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9月15日发生中等高能电子暴

        受冕洞高速流的影响,2018年9月10-11日,地磁发生扰动, 有6小时达到中等地磁暴水平,12小时达到小地磁暴水平。9月12-14地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量超过小高能电子暴事件阈值(1.0E+08 个/cm2·sr·day),15日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,高能电子日积分通量为1.2E+09个/cm2·sr·day。

        预计16日高能电子日积分通量将下降至小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于较高水平,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。具体的预报情况请关注我们的网站。

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当心太阳活动低年的银河宇宙线

    银河宇宙线是来自宇宙深处的高能粒子,它们中的大多数以接近光的速度在星际间穿梭。银河宇宙线的能量极高,对在轨的航天器和航天员都构成巨大的威胁。太阳活动低年,太阳平静了,银河宇宙线的危害却增加不少,需要特别关注。

神秘的银河宇宙线

    银河宇宙线的最初迹象是在人们研究空气漏电问题时被注意到。1785 年,法国物理学家库仑发现,即使在绝缘良好的情况下,验电器(图1)仍然可以自发放电。当时,人们已经知道空气是良好的绝缘体,是不导电的。那么,带电体上的电荷为什么会丢失呢?无法解释。因此,空气漏电问题在此后一个多世纪里始终是物理学界中的一个谜。

1  早期的验电器

        1879年,英国物理学家克鲁克斯观察到当验电器内部的气压降低时,放电速度下降,放电很可能是由于空气的电离。但是,大气电离的原因是什么人们不得而知。

    直到1896 年后,法国物理学家贝克勒尔等人发现含铀矿等物质能放出穿透能力很强的射线,而当放射性矿物存在时,验电器会被迅速放电。因此,人们推测验电器的残余漏电是由于空气或尘土中含有放射性物质造成的。1903 年,卢瑟福分别用铅、铁和水作屏蔽物,试图隔断离子源与验电器的联系,结果发现,如果屏蔽层很薄,对漏电性没有什么影响,加厚屏蔽层,漏电率减小,但只能减小30%左右。通过实验分析,卢瑟福认为空气的漏电性是由于某种辐射造成的,并且这种辐射放出的带电粒子有很强的贯穿能力。

    那么,这种辐射是地球上天然放射性物质产生的吗?于是,人们把实验放在高空去做,以避免地面放射物质的影响。1910 年伍尔夫制作了一台灵敏度很高的静电计,在距离地面300 多米的埃菲尔铁塔上做实验,发现空气的漏电率确实减小了,但仍然无法排除空气被电离。此时,有的学者猜想,这种辐射不是来自地球本身,可能是来自地球之外。

    奥地利物理学家赫斯是一位气球飞行的业余爱好者。他将密闭的电离室吊在气球下,自己乘坐气球到高空进行测量。1912,他乘坐的气球升空达5350米。他发现离开地面700米时,电离度有些下降,800米以上似乎略有增加,而后随着气球的上升,电离持续增加。在1400~2500米之间显然超过海平面的值。在海拔5000米的高空,辐射强度竟为地面的9倍。由于白天和夜间测量结果相同,因此赫斯断定这种射线不是来源于太阳的照射,而是更远的宇宙空间。赫斯的发现引起了人们的极大兴趣,从那时开始,科学界对宇宙射线的各种效应和起源问题进行了广泛的研究。最初,这种辐射被称为“赫斯辐射”,后来被正式命名为“宇宙射线”。

2  1912年赫斯气球实验发现宇宙线

    银河宇宙线发现至今已经超过100年了,人们对其的探索却还在继续,银河宇宙线的能量如此之高,其究竟产生自哪里仍然是未解之谜。我国的暗物质探测卫星“悟空”能够探测5GeV-10TeV的电子、光子和宇宙射线,是目前观测能段范围最宽,能量分辨率最优的空间探测器,除了探测暗物质粒子,银河宇宙线的起源也是“悟空”的探测目标之一。

3  我国的科学探测卫星“悟空”

银河宇宙线的危害

    银河宇宙线主要由质子以及少量的氦、碳、氮、氧、铁等各种元素的单个原子核构成,能量极高,最强的宇宙线能量大概为150焦耳,相当于一个快速运动的棒球的动能。高能量的银河宇宙线粒子具有极强的穿透力,对太空中的卫星和航天员是一个巨大的威胁。

    银河宇宙线对在轨卫星的影响主要是产生单粒子效应。现代的卫星都携带大量的微电子器件,当微电子器件的灵敏结被高能粒子击中时,粒子路径上会沉积大量能量,产生足够数量的高密度电子—空穴对,这些电荷被器件收集后,造成器件状态的非正常改变,这被称为单粒子效应。单粒子效应是导致卫星异常故障的重要原因之一,而银河宇宙线是导致卫星单粒子事件发生的主要原因,尤其是中、高轨道卫星和深空探测卫星。

 4  单粒子效应示意图

    银河宇宙线对航天员的影响是产生累积的辐射剂量,虽然不会产生急性的致命危害,却会引起航天员器官癌变的风险增加。根据NASA研究结果,在典型铝材料屏蔽下500天的火星探测飞行中,仅银河宇宙线对航天员造血器官产生的剂量当量就达到47 毫西弗,接近美国辐射防护委员会(NCRP)规定的剂量限制50毫西弗。

    大气层和地磁场就象是为地球撑起的两把保护伞,它们将绝大部分银河宇宙线粒子阻挡在外。因此,地面上生活的人们完全不用担心银河宇宙线的辐射危害。

 5  地球大气阻挡银河宇宙线

抵御银河宇宙线的太阳之盾-太阳风

    太阳持续不断的向四面八方“吹”出超声速带电粒子流,被称为太阳风,太阳风可以到达120个天文单位(1个天文单位是地球至太阳的平均距离,约为1.5亿公里)距离远的地方,这里被称为日球层顶。日球层内的太阳风携带了磁场,能够偏转银河宇宙线的带电粒子,因而能够起到屏蔽银河宇宙线的作用。

    银河宇宙线进入日球层后,其强度受到太阳活动的影响而发生变化,这被称为太阳对银河宇宙线的调制,地球上观测到的银河宇宙线强度变化是太阳调制引起的,宇宙线强度与太阳黑子数是反相关关系。在太阳活动高年,太阳频繁的爆发活动产生更强劲的太阳风,对太阳系内部提供了一定保护作用,从而降低了银河宇宙线的通量。其中低能粒子通量减弱比较明显,而高能粒子的衰减则不明显,幸运的是,随着能量的增大,银河宇宙线粒子通量呈指数式衰减。在太阳活动低年,太阳风携带的磁场强度降低,银河宇宙线通量增强。

 6  日球层示意图

当心太阳极端平静导致的银河宇宙线增强

    如果太阳活动出现极端平静的状况,银河宇宙线则会出现异常增强现象。在上一个太阳活动周即将结束的2009年,出现了历史上罕见的太阳活动极端平静期,2009年底到2010年初地面宇宙线台站监测的宇宙线通量比历史最高通量(发生在19872月)还要高出5%左右达到了近50年的最大值;美国 ACE卫星监测的部分重粒子在2009年的通量比1998年平均高出30%以上。根据估算,这段时期内银河宇宙线引起的单粒子翻转率比通常卫星设计估算的最高值还要高30%以上。目前,正处于第24/25太阳活动周极小期,银河宇宙线已经处于较高的水平(高于第22周最高水平),在轨卫星的单粒子事件水平和航天受到的辐射剂量都处于较高水平,需要特别关注太阳活动的发展趋势,评估当前较强的银河宇宙线可能产生的影响。

7  银河宇宙线强度与太阳黑子数呈反相关关系

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9月1日发生中等高能电子暴

一、事件情况描述

受日冕物质抛射和冕洞高速流的共同影响,2018年8月26-27日,地磁发生强烈扰动, 有6小时达到大地磁暴水平。8月28-30日,地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量达到红色警报等级,8月31日-9月1日连续两天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,高能电子日积分通量分别为1.9E+09个/cm2·sr·day、1.0E+09个/cm2·sr·day。

二、发展态势及影响

    预计高能电子日积分通量将下降至小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于较高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

图1 2018年8月30日至9月1日同步轨道大于2MeV 高能电子通量

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8月31日发生中等高能电子暴

        受日冕物质抛射和冕洞高速流的共同影响,2018年8月26-27日,地磁发生强烈扰动, 有6小时达到大地磁暴水平。28-30日,地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量达到红色警报等级,31日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,高能电子日积分通量为1.9E+09个/cm2·sr·day。

        预计高能电子日积分通量将维持在中等高能电子暴水平1天,然后下降至小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于较高水平,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。具体的预报情况请关注我们的网站。

图1 2018年8月29-31日发生高能电子暴

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8月28-30日连续三天发生强高能电子暴

        受日冕物质抛射和冕洞高速流的共同影响,2018年8月26-27日,地磁发生强烈扰动, 有6小时达到大地磁暴水平。28-30日,地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量连续三天超过强高能电子暴事件阈值(3.0E+09 个/cm2•sr•day),达到红色警报等级,高能电子日积分通量分别为3.5E+09个/cm2•sr•day、3.1E+09个/cm2•sr•day、3.2E+09个/cm2•sr•day。

        预计高能电子日积分通量将维持在中等高能电子暴水平1-2天左右,然后下降至小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于较高水平,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。具体的预报情况请关注我们的网站。


图1 2018年8月28-30日发生地磁扰动和高能电子暴

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