极光:太阳风暴下的地球盛宴
记者 于梅君
12月1日晚,我国北京、内蒙古根河、黑龙江漠河等地出现罕见极光。这也是年初全球高纬度地区多地出现极光现象后,地球迎来的又一波强地磁暴。地磁暴究竟是什么来头?为何能引起极光现象?对日常生活有什么影响?
太阳上演“帽子戏法” 北京都看到了极光
12月1日晚,在我国北京,黑龙江漠河、大庆,内蒙古腾格里、根河等地,都有网友拍到了美丽的极光。据称,这是有记录以来北京第二次极光影像记录,也是第一次全市大范围同时记录到极光现象。
极光是一种绚丽多彩的等离子体现象,其产生条件,有大气、磁场和带电的高能粒子,三者缺一不可。由于地磁场作用,极光一般出现于靠近南北极的高纬度地区上空。
为什么此次极光在纬度仅有40度的北京被拍到?北京天文馆研究员朱进解释,虽然极光常见于高磁纬地区,但如果地磁暴特别强,极光发生的范围会扩大,赤道地区都能看到极光。因此在北纬40度的北京地区看到极光是可能的。
极光的产生和太阳的剧烈爆发有关。南京大学天文与空间科学学院陈鹏飞教授介绍,太阳发生剧烈爆发现象后,会抛出几十亿吨物质,以每秒几百甚至上千公里的速度在行星际运动,一旦撞向地球,与地球磁场相互作用,带电粒子沿着磁场线轰击我们头顶上的大气,导致大气层分子与原子之间碰撞激发产生“荧光”,也就是我们常说的“极光”。
12月1日晚的极光之所以出现,是因为太阳至少“脱”了“三件毛衣”。华中科技大学物理学院教授吴庆文解释,这次太阳爆发主要发生在11月27日左右,太阳面向地球这个方向,产生了三次比较大的物质抛射,三次日冕物质抛射相继喷发,你追我赶,抱团朝地球飞奔而来,并于11月30日左右到达地球,产生了我们观测到的极光现象。
这次磁暴非常强,汇聚了三次太阳爆发的威力,所以带电粒子可以冲破更多关卡,到达纬度更低的地区,所以北京上空也拍到了极光。
此次我国出现的极光,多是红绿相间的“西瓜配色”,这是为什么?吴庆文介绍,大部分极光集中在地球上方90—400公里。在300公里以上,极光以浅红色为主；200—300公里以深红色为主；100—200公里以绿色为主；100公里以下则是蓝色、紫色或多种色混合的颜色。
因为地表有一定弧度,使地球本身会遮挡部分远方的物体。如果观测点离极光太远,就只能看到高度更高的红色极光了。因此,在中国看到的极光大都是红色,而在北极圈内看到的多是绿色。
今年全球已发生7次大地磁暴
极光的出现,与地磁暴活动关系密切。日冕物质抛射,是典型的太阳爆发,在太阳黑子强大的磁场驱动下,巨量的日冕物质被以每秒数百到上千千米的高速抛出,随之形成类似爆炸的冲击波,冲击波快速传递到太阳系的各处,在其作用下,地球磁场发生方向以及大小的明显变化,地磁暴随之发生。
据中国气象局、国家空间天气监测预警中心监测,北京时间12月1日20时到23时,受太阳日冕物质抛射影响,地球发生了“全球磁场指数”为7的大地磁暴。
这也是今年继2月27日、3月23日、3月24日、4月23日、4月24日、9月19日之后,第7次发生大地磁暴级别的地磁活动。
另据最新监测和预报,受太阳冕洞高速太阳风和12月1日太阳日冕物质抛射的共同影响,12月4日还发生了小到中等地磁暴。
地磁暴有专门的强度等级,研究中常用Dst指数来分级,在实际预警应用中,则采用Kp指数来分级,指数最高是9级,属于特大地磁暴级别。
据国家空间天气监测预警中心监测,北京时间4月24日2时至8时,也曾发生过一场特大地磁暴,Kp指数为8,是自2019年12月太阳进入第25个太阳活动周以来,最强的一次地磁暴,也是近20年来最强的一次过程。国家空间天气监测预警中心首席预报员薛炳森表示,那次地磁暴是由伴随M1.7级太阳耀斑的日冕物质抛射引发的,是典型的太阳爆发,在新疆克拉玛依也曾引发了绚丽极光。
地磁暴为什么会像天气一样能提前预报?据介绍,太阳日冕物质抛射或太阳耀斑爆发后,是以光速传播到地球的,人类在上述太阳活动发生后约8分钟便可知晓。而太阳带电粒子流的传播速度则要慢很多,大概需要两三天时间才能抵达地球,因此,人们可以对可能出现的地磁暴进行预警。地磁暴预警主要是发给专业用户的,比如负责空间站、低轨卫星的相关部门和人员。
地磁暴主要影响卫星导航,对健康影响不大
地磁暴虽然可以制造绚烂的极光,但对日常生活会产生不利影响,主要集中在航天器、运输线路、动物和通信导航方面。
地磁扰动会引起大气密度变化,进而导致大气阻力增加,使得卫星尤其是低轨卫星的轨道高度下降,降低卫星寿命。比如,美国太空探索技术公司在2022年2月3日单次发射了总共49颗“星链”卫星,但次日遭遇地磁暴,其中多达40颗卫星由于无法恢复正常轨道高度而损毁。
地磁暴对地面电网、石油管线等运输线路也威胁不小,地磁暴形成的感应电流,容易引起电网跳闸、损毁等事故。如1989年3月,加拿大魁北克地区持续12个小时的大规模停电事故,就是由地磁暴引起的,当时受影响人数高达600万。
地磁暴对动物的不良影响主要体现于信鸽、海龟这类靠地磁场来感应方向的动物,当磁场发生紊乱时,就会导致它们的行进、迁移路线发生改变。
地磁暴会不会影响人类健康?清华大学天文系副教授蔡峥表示,地磁暴会对电子通信产品产生一定影响,但对普通人的身体健康几乎没有影响,更多影响的是在空间站等环境中工作的航天员。磁暴期间辐射增加,航天员通常需要采取额外的防护措施。
在发生地磁暴的时候,电离层往往会发生强烈扰动,可能对短波通信和全球导航卫星系统(GNSS)产生影响。尤其是GNSS,它使用的导航信号主要来自2万公里的太空,会受到距离地面60—1000公里的电离层活动影响。在地磁暴发生时,使用GNSS单频定位的手机,其定位精度会下降,手机定位的偏差可能从正常情况的10—20米,变成偏差上百米,甚至可能出现GNSS失灵现象。
太阳活动峰值或提前至明年,我国将看到更多极光
南京大学天文与空间科学学院陈鹏飞教授介绍,造成近年来我国境内极光频发的原因,主要是太阳活动周期的影响,还有地磁极的移动。
目前我们所处的第25太阳活动周,起始于2019年末,原本预计将于2025年到达峰值。但最近的研究表明,太阳活动峰值或将提前至2024年。
陈鹏飞表示,根据目前太阳黑子数变化情况来判断未来太阳活动的势头,2024年仍然是太阳活动的高年,而且地磁极正以每年50公里的速度向我国慢慢漂移。伴随着磁轴漂移,我国出现极光的概率也会大大提高。在未来一两年内,我国或将迎来极光观测的最佳时期。