地磁暴：制造美丽也带来危险
冯杰
2023年12月07日 07:15
本报记者 陈海波
光明日报（ 2023年12月07日 16版）日前，“北京极光”震撼众人—不少人在北京怀柔、门头沟等地拍摄到极光。网友惊叹，原来，不用到漠河北极村，在北京也能看到极光。这得感谢一个特殊现象—地磁暴。据中国气象局国家空间天气监测预警中心监测，12月1日夜间，受太阳日冕物质抛射影响，地球发生了一场高强度的地磁暴。但是，地磁暴带来的不仅是美丽，还有可能是危险。
地球磁场是保护屏障，但也有“副作用”
这次地磁暴，早有预警。
11月30日中午，国家空间天气监测预警中心在其官方微信公众号发布预警——11月30日、12月1日和2日三天，可能出现地磁暴活动。
他们分析风云三号E星、羲和号等卫星过去几天的监测资料后发现，太阳分别在11月27日5时、21时、22时，以及11月28日20时左右，先后四次爆发日冕物质抛射。前三次相对较弱，但发生时间比较紧凑，一个接一个地连续爆发。而第四次过程强度最大，喷发物质最多，并且形成了近似正对地球的球形喷发面。
“作为最典型的太阳爆发活动，一次日冕物质抛射过程能将数以亿吨计的太阳物质，以每秒数百千米的高速抛离太阳表面，形成类似爆炸的冲击波，传递到太阳系的各处。巨大质量与速度汇聚成的动能，再加上本身就携带着太阳强大的磁场能，太阳物质一旦命中地球，就会引发地球磁场方向与大小的变化，变化足够大时就会发生地磁暴。”国家空间天气监测预警中心工程师韩大洋解释。
国家空间天气监测预警中心监测，这次太阳日冕物质抛射给地球带来3小时全球磁场指数（Kp）为7的大地磁暴、3小时Kp为6的中等地磁暴，以及12小时的小地磁暴。“全球磁场指数”是衡量地球磁场活动的指标，取值范围0～9，数字越大，说明地球磁场活动越强烈。
地球磁场本是保护地球的屏障，抵挡来自宇宙的各种“冲击”。但当高速的太阳风吹袭地球，或太阳爆发导致的日冕物质抛射影响到地球时，就会引起地球磁场在短时间内发生剧烈变化。如果地磁场的变化幅度超过一定数值，地磁暴就难以避免了。
“地球磁场的存在为地球生物提供了必要的生存条件，但地磁暴却是我们不得不面对的‘副作用’。”韩大洋说，地磁暴可能会影响卫星运行、导航系统和供电系统等。
这种“副作用”还会继续。太阳活动存在周期性，大约11年一个周期。从2019年12月开始，我们进入有记录以来的第25个太阳活动周期。在这个周期中，太阳活动明显增强，规模较大的日冕物质抛射、X级太阳耀斑等强爆发事件时有发生。
地磁暴越强极光范围越大，北京还有机会看到极光
尽管是“副作用”，但地磁暴会带来“美丽的邂逅”。
在发出地磁暴预警时，国家空间天气监测预警中心特别提醒极光爱好者，未来几天要时刻注意空间天气信息。果不其然，这次地磁暴期间，黑龙江、内蒙古、新疆、河北等地均出现极光，甚至北京都有清晰的极光观测记录。
为什么地磁暴会带来极光现象？
“地磁暴期间，高能粒子从太空落下，撞击空气并使其发光，从而形成极光。”韩大洋解释，空气中的分子和原子在与太阳物质的高速撞击过程中，会发生微观的能量交换。以氧原子为例，它们会从撞击中接收一份能量，但是由于原子核外电子的特性，电子与原子核之间只能容纳一定额度的能量，超过的部分都会再被释放出来，而释放的形式就是发光。
极光常见于地球南北极等高纬度地区，为什么北京、新疆等地也能看到？
“极光的发生范围与地磁暴强度存在对应关系。对于北半球而言，地磁暴越强，极光发生的范围就会越往南扩，如果足够强的话，就可能在我国夜空出现极光。”韩大洋解释。
中国科学院国家空间科学中心研究员刘勇在接受媒体采访时表示，历史上有比这次强度大得多的地磁暴发生，“甚至在湖北都可以看到极光”。
今年4月24日、5月8日、5月12日，我国境内连续三次出现极光，打破以往间隔数年才能有一次极光目击的纪录。其中，4月24日发生Kp指数为8的特大地磁暴，在新疆多地都能看到极光。而在此之前，我国境内清晰拍到极光，还要追溯到2015年。
韩大洋表示，我国出现极光是相当罕见的，主要原因在于：一是极光通常出现的区域位于地球南北极区附近的极光卵，其对应地磁纬度范围在南北纬65度到75度之间，而我国纬度最高的地方漠河为北纬53度左右。二是地球磁轴和自转轴之间存在11.5度的夹角，所以地理纬度并不等于地磁纬度，且地球磁轴还向着北美洲偏移，也就是说，我国的地理纬度减去10度左右才是真实的地磁纬度。由此可见，我国的地磁纬度要比地理纬度低不少。三是出现在我国的极光往往不强，雾霾、人类照明都会遮挡原本微弱的极光。
“光有足够强的太阳爆发来引发地磁暴仍然不够，还需要相当好的气象条件。”韩大洋强调，在太阳、地球磁场、地球高层大气以及对流层天气的合力撮合下，才可以促成一场令人叹为观止的极光“盛宴”。他说，目前正是太阳第25个活动周“冲业绩”的时候，伴随爆发活动的增多，极光出现在我国的机会也在逐渐变大，“北京一定还有机会看到极光，而且就在当前太阳活动周期内”。
极光颜色不一样，我国更难看到绿色极光
这次地磁暴期间，北京和黑龙江出现的极光有着不一样的色彩。北京是红色为主，黑龙江则是红绿相互辉映。
为什么极光会有不同的颜色？科学家认为，极光的颜色主要与受到激发的气体分子以及海拔高度有关。
韩大洋指出，绿色极光大多出现于100至150千米的较低海拔处，这里粒子碰撞频繁，受激发的分子氮通过碰撞将能量传递给原子氧，此时微观粒子的跃迁会发射波长为557.7纳米的光，呈现出绿色。跃迁较为平缓时，受到激发的氮气发射出的光波长仅为428纳米，会呈现出蓝色。而红色极光一般是由高空的原子氧产生，其波长为630纳米，人眼对这个波长并不敏感，只有在太阳活动引发强烈地磁暴、红光足够亮时，才能看到。
“绿色的极光对于我国来说更难看到，因为需要足够强的太阳风暴才能轰击到100千米左右的大气，产生绿色极光。”他说。
从这个角度来看，黑龙江地区的人们是幸运的。这次地磁暴给黑龙江地区同时带来了红色和绿色极光，绚丽多彩。这个盛景，他们在一个月前刚刚遇到过——11月5日晚间发生地磁暴，黑龙江漠河夜空同时出现了红、绿极光。“回顾过往极光图片与视频资料，在我国范围内观测到的基本都是红色极光，而对于出现高度更低、更难发生的绿色极光，这还是第一次被人们观测并拍摄到。”韩大洋说。
红色和绿色极光不仅可能同时出现，而且还可能互相叠加。
今年10月，加拿大上空出现的橙色极光引起众多关注，也让科学家很苦恼，极光不应该是橙色的，因为空气中没有分子能够产生明亮的橙色。挪威卑尔根大学的极光物理学家谢尔玛·奥克萨维克研究后给出解释，红色极光是由低能电子与高海拔（200～400千米）的氧原子碰撞形成的；绿色极光是由能量更高的电子深入低空（100～150千米）与氧原子碰撞形成的；在这两个过程之间，可能会出现混合现象，即绿色和红色极光重叠，看上去是橙色，“实际上同时是红色和绿色的”。
威胁航天器安全、影响导航定位，但对人体健康没影响
当然，地磁暴带来的不仅仅是绚丽多彩的极光，还可能是不可估量的危害。
2022年2月，受地磁暴影响，多颗美国星链卫星未能按照计划进入预定轨道。当时发生了两次地磁暴，刚发射升空的星链卫星还没来得及“舒展筋骨”，就被各种微粒“撞晕”了。
韩大洋指出，除了极光，地磁暴带来的影响有很多。其中之一是驱使地球高层大气微粒运动加剧，最终造成大气整体上受热膨胀，并向着更高的空间扩散，从而对飞行在太空的航天器造成更大的飞行阻力，形成飞行速度减慢——高度降低——阻力更大——进一步减速——高度更快降低的恶性循环，威胁航天器在轨安全。
清华大学天文系副教授蔡峥解释，地磁暴可能会影响无线电波的传播，从而干扰地面通信和卫星信号，这可能影响导航卫星系统的精确度，以及手机和卫星电视的信号质量。同时，强烈的地磁暴可能会对电力传输系统产生影响，增加输电线路的电流负荷，有时甚至可能导致变压器或其他电网设施损坏，引起电力中断。
1989年3月发生的超级地磁暴，导致加拿大魁北克电网系统完全瘫痪，大部分地区9个小时才恢复供电。这次事件还使澳大利亚输油管道受损，大西洋和太平洋海底电缆出现高压脉冲；美国GOES-7卫星损失了一半太阳能电池，致使其寿命缩短一半；日本通信卫星CS-3B异常，卫星上的备用命令电路损坏。
我国的在轨卫星也会受到地磁暴的影响。韩大洋介绍，这次地磁暴造成我国风云三号G星的轨道单日降低约300米，达到日常情况下轨道衰减数值的近四倍。但在准确的预报服务下，卫星运控部门已提前做好准备，因此此次大地磁暴对风云卫星的运行影响不大。
很多人担心，地磁暴是否会影响人类健康和安全。对此，刘勇表示，地磁暴通常对人体健康没有影响。“地磁暴对身体和航空出行不会有什么影响，虽然会对电子通信产品有一定的干扰，但影响都是非常小的，也有应对措施。但在国际空间站工作的宇航员们可能会受到地磁暴更多的影响。”他说。
不过，强烈的地磁活动可能会影响动物的迁徙和导航能力。“对于借助太阳和地磁导航的信鸽而言，地磁暴带来的影响是巨大的。”韩大洋说，最近的这次大地磁暴，给信鸽归巢制造了不小的麻烦，甚至有的赛鸽俱乐部当天的归巢率只有百分之十几。
地磁暴不可避免，但我们已经能够提前预报预警。据了解，目前我国已形成规范化、定量化的空间天气监测预报预警业务，空间天气预报准确率处于国际先进水平。今年，空间天气预警还加入了国家突发事件预警发布体系，并在3月1日通过国家突发事件预警信息发布平台首次发布太阳耀斑的信息提示。“我们将持续监测相关太阳活动，及时为大家提供预报和预警服务。”韩大洋说。