太阳质子事件是太阳风暴带来的最具破坏性的空间天气现象之一。质子事件发生时，地球周围如同遭遇了一场的高能带电粒子“暴雨”的袭击，这些高能带电粒子就如同高速飞行的子弹一般，能够击穿几毫米厚的金属，具有很强的破坏性。大量高能粒子的袭击有可能毁坏地球轨道上的卫星，并威胁到太空中宇航员的生命安全。

● 威胁在轨航天器

太阳质子事件期间，航天器轨道上的高能带电粒子会突然增强，给在轨航天器的安全运行带来巨大的威胁。由于地磁场对高能带电粒子的屏蔽作用，不同轨道的航天器受到的影响其实大不相同，高轨道航天器，比如同步轨道卫星，由于远离地球，地磁场的屏蔽作用已十分微弱，质子事件对它的影响往往比较严重，低轨道航天器，比如神舟飞船轨道，地磁场将绝大多数的太阳爆发粒子都阻挡在外，质子事件的影响就要小很多。对低轨道航天器来说，轨道倾角越高，质子事件的影响越大，比如国际空间站的倾角为51.6°，天宫二号轨道为42.4°，虽然它们的轨道高度相差不多，但质子事件对国际空间站的影响比与天宫二号相比更大一些。

 图1  2015年400km高度上的地磁垂直截止刚度（Tsy89-Boberg，Dst=-300），

红色虚线之间为天宫二号轨道范围

● 威胁太空中的航天员

与在轨卫星一样，在轨航天员同样受到太阳质子事件的巨大威胁，太阳质子事件产生的高能粒子流与地面放射性物质发出的射线一样具有致命的放射性，它们能够穿透航天服和太空舱，引起航天员身体器官的物理损伤。

高能粒子主要是通过两种机制危害人体的细胞组织，一是直接造成生物活性大分子断裂、脱落，导致直接损伤；二是与身体中大量的水分子产生自由基，这些自由基进一步与生物分子发生化学反应，造成间接损伤。最终的人体辐射效应危害是非常复杂的，其严重程度主要与所受到的辐射剂量大小有关，人体受到高剂量的高能粒子辐射会引起皮肤、骨髓等器官的急性损伤（比如引起白内障），严重时甚至会危及生命，而在低剂量辐照情况下，高能粒子可能诱发细胞产生变异，变异细胞可以发生遗传变化或导致癌变的严重后果，因此在载人航天任务中，航天员的接受的辐射剂量是受到严格的控制的，而质子事件正是航天员在空间环境中面临的最危险因素。

图2  辐射形成的自由基对DNA的破坏

图3 辐射造成DNA的断裂

为了保障在轨航天员免受高能粒子辐射的严重影响，载人航天任务实施过程中采取了大量的辐射防护措施，包括对太阳质子事件进行监测预警，制定各种情况下飞行计划与操作预案，在航天器中建造专门的辐射避难装置等等，尽可能地使宇航员受到的辐射降低到安全程度。载人飞行对辐射危害防护的案例之一就是美国的阿波罗任务。阿波罗飞行任务从1967年底至1972年底结束，持续5年左右，其中有11次载人飞行，6次登月。阿波罗任务期处于太阳第20活动周的峰年和下降年，太阳风暴频发，基本上每年都多次发生太阳质子事件，而且在1972年8月发生了有记录以来的最大太阳质子事件。但NASA对太阳质子事件的防护极为成功，除1972年4月底“阿波罗”16号返回途中遭遇到小的太阳质子事件，其余飞行都成功避开了太阳质子事件。这要归功于NASA开展的空间环境监测预报及辐射防护工作，有力保障了整个载人登月任务顺利完成。

图4  阿波罗任务期发生的太阳质子事件，蓝色线条表示质子事件发生的时间，蓝色线条的长度表示这次事件可能造成的辐射剂量，灰色线条表示各任务飞行在轨时间

● 对航空飞行的影响

太阳质子事件发生时，大量的高能质子如同暴雨般袭击地球，幸运的是，我们的地球有两个可靠的保护伞，强大的磁场和厚厚的大气，磁场会使飞向地球的带电粒子发生偏转而远离地球，能量越低，越容易被偏转，能够达到地球表面附近的大部分带电粒子也会被地球稠密的大气消耗殆尽，因此生活在地面上的人们几乎觉察不大太阳质子事件的发生。但是在飞机飞行的高度，太阳质子事件的影响还是不容忽视的，而那些被阻挡在大气层中的高能粒子其实并没有完全消失，它们与大气中的氮、氧原子，发生连续的核反应并产生大量的次级粒子，次级粒子主要分布在十几公里高度的大气中，因而对航空飞行造成影响，1989年的特大质子事件期间，协和式飞机在巴黎和华盛顿之间飞行时，受到了50毫雷姆/小时的辐射剂量，超过了警戒水平。另外，质子事件造成的极盖吸收事件也会影响极区的无线通讯，会对跨极区的飞行造成影响。

图5   2017年9月10日 10km高度上太阳质子事件引起的有效剂量（μSv/h）

北京时间2019年5月14日11:00-17:00，地磁有3小时达到大地磁暴水平（Kp=7），3小时达到中等磁暴水平（Kp=6）(见图1）。此次大地磁暴事件是5月10日的日冕物质抛射引起的，预计14日地磁暴事件仍将持续。

图1 5月14日发生大地磁暴

        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。

    众所周知，第24太阳活动周是一个弱活动周，其太阳活动水平低于过去所有活动周的平均水平，处于一个相对较低的水平。而2019年，已经处于了第24太阳活动周的下降段末期，太阳活动整体水平更是进一步降低到了整个活动周的最低值附近（图1）。

图1   第24活动周F10.7平滑月均值及预测值

    因此，现阶段的太阳比较平静，鲜有什么太阳爆发活动，人们也很少听到太阳风暴袭击地球的新闻。

    作为太阳爆发活动的源区——太阳黑子，自2019年初以来，常常持续多天没有出现在日面上。截至4月初，太阳上仅仅出现了7个黑子群。无黑子日有60多天，占天数比达到了63%。意味着今年有一半以上的天数太阳上是干干净净的，没有一个黑子。

    不过，虽然像现在这样的太阳活动低年太阳黑子变得非常少了，但并不意味着我们就看不到大黑子。

    比如黑子群AR2738，在2019年4月7日刚刚转入可视日面，面积就达到了300个太阳面积单位（图2）。而2018年一整年仅出现过一个面积超过200太阳面积单位的黑子，那还是在遥远的2018年2月。由此可见，AR2738真是难得一见的大黑子。

图2  2019年4月7日观测到的黑子AR2738

    有天文爱好者拍到了它的高清图，它的本影部分已经超过了地球大小（图3）。随着转向日面中心，预计它的面积还会有所变化。

图3   黑子AR2738近照与地球对比

    进一步追根溯源可知，AR2738并不是新生的太阳黑子群，实际上它在十几天前就和我们见过面，只不过那时它的编号是AR2736。AR2736在2019年3月20日浮现在日面上，几天内面积最大涨到了420个太阳面积单位，3月25日转出了可视日面。

 图4   2019年3月21日观测到的黑子AR2736

    在3月20日至25日期间，AR2736产生了十几个C级耀斑，最大为C5.6级（图5），并没有产生M级以上的大耀斑。其中，20日的C4级耀斑伴随有明显的日冕物质抛射事件（CME）（图6）。

图5   黑子AR2736产生的C级耀斑

图6   2019年3月20日C4级耀斑伴随的CME

    面对太阳活动低年这难得的CME事件，国内外的空间天气预报专家们踊跃而上，纷纷提出了自己的太阳风和地磁暴预报结果（图7），普遍认为这次CME会引起明显的地磁暴。

图7   3月20日CME引起的激波和地磁暴预测

    不过，结果稍稍让人沮丧。太阳风姗姗来迟，最终在3月24日晚上到达地球，但并没有引起比较明显的地磁暴，仅仅带来了地磁扰动（图8）。这也从侧面反映了空间天气事件的预报难度确实比较大。

 图8   3月20日CME到达地球

    如今，AR2736重新转向我们，只不过换个名称（AR2738）。根据最新的资料，虽然它的面积不小，但磁类型比较简单，为比较简单的Alpha型或Beta型。因此，预计将不会发生比较大的爆发活动。

    以史为鉴，我们再次回顾历史，上溯到第23太阳活动周寻找参考。这个活动周太阳活动水平强于第24太阳活动周。在它的最后两年2007-2008年，太阳上共出现了70多个黑子群，其中面积大于300的大黑子群有7个。但是，只有1个磁类型比较复杂，产生了一些M级的耀斑事件。其余6个大黑子群仅仅产生了C级甚至B级耀斑。这说明在太阳活动下降年末期，随着太阳活动整体趋于平静，即是有大黑子，也是比较稳定的黑子，也不易带来大的太阳风暴了。

表1  2007-2008年面积大于300个太阳面积单位的大黑子爆发情况

    总而言之，虽然AR2738在太阳上存在了许多天，面积也比较大，但磁类型简单，是个单纯的傻大个黑子，会产生B级或C级耀斑，但不易产生M级或以上级别的耀斑。

      随着电影《流浪地球》的热播，人类对于地球未来的命运更加关注，人类在太阳系的这个家园，到底还能呆多久呢？地球是否要去流浪呢？这些，都得依赖于银河系的核心——太阳，今天就让我们来回眸这个熟悉而又神秘的星球。

1 .   宁静的太阳不宁静

       我们肉眼看到的太阳宁静而美丽，其实，太阳本质上是个炽热的气体球。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，太阳的体积为130万个地球的体积。有人比喻，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。

图1   太阳与地球大小的对比

       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就需要4.75年，即使以速度为11.2公里/秒的火箭从地球到太阳大约也要154天。不过，太阳光却只需大约8分钟就能走完。

       自太阳诞生到目前的50亿年间，一直不停地向外发射着光和热。这源源不断的能量来源于太阳内部中心区的核聚变反应。太阳内部中心的温度高达1500万摄氏度左右，其压力大约是250亿倍个地球大气压。在这样高的温度和压力下，太阳内部发生着剧烈的由4个氢原子核（H）聚变为1个氦原子核（He）的核聚变反应。这个过程大约有千分之七的物质转换成能量。虽然只有千分之七，但核反应释放的能量极大。用爱因斯坦著名的质能转换公式（E=mc²）计算出，1千克氢原子中千分之七的物质转换成能量就相当于燃烧4千吨石油或6千吨煤获取的能量。而太阳中心区每秒都有数百万吨质量转换为能量，这超过地球有史以来消耗的能量总量。

  图2   太阳核心区的核聚变反应

 2.    太阳由内到外层层环绕

       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，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，其性质只能依靠观测进行理论推测。太阳大气所含物质总量和内部比较是微不足道的，但它们的性质可用肉眼和仪器的观测来确定。

       我们平常用肉眼看到的非常耀眼的太阳圆面就是太阳的光球。可见光波段的太阳电磁辐射几乎全部是由光球发射出来的，这也是称之为“光球”的原因。它有一个非常清晰的边界，太阳的直径就是以这个边界来定义的。光球是太阳大气的最低层，其厚度大约只有500公里，约为太阳半径的0.07%。它的压力和密度也是很小的，光球的气体压力大约只有0.1个大气压，而密度是地球大气密度的百分之一。然而它却像一堵墙一样挡住了太阳内部辐射的外流，使人们看不到太阳内部的容貌。

图3   太阳的分层结构

        色球是紧挨着光球上面的气层，它的物质密度比光球更低，温度反而比光球高。从色球低层至高层密度下降了5个量级，而温度则上升了3个量级，在色球顶部的温度已达几万度，这与人们想象的外层温度低于内部温度恰恰相反。平时，色球被地球大气分子和尘埃散射的太阳光完全淹没了，所以人们看不见它。当日全食时，月亮遮掩了光球明亮光辉的一瞬间，便可在黑暗的天空背景上看到在月轮边缘上呈现粉红色的锯齿形状，那就是色球。色球边缘不像光球那样清晰整齐，其结构很不均匀，平均厚度大约是2500公里。

       日全食时，如果从粉红色区域的色球再往外面看，还能够看到一片银白色的光辉，这就是太阳的最外层大气—日冕。日冕的光辉越向外面越微弱，同时受地球大气散射太阳光影响，太阳周围又形成了比日冕亮5000到10000倍的明亮光辉，所以平时是看不到日冕的。日冕的密度更加稀薄，大约每立方米10-15个粒子，而温度更高，达上百万度。日全食时肉眼看到或拍到的照片上日冕的最大范围只有几个太阳半径，但实际上广义的日冕可超过地球以远。日冕是非常不均匀、不稳定的。即使在日全食的白光观测中，也能看到太阳边缘的投影日冕有许多明显不同的结构。随着时间的推移，日冕会呈现出不同的形态。

图4  日全食照片（中心黑色圆面为月亮，边缘上的粉红色锯齿形为色球，外面银白色光辉为日冕）

3 .   太阳辐射的光和热

       太阳辐射主要是“光”辐射，即电磁辐射，它是太阳辐射能量的最主要的形式。肉眼能够看到的只是电磁辐射中的可见光波段。整个太阳电磁辐射包括从γ射线、X射线、紫外、可见光、红外，直到射电波段的米波区。太阳电磁辐射的能量主要集中在可见光和近红外波段，波长2000～10000埃之间的辐射能占太阳总辐射能的99.9%。其中，3800～7600埃的可见光波段约占40%，短于3000埃的紫外波段约占7%，长于7000埃的红外波段约占53%，X射线和射电波段对总辐射能的贡献可以忽略。 

图5   太阳的电磁波辐射

        太阳除了源源不断地传播光和热，偶尔还会发发脾气——爆发耀斑（增强的电磁辐射），喷射大量出高能粒子流，发生日冕物质抛射事件，引起地球附近一系列的空间环境扰动，这些我们称之为太阳风暴，由于受到地球大气和地球磁场两个天然屏障的保护，人类自身感受不到太阳风暴的到来。但是，它们却能够对日地空间的环境状态产生明显的影响，对在空间运行的航天器造成威胁，间接影响我们的日常生活。因此，太阳风暴对日地空间环境的影响不可小觑。

       那么，太阳辐射的总能量到底有多少呢？我们把在地球大气外垂直于太阳光束的单位面积上、单位时间内接受到的太阳辐射能量称为太阳常数，数值为1367瓦/平方米。将该数值乘以日地距离为半径的球面，就得到太阳的光度，即太阳单位时间内辐射的总能量，约为3.845×10²⁶瓦。这个能量是地球上全部发电能力的千万亿倍！

4 .   太阳是个“中年大叔”

       正是来自太阳的光和热温暖着地球，维持着人类生存以及地球上一切生命活动所必需的适当环境。我们看到的四季变化、昼夜交替、风云雨雪、植物生长……无一不是太阳作用的结果。那么，太阳的寿命是多长呢？以目前太阳对氢的消耗速度计算，太阳还能如此燃烧大约50亿年，现在的太阳正处于它的“中年”。 之后，太阳将经历红巨星、白矮星、黑矮星直至消失的阶段。

       因此，地球暂时不用考虑去流浪。当太阳老去的时候，相信人类已经找到了拯救自己的办法。因为人类文明的出现不过上万年，但是已经取得了令人惊叹的成就，如果能一直和平稳健发展的话，未来人类带着地球去流浪也是完全可能的。

        2019年1月3日10时26分，嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极–艾特肯盆地内的冯•卡门撞击坑内，实现了人类探测器首次在月球背面软着陆。嫦娥四号携带了大量先进的探测仪器，这些仪器中除了大家比较熟悉的各种相机，还包括几台能用于空间环境探测的仪器，本期特别关注就给大家说一说这些特别的仪器和它们要观测的物理现象。

月表中子与辐射剂量探测仪

    人类对太空的探索活动始终面临高能辐射的威胁，1958年，美国的第一颗人造卫星—Explorer I卫星研究组的Ernie Ray就发出了这样的感叹：“My God, space is radioactive！（天哪，太空居然是放射性的！）”。经过几十年的探测研究，人们对地球附近的高能辐射环境已经有了相当的了解，但月球表面的辐射环境与地球附近的辐射环境有很大的不同，月球表面没有稠密的大气，磁场也十分微弱，因此太空中的宇宙射线会直接轰击月表的岩石和月壤，宇宙线粒子与月表物质发生核反应会释放出中子、γ射线等具有强穿透力的粒子，尤其是中子，其辐射品质因子高于质子、电子和光子，对航天员具有很大的危害性。

图1 月表辐射环境示意图

    嫦娥四号上携带的月表中子与辐射剂量探测仪，由中国和德国联合研制，安装在着陆器上，不仅能探测着陆区的中子和辐射剂量，还能探测太阳爆发产生的质子、电子和α粒子。该探测仪有助于科学家们对月表辐射环境进行评估，为未来载人登月及月球基地的辐射防护提供依据，同时，该仪器能够直接探测到来自太阳的能量粒子，用于研究太阳风暴的起因、高能粒子传播规律等。

图2月表中子与辐射剂量探测仪

低频射电频谱仪

    所谓射电其实就是常见的无线电波，我们在家里就能够用短波收音机收听到非常遥远的地方、甚至地球另一端发出的无线电信号，是因为在地球大气上层（60公里以上）存在电离层，电离层中的大气处于部分电离和完全电离状态，会反射或吸收频率较低的无线电，短波信号可以在电离层与大地之间来回反射，从而传播很远的距离。

图3 电离层与无线电传播示意图

    电离层虽然能够给地球带来通信的便利，却也阻断了电离层外的低频无线电向地面的传播。来自太阳及其它宇宙天体发出的低频电磁波信号被地球电离层遮挡，无法抵达地球地面，要探测它们只能在太空环境中进行，而月球背面由于阻挡了来自地球的各种天然及人工电磁辐射干扰，这里的电磁环境非常干净，是非常理想的低频射电观测位置。

    嫦娥四号任务中的低频射电探测仪有两台，一台由中国独立研制，安装在嫦娥四号着陆器上（图4），另一台由中国和荷兰联合研制，安装在中继星“鹊桥”号上（图5）。两台设备互相配合，可以对太阳、地月空间及宇宙天体的各种射电现象进行观测和研究，尤其是太阳爆发时，利用低频射电观测，可以观测并且追踪太阳爆发活动的整个过程，这对研究日地空间的天气效应，构建模型预报太阳灾害事件等有很大帮助。

图4  嫦娥四号着陆器上的低频射电频谱仪

 图5  中继星“鹊桥”上的低频射电探测仪

月表中性原子探测仪

    太阳持续不断的向四面八方“吹”出超声速带电粒子流，被称为太阳风。由于月球没有磁场、大气层的保护，太阳风能够直接“吹”到月球表面上，太阳风中的质子和离子作用到月壤表面会反射和溅射出能量中性原子（Energetic neutral atom，简称ENA）和其他粒子。同时，光照会导致月表充正电荷，等离子体会导致月表充负电，在月面阴阳交界处静电力会抛起月尘，所有这些抛出、溅射和反射出的物质组成了月球的逃逸层（图6）。科学家需要搞清楚月球逃逸层形成过程中各种机制的作用大小，这对于研究太阳系中许多与月球类似的星体（如水星、小行星等）具有重要意义。

图6 月球逃逸层示意图

    嫦娥四号携带的月表中性原子探测仪，由中国和瑞典联合研制，安装在月球车“玉兔”二号上，用来测量太阳风和月表相互作用之后产生的中性原子。过去人类对月球中性原子的探测都是在环月轨道或地面上开展的，嫦娥四号将在月表巡视区直接测量中性原子，可以说是人类探月史上首次在月表开展中性原子探测。 

图7 月表中性原子探测仪

预报中心为嫦娥四号任务保驾护航

    对空间环境进行探测研究是嫦娥四号任务重要的科学目标之一。但嫦娥四号携带的这些先进的探测仪器及嫦娥四号本身都面临恶劣空间环境的威胁，而针对太阳爆发等活动的探测也需要空间环境预报的支持，中科院空间环境预报中心将持续为嫦娥四号任务提供及时准确的空间环境预报信息，为嫦娥四号任务保驾护航。