太阳磁暴

天文学术语

太阳磁暴，天文学术语，是指当太阳表面活动旺盛，特别是在太阳黑子极大期时，太阳表面的闪焰爆发次数也会增加，闪焰爆发时会辐射出X射线、紫外线、可见光及高能量的质子和电子束。

简介

当太阳表面活动旺盛，特别是在太阳黑子极大期时，太阳表面的闪焰爆发次数也会增加，闪焰爆发时会辐射出X射线、紫外线、可见光及高能量的质子和电子束。其中的带电粒子（质子、电子）形成的电流冲击地球磁场，引发短波通讯所称的磁暴。

磁暴时会增强大气中电离层的游离化，也会使极区的极光特别绚丽，另外还会产生杂音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，也会对航空器造成伤害。

地球磁场

电磁性质地磁场并不指向正南。11世纪中国的《梦溪笔谈》就有记载。地磁偏角随地而异。真正地磁场的形态是很复杂的。它有显著的时间变化，最大的变化幅度可达到总地磁场的千分之几或更高。变化可分为长期的和短期的。长期变化来源于地球内部的物质运动；短期变化来源于电离层的潮汐运动和太阳活动的变化。在地磁场中，用统计平均或其他方法将短期变化消去后就得到所谓基本地磁场。用球谐分析的方法可以证明基本地磁场有99%以上来源于地下，而相当于一阶球谐函数部分约占80%，这部分相当于一个偶极场，它的北极坐标是北纬78.5°，西经69.0°。短期变化分为平静变化和干扰变化两大类。平静变化是经常出现的，比较有规律并有一定的周期，变化的磁场强度可达几十纳特；干扰变化有时是全球性的，最大幅度可达几千纳特，叫做磁暴。

基本磁场也不是完全固定的，磁场强度的图像每年向西漂移0.2°～0.3°，叫做西向漂移。这就指出地磁场的产生可能是地球内部物质流动的结果。如今普遍认为地球核主要是铁镍组成的（还包含少量的轻元素）导电流体，导体在磁场中运动便产生电流。这种电磁流体的耦合产生一种自激发电机的作用，因而产生了地磁场。这是当前比较最为人接受的地磁场成因的假说。

当岩浆在地磁场中降温而凝固成岩石时，便受到地磁场磁化而保留少许的永久磁性，称为热剩磁。大多数岩浆岩都带有磁性，其方向和成岩时的地磁场方向一致。由相同时代的不同岩石标本可以确定成岩时地球磁极的位置。但由不同地质时代的岩石标本所确定的地磁极位置却是不同的。这就给大陆漂移的假说提供了一个有力的证据。人们还发现，在某些地质时代成岩的岩石，磁化方向恰好和现代的地磁场方向相反。这是由于地球在形成之后，地磁场曾多次自己反向的结果。按照自激发电机地磁场成因假说，这种反向是可以理解的。地磁场的短期变化可以感应地下电流，而地下电流又引起地面的感应磁场。地下电流同地下物质的电导率有关，因而可由此估计地球内部的电导率分布。然而计算是复杂的，而且解答不单一。所能取得的一致意见是电导率随深度而增加，在60～100千米深度附近增加很快。在400～700千米的深处，电导率又有明显的变化，此处相当于地幔中的过渡层（又叫C层）。

电磁暴

全球性的强烈地磁场扰动即磁暴。所谓强烈是相对各种地磁扰动而言。其实地面地磁场变化量较其平静值是很微小的。在中低纬度地区，地面地磁场变化量很少有超过几百纳特的（地面地磁场的宁静值在全球绝大多数地区都超过 3万纳特）。一般的磁暴都需要在地磁台用专门仪器做系统观测才能发现。

磁暴是常见现象。不发生磁暴的月份是很少的，当太阳活动增强时，可能一个月发生数次。有时一次磁暴发生27天（一个太阳自转周期）后，又有磁暴发生。这类磁暴称为重现性磁暴。重现次数一般为一、二次。

研究简史

19世纪 30年代 C.F.高斯和韦伯建立地磁台站之初,就发现了地磁场经常有微小的起伏变化。1847年，地磁台开始有连续的照相记录。1859年9月1日，英国人卡林顿在观察太阳黑子时，用肉眼首先发现了太阳耀斑。第二天，地磁台记录到 700纳特的强磁暴。这个偶然的发现和巧合，使人们认识到磁暴与太阳耀斑有关。还发现磁暴时极光十分活跃。19世纪后半期磁暴研究主要是积累观测资料。

20世纪初,挪威的K.伯克兰从第一次国际极年(1882～1883)的极区观测资料,分析出引起极光带磁场扰动的电流主要是在地球上空，而不在地球内部。为解释这个外空电流的起源，以及它和极光、太阳耀斑的关系，伯克兰和F.C.M.史笃默相继提出了太阳微粒流假说。到30年代,磁暴研究成果集中体现在查普曼-费拉罗磁暴理论中，他们提出地磁场被太阳粒子流压缩的假说，被后来观测所证实。

50年代之后，实地空间探测不但验证了磁暴起源于太阳粒子流的假说，并且发现了磁层，认识了磁暴期间磁层各部分的变化。对磁层环电流粒子的存在及其行为的探测，把磁暴概念扩展成了磁层暴。

磁暴和磁层暴是同一现象的不同名称，强调了不同侧面。尽管磁暴的活动中心是在磁层中，但通常按传统概念对磁暴形态的描述仍以地面地磁场的变化为代表。这是因为，人们了解得最透彻的仍是地面地磁场的表现。

形态

在磁暴期间，地磁场的磁偏角和垂直分量都有明显起伏,但最具特征的是水平分量H。磁暴进程多以水平分量的变化为代表。大多数磁暴开始时，在全球大多数地磁台的磁照图上呈现出水平分量的一个陡然上升。在中低纬度台站，其上升幅度约10～20纳特。这称为磁暴急始,记为SSC或SC。急始是识别磁暴发生的明显标志。有急始的磁暴称为急始型磁暴。高纬台站急始发生的时刻较低纬台站超前,时间差不超过1分钟。

磁暴开始急，发展快，恢复慢，一般都持续两三天才逐渐恢复平静。磁暴发生之后，磁照图呈现明显的起伏，这也是识别磁暴的标志。同一磁暴在不同经纬度的磁照图上表现得很不一样。为了看出磁暴进程，通常都需要用分布在全球不同经度的若干个中、低纬度台站的磁照图进行平均。经过平均之后的磁暴的进程称为磁暴时（以急始起算的时刻）变化，记为Dst。

磁暴时变化大体可分为 3个阶段。紧接磁暴急始之后，数小时之内，水平分量较其平静值大，但增大的幅度不大，一般为数十纳特，磁照图相对稳定。这段期间称为磁暴初相。然后，水平分量很快下降到极小值，下降时间约半天，其间，磁照图起伏剧烈，这是磁暴表现最活跃的时期，称为磁暴主相。通常所谓磁暴幅度或磁暴强度，即指这个极小值与平静值之差的绝对值，也称Dst幅度。水平分量下降到极小值之后开始回升，两三天后恢复平静，这段期间称为磁暴恢复相。磁暴的总的效果是使地面地磁场减小。这一效应一直持续到恢复相之后的两三天，称为磁暴后效。通常，一次磁暴的幅度随纬度增加而减小，表明主相的源距赤道较近。

同一磁暴,各台站的磁照图的水平分量H与平均形态Dst的差值,随台站所在地方时不同而表现出系统的分布规律。这种变化成分称为地方时变化，记为DS。DS反映出磁暴现象的全球非轴对称的空间特性，而不是磁暴的过程描述。它表明磁暴的源在全球范围是非轴对称分布的。

磁照图反映所有各类扰动的叠加，又是判断和研究磁暴的依据，因此实际工作中往往把所有这些局部扰动都作为一种成分，包括到磁暴中。但在建立磁暴概念时，应注意概念的独立性和排他性。磁暴应该指把局部干扰排除之后的全球性扰动。

成因

太阳耀斑的喷出物常在其前缘形成激波，以1000公里/秒的速度，约经一天，传到地球。太阳风高速流也在其前缘形成激波，激波中太阳风压力骤增。当激波扫过地球时，磁层就被突然压缩，造成磁层顶地球一侧的磁场增强。这种变化通过磁流体波传到地面，表现为地面磁场增强，就是磁暴急始。急始之后，磁层被压缩，压缩剧烈时，磁层顶可以进入同步轨道之内。与此同时磁层内的对流电场增强，使等离子体层收缩，收缩剧烈时，等离子体层顶可以近至距地面2～3个地球半径。如果激波之后的太阳风参数比较均匀，则急始之后的磁层保持一段相对稳定的被压缩状态，这对应磁暴初相。

磁暴期间，磁层中最具特征的现象是磁层环电流粒子增多。磁层内,磁赤道面上下4个地球半径之内，距离地心2～10个地球半径的区域内,分布有能量为几十至几十万电子伏的质子。这些质子称为环电流粒子，在地磁场中西向漂移运动形成西向环电流,或称磁层环电流,强度约106安。磁层环电流在磁层平静时也是存在的。而磁暴主相时，从磁尾等离子体片有大量低能质子注入环电流区，使环电流幅度大增。增强了的环电流在地面的磁效应就是H分量的下降。每注入一次质子，就造成H下降一次，称为一次亚暴，磁暴主相是一连串亚暴连续发生的结果。磁暴主相的幅度与环电流粒子的总能量成正比。磁暴幅度为100纳特时,环电流粒子能量可达4×1015焦耳。这大约就是一次典型的磁暴中，磁层从太阳风所获得并耗散的总能量。而半径为 3个地球半径的球面之外的地球基本磁场的总能量也只有3×1016焦耳。可见，磁暴期间磁层扰动之剧烈。

磁层亚暴时注入的粒子向西漂移,并绕地球运动,在主相期间来不及漂移成闭合的电流环，因此这时的环电流总是非轴对称的，在黄昏一侧强些。

除主相环电流外，在主相期间发生的亚暴还对应有伯克兰电流体系。伯克兰电流体系显然是非轴对称的。它在中低纬度也会产生磁效应,只不过由于距离较远,效应较之极光带弱得多。它和主相环电流的非轴对称部分的地磁效应合在一起就是DS场。

由于磁层波对粒子的散射作用，以及粒子的电荷交换反应,环电流粒子会不断消失。当亚暴活动停息后,不再有粒子供给环电流，环电流强度开始减弱，进入磁暴恢复相。

所有这些空间电流，在地面产生磁场的同时，还会在导电的地壳和地幔中产生感应电流，但是感应电流引起的地磁场变化，其大小只有空间电流引起的地磁场变化的一半。

研究意义

磁暴观测早已成为各地磁台站的一项常规业务。在所有空间物理观测项目中，地面磁场观测最简单可行,也易于连续和持久进行,观测点可以同时覆盖全球陆地表面。因此磁暴的地面观测是了解磁层的最基本、最有效的手段。在研究日地空间的其他现象时，往往都要参考代表磁暴活动情况的磁情指数，用以进行数据分类和相关性研究。

磁暴引起电离层暴，从而干扰短波无线电通讯；磁暴有可能干扰电工、磁工设备的运行；磁暴还有可能干扰各种磁测量工作。因此某些工业和实用部门也希望得到磁暴的预报和观测资料。

磁暴研究除了上述服务性目的之外，还有它本身的学科意义。磁暴和其他空间现象的关系，特别是磁暴与太阳风状态的关系，磁暴与磁层亚暴的关系，以及磁暴的诱发条件，供应磁暴的能量如何从太阳风进入磁层等等问题，至今仍是磁层物理最活跃的课题。磁暴作为一种环境因素，与生态的关系问题也开始引起人们的注意和兴趣。25年来最强太阳磁暴

据国外媒体报道，尤利塞斯号太阳探测器捕捉到如今25年来最强的一次太阳耀斑活动。设想你徒步穿过南极，遭遇了冰雪、寒风和数月的艰辛，最终南极点的就在你的前面，这时一场撒哈拉沙漠的大风暴却突然袭来……

这一场景就是科学家们描述欧洲航天局和美国国家航空航天局的尤利塞斯号太阳探测器上一年12月份时遭遇的情况。美国国家航空航天局总部尤利塞斯号太阳探测器计划科学家阿里克·波斯纳说，“正当尤利塞斯号接近太阳南极时，它遭遇了高能粒子云形成的“沙尘暴”，这些高能粒子包括质子、电子和重离子。高能粒子云出现在太阳的南极点就像是撒哈拉沙漠风暴出现在南极一样令人感到突兀。

这一奇特的事件开始于2006年12月5日。

波斯纳说，太阳东部边缘突然出现的巨大而猛烈的太阳黑子活动让天文学家们十分兴奋。这一黑子出现于12月5日，并产生了25年来最强的一次太阳耀斑活动。按照太阳耀斑的“里氏分别”划分，1级的程度就很强烈，而12月5日这次的级别是9级。地球轨道上的传感器探测到了X射线暴，不久由质子、电子和重离子组成的高能粒子云从喷发点喷射出来。这就尤利塞斯号探测器遭遇的高能粒子云。

这一过程在12月6日和12月13日又再次出现，强度有所不同，分别为6级和3级。每一次暴发都会形成自己的高能粒子云。阿里克·波斯纳说，“我们将这些云称为‘磁暴’，在大型耀斑活动后通常会出现这种情况。”

新汉普郡大学物理学家布鲁斯·麦克吉本说，“这三次磁暴均被尤利塞斯号探测器捕捉到。12月6日的磁暴强度特别大，以重离子为主。”布鲁斯·麦克吉本是尤利塞斯号探测器上携带的探测高能粒子宇宙及太阳粒子研究仪的主要研究人员。

德国实验与应用物理学院的伯恩德·赫伯（音）教授说，12月6日的磁暴强度之大，“如果地球处于尤利塞斯号探测器的位置上的话，我们在地面也会感受到这一事件的影响。”换句话说，高能粒子会穿过地球的大气层直达地面。赫伯是尤利塞斯号探测器的上携带的基尔电子望远镜 (KET)的主要研究人员，这一传感器可以探测得到超高能电子、质子和离子。

麦克吉本说，这些观测资料让科学家也感到非常疑惑。太阳黑子的位置靠近太阳赤道，而尤利塞斯号探测器位于太阳南极上空。太阳磁场应该把磁暴限制在较低的纬度。磁暴是如何抵达尤利塞斯号探测器的呢？

美国国家航空航天局非常希望解开这个谜团。太阳磁暴能够引起地球上的通信中断，地球轨道上的卫星失灵，在极端情况下还能给宇航员带来致命伤害。波斯纳说，“我们需要预报出这些磁暴的轨迹。”

关键问题是太阳的磁场。就像地球上的磁场指引指南针的指针一样，太阳的磁场也指引着磁暴的方向。磁暴是由带电粒子组成，带电粒子自动遵循着磁力线的轨迹。

科学家在过去预测磁暴的方法是依赖于“帕克螺旋线”，是芝加哥大学物理学家尤金·帕克提出的磁场模型。根据这一模型，太阳的磁场是从太阳表面曾螺旋线状向太阳系延伸。波斯纳说，“这就像是草坪上回转喷水器喷出的螺旋水流那样。”

帕克螺旋线理论做出了一个直接的预测：磁暴开始于赤道并保持在赤道附近。一次磁暴可能会扩展到太阳系并袭击到地球，它不会远离太阳赤道平面。但是，它不应该袭击到太阳南极上空的尤利塞斯号探测器。

显然，一个完美的螺旋线理论还无法解释这件事。现实中的太阳磁场能够发生一些扭转并形成一个从赤道通向两极的通道。此前的一个证据可以印证这个想法，在2000年和2001年间，在上一个太阳活动极大年时，太阳的磁场完全扭在一起，而非帕克结构。麦克吉本说，在那段时间里尤利塞斯号探测经经历了六次大范围的磁暴。

如果这些通道存在的话，发现并了解这些通道就是未来要面临的工作。波斯纳说：“同时，有一点是清楚的，那就是在太阳系内部没有避免磁暴而绝对安全的地方。”

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