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(wǎng)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(gè)特殊現(xiàn)象—地磁暴。據(jù)中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心監(jiān)測，12月1日夜間，受太陽日冕物質(zhì)拋射影響，地球發(fā)生了一場高強(qiáng)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(xiǎn)。
地球磁場是保護(hù)屏障，但也有“副作用”
這次地磁暴，早有預(yù)警。
11月30日中午，國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心在其官方微信公眾號發(fā)布預(yù)警——11月30日、12月1日和2日三天，可能出現(xiàn)地磁暴活動。
他們分析風(fēng)云三號E星、羲和號等衛(wèi)星過去幾天的監(jiān)測資料后發(fā)現(xiàn)，太陽分別在11月27日5時(shí)、21時(shí)、22時(shí)，以及11月28日20時(shí)左右，先后四次爆發(fā)日冕物質(zhì)拋射。前三次相對較弱，但發(fā)生時(shí)間比較緊湊，一個(gè)接一個(gè)地連續(xù)爆發(fā)。而第四次過程強(qiáng)度最大，噴發(fā)物質(zhì)最多，并且形成了近似正對地球的球形噴發(fā)面。
“作為最典型的太陽爆發(fā)活動，一次日冕物質(zhì)拋射過程能將數(shù)以億噸計(jì)的太陽物質(zhì)，以每秒數(shù)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(zhì)量與速度匯聚成的動能，再加上本身就攜帶著太陽強(qiáng)大的磁場能，太陽物質(zhì)一旦命中地球，就會引發(fā)地球磁場方向與大小的變化，變化足夠大時(shí)就會發(fā)生地磁暴?！眹铱臻g天氣監(jiān)測預(yù)警中心工程師韓大洋解釋。
國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心監(jiān)測，這次太陽日冕物質(zhì)拋射給地球帶來3小時(shí)全球磁場指數(shù)（Kp）為7的大地磁暴、3小時(shí)Kp為6的中等地磁暴，以及12小時(shí)的小地磁暴?！叭虼艌鲋笖?shù)”是衡量地球磁場活動的指標(biāo)，取值范圍0～9，數(shù)字越大，說明地球磁場活動越強(qiáng)烈。
地球磁場本是保護(hù)地球的屏障，抵擋來自宇宙的各種“沖擊”。但當(dāng)高速的太陽風(fēng)吹襲地球，或太陽爆發(fā)導(dǎo)致的日冕物質(zhì)拋射影響到地球時(shí)，就會引起地球磁場在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化。如果地磁場的變化幅度超過一定數(shù)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’?！表n大洋說，地磁暴可能會影響衛(wèi)星運(yùn)行、導(dǎo)航系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等。
這種“副作用”還會繼續(xù)。太陽活動存在周期性，大約11年一個(gè)周期。從2019年12月開始，我們進(jìn)入有記錄以來的第25個(gè)太陽活動周期。在這個(gè)周期中，太陽活動明顯增強(qiáng)，規(guī)模較大的日冕物質(zhì)拋射、X級太陽耀斑等強(qiáng)爆發(fā)事件時(shí)有發(fā)生。
地磁暴越強(qiáng)極光范圍越大，北京還有機(jī)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(fā)出地磁暴預(yù)警時(shí)，國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心特別提醒極光愛好者，未來幾天要時(shí)刻注意空間天氣信息。果不其然，這次地磁暴期間，黑龍江、內(nèi)蒙古、新疆、河北等地均出現(xiàn)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(xiàn)象？
“地磁暴期間，高能粒子從太空落下，撞擊空氣并使其發(fā)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(zhì)的高速撞擊過程中，會發(fā)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(fā)光。
極光常見于地球南北極等高緯度地區(qū)，為什么北京、新疆等地也能看到？
“極光的發(fā)生范圍與地磁暴強(qiáng)度存在對應(yīng)關(guān)系。對于北半球而言，地磁暴越強(qiáng)，極光發(fā)生的范圍就會越往南擴(kuò)，如果足夠強(qiáng)的話，就可能在我國夜空出現(xiàn)極光?！表n大洋解釋。
中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員劉勇在接受媒體采訪時(shí)表示，歷史上有比這次強(qiáng)度大得多的地磁暴發(fā)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(nèi)連續(xù)三次出現(xiàn)極光，打破以往間隔數(shù)年才能有一次極光目擊的紀(jì)錄。其中，4月24日發(fā)生Kp指數(shù)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(nèi)清晰拍到極光，還要追溯到2015年。
韓大洋表示，我國出現(xiàn)極光是相當(dāng)罕見的，主要原因在于：一是極光通常出現(xiàn)的區(qū)域位于地球南北極區(qū)附近的極光卵，其對應(yīng)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(zhuǎn)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(shí)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(xiàn)在我國的極光往往不強(qiáng)，霧霾、人類照明都會遮擋原本微弱的極光。
“光有足夠強(qiáng)的太陽爆發(fā)來引發(fā)地磁暴仍然不夠，還需要相當(dāng)好的氣象條件。”韓大洋強(qiáng)調(diào)，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(gè)活動周“沖業(yè)績”的時(shí)候，伴隨爆發(fā)活動的增多，極光出現(xiàn)在我國的機(jī)會也在逐漸變大，“北京一定還有機(jī)會看到極光，而且就在當(dāng)前太陽活動周期內(nèi)”。
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(xiàn)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(xué)家認(rèn)為，極光的顏色主要與受到激發(fā)的氣體分子以及海拔高度有關(guān)。
韓大洋指出，綠色極光大多出現(xiàn)于100至150千米的較低海拔處，這里粒子碰撞頻繁，受激發(fā)的分子氮通過碰撞將能量傳遞給原子氧，此時(shí)微觀粒子的躍遷會發(fā)射波長為557.7納米的光，呈現(xiàn)出綠色。躍遷較為平緩時(shí)，受到激發(fā)的氮?dú)獍l(fā)射出的光波長僅為428納米，會呈現(xiàn)出藍(lán)色。而紅色極光一般是由高空的原子氧產(chǎn)生，其波長為630納米，人眼對這個(gè)波長并不敏感，只有在太陽活動引發(fā)強(qiáng)烈地磁暴、紅光足夠亮?xí)r，才能看到。
“綠色的極光對于我國來說更難看到，因?yàn)樾枰銐驈?qiáng)的太陽風(fēng)暴才能轟擊到100千米左右的大氣，產(chǎn)生綠色極光?！彼f。
從這個(gè)角度來看，黑龍江地區(qū)的人們是幸運(yùn)的。這次地磁暴給黑龍江地區(qū)同時(shí)帶來了紅色和綠色極光，絢麗多彩。這個(gè)盛景，他們在一個(gè)月前剛剛遇到過——11月5日晚間發(fā)生地磁暴，黑龍江漠河夜空同時(shí)出現(xiàn)了紅、綠極光。“回顧過往極光圖片與視頻資料，在我國范圍內(nèi)觀測到的基本都是紅色極光，而對于出現(xiàn)高度更低、更難發(fā)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(shí)出現(xiàn)，而且還可能互相疊加。
今年10月，加拿大上空出現(xiàn)的橙色極光引起眾多關(guān)注，也讓科學(xué)家很苦惱，極光不應(yīng)該是橙色的，因?yàn)榭諝庵袥]有分子能夠產(chǎn)生明亮的橙色。挪威卑爾根大學(xué)的極光物理學(xué)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(gè)過程之間，可能會出現(xiàn)混合現(xiàn)象，即綠色和紅色極光重疊，看上去是橙色，“實(shí)際上同時(shí)是紅色和綠色的”。
威脅航天器安全、影響導(dǎo)航定位，但對人體健康沒影響
當(dāng)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(wèi)星未能按照計(jì)劃進(jìn)入預(yù)定軌道。當(dāng)時(shí)發(fā)生了兩次地磁暴，剛發(fā)射升空的星鏈衛(wèi)星還沒來得及“舒展筋骨”，就被各種微?！白矔灐绷恕?/span>
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(qū)使地球高層大氣微粒運(yùn)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(kuò)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(jìn)一步減速——高度更快降低的惡性循環(huán)，威脅航天器在軌安全。
清華大學(xué)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(wèi)星信號，這可能影響導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的精確度，以及手機(jī)和衛(wèi)星電視的信號質(zhì)量。同時(shí)，強(qiáng)烈的地磁暴可能會對電力傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生影響，增加輸電線路的電流負(fù)荷，有時(shí)甚至可能導(dǎo)致變壓器或其他電網(wǎng)設(shè)施損壞，引起電力中斷。
1989年3月發(fā)生的超級地磁暴，導(dǎo)致加拿大魁北克電網(wǎng)系統(tǒng)完全癱瘓，大部分地區(qū)9個(gè)小時(shí)才恢復(fù)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(xiàn)高壓脈沖；美國GOES-7衛(wèi)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(wèi)星CS-3B異常，衛(wèi)星上的備用命令電路損壞。
我國的在軌衛(wèi)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(fēng)云三號G星的軌道單日降低約300米，達(dá)到日常情況下軌道衰減數(shù)值的近四倍。但在準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)服務(wù)下，衛(wèi)星運(yùn)控部門已提前做好準(zhǔn)備，因此此次大地磁暴對風(fēng)云衛(wèi)星的運(yùn)行影響不大。
很多人擔(dān)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(chǎn)品有一定的干擾，但影響都是非常小的，也有應(yīng)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(qiáng)烈的地磁活動可能會影響動物的遷徙和導(dǎo)航能力?！皩τ诮柚柡偷卮艑?dǎo)航的信鴿而言，地磁暴帶來的影響是巨大的?！表n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(dāng)天的歸巢率只有百分之十幾。
地磁暴不可避免，但我們已經(jīng)能夠提前預(yù)報(bào)預(yù)警。據(jù)了解，目前我國已形成規(guī)范化、定量化的空間天氣監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)，空間天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率處于國際先進(jìn)水平。今年，空間天氣預(yù)警還加入了國家突發(fā)事件預(yù)警發(fā)布體系，并在3月1日通過國家突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布平臺首次發(fā)布太陽耀斑的信息提示。“我們將持續(xù)監(jiān)測相關(guān)太陽活動，及時(shí)為大家提供預(yù)報(bào)和預(yù)警服務(wù)?！表n大洋說。
（本報(bào)記者 陳海波）
