作者：李志濤 陳善強

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心

空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點實驗室

通俗地講，太空環(huán)境又稱空間環(huán)境，是太陽-地球空間中能夠?qū)θ祟惿罨蚣夹g(shù)系統(tǒng)造成影響的所有物質(zhì)條件的總和?？臻g環(huán)境是除陸地、海洋和大氣以外人類生存的第四個環(huán)境。

空間環(huán)境中所說的空間范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(qū)域，而空間環(huán)境災(zāi)害性事件的發(fā)生源頭主要來自于太陽。當(dāng)太陽產(chǎn)生爆發(fā)活動時，可能引起太陽質(zhì)子事件、地磁暴、高能電子暴等一系列空間災(zāi)害性事件，從而可能會對人類的航天系統(tǒng)、無線電鏈路系統(tǒng)、電力和能源系統(tǒng)等產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2019年，已經(jīng)到第24太陽活動周的末期，太陽活動水平較低，很少發(fā)生太陽爆發(fā)活動。不過，太陽冕洞仍然時不時引起一些地磁暴事件，而發(fā)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(huán)境。

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(xiàn)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(biāo)識，是引發(fā)太陽爆發(fā)活動的最重要源頭。當(dāng)我們處于太陽活動高年時，太陽公公就像長了雀斑，臉上常常有許多黑子。而當(dāng)我們處于太陽活動低年時，太陽的臉又像美白過一樣，干干凈凈。

圖1 太陽活動高年和低年的太陽

2019年，介于第24/25太陽活動周的交替期，已經(jīng)到第24太陽活動周的末期，即將迎來新的第25太陽活動周。太陽黑子數(shù)已經(jīng)徹底降到了谷值。其月均值在7-11月份均低于1，在2月份甚至為0。而表征太陽輻射水平的太陽F10.7指數(shù)月均值也降低到了67sfu，處于歷史低值附近。

圖2 第24和25太陽活動周的太陽黑子數(shù)

2019年太陽黑子數(shù)的年均值為3.7，相對于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

隨著太陽活動水平的持續(xù)降低，太陽上的黑子活動區(qū)個數(shù)也大大減少，無黑子日（即太陽表面一個黑子也沒有）持續(xù)出現(xiàn)。全年太陽上出現(xiàn)的黑子活動區(qū)個數(shù)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的時間里沒有太陽黑子出現(xiàn)。

太陽黑子的減少也意味著太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射等太陽爆發(fā)活動的減少。2019年僅產(chǎn)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(chǎn)生。其中編號為AR2740和AR2743的兩個黑子活動區(qū)各產(chǎn)生了12個C級耀斑。5月15日，黑子活動區(qū)AR2741爆發(fā)了最后一個C2級耀斑，隨后太陽便陷入了死寂，連C級耀斑也沒有了。2019年也沒有觀測到太陽質(zhì)子事件。

圖3 2019年太陽X射線流量（表征耀斑）和太陽質(zhì)子流量（表征質(zhì)子事件）

圖4 2019年太陽爆發(fā)活動比較

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(xiàn)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(huán)境事件。它能引起磁層、電離層和中高層大氣等環(huán)境的強烈變化，從而對航天器產(chǎn)生各種危害。對低軌道航天器來說，地磁暴后引起的大氣密度增加能夠?qū)е麓髿庾枘岬脑鰪?，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(yù)測的誤差。

人們利用各種指數(shù)描述地磁活動，最常用的包括Ap、Kp、Dst指數(shù)等，其中Ap和Kp指數(shù)用于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(biāo)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(shù)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(shù)年均值僅為6.9，比2018年低了11.5%，Ap≥15的天數(shù)僅為22天，比2018年少了16天。

表2 2017-2019年地磁活動比較

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

表3 2019年地磁暴天數(shù)統(tǒng)計

一般來說，地磁暴的源可分為兩種：日冕物質(zhì)拋射（CME）和冕洞高速流（CHH）。其中，CME具有偶發(fā)性和強烈性，多產(chǎn)生于太陽活動高年，引發(fā)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(zhuǎn)具有27天的周期性，在太陽活動低年占主導(dǎo)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(fā)的日面物質(zhì)拋射卻引起了全年唯一的大地磁暴事件。

圖5 5月份的日冕物質(zhì)拋射引發(fā)了2019年唯一的大地磁暴

圖6 2019年地磁Ap指數(shù)和Kp指數(shù)

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

高能電子暴——“殺手”電子永不缺席

高能電子暴，是指發(fā)生在地球外輻射帶區(qū)域的高能電子通量突然增強數(shù)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(yán)重的。就像原子彈爆炸產(chǎn)生的放射性物質(zhì)，可以滲透到人類體內(nèi)一樣，高能電子則可以穿透航天器儀器表面進(jìn)入到內(nèi)部傳輸，造成深層充電等效應(yīng)，使航天器產(chǎn)生錯誤動作，從而引起航天器的異?；蚬收希鼑?yán)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(dǎo)航衛(wèi)星影響最大，其次是同步軌道衛(wèi)星。近年來，多顆衛(wèi)星由于深層充電效應(yīng)引發(fā)衛(wèi)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(qū)”等字眼蒙蔽了雙眼，放松對高能電子暴的警惕。由于受太陽活動的調(diào)制，在太陽活動周的下降段，高能電子暴發(fā)生頻次比較高——“殺手”電子永不缺席。

2019年，有66天發(fā)生小高能電子暴，10天發(fā)生中等高能電子暴，沒有強高能電子暴，高能電子暴總天數(shù)為76天，占全年總天數(shù)的21%。

表4 2019年高能電子暴天數(shù)統(tǒng)計

在2019年，曾出現(xiàn)多次持續(xù)多天的高能電子暴。8月6日-11日，高能電子暴持續(xù)了11天，日積分通量最大為1.1E+09個/cm 2 .sr.day。8月31日-9月12日，高能電子暴持續(xù)了13天，日積分通量最大為2.9E+09個/cm 2 .sr.day，接近強高能電子暴事件閾值。

圖7 2019年高能電子暴占比

年度“風(fēng)云人物”——冕洞

在前文部分，我們已經(jīng)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(xiàn)的一個冕洞當(dāng)屬太陽活動年度“風(fēng)云人物”。

這個冕洞在7月份便在日面生成，隨后持續(xù)膨脹、增強，并隨著太陽的周期性自轉(zhuǎn)而在日面呈現(xiàn)27天的自轉(zhuǎn)，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，并總共引起了8天中等高能電子暴、33天小高能電子暴，占全年高能電子暴天數(shù)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(jīng)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

總結(jié)與展望

2019年，太陽活動整體水平緩慢下降，甚少有爆發(fā)活動發(fā)生；地磁整體水平也持續(xù)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(fā)生次數(shù)和強度也有所減弱。隨著以上各個標(biāo)志性事件漸近谷底，基本上宣告第24太陽活動周已經(jīng)接近尾聲。

展望2020年，我們即將迎來新的第25個活動周，預(yù)計太陽將逐漸蘇醒，并開始新的爆發(fā)表演，我們期待著與您一起關(guān)注新的空間環(huán)境事件的發(fā)生。