基本介紹
- 中文名：太陽質子事件
- 外文名：Solar proton event
- 發現：1946年美國物理學家福布希
- 成因：太陽爆發釋放出大量高能帶電粒子
- 分類：脈衝型、緩變型和混合型事件
- 規律：11年變化周期
- 強度等級：強、中等和弱太陽質子事件
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發現
太陽爆發產生的高能帶電粒子，地面上的人們用肉眼直接觀測是看不到的，因此與耀斑相比，人們對太陽質子事件的觀測和研究要晚的多，最早發現太陽爆發產生高能粒子的現象是在上世紀四十年代。
美國物理學家福布希
美國物理學家福布希1946年美國物理學家福布希研究了分布在全球的多個宇宙線觀測台站的數據後發現，多個台站探測到的高能粒子在 1942年2月28日、3月7日和1946年6月25日這三天同時出現了脈衝式的大幅上漲，而且無一例外的這三次事件都是在太陽上發生了強烈的耀斑後的幾個小時內發生的，因此推測這些突然增加的高能粒子可能來自太陽上的爆發活動，之後科學家們又發現了一些類似的現象，並且證實有些強的耀斑發生後幾十分鐘到幾個小時，地面上就觀測到宇宙線強度會增加百分之幾、幾十甚至幾百。
成因
從福布希首次確認太陽質子事件以來，經過近六十多年的研究和探索，人們逐步認識到質子事件主要與太陽耀斑和日冕物質拋射（CME）有關：對於耀斑在質子事件中所起的作用及質子的加速機制問題，還存在很多爭論；而CME對質子的加速，現在普遍認為是在日冕中或由CME引發的激波在行星際空間中完成的。質子事件產生的高能粒子其實就是各種元素的原子核（質子占了總粒子數的90%以上，其次是α粒子，還有少量的碳、氧、鐵等各種重離子成份，有些重離子是不完全電離的，也帶有部分電子），宇宙萬物都是由這些粒子組成的，而一旦它們被加速到高能量，就變成了可怕的輻射粒子。
尾隨耀斑發生的太陽質子事件
尾隨耀斑發生的太陽質子事件高能帶電粒子流經過加速，以每秒幾千、幾萬、甚至十幾萬千米的速度，最快十幾分鐘就可以到達地球。到達地球空間後轟擊磁層，並能突破地球磁場的重重防線，進入衛星軌道，甚至深入到電離層、大氣層和地表空間。通常隨著太陽活動水平的增加，高能粒子的爆發會更加頻繁。
分類
根據特徵表現的不同，太陽質子事件可大體分為：脈衝型事件、緩變型事件和混合型事件。
脈衝型事件
脈衝型事件的粒子速度上升快，事件持續時間短，粒子中富含電子，一般認為這類事件的粒子是直接在耀斑活動區域完成加速過程的。
脈衝型事件
脈衝型事件緩變型事件
緩變型事件持續時間較長，一般會持續數天，現在普遍認為大的緩變型太陽質子事件中的粒子加速過程是在日冕及行星際空間區域由快速日冕物質拋射所引發的激波進行加速的。
緩變型事件
緩變型事件混合型事件
在實際的太陽質子事件中，脈衝型和緩變型事件並不能明確地割裂開來，而是通常同時伴隨了耀斑和日冕物質拋射的混合型事件。
事實上，由於地磁場和大氣的禁止作用，只有極少數能量極高（比如能量大於500兆電子伏特）的太陽爆發粒子才能被地面的粒子探測設備直接觀測到，而含有如此高能量粒子的太陽質子事件被稱為相對論事件，比較罕見。
規律
太陽質子事件的發生與太陽黑子關係密切，與太陽黑子一樣，太陽質子事件的發生頻率也存在11年變化周期。在一個太陽活動周中，強質子事件發生10次左右，中等質子事件發生30次左右，弱質子事件發生50次左右。
太陽質子事件發生率的11年周期變化
太陽質子事件發生率的11年周期變化太陽質子事件發生在太陽活動高年（黑子數較多的年份）較頻繁，在太陽活動峰年附近，每年可達10多次；在太陽活動低谷年份則可能一次也沒有。但就每次事件而言，其發生的時間、事件的大小都是隨機的。
危害
太陽質子事件是太陽風暴帶來的最具破壞性的空間天氣現象之一。質子事件發生時，地球周圍如同遭遇了一場的高能帶電粒子“暴雨”的襲擊，這些高能帶電粒子就如同高速飛行的子彈一般，能夠擊穿幾毫米厚的金屬，具有很強的破壞性。大量高能粒子的襲擊對衛星和其它空間飛行器來說可能就是一場災難；對於在空間執行任務的航天員來說，若遭遇到這樣的高能粒子流，他們的生命安全可能會受到威脅；對於穿越極區的航空乘客來說，若穿越時恰逢高能粒子流的沉降，他們的輻照劑量會增大，健康將受影響。由於極區地磁場的磁力線是開放的，高能粒子流能夠沿著磁力線沉降到極蓋區上層大氣中，引發極蓋吸收事件。
威脅在軌太空飛行器
太陽質子事件期間，太空飛行器軌道上的高能帶電粒子會突然增強，給在軌太空飛行器的安全運行帶來巨大的威脅。由於地磁場對高能帶電粒子的禁止作用，不同軌道的太空飛行器受到的影響其實大不相同，高軌道太空飛行器，比如同步軌道衛星，由於遠離地球，地磁場的禁止作用已十分微弱，質子事件對它的影響往往比較嚴重，低軌道太空飛行器，比如神舟飛船軌道，地磁場將絕大多數的太陽爆發粒子都阻擋在外，質子事件的影響就要小很多。對低軌道太空飛行器來說，軌道傾角越高，質子事件的影響越大，比如國際空間站的傾角為51.6°，神舟飛船軌道為42.4°，雖然它們的軌道高度相差不多，但質子事件對國際空間站的影響比與神舟飛船相比更大一些。
質子打在衛星的CCD上產生的白色斑點和線條
質子打在衛星的CCD上產生的白色斑點和線條質子事件期間，洶湧而來的太陽高能粒子對太空飛行器的影響大體可以分為兩類，單粒子效應和輻射損傷效應。
威脅太空中的航天員
與在軌衛星一樣，在軌航天員同樣受到太陽質子事件的巨大威脅，太陽質子事件產生的高能粒子流與地面放射性物質發出的射線一樣具有致命的放射性，它們能夠穿透航天服和太空艙，引起航天員身體器官的物理損傷。
高能粒子主要是通過兩種機制危害人體的細胞組織，一是直接造成生物活性大分子斷裂、脫落，導致直接損傷；二是與身體中大量的水分子產生自由基，這些自由基進一步與生物分子發生化學反應，造成間接損傷。最終的人體輻射效應危害非常複雜，其嚴重程度主要與所受到的輻射劑量大小有關。
對航空飛行的影響
太陽質子事件發生時，地球在地磁場和大氣層的保護下，生活在地面上的人們幾乎覺察不到太陽質子事件的發生。但是在飛機飛行的高度，太陽質子事件的影響還是不容忽視的，而那些被阻擋在大氣層中的高能粒子會與大氣中的氮、氧原子，發生連續的核反應並產生大量的次級粒子，次級粒子主要分布在十幾公里高度的大氣中，因而對航空飛行造成影響。
極蓋吸收事件
當太陽高能質子到達地球極區後，由於粒子的能量很高，它能穿透到電離層低層（主要是D層），引起極區電離層的電離增強，電子密度增大，會引起電波的吸收增大，我們稱之為極蓋吸收事件。極蓋吸收會引起長波信號相位的改變，產生甚低頻導航誤差，會引起中波廣播和短波通信信號的騷擾和中斷，但它的影響範圍主要是在極區和高緯地區，持續時間約1小時至幾十個小時，會對跨極區的飛行造成影響。
預報
根據預報時間提前量的長短，質子事件預報主要是長期預報和1-3天的短期預報或警報。
太陽質子積分通量與黑子數之間的相關性
太陽質子積分通量與黑子數之間的相關性長期預報是預報未來一段長時間內的質子事件的積分通量（質子事件期間的累積質子通量）或能譜（通量在不同質子能量範圍段內的變化），質子事件的長期預報是指提前一個太陽活動周或幾年的事件預報，主要是給出未來長時間內的質子事件總的積分通量和能譜分布，適用於運行周期較長的太空飛行器的飛行計畫、軌道設計、姿態控制的制定，以及有關空間敏感器、探測器設計等。依靠對過去質子事件的觀測，在經驗統計的基礎上，根據一定時期內太陽質子通量水平，以及對相關參量如峰值流量、延遲時間等的分析來預報。因此，質子事件長期預報模型的可信度往往受到模型所利用的數據量大小的限制。用於預報太陽質子事件積分通量的典型預報模型主要有：King模型、JPL模型、ESP模型及MSU模型。
通量與機率的變化
通量與機率的變化太陽質子事件的短期預報主要根據與其他太陽活動現象的統計相關性進行，如日面活動區（面積、磁類型、磁特徵物理量）、耀斑（位置、頻次、級別）、日冕物質拋射(方向、速度、角寬度)、射電暴以及質子通量變化的先兆特徵等。預報內容通常是質子事件的“有或無”和級別，有時也涉及到質子事件的流量和能譜。主要為太空人出艙、太空行走及運行各類對高能輻射敏感的科學設備等提供風險規避依據。
警報級別
對於太陽質子事件警報級別的劃定，通常以地球同步軌道衛星觀測到的太陽質子事件的峰值通量來表征，質子通量單位是個/（厘米2·秒·球面度），簡稱為pfu (Partical Flux Unit)，表示探測器每秒、每球面度、每平方厘米上探測到的粒子數。太陽質子事件的峰值流量大於1000pfu為強質子事件，發紅色警報；峰值流量大於100pfu為中等質子事件，發橙色警報；峰值流量大於10pfu為弱質子事件，發黃色警報。
警報級別 | 指標範圍 | 可能的影響和危害 |
紅色警報 | 質子通量≥103 | 衛星：衛星電子器件程式混亂，成像系統噪聲增加，太陽能電池效率降低，甚至更嚴重； 通信：通過極區的短波無線電通信受到影響，導航出現誤差； 其他：太空人輻射危害增加，極區高空飛機乘客可受到輻射傷害 |
橙色警報 | 103>質子通量≥102 | 衛星：電子器件可能出現邏輯錯誤； 通信：通過極區的短波無線電傳播有一些影響，在極蓋位置的導航受到影響 |
黃色警報 | 102>質子通量≥10 | 通信：對極區短波無線電通信有一些影響 |
註：質子通量單位：個/（厘米2·秒·球面度） | ||
