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太空环境又称空间环境，是日地空间中能够对人类技术系统或日常生活造成影响的所有物质条件的总和，是除陆地、海洋和大气以外人类生存的第四环境。空间环境的范围通常指从地面上几十公里高度以上到太阳的广大宇宙区域。空间环境灾害性事件可能会对人类航天系统、无线电链路系统、电力和能源系统等带来严重的影响。

2021年正处于第25活动周的上升期，太阳活动水平逐步上升，太阳爆发活动频繁发生，太阳质子事件开始发生，日冕物质抛射和冕洞时不时引起磁暴事件，而发生在地球同步轨道附近的高能电子暴事件则略有减少。

下面，我们就一起回顾一下2021年波澜壮阔的空间环境。

01

逐渐雄起的太阳

空间环境发生扰动的主要源头来自于太阳。当太阳产生爆发活动时，伴随喷发海量高能粒子物质，很可能引起电离层突然骚扰、太阳质子事件、地磁暴、高能电子暴、大气密度剧增等一系列灾害性事件。

2021年正处在第25太阳活动周的第2年，太阳活动整体水平正在逐步上升。截至2021年6月，太阳黑子数月均平滑值已经上升至27.8；截至2021年12月，太阳黑子数则上升至67.6。同时，截至2021年6月，太阳F10.7指数月均平滑值上升至81.3sfu；截至2021年12月，太阳F10.7指数月均值上升至102.9sfu。

图1: 第24和25太阳活动周的太阳黑子数实测与预测值

解释一下，这里提到的太阳黑子，是指太阳光球表面磁场聚集的地方，是太阳表面可以看到的最突出的现象。肉眼看起来，太阳黑子比周围暗，像一个个小小的斑点。太阳黑子是太阳活动的一个重要标识，是引发太阳爆发活动的最重要的源头。太阳F10.7 (10.7 cm solar radio flux)，指的是地球观测到的波长为10.7cm的太阳电磁辐射流量，表征太阳EUV辐射水平的高低。

图2: 2021年出现的典型大黑子AR2835和AR2916（超过了500个太阳面积单位）

随着太阳活动水平的逐步上升，太阳上的黑子日益频繁地出现，太阳黑子的数量快速增多。根据统计显示，2021年太阳黑子数的年均值为30，是2020年的3.7倍；而F10.7年均值为82，相对于2020年上升了11%。全年太阳上出现的黑子活动区个数为131个，是2020年的3.2倍。太阳无黑子日仅为64天，主要出现在年初的几个月。

表1 2019-2021年太阳活动比较

图3: 2021年太阳X射线流量（表征耀斑）和太阳质子流量（表征质子事件）

太阳黑子的增多也意味着太阳耀斑、日冕物质抛射等太阳爆发活动的增多。在2021年，太阳共爆发了407个C级耀斑，28个M级耀斑，2个X级耀斑。无论是爆发次数，还是爆发强度，都远远超过了2020年，寓示着太阳活动的快速上升，也寓示着灾害性空间环境事件的增加。比如在2021年，太阳耀斑引发了2次小太阳质子事件。

02

时而闪耀的地磁活动

地磁暴是一种剧烈的全球性地球磁场的扰动现象，也是一种恶劣的空间环境事件，能引起磁层、电离层和中高层大气等环境的强烈变化，这些变化会对卫星等产生直接和间接的影响。比如，地球同步轨道卫星如果暴露在磁层顶以外，可能遭受复杂的行星际粒子的直接冲击，威胁到卫星的姿态控制；地磁暴后引起的大气密度增加能够导致大气阻尼的增强，引起低轨道卫星的轨道快速衰减，从而影响卫星飞行寿命。

科学家们会利用各种指数描述地磁活动，其中最常用的包括Ap、Kp、Dst指数等。其中Ap和Kp指数用于对全球地磁活动的测量。

2021年，地球磁场的整体扰动水平仍然比较低，地磁活动水平比2020年有了比较明显的上升。地磁Ap指数年均值为8.1，比2020年高了33%。Ap≥15的天数为39天，是2020年的2倍多。2021年地磁暴级别逐渐提高，从标示地磁暴水平高低的Kp指数上来看，全年发生中小地磁暴（Kp=5或6）的天数为39天，发生大地磁暴（Kp=7或8）的天数为5天，均远远超过了2020年。

表2 2019-2021年地磁活动比较

进一步，从月份来细看，从1月到12月，几乎每个月都会发生小地磁暴（Kp=5），但下半年的地磁暴强度相比上半年整体偏高。

一般来说，地磁暴的源可分为两种：日冕物质抛射（CME）和冕洞高速流（CHH）。在2021年上半年，CHH占主导地位，随着太阳自转有27天左右的周期性效应，多次引起中小地磁暴；到2021年下半年，随着太阳活动水平的上升，CME开始逐步占据了主导地位，其爆发具有偶发性和强烈性，时不时会引起中小地磁暴，偶尔会引发比较大的地磁暴。

图4: 2021年地磁Ap指数及地磁扰动源

03

高能电子暴——杀手电子逐渐冷静

高能电子暴，是指发生在地球外辐射带区域的高能电子通量突然增强数千倍、甚至上万倍的事件。空间高能电子对航天器的影响是非常严重的，高能电子可以穿透航天器仪器表面进入到内部传输，造成深层充电等效应，使航天器产生错误动作，从而引起航天器的异常或故障。

2021年是第25太阳活动周的第二年，太阳活动正处于从低谷向上上升的阶段。根据高能电子暴的发生规律，其发生频次将逐渐减少。根据统计，全年有43天发生小高能电子暴，约占去年总天数的12%，未发生中等高能电子暴和强高能电子暴。

图5: 2021年高能电子暴占比

按照月份分析可见，2021年的高能电子暴主要发生在上半年，基本上出现在冕洞高速流引起的地磁暴事件之后。2021年下半年，随着冕洞的整体减弱，其引起的地磁效应逐渐减弱，高能电子暴也相应减少。

表3 2021年高能电子暴天数统计

04

2021年的典型空间环境事件

2021

05-12

5月12日突然发生大地磁暴

2021年5月12日，地球磁场出现强烈扰动，发生了大地磁暴。这次地磁暴的源头，来自于5月9日太阳上的1个暗条爆发伴随的日冕物质抛射（CME）。该CME正好冲向地球，其自身携带的高速、高密度、强磁场的等离子体团至5月12日到达地，并与地球磁层发生相互作用，引发了大地磁暴。这是第25太阳活动周以来的第一个大地磁暴，吹响了第25太阳活动周太阳风暴袭击的号角。

图6: 地磁场突然发生地磁Kp指数达到7的大地磁暴

图7: STEREO-A卫星观测到的CME

2021

10-28

10月28日X1级大耀斑的三轮攻击

活动区AR2887自10月22日转入日面，面积逐渐增大，最大时达到了420个太阳面积单位，大致相当于几十个地球那么大，到了10月28日，恰好转至太阳的中间，连续发生大的爆发，先后爆发了M1.4级、M2.2级耀斑，到15:22爆发了X1.0级大耀斑，并伴随有全晕CME。

图8: SDO卫星观测到的X1级耀斑（10月28日）

这次爆发正好冲向地球，产生比较明显的太阳风暴三轮攻击。

第一轮，X级耀斑引起电离层突然骚扰。

图9 随耀斑而来的电离层突然骚扰（10月28日）

第二轮，耀斑喷发的高能粒子引起太阳质子事件。

图10: 小太阳质子事件（10月28日）

第三轮攻击，耀斑爆发伴随的日冕物质抛射引起地磁暴。

图11: 小地磁暴（10月31日）

2021

11-04

11月4日爆发大地磁暴

太阳活动区AR2891自10月27日转入可视日面，比较活跃，至11月2日，转至日面中心附近，在03:01爆发了一个M1.7级耀斑，强度虽然属于中等，但伴随有速度极快的全晕CME，且抛射物质正好冲向地球，11月3日就到达地球附近，持续冲击地球磁场，引起了大地磁暴，地磁Kp指数从0迅速蹿升至5、7甚至8。我国的漠河、北京、廊坊、富克、三亚等5个地磁台站的监测都显示了本次地磁暴的强烈程度。

本次大地磁暴持续至11月4日，导致当日的地磁Ap指数达到了69，是第25太阳活动周以来的最强地磁暴。

图12: M1.7级耀斑伴随的全晕CME

图13: 我国5个地磁台站监测到的大地磁暴

05

总结与展望

总的来说，2021年，进入了第25太阳活动周的第2个年头，太阳活动的整体水平在逐步有序的上升，太阳上的大黑子不断涌现，大的爆发活动也此起彼伏，其伴随的大量爆发物质喷向地球，对地球空间环境的持续冲击，时不时导致地球空间环境的强烈扰动，引起了电离层突然骚扰、太阳质子事件、地磁暴、电离层暴、高能电子暴等一系列空间环境灾害性事件。

尤其是在下半年，随着日冕物质抛射的频繁发生，多次引起了地磁暴事件。随着以上各个标志性空间环境事件的爆发频次、爆发强度的增加增大，彻底宣告了第25太阳活动周的太阳风暴登上了表演的舞台！

展望2022年，即将进入第25个太阳活动周的第3年，预计太阳将彻底放飞自我，展现更加频繁更加强烈的爆发表演，昂首迈向太阳活动高年。

我们期待着与您一起关注新的更加显著的空间环境事件的发生！

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