【科普】北京也見美麗極光——極光與地磁暴
周立旻
民進(jìn)華東師范大學(xué)委員會主委
華東師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院教授
中小學(xué)地理國家教材建設(shè)重點研究基地
副主任
12月1日晚，我國漠河、內(nèi)蒙古多地甚至連北京都能看到絢麗的極光。不少天文愛好者無比興奮，在社交媒體上也曬出了照片。包括北京看到極光的詞條還沖上了熱搜。有些網(wǎng)友曬照，這個極光像西瓜的顏色，紅綠色都有交錯，有些網(wǎng)友曬出綠色極光不太一樣。極光這么美好和夢幻的美景，群眾有非常好的期許。出現(xiàn)極光與地球的地磁暴活動密切關(guān)聯(lián)。那么，地磁暴到底是個“什么來頭”， 北方多地為何出現(xiàn)紅綠色極光？地磁暴對人體有影響嗎？這些問題也成為廣大群眾關(guān)注的熱點。
極光是如何形成的？
什么是極光。極光簡單來講是地球空間環(huán)境中的高能粒子（等離子體）在沿著地球磁力線在大氣中沉降過程中，與中高層大氣分子碰撞并激發(fā)出的光芒。
為什么極光與磁暴總聯(lián)系在一起。太陽在發(fā)射出可見光/紫外線等光子的同時，也在向外發(fā)射高能粒子流（主要是質(zhì)子和電子），我們稱為“太陽風(fēng)”。太陽風(fēng)的平均速度為400千米/秒。由于太陽風(fēng)是高能帶電粒子流，因此它也將行星際磁場固結(jié)在其中。在太陽風(fēng)的作用下地球磁場發(fā)生了變形，在向陽側(cè)（晝半球側(cè)）地磁長被壓縮，在背陽側(cè)（夜半球側(cè)）地球磁場被拉長形成長長的磁尾。由于地球磁場的存在，保護(hù)了地球中低緯度大氣免受太陽風(fēng)高能粒子流直接的沉降轟擊。太陽高能粒子流僅能在地磁極區(qū)順著磁力線在大氣中沉降，特別是行星際磁場處于南向期，其與地球磁場產(chǎn)生重連，粒子進(jìn)入磁層大氣量顯著增加。在來自太陽冕洞的高速太陽風(fēng)和太陽活動高峰期的日冕拋射物（簡稱“CME”），順著南向行星際磁場襲擊地球時，大量的高能粒子進(jìn)入地球的磁尾中，能量累積并爆發(fā)發(fā)生“地磁亞暴”，“地磁亞暴”后大量粒子順著磁尾磁力線進(jìn)入磁緯65-75度區(qū)域的地球中高層大氣，并與中高層大氣碰撞產(chǎn)生極光。在300km以上高度，高能粒子與氧原子碰撞，激發(fā)出紅光；在100-200km，氮原子被激發(fā)產(chǎn)生藍(lán)光，氧原子被次級電子激發(fā)產(chǎn)生綠光；在100km以下，氮分子被激發(fā)產(chǎn)生紫紅色的光。正是這一過程，導(dǎo)致在中等到大地磁暴期間能看到美麗的極光。
因此地磁暴與極光有著密切的聯(lián)系。目前常用地磁觀測結(jié)果Kp指數(shù)來評價地磁暴。Kp指數(shù)是介于0-9之間。當(dāng)Kp指數(shù)達(dá)到7時出現(xiàn)大地磁暴，我國漠河地區(qū)，甚至北京可以觀測到極光，12月1日的地磁暴的Kp指數(shù)為7。
為什么我國不太容易看到極光，而且看到的極光都是紅色極光？地球地理極點（地球自轉(zhuǎn)軸與地面交點）與地磁極點并不重合，而且地磁南北極與地理南北極目前時反相配置的，比如磁北極點在北半球地理緯度的79oN，101oW左右的區(qū)域，也就是在西半球的地理北極區(qū)域。這樣就造成我們國家均位于地磁緯度的中低緯度區(qū)域，比如我國最北的黑龍江漠河，它的地理緯度是北緯53.5°，而對應(yīng)的地磁緯度卻是磁北緯42.70°N，上海的地理緯度是北緯31.5°左右，而對應(yīng)的地磁緯度為北磁緯20°左右。因此我國大部分地區(qū)看不到極光。僅僅在大地磁暴期間，當(dāng)極光圈擴(kuò)大，極光增強的情況下，在漠河甚至是北京能遠(yuǎn)遠(yuǎn)看到極光圈高層的紅色極光。而對應(yīng)的西半球區(qū)域比如美國，華盛頓特區(qū)的地理緯度為38.5°左右，而它的地磁緯度卻達(dá)到了磁北緯的47.7°，比漠河的磁緯高5°，這也造成西半球中緯度地區(qū)（地理緯度）更容易觀賞到極光。
歷史上的極端磁暴與極光現(xiàn)象？目前已知科學(xué)記錄的最大地磁暴與極光事件是1859年的“卡林頓事件”。當(dāng)年處于太陽第10活動周期的高太陽活動期，9月1日太陽表面劇烈的活動拋射出的能量粒子流（CME）向地球襲來，估計速度達(dá)到了3000km/s，造成地球連續(xù)8天的強磁暴，產(chǎn)生的極光在赤道地區(qū)被肉眼觀察到。在1626年我國明朝的各類典籍中，出現(xiàn)了北京天空夜晚連續(xù)9天出現(xiàn)紅光的記錄，可以推測當(dāng)時出現(xiàn)了超強的地磁暴事件，導(dǎo)致了紅色極光在北京地區(qū)可以被觀察到，估計強度超過了“卡林頓”事件。更為久遠(yuǎn)的超強磁暴事件，我們采用對地質(zhì)記錄中的宇宙成因核素（14C、10Be）測量的方法來追蹤，通過對樹輪14C的測試分析，專家們已發(fā)現(xiàn)在公元774年（774A.D.），出現(xiàn)了14C異常下降的現(xiàn)象，可以判斷，當(dāng)時發(fā)生了超強太陽風(fēng)暴導(dǎo)致的大磁暴事件。
地磁暴是否具有周期性？地磁暴由于和太陽活動具有密切的聯(lián)系，太陽活動存在典型的11年、22年到百年尺度的周期性變化，以太陽11年周期為例，在太陽活動的高峰期，太陽黑子、耀斑和太陽日冕拋射物（CME）顯著增多，與此同時地球的磁暴活動也顯著增加。目前我們進(jìn)入了第25太陽活動周期，2024年2、3月預(yù)計將進(jìn)入本周期的高峰期，因此近期的磁暴活動也顯著增加。2023年4月23日出現(xiàn)了Kp指數(shù)8的特大地磁暴，我國漠河等地也觀測到了極光。
地磁暴對我們生產(chǎn)生活的影響如何？地磁暴我們是否要在家躲避？地磁暴了人體會不會出現(xiàn)不適的癥狀？應(yīng)該說地磁活動對人類的影響的場景，隨著人類文明的演進(jìn)，在不斷的增多，總體由于地球磁場的保護(hù)，地磁暴和空間高能粒子對地面人體的直接影響目前仍缺乏有力的證據(jù)。人類進(jìn)入以電力支撐的時代后，電與磁的耦合關(guān)系，導(dǎo)致地磁暴與人類生活產(chǎn)生了密切的聯(lián)系。由于地磁暴期間地磁的波動，導(dǎo)致地面產(chǎn)生感應(yīng)電流，在地面導(dǎo)電不佳的情況下，就會對地表的電氣設(shè)備，比如輸電線路、電報設(shè)備等產(chǎn)生影響。1859年“卡林頓”事件時，導(dǎo)致歐洲部分地區(qū)的電報設(shè)備融化；1989年超大地磁暴期間，加拿大輸電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)大規(guī)模的故障。由于地磁暴期間的地磁波動，對航天器等產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)然目前航天器在軟硬件上均做了很好的防護(hù)與調(diào)整。地磁暴等空間天氣事件對低層大氣的影響目前已成為日-地天氣氣候關(guān)聯(lián)的研究新領(lǐng)域，認(rèn)為可能空間粒子可能通過影響電離層與地面間的大氣電傳輸，對大氣產(chǎn)生顯著影響，從天氣尺度上證據(jù)已較為充分，但對中長期氣候變化的影響仍然存在較大的爭議。