第24太阳活动周最强地磁暴

    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