[科普中國(guó)]-磁層暴

磁暴指地球磁場(chǎng)各要素發(fā)生的強(qiáng)烈擾動(dòng)。它能在瞬間波及全球，持續(xù)達(dá)幾小時(shí)至幾天。它是由太陽(yáng)活動(dòng)所引起的，當(dāng)太陽(yáng)噴射大量帶電微粒進(jìn)入地球大氣層時(shí)，引起電離層擾動(dòng)，同時(shí)引起地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向發(fā)生急劇而不規(guī)則的變化。磁暴發(fā)生時(shí)，兩極地區(qū)擾動(dòng)強(qiáng)度最大，常伴有極光出現(xiàn)。由于磁暴所引起的電離層擾動(dòng)，使正常通訊所用的無線電波不能折回地面；情況嚴(yán)重時(shí)，短波無線電通訊甚至完全中斷，羅盤磁針的指向也受到影響。1

定義磁層暴又稱磁暴，是整個(gè)地球磁層持續(xù)十幾小時(shí)至幾十小時(shí)的強(qiáng)烈擾動(dòng)現(xiàn)象，表現(xiàn)為當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)高速流形成的激波掃過地球時(shí)，磁層被壓縮，磁層內(nèi)對(duì)流電場(chǎng)增強(qiáng)，環(huán)電流粒子增多，等離子體層收縮，地磁場(chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，它是地磁場(chǎng)的一種全球幾乎同時(shí)發(fā)生的強(qiáng)烈擾動(dòng)現(xiàn)象。

磁層暴的總效果是地面地磁場(chǎng)減小。它是一種與人類各種活動(dòng)密切相關(guān)的常見現(xiàn)象。磁層暴與太陽(yáng)活動(dòng)緊密相關(guān)，在太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)可以一個(gè)月發(fā)生多次磁層暴，部分磁層暴有27天的重現(xiàn)性。在大磁暴發(fā)生時(shí)，連帶的多種環(huán)境擾動(dòng)會(huì)造成地面供電系統(tǒng)的故障，航天器的異常等。因此它不僅是空間物理學(xué)主要的研究現(xiàn)象，也是空間環(huán)境科學(xué)、空間環(huán)境預(yù)報(bào)所非常關(guān)注的研究?jī)?nèi)容。2

研究歷史19世紀(jì)30年代，高斯和韋伯建立地磁臺(tái)站之初，就發(fā)現(xiàn)了地磁場(chǎng)經(jīng)常有微小的起伏變化。1847年，地磁臺(tái)開始有連續(xù)的照相記錄。1859年9月1日，英國(guó)人卡林頓在觀察太陽(yáng)黑子時(shí)，用肉眼首先發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)耀斑。第二天，地磁臺(tái)記錄到700納特的強(qiáng)磁暴。這個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)和巧合，使人們認(rèn)識(shí)到磁暴與太陽(yáng)耀斑有關(guān)。還發(fā)現(xiàn)磁暴時(shí)極光十分活躍。19世紀(jì)后半期磁暴研究主要是積累觀測(cè)資料。

20世紀(jì)初，挪威的伯克蘭從第一次國(guó)際極年的極區(qū)觀測(cè)資料分析出引起極光帶磁場(chǎng)擾動(dòng)的電流主要是在地球上空，而不在地球內(nèi)部。為解釋這個(gè)外空電流的起源，以及它和極光、太陽(yáng)耀斑的關(guān)系，伯克蘭和史篤默相繼提出了太陽(yáng)微粒流假說。到30年代，磁暴研究成果集中體現(xiàn)在查普曼·費(fèi)拉羅磁暴理論中。他們提出地磁場(chǎng)被太陽(yáng)粒子流壓縮的假說，被后來觀測(cè)所證實(shí)。50年代之后，實(shí)地空間探測(cè)不但驗(yàn)證了磁暴起源于太陽(yáng)粒子流的假說，并且發(fā)現(xiàn)了磁層，認(rèn)識(shí)了磁暴期間磁層各部分的變化。對(duì)磁層環(huán)電流粒子的存在及其行為的探測(cè)，把磁暴概念擴(kuò)展成了磁層暴。磁暴和磁層暴是同一現(xiàn)象的不同名稱，強(qiáng)調(diào)了不同側(cè)面。3

發(fā)展階段磁暴通?？煞譃槿齻€(gè)發(fā)展階段：初相、主相和恢復(fù)相。

磁暴開始時(shí)在全球各經(jīng)度上，地磁場(chǎng)水平(H)分量增加，在一至幾小時(shí)內(nèi)大體保持不變，叫做初相。初相結(jié)束后，H分量突然下降，半小時(shí)至數(shù)小時(shí)內(nèi)下降到極小值，這一過程稱為主相。此后，H分量開始回升，兩三天至一星期內(nèi)恢復(fù)至暴前水平，稱為恢復(fù)相。有些磁暴在初相開始時(shí)H分量突然劇增，這種磁暴稱為急始型磁暴。沒有急始的磁暴稱為緩始型磁暴。

太陽(yáng)日冕物質(zhì)拋射事件向太陽(yáng)外噴發(fā)高速流。該高速流在行星際空間結(jié)構(gòu)稱為磁云，磁云前方有行星際激波。激波沖擊磁層頂時(shí)在磁層內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)脈沖，磁暴急始便是由這個(gè)強(qiáng)脈沖引起的。

太陽(yáng)風(fēng)高速流壓縮磁層，有時(shí)可將磁層頂壓迫到地球同步高度以內(nèi)，造成磁場(chǎng)H分量明顯增加，產(chǎn)生磁暴初相。

磁云內(nèi)存在南向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)厍蜍壍栏浇?yáng)風(fēng)磁場(chǎng)為南向且維持一段長(zhǎng)時(shí)間后，太陽(yáng)風(fēng)向磁層輸入的能量顯著增加，磁尾等離子體片中大量離子受到加熱并注入環(huán)電流區(qū)，使環(huán)電流幅值大增，其磁效應(yīng)就是H分量的急劇下降，產(chǎn)生磁暴主相。在此期間，極光活動(dòng)增強(qiáng)，極光帶擴(kuò)展并向低緯方向移動(dòng)，有時(shí)甚至在中低緯都能看到極光。

當(dāng)行星際磁場(chǎng)恢復(fù)北向后，由于粒子問的電荷交換和磁層波動(dòng)對(duì)粒子的散射，環(huán)電流粒子數(shù)減少，強(qiáng)度減弱，地磁場(chǎng)逐漸恢復(fù)到暴前水平，這就是恢復(fù)相。4

危害地磁暴期間，高能粒子沉降和焦耳加熱等過程使低層大氣受熱膨脹，地磁暴的連鎖反應(yīng)引起高層大氣密度增加；高層大氣密度、成分和風(fēng)場(chǎng)的變化，會(huì)引起電離層暴；磁層劇烈擾動(dòng)時(shí)，磁尾中的熱等離子體被加速向地球方向運(yùn)動(dòng)，形成熱等離子體注入；帶電粒子沿磁力線沉降，轟擊高層大氣，形成絢爛多彩的極光；磁層擾動(dòng)期間，磁層中的電子可能被加速至很高的能量，引起全球范圍的高能電子增強(qiáng)現(xiàn)象——高能電子暴。

對(duì)衛(wèi)星的影響直接影響：

當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)擾動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)方向和大小的改變會(huì)影響它們之間的力矩，致使衛(wèi)星的姿態(tài)發(fā)生變化。衛(wèi)星的姿態(tài)發(fā)生變化后，通信衛(wèi)星將無法正常通信，甚至有時(shí)可能會(huì)中斷通信；氣象衛(wèi)星、軍事衛(wèi)星也無法監(jiān)測(cè)地球。

間接影響：

當(dāng)強(qiáng)磁暴發(fā)生時(shí)，磁層頂部由于受到高速太陽(yáng)風(fēng)的劇烈擠壓而被壓縮到地球同步軌道之內(nèi)，發(fā)生同步軌道磁層頂穿越事件。此時(shí)不僅會(huì)因所處的磁場(chǎng)環(huán)境發(fā)生變化而影響姿態(tài)，還會(huì)因?yàn)槭チ舜艌?chǎng)的保護(hù)而直接受到太陽(yáng)風(fēng)的沖擊。

當(dāng)?shù)卮疟┌l(fā)生時(shí)，焦耳加熱和極光粒子沉降加熱引起全球高層大氣增溫，密度和成分發(fā)生變化。當(dāng)大氣密度陡增，大氣阻力會(huì)突然加大，加速了航天器衰減的速度，從而導(dǎo)致其偏離預(yù)計(jì)航道，甚至提前掉入低層大氣而隕落。

對(duì)電網(wǎng)的影響強(qiáng)磁暴時(shí)，地磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生劇烈擾動(dòng)變化，變化的地磁場(chǎng)會(huì)在土壤電阻率高的地區(qū)產(chǎn)生每公里幾伏特到十幾伏特，持續(xù)時(shí)間從幾分鐘到幾小時(shí)的地面電勢(shì)（Earth Surface Potential，ESP）。而在高壓、超高壓輸電系統(tǒng)中，由于電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)直接接地，所以ESP會(huì)在東西走向、長(zhǎng)距離輸電線路與大地構(gòu)成的回路中產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流（Geomagnetically Induced Currents, GIC）。容易引起大型變壓器半波飽和而縮短其使用壽命，極端情況下會(huì)使其燒毀而造成永久損壞。

同時(shí)，由于磁暴的發(fā)生是全球同步，因此GIC會(huì)使整個(gè)電網(wǎng)范圍內(nèi)數(shù)百臺(tái)變壓器同時(shí)發(fā)生半波飽和，造成一些保護(hù)裝置產(chǎn)生跳閘等誤動(dòng)作，致使供電系統(tǒng)電壓嚴(yán)重下降導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，從而引發(fā)大面積停電事故。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

尹維龍 - 副教授 - 哈爾濱工業(yè)大學(xué)