基本介紹
- 中文名：地磁暴
- 外文名：Geomagnetic storm
- 簡稱：磁暴
- 分級指標：Kp指數和Dst指數等地磁指數劃分
- 發展過程：初相、主相和恢復相
- 監測：地磁監測儀器
- 預報：警報、短期預報和中期預報
- 警報級別：強、中等和弱地磁暴
發現,成因,發展過程,初相,主相,恢復相,地磁指數,K指數,Kp指數,Dst指數,危害及影響,對衛星的影響,對電網的影響,預報,警報,短期預報,中期預報,警報級別,研究進展,
發現
19世紀30年代，在德國科學家高斯和韋伯建立地磁台站之初，他們就發現地磁場經常有微小的起伏變化，但當時他們並沒有認識到這是由太陽引起的。之後，1859年9月1日，英國人卡林頓在觀察太陽黑子時，首先觀測到了太陽耀斑。第二天，地磁台站記錄到1600納特斯拉的強烈地磁擾動。這個偶然的發現和巧合，使他認識到地磁擾動居然與太陽爆發活動有關。
成因
高速電漿雲從太陽日冕拋射出來，相對背景太陽風速度更高，攜帶著日冕磁場衝擊地球磁層，使磁層壓縮變形。並且它通常攜帶南北方向轉動的磁場，當磁場轉為南向和地磁場相互作用時，太陽風會將巨大的能量傾泄到磁尾的大尺度空間中，使磁尾電漿片中大量的帶電粒子注入到環電流中，使環電流強度發生變化，而變化的電流會產生變化的磁場，從而引起全球範圍劇烈的地磁擾動——地磁暴。
CME與冕洞
CME與冕洞能夠產生高速太陽風並引發強的行星際磁場南向分量的源有兩類，一類是太陽日冕物質拋射（CME），另一類是太陽冕洞。
發展過程
地磁暴發生時，這種全球性的劇烈擾動會在整個磁層持續十幾個小時到幾十個小時的時間，所有地磁要素都發生劇烈變化。其中地磁水平分量H變化最大，其擾動幅度通常在幾十納特斯拉到幾百納特斯拉之間，最能代表磁暴過程特點（其變化在中低緯度地區表現得最為突出），所以，磁暴的大部分形態學和統計學特徵是依據中低緯度H分量的變化得到的。典型磁暴的發展過程也是按照H分量的變化來劃分的，通常可分為三個階段：初相、主相和恢復相。
磁暴發生前後磁層示意圖
磁暴發生前後磁層示意圖初相
磁暴開始之後，在全球各經度上，地磁水平分量在高於暴前值的水平上起伏變化，持續時間為幾十分鐘到幾個小時，這個階段叫做“初相”。
主相
初相結束後，H分量突然下降，半小時至數小時之內下降到極小值，稱為“主相”。主相是磁暴的主要特點，磁暴的大小就是用主相階段H分量下降最低點的幅度來衡量，一般磁暴H分量下降為幾十到幾百納特斯拉，個別大磁暴可超過1000納特斯拉。
恢復相
主相之後，H分量逐漸向暴前水平恢復，在此期間，磁場仍有擾動起伏，但總擾動強度逐漸減弱，一般需要2~3天才能完全恢復平靜狀態，這一階段叫做“恢復相”。
典型磁暴發展過程
典型磁暴發展過程地磁指數
概括來講，地磁指數就是以地磁監測數據為基礎，描述某一時間段內地磁擾動的總體強度或某類磁擾強度的分級指標。它是基於基礎理論和實際套用需要，根據一個台站或全球檯站的實際測量資料，用方便易行的分類和簡單明了的指標，對地磁活動性進行總體特徵檢閱和總體形態描述，從巨觀角度把握全球或區域的地磁場變化規律。
地磁活動指數按照物理意義，可以分為兩大類：第一類是描述地磁活動的總體水平，而不考慮地磁擾動具體類型的指數，其中套用較廣泛的有K指數、Kp指數、Ap指數；第二類是為了描述特定類型磁擾或特定區域磁擾而設計的指數，其中Dst指數套用較為廣泛。
K指數
稱為“三小時磁情指數”，是描述單個地磁台站3小時時段內地磁擾動強度的指數。取0到9共分10級，0表示地磁活動平靜，9表示地磁擾動幅度最大。
Kp指數
由全球地磁台網中13個地磁台站的K指數計算得到的，用於表示全球地磁活動性，每3小時一個值，取值範圍從0到9，共分28級：00，0+，1-，10，1+,…,9-，90。其值逐漸增大表示地磁擾動逐漸增強。在日常的套用中，一般把Kp=5、6稱為中小地磁暴，Kp=7、8、9稱為大地磁暴。
磁暴發生前後Kp指數變化圖
磁暴發生前後Kp指數變化圖Kp指數與磁擾幅度不是線性關係，而是近似於對數關係。為了表示磁擾變化幅度，又在Kp指數的基礎上定義了全球性的“三小時等效幅度”ap指數，單位為2納特斯拉。一天8個ap指數的平均值可以作為全天地磁活動水平的量度，即為Ap指數，Ap指數的範圍由0到400，其值越大，表示地磁擾動幅度越大。
Dst指數
（磁暴環電流指數）
在地球赤道附近，按大致均勻的經度間隔選取四個地磁台站，這四個台站每小時地磁水平強度變化的平均值即為Dst指數。它的單位是納特斯拉，其範圍可由正幾十納特斯拉到負幾千納特斯拉不止，並且其值逐漸減小表示磁擾幅度逐漸增大。
危害及影響
地磁暴期間，高能粒子沉降和焦耳加熱等過程使低層大氣受熱膨脹，引起高層大氣密度增加；高層大氣密度、成分和風場的變化，會引起電離層暴；磁層劇烈擾動時，磁尾中的熱電漿被加速向地球方向運動，形成熱電漿注入；帶電粒子沿磁力線沉降，轟擊高層大氣，形成絢爛多彩的極光；磁層擾動期間，磁層中的電子可能被加速至很高的能量，引起全球範圍的高能電子增強現象——高能電子暴。
地磁暴的連鎖反應
地磁暴的連鎖反應對衛星的影響
直接影響：
當地磁場擾動時，磁場方向和大小的改變會影響它們之間的力矩，致使衛星的姿態發生變化。衛星的姿態發生變化後，通信衛星將無法正常通信，甚至有時可能會中斷通信；氣象衛星、軍事衛星也無法監測地球。
間接影響：
當強磁暴發生時，磁層頂部由於受到高速太陽風的劇烈擠壓而被壓縮到地球同步軌道之內，發生同步軌道磁層頂穿越事件。此時不僅會因所處的磁場環境發生變化而影響姿態，還會因為失去了磁場的保護而直接受到太陽風的衝擊。
當地磁暴發生時，焦耳加熱和極光粒子沉降加熱引起全球高層大氣增溫，密度和成分發生變化。當大氣密度陡增，大氣阻力會突然加大，加速了太空飛行器衰減的速度，從而導致其偏離預計航道，甚至提前掉入低層大氣而隕落。
對電網的影響
強磁暴時，地磁場會發生劇烈擾動變化，變化的地磁場會在土壤電阻率高的地區產生每公里幾伏特到十幾伏特，持續時間從幾分鐘到幾小時的地面電勢（Earth Surface Potential，ESP）。而在高壓、超高壓輸電系統中，由於電網變壓器中性點直接接地，所以ESP會在東西走向、長距離輸電線路與大地構成的迴路中產生地磁感應電流（Geomagnetically Induced Currents, GIC）。容易引起大型變壓器半波飽和而縮短其使用壽命，極端情況下會使其燒毀而造成永久損壞。
GIC產生原理圖
GIC產生原理圖同時，由於磁暴的發生是全球同步，因此GIC會使整個電網範圍內數百台變壓器同時發生半波飽和，造成一些保護裝置產生跳閘等誤動作，致使供電系統電壓嚴重下降導致系統崩潰，從而引發大面積停電事故。
預報
根據預報時間提前量，地磁暴預報又分為警報、短期預報和中期預報。
警報
警報是指對未來幾個小時內可能發生的地磁暴等級進行預報，主要包括Kp指數和Dst指數；主要通過在L1點上的太陽風監測來進行的。
短期預報
短期預報的提前量為1天~3天，主要預報未來3天內Ap指數的日值。預報更多是基於預報員的經驗。對於CME引起的地磁暴，可以利用衛星對CME的立體觀測結果進行預報；對於CIR引起的地磁暴，主要參考其之前曾引起的行星際太陽風和地磁場變化情況來進行。
中期預報
中期預報的時間提前量一般為幾天到幾個月，主要預報未來一個月內Ap指數日值，依賴於對CME和CIR發生可能性的預報。
警報級別
對於地磁暴警報級別的劃定，通常以Kp指數表征。地磁Kp=9為強地磁暴，發紅色警報；地磁Kp>7為中等地磁暴，發橙色警報；地磁Kp>5為弱地磁暴，發黃色警報。在一個太陽活動周中，弱地磁暴發生次數約2000次，中等地磁暴約300次，而強地磁暴僅為幾次。
警報級別 | 指標範圍 | 可能的影響和危害 |
紅色警報 | 地磁指數Kp=9 | 衛星：可能發生嚴重的表面充電；難以定向和跟蹤； 通信：許多區域短波通信中斷1天~2天，低頻導航系統可能失靈幾小時； 電力：電網系統發生電壓控制問題，保護系統也會出現問題，變壓器可能受到危害 |
橙色警報 | 9 >Kp≥7 | 衛星：可能發生表面充電，跟蹤出現問題，需要對衛星的定向進行矯正； 通信：衛星導航、低頻無線電導航和短波無線電傳播可能會斷斷續續出現問題； 電力：電網系統出現比較普遍的電壓控制問題，某些保護系統也會出現問題 |
黃色警報 | 7 >Kp≥5 | 衛星：衛星操作可能有小的影響，或需要有地面發出指令對衛星的定向進行矯正，大氣阻力增加影響軌道預報； 電力：電力系統可能出現電壓不穩 |
研究進展
2016年，日本名古屋大學的名古屋大學宇宙地球環境研究所鹽田大幸特別助教和日本國立極地研究所片岡龍峰教授帶領的研究團隊，開發出可再現太陽爆發活動時釋放的高速電漿雲和強磁場衝擊地球磁層全過程的數據模擬系統，較之以往的系統精確度更高。本項研究成果有望提高對磁暴形成過程及規模的預測精度。
