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)都瞥見了極光的疾馳旋舞，“北京極光”話題也一度攀登上熱搜。

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

呼喚洪荒的太陽風(fēng)：

極光與地磁暴的產(chǎn)生

極光是什么

極光是一類發(fā)光的空間天氣現(xiàn)象。大量來自太陽的高能帶電粒子流（也稱作太陽風(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)，這里也被稱作極光帶），極光也因此得名。

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)光過程有關(guān)，也處在不同的高度。

如最常見的綠色極光，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（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。

地磁暴是什么

而這來自太陽的高能帶電粒子流主要起源自太陽大氣最外層——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磁場(chǎng)所束縛，難以成規(guī)模地逃離，但有兩類情況下，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)，如冕洞這類溫度較低、磁場(chǎng)線較為開放的結(jié)構(gòu)，帶電粒子流會(huì)在這里成功逃脫太陽磁場(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)帶電粒子流的快速噴薄而出，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)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作地磁擾動(dòng)，其中較強(qiáng)者會(huì)稱作地磁暴。

所以地磁暴和極光是這些太陽高能粒子流影響的兩面，可以通過監(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°）者被稱作暈狀 CME —這類通常是正對(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。

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。

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)里是很難見到。

為什么今年在漠河以南地區(qū)

頻繁見到極光

不過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)）等地已頻繁見到極光？

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（Chulliat et al.2010; Livermore et al. 2020;）給出一個(gè)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟孪耄?/span>這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分布，磁極分別位于地理兩極附近且關(guān)于地心對(duì)稱。

但除此之外，各地還有一些局地的磁場(chǎng)，部分假說認(rèn)為是由地球外核-下地幔之間的環(huán)流驅(qū)動(dòng)，類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”（Magnetic Pole），它是經(jīng)過實(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（Geomagnetic Pole），它是實(shí)際地磁場(chǎng)經(jīng)過展開分解得到，它的磁極就關(guān)于地心對(duì)稱。

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)專業(yè)研究的確認(rèn)。

而在當(dāng)前，太陽活動(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。或許我們也將在未來一兩年里，在中國(guó)的北境看到更多絢爛的極光旋舞明滅。

參考文獻(xiàn)

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策劃制作

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

策劃丨徐來