地磁暴这“锅”，该地球来背吗？

有个胖子他姓杨

根据地磁监测数据显示，从北京时间3月24日23时到3月25日23时，地球出现了3小时特大地磁暴，6小时中等地磁暴和3小时小地磁暴。消息一出，关于“地磁暴”的话题登上社交平台热搜，还有人表示，自己突然嗜睡、疲惫、头疼的原因终于找到了……

那么，地磁暴究竟是一种什么样的自然现象？它对地球会造成哪些影响？今天我们请中国科普作家协会会员雷淼来聊聊这个话题。

（1）太阳和地球的日常互动

“地磁暴”这个词给人的第一印象，就像是地球磁场做了什么不该做的事，然而事实是地球磁场一直在任劳任怨地工作，该被叫出去“恳谈”的是太阳。在中国科学院国家天文台审核的术语词汇里，这种现象叫作“磁暴”，即由太阳表面活动引起的地球磁场全球性剧烈扰动现象。

要搞懂地磁暴，先要弄明白太阳和地球平时的正常互动。太阳是个巨大的核反应堆，除了不停发光发热之外，还不断地将高能带电粒子抛向太空。这些粒子主要是质子和电子，速度可达每秒几百公里，就像从太阳吹出的风一样，所以也被称为“太阳风”。

当太阳风到达地球时，首先会遇到地球磁层。关于地球磁层的大致模样，我们可以想象成一个平放的汽车轮胎，成群的蚂蚁不断从轮胎下方洞中涌出，从各自出发的位置沿着轮胎往上爬进轮胎上方洞里去。地球磁层就好比这样一个结构，地球嵌在轮胎的中心，北半球朝上，南半球朝下，周围蚂蚁的轨迹就是磁场的方向。当然，真实的地球磁层不会像轮胎这么圆，在太阳风的吹拂下，磁层朝向太阳的一面被压缩，而在背向太阳的一面拖出一条长长的尾巴。

当来自太阳的高能带电粒子撞进地球磁层时，会在磁场作用下发生偏转：带正电的质子向东方偏转，带负电的电子则转向西方。这些粒子拐弯之后仍在磁场中，于是就会继续偏转下去，在磁场中团团打转，无法直接击中地球表面。

不过也有例外，地球南北两极如同地磁“轮胎”的上下洞口，如果高能带电粒子斜着冲击磁场，它们就会一边画圈一边沿着磁场前进，走出一个螺旋形，并被磁场牵引着一路打着旋儿沉入南北两极的上空。高能带电粒子撞到大气时会使大气中的原子或分子变成激发态，而激发态的原子很不稳定，回到正常状态需以发光的形式释放能量，这就形成了美丽绚烂却难得一见的极光。所以，可以将极光看作是地球遭遇太阳风袭击时自保的表现，就像人体遭遇细菌入侵时会发烧一样，值得人类抱有感恩之心。

那为什么极光会有各种颜色呢？这和化学课上讲的焰色反应原理一样，因为不同的受激原子发出的光波长不同，所以导致颜色各异。高能带电粒子首先撞击高空的氧原子，它们会发出红光；往下是低空氧原子，它们会发出绿光；更低空的氮分子（氮分子相当稳定，很难拆分成氮原子）则发出红光和蓝光。

当地磁暴发生的时候，极光常常会突破平时的可见范围，出现在较低纬度。2023年11月6日、12月1日前后发生的那两次地磁暴，在黑龙江漠河、新疆阿勒泰均出现了大规模的绚丽极光，一些天文爱好者甚至在北京也观测到了极光，所看到的主要是远方高空氧原子发出的红光。

其实，极光只展示了一部分高能带电粒子的踪迹，大部分粒子还困在地球磁层中，或是在赶往两个磁极的路上。这部分粒子环绕在地球周围，形成了高辐射的范艾伦带，距离地面640-58000公里。为了保护航天乘组的生命和健康，所有的空间站都运行在这个辐射带下方，距地约400公里，并且避开两极，不越过南北纬52°。

（2）日冕“管理不严”引发地磁暴

在太阳和地球之间频频互动的太阳风并不稳定，其“风力”会随着太阳活动起起伏伏。平时，高能带电粒子在太阳大气最外圈的日冕层里被封闭的太阳磁场束缚着，只是平稳随机地放出一些“漏网之鱼”，但有两种情况会发生“集体越狱”事件。

第一种情况是由于日冕自身不均匀而不断变化塑形，有时会形成冕洞，太阳粒子趁机从这里以较高速度逃逸出来。第二种情况是强烈的太阳活动扰动日冕，在磁场的牢笼上直接打出一个窟窿，造成日冕物质抛射事件。

太阳有个大约11年的活动周期，在平稳时期，高能带电粒子“集体越狱”常见于上述第一种情况，而在活跃时期，第二种情况更为显著，且粒子从数量到能量都十分突出。以眼前这轮周期为例，2022年至2029年太阳活动较为活跃，预计在2025年7月达到顶峰。在此期间，太阳黑子、耀斑、日冕物质抛射都将相当剧烈频繁。

当猛烈的日冕物质抛射遇到地球时，会使地球磁层压缩变形。由于大量高能带电粒子突然注入，地球磁层环电流会发生剧烈变化，感应出额外的磁场，对地磁场造成扰动。如果这种扰动较为强烈，即称之为地磁暴。日冕物质抛射也携带着太阳的磁场，当与地球的磁场方向相反时，就可能造成磁重联。通俗地说，就是把地球的南北磁力线掐断，和日冕物质携带的磁场接在一起，这样地球磁层就会被撕开一个口子，并被注入更多高能带电粒子，导致地磁暴的强度增大。

磁场对于地球十分重要，如果没有磁场保护，将会发生什么？金星的遭遇就是个例子：由于没有磁场，太阳风长驱直入金星，将大气中的水分电离成氢和氧并吹散到太空中，所以那里虽然常年笼罩着厚厚的硫酸云，云里却没有一丝水汽。

（3）地磁暴真会让人嗜睡头疼吗

在社交平台上，有一些人把嗜睡、疲惫、头疼、不想上班等表现均归因于此次地磁暴，但这真的没有科学依据。在地磁暴事件中，太阳是始作俑者，地球磁层的动荡发生在遥远的高空乃至太空，而在地面上，并没有什么能够立刻被人体感知的变化被证实。此外，如前所说，面对高能带电粒子的冲击，地球大气层也会以极光的形式展示拦截战果，生活在大气圈底层的我们被保护得好好的，不用担心。

尽管地磁暴不会影响到人的身体健康，但有能力打扰到地球上的设施。最明显的影响是大量高能带电粒子轰击地球大气时会破坏电离层，干扰短波通信甚至使其完全中断，高纬度地区的地磁导航和卫星导航也会被明显干扰。此时，飞越极地的航班必须改变线路，以规避通信和导航问题带来的安全隐患。在军事设备中，利用地球大气电离层侦测入侵飞行物的超视距雷达也会受到干扰。

对于在地磁极附近的长距离输电线路，地磁暴能够感应出强力电流，进而破坏电网设备。最著名的一个地磁暴破坏事件发生在1989年3月，当时加拿大魁北克省上空出现了一场壮观的极光秀，而隐藏其后的地磁暴使7个继电器几乎同时跳闸，600万人断电长达9小时。大量高能带电粒子输入的能量还会加热地球高空大气，使大气膨胀抬升，增加低轨卫星的阻力，使其失速，坠入大气层烧毁。在这次地磁暴事件中，美国也没能幸免，美国航天局用来研究太阳活动的“太阳极大年使者”卫星轨道被膨胀的大气往下拽了5公里，最终于8个月后失控陨落。离这次比较近的地磁暴破坏事件发生在2022年2月，SpaceX公司的49颗星链卫星刚刚发射上天，就因地磁暴一股脑儿掉下来38颗。

另外，在太空出差的航天员们也得防着地磁暴。空间站距地约400公里，并在较低纬度运行，处于相对安全的区域，但面对突然来袭的巨量高能带电粒子也不能掉以轻心。除了注意轨道维持之外，航天员在这段时间也要避免出舱活动，以防高能带电粒子导致的辐射病。地磁暴本质上是太阳风暴，即便以后航天员去了月球执行任务，也仍然要格外小心，那里虽然没有地磁扰动，但遭受的太阳风暴力度与地球一样，再加上没有磁场和大气保护，生命健康和航天设备受到的威胁更加严重。

（4）空间天气预报助力预警防范

人类阻止不了太阳活动，但可以通过各种科学手段密切观察太阳，设法精准预报，以尽量减轻太阳活动对地球的影响。

地磁暴由高能带电粒子冲击地球磁场所致，这些粒子跑得再快，也快不过光。通过对太阳进行包括紫外波段和X射线波段的光学观测，就能做到可靠预报。因为在特定波段上，太阳表面的亮度差异和物质活动可以看得清清楚楚。根据中国科学院空间环境预报中心的经验，日冕物质从抛射到抵达地球需要1至3天，这个时间足够人们做好预警防范了。

2002年6月1日，国务院批准中国气象局成立国家空间天气监测预警中心，于2004年7月1日正式对外发布空间天气预报。该中心的主要职责是规划我国空间天气的监测布局，以及发布空间天气现报、警报与预报，同时为航天、导航、通信等应用部门服务。2009年，我国第一座太阳光球色球观测塔在山东石岛气象台建成，该站的观测信息可实时传输至国家空间天气监测预警中心。在大气层外，7颗风云卫星可实现日地空间因果链全过程自主观测，尤其是2021年发射的风云三号E星,携带了中国首台空间太阳望远镜，可以从X射线波段和极紫外波段展现太阳大气的物理状态。

自2022年10月起，我国有了专门用于观测太阳的空间望远镜“先进天基太阳天文台”，又称“夸父一号”。它的科学目标是观测太阳“一磁两暴”：“一磁”指的是太阳磁场，“两暴”指太阳耀斑和日冕物质抛射。据“夸父一号”科学应用系统副总工程师黄宇介绍，引起最近这次地磁暴事件的X1级耀斑和日冕物质抛射，都被“夸父一号”的3台科学仪器观测记录到了全过程。

我国还计划在2026年左右发射“羲和二号”太阳探测卫星，以更深入地了解太阳活动和太阳爆发的物理机制，为空间天气预警和准确预报提供关键数据和技术基础。“羲和二号”将部署到日地拉格朗日L5点，这个位置与太阳和地球各呈60°夹角，可以稳定尾随地球围绕太阳运行。由于太阳自转方向与地球公转方向一致，因此，太阳表面任意位置都会首先朝向“羲和二号”，再转到地球方向。这样一来，如果太阳上有什么异动，“羲和二号”就能比地球提前四五天看到，并为观测太阳活动提供侧向立体视角。

对于公众而言，由于这几年是太阳活动较为活跃的时期，平时可以多关注国家空间天气监测预警中心的网站，留意两三天内的太阳活动情况，安排极光观赏计划。极光通常出现在高纬度区域（磁极周边的磁纬度较高区域），随着粒子流向赤道方向扩张，不少中纬度地区，包括我国北方也能看到极光。不过，我国北方的极光视角较低且较为暗淡，必须在足够空旷、能避开光污染的区域才能看到。比如，在北京观赏极光可以选择去位于城区北方的灵山、长城、龙庆峡、莲花山、云蒙山、金山岭等地碰碰运气。

总之，地磁暴是太阳风的剧烈活动遇到地球的强力防护引发的自然现象，从古到今一直存在。科学家对包括地磁暴在内的空间天气现象进行监测、研究，不仅可以做好相应防护，而且也为人类探索太空做好准备。未来，国家空间天气监测预警中心将继续推进日地因果链全过程自主监测，发展我国第一代“全链路”日地空间天气数值预报业务系统，持续提升空间天气服务能力，保障国家安全和经济社会发展。

（供图：视觉中国）