【科普】北京也見美麗極光——極光與地磁暴
周立旻
民進(jìn)華東師范大學(xué)委員會(huì)主委
華東師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院教授
中小學(xué)地理國(guó)家教材建設(shè)重點(diǎn)研究基地
副主任
12月1日晚，我國(guó)漠河、內(nèi)蒙古多地甚至連北京都能看到絢麗的極光。不少天文愛好者無比興奮，在社交媒體上也曬出了照片。包括北京看到極光的詞條還沖上了熱搜。有些網(wǎng)友曬照，這個(gè)極光像西瓜的顏色，紅綠色都有交錯(cuò)，有些網(wǎng)友曬出綠色極光不太一樣。極光這么美好和夢(mèng)幻的美景，群眾有非常好的期許。出現(xiàn)極光與地球的地磁暴活動(dòng)密切關(guān)聯(lián)。那么，地磁暴到底是個(gè)“什么來頭”， 北方多地為何出現(xiàn)紅綠色極光？地磁暴對(duì)人體有影響嗎？這些問題也成為廣大群眾關(guān)注的熱點(diǎn)。
極光是如何形成的？
什么是極光。極光簡(jiǎn)單來講是地球空間環(huán)境中的高能粒子（等離子體）在沿著地球磁力線在大氣中沉降過程中，與中高層大氣分子碰撞并激發(fā)出的光芒。
為什么極光與磁暴總聯(lián)系在一起。太陽在發(fā)射出可見光/紫外線等光子的同時(shí)，也在向外發(fā)射高能粒子流（主要是質(zhì)子和電子），我們稱為“太陽風(fēng)”。太陽風(fēng)的平均速度為400千米/秒。由于太陽風(fēng)是高能帶電粒子流，因此它也將行星際磁場(chǎng)固結(jié)在其中。在太陽風(fēng)的作用下地球磁場(chǎng)發(fā)生了變形，在向陽側(cè)（晝半球側(cè)）地磁長(zhǎng)被壓縮，在背陽側(cè)（夜半球側(cè)）地球磁場(chǎng)被拉長(zhǎng)形成長(zhǎng)長(zhǎng)的磁尾。由于地球磁場(chǎng)的存在，保護(hù)了地球中低緯度大氣免受太陽風(fēng)高能粒子流直接的沉降轟擊。太陽高能粒子流僅能在地磁極區(qū)順著磁力線在大氣中沉降，特別是行星際磁場(chǎng)處于南向期，其與地球磁場(chǎng)產(chǎn)生重連，粒子進(jìn)入磁層大氣量顯著增加。在來自太陽冕洞的高速太陽風(fēng)和太陽活動(dòng)高峰期的日冕拋射物（簡(jiǎn)稱“CME”），順著南向行星際磁場(chǎng)襲擊地球時(shí)，大量的高能粒子進(jìn)入地球的磁尾中，能量累積并爆發(fā)發(fā)生“地磁亞暴”，“地磁亞暴”后大量粒子順著磁尾磁力線進(jìn)入磁緯65-75度區(qū)域的地球中高層大氣，并與中高層大氣碰撞產(chǎn)生極光。在300km以上高度，高能粒子與氧原子碰撞，激發(fā)出紅光；在100-200km，氮原子被激發(fā)產(chǎn)生藍(lán)光，氧原子被次級(jí)電子激發(fā)產(chǎn)生綠光；在100km以下，氮分子被激發(fā)產(chǎn)生紫紅色的光。正是這一過程，導(dǎo)致在中等到大地磁暴期間能看到美麗的極光。
因此地磁暴與極光有著密切的聯(lián)系。目前常用地磁觀測(cè)結(jié)果Kp指數(shù)來評(píng)價(jià)地磁暴。Kp指數(shù)是介于0-9之間。當(dāng)Kp指數(shù)達(dá)到7時(shí)出現(xiàn)大地磁暴，我國(guó)漠河地區(qū)，甚至北京可以觀測(cè)到極光，12月1日的地磁暴的Kp指數(shù)為7。
為什么我國(guó)不太容易看到極光，而且看到的極光都是紅色極光？地球地理極點(diǎn)（地球自轉(zhuǎn)軸與地面交點(diǎn)）與地磁極點(diǎn)并不重合，而且地磁南北極與地理南北極目前時(shí)反相配置的，比如磁北極點(diǎn)在北半球地理緯度的79oN，101oW左右的區(qū)域，也就是在西半球的地理北極區(qū)域。這樣就造成我們國(guó)家均位于地磁緯度的中低緯度區(qū)域，比如我國(guó)最北的黑龍江漠河，它的地理緯度是北緯53.5°，而對(duì)應(yīng)的地磁緯度卻是磁北緯42.70°N，上海的地理緯度是北緯31.5°左右，而對(duì)應(yīng)的地磁緯度為北磁緯20°左右。因此我國(guó)大部分地區(qū)看不到極光。僅僅在大地磁暴期間，當(dāng)極光圈擴(kuò)大，極光增強(qiáng)的情況下，在漠河甚至是北京能遠(yuǎn)遠(yuǎn)看到極光圈高層的紅色極光。而對(duì)應(yīng)的西半球區(qū)域比如美國(guó)，華盛頓特區(qū)的地理緯度為38.5°左右，而它的地磁緯度卻達(dá)到了磁北緯的47.7°，比漠河的磁緯高5°，這也造成西半球中緯度地區(qū)（地理緯度）更容易觀賞到極光。
歷史上的極端磁暴與極光現(xiàn)象？目前已知科學(xué)記錄的最大地磁暴與極光事件是1859年的“卡林頓事件”。當(dāng)年處于太陽第10活動(dòng)周期的高太陽活動(dòng)期，9月1日太陽表面劇烈的活動(dòng)拋射出的能量粒子流（CME）向地球襲來，估計(jì)速度達(dá)到了3000km/s，造成地球連續(xù)8天的強(qiáng)磁暴，產(chǎn)生的極光在赤道地區(qū)被肉眼觀察到。在1626年我國(guó)明朝的各類典籍中，出現(xiàn)了北京天空夜晚連續(xù)9天出現(xiàn)紅光的記錄，可以推測(cè)當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了超強(qiáng)的地磁暴事件，導(dǎo)致了紅色極光在北京地區(qū)可以被觀察到，估計(jì)強(qiáng)度超過了“卡林頓”事件。更為久遠(yuǎn)的超強(qiáng)磁暴事件，我們采用對(duì)地質(zhì)記錄中的宇宙成因核素（14C、10Be）測(cè)量的方法來追蹤，通過對(duì)樹輪14C的測(cè)試分析，專家們已發(fā)現(xiàn)在公元774年（774A.D.），出現(xiàn)了14C異常下降的現(xiàn)象，可以判斷，當(dāng)時(shí)發(fā)生了超強(qiáng)太陽風(fēng)暴導(dǎo)致的大磁暴事件。
地磁暴是否具有周期性？地磁暴由于和太陽活動(dòng)具有密切的聯(lián)系，太陽活動(dòng)存在典型的11年、22年到百年尺度的周期性變化，以太陽11年周期為例，在太陽活動(dòng)的高峰期，太陽黑子、耀斑和太陽日冕拋射物（CME）顯著增多，與此同時(shí)地球的磁暴活動(dòng)也顯著增加。目前我們進(jìn)入了第25太陽活動(dòng)周期，2024年2、3月預(yù)計(jì)將進(jìn)入本周期的高峰期，因此近期的磁暴活動(dòng)也顯著增加。2023年4月23日出現(xiàn)了Kp指數(shù)8的特大地磁暴，我國(guó)漠河等地也觀測(cè)到了極光。
地磁暴對(duì)我們生產(chǎn)生活的影響如何？地磁暴我們是否要在家躲避？地磁暴了人體會(huì)不會(huì)出現(xiàn)不適的癥狀？應(yīng)該說地磁活動(dòng)對(duì)人類的影響的場(chǎng)景，隨著人類文明的演進(jìn)，在不斷的增多，總體由于地球磁場(chǎng)的保護(hù)，地磁暴和空間高能粒子對(duì)地面人體的直接影響目前仍缺乏有力的證據(jù)。人類進(jìn)入以電力支撐的時(shí)代后，電與磁的耦合關(guān)系，導(dǎo)致地磁暴與人類生活產(chǎn)生了密切的聯(lián)系。由于地磁暴期間地磁的波動(dòng)，導(dǎo)致地面產(chǎn)生感應(yīng)電流，在地面導(dǎo)電不佳的情況下，就會(huì)對(duì)地表的電氣設(shè)備，比如輸電線路、電報(bào)設(shè)備等產(chǎn)生影響。1859年“卡林頓”事件時(shí)，導(dǎo)致歐洲部分地區(qū)的電報(bào)設(shè)備融化；1989年超大地磁暴期間，加拿大輸電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)大規(guī)模的故障。由于地磁暴期間的地磁波動(dòng)，對(duì)航天器等產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)然目前航天器在軟硬件上均做了很好的防護(hù)與調(diào)整。地磁暴等空間天氣事件對(duì)低層大氣的影響目前已成為日-地天氣氣候關(guān)聯(lián)的研究新領(lǐng)域，認(rèn)為可能空間粒子可能通過影響電離層與地面間的大氣電傳輸，對(duì)大氣產(chǎn)生顯著影響，從天氣尺度上證據(jù)已較為充分，但對(duì)中長(zhǎng)期氣候變化的影響仍然存在較大的爭(zhēng)議。