(相關(guān)資料圖)

4月的天空有點(diǎn)熱鬧。 圖1. 2023年4月20日發(fā)生在南半球的環(huán)全混合日食。 （圖片來自網(wǎng)絡(luò)） 4月20日，當(dāng)月球運(yùn)行到了地球和太陽之間，掩住了太陽持續(xù)不斷的光輝，一場(chǎng)罕見的環(huán)全混合日食在澳大利亞西北部的一條狹長(zhǎng)區(qū)域里上演。眾多追光追星的攝影師提前到達(dá)預(yù)測(cè)的日食帶，占據(jù)有利地形，架起長(zhǎng)槍短炮，等待著環(huán)食的貝利珠和全食的星光乍顯。第二天的晚上，在地球另一側(cè)的一點(diǎn)五億公里之外的太陽上，突然爆發(fā)了一次M1.7級(jí)的耀斑，耀斑位置位于日面南半球靠近黃道的區(qū)域，并且產(chǎn)生了一次全暈日冕物質(zhì)拋射（full-halo CME），幾乎正對(duì)著地球飛奔而來。位于傾斜同步軌道上的美國太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)清楚地監(jiān)測(cè)到了這次耀斑和CME的爆發(fā)過程，美國國家大氣海洋局空間天氣預(yù)報(bào)中心據(jù)此給出了CME將于世界時(shí)4月24日到達(dá)地球、以及將引發(fā)G1級(jí)地磁暴的預(yù)警信息。

圖2. 2023年4月21日爆發(fā)的M1.7級(jí)耀斑以及產(chǎn)生的日冕物質(zhì)拋射。（視頻來自SDO）

4月24日是我國為了紀(jì)念第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功而設(shè)立的國家航天日。每年這個(gè)日子，航天界精英都會(huì)舉辦主題活動(dòng)，發(fā)揚(yáng)航天精神，暢想太空未來。今年航天日活動(dòng)的主題是 “格物致知，叩問蒼穹”，意即對(duì)于太空里的事情，不僅要知其然，還要知其所以然。恰巧在這個(gè)值得紀(jì)念的日子到來前幾天，太陽上爆發(fā)了耀斑和CME，按說這次太陽風(fēng)暴級(jí)別也不高，在太陽活動(dòng)靠近高年的上升期發(fā)生這樣的事情也算不上什么意外，所以人們也沒怎么當(dāng)回事——主要是預(yù)報(bào)員沒怎么當(dāng)回事，所以美國大氣海洋局的空間天氣預(yù)報(bào)中心只給出了G1的地磁暴預(yù)報(bào)級(jí)別，國內(nèi)幾乎沒有給出具體預(yù)報(bào)級(jí)別。然而，合肥主場(chǎng)的航天日主題活動(dòng)還沒有開始，CME卻提前幾個(gè)小時(shí)到達(dá)了地球，于世界時(shí)23日17時(shí)左右（北京時(shí)24日01時(shí)左右）并攜帶著一個(gè)被稱為行星際磁場(chǎng)（IMF）的“特殊鑰匙”，打開了地球磁場(chǎng)抵御太陽風(fēng)進(jìn)入地球附近的大門，來自太陽的超熱等離子體——太陽風(fēng)開始像洪水一樣涌入地球的磁保護(hù)層——磁層，并引起地球磁場(chǎng)的劇烈擾動(dòng)，以及南北兩極的極光橢圓區(qū)迅速向低緯度地區(qū)擴(kuò)展。一大早，已經(jīng)有來自新疆的目擊極光的消息傳來。從照片看，整個(gè)天空彌漫著紫紅色的光，襯托著夜空中閃爍的繁星，很是迷人。這種紫紅色的光，是太陽風(fēng)中的電子經(jīng)過地球磁場(chǎng)引導(dǎo)和加速后沿著磁力線進(jìn)入一個(gè)圍繞著磁極點(diǎn)的橢圓區(qū)域上空并與大氣中的氮分子碰撞而發(fā)出的光。 圖3.新疆克拉瑪依24日凌晨發(fā)生的極光。 （圖片來自博客Jeff的星空。 致謝Jeff.Dai.） 地球磁場(chǎng)的劇烈擾動(dòng)被同步軌道上的GOES衛(wèi)星記錄下來。同步軌道位于距離地面35800公里的赤道上空，這一軌道上的衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與地球自轉(zhuǎn)的角度同步。由于太陽風(fēng)繞過地球磁場(chǎng)外圍而形成磁層，并對(duì)磁層有一個(gè)壓力效應(yīng)，因此，同步軌道上向陽面的磁場(chǎng)要強(qiáng)一些，夜晚側(cè)的磁場(chǎng)要弱一些，這一變化規(guī)律在沒有全球性擾動(dòng)的情況下顯得非常清晰。然而，隨著CME的到來，先是地球磁場(chǎng)收到急劇壓縮，同步軌道上可以觀測(cè)到磁場(chǎng)突然上升。然后是磁層頂被壓縮到同步軌道的高度，還要更靠近地球，衛(wèi)星一下子失去了磁層的保護(hù)而暴露在太陽風(fēng)中，遭受太陽風(fēng)粒子的直接轟擊。同時(shí)衛(wèi)星測(cè)量到的磁場(chǎng)也不再是地球磁場(chǎng)，而是太陽風(fēng)攜帶的太陽磁場(chǎng)，也就是攜帶出來的行星際磁場(chǎng)IMF。隨著太陽風(fēng)與地球磁場(chǎng)的劇烈拉鋸戰(zhàn)，衛(wèi)星觀測(cè)到的磁場(chǎng)也會(huì)處于劇烈擾動(dòng)中。 圖4. 同步軌道上GOES衛(wèi)星觀測(cè)到的平行與地球自轉(zhuǎn)軸方向上的磁場(chǎng)變化。 （圖片來自NOAA-SWPC） CME帶來的沖擊，也會(huì)被地面的地磁臺(tái)站記錄下來。由于地球有一個(gè)源自地核的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)以偶極子磁場(chǎng)形態(tài)向外延伸，直到遇到了太陽風(fēng)而受到限制。原因就是太陽風(fēng)是超熱的電離氣體，雖然很稀薄，但它卻固執(zhí)地?cái)y帶來自太陽的磁場(chǎng)，并且拒絕跨越磁力線流動(dòng)。也就是說，太陽風(fēng)流動(dòng)到哪，太陽磁場(chǎng)就會(huì)跟隨到哪。因此，太陽風(fēng)等離子體不能越過磁力線進(jìn)入地球磁場(chǎng)的范圍，從而把地球磁場(chǎng)限制在有限的區(qū)域內(nèi)，這個(gè)區(qū)域稱為磁層。磁層就像海灣一樣，大海里的波浪阻擋在海灣之外，讓海灣里面的海面變得相對(duì)平靜。由于地球磁場(chǎng)的偶極子結(jié)構(gòu)，就像洋蔥一樣的層次結(jié)構(gòu)，所以低緯度地區(qū)的地磁臺(tái)站則與更靠近地球的太空區(qū)域相連接而不容易受到外來擾動(dòng)的影響；而高緯地區(qū)的地磁臺(tái)站與更遠(yuǎn)處的太空區(qū)域相連接，更容易收到外來擾動(dòng)的影響。這次事件中，我國漠河的地磁臺(tái)站在世界時(shí)17：29首先記錄到了磁場(chǎng)水平分量受到了急劇壓縮，而后發(fā)生了明顯下降。相對(duì)而言，北京的地磁臺(tái)站變化稍小一些。這種水平分量的明顯下降就是由于在太空中圍繞地球的向西流動(dòng)的環(huán)電流迅速增強(qiáng)，它產(chǎn)生的南向磁場(chǎng)疊加到地磁場(chǎng)上而形成的。由于這種被稱為地磁暴的擾動(dòng)是全球性的，世界各地的地磁臺(tái)站注定也記錄到了這種擾動(dòng)過程。 圖5. 我國漠河地磁臺(tái)站記錄的地磁水平分量。 （圖片來自SEPC） 衡量這種急劇下降的一個(gè)指數(shù)被稱為Dst指數(shù)。它是根據(jù)位于赤道附近的4個(gè)地磁臺(tái)站觀測(cè)的每小時(shí)地磁水平分量變化值再求平均值得到的。由于位于低緯度地區(qū)，它反映的是環(huán)電流的變化。截至發(fā)稿，Dst指數(shù)已經(jīng)達(dá)到了-185 nT，屬于強(qiáng)磁暴級(jí)別。目測(cè)其繼續(xù)下降的趨勢(shì)，極有可能突破-200nT而改寫這次地磁暴的級(jí)別，成為烈磁暴。另一個(gè)衡量磁暴的指數(shù)Kp指數(shù)，是根據(jù)位于磁緯度50度附近的高緯地區(qū)的13個(gè)地磁臺(tái)站所觀測(cè)到的每3小時(shí)地磁水平分量變化值求對(duì)數(shù)、再求平均而得到的，從0，0+，1-，1，1+，一直到9-，9，一共28個(gè)級(jí)別，也一度達(dá)到了8，屬于強(qiáng)磁暴。按照美國大氣海洋局的標(biāo)準(zhǔn)，也達(dá)到了G4的強(qiáng)磁暴級(jí)別。 CME是從太陽上拋出來的高速運(yùn)動(dòng)的一團(tuán)等離子體，攜帶著來自太陽的磁場(chǎng)。它在行星際運(yùn)動(dòng)傳播的過程中，其形態(tài)會(huì)發(fā)生不斷變化。由于運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)600公里/s甚至可達(dá)1000公里/s，其前沿會(huì)產(chǎn)生一個(gè)收到壓縮的激波層，并且攜帶著南向磁場(chǎng)。這個(gè)南向磁場(chǎng)就是前文說的那個(gè)“特殊鑰匙”，會(huì)開啟太陽風(fēng)通往磁層的大門。而這個(gè)壓縮的激波層，則會(huì)加速太陽風(fēng)中的質(zhì)子而產(chǎn)生高能質(zhì)子事件，也就是使加速的質(zhì)子以更快速度沖擊地球磁層，通過向陽面的磁場(chǎng)重連而進(jìn)入磁層極蓋區(qū)，造成極區(qū)上空的空氣分子電離迅速增加，吸收高頻電磁波而形成短波通信受阻，同時(shí)也會(huì)造成飛越極蓋區(qū)的衛(wèi)星面臨輻射危險(xiǎn)，甚至?xí)斐娠w越極蓋區(qū)的航班收到異常輻射威脅。這次事件中，同步軌道上GOES衛(wèi)星在世界時(shí)4月23日18：20觀測(cè)到了能量大于10MeV的高能質(zhì)子通量超過了預(yù)警值，形成了高能質(zhì)子事件。 圖6. 同步軌道上GOES衛(wèi)星觀測(cè)到的高能質(zhì)子事件。 （圖片來自NOAA-SWPC） 這次事件比預(yù)計(jì)的來的更快，提前幾個(gè)小時(shí)到達(dá)，并開始全球性擾動(dòng)過程；擾動(dòng)的級(jí)別比預(yù)期的明顯偏高了3個(gè)級(jí)別。究其原因，很可能在于21日的耀斑和CME是在日面有一個(gè)冕洞的背景下爆發(fā)的，冕洞可以發(fā)出高速太陽風(fēng)。也就是說，這個(gè)CME是搭上了高速太陽風(fēng)的順風(fēng)車來到地球的，所以才會(huì)這么快到達(dá)，并且冕洞效應(yīng)和CME疊加在了一起，造成的地磁暴會(huì)更強(qiáng)一些。 “格物致知，叩問蒼穹”。這份特別的禮物提醒我們，太空里發(fā)生著很多事情，背后隱藏著復(fù)雜的物理過程。隨著我們探索腳步的前進(jìn)，地球上的人們將一步一步揭開大自然的面紗，并成為自然環(huán)境的駕馭者和享有者。 -作者信息-大雁，有情懷的空間物理學(xué)博士，關(guān)注科普的一線科學(xué)家。

排版：弢弢

審核：六朵、蒼翼蝴蝶、蘇蘇

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