3月1日会发生地磁暴，你对地磁暴了解多少？

2023-12-10 07:59 来源：别得网点击：

3月1日会发生地磁暴，你对地磁暴了解多少？

天文学家预报3月1会发生地磁暴。

天文学家发出预报，称3月18日将出现地磁暴。据俄罗斯卫星通讯社报道，预计将在3月14日、16日和17日出现磁暴。俄联邦科学院物理学院太阳X射线天文学实验室活动图表，地球将迎来自今年年初以来的第三次磁暴。此前，1月15日和2月19日曾发生两次弱磁暴。

那么，你对地磁暴了解多少呢？

地磁暴

地磁暴是地球磁场全球性的剧烈扰动现象。以地磁指数来表征地磁暴的大小。

地磁暴是高速等离子体云到达地球空间后，引发的最具代表性的全球空间环境扰动事件。地磁暴的强度可以表征太阳风暴中高速等离子体云的影响大小。地磁暴的强度等级一般用Kp指数和Dst指数这两类地磁指数来划分。在研究中通常采用Dst指数分级，而在预警应用中采用Kp指数[1]。

中文名

地磁暴

外文名

Geomagnetic storm

简称

磁暴

分级指标

Kp指数和Dst指数等地磁指数划分

发展过程

初相、主相和恢复相

发现

19世纪30年代，在德国科学家高斯和韦伯建立地磁台站之初，他们就发现地磁场经常有微小的起伏变化，但当时他们并没有认识到这是由太阳引起的。之后，1859年9月1日，英国人卡林顿在观察太阳黑子时，首先观测到了太阳耀斑。第二天，地磁台站记录到1600纳特斯拉的强烈地磁扰动。这个偶然的发现和巧合，使他认识到地磁扰动居然与太阳爆发活动有关。

成因

高速等离子体云从太阳日冕抛射出来，相对背景太阳风速度更高，携带着日冕磁场冲击地球磁层，使磁层压缩变形。并且它通常携带南北方向转动的磁场，当磁场转为南向和地磁场相互作用时，太阳风会将巨大的能量倾泄到磁尾的大尺度空间中，使磁尾等离子体片中大量的带电粒子注入到环电流中，使环电流强度发生变化，而变化的电流会产生变化的磁场，从而引起全球范围剧烈的地磁扰动——地磁暴。

CME与冕洞

能够产生高速太阳风并引发强的行星际磁场南向分量的源有两类，一类是太阳日冕物质抛射（CME），另一类是太阳冕洞。

发展过程

地磁暴发生时，这种全球性的剧烈扰动会在整个磁层持续十几个小时到几十个小时的时间，所有地磁要素都发生剧烈变化。其中地磁水平分量H变化最大，其扰动幅度通常在几十纳特斯拉到几百纳特斯拉之间，最能代表磁暴过程特点（其变化在中低纬度地区表现得最为突出），所以，磁暴的大部分形态学和统计学特征是依据中低纬度H分量的变化得到的。典型磁暴的发展过程也是按照H分量的变化来划分的，通常可分为三个阶段：初相、主相和恢复相。

磁暴发生前后磁层示意图

初相

磁暴开始之后，在全球各经度上，地磁水平分量在高于暴前值的水平上起伏变化，持续时间为几十分钟到几个小时，这个阶段叫做“初相”。

主相

初相结束后，H分量突然下降，半小时至数小时之内下降到极小值，称为“主相”。主相是磁暴的主要特点，磁暴的大小就是用主相阶段H分量下降最低点的幅度来衡量，一般磁暴H分量下降为几十到几百纳特斯拉，个别大磁暴可超过1000纳特斯拉。

恢复相

主相之后，H分量逐渐向暴前水平恢复，在此期间，磁场仍有扰动起伏，但总扰动强度逐渐减弱，一般需要2~3天才能完全恢复平静状态，这一阶段叫做“恢复相”。

典型磁暴发展过程

地磁指数

概括来讲，地磁指数就是以地磁监测数据为基础，描述某一时间段内地磁扰动的总体强度或某类磁扰强度的分级指标。它是基于基础理论和实际应用需要，根据一个台站或全球台站的实际测量资料，用方便易行的分类和简单明了的指标，对地磁活动性进行总体特征检阅和总体形态描述，从宏观角度把握全球或区域的地磁场变化规律。

地磁活动指数按照物理意义，可以分为两大类：第一类是描述地磁活动的总体水平，而不考虑地磁扰动具体类型的指数，其中应用较广泛的有K指数、Kp指数、Ap指数；第二类是为了描述特定类型磁扰或特定区域磁扰而设计的指数，其中Dst指数应用较为广泛。

K指数

称为“三小时磁情指数”，是描述单个地磁台站3小时时段内地磁扰动强度的指数。取0到9共分10级，0表示地磁活动平静，9表示地磁扰动幅度最大。

Kp指数

由全球地磁台网中13个地磁台站的K指数计算得到的，用于表示全球地磁活动性，每3小时一个值，取值范围从0到9，共分28级：00，0+，1-，10，1+,…,9-，90。其值逐渐增大表示地磁扰动逐渐增强。在日常的应用中，一般把Kp=5、6称为中小地磁暴，Kp=7、8、9称为大地磁暴。

磁暴发生前后Kp指数变化图

Kp指数与磁扰幅度不是线性关系，而是近似于对数关系。为了表示磁扰变化幅度，又在Kp指数的基础上定义了全球性的“三小时等效幅度”ap指数，单位为2纳特斯拉。一天8个ap指数的平均值可以作为全天地磁活动水平的量度，即为Ap指数，Ap指数的范围由0到400，其值越大，表示地磁扰动幅度越大。

Dst指数

（磁暴环电流指数）

在地球赤道附近，按大致均匀的经度间隔选取四个地磁台站，这四个台站每小时地磁水平强度变化的平均值即为Dst指数。它的单位是纳特斯拉，其范围可由正几十纳特斯拉到负几千纳特斯拉不止，并且其值逐渐减小表示磁扰幅度逐渐增大。

危害及影响

地磁暴期间，高能粒子沉降和焦耳加热等过程使低层大气受热膨胀，引起高层大气密度增加；高层大气密度、成分和风场的变化，会引起电离层暴；磁层剧烈扰动时，磁尾中的热等离子体被加速向地球方向运动，形成热等离子体注入；带电粒子沿磁力线沉降，轰击高层大气，形成绚烂多彩的极光；磁层扰动期间，磁层中的电子可能被加速至很高的能量，引起全球范围的高能电子增强现象——高能电子暴。

地磁暴的连锁反应

对卫星的影响

直接影响：

当地磁场扰动时，磁场方向和大小的改变会影响它们之间的力矩，致使卫星的姿态发生变化。卫星的姿态发生变化后，通信卫星将无法正常通信，甚至有时可能会中断通信；气象卫星、军事卫星也无法监测地球。

间接影响：

当强磁暴发生时，磁层顶部由于受到高速太阳风的剧烈挤压而被压缩到地球同步轨道之内，发生同步轨道磁层顶穿越事件。此时不仅会因所处的磁场环境发生变化而影响姿态，还会因为失去了磁场的保护而直接受到太阳风的冲击。

当地磁暴发生时，焦耳加热和极光粒子沉降加热引起全球高层大气增温，密度和成分发生变化。当大气密度陡增，大气阻力会突然加大，加速了航天器衰减的速度，从而导致其偏离预计航道，甚至提前掉入低层大气而陨落。

对电网的影响

强磁暴时，地磁场会发生剧烈扰动变化，变化的地磁场会在土壤电阻率高的地区产生每公里几伏特到十几伏特，持续时间从几分钟到几小时的地面电势（Earth Surface Potential，ESP）。而在高压、超高压输电系统中，由于电网变压器中性点直接接地，所以ESP会在东西走向、长距离输电线路与大地构成的回路中产生地磁感应电流（Geomagnetically Induced Currents, GIC）。容易引起大型变压器半波饱和而缩短其使用寿命，极端情况下会使其烧毁而造成永久损坏。