地磁暴：制造美丽也带来危险

地磁暴：制造美丽也带来危险日前，“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