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在慕田峪長城拍攝的極光。
■劉勇
5月10日晚和5月11日凌晨，受地磁暴影響，全球多地出現(xiàn)罕見極光，這也是我國境內(nèi)看到極光范圍較廣的一次，很多網(wǎng)友在朋友圈直播新疆阿勒泰地區(qū)拍攝到的極光。
5月11日9時，國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心發(fā)布地磁暴紅色預(yù)警。極光讓人大飽眼福的同時，也引起人們的擔(dān)憂——有人說會導(dǎo)致停電，也有人說會導(dǎo)致頭疼，還有人說會提高心血管病的發(fā)病率。
為什么最近太陽活動特別頻繁？是什么導(dǎo)致地磁暴？地磁暴對人們的日常生活到底有哪些影響？
都是太陽變化周期“惹的禍”
可以說，這是太陽變化的周期性“惹的禍”。太陽活動和太陽表面的黑子數(shù)相關(guān)。在活動高年，太陽活動頻繁，表面出現(xiàn)大量太陽黑子，而在低年，太陽活動頻次和黑子數(shù)都變少。太陽活動大致以11年為周期變化，從低年到高年， 然后恢復(fù)到低年。
科學(xué)家將1755年的太陽低年定義為太陽周的元年，今年正好是第25個太陽周的高年，太陽上有相當(dāng)多數(shù)量的黑子。太陽黑子的本質(zhì)是活動區(qū)，也是太陽活動的策源地，由此產(chǎn)生了一系列劇烈的爆發(fā)活動，其中一些強烈干擾了地球磁場，形成磁暴和極光。
需要說明的是，太陽活動是一個準(zhǔn)周期性活動，并不嚴(yán)格按照11年周期變化，每個太陽周峰值的黑子數(shù)和活動頻次并不相同。按照以往變化規(guī)律，2007年左右，第23個太陽周應(yīng)該結(jié)束并進入下一個太陽周的上升段。但出人意料的是，2007至2008年間，太陽活動一直處于低位，直到2009年才緩慢上升。而隨后的整個第24個太陽周都非常低迷，2014年前后是這個太陽周的峰年，不過也沒有幾次大的太陽爆發(fā)，更不用說引發(fā)強烈的地磁暴了。
總體來說，從第23個太陽周結(jié)束到近兩年這20年時間內(nèi)，由于太陽活動的周期變化和第24個太陽周的低迷，我們幾乎沒有見到強烈的太陽活動，也沒見過很強的地磁暴，尤其是像最近這樣接連爆發(fā)導(dǎo)致的超強磁暴。
什么導(dǎo)致磁暴？為何有極光
很多人以為，是耀斑引起的地磁暴，真的是這樣嗎？
耀斑就是太陽表面局部地區(qū)的亮度增強，在進入太空時代之前，人類可以從地面望遠鏡觀察到的太陽爆發(fā)活動就是耀斑，科學(xué)家也注意到耀斑活動頻繁程度的11年周期性變化和地磁暴發(fā)生的頻次周期變化正好吻合，于是很多人都得出了這個錯誤的結(jié)論——耀斑引發(fā)地磁暴。不過學(xué)界對耀斑如何引發(fā)地磁暴一直找不到很好的解釋。
直到太陽和日球?qū)佑^察者衛(wèi)星（SOHO）發(fā)射上天，才觀察到許多耀斑爆發(fā)的同時，太陽還會向外噴射出大量等離子體，即日冕物質(zhì)拋射。在經(jīng)過一輪輪科學(xué)論證后科學(xué)家終于得出結(jié)論——日冕物質(zhì)拋射是太陽爆發(fā)的另一種形式。導(dǎo)致地磁暴產(chǎn)生的元兇終于站在太陽活動的舞臺中央，成為空間天氣研究的焦點。
太陽是一個火球，太陽表面附近的活動區(qū)存在強烈的磁場活動和磁場扭曲，蘊含著大量的磁場能量。日冕物質(zhì)拋射和耀斑都是由于磁場扭曲釋放的能量導(dǎo)致，耀斑是能量以光的形式釋放，這些扭曲的磁場可能因為劇烈的結(jié)構(gòu)變化而拋出一大團日冕物質(zhì)。雖然日冕拋射物質(zhì)重達上億噸，但其主要成分是由質(zhì)子和電子組成的等離子體，非常稀薄，因此體積巨大，像地球一樣大的一團拋射等離子體的重量也就是兩三個成年人的體重。不過，由于其運動速度飛快，加上其中蘊含的磁能，如果這團物質(zhì)正好撞上地球外面的保護罩地磁場，就會引發(fā)強烈的地磁擾動。
更容易引發(fā)強磁暴的是日冕物質(zhì)拋射事件的組合事件，由幾個日冕物質(zhì)拋射事件疊加在一起形成。相鄰的日冕物質(zhì)拋射會融合在一起，形成一個更大的拋射體，英文中常常被稱為cannibal CME，被翻譯成“吃人日冕物質(zhì)拋射”，其實就是日冕物質(zhì)拋射組合體。引發(fā)這次磁暴的就是伴隨耀斑的連續(xù)幾次日冕物質(zhì)拋射相互融合形成的組合體，所以預(yù)報的結(jié)果是超強磁暴。
極光由于非常美麗，也常常被人津津樂道。從本質(zhì)上來說，極光是高能粒子撞擊大氣的產(chǎn)物?？梢园汛髿鈱酉胂蟪梢粋€熒光屏，高能粒子打到上面就發(fā)光，而不同的大氣成分就會發(fā)出不同顏色的光。我們從新疆看到粉紅色極光就是幾百公里高度的氧原子發(fā)光。在真正的高緯度地區(qū)，常常會看到綠色的極光，是從比較低的高度發(fā)出來的。
形成極光的高能粒子有兩種不同的來源，一是伴隨太陽爆發(fā)產(chǎn)生的太陽高能粒子，二是由于磁暴自身加速的一些地球附近空間的粒子。所以磁暴前極光就產(chǎn)生了，極光成了磁暴的預(yù)警，而且會出現(xiàn)于磁暴發(fā)生的整個過程中。
如何理性看待地磁暴
磁暴會影響兩種人群的健康，一種是空間站上的宇航員，另一種是極區(qū)航班中的乘客。除此以外，磁暴對人體健康的影響基本可以忽略，雖然有少數(shù)科學(xué)研究稱發(fā)現(xiàn)磁暴引發(fā)心血管疾病的證據(jù)，不過并未得到學(xué)界的廣泛認(rèn)同。即使是超強磁暴導(dǎo)致的磁場變化，也不到地面磁場強度變化的1%，很難想象這么小的磁場變化會影響生命活動。當(dāng)然，伴隨磁暴發(fā)生的高能粒子可能會影響地球附近的生命，不過對地球表面的生命活動影響十分有限。我們從未聽說因為磁暴導(dǎo)致某種疾病的發(fā)病率顯著上升或死亡率顯著上升的報道，也沒有見到身邊有類似的事件發(fā)生。
受磁暴影響最大的是太空中的衛(wèi)星、飛船以及上面的設(shè)備。比如，磁暴會使大氣層上升、衛(wèi)星軌道衰減，直接導(dǎo)致衛(wèi)星壽命變短。磁暴產(chǎn)生的高能粒子會使衛(wèi)星帶電，影響儀器設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，嚴(yán)重情況下甚至導(dǎo)致整個設(shè)備被擊穿燒毀。1998年就發(fā)生過由磁暴引發(fā)的GALAXY 通信衛(wèi)星故障。我國也報道過一些空間設(shè)備因為磁暴而損毀的情況。
特定的情況下，磁暴會影響輸電線路，甚至導(dǎo)致大規(guī)模停電。1989年加拿大魁北克大停電就是由于超強磁暴引發(fā)的。不過這種情況通常發(fā)生在高緯度地區(qū)，我國大部分地區(qū)都處在中低緯度，這種現(xiàn)象比較少見。
太陽耀斑也會影響電離層和短波通信。不過我們?nèi)粘Ｓ玫碾娫捠枪饫w加上基站的模式，通常不會受磁暴或太陽耀斑的影響。
當(dāng)然，由于太陽耀斑影響電離層，磁暴導(dǎo)致的電離層擾動對于導(dǎo)航信號會有影響。通常在磁暴期間，導(dǎo)航信號會進行相應(yīng)的修正，使得導(dǎo)航能正常進行。
從人類有完整的地磁記錄以來，這樣的磁暴也是非常罕見的?，F(xiàn)在，我們有了非常完整的空間和地面觀測體系，由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心主持的子午二期行星際閃爍監(jiān)測望遠鏡也剛剛建成，科研人員會利用相關(guān)數(shù)據(jù)對這樣的太陽爆發(fā)和地磁暴進行深入研究，期待有更加激動人心的成果產(chǎn)出，讓我們能更清晰地了解太陽風(fēng)暴影響地球空間環(huán)境的過程。
此外，雖然我們不必?fù)?dān)心地磁暴會對身體造成直接傷害，但還是建議大家在欣賞美麗極光的同時，及時關(guān)注新聞，了解磁暴進展，避免由于地磁暴損壞空間設(shè)備帶來的二次傷害或經(jīng)濟損失。
（作者系中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員）
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