强烈的太阳活动会引起日地空间电磁环境的高动态变化，引发地球磁暴现象。太阳风携带的大量高能粒子给飞行器和宇航员带来严重的辐射损伤，干扰通信、导航系统。随着工业现代化的推进，剧烈的太阳活动越发威胁人类生活安全，尤其是磁暴引起的地磁场扰动可在接地的高压电网内产生地磁感应电流（GIC），造成大面积停电事故。 比如，1989年3月13日，强烈的太阳“风暴”使得整个魁北克有 600 万人陷入断电状态将近 9 个小时；2003年的“万圣节”太阳暴事件导致全球多处无线电通讯和导航受到严重影响；2022年2月发生的磁暴导致SpaceX的星链摧毁事件，致使40颗星链卫星未能进入预定轨道，损失数千万美元。 另外，地面巨大的自然灾害事件也能引起近地空间环境扰动，比如，2011年日本东海的9级地震产生“太空涟漪”，改变电离层局部结构，致使GPS通信受阻46小时；2022年1月15日汤加火山喷发改变了全球电离层，在火山中心附近局部形成了一个巨大的电离层空洞，并在亚洲-大洋洲地区上空产生了振幅较大的等离子泡。因此，世界各国都在竞相发展先进的空间电磁环境观测能力，对空间天气灾害事件的研究越来越重视。

       2024年5月11日，地球遭受了过去20年来最强烈的太阳暴引起的空间天气事件（Kp=9，Dst~-400nT）的袭击。国家自然灾害防治研究院科研团队基于我国张衡一号卫星和地面羊八井缪子（μ）观测数据，并辅助美国NOAA和GOES卫星的联合观测，对这场超级太阳暴进行了跨圈层（磁层-电离层-地面）响应分析，获得了如下的重要认识：

       此次太阳暴期间，在近地空间L=1.5~2（L代表一个地球半径）区域形成了一个新的质子带（能段：2.5-14MeV，通量：超过105 counts/s/cm2/ sr/ MeV），此质子带持续存在约50天（图1）。 这种在内辐射带形成新的质子带现象非常罕见，主要依赖两个条件：一个是太阳质子事件（SPE）发生时质子向内渗透，另一个是随后磁暴突然爆发（SSC）时行星际磁场南向偏转并压缩磁层顶的条件下，激发电场对高能质子的径向扩散效应。 

图1. 张衡一号卫星在2024年5月太阳暴发期间观测到新的高能质子带的出现。该质子带对应能量为2~14MeV，位于L<2附近，持续存在长达50天。蓝色线表示L=2磁壳层位置。

       在这场超级太阳暴中，电离层中还观测到丰富的电磁波激发现象，如超低频段的地磁脉动波、甚低频段的左旋极化准周期波、磁声波等（图2），有些波动可能在传播过程中出现了极化反转现象。同时，电离层的电子和离子密度、温度和总电子含量（TEC）显示出复杂的扰动变化（图3）。本次太阳暴引起的电离层扰动响应非常复杂，还有更多有价值的研究值得科学家去深入挖掘。

图2. 太阳暴期间基于张衡一号卫星观测的左旋极化准周期波和磁声波。

图3. 太阳暴期间基于张衡一号卫星观测的电离层电子密度和温度随磁暴的时间演化。

       地基观测方面，中国西部地区的羊八井缪子实验观测到本次太阳暴效应导致缪子探测明显减少了5%（图4）；芬兰奥卢大学在北欧的几十个地面观测站中子观测出现3%~20%的下降。主要原因是，太阳暴导致的行星际磁场和近地磁场的改变散射了来自宇宙线的带电粒子，使得它们到达地球表面上的粒子计数减少（称为“福布斯降”）。太阳暴能够引起地面观测响应的事例并不多，本次太阳暴是其中比较显著的一次。这使得其研究具有重要价值。

       图4. 西藏羊八井站观测到2024年5月11日的太阳暴发生时缪子计数显著下降（福布斯降）。

       现代社会的运转更加高度依赖通信和电网电力的支撑，我国目前拥有全世界最复杂的高压电网分布，未来一旦遭受严重空间天气事件侵袭，将造成不可估量的损失。但如何从卫星观测资料快速识别太阳活动引起的一系列的联动效应，进而准确监测预警地面可能的灾害事故，需要系统的研究太阳-磁层-电离层-大气层-岩石圈这个系统内各个物理参量的扰动变化特征。该项研究有助于我们更好地了解太阳暴、地磁暴如何影响近地空间和地面环境，这对维护卫星安全、通信和导航稳定性，以及安全生产事故防治至关重要。