关注空间环境预报的朋友们可能会发现，在近期发布的每日空间环境总结中，太阳活动水平常常出现“低水平”、“极低水平”等字眼。随着第24活动周进入下降年，太阳活动水平不断下降，太阳上的黑子越来越少，耀斑爆发也陷入沉寂。据统计，2016年1月至2017年4月只有13天爆发了 M 级及以上级别耀斑，其余时间太阳活动均在低水平以下，占总数的97%。太阳这座随时可能爆发的“活火山”逐渐进入休眠。
 

　　图1 太阳活动进入下降年，月平均黑子数不断减小 

　　太阳活动周下降段的到来，是不是意味着空间环境将会风平浪静？未来几年航天器在轨运行是否将高枕无忧？实际情况完全相反，在太阳活动下降年、低年，我们需要时刻警惕以下几种空间环境现象对航天器的恶劣影响。

　　1、 高能电子“海啸”  

　　在太阳活动下降年，冕洞频繁地登上太阳活跃的舞台。冕洞是高速太阳风的源头，它喷出的高速等离子体流随太阳自转以27天左右为周期扫过地球。这些周期性出现的太阳风高速流能够引起地球磁场强烈“地震”，在近地空间外辐射带内掀起高能电子的“海啸”——高能电子暴。图2所示为同一冕洞分别在2017年2月25日、3月25日及4月21日经过日面中央时的形态变化。该冕洞喷发出的高速流到达地球，造成三月上旬、三月底至四月初、四月底至五月初近地空间高能电子通量上升几个量级，事件持续时间最长达14天。

　　太空中最为繁忙的航天器轨道——地球同步轨道正好位于外辐射带内，高能电子暴期间，轨道上激增的“杀手电子”能够穿透卫星的外壳屏蔽，在内部器件上沉积，损坏卫星材料，破坏电子器件，严重时甚至导致卫星报废。近十多年来，多颗卫星由于这种深层充电效应引发卫星故障和失效，造成了巨大的影响。例如，1998年5月19日的高能电子暴造成美国 GALAXY-4 通讯卫星由于内部充电而失效，造成美国80％的寻呼业务的损失，无数的通讯中断，并使金融交易陷入混乱。

　　图2 同一冕洞分别在2017年2月25日、3月25日及4月21日经过日面中央 

　　2、 沉降电子“暴雨” 

　　在地球两极附近的高层大气中，长期存在着从空间沉降进入的高能带电粒子。空间环境活跃的时候，这些沉降粒子如同“暴雨”一般落入地球，在电离层与大气分子、原子作用，引起变幻莫测、绚丽多彩的极光现象。然而与此同时，卫星如果经过这片区域，“暴雨”中的电子就会附着到卫星的外壳上，改变卫星表面电位，电荷累积到一定程度便会引发卫星表面的静电放电。这种放电轻则影响到卫星上携带的有效载荷，重则会危及其在轨安全。高倾角的低地球轨道卫星常常会穿越这一危险区域，其中包括与我们日常生活息息相关的对地观测卫星、测地卫星、通信卫星等。

　　值得注意的是，卫星遭受电子“暴雨”袭击，并不意味着负电荷能够无限地在卫星表面累积。低轨卫星位于电离层之内，这里充斥着温度较低的电离层等离子体。当卫星表面受到沉降电子轰击电位降低时，电离层中带正电的低温离子会受卫星表面吸引，与负电荷中和并缓解表面的负充电，保护卫星免受表面充电效应影响。

　　图3 沉降电子在卫星表面沉积，电离层离子缓解表面充电电位 

　　不幸的是，在太阳活动低年时，太阳极紫外辐射通量降低。它的降低会造成电离层电离降低，进而导致正电荷“补给”不足，这时被负电荷“侵害”的卫星发生表面静电放电星的几率又再次增大，卫星故障的危险系数将大大提高。图5所示为1989年至2001年低轨卫星 DMSP 发生表面充电事件的概率（实线）和太阳黑子数（虚线）随时间的变化情况。从图中可以看到，在太阳活动低年，表面充电事件发生率高，反倒是在太阳活动高年，表面充电事件发生率低，两者的总体变化趋势呈现了相反的关系。

　　图4 太阳极紫外辐射随太阳活动呈周期性变化 

　　图5 1989年至2001年低轨卫星 DMSP 发生表面充电事件的概率（实线）和太阳黑子数（虚线）随时间的变化情况 

　　3、 银河宇宙线“偷袭”  

　　卫星运行期间，除了受太阳活动、地磁活动影响之外，还暴露在来自银河系的高能宇宙线中，这些宇宙线起源于太阳系之外，主要由质子（约占87%）、 α 粒子（约占12%）和其他各种原子核组成。银河宇宙线能量极高，可以达到 GeV 量级，是引起航天器单粒子效应的原因之一。银河宇宙线高能粒子在穿过微电子器件的灵敏结时会沉积能量、产生电荷，这些电荷被器件电极收集后，可能造成器件逻辑状态的非正常改变，威胁航天器在轨安全。此外在载人航天任务中，银河宇宙线也是航天员人体辐射防护的重点。举例来说，国际空间站上航天员受到的辐射剂量当量有75%至85%（铝屏蔽厚度10 cm 至2 cm ）来自银河宇宙线。 

　　那么太阳活动强弱对银河宇宙线的影响如何呢？这得从源自太阳的行星际磁场说起。在太阳活动高年，太阳磁场也较强，稠密的磁场会把宇宙射线粒子阻挡在太阳系外部，也就自然的形成了一道安全的屏障。而太阳活动低年时，太阳磁场较弱，银河宇宙线就会“趁虚而入”。图6反映了在不同的太阳活动时期，行星际磁场对银河宇宙线的阻挡作用。如图可见，受到太阳活动周的影响，宇宙线强度变化也表现出明显的11年的周期变化。太阳活动高年时行星际磁场的作用增强，太阳系内部的银河宇宙线强度较弱，相反在太阳活动低年银河宇宙线强度达到峰值，其结果就是在人类空间活动频繁的地球周围造成负面影响。

　　图6 DeepRiver 宇宙线台中子计数率随太阳活动水平的变化 　
 

　　未来几年我国将加速推进太空探索的步伐，随着越来越多的航天器进入太空，我们更不应该对空间环境掉以轻心。太阳活动低年的空间天气环境复杂多变，需要我们加强对空间环境的日常监测和预报，为航天任务保驾护航。

　　作者系中科院国家空间中心空间环境研究预报室研究人员