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科技報導

2019年太空中發生了哪些空間環境事件?



編者按:“浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索”,為此,中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯合開設“Calling太空”科普專欄,為大家講述有趣的故事,介紹一些與空間科學和航天相關的知識。通俗地講,太空環境又稱空間環境,是太陽-地球空間中能夠對人類生活或技術系統造成影響的所有物質條件的總和。空間環境是除陸地、海洋和大氣以外人類生存的第四個環境。

空間環境中所說的空間範圍通常指地面上幾十公里高度以上到太陽表面的廣大宇宙區域,而空間環境災害性事件的發生源頭主要來自於太陽。當太陽產生爆發活動時,可能引起太陽質子事件、地磁暴、高能電子暴等一系列空間災害性事件,從而可能會對人類的航天系統、無線電鏈路系統、電力和能源系統等產生嚴重影響。

2019年,已經到第24太陽活動週的末期,太陽活動水平較低,很少發生太陽爆發活動。不過,太陽冕洞仍然時不時引起一些地磁暴事件,而發生在地球同步軌道附近的高能電子暴事件則永不缺席。下面我們就一起回顧一下這一年波瀾不驚的空間環境。

1、異常沉寂的太陽

太陽黑子,是指太陽光球表面磁場聚集的地方,是太陽表面可以看到的最突出的現象。肉眼看起來,太陽黑子比周圍暗,像一個個小小的斑點。太陽黑子是太陽活動的一個重要標識,是引發太陽爆發活動的最重要源頭。當我們處於太陽活動高年時,太陽公公就像長了雀斑,臉上常常有許多黑子。而當我們處於太陽活動低年時,太陽的臉又像美白過一樣,幹乾淨淨。

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圖1 太陽活動高年和低年的太陽

2019年,介於第24/25太陽活動週的交替期,已經到第24太陽活動週的末期,即將迎來新的第25太陽活動週。太陽黑子數已經徹底降到了谷值。其月均值在7-11月份均低於1,在2月份甚至為0。而表徵太陽輻射水平的太陽F10.7指數月均值也降低到了67sfu,處於歷史低值附近。

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圖2 第24和25太陽活動週的太陽黑子數

2019年太陽黑子數的年均值為3.7,相對於2018年下降了42%,而F10.7年均值為69.7,略有下降(見表1)。

表1  2017-2019年太陽活動比較

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隨著太陽活動水平的持續降低,太陽上的黑子活動區個數也大大減少,無黑子日(即太陽表面一個黑子也沒有)持續出現。全年太陽上出現的黑子活動區個數僅為24個,比2018年減少了35%。 2019年太陽無黑子日為284天,一年之中有超過3/4的時間裡沒有太陽黑子出現。

太陽黑子的減少也意味著太陽耀斑、日冕物質拋射等太陽爆發活動的減少。 2019年僅產生了32個C級耀斑,均集中在上半年,沒有M級及以上級別耀斑的產生。其中編號為AR2740和AR2743的兩個黑子活動區各產生了12個C級耀斑。 5月15日,黑子活動區AR2741爆發了最後一個C2級耀斑,隨後太陽便陷入了死寂,連C級耀斑也沒有了。 2019年也沒有觀測到太陽質子事件。

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圖3  2019年太陽X射線流量(表徵耀斑)和太陽質子流量(表徵質子事件)

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圖4  2019年太陽爆發活動比較

2、偶有亮點的地磁活動

地磁暴,是一種劇烈的全球性地球磁場擾動現象,是最重要的一類地球磁擾變化類型,也是一種惡劣的空間環境事件。它能引起磁層、電離層和中高層大氣等環境的強烈變化,從而對航天器產生各種危害。對低軌道航天器來說,地磁暴後引起的大氣密度增加能夠導致大氣阻尼的增強,會改變航天器的正常運行軌道,增大了航天器定軌及軌道預測的誤差。

人們利用各種指數描述地磁活動,最常用的包括Ap、Kp、Dst指數等,其中Ap和Kp指數用於對全球地磁活動的測量。

2019年,地球磁場的整體擾動水平非常弱。從表2中的多個指標來看,地磁活動水平比2018年明顯下降。從2019年1月到12月,地磁Ap指數月均值僅有9月份超過10,其它月份在4-9之間波動。 Ap指數年均值僅為6.9,比2018年低了11.5%,Ap≥15的天數僅為22天,比2018年少了16天。

表2 2017-2019年地磁活動比較

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2019年地磁暴級別也比較弱,從標示地磁暴水平高低的Kp指數上來看,全年發生小地磁暴(Kp=5)的天數為14天,中等磁暴(Kp=6)的天數為2天,僅有1天發生了大地磁暴(Kp=7)。

表3  2019年地磁暴天數統計

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一般來說,地磁暴的源可分為兩種:日冕物質拋射(CME)和冕洞高速流(CHH)。其中,CME具有偶發性和強烈性,多產生於太陽活動高年,引發了大部分的大地磁暴,在太陽活動低年偶爾也會引起地磁暴;冕洞高速流隨太陽自轉具有27天的周期性,在太陽活動低年占主導地位,常常引起中小型地磁暴。

2019年太陽活動雖然微弱,但在5月10日、11日爆發的日面物質拋射卻引起了全年唯一的大地磁暴事件。

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圖5  5月份的日冕物質拋射引發了2019年唯一的大地磁暴

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圖6  2019年地磁Ap指數和Kp指數

如果說2019年上半年,CME引起了全年唯一的大地磁暴,獨領風騷,那麼2019年下半年則是冕洞的表演時間,後文我們將重點回顧一個橫跨了多個太陽自轉週( 27天)的大冕洞。

3、高能電子暴——“殺手”電子永不缺席

高能電子暴,是指發生在地球外輻射帶區域的高能電子通量突然增強數千倍、甚至上萬倍的事件。

空間高能電子對航天器的影響是非常嚴重的。就像原子彈爆炸產生的放射性物質,可以滲透到人類體內一樣,高能電子則可以穿透航天器儀器表面進入到內部傳輸,造成深層充電等效應,使航天器產生錯誤動作,從而引起航天器的異常或故障,更嚴重的充放電可造成電路擊穿,甚至使航天器失效。深層充電對導航衛星影響最大,其次是同步軌道衛星。近年來,多顆衛星由於深層充電效應引發衛星故障和失效,造成了巨大的影響。

在太陽活動低年,千萬不要被“太陽活動水平低,日面上無活動區”等字眼矇蔽了雙眼,放鬆對高能電子暴的警惕。由於受太陽活動的調製,在太陽活動週的下降段,高能電子暴發生頻次比較高——“殺手”電子永不缺席。

2019年,有66天發生小高能電子暴,10天發生中等高能電子暴,沒有強高能電子暴,高能電子暴總天數為76天,佔全年總天數的21%。

表4  2019年高能電子暴天數統計

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在2019年,曾出現多次持續多天的高能電子暴。 8月6日-11日,高能電子暴持續了11天,日積分通量最大為1.1E+09個/cm2.sr.day。 8月31日-9月12日,高能電子暴持續了13天,日積分通量最大為2.9E+09個/cm2.sr.day,接近強高能電子暴事件閾值。

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圖7  2019年高能電子暴佔比

4、年度“風雲人物”——冕洞

在前文部分,我們已經提到,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,在太陽赤道附近出現的一個冕洞當屬太陽活動年度“風雲人物”。

這個冕洞在7月份便在日面生成,隨後持續膨脹、增強,並隨著太陽的周期性自轉而在日面呈現27天的自轉,多次朝向地球時,引起了8月初、9月初、 9月末、10月下旬的多次地磁暴事件,並總共引起了8天中等高能電子暴、33天小高能電子暴,佔全年高能電子暴天數的54%。

    圖8 大冕洞在8月2日、8月29日、9月26日、10月22日分別經過日面中心

圖8 大冕洞在8月2日、8月29日、9月26日、10月22日分別經過日面中心

圖9 大冕洞在8月初、9月初、9月末、10月下旬引起的地磁暴

圖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、總結與展望

2019年,太陽活動整體水平緩慢下降,甚少有爆發活動發生;地磁整體水平也持續下降,地磁暴事件逐漸減少;高能電子暴事件雖然比較活躍,發生次數和強度也有所減弱。隨著以上各個標誌性事件漸近谷底,基本上宣告第24太陽活動週已經接近尾聲。

展望2020年,我們即將迎來新的第25個活動週,預計太陽將逐漸甦醒,並開始新的爆發表演,我們期待著與您一起關注新的空間環境事件的發生。