警惕太陽活動低年的空間環境

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作者：孟雪潔

中國科學院國家空間科學中心 空間環境研究預報室

關注空間環境預報的朋友們可能會發現，在近期發布的每日空間環境總結中，太陽活動水平常常出現「低水平」、「極低水平」等字眼。隨著第24活動周進入下降年，太陽活動水平不斷下降，太陽上的黑子越來越少，耀斑爆發也陷入沉寂。據統計，2016年1月至2017年4月只有13天爆發了 M 級及以上級別耀斑，其餘時間太陽活動均在低水平以下，佔總數的97%。太陽這座隨時可能爆發的「活火山」逐漸進入休眠。

圖1 太陽活動進入下降年，月平均黑子數不斷減小

太陽活動周下降段的到來，是不是意味著空間環境將會風平浪靜？未來幾年航天器在軌運行是否將高枕無憂？實際情況完全相反，在太陽活動下降年、低年，我們需要時刻警惕以下幾種空間環境現象對航天器的惡劣影響。

1、 高能電子「海嘯」

在太陽活動下降年，冕洞頻繁地登上太陽活躍的舞台。冕洞是高速太陽風的源頭，它噴出的高速等離子體流隨太陽自轉以27天左右為周期掃過地球。這些周期性出現的太陽風高速流能夠引起地球磁場強烈「地震」，在近地空間外輻射帶內掀起高能電子的「海嘯」——高能電子暴。圖2所示為同一冕洞分別在2017年2月25日、3月25日及4月21日經過日面中央時的形態變化。該冕洞噴發出的高速流到達地球，造成三月上旬、三月底至四月初、四月底至五月初近地空間高能電子通量上升幾個量級，事件持續時間最長達14天。

太空中最為繁忙的航天器軌道——地球同步軌道正好位於外輻射帶內，高能電子暴期間，軌道上激增的「殺手電筒子」能夠穿透衛星的外殼屏蔽，在內部器件上沉積，損壞衛星材料，破壞電子器件，嚴重時甚至導致衛星報廢。近十多年來，多顆衛星由於這種深層充電效應引發衛星故障和失效，造成了巨大的影響。例如，1998年5月19日的高能電子暴造成美國 GALAXY-4 通訊衛星由於內部充電而失效，造成美國80％的尋呼業務的損失，無數的通訊中斷，並使金融交易陷入混亂。

圖2 同一冕洞分別在2017年2月25日、3月25日及4月21日經過日面中央

2、 沉降電子「暴雨」

在地球兩極附近的高層大氣中，長期存在著從空間沉降進入的高能帶電粒子。空間環境活躍的時候，這些沉降粒子如同「暴雨」一般落入地球，在電離層與大氣分子、原子作用，引起變幻莫測、絢麗多彩的極光現象。然而與此同時，衛星如果經過這片區域，「暴雨」中的電子就會附著到衛星的外殼上，改變衛星表面電位，電荷累積到一定程度便會引發衛星表面的靜電放電。這种放電輕則影響到衛星上攜帶的有效載荷，重則會危及其在軌安全。高傾角的低地球軌道衛星常常會穿越這一危險區域，其中包括與我們日常生活息息相關的對地觀測衛星、測地衛星、通信衛星等。

值得注意的是，衛星遭受電子「暴雨」襲擊，並不意味著負電荷能夠無限地在衛星表面累積。低軌衛星位於電離層之內，這裡充斥著溫度較低的電離層等離子體。當衛星表面受到沉降電子轟擊電位降低時，電離層中帶正電的低溫離子會受衛星表面吸引，與負電荷中和並緩解表面的負充電，保護衛星免受表面充電效應影響。

圖3 沉降電子在衛星表面沉積，電離層離子緩解表面充電電位

不幸的是，在太陽活動低年時，太陽極紫外輻射通量降低。它的降低會造成電離層電離降低，進而導致正電荷「補給」不足，這時被負電荷「侵害」的衛星發生表面靜電放電星的幾率又再次增大，衛星故障的危險係數將大大提高。圖5所示為1989年至2001年低軌衛星 DMSP 發生表面充電事件的概率（實線）和太陽黑子數（虛線）隨時間的變化情況。從圖中可以看到，在太陽活動低年，表面充電事件發生率高，反倒是在太陽活動高年，表面充電事件發生率低，兩者的總體變化趨勢呈現了相反的關係。

圖4 太陽極紫外輻射隨太陽活動呈周期性變化

圖5 1989年至2001年低軌衛星 DMSP 發生表面充電事件的概率（實線）和太陽黑子數（虛線）隨時間的變化情況

3、 銀河宇宙線「偷襲」

衛星運行期間，除了受太陽活動、地磁活動影響之外，還暴露在來自銀河系的高能宇宙線中，這些宇宙線起源於太陽系之外，主要由質子（約佔87%）、 α 粒子（約佔12%）和其他各種原子核組成。銀河宇宙線能量極高，可以達到 GeV 量級，是引起航天器單粒子效應的原因之一。銀河宇宙線高能粒子在穿過微電子器件的靈敏結時會沉積能量、產生電荷，這些電荷被器件電極收集後，可能造成器件邏輯狀態的非正常改變，威脅航天器在軌安全。此外在載人航天任務中，銀河宇宙線也是航天員人體輻射防護的重點。舉例來說，國際空間站上航天員受到的輻射劑量當量有75%至85%（鋁屏蔽厚度10 cm 至2 cm ）來自銀河宇宙線。

那麼太陽活動強弱對銀河宇宙線的影響如何呢？這得從源自太陽的行星際磁場說起。在太陽活動高年，太陽磁場也較強，稠密的磁場會把宇宙射線粒子阻擋在太陽系外部，也就自然的形成了一道安全的屏障。而太陽活動低年時，太陽磁場較弱，銀河宇宙線就會「趁虛而入」。圖6反映了在不同的太陽活動時期，行星際磁場對銀河宇宙線的阻擋作用。如圖可見，受到太陽活動周的影響，宇宙線強度變化也表現出明顯的11年的周期變化。太陽活動高年時行星際磁場的作用增強，太陽系內部的銀河宇宙線強度較弱，相反在太陽活動低年銀河宇宙線強度達到峰值，其結果就是在人類空間活動頻繁的地球周圍造成負面影響。

圖6DeepRiver 宇宙線台中子計數率隨太陽活動水平的變化

未來幾年我國將加速推進太空探索的步伐，隨著越來越多的航天器進入太空，我們更不應該對空間環境掉以輕心。太陽活動低年的空間天氣環境複雜多變，需要我們加強對空間環境的日常監測和預報，為航天任務保駕護航。

作者：孟雪潔中國科學院國家空間科學中心 空間環境研究預報室

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