能引發(fā)極光!地磁暴究竟是什么來頭?
發(fā)布時(shí)間:2023-12-07
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審核專家:占明錦

中國氣象科學(xué)研究院博士

前段時(shí)間,新聞上報(bào)道了這樣一則消息,中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心檢測到地球上出現(xiàn)了一次特大地磁暴。

這次的地磁暴有多大?它是第25太陽活動(dòng)周里,至今出現(xiàn)過最強(qiáng)的地磁暴。在它的影響下,在中國新疆和漠河等地還能看到美麗的極光

來源丨新聞圖片

事實(shí)上,早在今年的3月份,也曾報(bào)道過一次較大的地磁暴。多個(gè)地磁暴相繼出現(xiàn),會(huì)對我們的生活造成什么影響嗎?地磁暴究竟是什么來頭?

有傳言還宣稱,再過不久,地磁就會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn),這又是怎么一回事?真相到底如何,趕快跟隨小編來看一看。

什么是地磁暴?

在詳細(xì)解答這個(gè)問題之前,我們先要了解地磁是如何產(chǎn)生的。

地球的地核包括內(nèi)核和外核兩部分,內(nèi)核溫度最高,為固體;外核溫度次之,充斥著大量以鐵鎳為主的流體。這些流體帶有磁性,在地球自轉(zhuǎn)和高溫作用下進(jìn)行對流運(yùn)動(dòng),會(huì)引起電磁感應(yīng),進(jìn)而產(chǎn)生地磁。

地磁產(chǎn)生至少有約35億年歷史,它通過地球內(nèi)部延伸到宇宙中,形成地球磁層,這個(gè)磁層可以阻擋太陽風(fēng)的侵害,保護(hù)地球的大氣層和自然生態(tài)。

地球磁場視覺效果示意圖 來源丨NASA而地磁暴,就是地球磁場全球性的劇烈擾動(dòng)現(xiàn)象。它有專門的強(qiáng)度等級,研究中常用Dst指數(shù)來分級,在實(shí)際的預(yù)警應(yīng)用中則采用Kp指數(shù)來分級,Kp指數(shù)最高是9級,屬于特大地磁暴級別。

與地磁暴有關(guān)的太陽爆發(fā)活動(dòng)有兩種,分別為太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射。

太陽耀斑(Solar flare)即太陽局部區(qū)域發(fā)生劇烈爆發(fā),產(chǎn)生強(qiáng)烈閃光的現(xiàn)象。依照太空觀測衛(wèi)星(GOES)在地球附近測量的X射線峰值通量(波長在100至800皮米之間),將太陽耀斑分為了A、B、C、M、X五個(gè)等級。每一級再細(xì)分為1-9階(X級除外),目前X級的最高值已經(jīng)記錄到X-28。

當(dāng)爆發(fā)太陽耀斑時(shí),會(huì)在短期內(nèi)釋放出大量的能量,產(chǎn)生多種高能電磁輻射,如γ射線、X射線等。這些輻射到達(dá)地球會(huì)影響地球的電離層,對磁場產(chǎn)生干擾;這個(gè)過程中還會(huì)產(chǎn)生高能的帶電粒子,也會(huì)產(chǎn)生輻射干擾。

來源丨百度百科

日冕物質(zhì)拋射(Coronal Mass Ejection,CME)即太陽表面日冕層向行星際空間拋射日冕物質(zhì)和等離子體的現(xiàn)象。

這些日冕物質(zhì)和冕洞高速等離子體物質(zhì)會(huì)以每秒數(shù)百千米的速度撞擊地球的磁層,導(dǎo)致磁層出現(xiàn)明顯的壓縮變形,進(jìn)而引起地球磁場劇烈擾動(dòng),產(chǎn)生地磁暴。

日冕物質(zhì)拋射 來源丨百度百科

也就是說,在太陽耀斑與日冕物質(zhì)拋射的共同作用下,會(huì)導(dǎo)致劇烈地磁暴的產(chǎn)生。本文開頭新聞中提到的特大地磁暴,就是一次由M1.7級耀斑和全暈日冕物質(zhì)拋射聯(lián)合引起的現(xiàn)象。

地磁暴的影響

在地球上,地磁暴帶來的最直觀影響就是極光。

當(dāng)?shù)卮疟┌l(fā)生時(shí),地磁中的帶電粒子會(huì)沿著磁力線進(jìn)入地球的大氣層中,導(dǎo)致大氣層分子與原子之間碰撞激發(fā)產(chǎn)生“熒光”,也就是我們常說的“極光”。

2023年新西蘭南島西海岸??怂贡ǖ哪蠘O光 來源丨新華社

極光主要出現(xiàn)在南極圈和北極圈附近,越靠近赤道的中低緯度地區(qū),極光越罕見。只有當(dāng)帶電粒子流強(qiáng)度足夠大時(shí),與地磁作用下產(chǎn)生特大地磁暴,那么在中低緯度區(qū)域才可能見到極光。但是目前極光無法被精準(zhǔn)預(yù)測,也許到南北極圈待上十來天,也可能見不到極光。

極光雖美,但地磁擾動(dòng)卻會(huì)對許多人類活動(dòng)造成不利影響,尤其是通信行業(yè)。

太陽耀斑爆發(fā)時(shí)發(fā)出的電離輻射會(huì)干擾地球大氣的電離層,引發(fā)電離層閃爍及電離層延遲等,進(jìn)而影響到無線電通信和GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng),導(dǎo)致定位錯(cuò)誤或中斷。

此外,地磁暴還會(huì)導(dǎo)致地面電網(wǎng)、石油管線等運(yùn)輸線路形成感應(yīng)電流,容易引起電網(wǎng)跳閘等事故。如1989年,加拿大魁北克地區(qū)持續(xù)12個(gè)小時(shí)的大規(guī)模停電事故,就是由于地磁暴引起的。

地磁暴還會(huì)對航天器運(yùn)行造成影響。地磁擾動(dòng)會(huì)引起大氣密度變化,進(jìn)而導(dǎo)致大氣阻力增加,使得衛(wèi)星尤其是低軌衛(wèi)星的軌道高度下降,降低衛(wèi)星壽命。

1973年美國發(fā)射的Skylab(天空實(shí)驗(yàn)室)衛(wèi)星,當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)該衛(wèi)星能夠運(yùn)行10年之久。但是,后續(xù)由于多個(gè)地磁暴陸續(xù)出現(xiàn),導(dǎo)致其飛行阻力變大,僅四年之后衛(wèi)星就脫離了穩(wěn)定狀態(tài),1979年墜入大氣隕落。

人造衛(wèi)星 來源丨百度百科

地磁暴還會(huì)對一些動(dòng)物活動(dòng)產(chǎn)生影響,如信鴿、海龜這類靠地磁場來感應(yīng)方向的動(dòng)物,當(dāng)磁場發(fā)生紊亂時(shí),就會(huì)導(dǎo)致它們的行進(jìn)、遷移路線發(fā)生改變。

那么,有什么方法可以及時(shí)檢測地磁暴的發(fā)生呢?

地磁暴預(yù)警方式

2021年,我國發(fā)射了首顆太陽探測試驗(yàn)衛(wèi)星——“羲和號”,可用于觀測太陽大氣活動(dòng),對地磁暴進(jìn)行預(yù)警,以便及時(shí)做好預(yù)防措施。

“羲和號”上搭載了太陽Hɑ成像光譜儀,可以探測到Hɑ(氫阿爾法)譜線,對太陽進(jìn)行掃描“拍照”。Hɑ譜線是太陽活動(dòng)在低層大氣里響應(yīng)最強(qiáng)的一種譜線,它可以直觀地反映出太陽爆發(fā)的源區(qū)特征,有助于科學(xué)們正確掌握太陽爆發(fā)的物理機(jī)制。

“羲和號”掃描圖像 來源丨國家航天局

通過分析掃描到的太陽圖像,科學(xué)家們就能了解到太陽爆發(fā)時(shí)的大氣溫度、速度等的變化,從而搭建起太陽爆發(fā)過程中的完整物理模型。

2022年,“羲和號”第一次成功掃描了太陽Hɑ波段光譜。目前,“羲和號”每掃描一次太陽全日面只需要46秒,效率很高。

此外,國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心還專門研究了一套衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)方式。將地磁暴對于衛(wèi)星的影響因素綜合考慮,使得衛(wèi)星預(yù)報(bào)得以高效有序的進(jìn)行。

有些人擔(dān)心,地磁暴出現(xiàn)次數(shù)多了,會(huì)導(dǎo)致地球磁場產(chǎn)生變化。事實(shí)上,地球磁場一直都處在變化之中,平均每一百萬年,地磁的方向就會(huì)倒轉(zhuǎn)4-5次,每次倒轉(zhuǎn)后持續(xù)時(shí)間從幾千年到幾萬年不等。

地球磁場示意圖 來源丨百度百科

目前,關(guān)于地磁倒轉(zhuǎn)的原因尚沒有明確的科學(xué)研究證明。

對于人類而言,地磁身上還有著許多的秘密未曾挖掘出來,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷突破發(fā)展,相信在不久的將來,我們一定能揭開地磁的那層面紗。

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