2017年空間環境盤點

過去的2017年，已經接近第24太陽活動周下降期的末端。太陽活動水平雖然在穩步下降，但卻在去年9月爆出了一個大煙花——「中元節事件」。而幾個大冕洞輪番襲擾地球磁場，讓地磁活動也不甘寂寞。我們更不能忽略的是頻繁發生的高能電子暴。下面我們一起回顧這一年仍不算太平的空間環境……

1.第24太陽活動周的末端越來越近了

眾所周知，太陽活動具有11年左右的周期性。我們現在所處的第24太陽活動周，開始於2008年12月，截至目前已經過去了9年出頭。距離平均數11年，僅剩2年左右。當然，這僅僅基於簡單的歷史統計，得到的結論過於粗糙。我們利用相似周方法進一步給出第24太陽活動周的預報結果。鑒於本太陽活動周與第12和14太陽活動周活動水平相當、走勢相似，在預報中，我們以這兩個太陽活動周作為相似周，圖1給出了預報結果。預計本太陽活動周將在2019-2020年結束，還有2-3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

2.太陽活動整體穩步下降，但仍有偶發大事件

（1）整體水平

在2017年，太陽活動整體水平完美扮演著太陽活動周下降段的角色，從年頭至年尾，穩步而緩慢地下降著。

從2017年1月到12月，太陽黑子月均值從28下降至7，太陽 F10.7 月均值從77 sfu 下降至72 sfu 。

太陽黑子數和 F10.7 年均值都有一定的下降，分別為19.4和77.2 sfu ，相對2016年分別下降了47%和13%。

（2）爆發情況

日面上的黑子越來越少，無黑子日持續出現，相應的太陽爆發活動變得稀少。

全年日面上出現的活動區個數僅為69個，比2016年減少了54%；無黑子日增加到了105天，比2016年增加了2倍，相當於一年中有近三分之一的時間裡太陽上沒有黑子出現。

圖2 無黑子日越來越多

由於太陽黑子是太陽爆發活動的源頭，太陽黑子的減少，自然意味著太陽耀斑等爆發活動的減少。2017年共爆發了243個 C 級耀斑，比2016年減少了24%。

但是，例外出現了，2017年爆發了39個 M 級耀斑，比2016年增加了20多個。此外，更是爆發4個 X 級耀斑！而這在2016年是不曾有的。

進一步地，2017年發生了4次太陽質子事件，其中1次大質子事件，1次中等質子事件。而2016年僅僅發生一次小質子事件。

是不是覺得有點反常？

其實，這一點也不意外。這些異常的根源，就是黑子群 AR2673 這個大怪物的出現。它在9月份爆發的「中元節事件」中，共爆發了27個 M 級耀斑、4個 X 級耀斑，引起了大太陽質子事件等一系列空間環境事件。

圖3 黑子群 AR2673 的演化（8月29日-9月10日）

該事件在歷史上留下了濃重的一筆，在後面的章節我們將單獨回顧。

3.地磁活動比較堅挺，不甘就此結束

相對於太陽活動，2017年的地磁活動水平僅僅比2016年略有下降。從地磁活動標識的多個指標看，與去年相比，本年度地磁活動減弱趨勢並不明顯。

從2017年1月到12月，地磁 Ap 指數月均值從10下降至8。

地磁 Ap 指數年均值為11.5，僅比2016年低1%。

而 Ap ≥15的天數為88天，也與2016年基本相當。

為什麼今年的地磁如此強勢，不甘隨著太陽活動的下降就此走向沒落？

根據統計，在一個活動周中，地磁活動的演化比太陽活動有一定的滯後性，約1年左右。太陽活動先下降後，地磁活動才會在一年後扭扭捏捏的下降。並且，基於過去多個太陽活動周的地磁活動走勢，我們的預測顯示目前的地磁活動仍然處在本活動周相對較高的水平。

圖4 第24活動周 Ap 指數平滑月均值實測與預報值

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地磁擾動的主要源頭。而2017年的冕洞又比較給力，多個大冕洞曾賴在太陽上不舍離去，再加上下半年大黑子群 AR2673 這個奇葩的大爆發，都給了今年地磁活動硬氣的理由。

圖5 2017年代表性冕洞和 CME

在地磁暴方面：小或中等磁暴（Kp=5、6）時段為142個，大磁暴（Kp=7、8）時段為7個。其中，本年度中最強的地磁暴由 CME 引發，發生在9月8日， Ap 指數為96。

4.高能電子暴——舞台真正的大咖

2017年，高能電子暴不斷發生。全年共有129天發生小高能電子暴，22天發生中等高能電子暴，高能電子暴總天數達到了151天，已經超過一年時間的40%。

圖6 2017年高能電子暴佔比

在這一年當中，曾經多次出現持續多天的高能電子暴。不過，仍然無強高能電子暴發生，這就只能歸罪於本活動周的弱勢了。

圖7 7-9月份期間的高能電子滑動積分通量

參照過去兩個活動周，目前仍然處在本活動周高能電子暴的高發期。

圖8 第22-24活動周高能電子暴發生次數分布圖

5. 2017年代表性空間環境事件

（1）橫跨多個太陽自轉周的大冕洞

由於太陽具有約27天的自轉周期性，而日面上的冕洞在日面上存在的時間較長，因此隨著太陽自轉其引起的地磁擾動同樣具有約27天的重現特徵。

在2017年，有多個冕洞持續超過3個太陽自轉周。其中有個大冕洞1月起多次影響地球磁場，重現了6個太陽自轉周。該冕洞在2-4月份面積持續較大，南北幾乎橫跨太陽南半球、東西跨越幾十度，分別在1月31日-2月3日、3月1-4日、3月27日-4月1日、4月21-24日引起了地磁暴。

圖9 典型大冕洞及其引起的地磁暴

（2）中元節事件

太陽爆發活動是偶發性事件，即使在太陽活動下降年也需要警惕強烈太陽活動的爆發。而9月份爆發的「中元節事件」，就是這樣活生生的例子。

該事件的源頭就是我們前文提到的大黑子群 AR2673 。

圖10 黑子 AR2673

在9月4日—10日，AR2673 共爆發了多個大耀斑。其中，比較有代表性的三次爆發：9月4日20:28爆發的 M5.5 級耀斑、6日11:53爆發的 X9.3 級耀斑、10日15:35爆發的 X8.2 級耀斑，都對地球空間環境產生了比較明顯的影響。

圖11 9月4-10日的耀斑爆發

M5.5 級耀斑：伴隨有高能粒子的噴發，引發了中等太陽質子事件。伴隨的全暈日冕物質拋射，導致地球發生十幾個小時的地磁活躍。

圖12 9月5日開始的中等質子事件

X9.3 級耀斑：是第24太陽活動周以來最大級別的耀斑，而上次出現超過這種級別的耀斑還要追溯到2005年。該耀斑的爆發伴隨的高能粒子噴發，導致地球同步軌道的中等太陽質子事件持續至9月8日。該耀斑伴隨的日冕物質拋射，導致地球發生十幾個小時的大地磁暴。

圖13 9月7-8日的大地磁暴

X8.2 級耀斑：該耀斑的爆發，伴有強烈高能粒子的噴發，導致發生大質子事件，其中大於10 MeV 的高能質子最高通量達到1490 pfu 。伴隨的偏暈日冕物質拋射，引起了小地磁暴。

圖14 受太陽質子事件影響的 LASCO 觀測圖像

圖 15 9月10-12日的大質子事件

7.總結與展望

回頭看2017年，太陽活動整體水平繼續穩步緩慢地下降著，但偶發的大爆發活動還是引起了一系列空間環境事件；地磁活動整體水平則僅僅略有下降，這是由於其演化的滯後性造成的；高能電子暴最為活躍，正是其表演的時機。

往前望2018年，隨著第24太陽活動周趨於末端，預計太陽的爆發活動將進一步減少，但空間環境是不甘寂寞的，地磁暴和高能電子暴會常常騷擾地球。期待著與您一起關注！

來源：中國科學院國家空間科學中心

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