地磁暴

發(fā)現(xiàn)

19世紀30年代，在德國科學家高斯和韋伯建立地磁臺站之初，他們就發(fā)現(xiàn)地磁場經(jīng)常有微小的起伏變化，但當時他們并沒有認識到這是由太陽引起的。之后，1859年9月1日，英國人卡林頓在觀察太陽黑子時，首先觀測到了太陽耀斑。第二天，地磁臺站記錄到1600納特斯拉的強烈地磁擾動。這個偶然的發(fā)現(xiàn)和巧合，使他認識到地磁擾動居然與太陽爆發(fā)活動有關。

成因

高速等離子體云從太陽日冕拋射出來，相對背景太陽風速度更高，攜帶著日冕磁場沖擊地球磁層，使磁層壓縮變形。并且它通常攜帶南北方向轉動的磁場，當磁場轉為南向和地磁場相互作用時，太陽風會將巨大的能量傾泄到磁尾的大尺度空間中，使磁尾等離子體片中大量的帶電粒子注入到環(huán)電流中，使環(huán)電流強度發(fā)生變化，而變化的電流會產生變化的磁場，從而引起全球范圍劇烈的地磁擾動——地磁暴。

能夠產生高速太陽風并引發(fā)強的行星際磁場南向分量的源有兩類，一類是太陽日冕物質拋射（CME），另一類是太陽冕洞。

發(fā)展過程

地磁暴發(fā)生時，這種全球性的劇烈擾動會在整個磁層持續(xù)十幾個小時到幾十個小時的時間，所有地磁要素都發(fā)生劇烈變化。其中地磁水平分量H變化最大，其擾動幅度通常在幾十納特斯拉到幾百納特斯拉之間，最能代表磁暴過程特點（其變化在中低緯度地區(qū)表現(xiàn)得最為突出），所以，磁暴的大部分形態(tài)學和統(tǒng)計學特征是依據(jù)中低緯度H分量的變化得到的。典型磁暴的發(fā)展過程也是按照H分量的變化來劃分的，通常可分為三個階段：初相、主相和恢復相。

初相

磁暴開始之后，在全球各經(jīng)度上，地磁水平分量在高于暴前值的水平上起伏變化，持續(xù)時間為幾十分鐘到幾個小時，這個階段叫做“初相”。

主相

初相結束后，H分量突然下降，半小時至數(shù)小時之內下降到極小值，稱為“主相”。主相是磁暴的主要特點，磁暴的大小就是用主相階段H分量下降最低點的幅度來衡量，一般磁暴H分量下降為幾十到幾百納特斯拉，個別大磁暴可超過1000納特斯拉。

恢復相

主相之后，H分量逐漸向暴前水平恢復，在此期間，磁場仍有擾動起伏，但總擾動強度逐漸減弱，一般需要2~3天才能完全恢復平靜狀態(tài)，這一階段叫做“恢復相”。

地磁指數(shù)

概括來講，地磁指數(shù)就是以地磁監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，描述某一時間段內地磁擾動的總體強度或某類磁擾強度的分級指標。它是基于基礎理論和實際應用需要，根據(jù)一個臺站或全球臺站的實際測量資料，用方便易行的分類和簡單明了的指標，對地磁活動性進行總體特征檢閱和總體形態(tài)描述，從宏觀角度把握全球或區(qū)域的地磁場變化規(guī)律。

地磁活動指數(shù)按照物理意義，可以分為兩大類：第一類是描述地磁活動的總體水平，而不考慮地磁擾動具體類型的指數(shù)，其中應用較廣泛的有K指數(shù)、Kp指數(shù)、Ap指數(shù)；第二類是為了描述特定類型磁擾或特定區(qū)域磁擾而設計的指數(shù)，其中Dst指數(shù)應用較為廣泛。

K指數(shù)

稱為“三小時磁情指數(shù)”，是描述單個地磁臺站3小時時段內地磁擾動強度的指數(shù)。取0到9共分10級，0表示地磁活動平靜，9表示地磁擾動幅度最大。

Kp指數(shù)

由全球地磁臺網(wǎng)中13個地磁臺站的K指數(shù)計算得到的，用于表示全球地磁活動性，每3小時一個值，取值范圍從0到9，共分28級：00，0+，1-，10，1+,…,9-，90。其值逐漸增大表示地磁擾動逐漸增強。在日常的應用中，一般把Kp=5、6稱為中小地磁暴，Kp=7、8、9稱為大地磁暴。

Kp指數(shù)與磁擾幅度不是線性關系，而是近似于對數(shù)關系。為了表示磁擾變化幅度，又在Kp指數(shù)的基礎上定義了全球性的“三小時等效幅度”ap指數(shù)，單位為2納特斯拉。一天8個ap指數(shù)的平均值可以作為全天地磁活動水平的量度，即為Ap指數(shù)，Ap指數(shù)的范圍由0到400，其值越大，表示地磁擾動幅度越大。

Dst指數(shù)

（磁暴環(huán)電流指數(shù)）

在地球赤道附近，按大致均勻的經(jīng)度間隔選取四個地磁臺站，這四個臺站每小時地磁水平強度變化的平均值即為Dst指數(shù)。它的單位是納特斯拉，其范圍可由正幾十納特斯拉到負幾千納特斯拉不止，并且其值逐漸減小表示磁擾幅度逐漸增大。

危害及影響

地磁暴期間，高能粒子沉降和焦耳加熱等過程使低層大氣受熱膨脹，引起高層大氣密度增加；高層大氣密度、成分和風場的變化，會引起電離層暴；磁層劇烈擾動時，磁尾中的熱等離子體被加速向地球方向運動，形成熱等離子體注入；帶電粒子沿磁力線沉降，轟擊高層大氣，形成絢爛多彩的極光；磁層擾動期間，磁層中的電子可能被加速至很高的能量，引起全球范圍的高能電子增強現(xiàn)象——高能電子暴。

對衛(wèi)星的影響

直接影響

當?shù)卮艌鰯_動時，磁場方向和大小的改變會影響它們之間的力矩，致使衛(wèi)星的姿態(tài)發(fā)生變化。衛(wèi)星的姿態(tài)發(fā)生變化后，通信衛(wèi)星將無法正常通信，甚至有時可能會中斷通信；氣象衛(wèi)星、軍事衛(wèi)星也無法監(jiān)測地球。

間接影響

當強磁暴發(fā)生時，磁層頂部由于受到高速太陽風的劇烈擠壓而被壓縮到地球同步軌道之內，發(fā)生同步軌道磁層頂穿越事件。此時不僅會因所處的磁場環(huán)境發(fā)生變化而影響姿態(tài)，還會因為失去了磁場的保護而直接受到太陽風的沖擊。

當?shù)卮疟┌l(fā)生時，焦耳加熱和極光粒子沉降加熱引起全球高層大氣增溫，密度和成分發(fā)生變化。當大氣密度陡增，大氣阻力會突然加大，加速了航天器衰減的速度，從而導致其偏離預計航道，甚至提前掉入低層大氣而隕落。

案例

2003年萬圣節(jié)期間，太陽暴發(fā)了一次強磁暴（地磁暴），使歐美的一系列科學衛(wèi)星都遭受了不同程度的損害，導致全球衛(wèi)星通信受到干擾6。

2022年2月4日，因為太陽活動產生地磁暴，地球高層大氣受熱后膨脹導致高層大氣密度增加，一批星鏈衛(wèi)星在210公里軌道受到的大氣阻力劇增，比地磁暴之前阻力增加了50%，這批49顆衛(wèi)星最終有40顆因未能退出安全模式并啟動氪離子推進器。根據(jù)SpaceX公布的消息，這批49顆星鏈衛(wèi)星僅有9顆工作正常。4美國太空探索技術公司表示，由于遭遇地磁暴，該公司2022年2月3日發(fā)射的49顆“星鏈”衛(wèi)星中有多達40顆于次日損毀。據(jù)信這是單次地磁暴對衛(wèi)星造成的最大規(guī)模破壞。

對電網(wǎng)的影響

強磁暴時，地磁場會發(fā)生劇烈擾動變化，變化的地磁場會在土壤電阻率高的地區(qū)產生每公里幾伏特到十幾伏特，持續(xù)時間從幾分鐘到幾小時的地面電勢（Earth Surface Potential，ESP）。而在高壓、超高壓輸電系統(tǒng)中，由于電網(wǎng)變壓器中性點直接接地，所以ESP會在東西走向、長距離輸電線路與大地構成的回路中產生地磁感應電流（Geomagnetically Induced Currents, GIC）。容易引起大型變壓器半波飽和而縮短其使用壽命，極端情況下會使其燒毀而造成永久損壞。

同時，由于磁暴的發(fā)生是全球同步，因此GIC會使整個電網(wǎng)范圍內數(shù)百臺變壓器同時發(fā)生半波飽和，造成一些保護裝置產生跳閘等誤動作，致使供電系統(tǒng)電壓嚴重下降導致系統(tǒng)崩潰，從而引發(fā)大面積停電事故。

預報

根據(jù)預報時間提前量，地磁暴預報又分為警報、短期預報和中期預報。2

警報

警報是指對未來幾個小時內可能發(fā)生的地磁暴等級進行預報，主要包括Kp指數(shù)和Dst指數(shù)；主要通過在L1點上的太陽風監(jiān)測來進行的。

短期預報

短期預報的提前量為1天~3天，主要預報未來3天內Ap指數(shù)的日值。預報更多是基于預報員的經(jīng)驗。對于CME引起的地磁暴，可以利用衛(wèi)星對CME的立體觀測結果進行預報；對于CIR引起的地磁暴，主要參考其之前曾引起的行星際太陽風和地磁場變化情況來進行。

中期預報

中期預報的時間提前量一般為幾天到幾個月，主要預報未來一個月內Ap指數(shù)日值，依賴于對CME和CIR發(fā)生可能性的預報。

警報級別

對于地磁暴警報級別的劃定，通常以Kp指數(shù)表征。地磁Kp=9為強地磁暴，發(fā)紅色警報；地磁Kp>7為中等地磁暴，發(fā)橙色警報；地磁Kp>5為弱地磁暴，發(fā)黃色警報。在一個太陽活動周中，弱地磁暴發(fā)生次數(shù)約2000次，中等地磁暴約300次，而強地磁暴僅為幾次。

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研究進展

2016年，日本名古屋大學的名古屋大學宇宙地球環(huán)境研究所鹽田大幸特別助教和日本國立極地研究所片岡龍峰教授帶領的研究團隊，開發(fā)出可再現(xiàn)太陽爆發(fā)活動時釋放的高速等離子體云和強磁場沖擊地球磁層全過程的數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)，較之以往的系統(tǒng)精確度更高。本項研究成果有望提高對磁暴形成過程及規(guī)模的預測精度。

活動預警

2023年11月30日，中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預警中心發(fā)布大地磁暴預警，預報稱11月30日、12月1日、2日三天，可能出現(xiàn)地磁暴活動，其中12月1日可能發(fā)生中等以上地磁暴甚至大地磁暴，預計地磁活動將延續(xù)到12月2日。預報中提示，此次太陽爆發(fā)活動很可能在12月1日制造出強度高且絢麗的極光，中國北部地區(qū)，如黑龍江、新疆的部分地區(qū)有機會看到紅色，甚至是綠色極光。

2023年12月1日，據(jù)中國氣象局空間天氣中心檢測，12月1日、2日，中國可能出現(xiàn)地磁暴活動，其中，12月1日可能發(fā)生中等以上地磁暴甚至大地磁暴；12月2日，根據(jù)國家空間天氣監(jiān)測預警中心的監(jiān)測和預報，受太陽冕洞高速太陽風和12月1日CME的共同影響，12月4日可能發(fā)生小到中等地磁暴。

歷次記錄

2023年2月27日、3月23、24日、4月23、24日、9月19日，12月1、2日均發(fā)生了大地磁暴級別的地磁活動。