北京时间2015年8月12日的日冕物质抛射（CME）于15日16:00点左右到达地球附近，引发了强烈地磁扰动。截至16日8:00，地磁有9小时达到磁暴水平，其中15日17:00-20:00地磁Kp指数为7，达到橙色警报等级。

　　受此次日冕物质抛射和冕洞高速流的共同影响，预计地磁暴事件还将持续1天。关于此次地磁暴事件的进一步发展，及可能引起的其它近地空间环境扰动，我们将密切关注并及时通报。

图1 8月12日卫星观测到的CME

图2 8月15日发生的大地磁暴

    最近网上盛传这样一则消息科学家称，2030年太阳将休眠，地球温度恐大幅下降，地球将进入小冰河期！”在这炎炎夏日，微博上流传的这个消息，有没有令你感到一丝寒意？然而，这则消息的真实度又有多少呢？

1.凛冬将至，人们恐慌

    全球变暖引发的极端气候事件及生态系统变化越来越受到关注。7月10日，英国《每日邮报》援引英国女科学家瓦伦蒂娜·扎尔科瓦（ValentinaZharkova）在2015年英国国家天文会议上的报告内容，报道称太阳将在2030年“休眠”，这将导致地球气温大幅度下降、使得地球步入“小冰河期”。

图1 北极冰川

    扎尔科瓦提出，太阳存在两个波，虽然周期都是11年左右，相位却稍有不同。这两个波叠合在一起，时而相加，时而相抵，才导致太阳在每一个周期的活动强弱都各不相同。按照扎尔科瓦的说法，他们的模型能够准确再现当前太阳周期的观测数据，准确率高达97%。他们还对比了此前的3个太阳周期（1976年－2008年），发现模型预言和观测记录相符得很好。

    这个模型还进一步预言，太阳的这两个波正在错开步调，到下一个太阳周期，也就是2030年－2040年间，它们就将完全相反而相互抵消，导致太阳活动强度大幅度减弱。这就是《每日邮报》报道里所说的，“太阳活动将在2030年前后减少60%”。

    那么上述中提及的太阳活动是什么呢？现在科学家能否对太阳活动作出准确预报？如果太阳活动真的大幅度下降，是否会对地球温度产生巨大影响？

2. 太阳活动预报

    按照尺度变化速度、运动速度或者能量释放的速度，太阳活动可以分成两种类型，一种是缓变型太阳活动，另一种为爆发型太阳活动。顾名思义，缓变型太阳活动在尺度变化速度、运动速度或者能量释放的速度上都相对缓慢，主要包括黑子、光球中的光斑，色球中的谱斑、日珥（暗条），日冕中的冕洞、凝聚区和冕环等。爆发型太阳活动则是更具有“爆发”的意义，所以也直接称之为太阳爆发活动，主要包括耀斑、日冕物质抛射等。

    太阳活动预报主要关注太阳活动水平的高低与太阳爆发活动的发生。太阳黑子是太阳光球表面的强磁场区域，从太阳黑子发出的磁场会在太阳大气中形成复杂的磁场结构，为太阳活动提供动力和能源。因此，太阳活动的长期预报常常通过对黑子数的长期预报来实现。

    黑子数的长期积累记录成为太阳活动长期预报的重要依据。从黑子数的长期记录来看，黑子数的多少明显地表现出11年左右的周期变化。黑子数的长期预报就是预报未来太阳活动周的变化特征，如黑子数极大值、极小值以及出现时间等。

图2  黑子数的周期变化

    黑子数长期预报方法的研究开始于20世纪中期，经过半个多世纪的发展，已呈现出“百家争鸣”的格局。在预报因子上既有单纯的黑子数，也有太阳极向场、地磁指数等其它相关因素；预报技术上既有一般的经验公式，也存在较为复杂的统计分析，近几年还发展了数值模拟。预报方法可谓五花八门，预报效果也各有千秋。依据指导思想、预报技术或预报因子的差异，黑子数长期预报方法可分为统计方法和太阳发电机模型预报方法。

● 统计方法

    黑子数长期预报的统计方法主要是在假设太阳活动遵循统计规律的基础上提出的。通过对黑子数的系列数据进行各种分析得出统计规律，从而对未来的太阳黑子数进行长期预报。常用的数学分析方法有很多，如频谱分析法、时间序列法、活动周参量法、自回归方法、长周期方法、相似周方法、人工神经网络法等。统计方法不仅能预报太阳活动周的最大强度，还能预报太阳活动周的轮廓曲线，方法也相对简单，因此应用十分广泛。随着统计分析方法的发展，黑子活动长期预报方法的统计分析技术也在不断改进中。

● 太阳发电机模型预报方法

    太阳活动实际上是磁场演化的产物，黑子在本质上就是强磁场区，只要强磁场区存在，各种活动现象都可以解释，包括太阳活动周的发生原因。太阳发电机理论就是用来解释太阳磁场的起源、磁场的特征以及与各种活动现象之间的相关性及其变化规律。现有的发电机理论认为太阳磁场是由活动周开始时（甚至开始之前3年）太阳的极向磁场演化而来，即较强的中低纬度磁场源于太阳活动周开始时极区或高纬区域的弱磁场。

图3 太阳发电机模型

    将某一特定周期的太阳活动极小时的极区磁场作为输入条件，直接利用太阳发电机模型通过数值模拟的方式就可以预报下一个太阳活动周强度。太阳发电机模型预报方法具有明确的物理思想，是太阳活动长期预报方法的研究方向。但太阳发电机模型预报方法只能实现对太阳活动周上升期以及极大期的预报，对活动周的下降期还不能进行预报。

3.预言真假 

    虽然太阳活动预报方法很多，但是到目前为止，没有任何理论或者模型，能够准确预言下一个周期的太阳活动会剧烈或者平淡到什么程度。扎尔科瓦的模型实质上仍然是一个经验性的规律，是从过去3个周期对太阳活动强弱的观测数据中归纳出来的。它背后的具体物理过程，也就是扎尔科瓦提出的两个周期，这只是一种科学上的合理猜测。所以扎尔科瓦模型预测的2030年太阳活动是否会下降60%，这还是个未知数。

    可是如果扎尔科瓦模型预测准确，到了2030年太阳活动真的下降了60%，那么地球是否真的会进入到“小冰河期”呢？

    首先，我们在前面已经介绍了什么是太阳活动，了解概念之后，我们自然会认识到它和给予地球光和热的太阳辐射并不是一个概念。实际上，太阳活动对太阳辐射的总能量影响非常有限，仅仅在0.1%左右。

    太空飞船的观测表明，在地球大气层外接收到的太阳辐射相当稳定，总在1366W/m^2左右。虽然它会随着太阳活动变化，但太阳活动高年的总辐射量比太阳活动低年仅高0.1%。太阳活动的变化无法引起太阳辐射量较大的变化，是因为太阳给予我们的能量，主要集中在波长较长的可见光和红外波段。而太阳活动减弱时，辐射减弱的主要是波长较短的X射线、极紫外和紫外波段。它们在太阳辐射的能量中所占的比重较低。因此即使太阳活动下降很多，也不会引起地球大幅度降温。

图4 通过重建历史数据得到的过去400年间太阳总辐射通量的变化

    其次，我们再来看看如果太阳活动极其平静，地球是否会进入“小冰河期”。

    太阳活动长期处于平静状态，这在历史上不是没有出现过，最有名便是“蒙德极小期”。根据历史观测资料，从1645年到1715年，太阳黑子几乎没有记录，太阳活动衰减到极低状态，这段时期被称为“蒙德极小期”。

图5 近400年来对太阳黑子的观测记录，可以看到太阳活动以11年为周期发生着波动，而在1645年到1715年间，黑子的观测记录几乎为零。

    那么“小冰河期”又是什么呢？世界各地在16世纪到18世纪都出现了有历史记录的严寒天气，这段时期因此又被称为“小冰河期”。从时间上，这段“小冰河期”似乎与“蒙德极小期”确有重合。然而，根据重建的历史气温记录，全球气温下降的趋势始于1560年到1600年间，而“蒙德极小期”要到近50年后的1645年才出现。所以将历史上的“小冰河期”原因归结为太阳活动趋于平静至少在时间线上是说不通的。同时，地质研究则表明，地质历史上的大多数“小冰河期”都出现在大规模火山活动发生的时候。火山活动会喷发出烟尘，包裹住地球，遮蔽一部分阳光——这才是导致地球降温的主要原因。至于当太阳活动极弱时，有研究表明到2100年，地球平均气温也只会下降大约0.10C。而由于其他因素导致地球的升温幅度却可能高达3-40C。

    因此，从以上分析我们可以看出，扎尔科瓦模型预测的2030年太阳活动是否会下降60%，这将等待时间来验证，而届时地球是否会进入冰河期，这将取决于太阳辐射变化对全球气候变化的影响。所以就算《每日邮报》所说“凛冬将至”的预言成真，对于越升越高的地球平均气温来说，太阳活动减弱也完全于事无补。

参考文献：

[1]Science Vol.294.no.5549 pp.2149-2152,doi:10.1126/science.1064363.

[2] Geophysical Research Letters, VOL.37, L05707,

doi:10.1029/2010GL042710,2010

[3] 2030年太阳休眠，凛冬将至？没谱的事儿！果壳网，Steed.

[4] The effects of solar variability on earth’s climate: A workshop report. National Academies Press, 2012.

[5]Amplifying the pacific climate system response to a small 11-year solar cycle forcing, Gerald A. Meehl, et.al, Scinece,325(5944),1114-1118.

[6]Prediction of solar activity from solar background magnetic field variations in cycles 21-23, Simon J. Shepherd, Sergei I. Zharkov, and Valentina V. Zharkova, The Astrophysical Journal, 795:46 (8pp), 2014 November 1.

      2015年2月11日，NASA为了庆祝太阳动力学观测台（SDO）成立五周年，在互联网上发布了一段绝美视频。该视频以SDO所拍摄到的太阳惊人爆发活动场面为素材，视频中利用紫外线和X射线光谱技术拍摄的太阳照片华美异常，是迄今获得的最为震撼的太阳照片。从这个视频中可以看到壮观的太阳耀斑爆发和日珥，让人感觉这些很不真实。有网友评论说：“原来太阳也能展现如此令人窒息的美丽，不得不再次感叹下宇宙的神奇！”那么，SDO到底搭载了哪些仪器，它的科学目标又是什么呢？

     太阳动力学观测台（SDO）于2010年2月11日，在NASA在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地成功发射。SDO运行在36000千米的地球同步轨道，设计寿命为5年，但其携带的燃料可以保证它运行10年。

     SDO是SOHO卫星的后继者，也是美国“与日同在”计划的第一颗卫星。它搭载了三部研究太阳的科学仪器：极紫外线变化实验仪（Extreme Ultraviolet Variability Experiment，EVE）、大气成像组件（Atmospheric Imaging Assembly，AIA）、日震与磁场成像仪（Helioseismic and Magnetic Imager，HMI），能够实现不间断地观测太阳。SDO的科学目标是在小尺度的时间和空间下，多波段研究太阳大气活动，了解太阳对地球和近地球太空区域的影响，以提高空间天气预报的能力。

                                         图1 SDO卫星发射                             SDO卫星

        ● 观测太阳的新“眼睛”

     SDO平均每0.75秒拍摄一次太阳图像，所有图像的像素都是4096×4096，成像分辨率比高清电视还要高10倍。卫星每天向地面发送大约1.5太比特数据，相当于380部完整长度电影，运行期间传回的数据量将是美国以往任何一个观测台的50倍。美国航天局说，它是迄今研究太阳及其动态特性最先进的航天器，将成为科学家观测太阳的新“眼睛”。

   极紫外线变化实验仪EVE由科罗拉多大学大气和空间物理实验室（Laboratory for tmospheric and Space Physics，LASP）制造，用于测量太阳极紫外辐射照度。太阳释放的高能极紫外线辐射主要会使地球的高层大气加热和电离层形成。EVE的基本科学目标是确定太阳极紫外辐射照度和在多时间尺度上的变化特性，提高预报极紫外辐射照度变化特性的能力，了解地球空间环境对极紫外辐射照度变化的反应和由此给人类带来的影响。在SDO卫星之前，借助于TIMED、SOHO和SORCE卫星的观测，人类对太阳极紫外辐射照度的了解已经取得了很大进展。EVE仪器在短波（低于30纳米）范围内的光谱分辨率比以往的卫星提高70倍，时间分辨率则提高30倍。

图2 EVE观测结果

  大气成像组件AIA由洛克希德马丁太阳与天文物理实验室(Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory，LMSAL)负责，用于高精度观测日冕，在多波段上同时对太阳成像，空间分辨率约1角秒，时间分辨率为10秒。与以往观测仪器不同的是，AIA首次提供多谱段、近实时、宽覆盖的连续温度范围的高分辨率日冕图像。在设计上，AIA采用4个20厘米孔径、双通道正入射望远镜，每个望远镜选择不同的谱段，整体上可观测10个极紫外通道。AIA的视场为41角分，可以保证AIA能对整个日冕成像。

图3 SOHO/EIT、TEREO/SECCHI、SDO/AIA在极紫外辐射波段的观测结果比较

      日震与磁场成像仪HMI由斯坦福大学负责，用来研究太阳变化的源，了解太阳的内部结构和磁活动。HMI测量太阳光球层的运动，用于研究太阳震荡，测量谱线的偏振，及研究光球层磁场的三分量。利用HMI获得的数据，确定太阳变化的内部源和机制、太阳内部的物理过程与表面磁场和活动之间的关联。HMI与SOHO卫星上的迈克尔逊多普勒成像仪（MDI）原理相同，都是通过测量选定谱线的多普勒频移，确定光球层的震荡速度，不过HMI具有1角秒的高分辨率，时间分辨率为4.1秒，视场为34角分，成像稳定性为0.1角秒。

        ● “日夜坚守”—SDO已经取得的观测结果

     NASA于2010年4月下旬公布了来自SDO的首批探测结果，展示了物质流从黑子向外运动的细节和太阳表面活动的特写，首次对太阳耀斑进行了大范围极紫外波段的高清晰度测量。NASA太阳物理学部门负责人理查德费舍尔说：“探测卫星这次传来的初期图片展示了一个充满活力的太阳，在40多年的研究中我从未见过的场景。SDO卫星将改变我们对太阳和其活动过程的理解，将对科学领域产生巨大影响，其影响力就如同哈勃太空望远镜对现代天体物理学的贡献一样。”

     SDO运行五年多来，记录了大量太阳活动的细节，很多照片都让人印象深刻。如2010年8月1日，日面上爆发了一个持续时间较长的C3.2级小耀斑，同时距离该耀斑40万千米之外有一大暗条爆发，大团的等离子体物质被快速抛射出来，引起了日冕结构的巨大扰动。刚刚发射不久的SDO卫星就记录下了太阳这次大尺度爆发活动的许多细节，使得此次太阳爆发活动更加引人注目。2011年2月15日，太阳爆发了24太阳活动周的首个X级大耀斑，打破了太阳长达4年之久的沉寂期。SDO记录了这具有历史意义的时刻，充分展现了太阳耀斑爆发的过程和细节。再例如，2014年10月下旬，日面上出现自1990年11月以来面积最大的活动区并在日面爆发了6次大X级耀斑和35次M级耀斑、2015年3月15日，造成24周最强地磁扰动的源头—日面物质抛射（CME），SDO都一一全程拍摄记录。今后，SDO仍将日夜坚守，继续呈现给我们更多惊心动魄的太阳爆发活动的壮观画面，为科学研究提供宝贵的观测资料。

 图4 SDO/AIA拍摄到的太阳耀斑

图5 SDO/AIA拍摄到的日珥爆发

图6 SDO/AIA拍摄到的活动区爆发

　　北京时间2015年6月22日23:00起，地球磁场发生强烈扰动，有3小时达到大磁暴水平（Kp=8），6小时达到小磁暴水平。此次大磁暴事件是由19日和21日的日冕物质抛射共同作用引起，受此影响，太阳风速度最高达到730km/s左右，行星际磁场南向分量最低达到-39nT。

　　北京时间2015年6月22日04:35发生太阳质子事件，11:50达到橙色警报级别（大于10MeV质子通量超过100pfu），受日冕物质抛射到达地球的影响，质子通量持续上升，6月23日03:00达到峰值1070pfu，截止6月23日08:00质子通量下降至175pfu。

　　受日冕物质抛射的持续影响，预计此次地磁暴事件还将持续2天左右。预计太阳质子事件将持续1-2天。6月22日活动区AR2371（N13W13）产生了1个M6.5级耀斑，伴随有朝向地球的全晕日冕物质抛射，预计24-25日将发生中等到大地磁暴。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 6月19日和21日卫星观测到的CME

图2 6月23日发生的大地磁暴

　　北京时间2015年6月22日02:20，活动区AR2367（S18W64）爆发一个小的M耀斑（M1.1级），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），通量最高曾达114pfu。

　　预计该质子事件将持续1-2天。受6月18日、19日和21日爆发的日冕物质抛射的共同影响，预计22-23日将发生中等到大地磁暴。

图1 SDO卫星观测到的M1.1级耀斑

图2 太阳X射线流量和GOES卫星质子通量