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4月的天空有點熱鬧。
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，一場罕見的環(huán)全混合日食在澳大利亞西北部的一條狹長區(qū)域里上演。眾多追光追星的攝影師提前到達(dá)預(yù)測的日食帶，占據(jù)有利地形，架起長槍短炮，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)的一點五億公里之外的太陽上，突然爆發(fā)了一次M1.7級的耀斑，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），幾乎正對著地球飛奔而來。位于傾斜同步軌道上的美國太陽動力學(xué)天文臺清楚地監(jiān)測到了這次耀斑和CME的爆發(fā)過程，美國國家大氣海洋局空間天氣預(yù)報中心據(jù)此給出了CME將于世界時4月24日到達(dá)地球、以及將引發(fā)G1級地磁暴的預(yù)警信息。
圖2. 2023年4月21日爆發(fā)的M1.7級耀斑以及產(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。每年這個日子，航天界精英都會舉辦主題活動，發(fā)揚(yáng)航天精神，暢想太空未來。今年航天日活動的主題是 “格物致知，叩問蒼穹”，意即對于太空里的事情，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)暴級別也不高，在太陽活動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)報中心只給出了G1的地磁暴預(yù)報級別，國內(nèi)幾乎沒有給出具體預(yù)報級別。然而，合肥主場的航天日主題活動還沒有開始，CME卻提前幾個小時到達(dá)了地球，于世界時23日17時左右（北京時24日01時左右）并攜帶著一個被稱為行星際磁場（IMF）的“特殊鑰匙”，打開了地球磁場抵御太陽風(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，并引起地球磁場的劇烈擾動，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)過地球磁場引導(dǎo)和加速后沿著磁力線進(jìn)入一個圍繞著磁極點的橢圓區(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.）
地球磁場的劇烈擾動被同步軌道上的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)繞過地球磁場外圍而形成磁層，并對磁層有一個壓力效應(yīng)，因此，同步軌道上向陽面的磁場要強(qiáng)一些，夜晚側(cè)的磁場要弱一些，這一變化規(guī)律在沒有全球性擾動的情況下顯得非常清晰。然而，隨著CME的到來，先是地球磁場收到急劇壓縮，同步軌道上可以觀測到磁場突然上升。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。同時衛(wèi)星測量到的磁場也不再是地球磁場，而是太陽風(fēng)攜帶的太陽磁場，也就是攜帶出來的行星際磁場IMF。隨著太陽風(fēng)與地球磁場的劇烈拉鋸戰(zhàn)，衛(wèi)星觀測到的磁場也會處于劇烈擾動中。
圖4. 同步軌道上GOES衛(wèi)星觀測到的平行與地球自轉(zhuǎn)軸方向上的磁場變化。 （圖片來自NOAA-SWPC）
CME帶來的沖擊，也會被地面的地磁臺站記錄下來。由于地球有一個源自地核的磁場，這個磁場以偶極子磁場形態(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)地攜帶來自太陽的磁場，并且拒絕跨越磁力線流動。也就是說，太陽風(fēng)流動到哪，太陽磁場就會跟隨到哪。因此，太陽風(fēng)等離子體不能越過磁力線進(jìn)入地球磁場的范圍，從而把地球磁場限制在有限的區(qū)域內(nèi)，這個區(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平靜。由于地球磁場的偶極子結(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的影響；而高緯地區(qū)的地磁臺站與更遠(yuǎn)處的太空區(qū)域相連接，更容易收到外來擾動的影響。這次事件中，我國漠河的地磁臺站在世界時17：29首先記錄到了磁場水平分量受到了急劇壓縮，而后發(fā)生了明顯下降。相對而言，北京的地磁臺站變化稍小一些。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的環(huán)電流迅速增強(qiáng)，它產(chǎn)生的南向磁場疊加到地磁場上而形成的。由于這種被稱為地磁暴的擾動是全球性的，世界各地的地磁臺站注定也記錄到了這種擾動過程。
圖5. 我國漠河地磁臺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指數(shù)被稱為Dst指數(shù)。它是根據(jù)位于赤道附近的4個地磁臺站觀測的每小時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)磁暴級別。目測其繼續(xù)下降的趨勢，極有可能突破-200nT而改寫這次地磁暴的級別，成為烈磁暴。另一個衡量磁暴的指數(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個地磁臺站所觀測到的每3小時地磁水平分量變化值求對數(shù)、再求平均而得到的，從0，0+，1-，1，1+，一直到9-，9，一共28個級別，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)磁暴級別。
CME是從太陽上拋出來的高速運動的一團(tuán)等離子體，攜帶著來自太陽的磁場。它在行星際運動傳播的過程中，其形態(tài)會發(fā)生不斷變化。由于運動速度可達(dá)600公里/s甚至可達(dá)1000公里/s，其前沿會產(chǎn)生一個收到壓縮的激波層，并且攜帶著南向磁場。這個南向磁場就是前文說的那個“特殊鑰匙”，會開啟太陽風(fēng)通往磁層的大門。而這個壓縮的激波層，則會加速太陽風(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，同時也會造成飛越極蓋區(qū)的衛(wèi)星面臨輻射危險，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4月23日18：20觀測到了能量大于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)星觀測到的高能質(zhì)子事件。 （圖片來自NOAA-SWPC）
這次事件比預(yù)計的來的更快，提前幾個小時到達(dá)，并開始全球性擾動過程；擾動的級別比預(yù)期的明顯偏高了3個級別。究其原因，很可能在于21日的耀斑和CME是在日面有一個冕洞的背景下爆發(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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