絢麗的極光背后會(huì)有哪些危險(xiǎn)

王美麗

說(shuō)起地球上最絢麗、最神秘的景觀，極光算是其中之一了。近日央視新聞在視頻號(hào)發(fā)布了一段北極圈爆發(fā)絢麗極光的視頻，瞬間引爆朋友圈，大自然的鬼斧神工，讓人驚嘆！

“說(shuō)起極光，很多人也許不知道，它是受日冕物質(zhì)拋射影響產(chǎn)生的。3月23日—24日，地球上出現(xiàn)了特大地磁暴導(dǎo)致極光增強(qiáng)現(xiàn)象。這是從2019年12月太陽(yáng)進(jìn)入第25個(gè)太陽(yáng)周以來(lái)爆發(fā)的最強(qiáng)的一次地磁暴。”中國(guó)氣象局空間天氣首席科學(xué)家、國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心研究員樂(lè)貴明接受記者采訪時(shí)說(shuō)。

但你知道嗎？突如其來(lái)的“美麗極光”其實(shí)也暗含著危險(xiǎn)。地磁暴為何引發(fā)極光？

地磁暴的著名副產(chǎn)品——極光

大家對(duì)地磁暴這個(gè)概念可能比較陌生，但是地磁暴有一個(gè)非常著名的副產(chǎn)品——極光。不光是在兩極地區(qū)，生活在美國(guó)、英國(guó)等部分地區(qū)的人們，近期都觀測(cè)到罕見(jiàn)的極光。極光其實(shí)就是地磁暴可視化的表現(xiàn)。極光是地面上能用肉眼看到的，由太陽(yáng)風(fēng)與磁層相互作用產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象。

【小知識(shí)】“極光”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)源于拉丁文“伊歐斯”這個(gè)詞。傳說(shuō)“伊歐斯”是希臘神話中“黎明”的化身，是希臘神“泰坦”的女兒，太陽(yáng)神和月亮女神的姐姐。而“極光”這一名稱卻來(lái)源于羅馬神話中的織架女神“奧羅拉”（Aurora），她掌管極光，代表旭日東升前的黎明。

地磁暴為何能帶來(lái)極光？學(xué)會(huì)看這張圖你就明白了

要了解這個(gè)問(wèn)題，首先需要知道地球磁場(chǎng)磁力線的空間分布。

在中低緯地區(qū)，地球磁力線是閉合的。外來(lái)的帶電粒子不容易穿越磁力線。在緯度比較高的區(qū)域，地球磁力線是開(kāi)放的，這使得太陽(yáng)風(fēng)中的帶電粒子能沿著開(kāi)放的磁力線進(jìn)入極區(qū)上空，當(dāng)帶電粒子與極區(qū)上空的大氣發(fā)生相互作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生極光。

由上述可見(jiàn)，極光的形成必備三大要素：太陽(yáng)風(fēng)（高能帶電粒子流）、地球磁場(chǎng)和大氣層。

磁暴期間，太陽(yáng)風(fēng)與磁層相互作用后注入極區(qū)的粒子會(huì)大幅度增加，注入地球磁場(chǎng)的緯度范圍也會(huì)擴(kuò)大，從而導(dǎo)致極區(qū)極光增強(qiáng)而且能擴(kuò)展到更低的緯度。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，地磁暴強(qiáng)度Kp指數(shù)可分為五個(gè)級(jí)別：小、中等、大、特大、超大。此次地磁暴Kp指數(shù)高達(dá)8，達(dá)到了特大地磁暴級(jí)別。國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心空間天氣預(yù)報(bào)臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)毛田說(shuō)：“這次強(qiáng)度很強(qiáng)，近15年也只發(fā)生過(guò)5次這么強(qiáng)的地磁暴現(xiàn)象，近些年來(lái)比較少見(jiàn)。”

極光越美越危險(xiǎn)嗎

極光雖然好看，但越絢麗的極光，意味著地磁暴越強(qiáng)烈，對(duì)地面通信和航天器運(yùn)行威脅就越大。2022年2月，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（Spac e X）發(fā)射升空的49 顆星鏈衛(wèi)星，就因受到地磁暴影響，其中38顆星鏈衛(wèi)星無(wú)法進(jìn)入軌道。據(jù)悉，2022年2月地磁暴強(qiáng)度級(jí)別只是最小級(jí)別，那為何會(huì)造成如此大的影響呢？

根據(jù)國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心綜合分析，地磁暴發(fā)生后，給地球兩極地區(qū)注入巨大能量，其規(guī)模可能超過(guò)了中等地磁暴所引起的能量注入，隨后能量傳遞到高層大氣中，造成大氣被加熱，并向低緯擴(kuò)散。低層大氣受熱膨脹，導(dǎo)致衛(wèi)星軌道上的大氣密度增加，使得衛(wèi)星所受阻力增大。因?yàn)闆](méi)有準(zhǔn)確預(yù)估衛(wèi)星軌道受影響的嚴(yán)重程度，所以衛(wèi)星無(wú)法進(jìn)入預(yù)定軌道。軌道高度在300千米以下的衛(wèi)星受磁暴影響是非常大的，而SpaceX的星鏈當(dāng)時(shí)所處的軌道正好處于這一高度范圍內(nèi)。

除了威脅航天器運(yùn)行，地磁暴還會(huì)威脅地球短波通信。短波通信是一個(gè)嚴(yán)重依賴地球電離層的通信方式。電離層是一個(gè)時(shí)時(shí)刻刻都在變化的傳輸媒質(zhì)，當(dāng)有地磁暴發(fā)生時(shí)，電離層電子密度隨高度的分布會(huì)發(fā)生很大變化，從而造成不同頻率的無(wú)線電波的反射高度發(fā)生變化。這時(shí)，如果還采用無(wú)磁暴時(shí)的電波傳播信號(hào)，這些信號(hào)的反射高度就會(huì)降低，導(dǎo)致在電波原有的接收點(diǎn)接收到的信號(hào)會(huì)大幅度衰減，甚至完全接收不到，從而造成短波通信中斷。

受本次地磁暴影響期間，短波信號(hào)衰減幅度超過(guò)50%。磁暴期間，導(dǎo)航定位都會(huì)受到很大影響，這對(duì)經(jīng)過(guò)極區(qū)的航線或者要經(jīng)過(guò)高緯地區(qū)的航線會(huì)造成嚴(yán)重影響，此時(shí)這些航線就需要依據(jù)空間天氣狀況重新制定。在此次特大地磁暴發(fā)生期間，作為國(guó)際民航組織（ICAO）全球空間天氣中心當(dāng)值中心的國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，及時(shí)向國(guó)際民航組織發(fā)布了地磁暴和短波通信可能受影響的信息。

此外，受強(qiáng)地磁暴影響期間，電網(wǎng)和地下管網(wǎng)（如石油和天然氣管道、海底光纜的外保護(hù)管等）也會(huì)受到影響。

如何科學(xué)應(yīng)對(duì)地磁暴

地磁暴威力如此大，那么我們?nèi)绾我?guī)避和減小它帶來(lái)的威脅呢？規(guī)避地磁暴威脅最有效的手段就是密切監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)、及時(shí)準(zhǔn)確研判并預(yù)報(bào)其可能造成的地磁暴。

太陽(yáng)活動(dòng)的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)是空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心的一項(xiàng)重要工作。一直以來(lái)，國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心在地面布設(shè)望遠(yuǎn)鏡，在風(fēng)云衛(wèi)星上也有對(duì)紫外波段的成像觀測(cè)設(shè)備和對(duì)軟X射線的流量、多能段的太陽(yáng)高能粒子流量的監(jiān)測(cè)，從而為空間天氣預(yù)報(bào)提供了重要支撐。

本次地磁暴爆發(fā)期間，國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心緊密監(jiān)測(cè)、及時(shí)反應(yīng)，第一時(shí)間向ICAO發(fā)布了《ICAO空間天氣咨詢報(bào)》，3月23日夜間到26日受地磁暴影響期間，共發(fā)布空間天氣咨詢報(bào)14份，并對(duì)未來(lái)發(fā)生狀態(tài)滾動(dòng)進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為全球民航提供了及時(shí)和高質(zhì)量的服務(wù)。

“這次特大地磁暴是國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心為ICAO全球空間天氣中心執(zhí)行任務(wù)期間出現(xiàn)的最強(qiáng)磁暴。這次磁暴過(guò)程中，我們的應(yīng)對(duì)和為ICAO提供的服務(wù)，說(shuō)明我們團(tuán)隊(duì)完全能夠勝任ICAO的值班任務(wù)。這也是對(duì)我們實(shí)力的一次檢驗(yàn)。”樂(lè)貴明說(shuō)。

而參與此次值班任務(wù)的國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心的宋茜和韓大洋說(shuō)：“每一次值班都要非常仔細(xì)、謹(jǐn)慎，當(dāng)這次罕見(jiàn)特大地磁暴發(fā)生時(shí)，我們有一整套規(guī)章制度和流程，指導(dǎo)值班人員該如何做，所以我們也沒(méi)有慌亂。”韓大洋表示，參與ICAO值班任務(wù)期間，當(dāng)有空間天氣發(fā)生變化時(shí)，需要做到眼快、手快、心快，這次團(tuán)隊(duì)人員應(yīng)對(duì)得都非常好。

太陽(yáng)活動(dòng)具有11年左右的周期，從2019年12月份開(kāi)始，太陽(yáng)進(jìn)入第25個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周。近一年，太陽(yáng)活動(dòng)明顯增強(qiáng)，強(qiáng)爆發(fā)事件時(shí)有發(fā)生，國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心利用天地一體化空間天氣監(jiān)測(cè)體系對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)和空間天氣進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)并及時(shí)發(fā)布預(yù)報(bào)，為相關(guān)部門(mén)提供服務(wù)和決策依據(jù)。毛田表示：“太陽(yáng)將進(jìn)入本活動(dòng)周的峰年，強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)總體上會(huì)越來(lái)越頻繁，我們將一如既往地努力，做好空間天氣的監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)、預(yù)警的工作。”