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3月28日中等高能电子暴事件持续

        受重现性冕洞高速流影响, 2018年3月23-25日地磁发生小扰动。3月25-26日,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到小高能电子暴水平,27-28日,高能电子日积分通量超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2·sr·day),达到橙色警报等级,日积分通量分别为1.33E+09个/cm2·sr·day、2.3E+09个/cm2·sr·day。预计高能电子暴事件还将持续1天左右。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

       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。

 图1 2018年3月27-28日发生中等高能电子暴事件

发表在 综合新闻

3月27日发生中等高能电子暴事件

       受重现性冕洞高速流影响, 2018年3月23-25日地磁发生小扰动。3月25-26日,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到小高能电子暴水平,27日,高能电子日积分通量超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2·sr·day),达到橙色警报等级,日积分通量为1.33E+09个/cm2·sr·day。预计未来2天高能电子日积分通量仍可能达到小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

       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。

图1   2018年3月27日发生中等高能电子暴事件

 

发表在 综合新闻

空间环境预报的基石——太阳活动监测

    天上的卫星、地面的台站,数不清的仪器在监测着太阳,为什么呢?因为人们想知道,太阳除了带给人类光和热之外,还有什么不为人知的秘密。通过监测,人们不但认识到太阳无时无刻不在变化着,并且有多种活动方式,有规律性的,也有突发性的;同时通过对太阳活动的监测,人们可以预测不同太阳活动变化对地球空间的影响及程度。

1.太阳活动周期性发现

    太阳黑子,是人们最早观测到的太阳活动现象。1843年,德国天文爱好者施瓦布通过日常观测发现了太阳黑子数量的多少存在11年左右的周期。之后,随着观测数据的增加,这一规律不断被证实,并且人们发现黑子数的多少与这个时期的太阳活跃程度相对应。于是,太阳黑子数的这种规律变化成为人们划分太阳活动周期的标志,黑子数量的高峰年称为太阳活动峰年,黑子数最少年称为太阳活动低年,两次低年之间定为一个太阳活动周。

1 太阳活动周变化示意图

    至今,太阳黑子数仍是最典型、最具代表的一种太阳活动参数,人们对太阳活动周的预报主要体现在对太阳黑子数的预报。通过对一个活动周内太阳黑子数的预测,我们就可以判断未来一个太阳活动周的整体趋势,哪个阶段太阳会比较平静,什么时侯会到达太阳活动周峰年,峰年水平会有多高,太阳风暴发生的强度和概率有多大等等。

2 太阳黑子数年变化

    除了太阳黑子数之外,人们还发现了另一种能代表太阳活动周变化的参量——太阳10.7cm射电流量(F10.7)。从长期的监测中人们还发现,F10.7和太阳黑子数有很强的相关性,F10.7值的大小也能很好地代表太阳活动的强弱,并且由于F10.7在地面就可以监测获取,长久以来在许多重要的电离层和中高层大气模型中,通常都是以F10.7作为输入来表征太阳活动的水平。因此,无论是过去、现在,还是未来,F10.7监测在太阳活动预报和研究中都将具有举足轻重的地位。

3 F10.7和黑子数关系

    在长期观测中,人们还发现11年大规律下还隐藏着小秩序,即在一个活动周中内,太阳黑子的出现并不杂乱无章,而是非常有“秩序”,开始先是在太阳较高纬度对称出现,之后逐渐向赤道推移,一周接一周,永不改变,这便形成了我们经常看到的美丽的黑子蝴蝶图。

4 太阳黑子日面位置变化蝴蝶图

    到此,我们是不是很了解太阳黑子了呢?否。20世纪初,美国天文学家海耳在研究黑子的磁性时,发现成对出现的太阳黑子的磁场极性总是相反,如果北半球上前导黑子是N极,后随黑子则是S极,而南半球黑子则相反,并且在同一太阳活动周期内两个半球上黑子群的磁极性分布保持不变。当下一个周期开始时,南北半球双极黑子的磁极性则发生对换。因此,黑子磁场的极性分布每隔22年经历一个循环,称为一个太阳磁周期。

 太阳黑子磁场变化

2.蓄势待发的黑子群-风暴之源

        1908年,海耳利用磁场能够导致光谱线分裂的塞曼效应原理推算出黑子具有3000-4000高斯的强磁场。1952年,美国巴布科克父子研制出了世界上第一台光电磁像仪,它可以测出强度仅有1高斯的弱磁场,从而使太阳磁场的研究从黑子区域扩展到整个日面。越来越多的磁场观测已经证实了黑子的演化和爆发都与磁场有关。

    太阳风暴发生与否,关键决定于太阳黑子群的复杂程度。监测发现,黑子群的磁场结构越复杂,就越容易储存更多的磁能,也就更加容易产生大规模的太阳爆发活动,相反,那些面积小、磁场结构简单的黑子群由于没有能力储存更多的磁能,则几乎不会爆发或只爆发小规模的活动。历史上的那些强太阳风暴的发生都起源于具有复杂磁场结构的黑子群。因此,黑子群面积、磁场的实时监测,可以让预报员及时了解黑子群的发展和演化进程,为预测太阳风暴提供强有力的证据。

6 黑子群与太阳爆发

3.看天知地

    通过卫星云图监测,天气预报员可以告诉你会不会刮风、会不会下雨。太阳黑子爆发了,太阳风暴来了,我们如何知道?当然要靠太阳监测。而对太阳风暴的监测,最主要是对耀斑和日冕物质抛射监测。

    耀斑是电磁辐射突然增强的一种表现,在太阳观测图上常表现为某区域的突然增亮,在X射线耀斑流量监测中则表现为流量的快速上升。耀斑发生时,预报员通过流量的监测可以实时判断耀斑发生的时间和级别大小,并可以快速地预测出电离层发生扰动的区域和强度。而不同波段的耀斑成像监测,不但清晰、详细地展现耀斑的爆发过程和爆发强度,通过图像,预报员可以及时确定耀斑发生的位置,分析所对应的黑子群活动情况,从而预测后期的再爆发概率。

7 耀斑的Ha观测和极紫外观测

      日冕物质抛射,正如其词义所表达的那样,是指从太阳大气中向行星际空间抛射出一团日冕物质,当其发生时,从日冕图像中会很清楚看到明亮物质喷出。通过连续的日冕成像图,就可以判断日冕物质抛射发生的时间、抛射的方向及传播速度等等,再结合日面黑子群和耀斑发生情况,就可以确定这团物质的源区位置。目前,SOHO和STEREO卫星的的联合监测,实现了从不同角度对同一日冕物质抛射的立体观测,更加清晰地展现了日冕物质抛射的全过程。日冕物质抛射对地球的主要影响是引起地球磁场变化,产生地磁暴。而一般日冕物质抛出后,需要约1~4天才能到达地球,这样预报员有比较充裕的时间来分析日冕物质抛射的特性,并根据行星际到地球空间的各种观测资料,预测该团物质是否会到达地球、到达地球的时间及可能对地球磁场产生的影响程度。

8 日冕物质及地磁暴

    在耀斑和日冕物质抛射发生时,也可能伴随有高能带电粒子喷出,在监测中主要表现为不同能量段质子通量的增加,即我们常说的质子事件。根据实时的监测数据,预报员可以判定此次质子事件的级别、发展过程,并预测可能持续的时间,及时发出警报和预报信息。

5.太空中的眼睛

   人类对太阳活动的监测已有几百年的历史,随着人类活动进入太空,卫星在太阳活动监测中起到了巨大的作用。在过去半个多世纪的航天史上,有一系列经典的卫星被送入太空。人类对太阳的认识,对地日关系的理解,对太阳风暴的监测……,离不开这些置于太空中的锐眼――SOHOSTEREOSDO等等,将来还会更多,每颗卫星都搭载有多种探测仪器,实现不同的功能。

        SOHO是首当其冲的第一颗,1995122日发射升空,目前仍在服役当中。可以毫不夸张地说,在SOHO之前人类从未有过这样的机会,可同时对整个太阳,从内到外进行如此综合的探测。此后2006年发射的STEREO双子星,2010年发射的SDO,一颗又一颗的“大眼睛”,为人类揭示着这个神秘气体球的多种面孔。

    向它们致敬,更向其身后的科学家们致敬!!!

 

9 SOHO卫星对太阳的探测

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2017年空间环境盘点

2017年空间环境盘点

        2017年,已经接近第24太阳活动周下降期的末端。太阳活动水平虽然在稳步下降,但却在9月份爆出了一个大烟花——中元节事件。而几个大冕洞轮番袭扰地球磁场,让地磁活动不甘寂寞。我们更不能忽略的是频繁发生的高能电子暴。下面我们一起回顾这一年仍不算太平的空间环境……

 1. 24太阳活动周的末端越来越近了

    众所周知,太阳活动具有11年左右的周期性。我们现在所处的第24太阳活动周,开始于200812月,截至目前已经过去了9年出头我们利用相似周方法进一步给出第24太阳活动周的预报结果。鉴于本太阳活动周与第1214太阳活动周活动水平相当、走势相似,在预报中,我们以这两个太阳活动周作为相似周,图1给出了预报结果。预计本太阳活动周将在2019-2020年结束,还有2-3年的时间。

1  24活动周F10.7平滑月均值的实测与预报值

2. 太阳活动整体稳步下降,但仍有偶发大事件

1)整体水平

    在2017,太阳活动整体水平完美扮演着太阳活动周下降段的角色,从年头至年尾,稳步而缓慢地下降着。

    从20171月到12月,太阳黑子月均值从28下降至7,太阳F10.7月均值从77sfu下降至72sfu

    太阳黑子数和F10.7年均值都有一定的下降分别为19.477.2sfu,相对2016年分别下降了47%13%

    日面上的黑子越来越少,无黑子日持续出现,相应的太阳爆发活动变得稀少。

2爆发情况

    全年日面上出现的活动区个数69个,2016年减少了54%无黑子日增加到了105天,比2016年增加了2倍,相当于一年中有近三分之一的时间里太阳上没有黑子出现

2  无黑子日越来越多

    由于太阳黑子是太阳爆发活动的源头,太阳黑子的减少,自然意味着太阳耀斑等爆发活动减少。2017年共爆发了243C级耀斑,2016年减少了24%

    但是,例外出现了,2017年爆发了39M级耀斑,比2016年增加了20多个。此外,更是爆发4X级耀斑!而这在2016年是不曾有的。

    进一步地,2017年发生了4次太阳质子事件,其中1大质子事件1次中等质子事件。而2016年仅仅发生一次小质子事件。

    是不是觉得有点反常?

    其实,这一点也不意外。这些异常的根源,就是黑子群AR2673这个大怪物的出现。它在9月份爆发的“中元节事件”中,共爆发了27M级耀斑、4X级耀斑,引起了大太阳质子事件等一系列空间环境事件。

3  黑子群AR2673的演化(8月29日-9月10日)

    该事件在历史留下了浓重的一笔,在后面的章节我们将单独回顾。

3. 地磁活动比较坚挺,不甘就此结束

    相对于太阳活动,2017年的地磁活动水平仅仅比2016年略有下降。从地磁活动标识的多个指标看,与去年相比,本年度地磁活动减弱趋势并不明显。

    从20171月到12月,地磁Ap指数月均值从10下降至8

    地磁Ap指数年均值为11.5,仅比2016年低1%

    而Ap15的天数为88天,也与2016年基本相当

    根据统计,在一个活动周中,地磁活动的演化比太阳活动有一定的滞后性,约1年左右。太阳活动先下降后,地磁活动才会在一年后扭扭捏捏的下降。并且,基于过去多个太阳活动周的地磁活动走势,我们的预测显示目前的地磁活动仍然处在本活动周相对较高的水平。为什么今年的地磁如此强势,不甘随着太阳活动的下降就此走向没落?

 4  24活动周Ap指数平滑月均值实测与预报值

    在太阳活动下降年份,虽然日冕物质抛射日益少见,冕洞高速流却是引发地磁扰动的主要源头。而2017年的冕洞又比较给力,多个大冕洞曾赖在太阳上不舍离去,再加上下半年大黑子群AR2673这个奇葩的大爆发,这都给了今年地磁活动硬气的理由。

5  2017年代表性冕洞和CME

    在地磁暴方面:小或中等磁暴(Kp=56)时段为142个,大磁暴(Kp=78)时段为7个。其中,本年度中最强的地磁暴由CME引发,发生在98日,Ap指数为96

4. 高能电子暴——舞台真正的大咖

        2017年,高能电子暴不断发生。全年共有129发生小高能电子暴,22发生中等高能电子暴,高能电子暴总达到了151天,已经超过一年时间的40%

6  2017年高能电子暴占比

    在这一年当中,曾经多次出现持续多天的高能电子暴。不过,仍然无强高能电子暴发生,这就只能归罪于本活动周的弱势了

7  7-9月份期间的高能电子滑动积分通量

    参照过去两个活动周,目前仍然处在本活动周高能电子暴的高发期。

8  22-24活动周高能电子暴发生次数分布图

5.  2017代表性空间环境事件

1横跨多个太阳自转周的大冕洞

    由于太阳具有27自转周期性,而日面上的冕洞在日面上存在的时间较长,因此随着太阳自转其引起的地磁扰动同样具有约27天的重现特征。

    在2017有多个冕洞持续超过3个太阳自转周其中有个大冕洞1月起多次影响地球磁场重现6个太阳自转周。该冕洞在2-4月份面积持续较大,南北几乎横跨太阳南半球、东西跨越几十度分别在131-23日、31-4日、327-41421-24日引起了地磁

9  典型大冕洞及其引起的地磁暴

2中元节事件

    太阳爆发活动是偶发性事件,即使在太阳活动下降年也需要警惕强烈太阳活动的爆发。而9月份爆发的“中元节事件”,就是这样活生生的例子。

    该事件的源头就是我们前文提到的大黑子群AR2673

 10  黑子AR2673

    在94日—10日,AR2673共爆发了多个大耀斑其中,比较有代表性的三次爆发:9420:28爆发的M5.5级耀斑611:53爆发X9.3级耀斑1015:35爆发的X8.2级耀斑,都对地球空间环境产生了比较明显的影响。

11  94-10日的耀斑爆发

         M5.5级耀斑:伴随有高能粒子的喷发,中等太阳质子事件伴随全晕日冕物质抛射,导致地球发生十几个小时的地磁活跃。

12  95日开始的中等质子事件

        X9.3级耀斑:是第24太阳活动周以来最大级别的耀斑,而上次出现超过这种级别的耀斑还要追溯到2005年。耀斑的爆发伴随的高能粒子喷发,导致地球同步轨道的中等太阳质子事件的持续至98日。该耀斑伴随日冕物质抛射,导致地球发生十几个小时的大地磁暴。

13  97-8大地磁暴

        X8.2级耀斑:该耀斑的爆发,伴有强烈高能的喷发导致发生大质子事件其中大于10MeV的高能质子最高通量达到1490pfu 伴随的偏晕日冕物质抛射,引起了小地磁暴。

 14  受太阳质子事件影响的LASCO观测图像

  15  910-12日的大质子事件

7.总结与展望

    回看2017年,太阳活动整体水平继续稳步缓慢地下降着但偶发的大爆发活动还是引起了一系列空间环境事件;地磁活动整体水平则仅仅略有下降这是由于其演化的滞后性造成的;高能电子暴最为活跃,正是其表演的时机

    展望2018年,随着第24太阳活动周趋于末端,预计太阳的爆发活动将进一步减少,但空间环境是不甘寂寞的,地磁暴和高能电子暴会常常骚扰地球。期待着与您一起关注!

 

 

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地球静止轨道环境业务卫星系列——GOES

        GOES系列卫星从1975年开始,为空间环境监测、预报、建模提供了大量探测数据,为我们了解空间环境提供了一个窗口,其家族最新的卫星为GOES-16。这里我们将详细介绍GOES系列卫星,以便您了解它们的全貌。

l   GOES系列卫星

        GOES系列卫星由美国国家海洋与大气局(NOAA)管理,用于天气预报、空间环境监测等业务和气象学的研究,为地球同步轨道卫星。GOES采用双星运行机制,双星分别定位于135°W75°W赤道上空,覆盖范围为20°W~165°W,约占全球面积的1/3面积,可以每天24小时连续对西半球上空进行气象观测。GOES卫星算得上是个大家族,至今已经发展了三代,从最早的SMS衍生系列到第二代共计十五颗。GOES-1卫星于19751016日在美国卡纳维拉尔角空军基地发射,卫星重294千克。SMS衍生系列(GOES-1~3)和第一代(GOES-4~7)为自旋稳定卫星,都装载了可见光/红外扫描辐射计和大气探测器。1994413日首颗第二代业务卫星GOES-8发射成功,它采用了三轴稳定系统。最新的一颗GOES系列卫星是于2016年11月19日发射的GOES-16GOES虽然属于气象卫星系列,但从GOES-1开始的每颗卫星都搭载了空间环境监测器SEM子系统,2001723日发射的GOES-12开始携带用于监视太阳大气层的太阳X射线成像仪SXI

▲ GOES系列卫星定点位置

2  GOES卫星的使命

        GOES卫星所处的地球同步轨道位于赤道面上高度约为36000公里处,该轨道上的卫星与地球的相对位置不变,并且数据可连续、稳定、实时下行,是空间卫星的高密度区,同时也是监测太阳风暴与近地空间环境的理想平台。该区域的空间环境受太阳活动影响非常大,当强太阳风时,磁层被压缩,地球同步轨道区完全暴露在太阳宇宙线、高速太阳风之中。在磁暴或亚暴时,从磁尾注入的高温等离子体也使得该区域成为航天器异常的高发区。如此恶劣的空间环境也彰显了GOES卫星的“英雄”本色,在过去的三十多年中,GOES卫星已成为国际上开展同步轨道空间环境探测的典型代表,出色的完成了人类赋予它的使命。

        GOES探测的内容涉及到太阳活动、空间带电粒子和空间磁场三部分。GOES卫星监测数据是美国空间天气预报中心SWPC给出当前空间天气情况和发布空间环警报的重要依据,如利用GOES-13提供的质子通量数据,GOES-1315提供的电子通量和磁场的水平分量数据,绘制成图,进行实时发布。同样地球同步轨道的太阳质子事件警报的数据来源也是GOES卫星能量大于10MeV的五分钟平均高能质子通量。此外,国际上广泛采用的利用1~8埃软X射线辐射强度对X射线耀斑进行定级,参照的正是GOES卫星观测的软X射线峰值流量的量级。

   ▲ GOES-13/15卫星环境(3天)

▲ GOES-13卫星太阳质子通量

3  GOES卫星上监测空间环境的仪器

    在GOES卫星上搭载的仪器中,与监测太阳风暴有关的子系统有空间环境监测器SEM和太阳X射线成像仪SXI,下面的介绍以GOES-N系列(GOES-131415,属改进型第二代GOES卫星)仪器为主。

    空间环境监测器SEM主要用于测量X射线与极紫外波段的太阳辐射,同步轨道处的磁场和高能粒子环境,包括三个仪器组:X射线和极紫外射线探测仪XRS/EUV,它由一个数字处理器控制的2通道X射线探测器和5通道极紫外探测器组成,用于测量近地轨道处的射线环境;能量粒子探测器和高能质子、阿尔法粒子探测器EPS/HEPAD,主要测量起源太阳而被地磁场捕获的高能质子、电子和阿尔法粒子通量;磁力仪组MAGNETOMETERS,由两台磁力仪组成,分别测量卫星所处区域磁场的三个正交分量。太阳X射线成像仪SXI由洛克西德马丁公司太阳与天体物理实验室研制,旨在通过X射线监测太阳耀斑活动,及时地发布警报,降低太阳风暴给人类生活带来的影响。它由集成于控制台上一个CCD探测器和一个望远镜组成。

  ▲ X射线和极紫外射线监测范围

▲ GOES-14的结构图

4  新一代GOES-R卫星计划

    当地时间2016年11月19日,新一代的GOES系列卫星的第一颗卫星GOES-16,由“宇宙神-5号”火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔空军基地将其送入太空。GOES-16搭载的设备有空间环境监测仪、磁力计、极紫外/X射线辐射传感器、太阳紫外成像仪等。与其他GOES卫星相比,GOES-16在太阳X射线、太阳耀斑、日冕物质抛射方面的监测精度有很大提高。GOES-R系列的第二颗卫星GOES-S计划于2018年3月发射升空。

▲ 新一代GOES卫星计划

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