超大太阳黑子回归，地磁暴和极光将再次上演？

出品：科普中国

作者：齐一凡（中国地质大学（武汉））

监制：中国科普博览

还记得前段时间霸榜热搜的绚丽极光吗？当时有很多人在我国的新疆、黑龙江、内蒙古、甘肃等地看到了美丽的极光，甚至在北京、山东等纬度更低的地方，也有网友晒出美丽的粉色极光。很多人追逐极光开车前往郊外，开启说走就走的旅行，享受到了“极地游”的极致浪漫体验。

与罕见的极光一起到来的还有地磁暴。5月11日，国家空间天气监测预警中心罕见地发布了最高等级的红色预警，让许多人战战兢兢地度过了两天。

5月11日凌晨在新疆阿勒泰拍到的极光

（图片来源：浦石）

其实，这次的极光和地磁暴有一个共同的缔造者——太阳表面超大黑子活动区AR3364。它连续抛射出多团等离子体“袭击”了地球磁场，引发了剧烈的地磁扰动，为我们带来梦幻的极光美景和史诗级的地磁暴。

5月29日，这个“极光制造者”AR3364带着新的编号AR3697又回来了，它为什么会回来？这次会不会再次带来地磁暴和极光？太阳黑子、地磁暴、极光之间又是什么关系呢？

地磁暴与极光——混乱与绚丽的一体两面

首先我们要明确一点，地磁暴和极光经常一起出现，但并不构成必然的因果关系，引发它们的源头都是太阳。

太阳光球上有时会呈现出比周围黑暗的斑点，这就是太阳黑子。太阳黑子聚集处存在强磁场和等离子体变化，黑子处往往激发太阳风暴。

太阳风暴形成后，巨大的等离子体团以每秒数十到几千公里的速度被抛射出太阳，太阳就像打了个大喷嚏一样，把“飞沫”抛了出去，这个太阳“打喷嚏”的过程就是日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection, CME）。日冕物质抛射一旦冲击地球，会产生剧烈的磁扰动，但我们的地球磁场在很大程度上可以抵挡它。与此同时，太阳还会发生耀斑（Flare），强烈的辐射照向地球，但大多会被我们的大气层吸收。对我们来说，太阳的这个“喷嚏”一旦对着地球飞来，地球可要不太平了。

日冕物质抛射影响磁场并产生极光的模拟动画（左下图是日珥驱动日冕物质抛射产生过程）

（图片来源：素材来自SOHO卫星官网，作者制作）

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太阳抛出的这团物质是数十亿吨、自带电磁场的等离子体团，它们以极快的速度冲向地球，平静的地球磁场难以招架如此猛烈的冲击，自然会混乱不堪。

地球上空的磁层电流会引发地球磁场产生“应激”反应：磁场的变化量会先突然转北，然后在几个小时内转南，而后要花几天甚至十几天的时间来恢复平静。这是整个地球磁场混乱的一个体现，这就是日冕物质抛射引发的地磁暴。

磁暴环电流指数Dst显示的典型地磁暴过程

（图片来源：数据来自日本京都大学地磁与空间磁学数据分析中心，作者制作）

虽然发生地磁暴时，地球电磁场十分混乱，但混乱也会伴随着美丽的现象。环绕南北极圈的空中电流接收到注入的高能粒子，产生剧烈的发光现象，这就是绚丽的极光。

可以说，正是因为日冕物质抛射的袭击让地球磁场乱了起来，才有可能产生极光这种奇观，而日冕物质抛射越准确地击中地球，就越可能引发地磁暴，也就越有可能引发范围更大、更壮观的极光，前段时间的极光和地磁暴就是太阳上一个拥有16个地球宽的黑子AR3664连续喷出的多团等离子体引发的。

造成5月11日极光和磁暴的日冕物质抛射事件发生在5月8日

（图片来源：NOAA-SWPC LASCO C3）

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太阳黑子AR3664——“王者”归来

如果你有机会每天都能看一眼太阳的样子（注意！不要在没有科学防护措施的情况下直视太阳！），就会发现，太阳表面的黑子在自西向东转。这是因为太阳和我们地球一样，都存在自转的现象，太阳赤道自转一周的时间大约是27个地球日。

一般的小黑子存活时间往往不长，我们可能见不到它们第二面，然而最近的“王者黑子”AR3664就不一样了，它面积超大，堪比历史最强；它续航超长，太阳自转一周后它仍然存活；它精力超旺，它持续爆发着超强的能量。

黑子AR3664跟随日面旋转

（图片来源：数据来自NASA，作者制作）

它还在太阳侧面的时候，就用几个大耀斑预示着它的“王者”归来。5月29日，它跟着太阳旋转一周后，带着新的编号AR3697重新进入了我们的视野。而就在一天后，AR3697还造成了美洲上空短波无线电中断了90分钟之久。“王者”归来，它是否再能给我们带来一场极光盛宴呢？

黑子AR3664（AR3697）回归时再次发生爆发

（图片来源：NASA/Solar Dynamics Observatory）

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期待极光再相遇，也要防范超强地磁暴

从5月28日爆发的这个大耀斑看，它还依然活力四射，如果在它跟着太阳旋转到地球正对面时能爆发一次，我们就很有可能在一两天后再次欣赏到美丽的极光。

然而，正如前文所说，美丽和混乱是共生的。如果爆发过于强烈，或许我们就无心欣赏极光了。以史为鉴，我们来看看历史上的超强地磁暴都造成过什么灾难。

1859年的超级黑子“卡林顿事件”（和AR3664大小相当），据观测，当时的太阳表面有肉眼可见的闪光，地磁仪的指针因超强的地磁强度而跳出了刻度范围，各地电报局电报机在不停地闪着火花，甚至电线也被熔化了。高纬度地区的人们都能看到天空中五颜六色的北极光，午夜时分不用点灯都能阅读报纸，大大小小的异常现象持续了长达8天。

AR3664与引起卡林顿事件的超大黑子对比

（图片来源：spaceweather）

1989年的超大磁暴（幅度是今年5月11日磁暴的1.5倍），当时的人们和我们一样兴高采烈地欣赏着罕见的极光。但在3月13日凌晨地磁暴达到最大的时候，磁暴激发的感应电流突破了加拿大魁北克省的电力系统，在不到一分钟的时间内击毁了多个变电站，整个魁北克省21500兆瓦的电力系统瞬间崩溃。而受影响相对小些的美国也有200多个变压器或继电器陆续出现大大小小的问题。

1989年因地磁暴烧毁的变压器

（图片来源：NOAA-SWPC）

除此之外，卫星和正在执行任务的发现号航天飞机也受到了不同程度的影响，同年6月乌拉尔地区的一条天然气管道发生爆炸，最终也被证实是由于这次超强地磁暴在金属管道中感应出了电流，这个电化学作用加速了管道的腐蚀，最终酿成悲剧。

航天飞机受到地磁暴影响的报道（发现号航天飞机遭遇突发情况恐将缩短飞行计划）

（图片来源：纽约时报1989年3月15日的报道）

其实类似的事件有很多，国际空间站、神舟五号都遇到过类似的险情，好在做出了恰当的应对措施提升轨道，避免了悲剧发生。

空间天气预报：把“天气预报”搬上太空

上文提到的这些案例距离我们年代久远，如今，我们已经有了更多应对超强磁暴的办法，而这其中很重要的一环，是空间天气预报。

对地磁、太阳等空间环境的监测已成为现代社会越来越重要的一环，就像天气预报对农业生产的重大意义。例如我们可以使用观测设备“盯着”太阳，利用光速比太阳风和日冕物质抛射速度快的原理，发现太阳“发脾气”后，立刻对相关部门预警，让电力、航天等部门做好防护措施，从而避免遭受损失。

子午工程二期“圆环阵太阳射电成像望远镜”

（图片来源：空间环境地基综合监测网官网）

我国的“羲和”“夸父”两颗专门对日观测的卫星已经业务化运行，“子午工程”的圆环阵太阳射电成像望远镜也建设完成，它们将协同所有空间天气观测设备一同担起监测预警的任务来保护我们的家园。

有了它们，我们可以放心期待新名字为AR3697的黑子在几天后可能会为我们带来的又一场极光盛宴，而不用担心它引起的超强磁暴带给我们的无法弥补的损失了。

感谢以下人员对本文提出修改意见：孙杨轶、邱世灿、梁宇、林恺、张祎楠。

参考文献：

[1] Parker E. N. Cosmical Magnetic Field-Their Origin and Their Activity [M]. Clarendon Press, 1979.

[2]徐文耀. 地球电磁现象物理学 [M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，2009.