磁層暴

磁暴指地球磁場各要素髮生的強烈擾動。它能在瞬間波及全球，持續達幾小時至幾天。它是由太陽活動所引起的，當太陽噴射大量帶電微粒進入地球大氣層時，引起電離層擾動，同時引起地磁場的強度和方向發生急劇而不規則的變化。磁暴發生時，兩極地區擾動強度最大，常伴有極光出現。由於磁暴所引起的電離層擾動，使正常通訊所用的無線電波不能折回地面；情況嚴重時，短波無線電通訊甚至完全中斷，羅盤磁針的指向也受到影響。

基本介紹

• 中文名：磁層暴
• 外文名：magnetospheric storm
• 別名：磁暴、地磁暴
• 發展階段：初相、主相和恢復相
• 起因：太陽活動
• 領域：天文學

定義

磁層暴又稱磁暴，是整個地球磁層持續十幾小時至幾十小時的強烈擾動現象，表現為當太陽風高速流形成的激波掃過地球時，磁層被壓縮，磁層內對流電場增強，環電流粒子增多，電漿層收縮，地磁場發生強烈擾動，它是地磁場的一種全球幾乎同時發生的強烈擾動現象。

磁層暴發生前後對比

磁層暴的總效果是地面地磁場減小。它是一種與人類各種活動密切相關的常見現象。磁層暴與太陽活動緊密相關，在太陽活動增強時可以一個月發生多次磁層暴，部分磁層暴有27天的重現性。在大磁暴發生時，連帶的多種環境擾動會造成地面供電系統的故障，太空飛行器的異常等。因此它不僅是空間物理學主要的研究現象，也是空間環境科學、空間環境預報所非常關注的研究內容。

研究歷史

19世紀30年代，高斯和韋伯建立地磁台站之初，就發現了地磁場經常有微小的起伏變化。1847年，地磁台開始有連續的照相記錄。1859年9月1日，英國人卡林頓在觀察太陽黑子時，用肉眼首先發現了太陽耀斑。第二天，地磁台記錄到700納特的強磁暴。這個偶然的發現和巧合，使人們認識到磁暴與太陽耀斑有關。還發現磁暴時極光十分活躍。19世紀後半期磁暴研究主要是積累觀測資料。

20世紀初，挪威的伯克蘭從第一次國際極年的極區觀測資料分析出引起極光帶磁場擾動的電流主要是在地球上空，而不在地球內部。為解釋這個外空電流的起源，以及它和極光、太陽耀斑的關係，伯克蘭和史篤默相繼提出了太陽微粒流假說。到30年代，磁暴研究成果集中體現在查普曼·費拉羅磁暴理論中。他們提出地磁場被太陽粒子流壓縮的假說，被後來觀測所證實。50年代之後，實地空間探測不但驗證了磁暴起源於太陽粒子流的假說，並且發現了磁層，認識了磁暴期間磁層各部分的變化。對磁層環電流粒子的存在及其行為的探測，把磁暴概念擴展成了磁層暴。磁暴和磁層暴是同一現象的不同名稱，強調了不同側面。

發展階段

磁暴通常可分為三個發展階段：初相、主相和恢復相。

磁暴開始時在全球各經度上，地磁場水平(H)分量增加，在一至幾小時內大體保持不變，叫做初相。初相結束後，H分量突然下降，半小時至數小時內下降到極小值，這一過程稱為主相。此後，H分量開始回升，兩三天至一星期內恢復至暴前水平，稱為恢復相。有些磁暴在初相開始時H分量突然劇增，這種磁暴稱為急始型磁暴。沒有急始的磁暴稱為緩始型磁暴。

太陽日冕物質拋射事件向太陽外噴發高速流。該高速流在行星際空間結構稱為磁雲，磁雲前方有行星際激波。激波衝擊磁層頂時在磁層內產生強脈衝，磁暴急始便是由這個強脈衝引起的。

日冕物質拋射

太陽風高速流壓縮磁層，有時可將磁層頂壓迫到地球同步高度以內，造成磁場H分量明顯增加，產生磁暴初相。

磁雲記憶體在南向磁場結構。當地球軌道附近太陽風磁場為南向且維持一段長時間後，太陽風向磁層輸入的能量顯著增加，磁尾電漿片中大量離子受到加熱並注入環電流區，使環電流幅值大增，其磁效應就是H分量的急劇下降，產生磁暴主相。在此期間，極光活動增強，極光帶擴展並向低緯方向移動，有時甚至在中低緯都能看到極光。

當行星際磁場恢復北向後，由於粒子問的電荷交換和磁層波動對粒子的散射，環電流粒子數減少，強度減弱，地磁場逐漸恢復到暴前水平，這就是恢復相。

危害

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，地磁暴的連鎖反應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。

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。

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。