科技改變生活 · 科技引領未來
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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、張家口的山區天文臺、北京北部山區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日網友拍攝到的北京極光。圖片來源于微博
大部分地區所見的極光都呈現絢爛的紅色，但在偏北的漠河等地還能看到綠色極光的明滅。
盡管本輪極光活動已經結束，我們仍然可以借著這一罕見現象，來聊聊極光與地磁暴～
呼喚洪荒的太陽風：
極光與地磁暴的產生
極光是什么
極光是一類發光的空間天氣現象。大量來自太陽的高能帶電粒子流（也稱作太陽風）在進入地球磁場后，多數被磁力線集中偏轉到磁極周邊并下落，當它們與高層大氣（100 千米或以上）的粒子碰撞后，大氣粒子獲得能量而被激發或被電，當這些粒子回復到初始基態或復合為中性粒子時，部分釋放的能量會以可見光形式發出。
由于當前磁極也均位于地理上的南北兩極附近，因而這類發光現象集中在高緯度地區（尤其是環繞磁極的“磁緯度”較高地區，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）對地球周邊區域/地磁場相互作用的示意圖
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光過程有關，也處在不同的高度。
如最常見的綠色極光，是氧原子被激發到激發態后，較短時間（1秒內到數秒）回復到基態時發出的光，通常在 100～200 千米高；而紅色極光同樣是激發態氧原子回復后的發光，但這一過程需要較長時間（數十秒到百余秒），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百千米甚至更遠，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，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，藍色為氮原子激發/電離后發出的光，但氮原子更難被激發電離，它出現的頻率也不如紅/綠色極光高。
極光高度和顏色的關系，以及我國在內的中緯度地區可視范圍示意圖。圖片來源：中國國家地理
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極其稀薄，此時物質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：
一是日冕存在較穩定（持續數日）的特定結構，如冕洞這類溫度較低、磁場線較為開放的結構，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）引發的異常磁場擾動，導致磁力線出現局部開放，此時這些“磁場缺口”處更容易出現帶電粒子流的快速噴薄而出，并形成日冕物質拋射（CME）事件——后者往往會引發更顯著地磁暴。
當前太陽的遠紫外線波段影像圖。
當CME對應的高能粒子流進入地球磁場范圍后，會使地磁場壓縮變形，并將大量帶電粒子注入磁層區域，引發磁層環電流急劇變化；而由于變化的電流會產生變化的磁場，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，可以通過監測地磁暴事件的強度預報極光的強度。
通常而言，越正對地球、速度越快的 CME，會產生越強烈的地磁暴；而 CME 也具有不同形態，通常以 CME 兩端夾角衡量，完全成環（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引發、面向地球的暈狀 CME 事件。雖然這次 CME 事件對應的太陽耀斑事件不強（僅為 M9.9 級），但由于特殊的暈狀結構，也在 12 月 1 日抵達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
美國空間天氣預測中心（SWPC）的CME模型圖。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域地面會因為磁場的快速變化進一步激發感應電流，并對當地電網等產生一定干擾，此外高緯度區域地磁導航、衛星導航和低頻無線電波導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，對經過極地區域的航班飛行也稍有影響。而根據研究數據匯總而看，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次飛行，即使時間較長、在太陽活動高峰期間飛行，也遠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人員，部分研究認為總輻射劑量可能接近安全閾值，也需要更多研究確認。
在大氣層之外，高能粒子流和地磁擾動同樣對空間站、衛星的電氣元件工作、飛行姿態等產生影響，在軌航天員需要注意。甚至對于部分低軌道航天器而言，由于運行區域大氣密度稍大，地磁暴期間可能出現大氣密度進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，對于包括我國在內的中緯度地區日常生活，如電子器件、通訊、飛行航班等，都不會造成任何明顯影響。周日曾傳出當日上午東航 MU721 航班飛行故障，事后也證實為發動機葉片自身故障，而非早已在周六結束的地磁暴事件所致。事實上，今年至今已發生了 7 次（部分資料為 8 次）大地磁暴事件，甚至 3 月 24 日、4 月 24 日兩次達到了更強一級的特大地磁暴，但也未對絕大多數地區日常生活造成影響。
今年以來Kp指數的逐日演變，紅色為大地磁暴或更強級別。圖片來源：德國地球科學研究中心
對于更多普通人而言，較強地磁暴的最直觀體驗，則是在高緯度區域（準確而言，是磁極周邊的磁緯度較高區域）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，包括我國北部也能看到極光。只是前文已經提及，我國北方的極光視角較低且較為暗淡，必須在足夠空曠、能避開城鎮燈等光污染區域，如果緯度不夠高，在城鎮里是很難見到。
為什么今年在漠河以南地區
頻繁見到極光
不過如果注意到磁極與磁緯度分布圖會發現，當前多數模型圖里磁極是偏向北美一側，我國相比世界同地理緯度地區磁緯度偏低，理應更難看到極光（過去數十年的強極光事件的確如此）；但為何今年在漠河在內的東北地區北部、新疆北部（甚至更靠南的地區）等地已頻繁見到極光？
當前通用的地磁緯度模型
這個現象的確值得關注。由于該現象是最近數年才出現，而目前尚未有系統性研究；這里僅結合部分文獻研究（Chulliat et al.2010; Livermore et al. 2020;）給出一個不嚴謹的猜想：這可能和西伯利亞一帶局地磁場的增強有關。
地磁場是相當復雜的系統，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半球對稱分布，磁極分別位于地理兩極附近且關于地心對稱。
但除此之外，各地還有一些局地的磁場，部分假說認為是由地球外核-下地幔之間的環流驅動，類似于大氣層里的局地環流圈。
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），它是實際地磁場經過展開分解得到，它的磁極就關于地心對稱。
在 2020 年發布的世界地磁圖上，亞洲一側已出現總磁場強度顯著增強的趨勢。結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生變化、并導致西伯利亞和東北亞更容易看到極光的原因—當然，這些僅為很初步、不嚴謹的猜想，需要后續專業研究的確認。
全球地磁場強度在2015-2020年間的年變化分布（單位：nT/a），正值（紅線）為增強，負值（藍線）為減弱。
北極附近的總磁極和偶極磁場磁極在1900年以來的移動（2025年的位置為預測結果）。圖片來源：京都大學
而在當前，太陽活動第 25 周期仍在增強，預計在 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的變化（折線）、早前預測的均值（紅線）與1倍標準差的誤差范圍。圖片來源：SWPC
參考文獻
[1]顧江陽,董曉梅,孟祥蘭等.飛行人員宇宙輻射估算與實驗測量的比較研究.航天醫學與醫學工程,2016,29(05):318-321.DOI:10.16289/j.cnki.1002-0837.2016.05.002.
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[3]Chulliat, A., Macmillan, S., Alken, P., et al. (2015). The US/UK World Magnetic Model for 2015--2020. http://dx.doi.org/10.7289/V5TB14V7
[4]Livermore, P.W., Finlay, C.C. & Bayliff, M. Recent north magnetic pole acceleration towards Siberia caused by flux lobe elongation. 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). The Geomagnetic Kp Index and Derived Indices of Geomagnetic Activity. Space Weather. 19. https://doi.org/10.1029/2020SW002641.
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本文為科普中國-星空計劃作品
出品｜中國科協科普部
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作者丨風云夢遠 氣候學方向在讀博士
審核丨韓文標 中國科學院上海天文臺 研究員
策劃丨徐來
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