北京时间2015年5月6日06:05，活动区AR2339（N12E70）爆发大X射线耀斑（X2.7级），06:15结束，达到橙色警报级别。活动区AR2339自5月5日转入日面以来，共产生了1个X级和2个M级X射线耀斑。目前该活动区的面积为250个太阳面积单位，磁类型为复杂的Beta-Gamma类型。

　　此次爆发位置位于日面东侧，不会对近地空间环境造成大的扰动。预计未来一段时间，该活动区仍有可能爆发M级及以上级别X射线耀斑。

图1 SDO卫星观测到的X2.7级耀斑

图2 太阳X射线流量

    第24太阳活动周初始，备受关注，因为专家预测第24太阳活动周可能会发生强太阳风暴。当其超低调地完成6年历程之后，再度引起空间科学届的热议，是因为它可能是第17太阳活动周以来最弱的活动周。然而，就在人们认为它将一如既往默默地走向低谷时，一次完全出乎意料的事件再次震撼了空间科学界的科学家们，这便是发生在2015年3月17日的大地磁暴事件。

1.事件回顾

    2015年3月15日，之前曾经爆发过1个Ｘ级Ｘ射线耀斑和多个M级Ｘ射线耀斑的AR2297活动区爆发了一个长时间的C9.7级耀斑，并伴随有全晕日冕物质抛射（CME）。图像显示这是一次普通的CME，是一次强度一般的爆发过程。空间环境预报机构和数值模拟结果都显示：CME会在世界时17日下午到达地球，影响一般。

图1 3月15日卫星观测到的CME

     然而，出乎所有科学家和预报员的意料，这次CME来的是如此之快、如此凶，导致了第24太阳活动周以来最强地磁扰动，并引发了一系列空间环境效应。

2.第24太阳活动周最强磁暴

    3月17日凌晨3点，裹挟着强大磁场的CME开始冲击地球，之后地磁Kp指数一路飘红，地球磁场发生剧烈扰动，有12个小时达到大地磁暴水平，Dst一路下降至-200nt，3月17日Ap指数达到117，成为第24太阳活动周以来最强地磁暴。

    对地磁暴反应最快也最明显的莫过于极光。3月17日北极地区极光活跃，最低纬度达到了美国北部地区，其中威斯康星、蒙大拿等州都看到了美丽的极光。

图2 CME引起的强地磁扰动

图3 地磁Dst指数变化和Alaska极光

3.地球磁层顶穿越地球静止轨道

    受快速等离子体云的撞击，3月17日地球磁层受到严重压缩，地球磁层顶大小和形态发生了明显的变化。中科院空间环境预报中心利用自主开发的模式，预测到3月17日磁层顶日下点多次被压缩到地球静止轨道（距地心6.6个地球半径）以内，发生了多次磁层顶穿越地球静止轨道事件。

图4 地球磁层顶（蓝色曲线）穿越地球静止轨道（红色虚线）

图5 空间环境预报中心模式预测地球磁层顶穿越地球静止轨道事件

    此次事件引发了多次地球磁层顶穿越地球静止轨道事件，其中正好被地球静止轨道上GOES13和GOES15空间环境监测卫星所监测到。图6中显示了GOES13和GOES15卫星观测到的磁场水平分量（Hp）。当它们穿越地球磁层顶时，观测到磁场水平分量（Hp）发生了反转。如果此时穿越磁层顶的地球静止轨道卫星是靠磁场来控制姿态的话，那么它将面临姿态控制异常的危险。

图6 GOES13和GOES15卫星观测到的Hp分量

4.电离层负暴

    在此次最强地磁暴期间，中国科学院空间环境监测网所属的9个电离层台站监测到电离层环境发生剧烈的变化。电离层的响应延迟于地磁暴，最强地磁暴开始于世界时3月17日3时左右，电离层扰动变化则开始于17日晚，持续至18日，19日电离层逐渐恢复正常。

    漠河、北京、武汉和三亚站（纬度从高到低）监测到的电离层F2层临界频率(foF2)发生负暴响应，即临界频率下降至远低于背景平均水平。特别是在3月18日白天，漠河、北京的foF2最高值甚至低于平均夜间的最低值，这会对我国大部分地区的短波通讯造成严重影响。

图7 电离层F2层临界频率监测数据

      福州、厦门、广州、南宁和海南富克站（均在低纬）监测到电离层总电子含量（TEC）发生负暴响应。3月18日5站的TEC峰值（约40TECU）明显低于地磁暴前17日峰值（约100TECU）。TEC的剧烈变化，会影响导航定位的精度，但负暴影响较小。

图8 电离层总电子含量变化

 5.低轨卫星轨道下降加快

      地磁暴期间，受焦耳加热和高能粒子沉降等的影响，中高层大气受热膨胀，卫星轨道上大气密度增加，从而使得卫星运行阻力增大，轨道下降速度加快。

        受此次磁暴的影响，天宫一号和国际空间站的轨道下降速度加快，且国际空间站随即进行了抬轨操作。

图9 天宫一号轨道变化情况

图10 国际空间站轨道变化情况

6.小结

    纵观第24太阳活动周，从2008年的12月开始，目前已走过了6个年头，无论从其爆发活动的频次、爆发强度来看，均弱于之前几个太阳周，可以说，是一个名副其实的弱活动周。已出现的太阳黑子峰值是2014年4月的81.9，之后逐渐下降。根据目前国际、国内预报机构（NASA、IPS、SEPC）的太阳黑子数平滑月均值预报结果，81.9将是第24太阳活动周的峰值，之后将进入第24太阳活动周下降期，黑子数将会震荡下降。

    那么，进入下将期的第24太阳活动周是否还会发生像这次强地磁暴般的惊人之举的？空间环境预报中心会密切监测太阳的一举一动，给出及时准确的预报。

图11 SEPC对第24太阳活动周黑子数预测

　　本次强地磁暴期间，高速太阳风带来大量的能量，通过焦耳加热和极光粒子沉降加热等方式不断加热地球大气，导致热层大气密度快速上升。低轨道航天器受到的拖曳力会突增，从而对航天器轨道运行产生极大的影响。

图1 地磁平静时期（左）和地磁暴时期的全球大气密度(右)

　　一般来说，在地磁平静时，太阳风携带的能量仅为太阳极紫外辐射的十分之一，但在地磁扰动期间，局部焦耳加热会带来十倍于极紫外辐射的能量或更多。此外，地磁暴期间，由于高纬焦耳加热和高能带电粒子沉降加热等的影响，导致极区大气首先被加热、膨胀上升，使得低层较密的大气被带到较高高度上，极区高层大气密度和成分发生很大的变化；同时在大气环流的共同作用下，这种变化被带到其它高度和经纬度上，从而引起全球高层大气增温，密度和成分发生变化。

图2 卫星轨道衰变示意图

　　根据大气模型计算结果，本次地磁暴期间，在350km轨道高度，全球平均大气密度大约上升了50%；在400km轨道高度，全球平均大气密度大约上升了60%；在450km轨道高度，全球平均大气密度大约上升了70%。

　　低轨道高度大气密度的快速上升，会导致该轨道高度的航天器受到的拖曳力迅速增大，从而影响其姿态和轨道衰变速度，航天器有可能迅速下降成百上千米，从而完全脱离预先设定的轨道路线。严重时，会影响到地面观测网对该航天器的跟踪情况，甚至会追踪不到航天器轨迹，造成航天器“丢失”。

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　　北京时间2015年3月15日从太阳抛射出的等离子体云于17日撞击地球，严重压缩了地球磁场，使地球磁层顶大小和形态发生了明显的变化。中科院空间环境预报中心利用自主开发的模式，预测到17日磁层顶日下点多次被压缩到地球静止轨道（距地心6.6个地球半径）以内，发生了多次地球静止轨道穿越磁层顶事件。

图１．地球静止轨道（红色虚线）穿越地球磁层顶（蓝色曲线）

　　中科院空间环境预报中心在网页上实时发布了模式预报结果。网页不仅提供了１分钟精度实时的磁层顶和弓激波位形预报，如图1所示，还提供了磁层顶日下点距离时间序列预报以及地球静止轨道穿越磁层顶事件警报和综述等信息。从图2中所提供的预报结果，用户可以很容易获知何时发生了地球静止轨道穿越磁层顶事件，哪些经度范围内的地球静止卫星在事件中穿出了地球磁层顶。

图2 空间环境预报中心模式预测地球静止轨道穿越磁层顶事件

　　2015年3月17日发生的多次地球静止轨道穿越磁层顶事件，正好被美国的静止轨道卫星GOES13和GOES15空间环境监测卫星所监测到。图3中显示了GOES13和GOES15卫星监测到的磁场水平分量（Hp）。当它们穿越地球磁层顶时，所观测到的磁场水平分量（Hp）发生了反转。如果此时穿越磁层顶的地球静止卫星是靠磁场来控制姿态的话，那么它将面临姿态控制异常的危险。

图3 GOES13和GOES15卫星观测的水平分量磁场

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　　2015年3月17日，地球磁场发生剧烈扰动，地磁Ap指数达到110左右，Dst指数下降至-200nT以下，这是第24太阳活动周以来最强的一次地磁暴。

图1 地磁Kp指数

图2 地磁Dst指数

　　这次强地磁扰动是由3月15日的日冕物质抛射到达地球引起的。在3月15日，太阳上的黑子群AR2297发生了一个长时间的C9.7级耀斑，并伴随有全晕日冕物质抛射。在行星际经过2天多的传播，高速等离子云于17日早上到达地球附近，太阳风速度最高上升到了650km/s左右，行星际磁场南向分量最低降至-28nT。受此影响，地球磁场发生第24活动周以来最强地磁暴。

图3 日冕物质抛射

　　这次强地磁暴将会引起一系列空间环境效应。地球低轨道大气密度快速增加，对卫星轨道的拖曳作用增强。当同步轨道卫星处于子夜和黎明段时或极轨卫星经过极区时，有可能引发卫星的高表面充电。地磁暴引发了地球电离层的强烈扰动，发生强电离层负暴，将会对短波通讯的正常使用造成强烈干扰，严重时可能引起短波通讯信号中断。

　　关于地磁暴的进一步进展和空间环境的最新预测，请关注中科院空间环境预报中心。

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