北京时间2017年9月6日19:53，太阳爆发X9.3级特大耀斑！这恰逢中国的传统节日——中元节的第二天，中科院空间环境预报中心便将这次大事件命名为“中元节事件”！

X9.3级大耀斑

    这可是第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遥远的2005年，当时还处于第23太阳活动周的末期！这次太阳大爆发是由黑子群AR2673产生的。它自8月29日转入日面时，并不起眼，面积一直比较小，也比较稳定，没有引起太大的关注。

AR2673的逆袭

    然而，9月3日之后，所谓“敢叫日月换新天”。它迅速增大，从130个太阳面积单位很快滴涨到了最新的960个太阳面积单位，大致相当于几十个地球那么大，逐渐开始发力，连续爆发了一连串的M级大耀斑。看！多么炫彩的烟花！多么热闹的太阳！莫非是要给中国人冷清的“鬼节”烘托点热闹的气氛不成？

太阳烟花大汇演

大耀斑的实时监测

      那么，耀斑是什么？通俗地讲，耀斑是太阳大气局部区域突然变亮的活动现象，是太阳爆发最直接的表征，是太阳风暴的直接原因！ 与太阳耀斑伴随的，是剧烈增强的电磁辐射、大量的高能带电粒子流、海量的等离子体云，这些都会给地球空间环境造成严重的威胁，就是我们常说的太阳风暴三轮大攻击，将带来一系列的空间天气灾害。

截至目前，AR2637的爆发威力已经逐步显现了！

第一轮攻击，M级耀斑引起电离层突然骚扰！

随耀斑而来的电离层突然骚扰

      电离层突然骚扰会引起向阳面电离层的电离增加，影响短波通讯。北京时间9月5日白天发生的几次M级耀斑，导致12:45开始我国绝大部分地区电离层发生短波吸收现象，部分地区发生全吸收，事件持续至13:30。

第二轮攻击，耀斑喷发的高能粒子引起太阳质子事件！

两年多都未曾出现的中等太阳质子事件

         太阳质子事件是指地球同步轨道处，能量大于10MeV的质子流强度连续15min达到或超过10pfu的事件。比较大的太阳质子事件会导致地球所有轨道的单粒子效应的明显增加。北京时间9月5日的M5级耀斑，已经引起了两年多都未曾出现的中等太阳质子事件，而9月6日爆发的X9级特大耀斑，导致太阳质子通量的再次走高。

第三轮攻击，耀斑爆发伴随的日冕物质抛射引起地磁暴！

X9级耀斑伴随的强烈日冕物质抛射

即将开始的第一波地磁暴

地磁暴就是全球性地球磁场剧烈扰动的现象！发生强地磁暴时，会导致地球低轨道大气密度的急剧增大，对卫星的拖曳效应迅速上升，引起卫星轨道的快速衰减；会导致磁尾热等离子体注入，地方时子夜到凌晨的中高轨卫星的表面充放电效应概率增高；地磁暴及其后数天，可能引发高能电子暴，高轨卫星的深层充电效应概率增大；可能发生电离层暴，引起全球导航定位精度下降。

北京时间9月5日和6日的大耀斑伴随的日冕物质抛射都会到达地球，将在9月7-9日引起中等以上地磁暴。之后，将会陆续有高能电子暴、电离层暴等等。。。。。

未来几天，黑子群AR2673仍有可能产生大的爆发。就让我们接着欣赏这第24活动周末期少有的大戏吧！

9月5日发生中等太阳质子事件

北京时间2017年9月5日04:28，活动区AR2673（S08W16）爆发了一个M5.5级耀斑并伴随全晕日冕物质抛射，随后，地球同步轨道大于10MeV的高能质子通量快速上升，13:50超过质子事件阈值（10pfu），发生太阳质子事件，15:15达到橙色警报级别（大于10MeV质子通量超过100pfu），当前质子通量为80pfu。

预计该太阳质子事件将持续1-2天。受9月5日爆发的日冕物质抛射的影响，预计6-7日地磁可能达到磁暴水平。鉴于近几日高能质子通量持续处于高水平，请卫星用户关注单粒子事件可能引起的异常。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 活动区AR2673及SDO卫星观测到的CME

图2 太阳X射线流量和GOES卫星质子通量

    随着社会信息化水平的提高，太阳活动与人类的生产和生活关系日益密切。因此，越来越多的人开始关注和研究太阳活动对地球空间环境的影响。但是，空间天气学和太空物理学晦涩难懂阻挡了一部分空间科学爱好者进一步探索太空的步伐；对于空间科学爱好者而言，空间科学数据分析的获取和分析往往又面临数据搜索“慢”、查看数据“烦”、绘制曲线图“丑”和分析数据“难”等一系列困境。为了帮助更多空间科学爱好者进入空间科学的大门，揭开神秘太空的面纱，了解空间环境预报的流程，在中国人民解放军航天工程大学的课题资助下，空间环境预报中心与航天工程大学一起研发了空间环境模拟器软件。

    空间环境模拟器软件主要由三大部分组成：科普、环境模拟和预报流程模拟。

1、 科普

    对于刚刚开始了解空间环境科学的学生和空间科学爱好者（以下统称为学员）而言，生冷的书本，晦涩难懂的知识点，让他们探索神秘太空的兴趣大减。科普部分以图片和科普视频的形式帮助学员快速步入空间科学的大门。该部分列举了卡林顿事件和万圣节事件等经典事件，讲解了太阳活动周、CME和耀斑等与太阳相关的知识，以及磁层与辐射带等近地空间环境。图1是讲解CME与耀斑区别的科普视频。 

图1  科普-CME与耀斑的区别

2、 环境模拟

环境模拟部分提供了历史环境模拟和空间环境可视化功能。该部分让学员了解太阳风暴爆发时，日地链条上空间环境各要素的响应，以及利用可视化技术把空间环境中看不见摸不着的粒子和场景形象的表达出来，便于学员理解空间环境要素。不同级别的太阳风暴引起的反应各不相同，学员可以通过参数设计界面（如图2所示）随意定制风暴级别等参数。该部分主要包括空间环境监测数据现报、预报、警报以及太阳成像展示、磁层环境、电子辐射环境、质子辐射环境、大气环境和电离层环境。图3展示了部分环境模拟功能。

图2 环境模拟参数设置

图3 环境模拟

A 空间辐射环境（电子辐射带、质子辐射带和磁场环境）  B 空间环境监测数据现报图3 环境模拟 C 卫星轨道平面质子辐射环境  D大气环境下单卫星场景

    环境模拟可以再现历史事件，以用户友好的方式展示监测数据和环境状况，帮助学员深刻理解空间环境。

3、 预报流程模拟

    中国科学院空间环境研究预报中心每天会定时发布昨日空间环境综述和未来三天的空间环境预报。预报流程部分是为了帮助学员深入的了解空间环境预报的制作发布流程而设计的。主要包括事件警报的发布（如图4所示），日报、周报和月报的制作流程。学员通过分析过去空间环境监测数据，做出空间环境综述和未来三天空间环境预报（如图5所示）。为了方便学员的学习，该部分包括教学模式和实习操作两种模式，方便学员学习和了解空间环境预报的制作发布流程。 

图4 空间环境事件警报发布

图5 日报制作流程演示

    此外，为了帮助研究学者和空间科学爱好者更好的分析空间科学数据，我们还开发了“即插即用式”空间环境分析绘图软件（Plug-and-Play SWx Analysis and Plotting Program，简称PPSWAP）。此软件具有方便的人机交互功能，空间环境预报员、研究学者以及空间环境爱好者们可以在我们的官方网站上免费下载试用此软件。下载地址为：http://www.sepc.ac.cn/sfdownload.php。

受重现性冕洞高速流影响，2017年8月17-20日地磁发生扰动。8月19-20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；21日，地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量持续上升，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2.1E+09个/cm²·sr·day，目前仍处于高水平。预计中等高能电子暴事件还将持续2-3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。具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn。

    我们通常将距离地表90km以上的高空大气称为高层大气，在这个高度以上，大气密度随着高度的增加急剧下降，到200km高度时，大气密度已经约为地面的五亿分之一！尽管那里的大气密度已经如此稀薄，但卫星高速地绕地球运行（约7.9km/s），所受到的大气阻力仍然不可小视。就像当我们在公路上骑行，经常因来自空气的阻力感到吃力一样，卫星也会因为大气阻力的影响而慢慢感到“劳累”从而发生轨道衰减。现有的科学技术已经可以非常准确地模拟出除大气阻力之外卫星所受的各种扰动力，包括地球非球形扰动、日月扰动和辐射光压扰动等，因此大气阻力产生的扰动已经成为卫星定轨和预报的最大误差来源。为了计算出卫星受到的大气阻力，需要尽可能准确地知道那里的大气密度到底是多少，那么如何测量出这里的大气密度呢？下面本文列举出目前几种常见的测量方法。

图1 卫星在大气阻力的作用下逐渐衰减

大气密度探测器

    测量高层大气密度的传统方法是采用大气密度探测器进行探测，我国神舟系列飞船和天宫系列飞行器都搭载有该仪器，其主要的工作原理是通过直接探测传感器内的气体压力和温度，并结合由气体分子动力学理论所建立的基本关系式来获得自由大气密度。

    大气密度探测器由传感器、电子线路和结构件组成。传感器由取样室、离子源、B-A规和温度传感器四部分组成。外界环境中的气体分子进入取样室后，经过碰撞其温度被调节成接近器壁的温度，此时原子态的气体充分混合成中性。内置的PN结温度计可直接测量取样室的温度，B-A规电离计可测得传感器内气压。调节后的中性分子到达传感器的感测区，经过电离形成正离子，收集后从正离子流的强度获得传感器内气体的压强。

星载加速仪

    星载加速仪是一种精度非常高的测量方法，重力卫星CHAMP、GRACE、GOCE和以研究地球磁场为目的的欧空局SWARM卫星均搭载有这种载荷。以CHAMP卫星为例，其携带的是一种三轴静电悬浮星载加速仪，由法国国家空间研究中心（CNES）和法国国家航空空间研究局（ONERA）共同设计制造，下面给出具体的探测原理。

图2  CHAMP卫星示意图（加速仪放置于卫星质心处）

图3  GRACE-A/B双星示意图

    将试验物体自由地放置于容器中，该容器的器壁装有电极，可以通过静电悬浮作用控制试验物体的运动，通过在传感器单元内部提供一个闭合的环路控制，可准确地使试验物体静止在容器中央。我们将卫星不受外力时的状态称为初始状态，在该状态下，试验物体的质心与卫星质心重合。若卫星只受到地球引力而没有受到任何其他非保守力的影响，则初始状态不变，当卫星受到其他非保守力扰动时（大气阻力、日月、潮汐、光压扰动），试验物体质心就会由于惯性偏离卫星本体质心，并与各内壁的距离产生变化，传感器感应到这种变化后，会立即调整电压，将物体重新“推”回中心位置，这种增加的“电推力”等效于外部受到的非保守力。电压的变化经过换算，就能获得非保守力加速度的大小。这个非保守力又与大气密度直接相关，因此可以计算出对应的大气密度。

 图4 CHAMP卫星搭载的加速仪

图5 星载加速仪原理图

    星载加速仪数据具有精度高、分辨率高的特点。通过表1可以看出CHAMP加速仪精度达10^-9m/s²，GRACE卫星精度更是达到10^-10m/s²，换算成大气密度，精度可达10^-15~10^-14kg/m³。而在CHAMP和GRACE的高度，大气密度量级约为10^-13~10^-11 kg/m³。因此通过加速仪数据可以较为准确地测量出卫星轨道处的大气密度。

表1 加速仪基本信息

    从表1中我们能够发现目前的高精度加速仪大部分都是法国生产的，遗憾的是，我国目前尚不具备生产如此高精度加速仪的能力。我国航天工程中的加速度计多用于载体的微重力测量系统和高精度惯导系统中，也可用于高精度的静态角度测量系统中，将加速度用于大气反演方面尚无工程先例。如图5是国内工业级的用于惯导方面的加速度计，其分辨率量级约为10^-6m/s²。

图6 星载加速仪原理图

    与加速仪原理类似的一种仪器是“阻力平衡仪”，它由弹簧系统取代静电系统，通过弹簧位移得到阻力，进而得到大气密度。该方法最初由意大利罗马大学率先提出，主要搭载于微小卫星平台。该方法曾为MSIS90模式的建立提供了阻力平衡器数据。

轨道数据反演

    利用卫星轨道数据反演大气密度也是测量大气密度的一项重要来源，许多已知的半经验大气模型都是以这种方法计算得到的大气密度作为数据基础而建立的，如Jacchia和CIRA系列模型。其基本原理（图7）是：卫星在大气阻力的作用下会偏离预定轨道，利用轨道参数的变化与大气密度的关系即可反演出大气密度。

图7 利用轨道衰减反演大气密度示意图

    近十几年出现了利用卫星两行轨道根数（TLE）反演大气密度的方法。顾名思义，TLE数据是由两行轨道根数组成的，包含了卫星的编号、时间和六个轨道参数（轨道倾角、偏心率、每日绕行圈数、升交点赤经、近地点角距、平近点角）等信息。TLE数据从上世纪50年代起就开始记录，截止2017年6月底，在编目标已达42000多个，共累计数据1亿多组，因此TLE数据具有良好的空间覆盖率和时空连续性，这为大气密度的反演和研究大气密度的长期变化趋势提供了宝贵的数据来源。

TLE中的每日绕行圈数可以提供轨道衰减信息。卫星在大气阻力的作用下轨道逐渐衰减，导致每日绕行圈数逐渐增加，利用这一参数，并结合其他各项轨道参数与大气密度的关系即可计算出卫星轨道处的大气密度。

 图8 2016年天宫一号每日绕行圈数

    由于每颗卫星每天只记录有限的几组TLE数据，因此TLE的时间分辨率并不理想，针对这一问题，近几年又出现了利用卫星高精度GPS数据反演大气密度的方法，该方法原理与TLE类似，但由于GPS数据记录频率高，因此具有非常高的时间分辨率。该方法的缺点是对GPS数据的质量要求非常高，需要GPS精度达到厘米量级，而目前达到这一要求的卫星数据非常少，因此所能反演的大气密度十分有限。

    以上是目前测量大气密度的几种常见方法，所得大气密度即可用来建立新的密度模型，又可对已有的模型进行修正。在实际应用过程中，卫星定轨和预报大部分是用大气模型来模拟大气密度的影响，而现有的模型普遍存在15%以上的误差，因此如何测量出更加准确的大气密度仍然任重而道远。