加拿大夫婦拍到四個神秘發(fā)光體

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。

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

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。

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。

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)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)測地磁暴事件的強度預(yù)報極光的強度。

通常而言，越正對地球、速度越快的 CME，會產(chǎn)生越強烈的地磁暴；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（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。

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)域地面會因為磁場的快速變化進(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，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，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，事后也證實為發(fā)動機葉片自身故障，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。

對于更多普通人而言，較強地磁暴的最直觀體驗，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;）給出一個不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟孪耄?/span>這可能和西伯利亞一帶局地磁場的增強有關(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”（Magnetic Pole），它是經(jīng)過實測確定的、地磁場線方向垂直于地表且磁場強度水平分量為 0 的兩個點，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（Geomagnetic Pole），它是實際地磁場經(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)總磁場強度顯著增強的趨勢。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)。

而在當(dāng)前，太陽活動第 25 周期仍在增強，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。

參考文獻(xiàn)

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策劃制作

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

策劃丨徐來