同自然灾害抗争是人类生存发展的永恒课题。
——————习近平

【王璐,张振霞等Front. Earth Sci.论文】基于张衡一号卫星的耀斑及太阳质子事件观测

发布时间: 2022-09-20

来源: 空间信息研究中心

       太阳爆发向空间抛射大量的物质和能量,通常以增强的电磁辐射、高能带电粒子流和高速等离子体云的形式表现出来。三种能量形式到达地球的时间不同,第一波是增强的电磁辐射,以光速运行,约8分钟到达地球;第二波是高能带电粒子流,以亚光速运行,约几十分钟到达地球;第三波是高速等离子体云,会在爆发后几天到达地球空间。这三轮攻击会造成磁层、电离层和高层大气环境的剧烈扰动,引发一系列空间天气灾害事件。
       太阳质子事件(SPEs)是太阳爆发时太阳向地球喷射大量高能带电粒子的一种现象,它通常伴随着耀斑和日冕物质抛射(CME)同时发生;这些耀斑和高能粒子具有很强的破坏性,可以影响卫星上的电子系统、电离层高频通信、GPS、甚至会对太空中的航天员造成辐射伤害。电磁监测试验卫星张衡一号于2018年2月发射入轨,卫星上搭载的高能粒子探测器(HEPP),可以提供高分辨率的地球辐射带质子、电子观测数据(HEPP-L、HEPP-H);同时,HEPP还可以监测太阳活动期间耀斑产生的X射线辐射(HEPP-X)。在本工作中,我们利用卫星太阳同步轨道的特性、可同时观测高能量分辨率的X射线和质子、电子的优势,全面分析了自发射以来的两次太阳质子事件;并结合GOES卫星X射线探测器和NOAA卫星高能粒子探测器与张衡一号的观测结果交叉对比。
       SPE有两种类型,缓变型SPE和脉冲型SPE。脉冲型SPE持续时间大约几个小时,且富含电子,主要是由耀斑驱动产生。缓变型SPE由快速的CME驱动的行星激波产生,通常富含质子。耀斑和CME通常相伴发生,因此要区分SPE的源是不容易的,很多SPE事件是由CME和耀斑共同驱动的混合型事件。太阳耀斑是指太阳大气局部区域瞬间变亮 ,还伴随有强的电磁福射和各种能段的高能粒子流。太阳耀斑爆发时,太阳X射线要先于高能粒子几小时至几天到达近地空间,利用这一时间差,可以预报预警SPE。在两次SPE发生前,HEPP-X探头均观测到X 射线耀斑爆发,且时间与GOES卫星一致。图1展示了2020年11月29日和2021年5月28日两次质子事件发生前,HEPP-X观测到X射线通量相比无耀斑发生时出现了跨数量级的增长。
       在2020年11月29日张衡一号观测到X射线显著增强一天后,11月30日10时张衡一号HEPP-L质子通量开始增加,图2(B,C,E)显示张衡一号HEPP-L段探头观测到质子通量出现显著增加,增加的质子主要分布在L值5~9的外磁层区域。图2(D)给出了同时期NOAA卫星的观测结果,NOAA观测结果与ZH-1观测结果近似一致,且质子通量在同一个数量级,ZH-1的通量略高于NOAA,这是因为ZH-1收集了来自更宽的投掷角的数据,0.1-0.3MeV电子通量未见显著增加,(见图2(E))。SPE期间注入的高能质子主要分布在>±55°的高纬度地区,图3展示了SPE期间质子的全球分布。
       除了太阳质子事件,我们还报告了一次伴有太阳质子事件、地磁暴、高能电子暴的空间灾害事件,步入第25太阳活动周后,太阳活动开始频繁起来。2021年10月28日15时35分,爆发了一次X1.1级耀斑,同时还伴随有全晕状的CME。在这次太阳活动几小时后,SPE到达了地球。几天后,11月2日,一个快速的全晕CME伴随着M1.7级耀斑被抛出,并与之前几日抛出的CME相撞,在11月4日,带来了一场大地磁暴(Dst=-101),这次地磁暴引起了高能电子暴,并观测到有高能电子注入槽区的现象(见图4)。
       张衡一号运行的轨道高度是重要的航天活动区,太阳高能粒子穿透能力强,对卫星和宇航员安全构成极大威胁,因此SPE的研究不仅具有科学意义,对空间站宇航员安全,航天任务执行、低轨道卫星安全运行都具有现实的参考意义。同时,根据本文的检验,张衡一号对在轨期间发生的耀斑和其相伴的SPE都有很好的观测,观测结果与其他卫星基本吻合。


图1 张衡一号观测的两次耀斑,左侧为2020年11月29日的M4.4级耀斑,右侧为2021年5月28日的C9.4级耀斑


图 2 张衡一号观测的2020年一次缓变型太阳质子事件

图 3 张衡一号观测的质子全球分布

图 4 2021年10月27日-11月8日的一次空间灾害事件

       这一成果发表在国际期刊Frontiers in Earth Science:


Wang L, Zhang Z, Shen X, Li X, Liang X, Zhima Z, Chu W, Guo F, Zhou N, Chen H and Wei D (2022) Effects of Solar Proton Events Associated With X-Ray Flares on Near-Earth Electron and Proton Fluxes Based on ZH-1 Satellite Observations. Front. Earth Sci. 10:895561. doi: 10.3389/feart.2022.895561