超大太陽黑子回歸，地磁暴和極光將再次上演？

出品：科普中國

作者：齊一凡（中國地質大學（武漢））

監(jiān)制：中國科普博覽

還記得前段時間霸榜熱搜的絢麗極光嗎？當時有很多人在我國的新疆、黑龍江、內蒙古、甘肅等地看到了美麗的極光，甚至在北京、山東等緯度更低的地方，也有網友曬出美麗的粉色極光。很多人追逐極光開車前往郊外，開啟說走就走的旅行，享受到了“極地游”的極致浪漫體驗。

與罕見的極光一起到來的還有地磁暴。5月11日，國家空間天氣監(jiān)測預警中心罕見地發(fā)布了最高等級的紅色預警，讓許多人戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢地度過了兩天。

5月11日凌晨在新疆阿勒泰拍到的極光

（圖片來源：浦石）

其實，這次的極光和地磁暴有一個共同的締造者——太陽表面超大黑子活動區(qū)AR3364。它連續(xù)拋射出多團等離子體“襲擊”了地球磁場，引發(fā)了劇烈的地磁擾動，為我們帶來夢幻的極光美景和史詩級的地磁暴。

5月29日，這個“極光制造者”AR3364帶著新的編號AR3697又回來了，它為什么會回來？這次會不會再次帶來地磁暴和極光？太陽黑子、地磁暴、極光之間又是什么關系呢？

地磁暴與極光——混亂與絢麗的一體兩面

首先我們要明確一點，地磁暴和極光經常一起出現，但并不構成必然的因果關系，引發(fā)它們的源頭都是太陽。

太陽光球上有時會呈現出比周圍黑暗的斑點，這就是太陽黑子。太陽黑子聚集處存在強磁場和等離子體變化，黑子處往往激發(fā)太陽風暴。

太陽風暴形成后，巨大的等離子體團以每秒數十到幾千公里的速度被拋射出太陽，太陽就像打了個大噴嚏一樣，把“飛沫”拋了出去，這個太陽“打噴嚏”的過程就是日冕物質拋射（Coronal Mass Ejection, CME）。日冕物質拋射一旦沖擊地球，會產生劇烈的磁擾動，但我們的地球磁場在很大程度上可以抵擋它。與此同時，太陽還會發(fā)生耀斑（Flare），強烈的輻射照向地球，但大多會被我們的大氣層吸收。對我們來說，太陽的這個“噴嚏”一旦對著地球飛來，地球可要不太平了。

日冕物質拋射影響磁場并產生極光的模擬動畫（左下圖是日珥驅動日冕物質拋射產生過程）

（圖片來源：素材來自SOHO衛(wèi)星官網，作者制作）

動圖

太陽拋出的這團物質是數十億噸、自帶電磁場的等離子體團，它們以極快的速度沖向地球，平靜的地球磁場難以招架如此猛烈的沖擊，自然會混亂不堪。

地球上空的磁層電流會引發(fā)地球磁場產生“應激”反應：磁場的變化量會先突然轉北，然后在幾個小時內轉南，而后要花幾天甚至十幾天的時間來恢復平靜。這是整個地球磁場混亂的一個體現，這就是日冕物質拋射引發(fā)的地磁暴。

磁暴環(huán)電流指數Dst顯示的典型地磁暴過程

（圖片來源：數據來自日本京都大學地磁與空間磁學數據分析中心，作者制作）

雖然發(fā)生地磁暴時，地球電磁場十分混亂，但混亂也會伴隨著美麗的現象。環(huán)繞南北極圈的空中電流接收到注入的高能粒子，產生劇烈的發(fā)光現象，這就是絢麗的極光。

可以說，正是因為日冕物質拋射的襲擊讓地球磁場亂了起來，才有可能產生極光這種奇觀，而日冕物質拋射越準確地擊中地球，就越可能引發(fā)地磁暴，也就越有可能引發(fā)范圍更大、更壯觀的極光，前段時間的極光和地磁暴就是太陽上一個擁有16個地球寬的黑子AR3664連續(xù)噴出的多團等離子體引發(fā)的。

造成5月11日極光和磁暴的日冕物質拋射事件發(fā)生在5月8日

（圖片來源：NOAA-SWPC LASCO C3）

動圖

太陽黑子AR3664——“王者”歸來

如果你有機會每天都能看一眼太陽的樣子（注意！不要在沒有科學防護措施的情況下直視太陽?。?，就會發(fā)現，太陽表面的黑子在自西向東轉。這是因為太陽和我們地球一樣，都存在自轉的現象，太陽赤道自轉一周的時間大約是27個地球日。

一般的小黑子存活時間往往不長，我們可能見不到它們第二面，然而最近的“王者黑子”AR3664就不一樣了，它面積超大，堪比歷史最強；它續(xù)航超長，太陽自轉一周后它仍然存活；它精力超旺，它持續(xù)爆發(fā)著超強的能量。

黑子AR3664跟隨日面旋轉

（圖片來源：數據來自NASA，作者制作）

它還在太陽側面的時候，就用幾個大耀斑預示著它的“王者”歸來。5月29日，它跟著太陽旋轉一周后，帶著新的編號AR3697重新進入了我們的視野。而就在一天后，AR3697還造成了美洲上空短波無線電中斷了90分鐘之久。“王者”歸來，它是否再能給我們帶來一場極光盛宴呢？

黑子AR3664（AR3697）回歸時再次發(fā)生爆發(fā)

（圖片來源：NASA/Solar Dynamics Observatory）

動圖

期待極光再相遇，也要防范超強地磁暴

從5月28日爆發(fā)的這個大耀斑看，它還依然活力四射，如果在它跟著太陽旋轉到地球正對面時能爆發(fā)一次，我們就很有可能在一兩天后再次欣賞到美麗的極光。

然而，正如前文所說，美麗和混亂是共生的。如果爆發(fā)過于強烈，或許我們就無心欣賞極光了。以史為鑒，我們來看看歷史上的超強地磁暴都造成過什么災難。

1859年的超級黑子“卡林頓事件”（和AR3664大小相當），據觀測，當時的太陽表面有肉眼可見的閃光，地磁儀的指針因超強的地磁強度而跳出了刻度范圍，各地電報局電報機在不停地閃著火花，甚至電線也被熔化了。高緯度地區(qū)的人們都能看到天空中五顏六色的北極光，午夜時分不用點燈都能閱讀報紙，大大小小的異?，F象持續(xù)了長達8天。

AR3664與引起卡林頓事件的超大黑子對比

（圖片來源：spaceweather）

1989年的超大磁暴（幅度是今年5月11日磁暴的1.5倍），當時的人們和我們一樣興高采烈地欣賞著罕見的極光。但在3月13日凌晨地磁暴達到最大的時候，磁暴激發(fā)的感應電流突破了加拿大魁北克省的電力系統(tǒng)，在不到一分鐘的時間內擊毀了多個變電站，整個魁北克省21500兆瓦的電力系統(tǒng)瞬間崩潰。而受影響相對小些的美國也有200多個變壓器或繼電器陸續(xù)出現大大小小的問題。

1989年因地磁暴燒毀的變壓器

（圖片來源：NOAA-SWPC）

除此之外，衛(wèi)星和正在執(zhí)行任務的發(fā)現號航天飛機也受到了不同程度的影響，同年6月烏拉爾地區(qū)的一條天然氣管道發(fā)生爆炸，最終也被證實是由于這次超強地磁暴在金屬管道中感應出了電流，這個電化學作用加速了管道的腐蝕，最終釀成悲劇。

航天飛機受到地磁暴影響的報道（發(fā)現號航天飛機遭遇突發(fā)情況恐將縮短飛行計劃）

（圖片來源：紐約時報1989年3月15日的報道）

其實類似的事件有很多，國際空間站、神舟五號都遇到過類似的險情，好在做出了恰當的應對措施提升軌道，避免了悲劇發(fā)生。

空間天氣預報：把“天氣預報”搬上太空

上文提到的這些案例距離我們年代久遠，如今，我們已經有了更多應對超強磁暴的辦法，而這其中很重要的一環(huán)，是空間天氣預報。

對地磁、太陽等空間環(huán)境的監(jiān)測已成為現代社會越來越重要的一環(huán)，就像天氣預報對農業(yè)生產的重大意義。例如我們可以使用觀測設備“盯著”太陽，利用光速比太陽風和日冕物質拋射速度快的原理，發(fā)現太陽“發(fā)脾氣”后，立刻對相關部門預警，讓電力、航天等部門做好防護措施，從而避免遭受損失。

子午工程二期“圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡”

（圖片來源：空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網官網）

我國的“羲和”“夸父”兩顆專門對日觀測的衛(wèi)星已經業(yè)務化運行，“子午工程”的圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡也建設完成，它們將協(xié)同所有空間天氣觀測設備一同擔起監(jiān)測預警的任務來保護我們的家園。

有了它們，我們可以放心期待新名字為AR3697的黑子在幾天后可能會為我們帶來的又一場極光盛宴，而不用擔心它引起的超強磁暴帶給我們的無法彌補的損失了。

感謝以下人員對本文提出修改意見：孫楊軼、邱世燦、梁宇、林愷、張祎楠。

參考文獻：

[1] Parker E. N. Cosmical Magnetic Field-Their Origin and Their Activity [M]. Clarendon Press, 1979.

[2]徐文耀. 地球電磁現象物理學 [M]. 合肥：中國科學技術大學出版社，2009.