转自：科普中国
极光，在一般人印象里似乎都是到南北极附近才能看到，但就在12月1日晚上，我国多地都传来了观测到极光的消息。
不仅纬度较高的东北多地，甚至在河北的承德、张家口的山区天文台、北京北部山区都瞥见了极光的疾驰旋舞，“北京极光”话题也一度攀登上热搜。
12月1日网友拍摄到的北京极光。图片来源于微博
大部分地区所见的极光都呈现绚烂的红色，但在偏北的漠河等地还能看到绿色极光的明灭。图片来源：漠河市委宣传部
尽管本轮极光活动已经结束，我们仍然可以借着这一罕见现象，来聊聊极光与地磁暴～
呼唤洪荒的太阳风：
极光与地磁暴的产生
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极光是什么
极光是一类发光的空间天气现象。大量来自太阳的高能带电粒子流（也称作太阳风）在进入地球磁场后，多数被磁力线集中偏转到磁极周边并下落，当它们与高层大气（100 千米或以上）的粒子碰撞后，大气粒子获得能量而被激发或被电，当这些粒子回复到初始基态或复合为中性粒子时，部分释放的能量会以可见光形式发出。
由于当前磁极也均位于地理上的南北两极附近，因而这类发光现象集中在高纬度地区（尤其是环绕磁极的“磁纬度”较高地区，这里也被称作极光带），极光也因此得名。
太阳高能粒子流（太阳风）对地球周边区域/地磁场相互作用的示意图
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为什么极光会有不同的颜色？
极光的缤纷颜色与不同的大气粒子和发光过程有关，也处在不同的高度。
如最常见的绿色极光，是氧原子被激发到激发态后，较短时间（1秒内到数秒）回复到基态时发出的光，通常在 100～200 千米高；而红色极光同样是激发态氧原子回复后的发光，但这一过程需要较长时间（数十秒到百余秒），期间一旦与其它粒子碰撞将损失这部分能量而无法发光，因而红色极光最主要在粒子密度更低、高度更高的层面相对常见（约 200～350 千米）。
通常而言，由于高空能发光粒子较为稀薄，红色极光的强度相较绿色极光偏弱，但由于极光带在我国以北数百千米甚至更远，我国北方能看到的极光高度角都较低，加之地球表面的弧度、地形等遮挡，因而对于我国北方等中纬度地区，反而高度较高、强度相对较弱的红色极光更容易被看到。
此外，蓝色为氮原子激发/电离后发出的光，但氮原子更难被激发电离，它出现的频率也不如红/绿色极光高。
极光高度和颜色的关系，以及我国在内的中纬度地区可视范围示意图。图片来源：中国国家地理
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地磁暴是什么
而这来自太阳的高能带电粒子流主要起源自太阳大气最外层——日冕层。日冕层温度极高的同时物质极其稀薄，此时物质以带电的等离子体形式存在。通常情况下，这些带电粒子被封闭的太阳磁场所束缚，难以成规模地逃离，但有两类情况下，它们会顺利喷薄而出：
一是日冕存在较稳定（持续数日）的特定结构，如冕洞这类温度较低、磁场线较为开放的结构，带电粒子流会在这里成功逃脱太阳磁场束缚，形成冕洞高速流；
而比其更为剧烈的，则是强烈太阳活动（包括但不限于耀斑爆发）引发的异常磁场扰动，导致磁力线出现局部开放，此时这些“磁场缺口”处更容易出现带电粒子流的快速喷薄而出，并形成日冕物质抛射（CME）事件——后者往往会引发更显著地磁暴。
当前太阳的远紫外线波段影像图。图中右下部分的暗色区域正是温度较低、磁力线较为开放的冕洞，它对高能带电粒子流的产生和最近的地磁暴与极光活动有一定贡献。图片来源：美国航天局（NASA）下属太阳动力学天文台（SDO）
当CME对应的高能粒子流进入地球磁场范围后，会使地磁场压缩变形，并将大量带电粒子注入磁层区域，引发磁层环电流急剧变化；而由于变化的电流会产生变化的磁场，这一部分带电粒子流会给地磁场额外附加一部分感应磁场，这额外附加的部分就被称作地磁扰动，其中较强者会称作地磁暴。
所以地磁暴和极光是这些太阳高能粒子流影响的两面，可以通过监测地磁暴事件的强度预报极光的强度。通常而言，越正对地球、速度越快的 CME，会产生越强烈的地磁暴；而 CME 也具有不同形态，通常以 CME 两端夹角衡量，完全成环（360°）者被称作晕状 CME —这类通常是正对地球、速度极快的 CME 事件，往往会引发强地磁暴事件。这次极光与大地磁暴事件的源头，正是北京时间 11 月 29 日凌晨，由一次太阳耀斑爆发引发、面向地球的晕状 CME 事件。虽然这次 CME 事件对应的太阳耀斑事件不强（仅为 M9.9 级），但由于特殊的晕状结构，也在 12 月 1 日抵达地球时造成了大磁暴事件。
北京时间11月29日清晨的晕状CME事件记录
美国空间天气预测中心（SWPC）的CME模型图，上半部分为高能等离子体密度，下半部分为粒子流径向速度。左侧图中，黄道极坐标平面中心黄点为太阳，右侧绿点为地球，其余二者为探测卫星。图片来源：SWPC
电·磁·光的交织：
地磁暴对生活的影响
地磁暴除了直接反映地磁场的剧烈扰动，也代表着高能粒子流冲击地球高层大气。
在本次这类大地磁暴活动时，磁极附近的高纬度区域地面会因为磁场的快速变化进一步激发感应电流，并对当地电网等产生一定干扰，此外高纬度区域地磁导航、卫星导航和低频无线电波导航等方式等也会受到明显干扰。
由于高能带电粒子流增强，部分带电粒子会深入极地平流层而让这一层面电离辐射增强，对经过极地区域的航班飞行也稍有影响。而根据研究数据汇总而看，单次极地航班飞行时遭遇的剂量为 2.5～4μSv/h（上限在太阳活动高峰时达到），虽然这是天然本底辐射（约 0.2μSv/h）的 12～20 倍，但如果只是作为普通乘客的每年数次飞行，即使时间较长、在太阳活动高峰期间飞行，也远低于安全电离辐射剂量阈值（建议普通公众为每年 1000μSv，而职业工作者为每年 20000μSv），不会造成明显影响，但对于常年工作在极地航线的机组乘务人员，部分研究认为总辐射剂量可能接近安全阈值，也需要更多研究确认。
在大气层之外，高能粒子流和地磁扰动同样对空间站、卫星的电气元件工作、飞行姿态等产生影响，在轨航天员需要注意。甚至对于部分低轨道航天器而言，由于运行区域大气密度稍大，地磁暴期间可能出现大气密度进一步升高而阻力增大，影响航天器轨道变动甚至提前坠落，这些都是需要防范。
而以本次大地磁暴级别的事件，对于包括我国在内的中纬度地区日常生活，如电子器件、通讯、飞行航班等，都不会造成任何明显影响。周日曾传出当日上午东航 MU721 航班飞行故障，事后也证实为发动机叶片自身故障，而非早已在周六结束的地磁暴事件所致。事实上，今年至今已发生了 7 次（部分资料为 8 次）大地磁暴事件，甚至 3 月 24 日、4 月 24 日两次达到了更强一级的特大地磁暴，但也未对绝大多数地区日常生活造成影响。
今年以来Kp指数的逐日演变，红色为大地磁暴或更强级别。图片来源：德国地球科学研究中心
对于更多普通人而言，较强地磁暴的最直观体验，则是在高纬度区域（准确而言，是磁极周边的磁纬度较高区域）更可能看到绚烂极光，且随着高能粒子流向赤道方向扩张，不少中纬度地区，包括我国北部也能看到极光。只是前文已经提及，我国北方的极光视角较低且较为暗淡，必须在足够空旷、能避开城镇灯等光污染区域，如果纬度不够高，在城镇里是很难见到。
为什么今年在漠河以南地区
频繁见到极光
不过如果注意到磁极与磁纬度分布图会发现，当前多数模型图里磁极是偏向北美一侧，我国相比世界同地理纬度地区磁纬度偏低，理应更难看到极光（过去数十年的强极光事件的确如此）；但为何今年在漠河在内的东北地区北部、新疆北部（甚至更靠南的地区）等地已频繁见到极光？
当前通用的地磁纬度模型
这个现象的确值得关注。由于该现象是最近数年才出现，而目前尚未有系统性研究；这里仅结合部分文献研究（Chulliat et al.2010; Livermore et al. 2020;）给出一个不严谨的猜想：这可能和西伯利亚一带局地磁场的增强有关。
地磁场是相当复杂的系统，其中最大的分量，是高中物理曾介绍过的偶极磁场（约占总体地磁场强度的 90%），它如条形磁铁般呈现半球对称分布，磁极分别位于地理两极附近且关于地心对称。
但除此之外，各地还有一些局地的磁场，部分假说认为是由地球外核-下地幔之间的环流驱动，类似于大气层里的局地环流圈。
于是，主要的磁极也有两种：一种是“总地磁极”（Magnetic Pole），它是经过实测确定的、地磁场线方向垂直于地表且磁场强度水平分量为 0 的两个点，可以代表总体磁场的特征。而另一种，则是前文提及、最主要的偶极磁场磁极（Geomagnetic Pole），它是实际地磁场经过展开分解得到，它的磁极就关于地心对称。
在 2020 年发布的世界地磁图上，亚洲一侧已出现总磁场强度显著增强的趋势。结合总地磁极正在快速向西伯利亚方向移动，而偶极磁场磁极相对稳定，依然在加拿大北极群岛一带，表明这可能正是一个由西伯利亚深处核幔边界对流所引起的非偶极子分量发生变化、并导致西伯利亚和东北亚更容易看到极光的原因—当然，这些仅为很初步、不严谨的猜想，需要后续专业研究的确认。
全球地磁场强度在2015-2020年间的年变化分布（单位：nT/a），正值（红线）为增强，负值（蓝线）为减弱。图片来源：世界地磁地图（2020版）
北极附近的总磁极（绿线）和偶极磁场磁极（红线）在1900年以来的移动（2025年的位置为预测结果）。图片来源：京都大学
而在当前，太阳活动第 25 周期仍在增强，预计在 2024 年到 2025 年初迈向活动峰值。或许我们也将在未来一两年里，在中国的北境看到更多绚烂的极光旋舞明灭。
2012年以来，每月太阳黑子数的变化（折线）、早前预测的均值（红线）与1倍标准差的误差范围（灰色阴影，但现在看来预测比实际情况明显偏低了……）图片来源：SWPC
参考文献
[1]顾江阳,董晓梅,孟祥兰等.飞行人员宇宙辐射估算与实验测量的比较研究.航天医学与医学工程,2016,29(05):318-321.DOI:10.16289/j.cnki.1002-0837.2016.05.002.
[2]Chulliat, A., Hulot, G. & Newitt, L. R. Magnetic flux expulsion from the core as a possible cause of the unusually large acceleration of the north magnetic pole during the 1990s. J. Geophys. Res. 115, B07101 (2010).
[3]Chulliat, A., Macmillan, S., Alken, P., et al. (2015). The US/UK World Magnetic Model for 2015-2020. http://dx.doi.org/10.7289/V5TB14V7
[4]Livermore, P.W., Finlay, C.C. & Bayliff, M. Recent north magnetic pole acceleration towards Siberia caused by flux lobe elongation. Nat. Geosci. 13, 387–391 (2020). [5]https://doi.org/10.1038/s41561-020-0570-9
[6]Matzka, J. & Stolle, C. & Yamazaki, Yosuke & Bronkalla, O. & Morschhauser, A. (2021). The Geomagnetic Kp Index and Derived Indices of Geomagnetic Activity. Space Weather. 19. https://doi.org/10.1029/2020SW002641.
本文为科普中国-星空计划作品
出品｜中国科协科普部
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作者丨风云梦远 气候学方向在读博士
审核丨韩文标 中国科学院上海天文台 研究员
策划丨徐来
责编丨杨雅萍
