什么是大地磁暴？人类历史上著名的地磁暴——卡林顿事件

2024年3月27日，地球经历了一场显著的大地磁暴事件，这是由太阳活动引发的一系列复杂的太空天气现象。今天我们就来聊一聊地磁暴，不过在探讨大地磁暴之前，我们首先需要了解地球磁场的基本概念。地球磁场是由地球内部的液态铁和镍核心产生的，它像一个巨大的磁铁，保护着地球免受太阳风和宇宙射线的直接冲击。然而，当太阳活动增强，释放出大量的高能粒子时，这些粒子会沿着地球磁场线进入地球的上层大气，与大气中的气体分子碰撞，产生一系列复杂的物理过程，从而引发地磁暴。

地磁暴是一种典型的太阳爆发活动。当太阳爆发时，会发生日冕物质抛射（CME），一次抛射能将数以亿吨计的太阳物质以数百到数千公里每秒的高速抛离太阳表面。这些物质中不仅包括巨大质量与速度汇聚成的动能，还携带着太阳强大的磁场能。它们一旦命中地球，就会引发地磁场方向与大小的变化，即地磁暴。

地磁暴的强度划分主要依据特定的地磁指数来进行。这些指数能够反映地磁活动的剧烈程度，从而帮助我们了解地磁暴的强度等级。具体来说，常用的地磁指数包括Dst指数和Kp指数。Dst指数，即地磁扰动指数，是测量太空天气条件的重要指标，它通过测量地球磁场水平分量的变化来反映地磁暴的强度。而Kp指数，即全球磁场指数，则反映了每三小时地球磁场活动的情况，数值越大，对应的地磁活动越强。

2024年3月23日，太阳活动区AR3615在日面中心附近爆发了X1.1级大耀斑，伴随着全晕CME1。这次CME的特点是速度快、覆盖度高，几乎正对地球，预示着可能引发强烈的地磁活动。

3月24日至26日，地球的磁场受到了这股太阳风的直接冲击。3月24日晚间至25日凌晨，地磁监测数据显示地磁场发生了强烈扰动，其中3小时达到大地磁暴水平（Kp=8），为橙色警报级别。这场特大地磁暴持续了约3小时，同时伴随着6小时的中等地磁暴和3小时的小地磁暴。

此次地磁暴导致空间站轨道高度下降，卫星导航设备的定位误差增大，航空飞行面临通信环境变差和跨极区辐射的双重风险。2022年美国太空探索技术公司发射了一批49颗“星链”卫星，他们原计划把卫星首先发射到210千米高度上，但这些卫星遭遇了大气阻力增大50%左右的情况，虽然地面运控系统和卫星的操控机构做了及时的响应，比如把太阳能帆板翻转90度等措施，但仍然不能阻止卫星坠入大气层的后果。

最终，有39颗卫星受到大气阻力的影响，坠入了大气层，直接经济损失超过5000万美元。事后复盘分析表明， “星链”卫星在发射之前，太阳上发生了一次小小的耀斑，伴随着日冕物质抛射（CME）从太阳上爆发出来，几天之后影响到地球，由此产生地磁暴，从而引起了大气的膨胀和密度增加，对低轨卫星的运行轨道产生了影响。

1973年美国发射的天空实验室，原计划运行10年，但实际只运行了6年多，就是因为对于太阳风暴的影响估计不足缺乏有效应对手段造成的。

人类有记录以来最大的太阳风暴当属卡林顿事件

1859年，英国天文学家理查德·卡林顿在太阳表面看到了一道白光。这就是科学家们现在所说的卡林顿事件，也是有记录以来最大的太阳风暴。

1859年9月2日星期四，大约在伦敦郊外的雷德希尔上午11:18，卡林顿正在研究太阳上的一群被称为太阳黑子的暗点，这时他检测到了他后来描述为“持续大约五分钟的一次奇特的光爆发”。根据2016年《空间研究进展》杂志上的一项研究，这是第一次被看到并报告的太阳耀斑。

伦敦基尤天文台的磁传感器在那年的8月28日至9月7日检测到了地球上的非凡磁扰动，尤其是在8月28日和9月2日。这些与可能是过去160年来最强烈的极光相吻合。

1859年9月6日的《泰晤士报》报道中写到：“明亮的波浪迅速连续滚动至天顶，一些足以在地面上投下可感知阴影的亮度，”。

这些彩色的展示如此明亮，以至于密苏里州的人们可以在午夜后的大气光下阅读，根据1859年《西部周报》的报道。根据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的说法，落基山脉的金矿工人在凌晨1点醒来，煮咖啡、煎培根和鸡蛋，以为在一个多云的早晨太阳已经升起。

通常，极光出现在地球的极地附近。然而，在卡林顿事件期间，人们在热带的古巴、牙买加和巴拿马，都见证了极光。

极光也在南半球被看到。例如，根据1859年9月7日的澳大利亚《莫顿湾信使报》的报道，在莫顿湾我们的大多数读者上周一连三个晚上，从日落后开始，看到了南方极光，它以一种美丽的红色照亮了天空。

与此同时，当时的电报通讯经历了“最令人震惊和独特的电气现象之一”，按照当时亲历人的说法。当时“空气中的电力过剩”使得电报机能够在没有电池的帮助下从纽约发送信息到匹兹堡，。

更夸张的是，根据1859年9月24日的《伦敦插图新闻》报道，巴黎的电报机中甚至飞出了火花，而华盛顿特区的电报操作员弗雷德里克·罗伊斯则报告称他收到了“一次非常严重的电击，让我瞬间昏迷，，另外一位老人说，他正在和朋友喝咖啡，目睹了一道火光从朋友的前额跳了出来。

根据2016年的研究，卡林顿事件影响了美国近一半的电报站。

苏格兰格拉斯哥大学太阳物理学家休·哈德森在2021年的研究中估计，卡林顿耀斑的辐射可能携带了大约4×10的32次方尔格的能量，这大约相当于100亿个1兆吨核弹的能量。他还估计，该事件的CME可能携带了大约3×10的32次方尔格的动能，在地球上引发了一场地磁暴。

这次爆炸可能释放了一个日冕物质抛射，它以高速的超热等离子体云冲击我们的星球，这些云中嵌入了强烈的磁场。当这样的爆发冲击地球的磁层——一个围绕地球的壳，它通过地球的磁场捕获等离子体——这些等离子体可以沿着地球的磁力线流动，并撞击地球大气中的分子，导致极光。

根据NOAA的说法，太阳耀斑还可以在磁层中触发强烈的电流。这些电流反过来可能会在地球上的地面产生磁扰动，从而在长距离的导电材料中产生电流，如输电线、电信电缆和管道。

地磁暴有潜力对地球造成严重破坏。1989年，一场地磁暴在90秒内使整个加拿大魁北克省停电，使600万居民在黑暗中度过了九个小时，NASA指出。它还损坏了远至新泽西的变压器，并几乎使美国从东海岸到太平洋西北地区的电网瘫痪。

与卡林顿事件发生时相比，当今世界现在对电力的依赖程度要高得多。如果一个同样强大的太阳耀斑指向地球，它可能会导致前所未有的破坏。

2013年英国保险巨头劳埃德的一项研究估计，卡林顿级别的电力中断可能导致仅北美电力行业就损失高达2.6万亿美元的收入。由于这样的事件可能同时损坏多个难以更换的超高压变压器，全球停电可能长达数年。这反过来可能导致金融市场、银行、电信、商业交易、紧急和医院服务、水泵和燃料及食品运输的重大中断。

以美国为例，在最极端的停电情景下，影响66%的美国人口，每天的国内经济损失可能总计415亿美元，加上通过国际供应链的70亿美元损失。相比之下，如果它只影响了极端北部州，这些州的人口占美国人口的8%，每天的经济损失可能达到62亿美元，加上国际供应链损失的8亿美元。

然而，尽管卡林顿事件很强大，我们自那以后也见过类似事件， 2003年的万圣节太阳耀斑中的两次可能每次都释放了与卡林顿事件相当的辐射能量。

此外，有证据表明，太阳可能有能力释放“超级耀斑”，其能量释放是卡林顿事件的10倍或更多。在2021年的《天体物理学杂志》上，科学家们使用NASA现已退役的开普勒太空望远镜发现，在四年的时间里，15颗类似太阳的恒星释放了26次超级耀斑，其威力高达卡林顿事件的100倍。

此外，科学家们通过分析树轮检测到来自太阳爆炸的放射性碳-14原子的证据，这些原子在其核中比普通碳原子多两个中子，这可能来自比卡林顿事件更强的超级耀斑。

2024年2月29日发表在《空间天气》杂志上的一项研究，研究了1859年的磁场记录的数字化副本，以估计卡林顿事件的强度。基于读数，研究人员得出一个结论，那就是卡林顿级别的事件可能每100发生一次。然而，由于不知道事件到底有多强大，科学家只能对其类太阳爆发的频率做出有根据的猜测。

本周的大地磁暴发生后，网络上很多的高敏感人群也纷纷站了出来，声称自己收到磁暴影响，身体发生了一些异状。有网友表示地磁暴那几天莫名感觉头痛头晕，睡眠很不好，会梦见许多人，身体还很疲惫，正好还赶上姨妈期快来了，人一整个爆炸大状态。还有网友表示：家里灯有电，插座没电了，跟大地磁暴有关系吗?还有网友说，平时睡眠很好，那几天倍儿精神，大半夜的数不着。

更有高敏感赖床的网友发问：大地磁暴能不能影响钉钉签到呢？这里我只想给你说——你想得美！！

这次大地磁暴事件再次提醒我们，太阳与地球之间的相互作用不仅仅是遥远的天文现象，它们实际上对我们的日常生活和科技活动有着直接的影响。通过这次事件，我们更加认识到了空间天气的重要性，以及对其进行监测和预警的必要性。虽然地磁暴可能带来一些负面影响，但同时也为我们提供了观赏自然美景的机会，让我们对宇宙有了更深的敬畏和理解。