太阳活动峰年对空间环境的影响.docVIP

太阳活动峰年对地球空间环境的影响 于向前 （北京大学 地球与空间科学学院 空间物理与应用技术研究所，北京，100871） 摘要：地球空间环境受太阳活动的直接影响和控制，在太阳活动峰年期间，太阳会爆发出强烈的带电粒子辐射和电磁辐射，剧烈影响着地球空间环境。本文分别从太阳活动峰年对磁层、电离层和中高层大气的影响进行论述。 关键词: 太阳活动峰年；地球空间环境；影响 中文图书分类号：V447.1 与地球类似，太阳也有季节的年变化。只不过它一年的时间，也就是通常所说的一个太阳活动周期，是我们的11倍。太阳活动周期通常用太阳黑子数来定义。通常将太阳黑子数最小的年定义为太阳小年，将太阳黑子数最大的年定义为太阳大年，或者峰年。希腊科学家Theophrastus在公元前325年第一次确认了太阳黑子的存在，并指出太阳既不是无特色的也不是一成不变的。在随后的几个世纪，科学家采用简单的太阳投影的方法对太阳黑子进行观测，并记录下来并做成了图表。在最近的300年，太阳黑子的平均数以大约11年的周期变化，见图1。 图1 太阳黑子数随年代的变化 地球空间环境是目前人类航天器运行的主要区域，包括磁层、电离层和中高层大气中的各种环境条件地球磁场近似于偶极子磁场，太阳风将地磁场屏蔽在地球周围的一定空间范围内，形成地球磁层。它从距地表面 600～1000公里处开始向远处空间延伸，其外边界称为磁层顶，朝向太阳，磁层顶离地面的距离为地球半径的 8～11倍。磁层的形状在向太阳的一面很像一个略被压扁的半圆球，背向太阳的一面有一个很长的近似于圆柱形的尾部，称为磁尾。太阳的往往会引起地球磁层的剧烈变化，有时还会发生磁层暴和磁层亚暴。在磁层亚暴时，磁尾的等离子体片中会出现3～200千电子伏的高能等离子体，向地球注入时可以达到地球静止卫星的轨道高度。磁层中还存在着高能带电粒子,其相对密度较大的聚集区域称为地球辐射带,又称范爱伦辐射带。地球辐射带分为内辐射带和外辐射带，内辐射带主要由能量为几到几十兆电子伏的高能质子组成，外辐射带主要由能量为几十到几百千电子伏的高能电子组成。辐射带高能粒子的通量较大，是引起航天器的一些材料、器件和人体辐射损伤的主要原因。 图4 SAMPEX卫星观测到的辐射带边界动态变化过程--高能电子在内辐射带，外辐射带和辐射带槽区的时间空间演化。左右图表明两类不同新辐射带（槽区注入）的形成。 87%的磁暴发生时，高能电子通量都会增加。由于高能电子通量变高，它们可以直接穿透航天器外部的屏蔽层，沉积在电介质内，如同轴电缆或电子线路板等器件。这些电荷产生的电场有可能超过介质的击穿阈值，产生静电放电，从而造成航天器某些部件的损毁，最终导致航天器完全失效。近年来多起的航天器失效都是由于高能电子在航天器内部产生的静电充电和放电所引起的，因此高能电子又被称为卫星的“杀手”电子。 外辐射带电子通量变化的时间尺度很宽，有几个准周期变化，如太阳周期变化（在太阳活动极大年出现最大通量）、半年变化（在春季和秋季出现最大通量）和27天太阳旋转周期变化以及在更短时间内的剧烈变化，这些变化是由太阳或行星际条件的变化所驱动的。卫星观测到这样一个趋势：太阳风的速度越高，外辐射带电子通量增加越多。然而这种关系随着行星际磁场方向的变化而改变（在行星际磁场南向时，这一关系更明显）。这一关系也受季节调制，在季节分点具有最高效率。而当太阳耀斑、日冕物质抛射（CME）和行星际激波等太阳爆发现象发生时，太阳爆发时喷射出的等离子体结构，大尺度南向行星际磁场与磁层相互作用，会引起地磁场较长时间的强烈扰动，产生地磁暴。严重的地磁暴多数是在CME伴随的太阳风高速流的驱动下，并由增强行星际南向磁场与磁层相互作用产生的，大磁暴多数出现在CME发生频繁的太阳活动高年。在太阳活动的下降期，许多中小型磁暴有明显的27天重现性，这一类磁暴是与行星际共转相互作用区密切相关的。磁暴期间大量高能粒子的动力学会发生变化，高能电子辐射通量会突增，部分区域减小。 太阳活动峰年对电离层的影响 电离层大约从距地面60公里处开始，太阳的电磁辐射和粒子辐射使大气的中性成分部分或全部电离，成为电子和正离子，构成电离层。电离层的电子浓度随高度而变化,还常出现几个极值区，称为“层”，有D层、E 层和F(F1+F2)层。电离层的电子浓度还随昼夜、季节、纬度和太阳的活动而变化。参考文献： Solar Maximum, Space Environment Center 325 Broadway, Boulder, CO 80303-3326 Gary Heckman, 1999 [2] 涂传诒日地空间物理学 北京科学出版社 1988.10 [3] 焦维新 北京出版社.1 [4] 李福林，《军事空间天气》（军事大百科全书第二版），军事科学出版社，