太阳质子事件

    太阳风暴发生时会释放出大量高能量的带电粒子，它们以每秒几千、几万、甚至十几万千米的速度，最快十几分钟就可以到达地球，使地球周围的高能带电粒子数量增加数千倍，甚至数万倍。由于绝大多数的粒子都是质子，因此把这种事件称为太阳质子事件。

太阳质子事件的发现

    太阳爆发产生的高能带电粒子与太阳耀斑和日冕物质抛射不同，用肉眼是无法看到的，所以人们对太阳质子事件的观测和研究要晚的多。

    最早发现太阳爆发产生高能粒子的现象是在20世纪40年代。1946年美国物理学家富布什研究了分布在全球的多个宇宙线观测台站的数据后发现，在1942年2月28日、3月7日和1946年6月25日这三天，多个台站探测到的高能粒子同时出现了脉冲式的大幅上涨，而且无一例外，这三次事件都是在太阳上发生了强烈的耀斑后的几个小时内发生的，因此，富布什推测这些突然增加的高能粒子可能来自太阳上的爆发活动。之后，科学家们又发现了一些类似的现象，并且证实有些强的耀斑发生后几十分钟到几个小时，地面上就观测到宇宙线强度会增加。这就是人们对太阳质子事件最早的观测和研究。

什么是太阳质子事件

    从富布什首次确认太阳质子事件以来，经过近70年的研究和探索，人们逐步认识到质子事件主要与太阳耀斑和日冕物质抛射有关。当太阳活动比较剧烈，出现耀斑爆发或者日冕物质抛射时，常常喷射出大量高能带电粒子，在耀斑爆发或日冕物质抛射发生的一段时间之后，在地球轨道附近可观测到高能粒子的强度突然增加，这就是太阳高能粒子事件。太阳喷射出来的高能粒子中，质子占了总粒子数的90%以上（其次是α粒子，还有少量的碳、氧、铁等各种重离子成分），所以通常把太阳高能粒子事件称为太阳质子事件，质子的能量范围通常在1~100MeV之间，能量大于500MeV的事件比较罕见，含有如此高能量粒子的太阳质子事件被称为相对论太阳宇宙线事件。质子事件的强度单位用pfu（Particle Flux Unit）表示：

    进入航天时代以来，人们开始利用卫星上携带的高能粒子探测器来直接探测太阳质子事件，许多在轨卫星都携带有高能质子的监测仪器，如美国的GOES卫星、我国的“风云”2号卫星等。目前，国际上广泛采用的太阳质子事件标准是美国空间天气预报中心（SWPC）制定的标准：将地球同步轨道GOES卫星探测到的能量大于10MeV的质子通量在连续15分钟以上的时间内数目超过10pfu的高能粒子增强事件称为太阳质子事件。

图1. 2003年10月的特大太阳质子事件发生时，高能质子打在SOHO卫星的CCD上产生的白色斑点和线条

太阳质子事件的发生规律

    太阳爆发活动是太阳风暴的起源，常常表现为太阳耀斑和日冕物质抛射。两者不一定同时出现，它们发生时也可能会喷射出大量的高能带电粒子。高能粒子不同于耀斑爆发时的电磁辐射，会以光速到达地球空间，高能带电粒子到达地球空间时间稍慢，约需要几十分钟。高能粒子在日冕中受到磁场的作用加速，获得能量离开太阳进入了行星际空间，在那里它们再次被行星际激波加速，获得更高的能量传播到近地空间。

    太阳质子事件总是跟太阳耀斑和日冕物质抛射联系在一起，但对耀斑在质子事件中所起的作用及质子的加速机制问题，还存在很多争论，故质子事件通常根据其特征表现的不同，分为两类：脉冲型事件和缓变型事件。这两类质子事件的粒子成分和持续时间都有区别：脉冲型事件的粒子速度上升快，事件持续时间短，粒子中富含1~100KeV的电子，一般认为这类事件的粒子是直接在耀斑活动区域完成加速过程的；缓变型事件持续时间长，一般会持续数天，粒子中富含质子，现在普遍认为大的缓变型太阳质子事件中的粒子是由快速日冕物质抛射所印发的激波进行加速的。在实际的太阳质子事件中，脉冲型和缓变型事件并不能明确地区分开来，而通常是耀斑和日冕物质抛射的混合型事件。

图2. 1989年10月特大质子事件期间,高能粒子通量快速上升

    太阳质子事件的发生与太阳黑子关系密切。与太阳黑子一样，太阳质子事件的发生频率也存在11年变化周期，在太阳活动高年频繁一些，在太阳活动峰年附近每年可达10多次，在太阳活动低年则可能一次也没有，但就每次事件而言，其发生的时间、大小都是随机的。太阳质子事件的峰值流量大于1000 pfu为强质子事件，发红色警报；峰值流量大于100 pfu为中等质子事件，发橙色警报；峰值流量大于10 pfu为弱质子事件，发黄色警报。在11年的太阳活动周中，强质子事件发生10次左右，中等质子事件发生30次左右，弱质子事件发生50次左右。

图3. 太阳质子事件发生率的11年周期变化

    实际当中要判断一次质子事件的强弱不仅要考虑事件的峰值通量，还要根据事件的累积通量、持续时间、高能成分（能量大于100MeV）所占的比例等进行综合考量。

太阳质子事件的危害

    对于卫星和其他空间飞行器来说，太阳质子事件的爆发可能就是一场灾难，大量高能粒子的袭击有可能通过单粒子效应和辐射损伤效应毁坏在轨航天器；对于在空间执行任务的航天员来说，他们的身体健康可能会受到威胁；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，健康将受到影响；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，影响极区的无线短波通信和跨极区的高频短波通信，也会对跨极区的飞行造成影响。