王美麗

說起地球上最絢麗、最神秘的景觀，極光算是其中之一了。近日央視新聞在視頻號發(fā)布了一段北極圈爆發(fā)絢麗極光的視頻，瞬間引爆朋友圈，大自然的鬼斧神工，讓人驚嘆！

“說起極光，很多人也許不知道，它是受日冕物質(zhì)拋射影響產(chǎn)生的。3月23日—24日，地球上出現(xiàn)了特大地磁暴導(dǎo)致極光增強(qiáng)現(xiàn)象。這是從2019年12月太陽進(jìn)入第25個太陽周以來爆發(fā)的最強(qiáng)的一次地磁暴?！敝袊鴼庀缶挚臻g天氣首席科學(xué)家、國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心研究員樂貴明接受記者采訪時說。

但你知道嗎？突如其來的“美麗極光”其實(shí)也暗含著危險。地磁暴為何引發(fā)極光？

地磁暴的著名副產(chǎn)品——極光

大家對地磁暴這個概念可能比較陌生，但是地磁暴有一個非常著名的副產(chǎn)品——極光。不光是在兩極地區(qū)，生活在美國、英國等部分地區(qū)的人們，近期都觀測到罕見的極光。極光其實(shí)就是地磁暴可視化的表現(xiàn)。極光是地面上能用肉眼看到的，由太陽風(fēng)與磁層相互作用產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象。

【小知識】“極光”這一術(shù)語來源于拉丁文“伊歐斯”這個詞。傳說“伊歐斯”是希臘神話中“黎明”的化身，是希臘神“泰坦”的女兒，太陽神和月亮女神的姐姐。而“極光”這一名稱卻來源于羅馬神話中的織架女神“奧羅拉”（Aurora），她掌管極光，代表旭日東升前的黎明。

地磁暴為何能帶來極光？學(xué)會看這張圖你就明白了

要了解這個問題，首先需要知道地球磁場磁力線的空間分布。

在中低緯地區(qū)，地球磁力線是閉合的。外來的帶電粒子不容易穿越磁力線。在緯度比較高的區(qū)域，地球磁力線是開放的，這使得太陽風(fēng)中的帶電粒子能沿著開放的磁力線進(jìn)入極區(qū)上空，當(dāng)帶電粒子與極區(qū)上空的大氣發(fā)生相互作用時，就會產(chǎn)生極光。

由上述可見，極光的形成必備三大要素：太陽風(fēng)（高能帶電粒子流）、地球磁場和大氣層。

磁暴期間，太陽風(fēng)與磁層相互作用后注入極區(qū)的粒子會大幅度增加，注入地球磁場的緯度范圍也會擴(kuò)大，從而導(dǎo)致極區(qū)極光增強(qiáng)而且能擴(kuò)展到更低的緯度。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，地磁暴強(qiáng)度Kp指數(shù)可分為五個級別：小、中等、大、特大、超大。此次地磁暴Kp指數(shù)高達(dá)8，達(dá)到了特大地磁暴級別。國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心空間天氣預(yù)報臺副臺長毛田說：“這次強(qiáng)度很強(qiáng)，近15年也只發(fā)生過5次這么強(qiáng)的地磁暴現(xiàn)象，近些年來比較少見?！?/p>

極光越美越危險嗎

極光雖然好看，但越絢麗的極光，意味著地磁暴越強(qiáng)烈，對地面通信和航天器運(yùn)行威脅就越大。2022年2月，美國太空探索技術(shù)公司（Spac e X）發(fā)射升空的49 顆星鏈衛(wèi)星，就因受到地磁暴影響，其中38顆星鏈衛(wèi)星無法進(jìn)入軌道。據(jù)悉，2022年2月地磁暴強(qiáng)度級別只是最小級別，那為何會造成如此大的影響呢？

根據(jù)國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心綜合分析，地磁暴發(fā)生后，給地球兩極地區(qū)注入巨大能量，其規(guī)?？赡艹^了中等地磁暴所引起的能量注入，隨后能量傳遞到高層大氣中，造成大氣被加熱，并向低緯擴(kuò)散。低層大氣受熱膨脹，導(dǎo)致衛(wèi)星軌道上的大氣密度增加，使得衛(wèi)星所受阻力增大。因?yàn)闆]有準(zhǔn)確預(yù)估衛(wèi)星軌道受影響的嚴(yán)重程度，所以衛(wèi)星無法進(jìn)入預(yù)定軌道。軌道高度在300千米以下的衛(wèi)星受磁暴影響是非常大的，而SpaceX的星鏈當(dāng)時所處的軌道正好處于這一高度范圍內(nèi)。

除了威脅航天器運(yùn)行，地磁暴還會威脅地球短波通信。短波通信是一個嚴(yán)重依賴地球電離層的通信方式。電離層是一個時時刻刻都在變化的傳輸媒質(zhì)，當(dāng)有地磁暴發(fā)生時，電離層電子密度隨高度的分布會發(fā)生很大變化，從而造成不同頻率的無線電波的反射高度發(fā)生變化。這時，如果還采用無磁暴時的電波傳播信號，這些信號的反射高度就會降低，導(dǎo)致在電波原有的接收點(diǎn)接收到的信號會大幅度衰減，甚至完全接收不到，從而造成短波通信中斷。

受本次地磁暴影響期間，短波信號衰減幅度超過50%。磁暴期間，導(dǎo)航定位都會受到很大影響，這對經(jīng)過極區(qū)的航線或者要經(jīng)過高緯地區(qū)的航線會造成嚴(yán)重影響，此時這些航線就需要依據(jù)空間天氣狀況重新制定。在此次特大地磁暴發(fā)生期間，作為國際民航組織（ICAO）全球空間天氣中心當(dāng)值中心的國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心，及時向國際民航組織發(fā)布了地磁暴和短波通信可能受影響的信息。

此外，受強(qiáng)地磁暴影響期間，電網(wǎng)和地下管網(wǎng)（如石油和天然氣管道、海底光纜的外保護(hù)管等）也會受到影響。

如何科學(xué)應(yīng)對地磁暴

地磁暴威力如此大，那么我們?nèi)绾我?guī)避和減小它帶來的威脅呢？規(guī)避地磁暴威脅最有效的手段就是密切監(jiān)測太陽活動、及時準(zhǔn)確研判并預(yù)報其可能造成的地磁暴。

太陽活動的監(jiān)測與預(yù)報是空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心的一項(xiàng)重要工作。一直以來，國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心在地面布設(shè)望遠(yuǎn)鏡，在風(fēng)云衛(wèi)星上也有對紫外波段的成像觀測設(shè)備和對軟X射線的流量、多能段的太陽高能粒子流量的監(jiān)測，從而為空間天氣預(yù)報提供了重要支撐。

本次地磁暴爆發(fā)期間，國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心緊密監(jiān)測、及時反應(yīng)，第一時間向ICAO發(fā)布了《ICAO空間天氣咨詢報》，3月23日夜間到26日受地磁暴影響期間，共發(fā)布空間天氣咨詢報14份，并對未來發(fā)生狀態(tài)滾動進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測，為全球民航提供了及時和高質(zhì)量的服務(wù)。

“這次特大地磁暴是國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心為ICAO全球空間天氣中心執(zhí)行任務(wù)期間出現(xiàn)的最強(qiáng)磁暴。這次磁暴過程中，我們的應(yīng)對和為ICAO提供的服務(wù)，說明我們團(tuán)隊完全能夠勝任ICAO的值班任務(wù)。這也是對我們實(shí)力的一次檢驗(yàn)?！睒焚F明說。

而參與此次值班任務(wù)的國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心的宋茜和韓大洋說：“每一次值班都要非常仔細(xì)、謹(jǐn)慎，當(dāng)這次罕見特大地磁暴發(fā)生時，我們有一整套規(guī)章制度和流程，指導(dǎo)值班人員該如何做，所以我們也沒有慌亂。”韓大洋表示，參與ICAO值班任務(wù)期間，當(dāng)有空間天氣發(fā)生變化時，需要做到眼快、手快、心快，這次團(tuán)隊人員應(yīng)對得都非常好。

太陽活動具有11年左右的周期，從2019年12月份開始，太陽進(jìn)入第25個太陽活動周。近一年，太陽活動明顯增強(qiáng)，強(qiáng)爆發(fā)事件時有發(fā)生，國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心利用天地一體化空間天氣監(jiān)測體系對太陽活動和空間天氣進(jìn)行密切監(jiān)測并及時發(fā)布預(yù)報，為相關(guān)部門提供服務(wù)和決策依據(jù)。毛田表示：“太陽將進(jìn)入本活動周的峰年，強(qiáng)太陽活動總體上會越來越頻繁，我們將一如既往地努力，做好空間天氣的監(jiān)測及預(yù)報、預(yù)警的工作。”