地磁暴：制造美麗也帶來危險
光明日報記者 陳海波
日前，“北京極光”震撼眾人—不少人在北京懷柔、門頭溝等地拍攝到極光。網友驚嘆，原來，不用到漠河北極村，在北京也能看到極光。這得感謝一個特殊現象—地磁暴。據中國氣象局國家空間天氣監測預警中心監測，12月1日夜間，受太陽日冕物質拋射影響，地球發生了一場高強度的地磁暴。但是，地磁暴帶來的不僅是美麗，還有可能是危險。
地球磁場是保護屏障，但也有“副作用”
這次地磁暴，早有預警。
11月30日中午，國家空間天氣監測預警中心在其官方微信公眾號發布預警——11月30日、12月1日和2日三天，可能出現地磁暴活動。
他們分析風云三號E星、羲和號等衛星過去幾天的監測資料后發現，太陽分別在11月27日5時、21時、22時，以及11月28日20時左右，先后四次爆發日冕物質拋射。前三次相對較弱，但發生時間比較緊湊，一個接一個地連續爆發。而第四次過程強度最大，噴發物質最多，并且形成了近似正對地球的球形噴發面。
“作為最典型的太陽爆發活動，一次日冕物質拋射過程能將數以億噸計的太陽物質，以每秒數百千米的高速拋離太陽表面，形成類似爆炸的沖擊波，傳遞到太陽系的各處。巨大質量與速度匯聚成的動能，再加上本身就攜帶著太陽強大的磁場能，太陽物質一旦命中地球，就會引發地球磁場方向與大小的變化，變化足夠大時就會發生地磁暴。”國家空間天氣監測預警中心工程師韓大洋解釋。
國家空間天氣監測預警中心監測，這次太陽日冕物質拋射給地球帶來3小時全球磁場指數（Kp）為7的大地磁暴、3小時Kp為6的中等地磁暴，以及12小時的小地磁暴。“全球磁場指數”是衡量地球磁場活動的指標，取值范圍0～9，數字越大，說明地球磁場活動越強烈。
地球磁場本是保護地球的屏障，抵擋來自宇宙的各種“沖擊”。但當高速的太陽風吹襲地球，或太陽爆發導致的日冕物質拋射影響到地球時，就會引起地球磁場在短時間內發生劇烈變化。如果地磁場的變化幅度超過一定數值，地磁暴就難以避免了。
“地球磁場的存在為地球生物提供了必要的生存條件，但地磁暴卻是我們不得不面對的‘副作用’。”韓大洋說，地磁暴可能會影響衛星運行、導航系統和供電系統等。
這種“副作用”還會繼續。太陽活動存在周期性，大約11年一個周期。從2019年12月開始，我們進入有記錄以來的第25個太陽活動周期。在這個周期中，太陽活動明顯增強，規模較大的日冕物質拋射、X級太陽耀斑等強爆發事件時有發生。
地磁暴越強極光范圍越大，北京還有機會看到極光
盡管是“副作用”，但地磁暴會帶來“美麗的邂逅”。
在發出地磁暴預警時，國家空間天氣監測預警中心特別提醒極光愛好者，未來幾天要時刻注意空間天氣信息。果不其然，這次地磁暴期間，黑龍江、內蒙古、新疆、河北等地均出現極光，甚至北京都有清晰的極光觀測記錄。
為什么地磁暴會帶來極光現象？
“地磁暴期間，高能粒子從太空落下，撞擊空氣并使其發光，從而形成極光。”韓大洋解釋，空氣中的分子和原子在與太陽物質的高速撞擊過程中，會發生微觀的能量交換。以氧原子為例，它們會從撞擊中接收一份能量，但是由于原子核外電子的特性，電子與原子核之間只能容納一定額度的能量，超過的部分都會再被釋放出來，而釋放的形式就是發光。
極光常見于地球南北極等高緯度地區，為什么北京、新疆等地也能看到？
“極光的發生范圍與地磁暴強度存在對應關系。對于北半球而言，地磁暴越強，極光發生的范圍就會越往南擴，如果足夠強的話，就可能在我國夜空出現極光。”韓大洋解釋。
中國科學院國家空間科學中心研究員劉勇在接受媒體采訪時表示，歷史上有比這次強度大得多的地磁暴發生，“甚至在湖北都可以看到極光”。
今年4月24日、5月8日、5月12日，我國境內連續三次出現極光，打破以往間隔數年才能有一次極光目擊的紀錄。其中，4月24日發生Kp指數為8的特大地磁暴，在新疆多地都能看到極光。而在此之前，我國境內清晰拍到極光，還要追溯到2015年。
韓大洋表示，我國出現極光是相當罕見的，主要原因在于：一是極光通常出現的區域位于地球南北極區附近的極光卵，其對應地磁緯度范圍在南北緯65度到75度之間，而我國緯度最高的地方漠河為北緯53度左右。二是地球磁軸和自轉軸之間存在11.5度的夾角，所以地理緯度并不等于地磁緯度，且地球磁軸還向著北美洲偏移，也就是說，我國的地理緯度減去10度左右才是真實的地磁緯度。由此可見，我國的地磁緯度要比地理緯度低不少。三是出現在我國的極光往往不強，霧霾、人類照明都會遮擋原本微弱的極光。
“光有足夠強的太陽爆發來引發地磁暴仍然不夠，還需要相當好的氣象條件。”韓大洋強調，在太陽、地球磁場、地球高層大氣以及對流層天氣的合力撮合下，才可以促成一場令人嘆為觀止的極光“盛宴”。他說，目前正是太陽第25個活動周“沖業績”的時候，伴隨爆發活動的增多，極光出現在我國的機會也在逐漸變大，“北京一定還有機會看到極光，而且就在當前太陽活動周期內”。
極光顏色不一樣，我國更難看到綠色極光
這次地磁暴期間，北京和黑龍江出現的極光有著不一樣的色彩。北京是紅色為主，黑龍江則是紅綠相互輝映。
為什么極光會有不同的顏色？科學家認為，極光的顏色主要與受到激發的氣體分子以及海拔高度有關。
韓大洋指出，綠色極光大多出現于100至150千米的較低海拔處，這里粒子碰撞頻繁，受激發的分子氮通過碰撞將能量傳遞給原子氧，此時微觀粒子的躍遷會發射波長為557.7納米的光，呈現出綠色。躍遷較為平緩時，受到激發的氮氣發射出的光波長僅為428納米，會呈現出藍色。而紅色極光一般是由高空的原子氧產生，其波長為630納米，人眼對這個波長并不敏感，只有在太陽活動引發強烈地磁暴、紅光足夠亮時，才能看到。
“綠色的極光對于我國來說更難看到，因為需要足夠強的太陽風暴才能轟擊到100千米左右的大氣，產生綠色極光。”他說。
從這個角度來看，黑龍江地區的人們是幸運的。這次地磁暴給黑龍江地區同時帶來了紅色和綠色極光，絢麗多彩。這個盛景，他們在一個月前剛剛遇到過——11月5日晚間發生地磁暴，黑龍江漠河夜空同時出現了紅、綠極光。“回顧過往極光圖片與視頻資料，在我國范圍內觀測到的基本都是紅色極光，而對于出現高度更低、更難發生的綠色極光，這還是第一次被人們觀測并拍攝到。”韓大洋說。
紅色和綠色極光不僅可能同時出現，而且還可能互相疊加。
今年10月，加拿大上空出現的橙色極光引起眾多關注，也讓科學家很苦惱，極光不應該是橙色的，因為空氣中沒有分子能夠產生明亮的橙色。挪威卑爾根大學的極光物理學家謝爾瑪·奧克薩維克研究后給出解釋，紅色極光是由低能電子與高海拔（200～400千米）的氧原子碰撞形成的；綠色極光是由能量更高的電子深入低空（100～150千米）與氧原子碰撞形成的；在這兩個過程之間，可能會出現混合現象，即綠色和紅色極光重疊，看上去是橙色，“實際上同時是紅色和綠色的”。
威脅航天器安全、影響導航定位，但對人體健康沒影響
當然，地磁暴帶來的不僅僅是絢麗多彩的極光，還可能是不可估量的危害。
2022年2月，受地磁暴影響，多顆美國星鏈衛星未能按照計劃進入預定軌道。當時發生了兩次地磁暴，剛發射升空的星鏈衛星還沒來得及“舒展筋骨”，就被各種微粒“撞暈”了。
韓大洋指出，除了極光，地磁暴帶來的影響有很多。其中之一是驅使地球高層大氣微粒運動加劇，最終造成大氣整體上受熱膨脹，并向著更高的空間擴散，從而對飛行在太空的航天器造成更大的飛行阻力，形成飛行速度減慢——高度降低——阻力更大——進一步減速——高度更快降低的惡性循環，威脅航天器在軌安全。
清華大學天文系副教授蔡崢解釋，地磁暴可能會影響無線電波的傳播，從而干擾地面通信和衛星信號，這可能影響導航衛星系統的精確度，以及手機和衛星電視的信號質量。同時，強烈的地磁暴可能會對電力傳輸系統產生影響，增加輸電線路的電流負荷，有時甚至可能導致變壓器或其他電網設施損壞，引起電力中斷。
1989年3月發生的超級地磁暴，導致加拿大魁北克電網系統完全癱瘓，大部分地區9個小時才恢復供電。這次事件還使澳大利亞輸油管道受損，大西洋和太平洋海底電纜出現高壓脈沖；美國GOES-7衛星損失了一半太陽能電池，致使其壽命縮短一半；日本通信衛星CS-3B異常，衛星上的備用命令電路損壞。
我國的在軌衛星也會受到地磁暴的影響。韓大洋介紹，這次地磁暴造成我國風云三號G星的軌道單日降低約300米，達到日常情況下軌道衰減數值的近四倍。但在準確的預報服務下，衛星運控部門已提前做好準備，因此此次大地磁暴對風云衛星的運行影響不大。
很多人擔心，地磁暴是否會影響人類健康和安全。對此，劉勇表示，地磁暴通常對人體健康沒有影響。“地磁暴對身體和航空出行不會有什么影響，雖然會對電子通信產品有一定的干擾，但影響都是非常小的，也有應對措施。但在國際空間站工作的宇航員們可能會受到地磁暴更多的影響。”他說。
不過，強烈的地磁活動可能會影響動物的遷徙和導航能力。“對于借助太陽和地磁導航的信鴿而言，地磁暴帶來的影響是巨大的。”韓大洋說，最近的這次大地磁暴，給信鴿歸巢制造了不小的麻煩，甚至有的賽鴿俱樂部當天的歸巢率只有百分之十幾。
地磁暴不可避免，但我們已經能夠提前預報預警。據了解，目前我國已形成規范化、定量化的空間天氣監測預報預警業務，空間天氣預報準確率處于國際先進水平。今年，空間天氣預警還加入了國家突發事件預警發布體系，并在3月1日通過國家突發事件預警信息發布平臺首次發布太陽耀斑的信息提示。“我們將持續監測相關太陽活動，及時為大家提供預報和預警服務。”韓大洋說。
《光明日報》（2023年12月07日 16版）
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