深知身在情長在，前塵不共彩云飛。7小時前
來源：微信公眾號“科學大院” 作者：劉方華
太空，是人造地球衛(wèi)星、飛船、航天飛機、空間站等航天器的飛行區(qū)域，是人類開發(fā)和利用太空資源的主要活動領域，也是危害人類活動與生存環(huán)境的空間環(huán)境災害事件的直接發(fā)生地。
空間環(huán)境災害性的變化來自于太陽，也就是太陽風暴。災害性的空間天氣會對航天系統(tǒng)、無線電鏈路系統(tǒng)、電力和能源系統(tǒng)以及軍事系統(tǒng)產生嚴重影響，還會對地面天氣和氣候系統(tǒng)產生較明顯的影響。而空間環(huán)境研究的主要內容是對太陽活動和其近地區(qū)域及其系統(tǒng)造成的影響進行研究。
2018年，太陽活動水平仍是穩(wěn)中有降，鮮有爆發(fā)活動發(fā)生。冕洞仍是地磁活動擾動的主要源頭，但是威力卻大大減小。高能電子暴依然獨占鰲頭，頻繁發(fā)生。下面我們就一起回顧這一年波瀾不驚的空間環(huán)境……
平靜的太陽：全年224天沒有黑子
2018年，太陽活動整體水平完美扮演著第24太陽活動周下降段的角色，從年頭至年尾，穩(wěn)步而緩慢地下降著。圖1是我們利用相似周方法給出的24周的太陽活動預報結果，2018年處于太陽活動周的下降段，預計本太陽活動周將在2019-2020年結束，還有1-2年的時間。
圖1 第24活動周F10.7平滑月均值的實測與預報值
從2018年1月到12月，太陽黑子月均值有升有降，除2月、5月和6月超過10以外，其余月份均在個位數(shù)，7月份，太陽黑子數(shù)月均值只有0.4。太陽F10.7月均值已下降至70SFU（SFU，Solar Flux Units，太陽通量單位）。
太陽黑子數(shù)和F10.7年均值相比較于2017年，都有明顯的下降，分別為6.4和70.0sfu，相對2017年分別下降了67%和9.3%（表1）。
隨著太陽活動水平的降低，日面上活動區(qū)個數(shù)大大減少，無黑子日持續(xù)出現(xiàn)，相應的太陽爆發(fā)活動變得稀少。全年日面上出現(xiàn)的活動區(qū)個數(shù)僅為37個，比2017年減少了46%；2018年無黑子日為224天，一年中有近三分之二的時間里太陽上沒有黑子出現(xiàn)。
由于太陽黑子是太陽爆發(fā)活動的源頭，太陽黑子的減少，自然意味著太陽耀斑等爆發(fā)活動的減少。2018年僅僅產生了13個C級耀斑，沒有M級耀斑產生，更沒有X級耀斑產生（表1）。2018年也沒有觀測到太陽質子事件（圖2）。
圖2 2018年的太陽X射線流量與質子流量（GOES衛(wèi)星觀測）
波瀾不驚的一年，符合我們的預期，沒有驚喜，更沒有意外。
圖3 太陽爆發(fā)活動比較
地磁活動：偃旗息鼓
在太陽的帶動下，2018年的地磁活動水平表現(xiàn)同樣波瀾不驚。從地磁活動標識的多個指標看，地磁活動比2017年明顯下降（表2）。
從2018年1月到12月，地磁Ap指數(shù)月均值除了8月和9月超過10以外，其余月份均在6-8之間波動。
地磁Ap指數(shù)年均值僅為7.8，比2017年低了32%。
而Ap≥15的天數(shù)僅為38天，比2017年少了50天。
2018年地磁暴級別較弱，以中小地磁暴為主（表5），全年發(fā)生小地磁暴（Kp=5）的天數(shù)為24天，中等地磁暴（Kp=6）的天數(shù)為6天，僅有1天發(fā)生了大地磁暴（Kp=7、8）。
圖4 2018年地磁Kp指數(shù)與Ap指數(shù)
為什么今年的地磁如此之弱，是不是隨著太陽活動的下降就此走向沒落？我們知道，影響地磁活動的源頭主要是冕洞和日冕物質拋射（CME），2018年的太陽活動非常微弱，沒有大的爆發(fā)活動，于是冕洞就成了引起地磁擾動的主要源頭，所以一整年的地磁擾動都比較微弱，但是很小的一次爆發(fā)活動也能引起較強的地磁擾動，2018年發(fā)生的唯一的大地磁暴事件就是由一次弱CME和冕洞的共同作用引起的。后文我們將重點回顧一下這次大地磁暴事件。
衛(wèi)星殺手高能電子暴：2018的強者
2018年，高能電子暴不斷發(fā)生。全年共有89天發(fā)生小高能電子暴，13天發(fā)生中等高能電子暴，3天發(fā)生強高能電子暴，高能電子暴總天數(shù)達到了105天，接近全年總天數(shù)的30%。
圖5 2018年高能電子暴占比
高能電子暴受太陽活動的調制，來自太陽的CME和冕洞高速流都能夠引發(fā)高能電子暴，統(tǒng)計上看，太陽活動的下降段和上升段，尤其是下降段，高能電子暴發(fā)生頻次比較高。
在這一年當中，曾經多次出現(xiàn)持續(xù)多天（最長持續(xù)時間12天）的高能電子暴。同時，出現(xiàn)了久違的強高能電子暴。2018年8月28-30日，地球同步軌道大于2MeV 高能電子日積分通量連續(xù)三天超過強高能電子暴事件閾值（3.0E+09 個/cm2·sr·day），達到紅色警報等級，高能電子日積分通量分別為3.5E+09個/cm2·sr·day、3.1E+09個/cm2·sr·day、3.2E+09個/cm2·sr·day。而上一次發(fā)生強高能電子暴事件還要追溯到2010年（2010年4月7日發(fā)生強高能電子暴，日積分通量為5.4E+09個/cm2·sr·day）。
高能電子暴發(fā)生在外輻射帶區(qū)域，運行在這一區(qū)域的衛(wèi)星包括地球同步軌道衛(wèi)星、中軌道導航衛(wèi)星等。高能電子暴發(fā)生時，衛(wèi)星軌道上激增的高能電子穿透衛(wèi)星的表面屏蔽層，在衛(wèi)星內部介質中沉積時，就會形成內部電場。當電荷所產生的內部電場超過介質的擊穿閾值，將產生靜電放電。靜電放電的脈沖可以形成偽信號，使衛(wèi)星錯誤動作，從而引起故障；更嚴重的放電可造成電路擊穿，導致衛(wèi)星失效。這種現(xiàn)象也被稱為深層充電效應。
深層充電對導航衛(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引發(fā)衛(wèi)星故障和失效，造成了巨大的影響。1994年加拿大Telesat公司的Anik E1和E2衛(wèi)星相繼出現(xiàn)故障，罪魁禍首就是冕洞高速流引發(fā)的高能電子暴；1997年1月6-11日高能電子暴造成TELSTAR-401通訊衛(wèi)星失效，損失高達7.12 億美元；1998年5月19日，高能電子暴導致GALAXY-4通訊衛(wèi)星失效，它造成美國80％的尋呼業(yè)務的損失，無數(shù)的通訊中斷，并使金融交易陷入混亂。另外，Equator-S衛(wèi)星于1998年5月1日受空間環(huán)境中高能電子通量升高的影響而失效。
2018年唯一的大地磁暴事件
在太陽活動下降年份，雖然日冕物質拋射日益少見，冕洞高速流卻是引發(fā)地磁擾動的主要源頭。而2018年的冕洞表現(xiàn)并不是那么搶眼，太陽上發(fā)生的一次小小日冕物質拋射，就吸足了觀眾的眼球。
2018年8月20日（世界時），日面上爆發(fā)了一次并不起眼的弱CME（圖6），這個弱小的CME經過大約5天的長途奔襲，在8月25日到達地球附近，引起地磁強擾動。8月25～28日期間，地磁有6小時達到大磁暴水平，9小時達到中等地磁暴水平，12小時達到小磁暴水平，12小時達到活躍水平，26日Ap指數(shù)達到76，為2018年的最高值。地磁暴會使磁層的粒子沉降到地球大氣，引起大氣加熱，使高層大氣密度急劇增加，增大衛(wèi)星的大氣阻力，影響衛(wèi)星定軌和軌道壽命。
地磁暴過后，地球同步軌道大于2MeV高能電子通量在8月26～31日達到高能電子暴水平，其中28～30日達到強高能電子暴水平，為2010年4月發(fā)生的強高能電子暴以來的首次強高能電子暴（圖7）。
此次事件將2018年的地磁擾動推向了高潮，也讓人們看到了久違的強高能電子暴。預報中心針對這一事件，通過網(wǎng)站、微信公眾號、電話等渠道發(fā)布預報、警報、通報和要聞等信息，讓公眾和各類衛(wèi)星用戶及時了解和掌握事件的進展，規(guī)避事件可能帶來的危害。
圖6 2018年8月21日STEREO A看到的日冕物質拋射
圖7 2018年8月26-30日發(fā)生地磁暴和強高能電子暴
2019會怎樣？
2018年，太陽活動整體水平繼續(xù)穩(wěn)步緩慢地下降著，鮮有爆發(fā)活動發(fā)生。地磁活動整體水平則繼續(xù)下降；高能電子暴最為活躍，出現(xiàn)了久違的強高能電子暴。
展望2019年，隨著第24太陽活動周趨于末端，預計太陽的爆發(fā)活動將進一步減少，但并不能排除低年偶發(fā)的太陽活動爆發(fā)，冕洞引起的地磁暴和高能電子暴也還會發(fā)生。太陽并不會甘于寂寞，
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