多地拍到極光！磁暴會(huì)對(duì)人體健康有影響嗎？

極光，在一般人印象里似乎都是到南北極附近才能看到，但就在12月1日晚上，我國(guó)多地都傳來(lái)了觀測(cè)到極光的消息。

不僅緯度較高的東北多地，甚至在河北的承德、張家口的山區(qū)天文臺(tái)、北京北部山區(qū)都瞥見(jiàn)了極光的疾馳旋舞，“北京極光”話題也一度攀登上熱搜。

12月1日網(wǎng)友拍攝到的北京極光。圖片來(lái)源于微博

大部分地區(qū)所見(jiàn)的極光都呈現(xiàn)絢爛的紅色，但在偏北的漠河等地還能看到綠色極光的明滅。圖片來(lái)源：漠河市委宣傳部

盡管本輪極光活動(dòng)已經(jīng)結(jié)束，我們?nèi)匀豢梢越柚@一罕見(jiàn)現(xiàn)象，來(lái)聊聊極光與地磁暴～

呼喚洪荒的太陽(yáng)風(fēng)：

極光與地磁暴的產(chǎn)生

1極光是什么

極光是一類(lèi)發(fā)光的空間天氣現(xiàn)象。大量來(lái)自太陽(yáng)的高能帶電粒子流（也稱(chēng)作太陽(yáng)風(fēng)）在進(jìn)入地球磁場(chǎng)后，多數(shù)被磁力線集中偏轉(zhuǎn)到磁極周邊并下落，當(dāng)它們與高層大氣（100千米或以上）的粒子碰撞后，大氣粒子獲得能量而被激發(fā)或被電，當(dāng)這些粒子回復(fù)到初始基態(tài)或復(fù)合為中性粒子時(shí)，部分釋放的能量會(huì)以可見(jiàn)光形式發(fā)出。

由于當(dāng)前磁極也均位于地理上的南北兩極附近，因而這類(lèi)發(fā)光現(xiàn)象集中在高緯度地區(qū)（尤其是環(huán)繞磁極的“磁緯度”較高地區(qū)，這里也被稱(chēng)作極光帶），極光也因此得名。

太陽(yáng)高能粒子流（太陽(yáng)風(fēng)）對(duì)地球周邊區(qū)域/地磁場(chǎng)相互作用的示意圖

2為什么極光會(huì)有不同的顏色？

極光的繽紛顏色與不同的大氣粒子和發(fā)光過(guò)程有關(guān)，也處在不同的高度。

如最常見(jiàn)的綠色極光，是氧原子被激發(fā)到激發(fā)態(tài)后，較短時(shí)間（1秒內(nèi)到數(shù)秒）回復(fù)到基態(tài)時(shí)發(fā)出的光，通常在100～200千米高；而紅色極光同樣是激發(fā)態(tài)氧原子回復(fù)后的發(fā)光，但這一過(guò)程需要較長(zhǎng)時(shí)間（數(shù)十秒到百余秒），期間一旦與其它粒子碰撞將損失這部分能量而無(wú)法發(fā)光，因而紅色極光最主要在粒子密度更低、高度更高的層面相對(duì)常見(jiàn)（約200～350千米）。

通常而言，由于高空能發(fā)光粒子較為稀薄，紅色極光的強(qiáng)度相較綠色極光偏弱，但由于極光帶在我國(guó)以北數(shù)百千米甚至更遠(yuǎn)，我國(guó)北方能看到的極光高度角都較低，加之地球表面的弧度、地形等遮擋，因而對(duì)于我國(guó)北方等中緯度地區(qū)，反而高度較高、強(qiáng)度相對(duì)較弱的紅色極光更容易被看到。

此外，藍(lán)色為氮原子激發(fā)/電離后發(fā)出的光，但氮原子更難被激發(fā)電離，它出現(xiàn)的頻率也不如紅/綠色極光高。

極光高度和顏色的關(guān)系，以及我國(guó)在內(nèi)的中緯度地區(qū)可視范圍示意圖。圖片來(lái)源：中國(guó)國(guó)家地理

3地磁暴是什么

而這來(lái)自太陽(yáng)的高能帶電粒子流主要起源自太陽(yáng)大氣最外層——日冕層。日冕層溫度極高的同時(shí)物質(zhì)極其稀薄，此時(shí)物質(zhì)以帶電的等離子體形式存在。通常情況下，這些帶電粒子被封閉的太陽(yáng)磁場(chǎng)所束縛，難以成規(guī)模地逃離，但有兩類(lèi)情況下，它們會(huì)順利噴薄而出：

一是日冕存在較穩(wěn)定（持續(xù)數(shù)日）的特定結(jié)構(gòu)，如冕洞這類(lèi)溫度較低、磁場(chǎng)線較為開(kāi)放的結(jié)構(gòu)，帶電粒子流會(huì)在這里成功逃脫太陽(yáng)磁場(chǎng)束縛，形成冕洞高速流；

而比其更為劇烈的，則是強(qiáng)烈太陽(yáng)活動(dòng)（包括但不限于耀斑爆發(fā)）引發(fā)的異常磁場(chǎng)擾動(dòng)，導(dǎo)致磁力線出現(xiàn)局部開(kāi)放，此時(shí)這些“磁場(chǎng)缺口”處更容易出現(xiàn)帶電粒子流的快速?lài)姳《?，并形成日冕物質(zhì)拋射（CME）事件——后者往往會(huì)引發(fā)更顯著地磁暴。

當(dāng)前太陽(yáng)的遠(yuǎn)紫外線波段影像圖。圖中右下部分的暗色區(qū)域正是溫度較低、磁力線較為開(kāi)放的冕洞，它對(duì)高能帶電粒子流的產(chǎn)生和最近的地磁暴與極光活動(dòng)有一定貢獻(xiàn)。圖片來(lái)源：美國(guó)航天局（NASA）下屬太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)（SDO）

當(dāng)CME對(duì)應(yīng)的高能粒子流進(jìn)入地球磁場(chǎng)范圍后，會(huì)使地磁場(chǎng)壓縮變形，并將大量帶電粒子注入磁層區(qū)域，引發(fā)磁層環(huán)電流急劇變化；而由于變化的電流會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，這一部分帶電粒子流會(huì)給地磁場(chǎng)額外附加一部分感應(yīng)磁場(chǎng)，這額外附加的部分就被稱(chēng)作地磁擾動(dòng)，其中較強(qiáng)者會(huì)稱(chēng)作地磁暴。

所以地磁暴和極光是這些太陽(yáng)高能粒子流影響的兩面，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)地磁暴事件的強(qiáng)度預(yù)報(bào)極光的強(qiáng)度。通常而言，越正對(duì)地球、速度越快的CME，會(huì)產(chǎn)生越強(qiáng)烈的地磁暴；而CME也具有不同形態(tài)，通常以CME兩端夾角衡量，完全成環(huán)（360°）者被稱(chēng)作暈狀CME—這類(lèi)通常是正對(duì)地球、速度極快的CME事件，往往會(huì)引發(fā)強(qiáng)地磁暴事件。

這次極光與大地磁暴事件的源頭，正是北京時(shí)間11月29日凌晨，由一次太陽(yáng)耀斑爆發(fā)引發(fā)、面向地球的暈狀CME事件。雖然這次CME事件對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)耀斑事件不強(qiáng)（僅為M9.9級(jí)），但由于特殊的暈狀結(jié)構(gòu)，也在12月1日抵達(dá)地球時(shí)造成了大磁暴事件。

北京時(shí)間11月29日清晨的暈狀CME事件記錄

美國(guó)空間天氣預(yù)測(cè)中心（SWPC）的CME模型圖，上半部分為高能等離子體密度，下半部分為粒子流徑向速度。左側(cè)圖中，黃道極坐標(biāo)平面中心黃點(diǎn)為太陽(yáng)，右側(cè)綠點(diǎn)為地球，其余二者為探測(cè)衛(wèi)星。圖片來(lái)源：SWPC

電·磁·光的交織：

地磁暴對(duì)生活的影響

地磁暴除了直接反映地磁場(chǎng)的劇烈擾動(dòng)，也代表著高能粒子流沖擊地球高層大氣。

在本次這類(lèi)大地磁暴活動(dòng)時(shí)，磁極附近的高緯度區(qū)域地面會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)的快速變化進(jìn)一步激發(fā)感應(yīng)電流，并對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)等產(chǎn)生一定干擾，此外高緯度區(qū)域地磁導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航和低頻無(wú)線電波導(dǎo)航等方式等也會(huì)受到明顯干擾。

由于高能帶電粒子流增強(qiáng)，部分帶電粒子會(huì)深入極地平流層而讓這一層面電離輻射增強(qiáng)，對(duì)經(jīng)過(guò)極地區(qū)域的航班飛行也稍有影響。而根據(jù)研究數(shù)據(jù)匯總而看，單次極地航班飛行時(shí)遭遇的劑量為2.5～4μSv/h（上限在太陽(yáng)活動(dòng)高峰時(shí)達(dá)到），雖然這是天然本底輻射（約0.2μSv/h）的12～20倍，但如果只是作為普通乘客的每年數(shù)次飛行，即使時(shí)間較長(zhǎng)、在太陽(yáng)活動(dòng)高峰期間飛行，也遠(yuǎn)低于安全電離輻射劑量閾值（建議普通公眾為每年1000μSv，而職業(yè)工作者為每年20000μSv），不會(huì)造成明顯影響，但對(duì)于常年工作在極地航線的機(jī)組乘務(wù)人員，部分研究認(rèn)為總輻射劑量可能接近安全閾值，也需要更多研究確認(rèn)。

在大氣層之外，高能粒子流和地磁擾動(dòng)同樣對(duì)空間站、衛(wèi)星的電氣元件工作、飛行姿態(tài)等產(chǎn)生影響，在軌航天員需要注意。甚至對(duì)于部分低軌道航天器而言，由于運(yùn)行區(qū)域大氣密度稍大，地磁暴期間可能出現(xiàn)大氣密度進(jìn)一步升高而阻力增大，影響航天器軌道變動(dòng)甚至提前墜落，這些都是需要防范。

而以本次大地磁暴級(jí)別的事件，對(duì)于包括我國(guó)在內(nèi)的中緯度地區(qū)日常生活，如電子器件、通訊、飛行航班等，都不會(huì)造成任何明顯影響。周日曾傳出當(dāng)日上午東航MU721航班飛行故障，事后也證實(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片自身故障，而非早已在周六結(jié)束的地磁暴事件所致。事實(shí)上，今年至今已發(fā)生了7次（部分資料為8次）大地磁暴事件，甚至3月24日、4月24日兩次達(dá)到了更強(qiáng)一級(jí)的特大地磁暴，但也未對(duì)絕大多數(shù)地區(qū)日常生活造成影響。

今年以來(lái)Kp指數(shù)的逐日演變，紅色為大地磁暴或更強(qiáng)級(jí)別。圖片來(lái)源：德國(guó)地球科學(xué)研究中心

對(duì)于更多普通人而言，較強(qiáng)地磁暴的最直觀體驗(yàn)，則是在高緯度區(qū)域（準(zhǔn)確而言，是磁極周邊的磁緯度較高區(qū)域）更可能看到絢爛極光，且隨著高能粒子流向赤道方向擴(kuò)張，不少中緯度地區(qū)，包括我國(guó)北部也能看到極光。只是前文已經(jīng)提及，我國(guó)北方的極光視角較低且較為暗淡，必須在足夠空曠、能避開(kāi)城鎮(zhèn)燈等光污染區(qū)域，如果緯度不夠高，在城鎮(zhèn)里是很難見(jiàn)到。

為什么今年在漠河以南地區(qū)

頻繁見(jiàn)到極光

不過(guò)如果注意到磁極與磁緯度分布圖會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前多數(shù)模型圖里磁極是偏向北美一側(cè)，我國(guó)相比世界同地理緯度地區(qū)磁緯度偏低，理應(yīng)更難看到極光（過(guò)去數(shù)十年的強(qiáng)極光事件的確如此）；但為何今年在漠河在內(nèi)的東北地區(qū)北部、新疆北部（甚至更靠南的地區(qū)）等地已頻繁見(jiàn)到極光？

當(dāng)前通用的地磁緯度模型

這個(gè)現(xiàn)象的確值得關(guān)注。由于該現(xiàn)象是最近數(shù)年才出現(xiàn)，而目前尚未有系統(tǒng)性研究；這里僅結(jié)合部分文獻(xiàn)研究（Chulliatetal.2010;Livermoreetal.2020;）給出一個(gè)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟孪耄哼@可能和西伯利亞一帶局地磁場(chǎng)的增強(qiáng)有關(guān)。

地磁場(chǎng)是相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，其中最大的分量，是高中物理曾介紹過(guò)的偶極磁場(chǎng)（約占總體地磁場(chǎng)強(qiáng)度的90%），它如條形磁鐵般呈現(xiàn)半球?qū)ΨQ(chēng)分布，磁極分別位于地理兩極附近且關(guān)于地心對(duì)稱(chēng)。

但除此之外，各地還有一些局地的磁場(chǎng)，部分假說(shuō)認(rèn)為是由地球外核-下地幔之間的環(huán)流驅(qū)動(dòng)，類(lèi)似于大氣層里的局地環(huán)流圈。

于是，主要的磁極也有兩種：一種是“總地磁極”（MagneticPole），它是經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)確定的、地磁場(chǎng)線方向垂直于地表且磁場(chǎng)強(qiáng)度水平分量為0的兩個(gè)點(diǎn)，可以代表總體磁場(chǎng)的特征。而另一種，則是前文提及、最主要的偶極磁場(chǎng)磁極（GeomagneticPole），它是實(shí)際地磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)展開(kāi)分解得到，它的磁極就關(guān)于地心對(duì)稱(chēng)。

在2020年發(fā)布的世界地磁圖上，亞洲一側(cè)已出現(xiàn)總磁場(chǎng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)的趨勢(shì)。結(jié)合總地磁極正在快速向西伯利亞方向移動(dòng)，而偶極磁場(chǎng)磁極相對(duì)穩(wěn)定，依然在加拿大北極群島一帶，表明這可能正是一個(gè)由西伯利亞深處核幔邊界對(duì)流所引起的非偶極子分量發(fā)生變化、并導(dǎo)致西伯利亞和東北亞更容易看到極光的原因—當(dāng)然，這些僅為很初步、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟孪耄枰罄m(xù)專(zhuān)業(yè)研究的確認(rèn)。

全球地磁場(chǎng)強(qiáng)度在2015-2020年間的年變化分布（單位：nT/a），正值（紅線）為增強(qiáng)，負(fù)值（藍(lán)線）為減弱。圖片來(lái)源：世界地磁地圖（2020版）

北極附近的總磁極（綠線）和偶極磁場(chǎng)磁極（紅線）在1900年以來(lái)的移動(dòng)（2025年的位置為預(yù)測(cè)結(jié)果）。圖片來(lái)源：京都大學(xué)

而在當(dāng)前，太陽(yáng)活動(dòng)第25周期仍在增強(qiáng)，預(yù)計(jì)在2024年到2025年初邁向活動(dòng)峰值?；蛟S我們也將在未來(lái)一兩年里，在中國(guó)的北境看到更多絢爛的極光旋舞明滅。

2012年以來(lái)，每月太陽(yáng)黑子數(shù)的變化（折線）、早前預(yù)測(cè)的均值（紅線）與1倍標(biāo)準(zhǔn)差的誤差范圍（灰色陰影，但現(xiàn)在看來(lái)預(yù)測(cè)比實(shí)際情況明顯偏低了……）圖片來(lái)源：SWPC

參考文獻(xiàn)

[1]顧江陽(yáng),董曉梅,孟祥蘭等.飛行人員宇宙輻射估算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的比較研究.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程,2016,29(05):318-321.DOI:10.16289/j.cnki.1002-0837.2016.05.002.

[2]Chulliat,A.,Hulot,G.&Newitt,L.R.Magneticfluxexpulsionfromthecoreasapossiblecauseoftheunusuallylargeaccelerationofthenorthmagneticpoleduringthe1990s.J.Geophys.Res.115,B07101(2010).

[3]Chulliat,A.,Macmillan,S.,Alken,P.,etal.(2015).TheUS/UKWorldMagneticModelfor2015-2020.http://dx.doi.org/10.7289/V5TB14V7

[4]Livermore,P.W.,Finlay,C.C.&Bayliff,M.RecentnorthmagneticpoleaccelerationtowardsSiberiacausedbyfluxlobeelongation.Nat.Geosci.13,387–391(2020).[5]https://doi.org/10.1038/s41561-020-0570-9

[6]Matzka,J.&Stolle,C.&Yamazaki,Yosuke&Bronkalla,O.&Morschhauser,A.(2021).TheGeomagneticKpIndexandDerivedIndicesofGeomagneticActivity.SpaceWeather.19.https://doi.org/10.1029/2020SW002641.

本文為科普中國(guó)-星空計(jì)劃作品

出品｜中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制｜中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨風(fēng)云夢(mèng) 遠(yuǎn)氣候?qū)W方向在讀博士

審核丨韓文標(biāo) 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員