受冕洞高速流到到达地球的影响，北京时间2015年9月19日11:00起，地球磁场发生扰动，在19日有3小时达到小磁暴水平。之后，北京时间9月18日发生的日冕物质抛射（CME）于9月20日11点左右到达地球附近，与冕洞高速流一起引发了强烈地磁扰动（图1）。截至9月20日17:00，地磁有6小时达到磁暴水平。其中，14:00-17:00地磁Kp指数为7，达到橙色警报等级。
受此次日冕物质抛射和冕洞高速流的持续影响，太阳风速度目前维持在600km/s左右，行星际磁场南向分量在-10nT左右，预计地磁扰动持续时间较长，大约将持续2天左右。
图1 9月20日发生的大地磁暴
图2 9月16日的冕洞（左）和9月18日的CME（右）
中高层大气是与人类航天活动关系极为密切的区域，监测中高层大气有助于深入理解中高层大气环境本身的变化，并为航天器的飞行提供环境保障。人类对中高层大气的探测有着悠久的历史，特别是进入太空时代后，探测手段越发多种多样。
1.中高层大气对航天活动的影响
中高层大气区域是低轨道航天器（如国际空间站、神舟系列飞船等）的主要运行区，该层大气环境的波动都会时时刻刻对其中的航天器产生一定的影响，主要现在以下两个方面。
首先，中高层大气密度对航天器所产生的阻力效应，将导致航天器的轨道姿态、轨道衰变率和在轨寿命的改变。当空间环境扰动强烈时，短时间内大气密度会出现剧烈的波动，航天器的轨道也因此而出现一定程度的变动，有可能下降几百甚至上千米，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”。极端情况下，有可能导致航天器的轨道下降太快而提前陨落，于是航天器就真正损失了。
图1 美国天空实验室因大气扰动提前陨落
其次，主要是原子氧对航天器表面的腐蚀效应，将引起表面材料质量损失和材料的物理与化学性质的改变。中高层大气是由多种气体组成的，主要成分是原子氧。低轨道航天器相对大气的速度高达约8千米/秒，因此具有定向速度的航天器遭遇氧原子时，后者的流量是相当大的；并且原子氧是一种极强的氧化剂，那么当大量的原子氧不断地撞击航天器表面时会导致材料的“氧化”、“腐蚀”和“挖空”。
图2KAPTON 材料被原子氧剥蚀
因此，必须对中高层大气进行监测，对不同高度的大气资料做到定量的数据储备，并且还要积累一定的时间，以获得不同太阳活动情况下中高层大气的波动情况。
2.中高层大气监测的历史
（1）早期的探测
人类生活在大气底层，中高层大气中发生的各种现象，一直是地球物理学家所关注和思考的对象。在漫长的历史时期中，人们只能通过一些自然现象或人为现象，利用原始的仪器简单地推测中高大气中的情况。
长期以来，人们对大气中发生的现象一直以定性的经验观察推断为主。直到16世纪末，有人发明了第一批大气探测仪器，才开始了对大气的定量探测。
1783年，法国人查理在巴黎上空用氢气球携带温度表和气压表探测大气状况以后，人们陆续开始了进行天基高空大气的探测。1919年，法国人巴洛第一次用气球搭载无线电探空仪探测大气，为高空大气探测事业开辟了新的途径。1923年，英国科学家林德曼和多布森提出了利用光学或无线电设备对流星及其余迹的观测来推算高层大气特性参量的方法。 1940年开始，有人用测风雷达进行追踪气球进行高空风的测量。到1945年第二次世界大战结束前夕，美国首次将雷达应用于大气观测，并获得了宝贵的大气资料。
图4 流星划过夜空
（2）太空探测的开始
20世纪40年代中期以后，随着各种高空飞行工具（如火箭）的陆续发明，大气探测技术也有了飞跃的进步。
火箭是探测高层大气的重要工具，美国和苏联等国利用火箭进行了大量的探测。从1946年春开始，美国采用德国的V-2火箭对大气开展系统的探测，至1951年，共发射了66枚，取得了120千米以下大气大压力、密度和温度的资料。1947年冬，美国首次发射了史上著名的空蜂式火箭，至1957年约发射了250多枚，获得了大量的大气探测数据。1949年初，苏联也开始利用火箭进行高空大气的探测。在1957年，苏联发射了一种新型的气象火箭，可以直接测量温度和压力，共发射了125枚，取得了80千米以下大气压力、密度和温度的资料。此外，为了探测更高层的大气，苏联还发射了四种地球物理火箭，取得了110~470千米高空的许多宝贵资料。
图5 美国空蜂火箭
（3）卫星探测大气的时代
通过火箭探测积累的大量高空大气数据资料，为人造地球卫星的升空铺平了道路。1957年，苏联发射了人类第一颗人造地球卫星，各国立即开展了卫星对中高层大气密度和成分的探测。
由于当时各国科学探测设备研究的滞后，跟不上搭载卫星迫切要上天的进度。无论是苏联、美国，甚至中国发射的第一颗卫星，都没携带什么重要的探测仪器，只能将探测大气密度作为主要的任务。这是因为卫星运行中受到了一定大气阻力作用而导致轨道发生改变，利用地面探测到的卫星轨道参数的变化，便可以反推计算得到卫星轨道高度的大气密度。并且，在早期各国发射的卫星任务中，例如美国的探索者系列9号、Vanguard 系列和AD系列卫星等，都利用卫星轨道反推得到大气密度。
图6 东方红1号
图7 Aeros-B卫星
随着人类科学仪器研究技术的不断进步，陆续有新的大气探测方法投入应用。1963年，美国发射的大气探测AE-A卫星，就携带了电离真空计和质谱仪探测大气密度和成分。后来上天的AE后续系列卫星、德国和美国合作的Aeros-A和Aeros-B卫星等也都载有质谱仪来探测大气成分。
1967开始，意大利和美国合作发射的San Marco 2及其后续系列卫星，该卫星利用卫星外壳和内部结构联合作为内外壳平衡仪，成为了一种典型的加速仪，可以测定卫星因大气阻力而产生的加速度，用以反推获得了大气密度的资料。
1967年，美国发射的Agena-D卫星，携带了一种新型的三轴加速仪——微小静电加速仪，用以测量卫星加速度，反推获得大气密度。第二年，美国发射的OV1-15和OV1-16卫星，以及后来升空的AE-C及其后续系列卫星和S3系列卫星都载有这种加速仪。
到了2000年，德国发射的CHAMP卫星和美国发射的GRACE双星，携带了精度更高的三轴加速仪，经过近十年的积累获得了大量的卫星加速度数据，所探测的低轨道大气密度精度可达10-15~10-14千克/立方米。
图8 CHAMP卫星
在中国的载人航天任务中，2001年升空的神舟二号飞船以及其后的神舟三号、神舟四号也曾携带了中国自己研发的电离真空计和质谱仪，并探测了高度350千米左右的大气密度和成分，获得了最新的大气探测资料。
随着在天上飞行的卫星的日益增多，不同轨道高度的卫星划过天际，犹如层层蛛网覆盖了地球高空的，美国提出了高精度卫星拖曳计划。该计划充分利用空间监测网的精密追踪数据，基于遍布不同经度、纬度和高度的几十颗卫星的高精度轨道根数的变化，反测大气阻力，校正卫星轨道，联合反推全球大气密度的波动情况。
附：人类第一颗人造地球卫星的大气探测
1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星——“斯普特尼克1号”由苏联发射成功，该卫星的唯一有价值的科学任务就是探测大气密度。
最早在1954年5月，苏联的火箭设计师谢尔盖·科罗廖夫提出要发展人造卫星计划。到1955年7月29日，美国总统艾森豪威尔宣布美国将于1957年发射第一枚人造卫星。仅一星期后，8月8日苏共中央政治局马上同意科罗廖夫的建议。
1956年 1月，苏联部长会议批准了发射人造卫星的立案，并暂以“D”命名；年底，“D”过分具野心及繁复的设计，终因科技水平未能跟上而致使问题陆续浮现，苏共中央决定押后“D”的发射。由于恐防美国会先于苏联发射人造卫星，苏联国防工业部提出第一颗卫星不应迟于1957年7月前发射。由于时间已所剩无几，设计被大幅简化：简单、轻型、易于操作并只携带一台简陋的无线电发送器。
斯普特尼克1号终于1957年10月4日发射，成为第一个进入外层空间的人造物体，在外层空间以20.005至40.002兆赫的频率向地球发送无线电波信号。斯普特尼克1号升空的意义，在于通过量度其轨道变化，有助研究高空地球大气层的密度，并为电离层作无线电波传递提供原始的资料。
斯普特尼克1号
北京时间2015年9月11日14:00起，地球磁场发生强烈扰动，截止12日02:00地磁有12小时达到磁暴水平（图1）。其中11日14:00-17:00地磁Kp指数为7，达到橙色警报等级。此次大磁暴事件是由日面上的冕洞引起的（图2左），受此影响，太阳风速度最高达到660km/s左右，行星际磁场南向分量最低达到-16nT。
受此次冕洞高速流的持续影响，预计地磁暴事件还将持续2天左右。关于此次地磁暴事件的进一步发展，及可能引起的其它近地空间环境扰动，我们将密切关注并及时通报。
图1 9月11日发生的大地磁暴
图2 9月8日的冕洞（左）和9月9-11日的太阳风（右）
北京时间2015年8月12日的日冕物质抛射（CME）于15日16:00点左右到达地球附近，引发了强烈地磁扰动。截至16日8:00，地磁有9小时达到磁暴水平，其中15日17:00-20:00地磁Kp指数为7，达到橙色警报等级。
受此次日冕物质抛射和冕洞高速流的共同影响，预计地磁暴事件还将持续1天。关于此次地磁暴事件的进一步发展，及可能引起的其它近地空间环境扰动，我们将密切关注并及时通报。
图1 8月12日卫星观测到的CME
图2 8月15日发生的大地磁暴
最近网上盛传这样一则消息科学家称，2030年太阳将休眠，地球温度恐大幅下降，地球将进入小冰河期！”在这炎炎夏日，微博上流传的这个消息，有没有令你感到一丝寒意？然而，这则消息的真实度又有多少呢？
1.凛冬将至，人们恐慌
全球变暖引发的极端气候事件及生态系统变化越来越受到关注。7月10日，英国《每日邮报》援引英国女科学家瓦伦蒂娜·扎尔科瓦（ValentinaZharkova）在2015年英国国家天文会议上的报告内容，报道称太阳将在2030年“休眠”，这将导致地球气温大幅度下降、使得地球步入“小冰河期”。
图1 北极冰川
扎尔科瓦提出，太阳存在两个波，虽然周期都是11年左右，相位却稍有不同。这两个波叠合在一起，时而相加，时而相抵，才导致太阳在每一个周期的活动强弱都各不相同。按照扎尔科瓦的说法，他们的模型能够准确再现当前太阳周期的观测数据，准确率高达97%。他们还对比了此前的3个太阳周期（1976年－2008年），发现模型预言和观测记录相符得很好。
这个模型还进一步预言，太阳的这两个波正在错开步调，到下一个太阳周期，也就是2030年－2040年间，它们就将完全相反而相互抵消，导致太阳活动强度大幅度减弱。这就是《每日邮报》报道里所说的，“太阳活动将在2030年前后减少60%”。
那么上述中提及的太阳活动是什么呢？现在科学家能否对太阳活动作出准确预报？如果太阳活动真的大幅度下降，是否会对地球温度产生巨大影响？
2. 太阳活动预报
按照尺度变化速度、运动速度或者能量释放的速度，太阳活动可以分成两种类型，一种是缓变型太阳活动，另一种为爆发型太阳活动。顾名思义，缓变型太阳活动在尺度变化速度、运动速度或者能量释放的速度上都相对缓慢，主要包括黑子、光球中的光斑，色球中的谱斑、日珥（暗条），日冕中的冕洞、凝聚区和冕环等。爆发型太阳活动则是更具有“爆发”的意义，所以也直接称之为太阳爆发活动，主要包括耀斑、日冕物质抛射等。
太阳活动预报主要关注太阳活动水平的高低与太阳爆发活动的发生。太阳黑子是太阳光球表面的强磁场区域，从太阳黑子发出的磁场会在太阳大气中形成复杂的磁场结构，为太阳活动提供动力和能源。因此，太阳活动的长期预报常常通过对黑子数的长期预报来实现。
黑子数的长期积累记录成为太阳活动长期预报的重要依据。从黑子数的长期记录来看，黑子数的多少明显地表现出11年左右的周期变化。黑子数的长期预报就是预报未来太阳活动周的变化特征，如黑子数极大值、极小值以及出现时间等。
图2 黑子数的周期变化
黑子数长期预报方法的研究开始于20世纪中期，经过半个多世纪的发展，已呈现出“百家争鸣”的格局。在预报因子上既有单纯的黑子数，也有太阳极向场、地磁指数等其它相关因素；预报技术上既有一般的经验公式，也存在较为复杂的统计分析，近几年还发展了数值模拟。预报方法可谓五花八门，预报效果也各有千秋。依据指导思想、预报技术或预报因子的差异，黑子数长期预报方法可分为统计方法和太阳发电机模型预报方法。
● 统计方法
黑子数长期预报的统计方法主要是在假设太阳活动遵循统计规律的基础上提出的。通过对黑子数的系列数据进行各种分析得出统计规律，从而对未来的太阳黑子数进行长期预报。常用的数学分析方法有很多，如频谱分析法、时间序列法、活动周参量法、自回归方法、长周期方法、相似周方法、人工神经网络法等。统计方法不仅能预报太阳活动周的最大强度，还能预报太阳活动周的轮廓曲线，方法也相对简单，因此应用十分广泛。随着统计分析方法的发展，黑子活动长期预报方法的统计分析技术也在不断改进中。
● 太阳发电机模型预报方法
太阳活动实际上是磁场演化的产物，黑子在本质上就是强磁场区，只要强磁场区存在，各种活动现象都可以解释，包括太阳活动周的发生原因。太阳发电机理论就是用来解释太阳磁场的起源、磁场的特征以及与各种活动现象之间的相关性及其变化规律。现有的发电机理论认为太阳磁场是由活动周开始时（甚至开始之前3年）太阳的极向磁场演化而来，即较强的中低纬度磁场源于太阳活动周开始时极区或高纬区域的弱磁场。
图3 太阳发电机模型
将某一特定周期的太阳活动极小时的极区磁场作为输入条件，直接利用太阳发电机模型通过数值模拟的方式就可以预报下一个太阳活动周强度。太阳发电机模型预报方法具有明确的物理思想，是太阳活动长期预报方法的研究方向。但太阳发电机模型预报方法只能实现对太阳活动周上升期以及极大期的预报，对活动周的下降期还不能进行预报。
3.预言真假
虽然太阳活动预报方法很多，但是到目前为止，没有任何理论或者模型，能够准确预言下一个周期的太阳活动会剧烈或者平淡到什么程度。扎尔科瓦的模型实质上仍然是一个经验性的规律，是从过去3个周期对太阳活动强弱的观测数据中归纳出来的。它背后的具体物理过程，也就是扎尔科瓦提出的两个周期，这只是一种科学上的合理猜测。所以扎尔科瓦模型预测的2030年太阳活动是否会下降60%，这还是个未知数。
可是如果扎尔科瓦模型预测准确，到了2030年太阳活动真的下降了60%，那么地球是否真的会进入到“小冰河期”呢？
首先，我们在前面已经介绍了什么是太阳活动，了解概念之后，我们自然会认识到它和给予地球光和热的太阳辐射并不是一个概念。实际上，太阳活动对太阳辐射的总能量影响非常有限，仅仅在0.1%左右。
太空飞船的观测表明，在地球大气层外接收到的太阳辐射相当稳定，总在1366W/m^2左右。虽然它会随着太阳活动变化，但太阳活动高年的总辐射量比太阳活动低年仅高0.1%。太阳活动的变化无法引起太阳辐射量较大的变化，是因为太阳给予我们的能量，主要集中在波长较长的可见光和红外波段。而太阳活动减弱时，辐射减弱的主要是波长较短的X射线、极紫外和紫外波段。它们在太阳辐射的能量中所占的比重较低。因此即使太阳活动下降很多，也不会引起地球大幅度降温。
图4 通过重建历史数据得到的过去400年间太阳总辐射通量的变化
其次，我们再来看看如果太阳活动极其平静，地球是否会进入“小冰河期”。
太阳活动长期处于平静状态，这在历史上不是没有出现过，最有名便是“蒙德极小期”。根据历史观测资料，从1645年到1715年，太阳黑子几乎没有记录，太阳活动衰减到极低状态，这段时期被称为“蒙德极小期”。
图5 近400年来对太阳黑子的观测记录，可以看到太阳活动以11年为周期发生着波动，而在1645年到1715年间，黑子的观测记录几乎为零。
那么“小冰河期”又是什么呢？世界各地在16世纪到18世纪都出现了有历史记录的严寒天气，这段时期因此又被称为“小冰河期”。从时间上，这段“小冰河期”似乎与“蒙德极小期”确有重合。然而，根据重建的历史气温记录，全球气温下降的趋势始于1560年到1600年间，而“蒙德极小期”要到近50年后的1645年才出现。所以将历史上的“小冰河期”原因归结为太阳活动趋于平静至少在时间线上是说不通的。同时，地质研究则表明，地质历史上的大多数“小冰河期”都出现在大规模火山活动发生的时候。火山活动会喷发出烟尘，包裹住地球，遮蔽一部分阳光——这才是导致地球降温的主要原因。至于当太阳活动极弱时，有研究表明到2100年，地球平均气温也只会下降大约0.10C。而由于其他因素导致地球的升温幅度却可能高达3-40C。
因此，从以上分析我们可以看出，扎尔科瓦模型预测的2030年太阳活动是否会下降60%，这将等待时间来验证，而届时地球是否会进入冰河期，这将取决于太阳辐射变化对全球气候变化的影响。所以就算《每日邮报》所说“凛冬将至”的预言成真，对于越升越高的地球平均气温来说，太阳活动减弱也完全于事无补。
参考文献：
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[3] 2030年太阳休眠，凛冬将至？没谱的事儿！果壳网，Steed.
[4] The effects of solar variability on earth’s climate: A workshop report. National Academies Press, 2012.
[5]Amplifying the pacific climate system response to a small 11-year solar cycle forcing, Gerald A. Meehl, et.al, Scinece,325(5944),1114-1118.
[6]Prediction of solar activity from solar background magnetic field variations in cycles 21-23, Simon J. Shepherd, Sergei I. Zharkov, and Valentina V. Zharkova, The Astrophysical Journal, 795:46 (8pp), 2014 November 1.
2025-06(6)
