极光会干扰磁场吗?，神奇的极光中地磁场的作用

大多数人的印象是北极光只能在南北两极附近看到，但12月1日晚上，我们收到了来自日本各地观测极光的消息。

以及中国东北地区高纬度地区的许多地方；

在河北省承德市、张家口市以及北京北部山区的山地观测站，都可以看到北极光的舞动。

之后，“北京极光”的话题也成为了热搜话题。

12月1日，有网友拍摄到北京的极光。图片来自微博

大部分地区都能看到的极光呈鲜红色，但在北方漠河岛等地也能看到闪烁的绿色极光。

本轮极光活动已经结束，但我们可以用这个罕见的现象来谈谈极光和磁暴~

对古代太阳风的召唤：

极光和磁暴

什么是极光

极光

一种发光太空天气现象。当来自太阳的大量高能带电粒子流（也称为太阳风）进入地球磁场时，大部分粒子会被磁场线集中并在磁极周围偏转，并在磁极处碰撞和落下。对于高层大气（超过100公里）的粒子，当大气粒子获得能量、被激发或带电，然后返回到其初始基态或与中性粒子结合时释放的部分能量被释放到大气中。可见光的形式。

由于现在的磁极在地理上也靠近南北两极，因此这种发光现象集中在高纬度地区（特别是磁极周围的高“磁纬度”地区，也称为极光带），而极光还有另一个名字。

太阳高能粒子流（太阳风）与地球周围及地磁相互作用示意图

为什么北极光有不同的颜色？

北极光的绚丽色彩与不同的大气粒子和排放过程以及不同的海拔高度有关。

作为最常见的

绿色极光

当氧原子被激发到激发态并短暂（在一秒到几秒内）返回基态时发出的光，通常在100 到200 公里的高度。

红色极光

也是恢复后激发态氧原子的释放，但这个过程需要很长的时间（几十秒到几百秒）。如果这段时间与其他粒子发生碰撞，这部分能量就损失掉了，不会恢复。因此，红色极光主要出现在海拔相对较高（约200-350公里）、粒子密度较低的地方。

一般来说，高空发光粒子比较细，因此红色极光的强度比绿色极光弱。

但由于极光带距离我国数百公里甚至更北，我国北部地区看到的极光高度角较低，且那里有地球表面曲率、地形等障碍物是。因此，在我国北部等中纬度地区，高度角实际上较低，更容易看到相对较弱的红色极光。

另外，氮原子被激发电离后会发出蓝光，但由于氮原子很难被激发电离，所以极光不像红色和绿色极光那样频繁出现。

日本等中纬度地区极光高度、颜色与可见范围关系示意图。图片来源：中国国家地理

什么是地磁风暴？

来自太阳的高能带电粒子流主要源自太阳大气的最外层——

电晕。当电晕的温度非常高且材料非常薄时，材料以带电等离子体的形式存在。

正常情况下，这些带电粒子受到封闭的太阳磁场的束缚，很难大规模逃逸，但有两种情况可以顺利喷射：

首先，日冕具有某些相对稳定的结构（持续数天），例如冕洞，其温度较低，磁力线相对开放，带电粒子的流动受到这些约束就可以轻松逃脱。这里存在太阳磁场，在冕洞内形成高速流动。

更引人注目的是由强烈的太阳活动（包括但不限于耀斑）引起的不寻常的磁场扰动，导致磁力线部分打开，当这些“磁场间隙”发生时就会变得更具性。带电粒子快速逸出并形成日冕物质抛射。

（芝商所）

事件—— 后者往往会导致更严重的事件

磁暴。

太阳在远紫外波段的当前图像。

当日冕物质抛射对应的高能粒子流进入地球磁场时，使地球磁场压缩变形，向磁层区域注入大量带电粒子，引起磁层环电流突变。到

变化的电流产生变化的磁场

，这部分带电粒子流赋予了地球磁性。

额外的

感应磁场的一部分，这个附加部分称为

地磁扰动

，较强的称为。

磁暴。

所以

地磁风暴和极光是受这些太阳高能粒子流影响的方程的两侧，监测地磁风暴事件的强度可以预测极光强度。

一般来说，越直接面向地球，日冕物质抛射速度越快，地磁风暴就越强。 CME 通常通过CME 两端之间的角度来测量，该角度是一个完整的圆（360 度）。 ）称为Halo CME。这种类型的日冕物质抛射事件通常直接针对地球，引起速度非常快且通常很强的磁暴。

这次极光和地磁暴现象的来源是北京时间11月29日凌晨由太阳耀斑引起的面向地球的光晕状CME现象。

与这次CME现象对应的太阳耀斑现象并不是很强（震级仅为M9.9），但由于其特殊的晕状结构，在12月1日到达地球时也引起了大规模的耀斑。磁暴现象。

北京时间11月29日凌晨Hello CME活动记录

美国太空天气预报中心(SWPC) CME 模型图。图片来源：SWPC

电、磁和光相互交织：

磁暴对生命的影响

地磁风暴不仅直接反映了地球磁场的强烈扰动，而且还代表了冲击地球高层大气的高能粒子流。

在此类磁暴期间，靠近磁极的高纬度地面因磁场的快速变化而进一步激发感应电流，

对当地电网等造成一定的干扰。

，还

高纬度地区的地磁导航、卫星导航、低频无线电导航也存在重大问题。

由于高能带电粒子流的增强，一些带电粒子深入极地平流层，增加了该水平的电离辐射。

预计途经极地地区的航班也会受到轻微影响。研究数据摘要显示，单次极地飞行期间接收的剂量为2.5-4 Sv/h（在太阳活动高峰期间达到上限），而自然背景辐射为12-12 Sv/h。 （约0.2 Sv/h），但如果您每年在太阳活动高峰期飞行几次，甚至长时间飞行，则远低于安全电离辐射剂量阈值（建议人类使用）。对于普通人来说，辐射剂量为每年1000Sv，对于专业人员（1000Sv）每年为20000Sv，所以没有明显的影响，但对于常年在极地航线上工作的空乘人员来说，总辐射剂量为：一些研究认为是存在的。该剂量可能接近安全阈值，需要进一步研究证实。

大气层之外，

在轨宇航员需要小心，因为高能粒子流和地磁场扰动会影响电气部件的运行以及空间站和人造卫星的飞行姿态。

即使对于一些低轨道航天器，其运行区域的大气密度也稍高，因此在磁暴期间，大气密度会进一步增加，增加阻力，影响航天器的轨道变化，可能会过早下降或下降。需要阻止的事情。

并且由于当前的磁暴级别事件，

预计对包括日本在内的中纬度地区的电子设备、通讯、飞行等日常生活不会产生明显影响。

周日有报道称，事后证实，东航MU721航班当天早上的故障是由于发动机叶片本身故障，而不是周六结束的地磁风暴。事实上，今年以来已经发生了7次地磁风暴（据一些资料显示为8次），3月24日和4月24日又发生了两次达到严重地磁暴级别的地磁风暴，但并未影响绝对震级。风暴影响了大部分地区的日常生活。

今年以来Kp指数每日变化。红色表示地磁风暴或更强的水平。图片来源：德国地球科学研究中心

对于普通公众来说，高纬度地区最能感受到强烈的地磁风暴。

（更准确地说，是指以磁极为中心的高磁纬度区域。）

很可能会看到充满活力的极光，随着高能粒子流向赤道扩展，包括我国北部在内的许多中纬度地区也将看到它们。

前面说过，我国北方的极光可视角度较低，光线比较暗，所以一定要在开阔的地方，避免路灯等光污染。如果纬度不够高的话就很难了。你可以在城市和城镇看到它。

为什么今年是漠河岛以南地区？

极光经常出现

不过，如果我们看一下磁极和磁纬度的分布图，目前大多数模型图都显示，与全球同地理纬度地区相比，我国的磁纬度是磁极向北美倾斜的。你可以看到。地势较低，看到北极光应该会更困难（对于极光事件来说也是如此）。

为什么今年漠河、北疆等地北极光更加常见？

现行通用地磁纬度模型

这种现象确实很了不起。由于这种现象最近才出现，尚未进行系统研究。这里我们仅根据一些文献研究给出粗略的估计（Chulliat et al. 2010；Livermore et al. 2023；）。

这可能与西伯利亚当地磁场的加强有关。

地磁是一个非常复杂的系统，其最大的组成部分在高中物理中已有介绍。

偶极子磁场

（约占地球总磁场强度的90%），像条形磁铁一样呈半球对称分布，磁极位于地理两极附近，并关于地球中心对称。

但除此之外，

局部磁场存在于各个地方。

，一些假设表明它是由地球外核和下地幔之间的环流驱动的，类似于大气中的局部环流。

因此，有两个主要磁极。一是“总地磁极”。

（磁极）

是通过对地磁线方向垂直于地球表面且磁场强度水平分量为0的两点进行实际测量得到的，可以代表整个磁场的特征。另一种是前面提到的主要偶极子。

（地磁极）

是将实际地球磁场展开分解得到的，其磁极关于地心对称。

2023年发布的世界磁力地图中，

亚洲一侧的总磁场强度明显增强。

结合一般地磁极正在快速向西伯利亚移动，而偶极磁极相对稳定，仍位于加拿大北极群岛，这是由地核引起的，这表明可能是非地磁的变化。偶极子分量。西伯利亚深处的地幔边界对流以及为什么西伯利亚和东北亚更容易看到极光——当然这些只是非常初步和不精确的猜测，需要后续专门研究来证实。

2015-2023年全球地磁强度年变化分布（单位：nT/a）。正值（红线）表示增强，负值（蓝线）表示减弱。

自1900 年以来北极附近总磁极和偶极磁极的运动（2025 年的预计位置）。图片来源：京都大学

现在，

第25 号太阳活动周期仍在增加，预计将在2024 年至2025 年初达到活动高峰。也许在未来一两年内，我们会看到更加壮观的北极光沿着中国北部边境舞动。

自2012 年以来的每月太阳黑子数量变化（虚线）、之前预测的平均值（红线）和1 个标准差误差。图片来源：SWPC

参考

[1] 顾江阳，董晓梅，孟香兰等，宇宙辐射估算与先导实验测量的对比研究，2023, 29(05):318-321.DOI:10.16289/j.cnki. 1002-0837.2023.05.002。

[2] Chulliat, A. Hulot, G. Newitt, L.R. 磁通量释放是20 世纪90 年代磁北极异常加速的可能原因，J. Geophys.）。

[3] Chulliat, A.Macmillan, S.Alken, P. 等人(2015)。美国/英国全球磁力模型2015-2023。 http://dx.doi.org/10.7289/V5TB14V7。

[4] Livermore, P.W. Finlay, C.C. Bayliff, M. 由于磁通波瓣拉伸导致北磁极最近加速。 -020-0570-9

[6] Matzka, J. Stolle, C. Yamaha, Yosuke Bronkalla, O. Morschhauser, A. (2023)。地磁Kp指数和地磁活动导出指数。 https://doi.org/10.1029/2023SW002641。

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作者丨冯云梦媛，气候学博士生

审稿人丨中国科学院上海天文台韩国标准研究员

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