受冕洞高速流的影响，北京时间2016年5月8日08:00起，地球磁场发生强烈扰动，截止5月9日08:00，地磁共有12小时达到小磁暴水平，9小时达到中等磁暴水平，3小时达到大磁暴水平(Kp=7)，达到橙色警报等级。受此次冕洞高速流的影响，太阳风速度最高达到720km/s左右，行星际磁场南向分量最低达到-12nT。
此次位于日面中心的冕洞面积较大，预计地磁扰动还会持续1-2天。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。
2016年5月8日大地磁暴事件
第24活动周，近90年以来最低活动周，峰值81.9，这些定语似乎已定格在太阳黑子历史上了，将永不变化。然而，突然有一天，有人告诉你，第24周峰变为116.4了，你信吗？只有疑问“这国际的－公开的－已发布的数据咋说变就变呢？”。还不止这个，以前所有太阳黑子数值都变了，这可是超过4个世纪的历史观测啊！懵了，彻底懵了，以前研究的规律还算数吗？公式还能用吗？活动周还是原来那个活动周吗？……，无数个疑问等待新太阳黑子数来解释。
1.太阳黑子观测的鼻祖
现在公认的世界上第一次明确的黑子记录是在公元前28年由我国汉朝人所观测到的。《汉书·五行志》里这样记载：“成帝河平元年三月乙未，日出黄，有黑气，大如钱，居日中央”。
在西方，太阳黑子长期被忽视。亚里士多德认为太阳是完美无缺的，太阳上不会有黑点，这个观点一直持续到十七世纪。直到望远镜的出现，他使人类对太阳的认识从图腾崇拜逐渐走向科学。公元1610年，意大利天文学家伽利略首次用望远镜看到了太阳黑子，发现黑子是太阳表面非常普遍的现象。
图1 伽利略与他观测到的太阳黑子
不过，这一观测结果与当时的宗教教义相抵触。从1818年开始才有比较常规的太阳黑子观测，从而有比较可靠的黑子资料。1610-1818年间的黑子记录资料是不连贯和不均匀的，存在各种系统误差，尤其是1750年以前的观测记录存在很大的不确定性。
2.太阳黑子数为何如此受重视？
现在，稍微对太阳黑子有点了解的人都可以随口说出“他有11的周期变化”。在100多年前，这是需要很多年持之以恒的观测和分析才能发现的现象，他便是德国天文爱好者施瓦布。从此，人们开始对太阳从浅到逐步深入的研究和探索，也揭示了太阳上“一举一动”与我们地球空间有着剪不断，理还乱的联系。而作为表征同太阳活跃程度的太阳黑子，自然成了太阳活动研究者眼里的香饽饽，挖掘他的规律，寻找他的变化，预测他的未来，目的只有一个，保障人类的各种技术活动。
图2 太阳黑子数年变化
3.新、旧黑子数，差别有多大？
新的太阳黑子数来的突然吗？2015年7月1日，当世界数据中心公布这一工作，不了解的人觉得太突然了。旧的黑子数用了100多年，每年几乎有100篇以此研究的文章发表，为什么要修改呢？
首先，国际太阳黑子数从发布之后，从来没有回溯评估过；其次，1998年有了与其相似的太阳黑子群数据后，发现两者有很大的差异，暗示着要么其中一类、要么两类数据都存在很大的不均匀性。
于是，全面的修订工作启动了。从2011年开始，由40个专家组成的团队就开始确认和解决数据的缺陷，这项巨大的工程也得到了很多天文台的支持和帮助。历经了4年多，1000多个日日夜夜，最终为世界提供一个更加科学、更加合理太阳黑子数。对这些辛勤付出的科学家们，我们只有满满的敬意和感谢。
主要修改了哪些地方呢？首先，1947年之后的黑子数平均减小了18％；其次，新黑子数计算中不再使用传统的苏黎世因子。
那么新、旧黑子数到底有多大差别呢？别说话，看图！
图3 各活动周新、旧极小值比较
图4 各活动周新、旧极大值比较
图5 新、旧太阳黑子数比值
4.第24周，还是原来的你么？
相比旧的太阳黑子数，新的太阳黑子数值变大了不少，特别是峰值。纵观其他活动周，峰值出现的时间几乎没变或微调。但对于第23周，可差太多了。第23周是一个双峰结构，旧的黑子数显示第一个峰值出现在2000年4月，120.8，第二个峰值出现在2001年11月，115.5，而新的黑子数却使他们调换了大小个，第一个峰值175.2，第二个峰值180.3。那么，以后，我们讲第23周的峰值时间就不是2000年4月，而是2001年11月了。
图6 第23周新、旧黑子比较
那么，第24周，你的变化有多大？乍一看，峰值由原来的81.9升为116.4，那么，他是否还能保住第16周之后的最低值的“雅称”呢？别担心，保住了，不但保住了，排位更低了，原来比他低的第16周一跃跑到他前面去了，他已成了第15周以来的最低值。
5.结语
“太阳”还是那个太阳，“黑子”也还是那个黑子，但“数”已不是那个数了。科学家4年多的汗水，展示出了一个更加科学、客观、合理的太阳黑子数，原太阳黑子数完美谢幕。然而，这只是开始，接下来，太阳活动的研究者将重新利用这些新数据开始他们的研究征程!
太阳风暴会对我们的生产生活和航天器安全造成威胁。为了减小太阳坏脾气爆发时造成的危害，我们总要想办法利用太阳望远镜等设备看清它的“脸色”。可是，有了大口径的望远镜，就一定能看清太阳的脸吗？望远镜拍摄太阳是不是像拍照片那么简单呢？需要具备哪些条件，完成哪些工作呢？
1.要有一个好站址
为了能够更好的看着太阳的“脸色”，人们建立了很多大型的天文台，放置了地基太阳望远镜设备。如果想利用太阳望远镜观测到太阳的清晰结构，首先要有一个好的站址。所谓“好的站址”，可不只是不能有雾霾那么简单，而是要综合考虑日照时数、平均风速、年均积分水汽和视宁度等因素。在众多的选址因素里面，最重要的因素就是视宁度。
图1 美国大熊湖天文台 图2 美国国家太阳天文台
图3 云南抚仙湖观测站
大气视宁度是对受地球大气扰动影响的天体图像品质的一种量度，主要用以描述点源图像的角大小和面源图像的清晰度。如果想通俗的解释大气视宁度的概念，我们可以举个例子。夏天的午后，如果走在被太阳晒的滚烫的柏油马路上，当我们看远方靠近路面的物体的时候，总会感觉物体是飘忽不定的，扭曲变形的。这就是因为被地面加热后的大气运动剧烈，对远处物体的成像形成了明显的影响。还有一个更容易理解大气扰动对成像影响的例子。将一根点燃的火柴放在视线前方，观察火焰上方的区域，我们会发现景物是在不停抖动的。这是由于火焰加热了周围的空气，使空气的密度改变并发生剧烈运动。试想，太阳光需要穿过厚厚的大气层（1000千米以上）照射到地面上，大气的扰动必然会影响望远镜对太阳的成像效果。当初美国宇航局花费21亿美元把哈勃太空望远镜送上太空，也正是为了摆脱糟糕的大气视宁度。
图4 受大气作用影响后落日产生了畸变
大多数的太阳天文台都是依山傍水，景色优美，其实也是为了实现更好的观测效果。选择在山顶或高海拔地区建站，主要是因为这些地方空气相对稀薄，减少空气中灰尘和水蒸气的影响，气候稳定，晴天数相对较多。而且由于气温较低，空气中形成下沉气流，从而减小空气密度差。选择靠近湖面的地区建站，是因为水的比热容相对较大，在接收同样太阳光照的情况下，湖面升温小于陆地，从而避免引起空气的剧烈流动。目前，我国科学家们正在实施“西部太阳选址计划”，在西藏和四川地区进行踏勘和定点观测。
2.自适应光学
按照人们的直观认识，望远镜做的口径越大就越先进，能拍到更远更清晰的图像。400多年前，伽利略发明了人类历史上第一台天文望远镜，望远镜的口径只有4.4厘米。由于口径限制了观测分辨率，伽利略只能观测到月球的高地和环形山投下的阴影以及太阳黑子等较大的目标。当人们进一步增大望远镜口径发现，望远镜空间分辨率并不随着口径的增大而线性提高，一般情况下只能达到10-20厘米口径望远镜所能达到的分辨能力。在牛顿时代已经知道这是因为光在穿过大气层时，受到大气湍流的影响引起波前畸变，降低了系统的分辨力。人们试图通过选取优良的观测站址来降低大气湍流对太阳观测的影响，直到自适应光学技术的提出和实现。
图5 伽利略发明的4.4厘米口径望远镜和目前在运行的最大口径1.6m太阳望远镜
自适应光学是补偿由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的一种技术手段。它是一种反馈控制系统，主要包括探测器、校正器和控制器几个主要部分。波前传感器用于对畸变波前的实时探测，波前校正器用于产生校正波前，波前控制器对探测信息进行处理并控制波前校正器。波前校正器通过改变其镜面的面型或改变介质折射率，产生能够抵消畸变波前的共轭波前，最终实现实时补偿大气湍流畸变的目的。随着地基大口径太阳望远镜技术的发展，自适应光学系统逐渐成为太阳望远镜的标准装备。
图6 自适应光学系统工作原理示意图
3.图像处理技术
尽管自适应光学技术能够实时校正光束波前畸变，但是由于自身设计、计算机处理能力、闭环伺服带宽、波前观测数据误差以及噪声等因素的影响，自适应光学对大气湍流只能实现部分校正，观测目标的高频信息还是会受到抑制和衰减。因此，对这些经过自适应光学初校正过的图像还需要进行图像重构，进一步扣除大气湍流的影响，获得更高清晰度的图像。图像重构的典型算法有斑点重建术和盲解卷积等，在图像重构的过程中，大气湍流的模型构建、重构算法、运算平台的计算性能等要素，都会影响到数据重构的质量和速度。
此外，望远镜图像阵列探测器的各象元响应会存在不一致性，光路中也会有细小灰尘影响成像质量，为了消除这些影响需要对观测图像进行平场改正。为了提高图像的显示效果，还可以通过增加对比度、去掉模糊和噪声、边缘锐化、伪彩色处理等方法，使所需要的图像信息更加突出。有时观测目标太大，超出了望远镜视场范围，需要分别拍摄目标的不同部分，然后再通过图像拼接技术合为一体。经过一系列的处理，最终才能形成可以用于科学研究或监测预报的数据文件。
4.结语
虽然我们知道太阳是影响空间天气的源头，但如果想利用地基太阳望远镜看清它的脸还不是那么容易。地面观测的优势在于望远镜的口径不受限制，可以通过大口径观测来提高分辨力，但却因为地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的吸收作用，导致很多谱线观测不到。比如，冕洞的演变和日冕物质抛射都可能对地球环境产生巨大影响，极紫外波段光谱是研究日冕加热、太阳风加速等太阳活动机理的必要手段，但在地面上却无法获得这一波段的谱线，只能通过空间望远镜进行观测。随着空间技术发展，天地一体化的太阳观测成为大势所趋，可以进一步看清太阳脸色，减小太阳风暴对生产生活和航天器安全造成危害。
受重现性冕洞高速流的影响，2016年3月6日太阳风速度最高达到570km/s，行星际南向磁场分量最低达到-18nT。受此影响，地磁有3小时达到小磁暴水平，3小时达到中等磁暴水平，3小时达到大磁暴水平(Kp=7)，达到橙色警报等级。6日Ap指数达到37。预计7日地磁短时可能达到小磁暴水平。
图1 3月5日冕洞示意图
图2 2016年3月6日大地磁暴事件
1. 太阳活动周
众所周知，太阳活动周具有11年周期性。在11年当中，平均4.7年是处于上升期，之后再经过6.3年下降到谷底。第24太阳活动周开始于2008年12月，目前已经经历了7个年头。2015年位于第24太阳活动周的下降段，通过统计和分析我们发现，2015年的太阳总体水平较2014年明显有所下降。太阳黑子数和F10.7年均值分别为70.4和117.5sfu，各比2014年下降了42%和19%。
太阳黑子月均平滑值曾于2012年2月达到本活动周的第一个峰值66.9，2014年3月达到第二个峰值80.8，也是截止目前本活动周最高值，之后逐渐下降，截止2015年5月下降至45.6。F10.7月均平滑值曾于2012年3月达到本活动周的第一个峰值126.8，2014年6月达到第二个峰值145.5，也是截止目前本活动周最高值，之后逐渐下降，截止2015年5月下降至123.3。这一现象符合中科院空间环境预报中心此前预测的第24个太阳活动周具有“双峰结构”，且当前太阳活动已经进入下降段的预报结果。
2015年日面上共出现了225个活动区，比2014年出现的活动区数量明显减少。2015年共爆发了125个M级耀斑和2个X级耀斑，与2014年爆发的208个M级耀斑和16个X级耀斑相比，数量明显减少。
图1 第24太阳活动周太阳黑子数平滑月均值的实测值与预报值
图2 第24太阳活动周F10.7平滑月均值的实测值与预报值
2. 太阳活动水平
X射线耀斑的发生频次直接反映了太阳爆发活动水平的高低。2015年共爆发了1377个C级耀斑，125个M级耀斑（黄色警报）和2个X级耀斑（橙色警报），最大级别为X2.7级。全年没有一次X10级以上的耀斑（红色警报）产生。
质子事件和日冕物质抛射事件常常伴随耀斑发生。2015年共发生了4次质子事件，其中小质子事件（黄色警报）3次，中等质子事件（橙色警报）1次，大于10MeV质子最大通量达到1070pfu。全年没有一次大质子事件（红色警报）发生。与2014年相比，2015年在活动区个数、黑子数、F10.7指数、C级耀斑、M级耀斑、X级耀斑、质子事件的次数和强度等方面均低于2014年的水平。
此外，太阳上爆发的日冕抛射事件也较多，冕洞对地磁环境的影响较往年有所增加，日冕物质抛射和冕洞引起了多次地磁暴事件。
表1 2013-2015年太阳活动比较
3. 地磁活动水平
2015年年均Ap值为13.4，Ap指数最大值为117，Ap≥15的天数为95天，占全年的26%。相比于2014年，2015年的整体地磁活动略有上升。其中，地磁活动达到活跃水平、小或中等磁暴水平、以及大或强磁暴水平的时段，相比2014年都有明显增加。2015年重现性冕洞高速流引发的地磁扰动频次增加、强度更高、持续时间较长。本年度中，有两次较强的磁暴扰动。一次发生在2015年3月19-23日，受CME和冕洞高速流的共同影响，地磁共有12小时达到大磁暴水平（橙色警报），12小时达到中等磁暴水平（黄色警报），18小时达到小磁暴水平（黄色警报），其中3月17日Ap指数达到117，为全年最高值。此次地磁暴是第24太阳活动周以来最强地磁暴。另一次较强的地磁扰动发生在6月22-25日，受CME的影响，地磁共有9小时达到大磁暴水平（橙色警报），6小时达到中等磁暴水平（黄色警报），9小时达到小磁暴水平（黄色警报），其中6月23日Ap指数达到75。2015年没有特大地磁暴（红色警报）发生。
图4给出了最近三个活动周的地磁Ap指数月均平滑值。由图可见，与第22活动周和第23活动周相比，本活动周的地磁活动水平远低于这两个活动周。
图4 最近三个活动周Ap指数月均平滑值
表2 2013-2015年地磁活动水平比较
4. 高能电子暴
2015年，地球同步轨道大于2MeV高能电子通量全年共有74天达到小高能电子暴水平（黄色警报），6天达到中等高能电子暴水平（橙色警报）。总次数远超过2014年的10天。其中最强的一个高能电子暴发生在2015年10月8-15日，地球同步轨道GOES卫星地球同步轨道大于2MeV高能电子通量连续3天达到中等高能电子暴水平，大于2MeV电子日积分通量的峰值为2.2E9（P/cm2-day-sr）。另一个高能电子暴发生在2015年11月5-13日，地球同步轨道GOES卫星地球同步轨道大于2MeV高能电子通量连续3天达到中等高能电子暴水平，大于2MeV电子日积分通量的峰值为2.0E9（P/cm2-day-sr）。2015年没有发生强高能电子暴（红色警报），无论是高能电子暴的级别还是持续时间，都高于2014年的水平。
图5 2015年地球同步轨道高能电子通量水平
5. 电离层环境
电离层环境的剧烈变化会对电波传播产生显著的影响，从而干扰通信、导航定位等系统的运行。2015年月报中加入了电离层扰动事件的综述，主要包括电离层突然骚扰、极盖吸收、电离层闪烁和电离层暴四类事件。
电离层突然骚扰事件与地方时正午前后爆发的M级以上耀斑相关，会造成向日面短波通信的干扰，2015年影响中国区域的该类事件共计3次。极盖吸收事件与太阳质子事件相关，会造成极区短波通信受干扰甚至中断，2015年共计4次。这两类事件的发生频率会随着太阳活动水平的下降而变低。电离层暴事件则与地磁暴相关，是太阳风暴的电离层响应。电离层暴期间，电离层F2层临界频率（foF2）和电离层总电子含量（TEC）相对背景值有显著变化。2015年中国区域的电离层暴事件共计17次。
电离层闪烁事件以发生的天数统计，以东南沿海5个GNSS观测站的电离层闪烁数据为准。从时间上看，2015年2-4月和9-11月（春秋两季）闪烁天数较多。从地理位置看，越靠近电离层赤道异常区中心的台站发生天数越多，2015年海南富克站闪烁天数总计67天，4月最多达18天，广州和南宁站分别为总计39天和42天。
图6 2015年1—12月电离层闪烁事件发生天数
6. 2015年的大太阳风暴
1）2015年3月的大地磁暴事件
北京时间2015年3月15日09:50，AR2297爆发了C9级耀斑，伴随有朝向地球的日冕物质抛射（CME）。3月17-18日，受CME到达地球的影响，太阳风速度最高达到760km/s左右，行星际磁场南向分量最低达到-28nT，有12小时达到大磁暴水平，12小时达到中等磁暴水平，18小时达到小磁暴水平，Dst指数下降至-200nT以下。此次地磁暴是第24太阳活动周以来最强地磁暴。19-23日，受重现性冕洞高速流的持续影响，太阳风速度维持在500-750km/s之间，地磁共有3小时达到中等磁暴水平，18小时达到小磁暴水平。其中，3月17日Ap指数达到117，也是2015年Ap指数最高值。3月19-27日，地球同步轨道GOES卫星地球同步轨道大于2MeV高能电子通量达到小高能电子暴水平。 3月17-19日，中国大部分地区电离层发生剧烈的负向扰动，漠河、北京、武汉监测到电离层F2层临界频率（foF2）低于背景值50%以上。
图7 C9级耀斑（上）、SDO观测的极区冕洞（左下）、日冕仪观测的CME（中下和右下）
图8地磁Kp指数
图9 3月17-19日漠河、北京、武汉和三亚站监测到电离层F2层临界频率（foF2）的暴时变化
2）2015年6月的大地磁暴事件
北京时间2015年6月22日02:20，活动区AR2367爆发了一个M1级耀斑，随后，地球同步轨道大于10MeV的高能质子通量快速上升，04:35超过质子事件阈值（10pfu），发生质子事件，11:50达到橙色警报级别（大于10MeV质子通量超过100pfu），6月23日03:00达到峰值1070pfu。
受19日和21日爆发的日冕物质抛射的影响，21-23日太阳风速度最高达到791km/s，地磁有9小时达到大磁暴水平，6小时达到中等磁暴水平，9小时达到小磁暴水平，12小时达到活跃水平。其中，6月23日Ap指数达到75。6月24日地球同步轨道GOES卫星地球同步轨道大于2MeV高能电子通量达到小高能电子暴水平。
图10 6月19日和21日卫星观测到的CME（下图）
图11 耀斑、质子事件和地磁Kp指数
3）2015年持续影响地磁的大冕洞
日面上的冕洞随着太阳自转，具有27天的重现性。2015年重现性冕洞高速流引发的地磁扰动频次增加、强度更高、持续时间较长。2015年有两个持续出现5个太阳自转周的大冕洞。第一个冕洞（冕洞1）是极区冕洞，于2015年2月16日、3月15日、4月12日、5月8日、6月5日、7月1日、7月29日随太阳自转到日面中心附近，该冕洞对应的重现性冕洞高速流在CR2160至CR2166共7个太阳自转周引发较大的地磁扰动。另一个冕洞（冕洞2）位于太阳赤道附近，于8月11日、9月7日、10月5日、11月1日、11月27日随太阳自转到日面中心附近，该冕洞对应的重现性冕洞高速流在CR2167至CR2171共5个太阳自转周引发较大的地磁扰动。
图12 CR2016至CR2166观测的极区冕洞1
图13 CR2167至CR2171观测的冕洞2
表3 冕洞1和冕洞2引起的地磁扰动
7.小结
回首2015年，太阳活动的整体水平比2014年的确有所下降。但是，地磁活动的整体水平反而比2014年有所上升。从活动周的发展趋势来看，2016年属于第24个太阳活动周的第8个年头，是属于太阳活动周的下降段的。2016年，我们仍会实时的关注太阳活动的一举一动，并给出及时准确的预报。
2025-12(4)
