来源:中科院之声

  编者按:“浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索”,为此,中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏,为大家讲述有趣的故事,介绍一些与空间科学和航天相关的知识。

  通俗地讲,太空环境又称空间环境,是太阳地球空间中能够对人类生活或技术系统造成影响的所有物质条件的总和。空间环境是除陆地、海洋和大气以外人类生存的第四个环境。

  空间环境中所说的空间范围通常指地面上几十公里高度以上到太阳表面的广大宇宙区域,而空间环境灾害性事件的发生源头主要来自于太阳。当太阳产生爆发活动时,可能引起太阳质子事件、地磁暴、高能电子暴等一系列空间灾害性事件,从而可能会对人类的航天系统、无线电链路系统、电力和能源系统等产生严重影响。

  2019年,已经到第24太阳活动周的末期,太阳活动水平较低,很少发生太阳爆发活动。不过,太阳冕洞仍然时不时引起一些地磁暴事件,而发生在地球同步轨道附近的高能电子暴事件则永不缺席。下面我们就一起回顾一下这一年波澜不惊的空间环境。

  1、异常沉寂的太阳

  太阳黑子,是指太阳光球表面磁场聚集的地方,是太阳表面可以看到的最突出的现象。肉眼看起来,太阳黑子比周围暗,像一个个小小的斑点。太阳黑子是太阳活动的一个重要标识,是引发太阳爆发活动的最重要源头。当我们处于太阳活动高年时,太阳公公就像长了雀斑,脸上常常有许多黑子。而当我们处于太阳活动低年时,太阳的脸又像美白过一样,干干净净。

回顾|2019年太空中发生了哪些空间环境事件?-MAAMX

图1 太阳活动高年和低年的太阳

  2019年,介于第24/25太阳活动周的交替期,已经到第24太阳活动周的末期,即将迎来新的第25太阳活动周。太阳黑子数已经彻底降到了谷值。其月均值在7-11月份均低于1,在2月份甚至为0。而表征太阳辐射水平的太阳F10.7指数月均值也降低到了67sfu,处于历史低值附近。

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图2 第24和25太阳活动周的太阳黑子

  2019年太阳黑子数的年均值为3.7,相对于2018年下降了42%,而F10.7年均值为69.7,略有下降(见表1)。

  表1  2017-2019年太阳活动比较

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  随着太阳活动水平的持续降低,太阳上的黑子活动区个数也大大减少,无黑子日(即太阳表面一个黑子也没有)持续出现。全年太阳上出现的黑子活动区个数仅为24个,比2018年减少了35%。2019年太阳无黑子日为284天,一年之中有超过3/4的时间里没有太阳黑子出现。

  太阳黑子的减少也意味着太阳耀斑、日冕物质抛射等太阳爆发活动的减少。2019年仅产生了32个C级耀斑,均集中在上半年,没有M级及以上级别耀斑的产生。其中编号为AR2740和AR2743的两个黑子活动区各产生了12个C级耀斑。5月15日,黑子活动区AR2741爆发了最后一个C2级耀斑,随后太阳便陷入了死寂,连C级耀斑也没有了。2019年也没有观测到太阳质子事件。

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图3  2019年太阳X射线流量(表征耀斑)和太阳质子流量(表征质子事件)

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图4  2019年太阳爆发活动比较

  2、偶有亮点的地磁活动

  地磁暴,是一种剧烈的全球性地球磁场扰动现象,是最重要的一类地球磁扰变化类型,也是一种恶劣的空间环境事件。它能引起磁层、电离层和中高层大气等环境的强烈变化,从而对航天器产生各种危害。对低轨道航天器来说,地磁暴后引起的大气密度增加能够导致大气阻尼的增强,会改变航天器的正常运行轨道,增大了航天器定轨及轨道预测的误差。

  人们利用各种指数描述地磁活动,最常用的包括Ap、Kp、Dst指数等,其中Ap和Kp指数用于对全球地磁活动的测量。

  2019年,地球磁场的整体扰动水平非常弱。从表2中的多个指标来看,地磁活动水平比2018年明显下降。从2019年1月到12月,地磁Ap指数月均值仅有9月份超过10,其它月份在4-9之间波动。Ap指数年均值仅为6.9,比2018年低了11.5%,Ap≥15的天数仅为22天,比2018年少了16天。

  表2 2017-2019年地磁活动比较

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  2019年地磁暴级别也比较弱,从标示地磁暴水平高低的Kp指数上来看,全年发生小地磁暴(Kp=5)的天数为14天,中等磁暴(Kp=6)的天数为2天,仅有1天发生了大地磁暴(Kp=7)。

  表3  2019年地磁暴天数统计

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  一般来说,地磁暴的源可分为两种:日冕物质抛射(CME)和冕洞高速流(CHH)。其中,CME具有偶发性和强烈性,多产生于太阳活动高年,引发了大部分的大地磁暴,在太阳活动低年偶尔也会引起地磁暴;冕洞高速流随太阳自转具有27天的周期性,在太阳活动低年占主导地位,常常引起中小型地磁暴。

  2019年太阳活动虽然微弱,但在5月10日、11日爆发的日面物质抛射却引起了全年唯一的大地磁暴事件。

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图5  5月份的日冕物质抛射引发了2019年唯一的大地磁暴

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图6  2019年地磁Ap指数和Kp指数

  如果说2019年上半年,CME引起了全年唯一的大地磁暴,独领风骚,那么2019年下半年则是冕洞的表演时间,后文我们将重点回顾一个横跨了多个太阳自转周(27天)的大冕洞

  3、高能电子暴——“杀手”电子永不缺席

  高能电子暴,是指发生在地球外辐射带区域的高能电子通量突然增强数千倍、甚至上万倍的事件。

  空间高能电子对航天器的影响是非常严重的。就像原子弹爆炸产生的放射性物质,可以渗透到人类体内一样,高能电子则可以穿透航天器仪器表面进入到内部传输,造成深层充电等效应,使航天器产生错误动作,从而引起航天器的异常或故障,更严重的充放电可造成电路击穿,甚至使航天器失效。深层充电对导航卫星影响最大,其次是同步轨道卫星。近年来,多颗卫星由于深层充电效应引发卫星故障和失效,造成了巨大的影响。

  在太阳活动低年,千万不要被“太阳活动水平低,日面上无活动区”等字眼蒙蔽了双眼,放松对高能电子暴的警惕。由于受太阳活动的调制,在太阳活动周的下降段,高能电子暴发生频次比较高——“杀手”电子永不缺席。

  2019年,有66天发生小高能电子暴,10天发生中等高能电子暴,没有强高能电子暴,高能电子暴总天数为76天,占全年总天数的21%。

  表4  2019年高能电子暴天数统计

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  在2019年,曾出现多次持续多天的高能电子暴。8月6日-11日,高能电子暴持续了11天,日积分通量最大为1.1E+09个/cm2.sr.day。8月31日-9月12日,高能电子暴持续了13天,日积分通量最大为2.9E+09个/cm2.sr.day,接近强高能电子暴事件阈值。

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图7  2019年高能电子暴占比

  4、年度“风云人物”——冕洞

  在前文部分,我们已经提到,冕洞高速流是引起2019年主要地磁暴的主因。因此,2019年下半年,在太阳赤道附近出现的一个冕洞当属太阳活动年度“风云人物”。

  这个冕洞在7月份便在日面生成,随后持续膨胀、增强,并随着太阳的周期性自转而在日面呈现27天的自转,多次朝向地球时,引起了8月初、9月初、9月末、10月下旬的多次地磁暴事件,并总共引起了8天中等高能电子暴、33天小高能电子暴,占全年高能电子暴天数的54%。

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图8 大冕洞在8月2日、8月29日、9月26日、10月22日分别经过日面中心

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图9 大冕洞在8月初、9月初、9月末、10月下旬引起的地磁暴

  5、总结与展望

  2019年,太阳活动整体水平缓慢下降,甚少有爆发活动发生;地磁整体水平也持续下降,地磁暴事件逐渐减少;高能电子暴事件虽然比较活跃,发生次数和强度也有所减弱。随着以上各个标志性事件渐近谷底,基本上宣告第24太阳活动周已经接近尾声。

  展望2020年,我们即将迎来新的第25个活动周,预计太阳将逐渐苏醒,并开始新的爆发表演,我们期待着与您一起关注新的空间环境事件的发生。