太陽進入活躍期引發地磁場等環境突變 地磁暴會對人類產生什么影響

美國太空探索技術公司(SpaceX)官方網站近日發布消息稱，由于遭遇地磁暴，該公司 2 月 3 日發射的 49 顆星鏈衛星中，有多達 40 顆衛星于次日已經或將要墜入大氣層損毀。這讓“地磁暴”這一略顯神秘的概念重新進入公眾視野。

什么是地磁暴?為什么這批星鏈衛星未能抵抗得住?這么龐大且花費巨大的工程，為什么沒有預先考慮到地磁暴現象的影響?《科技周刊》記者采訪了江蘇省天文學會科技傳播專家、南京大學天文與空間科學學院副教授、“羲和號”衛星科學與應用系統總設計師李川。

太陽進入活躍期，

引發地磁場等環境突變

地球表面不僅被大氣層包圍，同時還存在一把看不見、摸不著的天然保護傘——地球磁場。“地磁場是指產生于地球的內部，并延伸到地外空間的磁場。”李川解釋，地磁場是地核內液態鐵通過“磁流體發電機”形成的，它不光分布于地表附近，還分布在地球周圍的空間之中，而地磁暴就是地球附近空間磁場的強烈擾動。

事實上，地磁暴現象是一個相對常見的自然現象，這一切都源自太陽活動所產生的太陽風的擾動，比如日冕物質拋射。“日冕物質拋射到達地球，帶來地球磁場的擾動，如果擾動足夠強烈，就會產生地磁暴。”李川說，太陽活動峰年期間，地磁暴發生次數更多，級別也更高。

當太陽表面活動旺盛，特別是在太陽黑子極大期時，太陽耀斑爆發次數也會增加，耀斑爆發時會輻射出強烈的X射線、紫外線，引起電離層的擾動，同時會產生大規模的日冕物質拋射，引起地球磁場的強度和方向發生急劇不規則變化，這就是地磁暴。

19世紀30年代，在德國科學家高斯和韋伯建立地磁臺站之初，他們就發現地磁場經常有微小的起伏變化，但當時他們并沒有認識到這是由太陽引起的。之后，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，地磁臺站記錄到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。

“這次星鏈衛星損毀事件期間遇到的地磁暴，屬于級別較低的地磁暴。”李川告訴記者。通常使用Dst指數(磁暴環電流指數)來表征地磁擾動的強弱。原來在地球赤道附近，按大致均勻的經度間隔選取幾個地磁臺站，“這幾個臺站每小時地磁水平強度變化的平均值即為Dst指數。”李川介紹，它的單位是納特斯拉，其范圍可由正幾十納特斯拉到負幾千納特斯拉不等，并且其值逐漸減小表示磁擾幅度逐漸增大。

低級別地磁暴對于普通在軌衛星影響不大，基本可控。“這次星鏈衛星事件，是由1月30日前后發生的中等規模的日冕拋射物質事件引起。”太陽風攜帶的等離子體團，2月3日到達地球附近后，與地球磁場相互作用，從而產生地磁暴。

帶來極光絢爛多彩，

也對航天器構成威脅

對地磁暴這個概念，一般人可能比較陌生，但是地磁暴有一個非常著名的副產品——極光。這是在地面唯一可以用肉眼看到的由地磁暴引發的外在空間現象。

李川說，當太陽風中包含南向磁場的等離子體物質到達地球，與地球磁場相互作用，在磁尾處產生能量釋放，加速帶電粒子，這些粒子到達兩極區域，與大氣層里的原子、分子發生碰撞，產生電離，就會形成極光現象。極光雖然好看，但越絢爛的極光意味著地磁暴越強烈，對航天器的威脅也就越大。

據介紹，地磁暴能加熱地球高層大氣，從而引起大氣的膨脹。被加熱的空氣上升，使得近地軌道大氣密度顯著增加。在地磁暴期間，空間中電子和離子的數量和能量也會顯著增加，這會引起航天器表面充電甚至內部充電效應，從而危害航天器安全。“對于低軌衛星來說，地磁暴的主要影響應該還是大氣阻力增加導致的軌道衰減問題。”李川表示，大氣密度的增加，將導致航天器受到的大氣阻力增加，航天器速度減小，航天器軌道衰減加速，極端情況可能導致航天器隕落。

值得強調的是，地磁暴期間，保護地球的磁場結構會發生改變，很多處在更高軌道的衛星，比如同步衛星，就會暴露于不同磁場和等離子環境，從而受到高能粒子的直接攻擊，甚至導致一些衛星器件失效。

強大的太陽爆發事件可能導致強烈的地磁暴，并影響軌道上的衛星或地面上的基礎設施，比如在20世紀就有兩個著名例子。1979年，美國的“天空實驗室”(Skylab)在軌期間處于太陽活動峰年，由于多次地磁暴的累積效應，地球大氣層的膨脹使得“天空實驗室”受到的大氣阻力劇增，軌道加快衰減，“天空實驗室”比預期更快墜入大氣層燒毀。

1989年，一場地磁暴使得加拿大魁北克省的電網過載，導致該地區出現大范圍的斷電事故，持續了9-12個小時。另據報道，幾乎同一時期，美國空間目標跟蹤系統上千個目標需要重新定位，新發射飛行物的跟蹤辨認困難。

事實上，我們正在經歷一個新的、大約11年的太陽活動周期。美國國家海洋和大氣管理局與美國國家航空航天局的科學家表示，第25個太陽周期在2019年12月拉開序幕，太陽活動慢慢加劇，預計2025年7月達到峰值，然后回落，到2030年左右結束。

因此，有科學家發出警告，未來幾年隨著太陽逐漸進入一個活躍高峰期，地磁暴發生的頻率會大大增加，屆時將會有更多的在軌衛星受到地磁暴的影響，必須引起各國的重視。

預測地磁暴，

未來還有很長路要走

對于地磁暴現象，有沒有一些預報或者預警呢?“這就是所謂的空間天氣預報。其實，空間天氣預報首先要做的是對太陽活動進行預報。”李川說，一般情況下，太陽風暴發生時，就要預測一下太陽風暴所產生的電磁輻射、高能帶電粒子流和等離子體云等物質到達地球的時間。這三種物質和能量形式會同時出現，先后到達地球空間，引發空間環境的擾動，影響到衛星的運行狀況。“分析判斷會不會影響地球磁場，以此來進行預警和預報，這樣就可以規避發射的一些窗口。但如何提高預測的準確性，未來還有很長一段路要走。”

不過，此次SpaceX公司的星鏈脫軌衛星從約210公里往下墜毀，重新進入大氣層后會燃燒殆盡，不會產生太空碎片，也不會有衛星零部件撞擊地球表面。此外，這個軌道很少有其他衛星駐留，因而相碰撞的幾率也比較低。

實際上，地磁暴對我們日常生活的影響并不大。地磁暴對人體并沒有影響，只會對電網、衛星、航天器等造成威脅。“我們地磁場平時是比較穩定的，它在地球周圍相當于一層保護膜，幫我們擋掉了很多宇宙射線的危害。”很多航天器也都依賴地磁場進行控制。

磁場孕育了地球上的生命。與陽光、空氣、水一樣，磁是人類生存不可或缺的生命環境要素。地球磁場延伸到地球之外，形成了一道天然的保護屏障，不僅能抵御太陽風的沖擊，還阻擋了宇宙輻射的侵襲。對地球表面的各種生命活動而言，地球磁場就像一把“保護傘”，環罩在地球外面，使地面環境適合人類和其他生物生存。

在長期的演化過程中，動物具有了感磁能力以適應地磁場環境。地球上的很多動物都在地磁場的指引下，進行周而復始的季節性長距離遷徙。“飛行中的鴿子能準確找到自己歸巢的路;帝王蝶靠歷經5代的不斷努力，從加拿大遷移至墨西哥;懷孕的海龜毫不費力找到幾十年前出生的海灘來產卵，這全都歸功于動物們對地磁場的感應。”李川舉例，而地磁場的擾動或多或少都會干涉到動物的遷徙過程。為此，我國的空間天氣預報部門還專門開發了信鴿指數，實際上就是通過預報太陽爆發及其對地磁場的影響，來告訴人們某一天是否適合放飛信鴿。(張宣 王甜)