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磁暴

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太阳风粒子和地球磁层交互作用的示意图 （未依实际比例）。

磁暴（英语：geomagnetic storm）是太阳的巨大日焰(耀斑)所生太阳风震波或磁云（英语：Magnetic cloud）与地球磁场交互作用所引起的地球磁层扰动。太阳风的磁场与地球磁场交互作用，并将增加的能量转移到磁层中，导致通过地球磁层的等离子体增加（由磁层内增加的电场驱动），以及磁层和电离层中的电流增加。在磁暴的主要阶段，磁层中电流产生的磁力推动原本磁层和太阳风之间的边界。

造成磁暴的行星际物质扰动可能源自太阳的日冕物质抛射（CME），或是太阳表面弱磁场区域太阳风生成的共转交互作用区（CIR）[1]。磁暴的频率随着太阳黑子周期变动。在太阳极大期，CME导致的磁暴较为常见。太阳表面耀斑与CME次数增加，辐射出X射线、紫外线、可见光及高能量的质子和电子束。而在太阳极小期，则是以CIR导致的磁暴为主。

几种太空天气现象往往与磁暴有关，包括：太阳质子事件（SPE）；地磁感应电流（英语：Geomagnetically induced current）（GIC）；干扰无线电和雷达的电离层扰动；导航所用的罗盘显示异常。磁暴能波及全球，持续达几小时到几天。磁暴发生时会增强电离层的游离化，也会使极区的极光特别绚丽。引发短波通讯特性失常，情况严重时可能使短波通讯完全中断。磁暴时，另外还会产生噪声掩盖通讯时的正常讯号，甚至使通讯中断，也可能使高压电线产生瞬间超高压，造成电力中断。磁暴也会对航空器造成伤害。1989年3月磁暴引起的大地电流扰乱了魁北克几乎全省的电力配置[2]，并且连美国南方的德克萨斯州都可以见到极光[3]。

历史

在1931年，西德尼·查普曼和文森.C.费拉罗（Vincenzo C. A. Ferraro）写了一篇文章："磁暴的新理论"（A New Theory of Magnetic Storms），试图解释这种现象[4]。它们认为，每当太阳发出耀斑时，它也会释放出等离子云，现在称为日冕物质抛射。他们写到："这些等离子以113天内抵达地球的速度移动"，然而我们现在知道这段旅程只需要1到5天。他们还写到："然后云压缩地球磁场，使得地球表面的磁场增强[5]。"

定义

太阳物理学
现象

磁暴的程度[6]以通过赤道环形电流磁暴指数（Dst index）[7]的变化来定义。Dst指数根据几个位于磁赤道的磁力计站测量，估计地球磁场水平分量的全球平均变化。Dst每小时计算一次，几乎即时报告[8][9]。正常静默时，Dst指数在+20和-20奈特斯拉（nT）之间。

地磁风暴有三个阶段[6] ：初始阶段、主要阶段和恢复阶段。初始阶段的特征在于Dst（或其一分钟的SYM-H）在几十分钟内增加20至50nt。初始阶段也称为风暴突发（storm sudden commencement, SSC）。然而，不是所有的磁暴都有初始阶段，也不是所有的Dst或SYM-H的突然增加都是磁暴。磁暴的主要阶段定义为Dst小于-50 nT，因此磁暴期间的最小值是在-50至约-600 nT之间。主要阶段通常持续2-8小时。恢复阶段是当Dst从最小值变为其原先静默时的值。恢复期可能需要8小时或长达7天。

磁暴的大小分为中度磁暴（-50 nT>最小Dst> -100 nT），强度磁暴（-100 nT>最小Dst> -250 nT）或超级磁暴（最小Dst <-250 nT）[10]。

历史事件

第一次对磁暴影响的科学观测发生在19世纪初：从1806年5月到1807年6月，亚历山大·冯·洪保德在柏林使用轴承的磁罗盘观察地磁。他注意到，在1806年12月21日一次明亮的极光活动中，它的指针变得不稳定[11]。

1859年9月1日至2日，发生了有纪录以来最大的磁暴。从1859年8月28日至9月2日，在太阳上观察到许多太阳黑子和太阳耀斑，9月1日出现了最大的耀斑。这被称为1859年太阳风暴或卡林顿事件。可以假定：从太阳发射出一次巨大的日冕物质抛射（CME），并在18小时内抵达地球；通常这样的旅程需要3到4天。柯拉巴天文台（英语：Colaba Observatory）纪录到地磁水平场减少了1,600nT，估计Dst将近-1,760nT[12]。在美国和欧洲的电报线都经历了感应电压（电动势）的增加，在有些情况下甚至冲击到电报的营运，甚至引发火灾。通常只能在极区看见的极光，连远在夏威夷、墨西哥、古巴和意大利的南部都看见了极光的事件。冰芯（英语：Ice cores）显示，类似强度的事件平均每500年就会发生一次。

自1859以来，发生了多次没那么严重的磁暴，特别是1882年11月17日磁暴（英语：aurora of November 17, 1882）、1921年5月磁暴；这两次都中断了电报服务和引发火灾。据报导，1960年还引发无线电大范围的中断[13]。

在1989年3月磁暴期间，监测太空天气的GOE-7，它的莫斯科中子监测器纪录了日冕质量抛射（CME）的通过，磁场强度降到被称为福布希衰减（英语：Forbush decrease）的数值[14]。

1972年8月初的1972年8月磁暴（英语：Solar storm of August 1972），一系列的太阳耀斑和风暴达到高峰，估计强度为X20，爆发了有史以来最快的日冕质量抛射过境，并发了严重的磁暴和太阳质子事件，扰乱了地面电力和通信网络，以及人造卫星（至少有一颗永久失效）；无意间还引爆了一些美国海军在北海的磁性水雷[15]。

1989年3月磁暴导致魁北克水电公司的电网因为串联以保护设备的继电器松脱，而在几秒钟内崩溃[2][16]。600万人停电9小时，无电可用。远在南部的德克萨斯州都能看见磁暴引发的极光[3]。造成这一连串结果的是1989年3月9日来自太阳的日冕物质抛射事件[17]，最低的Dst值是−589 nT。

2000年7月14日，一个X5 级的耀斑爆发（称为巴士底日事件），并且抛射出的日冕物质直接朝向而来，直接引发7月15-17日的地球超级磁暴；地磁扰动指数（Dst）的最小值是-301nT。尽管风暴的强度很大，但没有任何的配电系统故障的报告[18]。航海家1号和航海家2号也观测到巴士底日事件[19]。因此，它是在太阳系最远处观测到的太阳风暴。

在2003年10月19日到11月5日之间，太阳上有17个重大的耀斑爆发，其中一个可能是静止环境观测卫星GOES（Geostationary Operational Environment Satellite）的XRS感测器测量到最强烈的耀斑 －X28级，非常巨大的等级[20]，导致11月4日极端的无线电断讯。这些耀斑与10月29日至11月2日间的三次磁暴和CME有关。在这段时间，上一个风暴还未结束，下一个就接踵而至，三次风暴几乎连成一气；每个磁暴的Dst最小值分别是-151、-353、和-383nT。这一序列的另一场磁暴发生在11月4日至5日，Dst的最低值是-69nT。最后的这场磁暴比之前的微弱，是因为太阳的活动区已经越过中央子午线，在耀斑事件中产生的日冕物质抛射主要部分仅从地球的侧面溜过去。这整个序列被称为2003年万圣节磁暴（英语：Halloween Solar Storm）[21]。由美国联邦航空总署（FAA）操作的广域增强系统（WAAS），由于受到磁暴的影响，离线了30个小时[22]。日本的ADEOS-2卫星受损严重，其它的许多卫星则因为磁暴而中断运作[23]。

与行星交互作用的过程

近地空间环境中的磁层。

太阳风也携带着太阳的磁场，这些磁场也有着南北的方向。如果太阳风有能量爆发，磁层会随之扩大和收缩，或者如果太阳风携带的磁场是南向偏极化的，磁暴就可预期。南向磁场造成日测磁顶的磁重联，迅速向地球磁层注入磁性和高能粒子。

在磁暴中，电离层的F2层（英语：F region）变得不稳定，会碎裂甚至可能会消失。在地球的南极和北极地区，可以观测到极光。

仪器

参见

参考资料

  1. ^ Corotating Interaction Regions, Corotating Interaction Regions Proceedings of an ISSI Workshop, 6–13 June 1998, Bern, Switzerland, Springer (2000), Hardcover, ISBN 978-0-7923-6080-3, Softcover, ISBN 978-90-481-5367-1
  2. ^ 2.0 2.1 Scientists probe northern lights from all angles. Canadian Broadcasting Company. 2005-10-22 [2017-07-26]. （原始内容存档于2007-02-08）. 
  3. ^ 3.0 3.1 Earth dodges magnetic storm. New Scientist. 0989-06-24 [2017-07-26]. （原始内容存档于2014-10-17）. 
  4. ^ S. Chapman; V. C. A. Ferraro. A New Theory of Magnetic Storms. Nature. 1930, 129 (3169): 129–130. Bibcode:1930Natur.126..129C. doi:10.1038/126129a0. 
  5. ^ V. C. A. Ferraro. A New Theory of Magnetic Storms: A Critical Survey. The Observatory. 1933, 56: 253–259. Bibcode:1933Obs....56..253F. 
  6. ^ 6.0 6.1 Gonzalez, W. D., J. A. Joselyn, Y. Kamide, H. W. Kroehl, G. Rostoker, B. T. Tsurutani, and V. M. Vasyliunas (1994), What is a Geomagnetic Storm?, J. Geophys. Res., 99(A4), 5771–5792.
  7. ^ [1] （页面存档备份，存于互联网档案馆） Sugiura, M., and T. Kamei, Equatorial Dst index 1957-1986, IAGA Bulletin, 40, edited by A. BerthelJer and M. MenvielleI,S GI Publ. Off., Saint. Maur-des-Fosses, France, 1991.
  8. ^ [2] （页面存档备份，存于互联网档案馆） World Data Center for Geomagnetism, Kyoto
  9. ^ [3] （页面存档备份，存于互联网档案馆） 中央气象局太空天气作业办公室, 台湾
  10. ^ Cander, L. R.; Mihajlovic, S. J. Forecasting ionospheric structure during the great geomagnetic storms. Journal of Geophysical Research: Space Physics. 1998-01-01, 103 (A1): 391–398 [2017-07-26]. ISSN 2156-2202. doi:10.1029/97JA02418. （原始内容存档于2016-08-17） （英语）. 
  11. ^ Russell, Randy. Geomagnetic Storms. Windows to the Universe. National Earth Science Teachers Association. March 29, 2010 [4 August 2013]. （原始内容存档于2013-06-06）. 
  12. ^ Tsurutani, B. T.; Gonzalez, W. D.; Lakhina, G. S.; Alex, S. The extreme magnetic storm of 1–2 September 1859 (PDF). J. Geophys. Res. 2003, 108 (A7): 1268 [2018-12-03]. Bibcode:2003JGRA..108.1268T. doi:10.1029/2002JA009504. （原始内容存档 (PDF)于2019-05-04）. 
  13. ^ Bracing the Satellite Infrastructure for a Solar Superstorm. Sci. Am. [2018-12-03]. 原始内容存档于2008-11-17. 
  14. ^ Extreme Space Weather Events. National Geophysical Data Center. [2018-12-03]. （原始内容存档于2012-05-22）. 
  15. ^ Knipp, Delores J.; B. J. Fraser; M. A. Shea; D. F. Smart. On the Little‐Known Consequences of the 4 August 1972 Ultra‐Fast Coronal Mass Ejecta: Facts, Commentary and Call to Action. Space Weather. 2018, 16. doi:10.1029/2018SW002024. 
  16. ^ Bolduc 2002
  17. ^ Geomagnetic Storms Can Threaten Electric Power Grid. Earth in Space. March 1997, 9 (7): 9–11. （原始内容存档于2008-06-11）. 
  18. ^ High-voltage power grid disturbances during geomagnetic storms Stauning, P., Proceedings of the Second Solar Cycle and Space Weather Euroconference, 24–29 September 2001, Vico Equense, Italy. Editor: Huguette Sawaya-Lacoste. ESA SP-477, Noordwijk: ESA Publications Division, ISBN 92-9092-749-6, 2002, p. 521 - 524
  19. ^ Webber, W. R.; McDonald, F. B.; Lockwood, J. A.; Heikkila, B. The effect of the July 14, 2000 "Bastille Day" solar flare event on >70 MeV galactic cosmic rays observed at V1 and V2 in the distant heliosphere. Geophys. Res. Lett. 2002, 29 (10): 1377–1380. Bibcode:2002GeoRL..29.1377W. doi:10.1029/2002GL014729. 
  20. ^ Thomson, N. R., C. J. Rodger, and R. L. Dowden (2004), Ionosphere gives size of greatest solar flare, Geophys. Res. Lett. 31, L06803, doi:10.1029/2003GL019345
  21. ^ Archived copy (PDF). [2011-05-17]. （原始内容 (PDF)存档于2011-07-28）.  Halloween Space Weather Storms of 2003, NOAA Technical Memorandum OAR SEC-88, Space Environment Center, Boulder, Colorado, June 2004
  22. ^ [4] Severe Space Weather Events - Understanding Societal and Economic Impacts – Workshop Report, National Research Council of the National Academies, The National Academies Press, Washington, D. C., 2008
  23. ^ [5] （页面存档备份，存于互联网档案馆） ‘Geomagnetic Storms,’ CENTRA Technology, Inc. report (14 January 2011) prepared for the Office of Risk Management and Analysis, United States Department of Homeland Security


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