太阳活动峰年对空间环境的影响

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1、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宄所，北京，100871）摘要：地球空间环境受太阳活动的崑接影响和控制，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，剧烈影响若地球空闾环境，木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：太阳活动岭年；地球空间环境；影响屮文图书分类号：V447.1与地球类似，太阳也有季节的年变化。只不过它一年的吋间，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

2、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B前人类航天器运行的主要区域，包括磁层、电离层和屮高层大气屮的各种环境条件。地球空间环境受太阳活动的直接影响和控制，大多数地球空间环境的变化都可以追溯到太阳

3、活动的变化。太阳活动的变化主要包括电磁辐射变化和粒子辐射变化。在太阳活动峰年，太阳黑子数最大，太阳活动变得剧烈，其产生的电磁辐射和粒子辐射增强，对地球空间环境的影响也增强，主要包括太阳质子事件和电磁辐射增强事件。当太阳爆发时，有时会伴随日冕粒子的加速和逃逸过程，使得行星际空间高能粒子通量显著增加。这些高能粒子一般以质子为主要成分，所以太阳爆发产生的高能粒子增强事件通常被称之为太阳质子事件。太阳质子事件产生的质子具有粒子能量高、通量大、持续时间长等特点。当太阳耀斑爆发时，会伴随着各种谱段的电磁辐射。本文分别从太阳活动峰年对磁层、电离层

4、和屮高层大气的影响进行论述。1、太阳活动峰年对磁层的影响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。太阳的电磁辐射变化和粒子辐射变化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，

5、向地球注入时可以达到地球静止卫星的轨道高度。磁层屮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。辎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。在太阳活动峰年，太阳活动以及对地球的影响是巨大的。在太阳峰年附近的几年，地磁暴明显增强。如图2所示。地磁活动的年每年的太200150阳黑100子教50均值01940195019601970

6、198019902000图2地磁活动与太阳黑子数的关系在太阳活动峰年期间，地磁暴的频度会出现一个双峰，分别出现在太阳黑子数最大前和后。如图3所不。太阳黑子数图3—个太阳活动周地磁暴与太阳黑子数的关系当磁暴或亚暴发生时，外辐射带中能量约为数百keV到MeV的相对论电子通量会增强2到3个数量级，如图5所示。当磁暴发生时，外辐射带高能电子通量明品增加，甚至会填满槽区。SAMPEX:electrons:>1.0MeVSAMPEX:electrons:>1.0MeV102030405060WO310320))0350)60di^ofve«(2

7、00)1davofvcai3004i图4SAMPEX卫星观测到的辐射带返晃动态变化过程—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，高能电子通景都会增加。由于高能电子通景变高，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

8、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