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9月30日发生中等高能电子暴事件

受重现性冕洞高速流的影响,北京时间2019年9月23日-9月30日,地磁持续发生小扰动,有27小时达到小地磁暴水平(Kp=5),54小时达到活跃水平(Kp=4)。9月30日地球同步轨道大于2MeV 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,高能电子日积分通量为1.1E+09个/cm2·sr·day。

预计中等高能电子暴事件还将持续2天左右,之后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www.sepc.ac.cn

图1 2020年9月23日-9月30日地磁活动及同步轨道>2Mev高能电子通量观测

 

发表在 头条新闻

太阳轨道飞行器开启意外任务

1.引言

太阳轨道飞行器Solar Orbiter)是ESANASA共同合作的卫星,2020210日发射升空,从那时起便开启了她的奔日之旅。她能带给我们的期望就是未来能首次对太阳的南北两极进行细致的成像观测。更撩动科学家心弦的是,太阳的南北两极发生的事,对太阳如何影响航天器的飞行乃至我们生存的环境,都有着重要的意义。但她的奔日旅程路途遥远,也没有一马平川,这次开启的任务即使意外,也是惊喜。

图1  Solar Orbiter facing the Sun(artist’s impression)(图片来源于ESA)

2.偶遇彗星

太阳轨道飞行器将在未来几天穿过阿特拉斯彗星的尾部。尽管太阳轨道飞行器在这个时候并没有采集科学数据的任务,但在这次独特的遭遇中,任务专家们已经在努力确保四个最相关的仪器被开启

太阳轨道飞行器自升空起,除了由于新冠病毒大流行而短暂关闭之外,科学家和工程师对飞行器和设备一直在进行调试。这一阶段的完成日期定在615日,以便航天器能够在6月中旬第一次近距离飞越太阳或近日点时充分发挥作用。然而,与彗星偶遇的发现让事情变得更加紧迫。

在太空任务中,偶然地飞过彗星的尾巴是一件罕见的事情,科学家们知道,在没有专门追踪彗星的任务中,这种事情只发生过六次。所有这些遭遇都是在事件发生后的飞行器数据中发现的。太阳轨道器即将到来的彗星遭遇是第一个被提前预测

伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室的Geraint Jones注意到了这一点研究彗星遭遇已有20年的历史。他在2000年发现了第一次偶然的尾交叉,当时他正在研究1996年尤利西斯ESA/NASA太阳研究飞船记录的数据中的一种奇怪的扰动。这项研究表明,这艘飞船穿过了被称为“1996年大彗星的百武彗星的彗尾。宣布这一消息后不久,尤利西斯穿过了另一颗彗星的尾巴,然后在2007年又穿过了第三颗。

上月初Geraint意识到太阳轨道器将在短短几周内到达C/2019 Y4彗星(ATLAS)下游4400万公里处,他立即通知了ESA团队。

3.意外科学收获

图2 Solar Orbiter Instruments(图片来源于ESA

太阳轨道器配备了一套10个原位和遥感仪器,以探测太阳和它释放到空间的带电粒子流太阳风。巧合的是,这四个原位仪器也非常适合探测彗星的尾巴,因为它们可以测量航天器周围的情况,因此它们可以返回有关彗星尘埃颗粒和释放的带电粒子的数据。这些排放产生了彗星的两个尾巴尘埃尾巴,是留在彗星的轨道和离子尾巴,直接指向远离太阳。

图3 Anatomy of a comet – Infographic(图片来源于ESA

太阳轨道飞行器于51日穿过彗星阿特拉斯的离子尾巴,66日穿过尘埃尾巴。如果离子尾巴的密度足够大,太阳轨道器磁强计(MAG)可能会探测到星际磁场的变化,因为它与彗星尾巴的离子相互作用,而太阳风分析器(SWA)可以直接捕获一些尾巴粒子。

当太阳轨道器穿过尘埃尾部时,根据它的密度很难预测,一个或多个微小的尘埃颗粒可能以每秒数十公里的速度撞击航天器。虽然这对航天器没有重大风险,但尘埃颗粒本身会在撞击时蒸发,形成微小的带电气体或等离子体云,这些气体或等离子体云可以被无线电和等离子体波(RPW)仪器探测到。

一个意想不到的遭遇,就为飞行器提供了一个独特的机会和挑战的使命,但这是好事!这样的机会都是科学冒险的一部分欧空局科学主任Günther Hasinger说。

其中一个挑战是,由于还在试运行阶段,这些仪器不太可能及时准备好。现在,在设备团队和ESA团队的努力下,所有4个探测设备将收集数据,仍要确保在6月15日最后期限前的某些时刻仪器切换回调试模式

有了这些警告,我们已经准备好接受阿特拉斯彗星告诉我们的一切欧空局太阳轨道项目科学家Daniel Müller说。

4.意外中的意外

 图4  Hubble captures breakup of Comet ATLAS in April 2020(图片来源于ESA

这将是又一次挑战彗星的行为。阿特拉斯彗星于20191228日被发现。在接下来的几个月里,它变得如此明亮,以至于天文学家曾经怀疑它是否会在5月肉眼可见。

不幸的是,四月初彗星碎裂了。随之它的亮度也显著下降,让天空的观察者失去了观测的机会。5月中旬的进一步碎片化使彗星进一步缩小,使它更不可能被太阳轨道器探测到。

虽然彗星被发现的机会减少了,但据Geraint说,努力仍然是值得的。每次与彗星相遇,我们都会对这些有趣的物体有更多的了解。如果太阳轨道飞行器探测到彗星阿特拉斯的存在,那么我们将了解更多关于彗星如何与太阳风相互作用的知识,我们还可以验证,我们对尘埃尾巴行为的预期是否与我们的模型一致。” 他解释说,所有遇到彗星的任务都提供了拼图的碎片。

Geraint欧空局未来彗星拦截任务的主要研究人员,该任务包含三艘航天器,计划在2028年发射。它将对一颗尚不为人知的彗星进行更近距离的近距离飞越,这颗彗星将从发射时(甚至发射后)新发现的彗星中选出。

5.环日之旅

 图5 Solar Orbiter: journey around the Sun(图片来源于ESA

 太阳轨道器目前正在金星和水星轨道之间环绕太阳,它的第一个近日点发生在615日,距离太阳约7700万公里。

在未来几年内,它将离太阳表面更近,在水星轨道内,距离太阳表面约4200万公里。与此同时,彗星阿特拉斯已经在那里,接近自己的近日点,预计在531日,距离太阳约3700万公里。“慧尾交叉是令人兴奋的,因为它将首次发生在离太阳如此近的距离,彗星核在水星轨道内”欧空局负责太阳轨道的副项目科学家Yannis Zouganelis说。

了解太阳系最内部区域的尘埃环境是太阳轨道飞行器的科学目标之一像彗星阿特拉斯这样的近日彗星是太阳内部的尘埃来源,因此这项研究不仅有助于我们了解彗星,还有助于我们了解恒星的尘埃环境。” Yannis补充说

对于太阳轨道飞行器来说,观测一个冰冷的物体而不是灼热的太阳无疑是一种令人兴奋和意想不到的方式来开始它的科学任务,但这就是科学的本质。

科学发现是建立在良好的计划和意外发现的基础上的。在发射后的三个月里,太阳轨道飞行器团队已经证明,它已经为这两个目标做好了准备。Daniel

翻译自:

https://scitechdaily.com/expect-the-unexpected-solar-orbiter-to-pass-through-the-tails-of-comet-atlas/

发表在 综合新闻

太阳的未来是什么?——由恒星亮度变化来预测未来

《科学》(science)杂志最新研究成果表明,相比其它类太阳恒星,太阳的亮度变化幅度较小、磁场活动较弱,那么太阳的未来会跟其他类太阳恒星一样更加活跃吗?在太阳“不太活跃”的时期,太阳爆发活动的威力已经令人恐惧,如果太阳更加活跃,对地球磁场、大气等环境、以及人类太空探索活动的影响也会更大,我们要如何应对呢?

1.太阳的亮度变化是什么原因?

太阳是日地空间环境扰动的源头。太阳的亮度随着太阳磁场的演化而发生变化。

太阳的结构如图1所示,从外向内分别是日冕层(corona)、色球层(Chromosphere)、光球层(Photosphere)、对流层(Convection zone)、辐射层(Radiative zone)和核心(Core)。太阳主要是由高温等离子体组成的,等离子体中的电子、离子在运动的过程中就会产生磁场,磁场也反过来影响这些带电粒子的运动方式。太阳磁场的发电机学说认为由太阳核心核聚变产生的巨大能量,通过等离子体在太阳内部的运动,产生了太阳的磁场。

图1 太阳结构示意图(引自Wikipedia Commons/kelvinsong)

太阳磁场主要在太阳大气层(包括日冕、色球和光球)。在太阳活动高年,可以看到如图2所示的20147月,太阳表面的磁场结构非常复杂,闭合磁力线和开放磁力线区域夹杂在一起,非常容易引发太阳爆发活动;在太阳活动低年,可以看到如图3所示的20111月,太阳表面的磁场结构比较简单,开放磁力线区域主要集中在太阳磁场的南北极。

图2 太阳活动高年表面磁场结构示意图(引自NASA)

图3 太阳活动低年表面磁场结构示意图(引自NASA)

太阳磁场具有11年长周期的变化特征,就可以通过对太阳日冕极紫外波段的图像观测看到太阳亮度的变化。如图4所示,自1996年至2006年的整个太阳活动周,太阳逐渐活跃(增亮)又恢复平静(变暗)。

图4 太阳活动周对应的太阳亮度变化(引自NASA)

除了11年长周期的太阳亮度变化之外,在太阳爆发活动期间,太阳也会突然增亮。太阳内部等离子体上升到太阳大气,可能使太阳磁场发生扭曲、重联等,从而导致太阳大气短期内发生激烈的变化,经常爆发各种太阳活动,比如太阳耀斑、日冕物质抛射、高能粒子事件等等。在太阳日冕极紫外图像观测中,也可以观测到对应的亮度变化,如图5所示的太阳耀斑爆发期间,可在太阳极紫外波段图像中观测到局部突然增亮。 

图5 太阳耀斑爆发引发的局部突然增亮(引自NASA)

2.类似太阳的其它恒星也有同样的亮度变化吗?

太阳是一颗恒星,会发光发热。太阳亮度的变化反映了太阳磁场的变化特点。

那么其它恒星也会有类似的亮度变化吗?答案是肯定的,恒星内部产生了磁场,当恒星的磁场活跃程度发生变化、以及出现爆发活动时,也会出现亮度变化。

那么,太阳和其它恒星,亮度变化是否也相似呢?

《科学》杂志(Science)最近刊登了一项最新的研究,就是基于开普勒太空望远镜(Kepler space telescope)的恒星亮度观测,将温度和自转周期类似太阳的其它恒星的亮度变化,与太阳做了对比。开普勒太空望远镜是从太空中直接观测恒星亮度,避免了地球大气对星光造成的影响(比如夜间抬头看星星出现“一闪一闪”的现象)。

科学家们分析了4369颗类太阳恒星的亮度观测,他们发现,相比这些恒星,太阳的亮度变化幅度较小,这说明太阳的磁场活动并不活跃。如图6中四年的恒星亮度变化曲线所示,第一行是太阳、第二至四行是用作对比的类似恒星,可以看到,太阳亮度的可变范围是0.07%,明显小于其他三个恒星(分别是0.18%0.35%0.84%)。

图6 太阳和其他类太阳的恒星的亮度变化曲线(引自1)

3.太阳的亮度变化预示了什么未来?

太阳的恒星亮度变化幅度低于其他类似太阳的恒星,说明了太阳磁场活动也低于这些恒星。这预示了太阳的未来是什么呢?

有一种观点认为,在未来,太阳的磁场活动可能会跟这些恒星一样,更加剧烈。这可不是个好消息。太阳上的爆发一旦其到达地球,可能引发一系列强烈的空间环境扰动,会严重影响通讯、导航、电子装备等技术系统的安全运行和效能发挥2000年的巴士底日事件、2003年的万圣节风暴就对数颗卫星产生了破坏性的影响,包括仪器毁坏、卫星失控;1989年的太阳风暴引发蒙特利尔魁北克省电网断电崩溃。在太阳“不太活跃”的时期,太阳爆发活动的威力已经令人恐惧,如果太阳更加活跃,对地球磁场、大气等环境、以及人类太空探索活动的影响也会更大,我们要如何应对呢?

但不必过于惊慌,实际上,科学家们认为在过去140年中,太阳并没有特别的活跃,而在过去9000年历史记载中,太阳也并没有出现过大幅度超越现今的活跃程度。另外,也有一种观点认为,恒星在演化的过程中有一个“中年危机”时期,会出现爆发活动减少、自转速度放缓的现象,此时太阳已经正处在这个时期中。

太阳的未来仍没有定论,我们期待太空探索活动能带来更多的观测和有趣的结果。

引用:

[1] Reinhold T., Shapiro A.~I., Solanki S.~K., Montet B.~T., Krivova N.~A., Cameron R.~H., Amazo-Gomez E.~M., 2020, Sci, 368, 518

[2] Santos R.G., Mathur S., 2020, Sci, 368, 466

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空间环境预报为长征5B火箭首飞和新飞船保驾护航

北京时间2020年5月5日18时,中国海南文昌航天发射场,长征五号B运载火箭成功首飞,新一代载人飞船试验船等载荷组合体顺利进入预定轨道。中科院空间环境预报中心为发射任务提供了圆满的空间环境保障服务,并开启全天候的空间环境保障模式,24小时不间断地为新飞船的安全运行保驾护航。

1 长征五号B运载火箭发射成功

长征五号B运载火箭是在长征五号运载火箭基础上改进研制的新型火箭,起飞质量约849吨,近地轨道运载能力达到25吨级,可满足约22吨的空间站舱段发射需求。新一代载人飞船,面向我国近地空间站运营、载人深空探测等任务需求,采用返回舱与服务舱两舱构型,未来在执行近地轨道任务时,可以一次运送6-7名航天员。

影响长征5B发射和新飞船运行的轨道空间环境主要是大气环境和高能辐射环境等。这些环境的变化主要受太阳活动和地磁活动的制约。目前正处于第24和第25太阳活动周的交替阶段,太阳爆发活动的强度和频次都比较低。但太阳上的冕洞(CH)经常连续几个太阳自转周(27天)引起地磁扰动,偶发的日冕物质抛射(CME)也会时不时引起地磁暴。面对这些空间环境事件,需要提前开展空间环境预报以保障其运行安全。

2  2020年以来冕洞和CME引起的地磁扰动

从神舟一号,到神舟十一号,从天宫一号,到天宫二号,中科院空间环境研究预报中心(简称预报中心)一直是我国载人航天任务空间环境保障的承担单位,无时无刻不在保障着飞船运行的空间环境安全。对于新飞船的空间环境保障任务,预报中心早在年就开始准备,对发射窗口的空间环境状况进行了长期预测分析空间环境对航天器的影响。从发射前三个月开始,预报中心持续地向工程有关部门提供空间环境预报报告,对发射窗口的空间环境状况进行精密的分析和预测。

3 新飞船发射时间处于太阳活动低年

在发射的前几天,预报中心组织会商,细致分析空间环境监测资料,对未来几天的空间环境状况进行了详细预测,密集提交空间环境预报产品,并及时向上级部门汇报预报结果。对于发射时的空间环境,给出了精确的短期预报结论:飞船发射窗口期间,太阳不会发生明显的爆发活动,地磁不会发生强扰动,预计发射窗口的空间环境是安全的。为新飞船的顺利发射升空提供了圆满的空间环境安全保障。

4 新飞船发射时太阳没有爆发活动

5 新飞船发射期间地磁平静

新飞船升空入轨后,预报中心24小时监测空间环境的变化,对太阳辐射、太阳质子事件、地磁暴、大气密度等空间环境要素进行监测、预报、警报和影响分析,及时报告空间环境态势,预报空间环境指数,评估空间环境变化对新飞船试验可能产生的影响。

6 空间环境预报员坚守工作岗位

长征五号B运载火箭和新一代载人飞船的发射成功,标志着我国载人航天工程“三步走”已完成了前两步载人飞船阶段和空间实验室阶段。第三步空间站建设阶段大幕拉开。将来的中国空间站将成为国家级太空实验室,承载着我国建设成为航天强国的新梦想。未来,预报中心还将继续为我国空间站的建造、运营、科学实验和航天员长期驻留提供全生命周期的空间环境预报保障服务。

我们的征途是星辰大海,让我们一起迈向中国载人航天新时代!

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太阳活动区影响冕洞高速流?

冕洞在日面上通常能持续数十天至数月,并随着太阳的自转重现在正日面上,如图12016324日至421日、美国NASA的太阳动力学观测台(SDO)卫星对极紫外193Å波段的日冕观测动画所示,其中CHAR分别代表冕洞和活动区。

随太阳自转的冕洞动画(来自helioviewer.org

通常我们认为行星际空间中的太阳风来自于太阳日冕的开放磁力线区域,其中,冕洞代表的开放磁力线区域能持续不断的喷发出大量等离子体团——冕洞高速流,是灾害性空间天气的主要驱动源。冕洞高速流传播到地球时,其携带的高速太阳风等离子体团和很强的行星际磁场,与地球磁层相互作用而引起地磁暴等事件,同时可引发电离层暴和中高层大气密度的快速上升。冕洞高速流所引起的地磁暴在太阳活动下降年和太阳活动低年的地磁活动中占主导地位。

冕洞随着太阳自转这一特征,可以用于预报重现性的冕洞高速流、及其引发的地磁扰动。但是,冕洞并不是一成不变的,同一个冕洞在演化过程中,可能发生很大的改变,从而在日冕观测中呈现出不同的形态,亮度等,也因此,当同一个冕洞在日冕观测图像中的形态发生变化时,我们就认为这个冕洞发出的高速流扫过地球时的磁场和等离子体特性会发生变化。以两种情况下的经验预报为例:当冕洞的面积变大、变黑时,我们认为太阳风的速度会更高;当冕洞的经度跨度变大时,我们认为在地球处观测到的冕洞高速流的持续时间会更长。

那么,当一个冕洞在经历一个太阳自转周后,位于日面正中时的形态和亮度变化都不大时,可以认定地球对这两次冕洞高速流的观测相似吗?答案是不一定。

下面我们将简略介绍Macneil[1]2019年发表在ApJ的一篇文章中的有趣发现。

如图2所示,SDO卫星极紫外193Å波段对日冕的观测图像中,冕洞于2016324日出现在日面正中,在经历了一个太阳自转周(约27天)后,于420日再次重现在日面正中;其中绿色的点代表扫过地球处的冕洞高速流的源,是通过一系列的模型进行追溯和反推得到的。Macneil等发现了这个冕洞在随太阳经过一个自转周后,在日冕观测图像中并没有呈现出明显的变化,唯一的不同是——冕洞的左侧出现了一个新的活动区,即在图2下图中用蓝色框标识的活动区AR12532

时隔一个太阳自转周对同一冕洞的观测(引用自[1]

3是时隔一个太阳自转周对地球附近的这两次太阳风观测以及来源分类,其中,CHCHBAR代表该时间段观测到的太阳风等离子体分别来自冕洞、冕洞边界和活动区,QS代表与前面三者相区分的平静太阳区域。如图3上图所示,第一次冕洞高速流的观测非常典型,扫过地球时持续了大约3天,但当Macneil等对比两次冕洞高速流的观测时,惊讶地发现冕洞高速流的持续时间发生了非常大的变化,第二次冕洞高速流的持续时间仅为1.2天。

时隔一个太阳自转周对地球附近的两次太阳风观测以及来源分类(引用自[1]

为什么会出现这种变化呢?他们的猜测是——新生活动区影响了冕洞高速流。

通过对等离子体元素丰度等物理量的测量,Macneil等发现第二次冕洞高速流期间、等离子体的来源发生了很大的改变——有一部分等离子体明显来源于活动区,而不是冕洞。

此时活动区并没有发生爆发活动,为什么会有活动区的等离子体进入行星际空间到达地球呢?活动区不是闭合磁力线区域吗?他们的猜测是——活动区的闭合磁力线和冕洞的开放磁力线发生了磁重联,从而让活动区的等离子体进入了背景太阳风,在行星际空间中传播。这一猜测也符合活动区跟周围开放磁力线结构磁重联的理论模型。

太阳大气本身是非常复杂的,不同空间尺度的磁场结构如何重联至今仍没有定论,太阳风等离子体在行星际空间传播时,也伴随着复杂的相互作用。预报空间环境不但需要空间物理知识的积累,也需要对观测数据的深入挖掘和研究,对国内外科学家成果的不断追踪,才能更好的理解、解释、预报复杂的空间环境。

[1] Macneil, A.~R., Owen, C.~J., Baker, D., et al. 2019, The Astrophysical Journal, 887, 146, doi: 10.3847/1538-4357/ab5586.

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