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2019年太空中发生了哪些空间环境事件

    通俗地讲,太空环境又称空间环境,是太阳—地球空间中能够对人类生活或技术系统造成影响的所有物质条件的总和。空间环境是除陆地、海洋和大气以外人类生存的第四个环境,也是现代战争的“战斗空间”。

    空间环境中所说的空间范围通常指地面上几十公里高度以上到太阳表面的广大宇宙区域,而空间环境灾害性事件发生源头主要来自于太阳。当太阳产生爆发活动时,可能引起太阳质子事件、地磁暴、高能电子暴等一系列空间灾害性事件,从而可能会对人类的航天系统、无线电链路系统、电力和能源系统产生严重影响。

        2019年,已经到第24太阳活动周的末期,太阳活动水平较低,很少发生太阳爆发活动。不过,太阳冕洞仍然时不时引起一些地磁暴事件,而发生在地球同步轨道附近的高能电子暴事件则永不缺席。下面我们就一起回顾一下这一年波澜不惊的空间环境。

1.异常沉寂的太阳

    太阳黑子,是指太阳光球表面磁场聚集的地方是太阳表面可以看到的最突出的现象。肉眼看起来,太阳黑子比周围暗,像一个个小小的斑点。太阳黑子是太阳活动的一个重要标识,是引发太阳爆发活动的最重要的源头。当我们处于太阳活动高年时,太阳公公就像长了雀斑,脸上常常有许多黑子。而当我们处于太阳活动低年时,太阳的脸又像美白过一样,干干净净。

1 太阳活动高年和低年的太阳

        2019年,介于第24/25太阳活动周的交替期,已经到第24太阳活动周的末期,即将迎来新的第25太阳活动周。太阳黑子数已经彻底降到了谷值。其月均值在7-11月份均低于1,在2月份甚至为0,。而表征太阳辐射水平的太阳F10.7指数月均值也降低到了67sfu,处于历史低值附近。

2 2425太阳活动周的太阳黑子数

        2019年太阳黑子数的年均值为3.7,相对于2018年下降了42%,而F10.7年均值为69.7,略有下降(见表3)。

1  2017-2019年太阳活动比较

    随着太阳活动水平的持续降低,太阳上的黑子活动区个数也大大减少,无黑子日(即太阳表面一个黑子也没有)持续出现。全年太阳上出现的黑子活动区个数仅为24个,比2018年减少了35%2019年太阳无黑子日为284天,一年之中有超过3/4的时间里没有太阳黑子出现。

    太阳黑子的减少也意味着太阳耀斑、日冕物质抛射等太阳爆发活动的减少。2019年仅产生了32C级耀斑,均集中在上半年,没有M级及以上级别耀斑产生。其中编号为AR2740AR2743的两个黑子活动区各产生了12C级耀斑。 515日,黑子活动区AR2741爆发了最后一个C2级耀斑,随后太阳便陷入了死寂,连C级耀斑也没有了。2019年也没有观测到太阳质子事件。

3  2019年太阳X射线流量(表征耀斑)和太阳质子流量(表征质子事件)

4  2019年太阳爆发活动比较

2. 偶有亮点的地磁活动

    地磁暴,是一种剧烈的全球性地球磁场的扰动现象,是最重要的一类地球磁扰变化类型,也是一种恶劣的空间环境事件。它能引起磁层、电离层和中高层大气等环境的强烈变化,从而对航天器产生各种危害。对低轨道航天器来说,地磁暴后引起的大气密度增加能够导致大气阻尼的增强,会改变航天器的正常运行轨道,增大了航天器定轨及轨道预测的误差。

        人们利用各种指数描述地磁活动,其中最常用的包括ApKpDst指数等。其中ApKp指数用于对全球地磁活动的测量。

        2019年,地球磁场的整体扰动水平非常弱。从表2中的多个指标来看,地磁活动水平比2018年明显下降。从20191月到12月,地磁Ap指数月均值仅有9月份超过10,其它月份在4-9之间波动。Ap指数年均值仅为6.9,比2018年低了11.5%Ap15的天数仅为22天,比2018年少了16天。

2 2017-2019年地磁活动比较

        2019年地磁暴级别也比较弱,从标示地磁暴水平高低的Kp指数上来看,全年发生小地磁暴(Kp=5)的天数为14天,中等磁暴(Kp=6)的天数为2天,仅有1天发生了大地磁暴(Kp=7)。

3  2019年地磁暴天数统计

    一般来说,地磁暴的源可分为两种:日冕物质抛射(CME)和冕洞高速流(CHH)。其中,CME具有偶发性和强烈性,多产生于太阳活动高年,引发了大部分的大地磁暴,在太阳活动低年偶尔也会引起地磁暴;冕洞高速流随太阳自转具有27天的周期性,在在太阳活动低年占主导地位,常常引起中小型地磁暴。

        2019年太阳活动虽然微弱,但在510日、11日爆发的日面物质抛射却引起了全年唯一的大地磁暴事件。

5  5月份的日冕物质抛射引发了2019年唯一的大地磁暴

6  2019年地磁Ap指数和Kp指数

    如果说2019年上半年,CME引起了全年唯一的大地磁暴,独领风骚,那么2019年下半年则是冕洞的表演时间,后文我们将重点回顾一个横跨了多个太阳自转周(27天)的大冕洞。

3. 高能电子暴-杀手电子永不缺席

    高能电子暴,是指发生在地球外辐射带区域的高能电子通量突然增强数千倍、甚至上万倍的事件。

    空间高能电子对航天器的影响是非常严重的。就像原子弹爆炸产生的放射性物质,可以渗透到人类体内一样,高能电子则可以穿透航天器仪器表面进入到内部传输,造成深层充电等效应,使航天器产生错误动作,从而引起航天器的异常或故障,更严重的充放电可造成电路击穿,甚至使航天器失效。深层充电对导航卫星影响最大,其次是同步轨道卫星。近年来,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。

    在太阳活动低年,千万不要被“太阳活动水平低,日面上无活动区”等字眼蒙蔽了双眼,放松对高能电子暴的警惕。由于受太阳活动的调制,在太阳活动周的下降段,高能电子暴发生频次比较高——杀手电子永不缺席。

        2019年,有66天发生小高能电子暴,10天发生中等高能电子暴,没有强高能电子暴,高能电子暴总天数为76天,占全年总天数的21%

4  2019年高能电子暴天数统计

    在2019年,曾出现多次持续多天的高能电子暴。86-11日,高能电子暴持续了11天,日积分通量最大为1.1E+09/cm2.sr.day831-912日,高能电子暴持续了13天,日积分通量最大为2.9E+09/cm2.sr.day,接近强高能电子暴事件阈值。

7  2019年高能电子暴占比

4.年度“风云人物”—冕洞

    在前文部分,我们已经提到,冕洞高速流是引起2019年主要地磁暴的主因。因此,2019年下半年,在太阳赤道附近出现的一个冕洞当属太阳活动年度“风云人物”。

    这个冕洞在7月份便在日面生成,随后持续膨胀、增强,并随着太阳的周期性自转而在日面呈现27天的自转,多次朝向地球时,引起了8月初、9月初、9月末、10月下旬的多次地磁暴事件。并总共引起了8天中等高能电子暴、33天小高能电子暴,占全年高能电子暴天数的54%

8 大冕洞在82日、829日、926日、1022日分别经过日面中心

9 大冕洞在8月初、9月初、9月末、10月下旬引起的地磁暴

5. 总结与展望

        2019年,太阳活动整体水平缓慢下降,甚少有爆发活动发生;地磁整体水平也持续下降,地磁暴事件逐渐减少;高能电子暴事件虽然比较活跃,发生次数和强度也有所减弱。随着以上各个标志性事件渐近谷底,基本上宣告第24太阳活动周已经接近尾声。

    展望2020年,我们即将迎来新的第25个活动周,预计太阳将逐渐苏醒,并开始新的爆发表演,我们期待着与您一起关注。

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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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