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太阳的未来是什么?——由恒星亮度变化来预测未来

《科学》(science)杂志最新研究成果表明,相比其它类太阳恒星,太阳的亮度变化幅度较小、磁场活动较弱,那么太阳的未来会跟其他类太阳恒星一样更加活跃吗?在太阳“不太活跃”的时期,太阳爆发活动的威力已经令人恐惧,如果太阳更加活跃,对地球磁场、大气等环境、以及人类太空探索活动的影响也会更大,我们要如何应对呢?

1.太阳的亮度变化是什么原因?

太阳是日地空间环境扰动的源头。太阳的亮度随着太阳磁场的演化而发生变化。

太阳的结构如图1所示,从外向内分别是日冕层(corona)、色球层(Chromosphere)、光球层(Photosphere)、对流层(Convection zone)、辐射层(Radiative zone)和核心(Core)。太阳主要是由高温等离子体组成的,等离子体中的电子、离子在运动的过程中就会产生磁场,磁场也反过来影响这些带电粒子的运动方式。太阳磁场的发电机学说认为由太阳核心核聚变产生的巨大能量,通过等离子体在太阳内部的运动,产生了太阳的磁场。

图1 太阳结构示意图(引自Wikipedia Commons/kelvinsong)

太阳磁场主要在太阳大气层(包括日冕、色球和光球)。在太阳活动高年,可以看到如图2所示的20147月,太阳表面的磁场结构非常复杂,闭合磁力线和开放磁力线区域夹杂在一起,非常容易引发太阳爆发活动;在太阳活动低年,可以看到如图3所示的20111月,太阳表面的磁场结构比较简单,开放磁力线区域主要集中在太阳磁场的南北极。

图2 太阳活动高年表面磁场结构示意图(引自NASA)

图3 太阳活动低年表面磁场结构示意图(引自NASA)

太阳磁场具有11年长周期的变化特征,就可以通过对太阳日冕极紫外波段的图像观测看到太阳亮度的变化。如图4所示,自1996年至2006年的整个太阳活动周,太阳逐渐活跃(增亮)又恢复平静(变暗)。

图4 太阳活动周对应的太阳亮度变化(引自NASA)

除了11年长周期的太阳亮度变化之外,在太阳爆发活动期间,太阳也会突然增亮。太阳内部等离子体上升到太阳大气,可能使太阳磁场发生扭曲、重联等,从而导致太阳大气短期内发生激烈的变化,经常爆发各种太阳活动,比如太阳耀斑、日冕物质抛射、高能粒子事件等等。在太阳日冕极紫外图像观测中,也可以观测到对应的亮度变化,如图5所示的太阳耀斑爆发期间,可在太阳极紫外波段图像中观测到局部突然增亮。 

图5 太阳耀斑爆发引发的局部突然增亮(引自NASA)

2.类似太阳的其它恒星也有同样的亮度变化吗?

太阳是一颗恒星,会发光发热。太阳亮度的变化反映了太阳磁场的变化特点。

那么其它恒星也会有类似的亮度变化吗?答案是肯定的,恒星内部产生了磁场,当恒星的磁场活跃程度发生变化、以及出现爆发活动时,也会出现亮度变化。

那么,太阳和其它恒星,亮度变化是否也相似呢?

《科学》杂志(Science)最近刊登了一项最新的研究,就是基于开普勒太空望远镜(Kepler space telescope)的恒星亮度观测,将温度和自转周期类似太阳的其它恒星的亮度变化,与太阳做了对比。开普勒太空望远镜是从太空中直接观测恒星亮度,避免了地球大气对星光造成的影响(比如夜间抬头看星星出现“一闪一闪”的现象)。

科学家们分析了4369颗类太阳恒星的亮度观测,他们发现,相比这些恒星,太阳的亮度变化幅度较小,这说明太阳的磁场活动并不活跃。如图6中四年的恒星亮度变化曲线所示,第一行是太阳、第二至四行是用作对比的类似恒星,可以看到,太阳亮度的可变范围是0.07%,明显小于其他三个恒星(分别是0.18%0.35%0.84%)。

图6 太阳和其他类太阳的恒星的亮度变化曲线(引自1)

3.太阳的亮度变化预示了什么未来?

太阳的恒星亮度变化幅度低于其他类似太阳的恒星,说明了太阳磁场活动也低于这些恒星。这预示了太阳的未来是什么呢?

有一种观点认为,在未来,太阳的磁场活动可能会跟这些恒星一样,更加剧烈。这可不是个好消息。太阳上的爆发一旦其到达地球,可能引发一系列强烈的空间环境扰动,会严重影响通讯、导航、电子装备等技术系统的安全运行和效能发挥2000年的巴士底日事件、2003年的万圣节风暴就对数颗卫星产生了破坏性的影响,包括仪器毁坏、卫星失控;1989年的太阳风暴引发蒙特利尔魁北克省电网断电崩溃。在太阳“不太活跃”的时期,太阳爆发活动的威力已经令人恐惧,如果太阳更加活跃,对地球磁场、大气等环境、以及人类太空探索活动的影响也会更大,我们要如何应对呢?

但不必过于惊慌,实际上,科学家们认为在过去140年中,太阳并没有特别的活跃,而在过去9000年历史记载中,太阳也并没有出现过大幅度超越现今的活跃程度。另外,也有一种观点认为,恒星在演化的过程中有一个“中年危机”时期,会出现爆发活动减少、自转速度放缓的现象,此时太阳已经正处在这个时期中。

太阳的未来仍没有定论,我们期待太空探索活动能带来更多的观测和有趣的结果。

引用:

[1] Reinhold T., Shapiro A.~I., Solanki S.~K., Montet B.~T., Krivova N.~A., Cameron R.~H., Amazo-Gomez E.~M., 2020, Sci, 368, 518

[2] Santos R.G., Mathur S., 2020, Sci, 368, 466

空间环境预报为长征5B火箭首飞和新飞船保驾护航

北京时间2020年5月5日18时,中国海南文昌航天发射场,长征五号B运载火箭成功首飞,新一代载人飞船试验船等载荷组合体顺利进入预定轨道。中科院空间环境预报中心为发射任务提供了圆满的空间环境保障服务,并开启全天候的空间环境保障模式,24小时不间断地为新飞船的安全运行保驾护航。

1 长征五号B运载火箭发射成功

长征五号B运载火箭是在长征五号运载火箭基础上改进研制的新型火箭,起飞质量约849吨,近地轨道运载能力达到25吨级,可满足约22吨的空间站舱段发射需求。新一代载人飞船,面向我国近地空间站运营、载人深空探测等任务需求,采用返回舱与服务舱两舱构型,未来在执行近地轨道任务时,可以一次运送6-7名航天员。

影响长征5B发射和新飞船运行的轨道空间环境主要是大气环境和高能辐射环境等。这些环境的变化主要受太阳活动和地磁活动的制约。目前正处于第24和第25太阳活动周的交替阶段,太阳爆发活动的强度和频次都比较低。但太阳上的冕洞(CH)经常连续几个太阳自转周(27天)引起地磁扰动,偶发的日冕物质抛射(CME)也会时不时引起地磁暴。面对这些空间环境事件,需要提前开展空间环境预报以保障其运行安全。

2  2020年以来冕洞和CME引起的地磁扰动

从神舟一号,到神舟十一号,从天宫一号,到天宫二号,中科院空间环境研究预报中心(简称预报中心)一直是我国载人航天任务空间环境保障的承担单位,无时无刻不在保障着飞船运行的空间环境安全。对于新飞船的空间环境保障任务,预报中心早在年就开始准备,对发射窗口的空间环境状况进行了长期预测分析空间环境对航天器的影响。从发射前三个月开始,预报中心持续地向工程有关部门提供空间环境预报报告,对发射窗口的空间环境状况进行精密的分析和预测。

3 新飞船发射时间处于太阳活动低年

在发射的前几天,预报中心组织会商,细致分析空间环境监测资料,对未来几天的空间环境状况进行了详细预测,密集提交空间环境预报产品,并及时向上级部门汇报预报结果。对于发射时的空间环境,给出了精确的短期预报结论:飞船发射窗口期间,太阳不会发生明显的爆发活动,地磁不会发生强扰动,预计发射窗口的空间环境是安全的。为新飞船的顺利发射升空提供了圆满的空间环境安全保障。

4 新飞船发射时太阳没有爆发活动

5 新飞船发射期间地磁平静

新飞船升空入轨后,预报中心24小时监测空间环境的变化,对太阳辐射、太阳质子事件、地磁暴、大气密度等空间环境要素进行监测、预报、警报和影响分析,及时报告空间环境态势,预报空间环境指数,评估空间环境变化对新飞船试验可能产生的影响。

6 空间环境预报员坚守工作岗位

长征五号B运载火箭和新一代载人飞船的发射成功,标志着我国载人航天工程“三步走”已完成了前两步载人飞船阶段和空间实验室阶段。第三步空间站建设阶段大幕拉开。将来的中国空间站将成为国家级太空实验室,承载着我国建设成为航天强国的新梦想。未来,预报中心还将继续为我国空间站的建造、运营、科学实验和航天员长期驻留提供全生命周期的空间环境预报保障服务。

我们的征途是星辰大海,让我们一起迈向中国载人航天新时代!

太阳活动区影响冕洞高速流?

冕洞在日面上通常能持续数十天至数月,并随着太阳的自转重现在正日面上,如图12016324日至421日、美国NASA的太阳动力学观测台(SDO)卫星对极紫外193Å波段的日冕观测动画所示,其中CHAR分别代表冕洞和活动区。

随太阳自转的冕洞动画(来自helioviewer.org

通常我们认为行星际空间中的太阳风来自于太阳日冕的开放磁力线区域,其中,冕洞代表的开放磁力线区域能持续不断的喷发出大量等离子体团——冕洞高速流,是灾害性空间天气的主要驱动源。冕洞高速流传播到地球时,其携带的高速太阳风等离子体团和很强的行星际磁场,与地球磁层相互作用而引起地磁暴等事件,同时可引发电离层暴和中高层大气密度的快速上升。冕洞高速流所引起的地磁暴在太阳活动下降年和太阳活动低年的地磁活动中占主导地位。

冕洞随着太阳自转这一特征,可以用于预报重现性的冕洞高速流、及其引发的地磁扰动。但是,冕洞并不是一成不变的,同一个冕洞在演化过程中,可能发生很大的改变,从而在日冕观测中呈现出不同的形态,亮度等,也因此,当同一个冕洞在日冕观测图像中的形态发生变化时,我们就认为这个冕洞发出的高速流扫过地球时的磁场和等离子体特性会发生变化。以两种情况下的经验预报为例:当冕洞的面积变大、变黑时,我们认为太阳风的速度会更高;当冕洞的经度跨度变大时,我们认为在地球处观测到的冕洞高速流的持续时间会更长。

那么,当一个冕洞在经历一个太阳自转周后,位于日面正中时的形态和亮度变化都不大时,可以认定地球对这两次冕洞高速流的观测相似吗?答案是不一定。

下面我们将简略介绍Macneil[1]2019年发表在ApJ的一篇文章中的有趣发现。

如图2所示,SDO卫星极紫外193Å波段对日冕的观测图像中,冕洞于2016324日出现在日面正中,在经历了一个太阳自转周(约27天)后,于420日再次重现在日面正中;其中绿色的点代表扫过地球处的冕洞高速流的源,是通过一系列的模型进行追溯和反推得到的。Macneil等发现了这个冕洞在随太阳经过一个自转周后,在日冕观测图像中并没有呈现出明显的变化,唯一的不同是——冕洞的左侧出现了一个新的活动区,即在图2下图中用蓝色框标识的活动区AR12532

时隔一个太阳自转周对同一冕洞的观测(引用自[1]

3是时隔一个太阳自转周对地球附近的这两次太阳风观测以及来源分类,其中,CHCHBAR代表该时间段观测到的太阳风等离子体分别来自冕洞、冕洞边界和活动区,QS代表与前面三者相区分的平静太阳区域。如图3上图所示,第一次冕洞高速流的观测非常典型,扫过地球时持续了大约3天,但当Macneil等对比两次冕洞高速流的观测时,惊讶地发现冕洞高速流的持续时间发生了非常大的变化,第二次冕洞高速流的持续时间仅为1.2天。

时隔一个太阳自转周对地球附近的两次太阳风观测以及来源分类(引用自[1]

为什么会出现这种变化呢?他们的猜测是——新生活动区影响了冕洞高速流。

通过对等离子体元素丰度等物理量的测量,Macneil等发现第二次冕洞高速流期间、等离子体的来源发生了很大的改变——有一部分等离子体明显来源于活动区,而不是冕洞。

此时活动区并没有发生爆发活动,为什么会有活动区的等离子体进入行星际空间到达地球呢?活动区不是闭合磁力线区域吗?他们的猜测是——活动区的闭合磁力线和冕洞的开放磁力线发生了磁重联,从而让活动区的等离子体进入了背景太阳风,在行星际空间中传播。这一猜测也符合活动区跟周围开放磁力线结构磁重联的理论模型。

太阳大气本身是非常复杂的,不同空间尺度的磁场结构如何重联至今仍没有定论,太阳风等离子体在行星际空间传播时,也伴随着复杂的相互作用。预报空间环境不但需要空间物理知识的积累,也需要对观测数据的深入挖掘和研究,对国内外科学家成果的不断追踪,才能更好的理解、解释、预报复杂的空间环境。

[1] Macneil, A.~R., Owen, C.~J., Baker, D., et al. 2019, The Astrophysical Journal, 887, 146, doi: 10.3847/1538-4357/ab5586.

太阳的脾性,你了解多少?

太阳是什么?What?这还问,万物之源啊!!!

提到“太阳”两字,优美的旋律会脱口而出,“太阳太阳像一把金梭,月亮月亮像一把银梭……” 哦,Sorry!这首歌可能暴露了你的年龄,那来首小朋友的吧“我有一个美丽的愿望,长大以后能播种太阳……”

除此之外,有很多面也许你还不知道。那么今天就一起了解以下这个熟悉但却又陌生,似乎简单却又神秘的“巨星”吧!

1.你眼睛之外的太阳

首先,太阳不是一个固体“大疙瘩”。太阳自身能够发光发热,其表面温度有5700℃,内部温度更高,在这样的高温条件下所有物质都被电离。因此,太阳本质上是个炽热的“大气球”。构成这个气体球的化学成分以氢和氦为主,分别占太阳总质量的71%和27%,其它为各种重元素。

太阳半径约70万公里,是地球半径的109倍,大约相当于地月往返距离。由此,可计算出太阳的体积为130万个地球的体积。如果把直径25米的北京天文馆大圆顶比作太阳,那么地球只相当于一个足球的大小。可见,相对地球来说,太阳绝对是一个庞然大物。

 如此之大的太阳在地球上看来却不过圆盘大小,原因是太阳距离我们“太远”了。太阳距离地球大约1亿5千万公里。这样长的距离,人们在日常生活中是难以想象的。如果以速度3600公里/小时的高速飞机从地球昼夜不停地飞到太阳,大约需要4.75年,即使以第二宇宙速度11.2公里/秒飞行的火箭从地球到太阳,也需要154天。不过,太阳光却只需大约8分钟就能走完。

就像地球内部有分层结构、外部有大气层一样,根据物理性质的不同,太阳从内到外也可分成若干层次。我们肉眼看到的发光圆球只不过是太阳的一个圈层—光球。光球以内是太阳内部,从里到外依次分为核心、辐射层和对流层;光球以外是色球和日冕,它们与光球统称为太阳大气。太阳内部几乎集中了太阳的全部物质。然而,由于来自内部的辐射被上面的太阳大气包裹得“密不透光”,所以在地球上看不到这些层次,其性质只能依靠对太阳大气的观测来进行理论推测。

2.长青春痘的太阳

太阳的光球并非像肉眼通常看到的那样“光洁无瑕”,也会长“青春痘”,其表面上时常会出现一些深暗色的斑点——称为太阳黑子。因为“脸”大,“痘”也特别大。

黑子其实并不黑,只是因为它的温度比光球低,才在明亮的光球背景衬托下显得黑。导致黑子温度低的直接原因则是因为它自身具有强磁场,磁场强度约在10004000高斯之间,比地球上的磁场强度高上一万倍。强磁场能够抑制太阳内部能量通过对流的方式向外传递。所以,当强磁场浮现到太阳表面时,该区域的背景温度缓慢地从5700℃降至4000℃左右,使该区域以暗点形式出现,即黑子产生。

黑子倾向于成群出现。一个发展成熟的典型黑子群由两部分组成,由于太阳自转,西边的部分总在前面,称为前导部分;与其对应,东边的就称为后随部分。前导和后随黑子的磁场极性相反,一个表现得如北磁极(N),另一个则表现得如南磁极(S),这样的黑子群也因此称为双极黑子群。一般黑子“痘”越大,磁场极性越复杂,磁场强度越大。

3.情绪起伏的太阳

如果你是辅导过作业的家长,瞬间会被点燃,张牙舞爪,但也有心平气和的时候吧?万一熊孩子作业写对了呢。

太阳,一样!

不过太阳的反应弧段要长一些。国际上通常以太阳“脸”上的“青春痘――黑子”的多少来衡量其情绪的高低。

从长期来看,日面上黑子数量的多少存在11年左右的周期变化。1843年,德国天文爱好者施瓦布通过自己18261843年间的日常黑子观测,首次发现这一现象。

从长期的黑子相对数记录可见,黑子相对数的年均值明显的表现出11年左右的周期性,最短为9.0年,最长为13.6年。黑子相对数年均值的极大和极小年份,分别称为太阳活动的极大年(峰年)和极小年(谷年)。通常,也将黑子相对数年均值相对较高的太阳活动极大年和其相邻的几年,称为太阳活动高年;黑子相对数年均值相对较低的太阳活动极小年和其相邻的几年,称为太阳活动低年。

4.暴脾气的太阳

陪你家娃娃写作业时,手里最多拿鞋底、尺子,扫把……

太阳呢,喷火啊……,即我们说的太阳风暴.

太阳风暴是指太阳上的剧烈爆发活动及其在日地空间引发的一系列强烈扰动。是太阳大气中发生的持续时间短暂、规模巨大的能量释放现象,主要通过增强的电磁辐射、高能带电粒子流和等离子体云等三种形式释放先后对地球空间环境造成影响,称之为三轮“攻击”。

第一轮,耀斑爆发时增强的电磁辐射以光速到达地球空间,时间只需约8分钟,它主要引起电离层突然骚扰,影响短波通信环境。第二轮,高能带电粒子到达地球空间时间稍慢,约几十分钟,一方面它引起极区电离层电子密度增加,产生电波极盖吸收事件,另一方面它会直接轰击航天器,给航天器带来辐射损伤等多种影响。第三轮,日冕物质抛射的快速等离子体云需要大约14天左右的时间才能到达地球,它首先与地球的磁层发生相互作用,引起地球磁场变化,产生地磁暴,随后引发地球空间高能电子暴、热等离子体注入、电离层暴、高层大气密度增加等多种空间环境扰动事件。对卫星运行、导航通信和地面系统产生一系列的影响。

4.下次,什么时侯发脾气?

按照11年的变化周期,2020年处于第24个太阳周和第25周的交接期,也是太阳最最“温和”时期。那,下一次“什么时侯发脾气,“火”有多大?

纵观人类几百年来对太阳情绪变化的监测记录,太阳除了11年变化周期外,还有持续更长时间的起伏状态——称太阳极小期或太阳极大期,是指连续几十年低于或高于平均状态。比如1645-1715年的Maunder极小期,1790-1820年的Dalton Minimum,1880-1914年Glassberg 极小期,1914-2007年Modern Maximum。

未来的第25周,比第24周强?弱?持平?或者是蒙德尔极小期(Maunder Minimum)or道尔顿极小期(Dalton Minimum)将重复上演?如同“一万个人眼中有一万个哈姆雷特”,10000个预测着就有9999个预测结果,那另1个呢?——统一预报结果。国际太阳活动预报小组就承担着这个角色,无国界,不种族,收集各方面的预测结果,经过1,2,3次讨论之后,2019年底发布出一个综合结果,即第25周的强度与第24周相近,时间大概在2025年中旬。

5.请别小瞧第25周

哦!看到这个预测结果。长吁一口气,第25周太阳“脾气”应该不会太大。No,No,No,别小瞧了!回忆回忆第24周的爆发,会让你瞠目。

2012年7月完美风暴2012年7月,一个刚转出日面的黑子群爆发了极强的CME爆发事件。

此次事件可媲美于历史著名的1859年卡林顿事件。CME以约3000km/s的速度迸发,测得1AU处太阳风速度高达2250km/s,为地球日常经历的太阳风速度的5倍,而磁场高达110nT,为平常太阳风磁场的10倍,预测Dst指数达-1182nT。

卡林顿事件有啥影响?卡林顿事件发生期间,还处于工业革命时代,所以当年的“超强太阳风暴”只对电报行业造成了严重损害。在太阳耀斑爆发17.5个小时后,来自美国东部、英格兰、斯堪的纳维亚半岛、比利时、法国、瑞士、普鲁士、奥地利、意大利的托斯卡纳等广大地区的电报站机器都出现了闪火花现象,甚至电线也被熔化了。并且随着时间推移,波士顿至波特兰的电报线在没有电池的情况下,依靠地磁暴产生的电流持续工作长达两小时之久。

哦,My God!

万幸万幸,而此次爆发并不正对地球(太阳背面)。若723日的爆发提前一周甚至更早发生,地球将会经历罕见的超级太阳风暴的侵袭。根据美国空间研究委员会的估计,这样的太阳风暴对现代科技社会造成的损失将高达数10亿美元,社会恢复的周期为4~10年。

因此,未来的第25太阳在周,脾气是会有的。若阻止不了,那还需人类认真看待,积极应对!

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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