多地拍到極光！磁暴會對人體健康有影響嗎？

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，我國多地都傳來了觀測到極光的消息。

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、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。

12月1日網(wǎng)友拍攝到的北京極光。圖片來源于微博

大部分地區(qū)所見的極光都呈現(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。圖片來源：漠河市委宣傳部

盡管本輪極光活動已經(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

1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，部分釋放的能量會以可見光形式發(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。

太陽高能粒子流（太陽風(fēng)）對地球周邊區(qū)域/地磁場相互作用的示意圖

2為什么極光會有不同的顏色？

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，較短時間（1秒內(nèi)到數(shù)秒）回復(fù)到基態(tài)時發(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時間（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以北數(shù)百千米甚至更遠(yuǎn)，我國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，因而對于我國北方等中緯度地區(qū)，反而高度較高、強(qiáng)度相對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，以及我國在內(nèi)的中緯度地區(qū)可視范圍示意圖。圖片來源：中國國家地理

3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物質(zhì)極其稀薄，此時物質(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所束縛，難以成規(guī)模地逃離，但有兩類情況下，它們會順利噴薄而出：

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、磁場線較為開放的結(jié)構(gòu)，帶電粒子流會在這里成功逃脫太陽磁場束縛，形成冕洞高速流；

而比其更為劇烈的，則是強(qiáng)烈太陽活動（包括但不限于耀斑爆發(fā)）引發(fā)的異常磁場擾動，導(dǎo)致磁力線出現(xiàn)局部開放，此時這些“磁場缺口”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——后者往往會引發(fā)更顯著地磁暴。

當(dāng)前太陽的遠(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、磁力線較為開放的冕洞，它對高能帶電粒子流的產(chǎn)生和最近的地磁暴與極光活動有一定貢獻(xiàn)。圖片來源：美國航天局（NASA）下屬太陽動力學(xué)天文臺（SDO）

當(dāng)CME對應(yīng)的高能粒子流進(jìn)入地球磁場范圍后，會使地磁場壓縮變形，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產(chǎn)生變化的磁場，這一部分帶電粒子流會給地磁場額外附加一部分感應(yīng)磁場，這額外附加的部分就被稱作地磁擾動，其中較強(qiáng)者會稱作地磁暴。

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)測地磁暴事件的強(qiáng)度預(yù)報極光的強(qiáng)度。通常而言，越正對地球、速度越快的CME，會產(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—這類通常是正對地球、速度極快的CME事件，往往會引發(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事件對應(yīng)的太陽耀斑事件不強(qiáng)（僅為M9.9級），但由于特殊的暈狀結(jié)構(gòu)，也在12月1日抵達(dá)地球時造成了大磁暴事件。

北京時間11月29日清晨的暈狀CME事件記錄

美國空間天氣預(yù)測中心（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，右側(cè)綠點(diǎn)為地球，其余二者為探測衛(wèi)星。圖片來源：SWPC

電·磁·光的交織：

地磁暴對生活的影響

地磁暴除了直接反映地磁場的劇烈擾動，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時，磁極附近的高緯度區(qū)域地面會因?yàn)榇艌龅目焖僮兓M(jìn)一步激發(fā)感應(yīng)電流，并對當(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)，部分帶電粒子會深入極地平流層而讓這一層面電離輻射增強(qiáng)，對經(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遭遇的劑量為2.5～4μSv/h（上限在太陽活動高峰時達(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，即使時間較長、在太陽活動高峰期間飛行，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），不會造成明顯影響，但對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同樣對空間站、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甚至提前墜落，這些都是需要防范。

而以本次大地磁暴級別的事件，對于包括我國在內(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)一級的特大地磁暴，但也未對絕大多數(shù)地區(qū)日常生活造成影響。

今年以來Kp指數(shù)的逐日演變，紅色為大地磁暴或更強(qiáng)級別。圖片來源：德國地球科學(xué)研究中心

對于更多普通人而言，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)，包括我國北部也能看到極光。只是前文已經(jīng)提及，我國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？

當(dāng)前通用的地磁緯度模型

這個現(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;）給出一個不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟孪耄哼@可能和西伯利亞一帶局地磁場的增強(qiáng)有關(guān)。

地磁場是相當(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（約占總體地磁場強(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)于地心對稱。

但除此之外，各地還有一些局地的磁場，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，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”（MagneticPole），它是經(jīng)過實(shí)測確定的、地磁場線方向垂直于地表且磁場強(qiáng)度水平分量為0的兩個點(diǎn)，可以代表總體磁場的特征。而另一種，則是前文提及、最主要的偶極磁場磁極（GeomagneticPole），它是實(shí)際地磁場經(jīng)過展開分解得到，它的磁極就關(guān)于地心對稱。

在2020年發(fā)布的世界地磁圖上，亞洲一側(cè)已出現(xiàn)總磁場強(qiáng)度顯著增強(qiáng)的趨勢。結(jié)合總地磁極正在快速向西伯利亞方向移動，而偶極磁場磁極相對穩(wěn)定，依然在加拿大北極群島一帶，表明這可能正是一個由西伯利亞深處核幔邊界對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)。

全球地磁場強(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。圖片來源：世界地磁地圖（2020版）

北極附近的總磁極（綠線）和偶極磁場磁極（紅線）在1900年以來的移動（2025年的位置為預(yù)測結(jié)果）。圖片來源：京都大學(xué)

而在當(dāng)前，太陽活動第25周期仍在增強(qiáng)，預(yù)計在2024年到2025年初邁向活動峰值。或許我們也將在未來一兩年里，在中國的北境看到更多絢爛的極光旋舞明滅。

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

參考文獻(xiàn)

[1]顧江陽,董曉梅,孟祥蘭等.飛行人員宇宙輻射估算與實(shí)驗(yàn)測量的比較研究.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-星空計劃作品

出品｜中國科協(xié)科普部

監(jiān)制｜中國科學(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 遠(yuǎn)氣候?qū)W方向在讀博士

審核丨韓文標(biāo) 中國科學(xué)院上海天文臺研究員