[科普中国]-磁层暴

磁暴指地球磁场各要素发生的强烈扰动。它能在瞬间波及全球，持续达几小时至几天。它是由太阳活动所引起的，当太阳喷射大量带电微粒进入地球大气层时，引起电离层扰动，同时引起地磁场的强度和方向发生急剧而不规则的变化。磁暴发生时，两极地区扰动强度最大，常伴有极光出现。由于磁暴所引起的电离层扰动，使正常通讯所用的无线电波不能折回地面；情况严重时，短波无线电通讯甚至完全中断，罗盘磁针的指向也受到影响。1

定义磁层暴又称磁暴，是整个地球磁层持续十几小时至几十小时的强烈扰动现象，表现为当太阳风高速流形成的激波扫过地球时，磁层被压缩，磁层内对流电场增强，环电流粒子增多，等离子体层收缩，地磁场发生强烈扰动，它是地磁场的一种全球几乎同时发生的强烈扰动现象。

磁层暴的总效果是地面地磁场减小。它是一种与人类各种活动密切相关的常见现象。磁层暴与太阳活动紧密相关，在太阳活动增强时可以一个月发生多次磁层暴，部分磁层暴有27天的重现性。在大磁暴发生时，连带的多种环境扰动会造成地面供电系统的故障，航天器的异常等。因此它不仅是空间物理学主要的研究现象，也是空间环境科学、空间环境预报所非常关注的研究内容。2

研究历史19世纪30年代，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，挪威的伯克兰从第一次国际极年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。3

发展阶段磁暴通常可分为三个发展阶段：初相、主相和恢复相。

磁暴开始时在全球各经度上，地磁场水平(H)分量增加，在一至几小时内大体保持不变，叫做初相。初相结束后，H分量突然下降，半小时至数小时内下降到极小值，这一过程称为主相。此后，H分量开始回升，两三天至一星期内恢复至暴前水平，称为恢复相。有些磁暴在初相开始时H分量突然剧增，这种磁暴称为急始型磁暴。没有急始的磁暴称为缓始型磁暴。

太阳日冕物质抛射事件向太阳外喷发高速流。该高速流在行星际空间结构称为磁云，磁云前方有行星际激波。激波冲击磁层顶时在磁层内产生强脉冲，磁暴急始便是由这个强脉冲引起的。

太阳风高速流压缩磁层，有时可将磁层顶压迫到地球同步高度以内，造成磁场H分量明显增加，产生磁暴初相。

磁云内存在南向磁场结构。当地球轨道附近太阳风磁场为南向且维持一段长时间后，太阳风向磁层输入的能量显著增加，磁尾等离子体片中大量离子受到加热并注入环电流区，使环电流幅值大增，其磁效应就是H分量的急剧下降，产生磁暴主相。在此期间，极光活动增强，极光带扩展并向低纬方向移动，有时甚至在中低纬都能看到极光。

当行星际磁场恢复北向后，由于粒子问的电荷交换和磁层波动对粒子的散射，环电流粒子数减少，强度减弱，地磁场逐渐恢复到暴前水平，这就是恢复相。4

危害地磁暴期间，高能粒子沉降和焦耳加热等过程使低层大气受热膨胀，地磁暴的连锁反应引起高层大气密度增加；高层大气密度、成分和风场的变化，会引起电离层暴；磁层剧烈扰动时，磁尾中的热等离子体被加速向地球方向运动，形成热等离子体注入；带电粒子沿磁力线沉降，轰击高层大气，形成绚烂多彩的极光；磁层扰动期间，磁层中的电子可能被加速至很高的能量，引起全球范围的高能电子增强现象——高能电子暴。

对卫星的影响直接影响：

当地磁场扰动时，磁场方向和大小的改变会影响它们之间的力矩，致使卫星的姿态发生变化。卫星的姿态发生变化后，通信卫星将无法正常通信，甚至有时可能会中断通信；气象卫星、军事卫星也无法监测地球。

间接影响：

当强磁暴发生时，磁层顶部由于受到高速太阳风的剧烈挤压而被压缩到地球同步轨道之内，发生同步轨道磁层顶穿越事件。此时不仅会因所处的磁场环境发生变化而影响姿态，还会因为失去了磁场的保护而直接受到太阳风的冲击。

当地磁暴发生时，焦耳加热和极光粒子沉降加热引起全球高层大气增温，密度和成分发生变化。当大气密度陡增，大气阻力会突然加大，加速了航天器衰减的速度，从而导致其偏离预计航道，甚至提前掉入低层大气而陨落。

对电网的影响强磁暴时，地磁场会发生剧烈扰动变化，变化的地磁场会在土壤电阻率高的地区产生每公里几伏特到十几伏特，持续时间从几分钟到几小时的地面电势（Earth Surface Potential，ESP）。而在高压、超高压输电系统中，由于电网变压器中性点直接接地，所以ESP会在东西走向、长距离输电线路与大地构成的回路中产生地磁感应电流（Geomagnetically Induced Currents, GIC）。容易引起大型变压器半波饱和而缩短其使用寿命，极端情况下会使其烧毁而造成永久损坏。

同时，由于磁暴的发生是全球同步，因此GIC会使整个电网范围内数百台变压器同时发生半波饱和，造成一些保护装置产生跳闸等误动作，致使供电系统电压严重下降导致系统崩溃，从而引发大面积停电事故。

本词条内容贡献者为:

尹维龙 - 副教授 - 哈尔滨工业大学