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高层大气密度是怎么测量的?

    我们通常将距离地表90km以上的高空大气称为高层大气,在这个高度以上,大气密度随着高度的增加急剧下降,到200km高度时,大气密度已经约为地面的五亿分之一!尽管那里的大气密度已经如此稀薄,但卫星高速地绕地球运行(约7.9km/s),所受到的大气阻力仍然不可小视。就像当我们在公路上骑行,经常因来自空气的阻力感到吃力一样,卫星也会因为大气阻力的影响而慢慢感到“劳累”从而发生轨道衰减。现有的科学技术已经可以非常准确地模拟出除大气阻力之外卫星所受的各种扰动力,包括地球非球形扰动、日月扰动和辐射光压扰动等,因此大气阻力产生的扰动已经成为卫星定轨和预报的最大误差来源。为了计算出卫星受到的大气阻力,需要尽可能准确地知道那里的大气密度到底是多少,那么如何测量出这里的大气密度呢?下面本文列举出目前几种常见的测量方法。

1 卫星在大气阻力的作用下逐渐衰减

大气密度探测器

    测量高层大气密度的传统方法是采用大气密度探测器进行探测,我国神舟系列飞船和天宫系列飞行器都搭载有该仪器,其主要的工作原理是通过直接探测传感器内的气体压力和温度,并结合由气体分子动力学理论所建立的基本关系式来获得自由大气密度。

    大气密度探测器由传感器、电子线路和结构件组成。传感器由取样室、离子源、B-A规和温度传感器四部分组成。外界环境中的气体分子进入取样室后,经过碰撞其温度被调节成接近器壁的温度,此时原子态的气体充分混合成中性。内置的PN结温度计可直接测量取样室的温度,B-A规电离计可测得传感器内气压。调节后的中性分子到达传感器的感测区,经过电离形成正离子,收集后从正离子流的强度获得传感器内气体的压强。

星载加速仪

    星载加速仪是一种精度非常高的测量方法,重力卫星CHAMPGRACEGOCE和以研究地球磁场为目的的欧空局SWARM卫星均搭载有这种载荷。以CHAMP卫星为例,其携带的是一种三轴静电悬浮星载加速仪,由法国国家空间研究中心(CNES)和法国国家航空空间研究局(ONERA)共同设计制造,下面给出具体的探测原理。

2  CHAMP卫星示意图(加速仪放置于卫星质心处)

3  GRACE-A/B双星示意图

    将试验物体自由地放置于容器中,该容器的器壁装有电极,可以通过静电悬浮作用控制试验物体的运动,通过在传感器单元内部提供一个闭合的环路控制,可准确地使试验物体静止在容器中央。我们将卫星不受外力时的状态称为初始状态,在该状态下,试验物体的质心与卫星质心重合。若卫星只受到地球引力而没有受到任何其他非保守力的影响,则初始状态不变,当卫星受到其他非保守力扰动时(大气阻力、日月、潮汐、光压扰动),试验物体质心就会由于惯性偏离卫星本体质心,并与各内壁的距离产生变化,传感器感应到这种变化后,会立即调整电压,将物体重新“推”回中心位置,这种增加的“电推力”等效于外部受到的非保守力。电压的变化经过换算,就能获得非保守力加速度的大小。这个非保守力又与大气密度直接相关,因此可以计算出对应的大气密度。

 4 CHAMP卫星搭载的加速仪

5 星载加速仪原理图

    星载加速仪数据具有精度高、分辨率高的特点。通过表1可以看出CHAMP加速仪精度达10-9m/s2GRACE卫星精度更是达到10-10m/s2,换算成大气密度,精度可达10-15~10-14kg/m3。而在CHAMPGRACE的高度,大气密度量级约为10-13~10-11 kg/m3。因此通过加速仪数据可以较为准确地测量出卫星轨道处的大气密度。

1 加速仪基本信息

    从表1中我们能够发现目前的高精度加速仪大部分都是法国生产的,遗憾的是,我国目前尚不具备生产如此高精度加速仪的能力。我国航天工程中的加速度计多用于载体的微重力测量系统和高精度惯导系统中,也可用于高精度的静态角度测量系统中,将加速度用于大气反演方面尚无工程先例。如图5是国内工业级的用于惯导方面的加速度计,其分辨率量级约为10-6m/s2

6 星载加速仪原理图

    与加速仪原理类似的一种仪器是“阻力平衡仪”,它由弹簧系统取代静电系统,通过弹簧位移得到阻力,进而得到大气密度。该方法最初由意大利罗马大学率先提出,主要搭载于微小卫星平台。该方法曾为MSIS90模式的建立提供了阻力平衡器数据。

轨道数据反演

    利用卫星轨道数据反演大气密度也是测量大气密度的一项重要来源,许多已知的半经验大气模型都是以这种方法计算得到的大气密度作为数据基础而建立的,如JacchiaCIRA系列模型。其基本原理(图7)是:卫星在大气阻力的作用下会偏离预定轨道,利用轨道参数的变化与大气密度的关系即可反演出大气密度。

7 利用轨道衰减反演大气密度示意图

    近十几年出现了利用卫星两行轨道根数(TLE)反演大气密度的方法。顾名思义,TLE数据是由两行轨道根数组成的,包含了卫星的编号、时间和六个轨道参数(轨道倾角、偏心率、每日绕行圈数、升交点赤经、近地点角距、平近点角)等信息。TLE数据从上世纪50年代起就开始记录,截止20176月底,在编目标已达42000多个,共累计数据1亿多组,因此TLE数据具有良好的空间覆盖率和时空连续性,这为大气密度的反演和研究大气密度的长期变化趋势提供了宝贵的数据来源。

TLE中的每日绕行圈数可以提供轨道衰减信息。卫星在大气阻力的作用下轨道逐渐衰减,导致每日绕行圈数逐渐增加,利用这一参数,并结合其他各项轨道参数与大气密度的关系即可计算出卫星轨道处的大气密度。

 8 2016年天宫一号每日绕行圈数

    由于每颗卫星每天只记录有限的几组TLE数据,因此TLE的时间分辨率并不理想,针对这一问题,近几年又出现了利用卫星高精度GPS数据反演大气密度的方法,该方法原理与TLE类似,但由于GPS数据记录频率高,因此具有非常高的时间分辨率。该方法的缺点是对GPS数据的质量要求非常高,需要GPS精度达到厘米量级,而目前达到这一要求的卫星数据非常少,因此所能反演的大气密度十分有限。

    以上是目前测量大气密度的几种常见方法,所得大气密度即可用来建立新的密度模型,又可对已有的模型进行修正。在实际应用过程中,卫星定轨和预报大部分是用大气模型来模拟大气密度的影响,而现有的模型普遍存在15%以上的误差,因此如何测量出更加准确的大气密度仍然任重而道远。

空间环境产品订阅服务

    随着空间环境预报技术的发展以及预报产品和服务内容的增多,为了更好地服务于各类空间环境用户,实现以用户体验为主的服务宗旨,空间环境预报中心(以下简称“预报中心”)提供了面向用户的电子邮件及手机短信主动推送功能。用户可以通过预报中心门户网站(www.sepc.ac.cn)进行产品订阅,选择感兴趣的空间环境产品,成功订阅后即可免费享受相应的短信或邮件推送服务。

一、 产品内容

    用户可以订阅的空间环境产品包括环境预报、事件警报和事件通报三大类,具体内容参见表1

        用户可以通过预报中心门户网站中“产品服务”下面的“产品介绍”栏目,查看环境预报、事件警报和事件通报的相关产品简介。图1为“环境预报产品简介”网页,网页向用户介绍了产品功能、发布时间和频次、用户服务方式等信息。用户还可以通过“产品服务”下面的“能力介绍”栏目,了解预报中心的空间环境预报、空间碎片预警等能力。

1 “环境预报产品简介”页面

二、 订阅流程

    用户可以通过如下四个步骤完成产品订阅工作:

    第一步,登入空间环境预报中心门户网站,访问“产品订阅”栏目。

    第二步,注册为新用户。如需申请手机短信产品,注册时必须填写手机号码,并设置短信接收时间,默认为全天实时接收。如果你担心半夜的突发空间环境事件短信会打扰睡眠,可以将接收短信的时间范围设定在白天,如8:00-16:00

    第三步,注册成功,等待审核。审核通过后,您将接收到系统发出的一封邮件。

    第四步,订阅所需产品。如需订阅警报产品,订阅时请选择警报级别。警报级别分为黄色、橙色和红色三个级别,默认订阅的是黄色及以上级别警报。图2为“产品订阅”网页。 

2 “产品订阅”网页

    短信服务订阅成功后,系统将产品发送至用户指定的手机号码;邮件服务订阅成功后,系统将产品发送至用户指定的电子邮箱。如欲调整已订阅的产品或更新个人账户信息,请访问预报中心的“产品订阅”网页,登陆注册账户进行修改。

三、 产品示例

    图3为短信服务和邮件服务的产品示例,其中图3-a)显示了2017423日地磁暴警报短信的手机界面,图3-b)20174月份空间环境月报邮件中的PDF附件截图。

     

3 订阅产品示例

    欢迎大家使用产品订阅服务!如在订阅过程中遇到任何问题,请通过sepcwebmaster@sepc.ac.cn与我们联系,我们将及时给您回复

    大家也可以通过“空间环境预报”微信公众号或“e SpaceWx”手机app来掌握空间天气最新动态。图4是“空间环境预报”微信公众号和“e SpaceWx”手机app下载的二维码。

4 “空间环境预报”微信公众号和“e SpaceWx”手机app下载的二维码

警惕太阳活动低年的空间环境

       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。

口袋里的空间天气-"e SpaceWx"

   随着移动互联网的发展,各类天气软件如雨后春笋般迅速走入公众视线。雾霾、强降雨、台风、毒辣阳光,谁也不想被天气影响了出行安排,你的手机至少会安装一款天气app用以防身,随时获取最新的天气预报和预警信息。同样,当太阳风暴来临时,在看似平静的太空里,会发生各种恶劣的空间天气事件,它们会对卫星、航天员、无线电通信、导航系统等造成多种影响和危害。为了向各专业用户及科学爱好者提供更优质的空间天气预警服务,中科院空间环境预报中心除官网、邮件和短信系统之外,还研发了国内首款空间天气App“e SpaceWx”

一、全面的空间天气观测数据

      “e SpaceWx”实时提供日地空间链路的各类物理观测数据,涵盖太阳活动、行星际、高能粒子、地磁场、电离层等区域或要素的40余类监测数据。同时,采用的数据标签技术保证不会重复获取数据,节省时间与流量。

    太阳爆发活动是日地空间天气变化的根源-通过软件可访问各种太阳活动观测数据,包括光球、色球、日冕、日冕物质抛射成像、太阳X射线流量、太阳F10.7指数、日面黑子数等,监视太阳的动向。

    地磁场抵御太阳风等离子体,保护着地球,当太阳发生剧烈爆发活动时,快速的等离子体云将使地球磁场被强烈压缩-通过软件可获知最近3日的行星际太阳风速度、密度、温度、磁场等物理参数是否发生大的变化,以及地球磁场的Kp指数、Dst指数、Ap指数,了解地磁扰动情况。

    高能粒子有可能使卫星发生充放电、软硬件系统故障、以及对航天员造成辐射危害,威胁他们的安全-通过软件可实时观察到地球同步轨道能量范围不同的高能质子和高能电子的粒子通量变化,以便发生情况时迅速做出防护措施。

    人类利用电离层实现无线电通信和GPS导航,当电离层出现强烈扰动时,无线电通信信号将衰减或中断、卫星导航系统精度下降甚至通信链路中断-软件根据分布在我国低纬地区5个台站(福州、厦门、广州、南宁、海南)的观测数据,发布电离层闪烁指数和电子浓度总含量TEC数据,有助于判断电离层的扰动状态。

各类空间天气观测数据

二、主动推送预警信息

    用户除了自己主动打开App,进入相应的可视化界面获得空间天气的实时状态之外;“e SpaceWx”还提供预警信息的自动推送服务,即发生太阳风暴时,向用户主动推送相关空间天气事件的预警信息。

    太阳爆发时向空间抛射大量的物质和能量,通常表现为增强的电磁辐射、高能带电粒子流和高速等离子体云。这三种物质能量到达地球的时间不同,先后对地球空间形成三轮攻击,造成磁层、电离层和高层大气的剧烈扰动,引发一系列空间天气灾害事件,主要包括太阳X射线耀斑、质子事件、高能电子暴、地磁暴、磁层顶穿越和电离层突然骚扰事件。

       “e SpaceWx”在第一时间向用户主动推送这六类灾害事件预警信息。根据事件的强度和可能造成影响和灾害的等级,预警信息一般可分为红色预警、橙色预警和黄色预警三个级别。

 主动推送空间天气事件预警信息

三、专业的空间天气预报

    除了实时的观测和预警信息,专业的空间天气预报服务也是必不可少的。“e SpaceWx”不仅提供空间天气预报员面向各用户发布的空间天气预报内容之外,还集成发布各项物理模型预报、数值预报、经验预报等8类预报模式的结果,物理参数包括太阳F10.7指数、地磁Kp指数、地磁AE指数、高能电子通量等,让用户及时知晓未来的空间天气变化。

专业的空间天气预报

四、随意的定制式服务

    家具可以定做、衣服可以定做,“e SpaceWx”的界面同样也可以根据用户需求进行定制。日地空间链条涵盖了太阳、行星际、地球空间、地磁场、电离层、中高层大气等众多区域,各用户关心的空间天气要素也不一样。“e SpaceWx”提供的用户自定义功能,则方便用户将自己感兴趣和需要的内容集合到一个界面,进行统一定制和管理。

随意的界面定制

五、成熟的软硬件系统

    我们分别开发了AndroidiPhone两个版本,“e SpaceWx”通过C/S结构实现,即大家熟知的客户机和服务器结,通过它可以充分利用两端硬件环境的优势,将任务合理分配到Client端和Server端来实现,降低了系统的通讯开销。客户端服务端通过XML-RPCXMPP协议进行通信,减少了网络流量的消耗,极大程度的提高了资源的利用率。

“e SpaceWx”的软件架构

    总之,e SpaceWx是一种个性化的空间环境服务新方式,它的出现改变了传统单一的服务方式,内容丰富、图文并茂,信息实时,同时兼具了普通空间环境短信的方便与快捷。获取途径:访问http://www.sepc.ac.cn/sfdownload.php 点击“Android”“iPhone”图标,或扫描对应的二维码即可安装。  

2016年空间环境盘点

2016年是第24太阳活动周进入下降期的又一个年头,相比于2014年我们关注第24太阳活动周的峰值是否确认,2015年关注地磁活动水平是否上升,2016年的空间环境状况又是如何呢?本文将同您一起回顾这一年的“风风雨雨”……

1. 2016年与第24太阳活动周

由太阳黑子数和10.7厘米射电流量的变化可知,太阳活动具有11年左右的周期性。刚刚过去的2016年属于第24太阳活动周,其开始于2008年12月,太阳黑子月均平滑值于2012年2月和2014年3月达到本活动周的两个峰值66.9和80.8,形成“双峰结构”,之后逐年下降,截止2016年5月下降至26.9。

2016年已处于第24太阳活动周下降期的中段,其太阳总体水平较2015年又有明显下降。太阳黑子数和F10.7年均值分别为36.8和88.8sfu,相对2015年分别下降了48%和24%,日面上出现的活动区个数和太阳耀斑、质子事件等爆发活动也大大减少。

图1 第24太阳活动周F10.7平滑月均值的实测值与预报值

2. 太阳活动水平

2016年的太阳活动整体水平继续了2015年开始的下降趋势。

太阳黑子数和F10.7年均值明显下降。全年日面上出现的活动区个数由2015年225个减少为2016年的150个,无黑子日则由0天增加为34天。

同时,太阳爆发活动也明显减少。2016年共爆发了321个C级耀斑,16个M级耀斑(黄色警报),无X级耀斑(橙色警报)和X10级以上的耀斑(红色警报),耀斑最大级别为M7.6级。2016年仅在1月2日发生了1次小太阳质子事件(黄色警报),大于10MeV质子最大通量达到22pfu,无中等质子事件(橙色警报)和大质子事件(红色警报)发生。此外,2016年太阳上爆发的日冕物质抛射事件(CME)也少于2015年。

表1 2014-2016年太阳活动比较

 

3. 地磁活动水平

2016年的地磁活动虽然仍较为活跃,但整体水平相比于2015年已略有下降。2016年年均Ap值为11.6,Ap≥15的天数为89天,占全年的24%。地磁活动达到小或中等磁暴水平(Kp=5、6)的时段为143个,达到大磁暴水平(Kp=7)的时段为4个。最大Ap指数值为70,最大Kp指数值为7。2016年没有特大地磁暴(红色警报)发生。

在2016年,日冕物质抛射事件减少,重现性冕洞高速流成为引发地磁扰动的主要因素,约80%以上的地磁暴完全是由重现性冕洞高速流引起。

本年度中最强的磁暴扰动发生在2016年5月8-9日,受重现性冕洞高速流的影响,地磁共有6小时达到大磁暴水平(橙色警报),9小时达到中等磁暴水平(黄色警报),12小时达到小磁暴水平(黄色警报),其中5月8日Ap指数达70,为全年最高值。次强的地磁扰动发生在10月24-30日,受重现性冕洞高速流的影响,地磁共有3小时达到大磁暴水平(橙色警报),12小时达到中等磁暴水平(黄色警报),39小时达到小磁暴水平(黄色警报),其中10月25日Ap指数达到60,为全年次高值。

 图2 最近三个活动周Ap指数月均平滑值。本活动周的地磁活动水平远低于前两周,且2016年略低于2015年

表2 2014-2016年地磁活动水平比较

 

4. 高能电子暴

2016年,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量全年共有110天达到小高能电子暴水平(黄色警报),21天达到中等高能电子暴水平(橙色警报),无强高能电子暴(红色警报)发生。高能电子暴总次数大大超过2015年,且事件级别和持续时间,都强于2015年的水平。

本年度中最强的高能电子暴发生在2016年5月9-13日,高能电子日积分通量连续4天达到中等高能电子暴水平,日积分通量的峰值为2.5E9(P/cm2-day-sr)。全年共有4次高能电子日积分通量持续4天达到中等高能电子暴水平。全年有3次高能电子暴持续超过10天。

表3 2014-2016年高能电子暴比较

5. 电离层环境

随着太阳活动水平的降低和地磁活动水平的略有下降,2016年的电离层环境相比于2015年更为平静。2016年共发生中国区域的电离层突然骚扰(SID)事件3次、极盖吸收事件1次、中国区域电离层暴事件10次。电离层闪烁事件以发生的天数统计,2016年仅2-4月和9-10月(春秋两季)发生电离层闪烁事件,夏季和冬季的闪烁天数为0天。闪烁最多的海南富克站2016年总计为25天,大大低于2015年。次多的广州和南宁站总计仅为7天。

表4 2015-2016年电离层扰动事件比较

 

6. 2016年的大太阳风暴

1)2016年最强的地磁暴事件

2016年5月8-9日,受重现性冕洞高速流的影响,太阳风速度最高达到766km/s左右,行星际磁场南向分量最低达到-12nT,地磁有6小时达到大磁暴水平,9小时达到中等磁暴水平,12小时达到小磁暴水平,Dst指数下降至-120nT,8日和9日Ap指数分别为70和33,其中70为2016年最高值。此次地磁暴是2016年的最强地磁暴。8~9日我国北部部分地区发生电离层暴事件,8日白天发生正相扰动,实测值高于背景值,8日夜间至9日晨为负相扰动,实测值低于背景值。9-13日地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到高能电子暴水平,且10-13日达到中等高能电子暴水平。

图3 SDO观测的日面中心冕洞(5月6日)

图4地磁Kp指数(5月6-12日)

 

图5 2016年5月8-9日漠河、北京站监测到电离层F2层临界频率(foF2)和电离层TEC的暴时变化

 

2)2016年持续时间最长的地磁扰动事件

2016年9月25日-10月5日,受连续的冕洞高速流影响,9月25-29日太阳风速度持续上升,最高达到800km/s左右,9月30日-10月5日太阳风速度均维持在500km/s以上。这11天期间,地磁Kp指数多次达到活跃或中小磁暴水平,Ap指数分别为23、22、38、42、39、21、19、18、14、26、13。

图6 SDO卫星观测到的9月23日的小冕洞和27日冕洞

 

图7 9月24日-10月5日的太阳风速度(上)和地磁Kp指数(下)

 

3)2016年持续影响地磁的大冕洞

日面上的冕洞随着太阳自转,具有27天的周期性(即重现性)。2016年有多个冕洞持续超过3个太阳自转周,其中9月起多次影响地磁的大冕洞,持续了5个太阳自转周。该冕洞在8月份扩张,占据了日面的北部到极区和中部赤道附近,于8月29日、9月25日、10月22日、11月20日、12月18日转到日面中心附近,其对应的重现性冕洞高速流引发了5次最大Kp≥6且持续多天的地磁扰动。

表5 冕洞引起的地磁扰动

7.小结

回首2016年,太阳活动的整体水平继续延续了下降趋势,地磁活动的整体水平也弱于2015年,而高能电子暴发生天数显著增加。2017年,我们仍将实时关注太阳活动的一举一动,并给出及时准确的预报。

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