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都是太阳“惹的祸”?如何理性看待地磁暴

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在慕田峪长城拍摄的极光。

■刘勇

5月10日晚和5月11日凌晨,受地磁暴影响,全球多地出现罕见极光,这也是我国境内看到极光范围较广的一次,很多网友在朋友圈直播新疆阿勒泰地区拍摄到的极光。

5月11日9时,国家空间天气监测预警中心发布地磁暴红色预警。极光让人大饱眼福的同时,也引起人们的担忧——有人说会导致停电,也有人说会导致头疼,还有人说会提高心血管病的发病率。

为什么最近太阳活动特别频繁?是什么导致地磁暴?地磁暴对人们的日常生活到底有哪些影响?

都是太阳变化周期“惹的祸”

可以说,这是太阳变化的周期性“惹的祸”。太阳活动和太阳表面的黑子数相关。在活动高年,太阳活动频繁,表面出现大量太阳黑子,而在低年,太阳活动频次和黑子数都变少。太阳活动大致以11年为周期变化,从低年到高年, 然后恢复到低年。

科学家将1755年的太阳低年定义为太阳周的元年,今年正好是第25个太阳周的高年,太阳上有相当多数量的黑子。太阳黑子的本质是活动区,也是太阳活动的策源地,由此产生了一系列剧烈的爆发活动,其中一些强烈干扰了地球磁场,形成磁暴和极光。

需要说明的是,太阳活动是一个准周期性活动,并不严格按照11年周期变化,每个太阳周峰值的黑子数和活动频次并不相同。按照以往变化规律,2007年左右,第23个太阳周应该结束并进入下一个太阳周的上升段。但出人意料的是,2007至2008年间,太阳活动一直处于低位,直到2009年才缓慢上升。而随后的整个第24个太阳周都非常低迷,2014年前后是这个太阳周的峰年,不过也没有几次大的太阳爆发,更不用说引发强烈的地磁暴了。

总体来说,从第23个太阳周结束到近两年这20年时间内,由于太阳活动的周期变化和第24个太阳周的低迷,我们几乎没有见到强烈的太阳活动,也没见过很强的地磁暴,尤其是像最近这样接连爆发导致的超强磁暴。

什么导致磁暴?为何有极光

很多人以为,是耀斑引起的地磁暴,真的是这样吗?

耀斑就是太阳表面局部地区的亮度增强,在进入太空时代之前,人类可以从地面望远镜观察到的太阳爆发活动就是耀斑,科学家也注意到耀斑活动频繁程度的11年周期性变化和地磁暴发生的频次周期变化正好吻合,于是很多人都得出了这个错误的结论——耀斑引发地磁暴。不过学界对耀斑如何引发地磁暴一直找不到很好的解释。

直到太阳和日球层观察者卫星(SOHO)发射上天,才观察到许多耀斑爆发的同时,太阳还会向外喷射出大量等离子体,即日冕物质抛射。在经过一轮轮科学论证后科学家终于得出结论——日冕物质抛射是太阳爆发的另一种形式。导致地磁暴产生的元凶终于站在太阳活动的舞台中央,成为空间天气研究的焦点。

太阳是一个火球,太阳表面附近的活动区存在强烈的磁场活动和磁场扭曲,蕴含着大量的磁场能量。日冕物质抛射和耀斑都是由于磁场扭曲释放的能量导致,耀斑是能量以光的形式释放,这些扭曲的磁场可能因为剧烈的结构变化而抛出一大团日冕物质。虽然日冕抛射物质重达上亿吨,但其主要成分是由质子和电子组成的等离子体,非常稀薄,因此体积巨大,像地球一样大的一团抛射等离子体的重量也就是两三个成年人的体重。不过,由于其运动速度飞快,加上其中蕴含的磁能,如果这团物质正好撞上地球外面的保护罩地磁场,就会引发强烈的地磁扰动。

更容易引发强磁暴的是日冕物质抛射事件的组合事件,由几个日冕物质抛射事件叠加在一起形成。相邻的日冕物质抛射会融合在一起,形成一个更大的抛射体,英文中常常被称为cannibal CME,被翻译成“吃人日冕物质抛射”,其实就是日冕物质抛射组合体。引发这次磁暴的就是伴随耀斑的连续几次日冕物质抛射相互融合形成的组合体,所以预报的结果是超强磁暴。

极光由于非常美丽,也常常被人津津乐道。从本质上来说,极光是高能粒子撞击大气的产物。可以把大气层想象成一个荧光屏,高能粒子打到上面就发光,而不同的大气成分就会发出不同颜色的光。我们从新疆看到粉红色极光就是几百公里高度的氧原子发光。在真正的高纬度地区,常常会看到绿色的极光,是从比较低的高度发出来的。

形成极光的高能粒子有两种不同的来源,一是伴随太阳爆发产生的太阳高能粒子,二是由于磁暴自身加速的一些地球附近空间的粒子。所以磁暴前极光就产生了,极光成了磁暴的预警,而且会出现于磁暴发生的整个过程中。

如何理性看待地磁暴

磁暴会影响两种人群的健康,一种是空间站上的宇航员,另一种是极区航班中的乘客。除此以外,磁暴对人体健康的影响基本可以忽略,虽然有少数科学研究称发现磁暴引发心血管疾病的证据,不过并未得到学界的广泛认同。即使是超强磁暴导致的磁场变化,也不到地面磁场强度变化的1%,很难想象这么小的磁场变化会影响生命活动。当然,伴随磁暴发生的高能粒子可能会影响地球附近的生命,不过对地球表面的生命活动影响十分有限。我们从未听说因为磁暴导致某种疾病的发病率显著上升或死亡率显著上升的报道,也没有见到身边有类似的事件发生。

受磁暴影响最大的是太空中的卫星、飞船以及上面的设备。比如,磁暴会使大气层上升、卫星轨道衰减,直接导致卫星寿命变短。磁暴产生的高能粒子会使卫星带电,影响仪器设备的正常运转,严重情况下甚至导致整个设备被击穿烧毁。1998年就发生过由磁暴引发的GALAXY 通信卫星故障。我国也报道过一些空间设备因为磁暴而损毁的情况。

特定的情况下,磁暴会影响输电线路,甚至导致大规模停电。1989年加拿大魁北克大停电就是由于超强磁暴引发的。不过这种情况通常发生在高纬度地区,我国大部分地区都处在中低纬度,这种现象比较少见。

太阳耀斑也会影响电离层和短波通信。不过我们日常用的电话是光纤加上基站的模式,通常不会受磁暴或太阳耀斑的影响。

当然,由于太阳耀斑影响电离层,磁暴导致的电离层扰动对于导航信号会有影响。通常在磁暴期间,导航信号会进行相应的修正,使得导航能正常进行。

从人类有完整的地磁记录以来,这样的磁暴也是非常罕见的。现在,我们有了非常完整的空间和地面观测体系,由中国科学院国家空间科学中心主持的子午二期行星际闪烁监测望远镜也刚刚建成,科研人员会利用相关数据对这样的太阳爆发和地磁暴进行深入研究,期待有更加激动人心的成果产出,让我们能更清晰地了解太阳风暴影响地球空间环境的过程。

此外,虽然我们不必担心地磁暴会对身体造成直接伤害,但还是建议大家在欣赏美丽极光的同时,及时关注新闻,了解磁暴进展,避免由于地磁暴损坏空间设备带来的二次伤害或经济损失。

(作者系中国科学院国家空间科学中心研究员)

来源:新浪科技

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