2023年4月22日太阳爆发活动连锁反应之地球磁层顶穿越地球同步轨道

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北京时间2023年4月22日凌晨2点左右，太阳向地球喷射了日冕物质抛射，引发地球空间环境产生一系列剧烈变化，在我国新疆克拉玛依和黑龙江漠河等地都能看到罕见极光，引起了大家广泛关注。地球磁层顶作为地球空间环境所处区域的外边界，为地球“遮风挡雨”，在此次事件中到底发生了怎样的变化？

地球磁层顶

地球磁层顶是超声速太阳风和地球磁场相互作用所形成的边界层，其厚度大约几百千米到上千千米。它犹如一件“外衣”，包裹着地球磁场，并将绝大部分太阳风等离子体和行星际磁场阻挡在外，时时刻刻保护着地球，如图1所示。

在近地空间区域，地球磁层顶形似抛物面，不过在南北半球极尖区附近呈内凹结构，如图2所示。在远磁尾区域，地球磁层顶近似圆柱面，可拓展到磁尾-1000 RE（1 RE=6371.2km）以外区域。受太阳风变化以及地球磁轴摆动的影响，地球磁层顶位形也在不断变化。在通常太阳风情况下，磁层顶日下点距离r0（日地连线上磁层顶到地心距离）大约在10~11 RE左右；在极弱太阳风情况下，r0可达14 RE以上；在极强太阳风情况下，如行星际日冕物质抛射（ICME），r0可被压缩到地球静止轨道以内。受地球磁轴摆动的影响，地球磁层顶也将发生摆动。

地球磁层顶穿越地球同步轨道事件及其危害

在极端太阳风条件下，太阳风动压强烈压缩向阳侧地球磁场，南向行星际磁场不断剥蚀向阳侧磁层顶内侧地球磁场，使磁层顶日下点收缩到6.6 RE以内，造成部分地球静止轨道暴露在磁层顶以外磁鞘太阳风中，即发生了地球磁层顶穿越地球同步轨道事件（GMC），如图3（c）所示。

在GMC事件期间，磁层顶位形发生剧烈变化，磁层顶以内各区域带电粒子分布、电流体系分布、波的分布、磁场、电场等都将发生明显变化。当静止卫星穿出地球磁层顶，所经历的南北方向磁场Hp发生剧烈变化，从北向转为南向，如图3（b）红线所示。当Hp磁场小于-50 nT时，一般认为地球静止卫星穿出了磁层顶。如果该静止卫星采用地磁场进行姿态控制，将发生姿态控制异常危险。

2003年10月大磁暴期间，发生了GMC事件。电视卫星地面控制人员报告了几起卫星无法维持常规操作故障，两颗以上的卫星姿态控制系统出现问题，控制人员只能对卫星实时长达18~24小时的“人为姿态控制”。

此次太阳爆发活动引起地球磁层顶的变化

北京时间2023年4月24日凌晨1点，日地连线L1拉格朗日点附近DSCOVR卫星（距离地球约249 RE）监测到ICME所驱动的激波，随后监测到鞘区和ICME本体，如图4所示。在鞘区和ICME本体中，太阳风数密度和速度明显高于背景太阳风，并且携带较长时间强南向行星际磁场。通过太阳风传输处理，依据中国科学院国家空间科学中心研发的磁层顶模式（Lin et al.[2010]）计算得到，此次日冕物质抛射共造成4月24日发生两次较长时间GMC事件，如图5所示。

图4: DSCOVR和ACE卫星观测到的2023年4月23日和24日（世界时）太阳风和行星际磁场，图片来源于https://www.swpc.noaa.gov/网站

图5：磁层顶模式计算所得2023年4月23日和24日（世界时）磁层顶日下点距离

依据传输处理及模式计算，第1次长时间GMC事件发生在北京时间2023年4月24日02:09，持续时间大约2小时46分，磁层顶日下点距离最低达5.36 RE，位于166.4⁰ E到49.3⁰ W（逆时针）区域内静止卫星有穿越磁层顶风险，如图6所示。此次GMC事件由ICME驱动的鞘区强太阳风动压和强南向行星际磁场共同作用引起的，并被美国GOES-16（75.2⁰ W）和GOES-18（137.2⁰ W）卫星监测到。依据两卫星Hp磁场实测数据可知，ICME驱动的激波大约在4月24日01:36左右撞向地球磁层（比太阳风匀速传输处理提早了十几分钟到达），随后发生了GMC事件。在这次GMC事件中，GOES-16和GOES-18卫星分别在24日02:13和02:15首次穿出地球磁层顶，在24日03:33和04:41最后一次穿回地球磁层顶，期间由于磁层顶位形扰动，两卫星多次来回穿越地球磁层顶，如图7所示。‍

图6：磁层顶模式计算所得第1次长时间地球磁层顶穿越地球同步轨道事件。左图为L1点附近太阳风，右图为GSM-XY平面上磁层顶（蓝线）和弓激波（红线）位形，虚线是静止轨道，红色圆点对应0⁰经度位置

图7：GOES-16和GOES-18卫星观测到的2023年4月23日（世界时）磁场Hp分量，图片来源于https://www.swpc.noaa.gov/网站

依据传输处理及模式计算，第2次长时间GMC事件发生在北京时间2023年4月24日11:13，持续时间大约2小时35分，磁层顶日下点距离最低达5.27 RE，位于55.5⁰ E到173.5⁰ W（逆时针）区域内静止卫星有穿越磁层顶风险，如图8所示。此次GMC事件由ICME本体强太阳风动压和强南向行星际磁场共同作用引起的。在这次GMC事件期间，由于GOES-16和GOES-18卫星位于背阳侧，没有穿越地球磁层顶，不过我国上空静止卫星处于模式计算所得穿越磁层顶风险区域中，可能穿越地球磁层顶，需要关注。

地球磁层顶位形预报及GMC事件预警

为应对GMC事件可能对静止卫星带来的危害，并时刻掌握地球磁层顶位形实时动态变化过程，中国科学院国家空间科学中心空间环境预报中心已于2012年建立了GMC事件预警网页，网址为：http://www.sepc.ac.cn/MBS_chn.php（请点击“阅读原文”）。该网页不仅显示了地球磁层顶和弓激波位形实时动态变化过程，也会自动生成GMC事件警报及事件综述，并给出GMC事件期间每个时刻哪些区域静止卫星将穿越地球磁层顶，同时还提供历史资料查询、下载等功能。

目前地球磁层顶位形是利用统计模式计算所得。我国计划2025年前后发射由中欧科学家联合提出和研制的太阳风-磁层相互作用全景成像卫星“微笑计划”（SMILE）。该卫星将对向阳侧磁层顶、极尖区和地球极光进行全景成像，如图9所示。届时，将首次实现地球磁层顶成像，获得向阳侧磁层顶动态变化过程。让我们共同期待！

本文编写人员：林瑞淋，钟秋珍空间环境预报中心

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