绘图界面截图(截图显示了行星际太阳风参数和地磁Kp指数的曲线图绘制)

  4.聊天室服务 

  聊天室服务集成了消息框及实时消息功能,由此能促进用户之间的讨论及信息分享。如果研究学者遇到了较为罕见的太阳爆发活动,在空间环境分析上面有举棋不定的地方,完全可以在聊天室里和在线的同事们探讨一番再做决断,而不必为自己独立做出的判断惴惴不安。当然,如果你只是空间环境科学的爱好者,遇到有不明白的地方,也可以通过聊天室向专业人员请教切磋。

  此软件具有方便的人机交互功能,空间环境预报员、研究学者以及空间环境科学爱好者们可以在网上免费试用此软件,下载地址为:http://eng.sepc.ac.cn/sfdownload.php。

 

 

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中等高能电子暴事件持续4日

  2016年5月10日至13日,地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量连续4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。5月13日,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到1.1E+09 个/ cm2·sr·day,目前高能电子日积分通量已逐渐下降。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。

  预计14日地球同步轨道大于 2MeV高能电子日积分通量将会下降至小高能电子暴水平。预计高能电子暴事件还将持续1-2天。

  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。

2016年5月11-13日持续中等高能电子暴事件

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中等高能电子暴事件持续3日

  2016年5月10日至12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。5月12日,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到2.5E+09 个/ cm2·sr·day,目前仍处于高水平。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。

  预计中等高能电子暴事件还将持续2-3天。

  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。

 

 

2016年5月10-12日持续中等高能电子暴事件

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太空中的静电放电

   1、静电放电

图1 科技馆中的放电实验

  参观过科技馆的朋友们,一定会对高压放电实验印象深刻:在巨大的铁笼里树立着一个一人多高的金属圆柱,它的顶端不断向周围的地面、金属物体放出明亮的电弧,同时发出“啪啪”声。这个金属圆柱就是特斯拉线圈,它由科学家尼古拉·特斯拉在1891年发明,主要用来生产超高电压但低电流、高频率的交流电力。特斯拉线圈由两组耦合的共振电路组成,通过电路谐振使放电终端(即金属圆柱顶端)获得超高频率的高电压,电压一般可以达到几十至几百万伏特。充电开始后随着放电终端的电压逐渐增大,附近的空气被电离,电离空气一旦与周围物体或地面形成了通路,就会出现明亮的电弧放电,同时被高压击穿的空气发生震荡并发出巨大响声。实际上,这样的放电现象在日常生活中并不少见。闪电就是一种大气放电现象,其电压高达数百万伏特,能够释放巨大的能量。特斯拉线圈的原理与闪电类似,因此人们又称它为“人工闪电制造器”。

  根据间隙击穿电压的帕邢定律,对于1cm厚度、气压为1大气压(约0.1兆帕)的空气介质,在均匀电场的情况下3万伏特左右的电压才可以造成击穿放电。其他因素也会对击穿电压产生影响。一般而言,空气中的静电放电都发生在上万伏特高电压的条件下。但在充斥着等离子体的太空中,等离子体的高电导率特性大大降低了放电阈值,航天器表面几百伏特的电位差就可能引起不同电位表面之间的静电放电。这种静电放电最容易发生在航天器表面的尖角、尖边缘位置以及相邻太阳能电池单元的间隙之间,能够造成航天器部件损坏,并在电子部件中产生严重的干扰脉冲,甚至威胁航天器在轨安全。1982年9月,美国高空充电实验卫星(SCATHA)在表面电位低于-400V时监测到了多个静电放电信号,其中一次放电造成SC2仪器电子状态偏离预先设定的时序状态。在随后的人工表面充电实验中,静电放电造成SC2仪器彻底失效。

图2 上图:EOS-AM1太阳能电池板放电瞬间产生的电弧(视频截图);下图:太阳能电池板损坏

  2、航天器的表面充电效应

图3 在轨卫星表面发生负电荷累积

  航天器在轨运行期间,不同表面之间电位差是怎样形成的?这就要讲到等离子体环境的表面充电效应。航天器表面材料暴露在空间等离子体中,一般情况下环境中的电子、离子具有相同的能量,可以用如下公式表示:

  由于电子质量远大于离子质量,可以推导出电子热速度大于质子热速度,这就造成单位时间内入射卫星表面的电子多于质子,能量范围在几keV至100 keV的电子会在表面发生负电荷累积。另一方面,太阳光照在卫星表面激发出的光电子,能够减少表面负电荷。当进出卫星表面的多种电流达到动态平衡时,卫星表面电位稳定。在材料不同的表面之间,或者环境条件不同的表面之间(例如光照面与非光照面),就会产生电位的差别。

4 流入流出卫星表面的电流如同流入流出容器的水,达到动态平衡

图5 受到光照的表面与无光照的表面之间产生了电位差

  3、引起表面高充电的空间环境

  一般情况下,轨道上航天器表面的电位差达不到静电放电的电压阈值,不会发生放电。但在地磁暴期间,空间环境发生剧烈变化,航天器可能遭遇高密度、高温度的等离子体进而充电到很高的负电位,引发表面静电放电。下面介绍了地球同步轨道和低地球轨道区域的空间环境以及环境造成的表面充电效应。

  地球同步轨道(GEO)高度约为 3.6万千米,大多数通讯、导航卫星位于此区域。这里的等离子体环境受地磁活动水平影响。在地磁平静时期,电子温度低,不会发生高电位充电。磁暴时期高通量、高温度的电子(几十至几百keV)由外向内从午夜区域注入到地球同步轨道,同时沿纬圈向黎明前方向漂移。因此磁暴期间在同步轨道的午夜至黎明段内(如图6),卫星发生充电、放电事件的概率很高。卫星表面相对周围等离子体的负电位最高可达几千甚至上万伏特。

6 充电引起GEO航天器发生异常的位置分布,主要集中在午夜至黎明区间段内

  低地球轨道(LEO)指高度在2000千米以下的近圆形轨道。由于低轨卫星离地面较近,绝大多数对地观测卫星、测地卫星、载人航天器以及一些新的通信卫星系统都采用此轨道。倾斜角较低的低轨卫星处于低纬度的电离层环境中,充电效应很小,一般不会影响航天器安全。但倾角较高的低轨卫星在经过南北两极时,会在磁纬度60°至80°之间遭遇到高能量的沉降电子,引起卫星表面充电。实际上,人们平时在南北极看到的极光正是这种沉降电子引起的。如图7所示,左图红色表示某时刻的极光发生概率较高的区域,它位于环形的极光卵内,午夜区域概率最高。右图给出的低轨卫星DMSP发生表面充电事件的位置随磁纬度和地方时的分布,可以看到充电事件的发生位置正好对应极光发生概率最高的区域。众所周知,地磁暴发生时极区的沉降粒子密度显著增加,极光也会更加明亮。若此时低轨卫星经过极区,就有很高的几率发生表面充电、放电,危险系数将大大提高(见图8)。

图7 左图:某时刻的极光可见范围预报图;右图:LEO卫星DMSP发生表面充电事件的位置随磁纬度和地方时的分布

图8 极光沉降区内LEO卫星表面充电事件的发生频率随着地磁活动水平的增加而上升

  4、空间环境预报与表面充电效应

  随着人类文明的飞速发展,人类的日常生活越来越多地依赖通信、导航等各种卫星系统,然而许多卫星在恶劣的空间环境面前却十分脆弱。地磁暴期间,剧烈变化的空间等离子体环境对航天器产生的表面充电效应常常能够引起表面静电放电,威胁航天器安全。因此对灾害性空间天气及其造成的航天器效应进行预报显得十分重要。通过研究航天器表面充放电事件与空间环境参数的相关性,科研人员可以利用地磁指数及实地测量的电子通量等空间环境参数,对特定位置的在轨航天器的表面电位水平做出实时评估,或提前一段时间进行预报。利用该信息,工程师便可及时采取措施人为地控制表面电位(如启动航天器电位主动控制仪),这样可以缓解航天器表面带电,有效降低其发生静电放电的概率,保证航天器在轨安全。

 

 

 

 

 

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