周立旻

民进华东师范大学委员会主委

华东师范大学地理科学学院教授

中小学地理国家教材建设重点研究基地

副主任

12月1日晚，我国漠河、内蒙古多地甚至连北京都能看到绚丽的极光。不少天文爱好者无比兴奋，在社交媒体上也晒出了照片。包括北京看到极光的词条还冲上了热搜。有些网友晒照，这个极光像西瓜的颜色，红绿色都有交错，有些网友晒出绿色极光不太一样。极光这么美好和梦幻的美景，群众有非常好的期许。出现极光与地球的地磁暴活动密切关联。那么，地磁暴到底是个“什么来头”， 北方多地为何出现红绿色极光？地磁暴对人体有影响吗？这些问题也成为广大群众关注的热点。

极光是如何形成的？

什么是极光。极光简单来讲是地球空间环境中的高能粒子（等离子体）在沿着地球磁力线在大气中沉降过程中，与中高层大气分子碰撞并激发出的光芒。

为什么极光与磁暴总联系在一起。太阳在发射出可见光/紫外线等光子的同时，也在向外发射高能粒子流（主要是质子和电子），我们称为“太阳风”。太阳风的平均速度为400千米/秒。由于太阳风是高能带电粒子流，因此它也将行星际磁场固结在其中。在太阳风的作用下地球磁场发生了变形，在向阳侧（昼半球侧）地磁长被压缩，在背阳侧（夜半球侧）地球磁场被拉长形成长长的磁尾。由于地球磁场的存在，保护了地球中低纬度大气免受太阳风高能粒子流直接的沉降轰击。太阳高能粒子流仅能在地磁极区顺着磁力线在大气中沉降，特别是行星际磁场处于南向期，其与地球磁场产生重连，粒子进入磁层大气量显著增加。在来自太阳冕洞的高速太阳风和太阳活动高峰期的日冕抛射物（简称“CME”），顺着南向行星际磁场袭击地球时，大量的高能粒子进入地球的磁尾中，能量累积并爆发发生“地磁亚暴”，“地磁亚暴”后大量粒子顺着磁尾磁力线进入磁纬65-75度区域的地球中高层大气，并与中高层大气碰撞产生极光。在300km以上高度，高能粒子与氧原子碰撞，激发出红光；在100-200km，氮原子被激发产生蓝光，氧原子被次级电子激发产生绿光；在100km以下，氮分子被激发产生紫红色的光。正是这一过程，导致在中等到大地磁暴期间能看到美丽的极光。

因此地磁暴与极光有着密切的联系。目前常用地磁观测结果Kp指数来评价地磁暴。Kp指数是介于0-9之间。当Kp指数达到7时出现大地磁暴，我国漠河地区，甚至北京可以观测到极光，12月1日的地磁暴的Kp指数为7。

为什么我国不太容易看到极光，而且看到的极光都是红色极光？地球地理极点（地球自转轴与地面交点）与地磁极点并不重合，而且地磁南北极与地理南北极目前时反相配置的，比如磁北极点在北半球地理纬度的79ºN，101ºW左右的区域，也就是在西半球的地理北极区域。这样就造成我们国家均位于地磁纬度的中低纬度区域，比如我国最北的黑龙江漠河，它的地理纬度是北纬53.5°，而对应的地磁纬度却是磁北纬42.70°N，上海的地理纬度是北纬31.5°左右，而对应的地磁纬度为北磁纬20°左右。因此我国大部分地区看不到极光。仅仅在大地磁暴期间，当极光圈扩大，极光增强的情况下，在漠河甚至是北京能远远看到极光圈高层的红色极光。而对应的西半球区域比如美国，华盛顿特区的地理纬度为38.5°左右，而它的地磁纬度却达到了磁北纬的47.7°，比漠河的磁纬高5°，这也造成西半球中纬度地区（地理纬度）更容易观赏到极光。

历史上的极端磁暴与极光现象？目前已知科学记录的最大地磁暴与极光事件是1859年的“卡林顿事件”。当年处于太阳第10活动周期的高太阳活动期，9月1日太阳表面剧烈的活动抛射出的能量粒子流（CME）向地球袭来，估计速度达到了3000km/s，造成地球连续8天的强磁暴，产生的极光在赤道地区被肉眼观察到。在1626年我国明朝的各类典籍中，出现了北京天空夜晚连续9天出现红光的记录，可以推测当时出现了超强的地磁暴事件，导致了红色极光在北京地区可以被观察到，估计强度超过了“卡林顿”事件。更为久远的超强磁暴事件，我们采用对地质记录中的宇宙成因核素（14C、10Be）测量的方法来追踪，通过对树轮14C的测试分析，专家们已发现在公元774年（774A.D.），出现了14C异常下降的现象，可以判断，当时发生了超强太阳风暴导致的大磁暴事件。

地磁暴是否具有周期性？地磁暴由于和太阳活动具有密切的联系，太阳活动存在典型的11年、22年到百年尺度的周期性变化，以太阳11年周期为例，在太阳活动的高峰期，太阳黑子、耀斑和太阳日冕抛射物（CME）显著增多，与此同时地球的磁暴活动也显著增加。目前我们进入了第25太阳活动周期，2024年2、3月预计将进入本周期的高峰期，因此近期的磁暴活动也显著增加。2023年4月23日出现了Kp指数8的特大地磁暴，我国漠河等地也观测到了极光。

地磁暴对我们生产生活的影响如何？地磁暴我们是否要在家躲避？地磁暴了人体会不会出现不适的症状？应该说地磁活动对人类的影响的场景，随着人类文明的演进，在不断的增多，总体由于地球磁场的保护，地磁暴和空间高能粒子对地面人体的直接影响目前仍缺乏有力的证据。人类进入以电力支撑的时代后，电与磁的耦合关系，导致地磁暴与人类生活产生了密切的联系。由于地磁暴期间地磁的波动，导致地面产生感应电流，在地面导电不佳的情况下，就会对地表的电气设备，比如输电线路、电报设备等产生影响。1859年“卡林顿”事件时，导致欧洲部分地区的电报设备融化；1989年超大地磁暴期间，加拿大输电网络出现大规模的故障。由于地磁暴期间的地磁波动，对航天器等产生一定的影响，当然目前航天器在软硬件上均做了很好的防护与调整。地磁暴等空间天气事件对低层大气的影响目前已成为日-地天气气候关联的研究新领域，认为可能空间粒子可能通过影响电离层与地面间的大气电传输，对大气产生显著影响，从天气尺度上证据已较为充分，但对中长期气候变化的影响仍然存在较大的争议。