完整三轮攻击！——3月23-25日空间天气事件复盘

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引言

2024年3月23日，太阳爆发了一个X1.1级耀斑，随后地球同步轨道太阳高能质子通量快速上升，发生本太阳活动周以来最强质子事件。第二天伴随X1.1耀斑的日冕物质抛射（CME）到达地球，引发了强烈的地磁扰动。由此，太阳对地球完成了一次完整的三轮攻击，也由此跻身第25太阳活动周以来最受关注的太阳风暴行列。

作为专业的空间天气服务保障机构，设立于中国科学院国家空间科学中心的国际空间环境服务组织中国区域警报中心（简称：中国区域警报中心）从此次事件的初始，就利用子午工程、夸父一号、空间站等天地基监测数据紧盯事件发展，并第一时间向多家专业用户发送预报产品。那么，这次太阳风暴在自2019年开始的第25太阳活动周，以及历史上到底处于什么样的位置呢？空间天气预报机构准确预报了吗？

一、是第一轮攻击

——X1.1级大耀斑，排名第25太阳活动周第10名开外。

当前，太阳活动正处于第25活动周的峰年，日面活动不仅频繁，还会偶尔发生极为强烈的爆发活动。2024年3月23日01:08UT，太阳爆发了1个X1.1级大耀斑，开启了太阳对地球的第一轮攻击。至目前，第25太阳活动周共爆发了24个X级大耀斑，本次耀斑排十名开外。虽然名次不高，但爆发位置正对地球，且发生了朝向地球的日冕物质抛射，引起了空间天气预报员的格外关注。该事件的源头是日面上南北相对的活动区AR3614和AR3615。其中，AR3614是半个月前连续爆发3个X级大耀斑的活动区的再现。AR3615是本自转周的新面孔，在此次X级耀斑事件后，威力不减，接连又爆发了约20个M级耀斑。这次太阳爆发事件除了爆发强度大，持续时间长，其产生来自两个活动区的几乎同时爆发也较为少见。

图 1 3月23日太阳黑子（左，“ASO-S（夸父一号）”中国科学院紫金山天文台团队提供）和太阳Halpha耀斑爆发（右，SMAT观测，中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地提供）（世界时）

图 2 3月23日SATech-01/SUTRI观测到的极紫外耀斑爆发视频（科学应用单位中国科学院国家天文台/北京大学/中国科学院云南天文台提供）

图 3 SOHO观测到的日冕物质抛射（世界时）

3月23-24日太阳爆发的X1.1级耀斑和多个M级耀斑，大幅增强的太阳辐射导致向日面电离层电子密度增加，引发了电离层突然骚扰事件（SID）。中国区域共发生3次SID事件，其中3月23日01:08~02:17UT太阳爆发X1.1级耀斑期间，我国大部分地区电离层发生短波吸收现象，其中满洲里发生全吸收，青岛发生强吸收，广州和海口发生中等吸收，可能对短波通信造成干扰。

图 4 2024年3月23日X1.1级耀斑引起的电离层突然骚扰事件

二、第二轮攻击

——中等强度质子事件，排名第25太阳活动周第1

受此次太阳爆发影响，地球同步轨道大于10MeV高能质子通量快速上升，于2024年3月23日08:15UT超过质子事件阈值（10pfu），发生太阳质子事件，于12:00UT超过100pfu，达到中等太阳质子事件水平，为橙色警报级别，18:20UT左右达到峰值956pfu，接近红色警报级别。3月24日受CME引起的激波加速影响，大于10MeV的高能质子通量再次上升，14:10UT左右CME引起的激波到达地球附近，14:30UT左右越过地球，大于10MeV的高能质子通量开始较快速的下降。该中等质子事件水平持续两天左右，25日事件结束。

本次太阳质子事件中，大于10MeV的高能质子通量超过阈值的时间超过2天，通量超过100MeV的时间超过1天，峰值接近红色警戒线（1000pfu），属于对空间环境影响较大的一次中等质子事件。究其原因，此次强太阳质子事件的形成主要有两个因素。首先，此次的太阳活动爆发包括两个全晕CME，这两个CME的速度和角宽度均较大，有利于加速大量粒子；其次，两个CME爆发时间非常靠近，而这两个强CME之间的行星际空间区域非常适合加速粒子，大量被加速的粒子随即扩散传播到地球附近。

受质子事件影响，地球同步轨道、导航卫星轨道等中高轨道上的高能质子通量上升1~3个数量级，卫星遭受的辐射剂量率增加，并可能引起卫星上敏感设备的单粒子事件概率增加，倾角较高的低轨道卫星也会受到影响，同样引起单粒子效应和总剂量效应，低倾角的低轨卫星则不受影响。

图 5 3月22-25日太阳X射线流量和质子通量（世界时）

三、第三轮攻击

——大地磁暴，排名第25太阳活动周第2

世界时2024年3月24日14:10，23日爆发的全晕CME引起的行星际激波到达地球附近，太阳风速度从550km/s上升至850km/s左右。行星际磁场强度跃升至31nT，南向磁场分量低至-23nT，太阳风观测呈现清晰的磁云结构。在高速太阳风作用下，地磁持续扰动，出现了3小时的大地磁暴水平（Kp=8）、6小时的中等磁暴水平（Kp=6）、3小时的小磁暴水平（Kp=5）。其中，24日地磁Ap指数达到64。受到行星际激波和磁云的先后影响，本次Dst指数具有“阶梯式”下降特征，Dst指数达到约-130nT。综合来看，本次地磁暴强度可位列第25太阳活动周第2名，仅次于2023年4月23日的地磁暴。

图 6 3月23-25日太阳风和地磁指数（世界时）

受大地磁暴影响，中高层大气密度增加，低轨道卫星受到的大气拖曳作用增大，卫星轨道衰减幅度增加。以形状规则且无轨道制动的“轨道大气密度探测试验卫星”为例，大磁暴发生之前，轨道衰减率增幅缓慢（154米/天～189米/天，增幅22.7%），大磁暴发生后，轨道衰减率有一个明显的增幅（213米/天～323米/天，增幅51.6%），随后，地磁扰动逐渐恢复，轨道衰减率也降低至小磁暴水平附近。

图7 地磁暴期间球形卫星（NORAD:53301）轨道半长轴变化

此次磁暴导致我国北部部分地区在24日晚~25日发生电离层负相扰动，漠河站电离层F2层临界频率（foF2）和电离层总电子含量（TEC）均低于背景值。24日北京站电离层TEC明显高于背景值。电离层扰动整体较弱，对通信导航等系统的影响不大。

图 8 3月23~25日大地磁暴期间，漠河（mhgr）和北京（bjgr）站观测到的电离层foF2变化，以及漠河（mhgr）、北京（bjgr）、武汉（whhp）和广州（GZ03）站观测到的电离层TEC变化。（数据来自子午工程和中国科学院空间环境监测网）

受太阳爆发产生的激波到达地球的影响，地球磁层顶被严重压缩和侵蚀，使磁层顶日下点距离收缩到6.6 RE以内，发生了地球磁层顶穿越地球同步轨道事件（GMC）。

图 9 2024年3月24日地球磁层顶穿越地球同步轨道事件（磁层顶模式）。左图为L1点附近太阳风，右图为磁层顶（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

四、

多家国际机构均准确预报

太阳爆发后，包括中国区域警报中心在内的国内外多家预报机构对此次CME事件激波到达时间及可能引起的地磁扰动强度进行了预报，并将预报结果发布在美国空间天气协调中心（CCMC）的日冕物质抛射预报发布平台网站。从各机构提供的预测结果来看（表1），所有机构预测的平均时间提前量约15小时；预测结果相比于CME激波的实际到达时间，平均绝对误差约为7.79小时，最接近的预报结果相差约1.67个小时，最坏的结果相差24.83个小时；预测地磁Kp指数最大值在7至8之间。可见，国内外预报机构对本次太阳爆发的对地效应预报反应迅速且基本准确。

表 1 CCMC平台上发布的23日爆发的CME激波到达时间和地磁Kp指数范围预测

五、

本次太阳风暴的历史地位

可以看到，本次太阳风暴三轮攻击齐全，在第25太阳活动周可以称得上是“老大哥”。但纵观太空时代以来有较为详实记录的大大小小的太阳风暴，此次三轮攻击中的任何一轮都只能说是个“小兄弟”。远的不说，咱就说2003年的万圣节事件，耀斑级别达到了X28级，太阳质子通量峰值29500pfu，地磁暴有12个小时Kp达到顶格的9，Dst指数达到了-383，远远不是本次事件可以PK的。

那还这么大张旗鼓？那可不，谁让它是第25太阳活动周以来最完整的一次三轮攻击呢，首次，得有点仪式感吧。另外，第24的太阳活动周稍弱，十多年来，超强太阳风暴少了些，但我们这根弦不能松呀，毕竟太阳风暴具有很强的偶发性。目前，我们正式进入了第25活动周的峰年期，太阳爆发活动越来越频繁，目前来看，太阳黑子数已经高出了公认“弱”活动周第24周，且发展势头仍在上升（图10），后期，大耀斑会有的，大质子事件会有的，大地磁暴也会有的，切不可放松警惕哦。而“极光猎人”们，备好你的行囊，随时准备出发吧。

图 10 太阳黑子数、地磁暴（Kp≥8）时段数和质子事件（≥900pfu）次数统计值

作为空间天气预报服务工作者，我们将密切关注发展态势并及时给出预警信息，详情请关注我们的网站（www.sepc.ac.cn）和公众号（微信搜索“空间环境预报”）吧。

作者：石育榕，崔延美，郭娟，王晶晶，陈东，沈华，任廷领，林瑞淋等。

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