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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。

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。

 

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。

 

航空辐射与空间天气

    “坐飞机会受到辐射吗?”,这是很多人都很关心的问题,目前大多数国家都将空勤人员列入职业受照人群进行辐射剂量管理,航空辐射剂量的大小除了与航线有关外,也与空间天气的状况有关,本文将分析航空辐射产生的原因,以及空间天气对航空辐射的影响。

1. 航空辐射简介

    早在1911年,奥地利物理学家赫斯(Hess1883-1964年)就通过探空气球发现了宇宙射线。但宇宙射线对航空飞行人员的影响一直缺乏系统的研究, 直到1991, 国际辐射防护委员会(ICRP)建议将空勤人员列入职业受照人群, 这一问题才引起重视。

        200261, 我国颁布实施了《空勤人员宇宙辐射控制标准》,其中规定: 空勤人员职业照射有效剂量不得超过20mSv/, 女性空勤人员从发现妊娠之日起, 在孕期余下的时间内应采取补充的控制措施, 使其腹部表面( 下躯干)累积接受的剂量不超过1mSv

2. 航空飞行高度的辐射环境

    航空辐射是由宇宙射线造成的,宇宙射线包括来自太阳系以外的银河宇宙线和太阳爆发产生的太阳宇宙线(也称为太阳质子事件)。宇宙射线中的粒子被称为初级粒子,主要是质子、少量的氦和极少的其它重核离子。由于地球覆盖着厚厚的大气,初级粒子撞击大气的原子核后产生一些质子、中子、轻子及光子(γ 射线)。这些次级粒子再重复作用产生更多次级粒子,直到平均能量等于某些临界值,次级粒子的数目达到最大值,在此之后粒子逐渐衰变或被大气吸收,使次级粒子的数目逐渐下降,这种反应称为“空气簇射”。航空飞行高度的辐射剂量主要是由次级粒子产生,其中中子产生的剂量占总剂量的50%以上。

1  宇宙射线进入大气层引起“空气簇射”示意图

(图片来自https://phys.org/newman/gfx/news/hires/15-scientistspr.jpg

    宇宙辐射剂量的大小首先是跟高度有关,在海平面高度宇宙辐射产生的剂量大约为0.03μSv/h(注:1mSv1000μSv),大概占地面天然辐射剂量的15%(其余由岩石、土壤、空气等所含的放射性物质产生)。而在812km的航空飞行高度,宇宙辐射剂量达到16μSv/h。协和号超音速飞机的巡航高度为18000米,几乎是普通飞机的2倍,它受到的宇宙辐射剂量是普通飞机的23倍。

2  协和号超音速飞机

(图片来自http://a1.att.hudong.com/40/19/01300000244643122567192664556.jpg

    由于宇宙射线的成份主要是带电粒子, 它们必然要受到地球磁场的影响而向两极方向偏移, 所以赤道附近的宇宙射线强度较两极低, 相同高度极区的辐射强度比赤道处大约高一倍,因此穿越和靠近极区的航线上受到的辐射剂量相对较高。

    航空辐射除了与航线有关外,还与空间天气的状况有关,太阳爆发引起的地面宇宙线增强事件会导致航空辐射的突然增强,而长期的航空辐射变化则与太阳活动水平有关。

3. 地面宇宙线增强事件对航空辐射的影响

    地面宇宙线增强事件(GLE)经常发生在强太阳爆发活动期间,GLE事件发生时,分布在全球的地面宇宙线观测站会同时观到宇宙线强度突然增强的现象。GLE事件是由太阳质子事件引起的,大多数太阳质子事件中高能粒子的最高能量在500MeV以下,地面的宇宙台站几乎观测不到响应,对航空高度辐射环境的影响也很小,只有个别事件的粒子中包含较多能量超过500MeV的高能粒子,才会引起GLE事件。

 3  2005120日的GLE事件

    人类有观测以来,最强的GLE事件发生在1956223日,根据估算,该事件期间乘坐一次从巴黎飞往旧金山的航班受到的辐射剂量为3mSv,差不多是正常情况下剂量的50倍,最近一次强GLE事件发生在2005120日,该事件是1956年之后近50年内最强的一次,根据文献给出的估计,该事件期间巴黎飞往旧金山航线上受到的剂量为0.36mSv。而人类已知的最强太阳高能粒子爆发事件是发生在1856年的卡林顿事件,据估算该事件期间一架普通商业客机飞越极地8小时旅行受到的剂量将达到20mSv,该剂量是ICRP建议普通公众每天暴露于辐射的剂量限值的20倍。

4. 太阳长期活动水平下降对航空辐射的影响

    强GLE事件只是小概率事件,在太阳平静期间,航空辐射主要来自银河宇宙线的贡献。银河宇宙线来自太阳系以外,它们的起源仍是未解之谜,目前普遍认为它们可能来自超新星爆发、或来自遥远的活动星系。银河宇宙线的强度主要受太阳活动的影响,太阳活动水平增加时, 由于太阳磁场和太阳风增强的影响, 到达地球的宇宙辐射会降低。反之,如果太阳活动水平下降,宇宙辐射则会增强。

    目前人类还无法预测太阳活动水平的长期变化,但从太阳活动历史观测数据看,太阳活动除了11年的周期变化,可能还存在更大时间尺度上的周期变化,有研究学者认为,从人类进入航天时代以来,太阳活动一直处于比较活跃的太阳活动极大期,持续时间已经超过了历史上的平均极大期时间,应该很快会结束,未来60年有可能逐步进入极小期,太阳长期活动水平可能下降,而宇宙辐射强度则可能会超过人类有观测以来的水平,如果实际情况确实如此,现有的航空辐射安全标准和评估防护方法可能都得重新制定。  

4  太阳黑子数历史观测数据

(图片来自https://www.skybrary.aero/images/thumb/f/f2/MSSN_2.jpg/500px-MSSN_2.jpg)

历史上知名的强烈太阳风暴对地球的影响有多大?

    地球作为太阳系“家族”的一员,深受太阳活动的影响。我们的太阳是颗骚动不安的恒星。 当太阳特别活跃时,太阳爆发活动喷发出巨大的物质和能量,它们穿越行星际空间,到达地球附近,引起地球空间环境的剧烈扰动,进而影响人类和其它生物的生存和活动。

 1、太阳风暴爆发

在地球附近,来自太阳的电磁辐射和携带太阳磁场的太阳风与地球磁场和地球大气相互作用,形成了由磁层、电离层和高层大气组成的相对稳定又紧密耦合的复杂系统,这个系统通常称为地球空间环境。当太阳剧烈爆发时,增强的电磁辐射、高能带电粒子流和高速等离子体云将对地球形成三轮攻击,打破地球空间环境相对稳定宁静的局面。

 ▲ 太阳爆发对地球的三轮攻击示意图

 第一轮攻击——增强的电磁辐射

    太阳电磁辐射的能量主要分布在可见光和近红外光谱区。当太阳耀斑爆发时,射电、紫外和X射线波段的电磁辐射的增强幅度可达几个数量级。这些增强的辐射以光速(大约8分钟)抵达地球空间,由于磁层无法拦截电磁辐射,它们就直接进入到电离层和高层大气,使电离层中的电子浓度急剧增大,引发电离层突然骚扰,可导致短波无线电信号衰落,甚至中断。

  第二轮攻击——高能带电粒子流

    高能带电粒子流速度比炮弹快万倍以上,(大约30分钟)到达地球空间后轰击磁层,并能突破地球磁场的重重防线,进入卫星轨道,对卫星和其它空间飞行器来说可能就是一场灾难;对于在空间执行任务的航天员来说,若遭遇到这样的高能粒子流,他们的生命安全可能会受到威胁;对于穿越极区的航空乘客来说,若穿越时恰逢高能粒子流的沉降,他们的辐照剂量会增大,健康将受影响。由于极区地磁场的磁力线是开放的,高能粒子流能够沿着磁力线沉降到极盖区上层大气中,引发极盖吸收事件,影响极区无线电通信。

 第三轮攻击——等离子体云

    等离子体云以日冕物质抛射的形式从太阳上喷发出来,将巨大的能量倾泄到磁尾的大尺度空间中,引发磁层剧烈动荡。磁尾高密度的等离子体在电磁场的驱动下,加速冲向地球(大约18小时-数天),增强赤道环电流,引起全球范围剧烈的地磁扰动——地磁暴,等离子体也可能在从磁尾注入到地球过程中被加速,同时有辐射带的高能电子推波助澜,形成全球范围的高能电子增强现象——高能电子暴。等离子体还可以注入到极区和电离层中,引发电离层暴,同时轰击高层大气,形成绚烂多彩的极光。

 2、历史上的强太阳风暴

    太阳风暴的历史由来已久。在19世纪50年代以前,它留给人类主要是一幅幅多姿多彩的极光图像和一段段美丽动人的极光神话。在此之后,太阳风暴带给人类社会更多的是一道道伤痕,而且随着社会发展,其伤害所涉及的范围也越来越广,上可到太空中遨游的卫星,下可达海底中深埋的电缆。我们通过三次强太阳风暴事件来了解一下太阳风暴的威力。

No.1 超强太阳风暴-1859年卡林顿事件

    太阳风暴的等级可以从X射线耀斑、质子事件以及地磁暴的强度进行划分。在卡林顿事件发生期间,观测技术还不够成熟,空间环境扰动监测数据也不够全面。但事后人们从高能粒子数量、极光范围、地磁扰动和造成的危害这几个方面还是可以推断出卡林顿事件是历史最强太阳风暴。  

▲ 太阳爆发示意图

 事件强度

高能粒子数量:大于30兆电子伏的质子通量达到1.9×1010/厘米,是排名第四的1972年高能粒子事件的4倍。创下了迄今为止高能粒子事件最强记录

极光范围:1859年8月28日—9月4日磁暴期间,在北美、南美、欧洲、亚洲等多地看到极光。在古巴,人们居然能够在极光下读晨报,这些记录一直保持到现在。

地磁扰动:在太阳耀斑爆发的17.5小时后,Dst指数最大下降到-1760纳特。这次事件的地磁暴强度是1989年3月地磁暴的4倍。

▲ 1859年大磁暴期间,低纬地区观测到的红色极光

 (这张照片是20015月磁暴期间在加利福尼亚纳帕山谷拍到的)

▲ “卡林顿事件与十大空间灾害事件Dst对比图

 造成的危害

    卡林顿事件对电报业造成严重损害。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。

▲ 卡林顿事件对电报行业造成严重损害

 No.2 1989年3月太阳风暴-魁北克省大断电事件

        19893月,日面上出现了一个超级活动区,该活动区掀起了一场剧烈的太阳风暴,使地球上发生了一次史上有名的强磁暴,同时也给人类社会带来了一系列灾难。此次太阳风暴的危害主要表现为对加拿大魁北克省电力系统的严重破坏,因此,我们将这次太阳风暴称为“魁北克省大断电事件”。 

▲ 魁北克省大断电事件

事件强度

高能粒子通量:受太阳耀斑及抛射的等离子体云影响,发生2次强太阳质子事件。第一次大太阳质子事件持续5天,峰值通量为1500pfu,第二次大太阳质子事件持续2天,峰值通量为1250pfu。

地磁暴:这次地磁暴连续10个3小时Kp指数大于7,有2个3小时ap指数达到最大值400。根据1932年以来每天的Ap指数来排序,3月13日的Ap值排名高居第二,为246。这次地磁暴Dst指数值为-589纳特斯拉,其强度远大于排名第二的-429纳特斯拉。

电离层扰动:共产生100多次电离层突然骚扰。

大气层扰动:480千米高度处的大气密度增加了4倍。

极光:较低纬度地区如北半球的美国佛罗里达州、古巴等地都看到了极光。

地面台站所获得的各地磁指数

 造成的危害

电力系统:加拿大魁北克省电力系统遭到严重破坏。地球强磁暴导致加拿大魁北克省电网主要线路上的一个变压器因感应电流过大而烧毁,整个电网在不到90秒钟就全部瘫痪,致使该电网所管辖的区域陷入一片黑暗和寒冷。

卫星:在太阳爆发活动期间,地球高轨道高能粒子通量和低轨道大气密度的增加以及地球磁场剧烈变化导致许多卫星也遭受了不同程度的影响。如美国GOES-7卫星损失了一半太阳能电池,致使其寿命缩短了一半;3月17日,日本通讯卫星CS-3B异常,搭载在卫星上的备用命令电路损坏等等。

 ▲磁暴对电力系统影响(示意),白色表示灯火通明

No.3 2003年万圣节太阳风暴

        200310月底至11月初期间,太阳上发生了一系列强烈的爆发活动,造成了日地空间环境巨大扰动。受此影响,美国加州中部上空出现了罕见的极光;约半数卫星出现故障,日本先进地球观测卫星-2ADEOS-2)完全失效;全球范围内的通讯受到干扰,海事紧急呼叫系统瘫痪,珠峰探险队通讯中断;全球定位系统精度降低;瑞典5万人的电力供应中断……。如此强烈的太阳风暴在历史上非常罕见,因正值西方万圣节前后而被命名为“万圣节太阳风暴”。 

黑子群AR486爆发X28级巨耀斑

 事件强度

太阳耀斑:日面上共爆发了57个M级以上的X射线耀斑,包括11个X级的大耀斑;同时伴随有至少15个晕状日冕物质抛射及大量的小日冕物质抛射。其中X28级巨耀斑是自1976年以来观测到的最大耀斑。

高能粒子通量:太阳质子事件的峰值流量达到29500pfu,是GOES卫星1976年观测以来第4大值。

地磁暴:Ap指数达到204,是自1932年有记录以来的第9大极值。

万圣节太阳风暴期间的高能粒子环境与地磁环境

 造成的危害

通信卫星:致使46颗通信卫星报告了异常。

国际空间站:经历了反常摩擦阻力。

深空任务:安装在“奥德赛号”飞船上的火星环境辐射探测仪((MARIE),其目的原本是用于探测星辐射环境以确定宇航员在火星上所遭受到的辐射危险,在28日却由于粒子辐射发出温度红色警报而自动关闭,至今没有恢复。

地球轨道卫星:大约59%的空间科学任务受到了影响,其中24%的任务关闭的仪器采用可保护行为。

通信:全球短波通讯中断,超视距雷达、民航通讯出现故障;伊拉克战场美英联军通讯受到影响;珠穆朗玛峰探险队和一些电视广播通讯公司遭到了严重的高频射电短期干扰;我国北方短波通讯受到严重干扰,北京、满洲里无线电观测点短波信号一度中断。

导航:罗兰C导航定位系统报告了数次的干扰问题,GPS用户也报道了应用衰弱和中断。

航空:极区航线受到很大影响。

电力: 瑞典马尔默市南部的一个电力系统遭到破坏,有5万居民用电供应中断。

3、如何应对太阳风暴?

了解了历史上强太阳风暴带给人类社会的危害,我们应该清楚强太阳风暴可能给国家安全稳定与经济社会发展带来的危害,是当前必须高度重视的一种自然灾害现象。我们不能对强烈的太阳风暴及其影响掉以轻心。针对我国国家关键基础设施防护措施有限,空间资产大量增加的情况,如何应对极端空间天气的影响,既是各级政府的职责,也是空间科学领域和各社会团体的基本义务,必须做到未雨绸缪。

一是加强空间天气事件知识普及,提高对其潜在危害性的认识

    我国对空间天气事件观测、预报、产品制作与服务起步较晚,目前仍局限在部分业务领域,主要集中在对空间资产的影响及防护。我国关键基础设施规模大、防护措施不到位,大部分国家关键基础设施管理与运行系统对空间天气事件影响缺乏基本认识。因此,首先应大力推进空间天气事件及影响知识的普及,提高对极端空间天气事件影响危害的认识。需要加大有关太阳、日地空间、空间天气事件、事件影响等知识的科普宣传。同时,根据现代信息传播手段的特点,制作形式多样且容易被不同受众接受的信息产品。

二是大力构建空间环境研究与观测网,提高空间天气预报产品服务水平

    空间天气变化与太阳活动直接相关,既有一定的变化特征和规律,又有很大随机性与突发性。因此,空间天气事件预报和预警必须建立在持续太阳观测,以及长期历史积累资料分析研究基础上。首先,要建立以地面观测系统为主,地面与空间观测相结合的太阳观测网,进一步做好观测数据积累、处理与应用工作。其次,要加强基础研究,针对太阳活动变化的规律及对地球空间环境影响的特征,研究制定相应的标准体系。第三,不断提高空间天气预报产品制作与服务水平,理顺空间天气预报产品的服务渠道,增强对极端空间天气事件的预报预警能力。

三是积极参加国际空间环境领域合作,不断提升应对空间天气事件能力

    空间天气事件影响作为一种全球安全威胁,受到越来越多国家政府的重视,正在成为各国政府联合应对的全球挑战。长期以来,由国际机构联合开展的太阳观测、研究等活动,在空间环境研究、空间天气事件预测等方面发挥了积极作用。我国作为一个世界性大国,在空间研究开发利用等方面有能力和义务走在前列。我们应积极参加空间天气与空间环境观测研究领域国际合作,同时,也有责任牵头和倡导国际合作项目,共享国际研究成果,共同提升应对空间天气事件的能力。

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