3月24日、25日和26日三天,将可能出现地磁活动,其中3月25日可能发生中等以上地磁暴甚至大地磁暴,预计地磁活动将持续到26日。
地磁暴是什么
这来自太阳的高能带电粒子流主要起源自太阳大气最外层——日冕层。日冕层温度极高的同时物质极其稀薄,此时物质以带电的等离子体形式存在。通常情况下,这些带电粒子被封闭的太阳磁场所束缚,难以成规模地逃离,但有两类情况下,它们会顺利喷薄而出:
一是日冕存在较稳定(持续数日)的特定结构,如冕洞这类温度较低、磁场线较为开放的结构,带电粒子流会在这里成功逃脱太阳磁场束缚,形成冕洞高速流;
而比其更为剧烈的,则是强烈太阳活动(包括但不限于耀斑爆发)引发的异常磁场扰动,导致磁力线出现局部开放,此时这些“磁场缺口”处更容易出现带电粒子流的快速喷薄而出,并形成日冕物质抛射(CME)事件——后者往往会引发更显著地磁暴。
当前太阳的远紫外线波段影像图。图中右下部分的暗色区域正是温度较低、磁力线较为开放的冕洞,它对高能带电粒子流的产生和最近的地磁暴与极光活动有一定贡献。图片来源:美国航天局(NASA)下属太阳动力学天文台(SDO)
当CME对应的高能粒子流进入地球磁场范围后,会使地磁场压缩变形,并将大量带电粒子注入磁层区域,引发磁层环电流急剧变化;而由于变化的电流会产生变化的磁场,这一部分带电粒子流会给地磁场额外附加一部分感应磁场,这额外附加的部分就被称作地磁扰动,其中较强者会称作地磁暴。
所以地磁暴和极光是这些太阳高能粒子流影响的两面,可以通过监测地磁暴事件的强度预报极光的强度。
通常而言,越正对地球、速度越快的 CME,会产生越强烈的地磁暴;而 CME 也具有不同形态,通常以 CME 两端夹角衡量,完全成环(360°)者被称作晕状 CME —这类通常是正对地球、速度极快的 CME 事件,往往会引发强地磁暴事件。
美国空间天气预测中心(SWPC)的CME模型图,上半部分为高能等离子体密度,下半部分为粒子流径向速度。左侧图中,黄道极坐标平面中心黄点为太阳,右侧绿点为地球,其余二者为探测卫星。图片来源:SWPC
地磁暴对生活的影响
地磁暴除了直接反映地磁场的剧烈扰动,也代表着高能粒子流冲击地球高层大气。
在大地磁暴活动时,磁极附近的高纬度区域地面会因为磁场的快速变化进一步激发感应电流,并对当地电网等产生一定干扰,此外高纬度区域地磁导航、卫星导航和低频无线电波导航等方式等也会受到明显干扰。
由于高能带电粒子流增强,部分带电粒子会深入极地平流层而让这一层面电离辐射增强,对经过极地区域的航班飞行也稍有影响。而根据研究数据汇总而看,单次极地航班飞行时遭遇的剂量为 2.5~4μSv/h(上限在太阳活动高峰时达到),虽然这是天然本底辐射(约 0.2μSv/h)的 12~20 倍,但如果只是作为普通乘客的每年数次飞行,即使时间较长、在太阳活动高峰期间飞行,也远低于安全电离辐射剂量阈值(建议普通公众为每年 1000μSv,而职业工作者为每年 20000μSv),不会造成明显影响,但对于常年工作在极地航线的机组乘务人员,部分研究认为总辐射剂量可能接近安全阈值,也需要更多研究确认。
在大气层之外,高能粒子流和地磁扰动同样对空间站、卫星的电气元件工作、飞行姿态等产生影响,在轨航天员需要注意。甚至对于部分低轨道航天器而言,由于运行区域大气密度稍大,地磁暴期间可能出现大气密度进一步升高而阻力增大,影响航天器轨道变动甚至提前坠落,这些都是需要防范。
而大地磁暴级别的事件,对于包括我国在内的中纬度地区日常生活,如电子器件、通讯、飞行航班等,都不会造成任何明显影响。曾传言东航 MU721 航班飞行故障,事后也证实为发动机叶片自身故障,而非地磁暴事件所致。