极光和断电：科学家总结五月地磁超级风暴造成的明显大气变化

5 月 11 日，一场强大的地磁暴导致美国南部出现可见极光，并干扰了 GPS 技术。弗吉尼亚理工大学的研究人员利用美国国家航空航天局的 GOLD 仪器记录了前所未有的大气现象，并研究了对地球电离层的影响。这些研究强调了高层大气的动态性质及其对太阳活动的易感性，随着 2025 年太阳周期峰值的临近，太阳活动目前正在加剧。

最近的一场地磁暴揭示了太阳活动是如何导致遥远南方出现可见极光并干扰重要技术的。随着太阳活动接近顶峰，这一事件提供了至关重要的启示，凸显了改进预测模型的必要性。(2024年5月11日在加拿大萨斯喀彻温省萨斯卡通附近拍摄的照片）。图片来源：Gunjan Sinha

5 月 11 日，绚丽的极光给美国南部的观星者带来了惊喜。在同一个周末，一辆由全球定位系统引导的农用拖拉机为此走错了路。那么，北极光的能见度与中西部受损的农用设备有什么共同之处？

根据弗吉尼亚理工大学的斯科特-英格兰（Scott England）最新发表的两篇合著论文，这是一场独特的强大地磁暴。

凯文-T-克罗夫顿航空航天与海洋工程系副教授英格兰说："北极光是由撞击我们高层大气的高能带电粒子造成的，这些粒子受到包括太阳在内的众多太空因素的影响。在太阳地磁暴期间，地球周围的太空中会出现更多的这种高能带电粒子，因此我们会看到北极光变亮，你能看到北极光的区域也会扩大，包括像低48州这样通常看不到北极光的地方。"

副教授兼克罗夫顿学院研究员斯科特-英格兰（Scott England）。图片来源：弗吉尼亚理工大学本-墨菲

英格兰和一个由大学和工业界合作者组成的团队于5月11日利用NASA的GOLD仪器追踪了高层大气事件。结果发现，这是过去20年中捕捉到的最强地磁暴。他们的研究结果最近发表在《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）上的两篇研究报告中，两篇报告均由英格兰合著。第一项研究的第一作者是来自科罗拉多大学博尔德分校的迪帕克-卡兰（Deepak Karan），研究显示，高层大气中粒子的位置和扩散发生了前所未有的变化。第二项研究由第一作者、弗吉尼亚理工大学88届校友斯科特-埃文斯（J. Scott Evans）撰写，记录了成分和温度的变化。

在收集到的数据中，英格兰首次目睹了一些"令人愉悦的漩涡图案"，以及远离极光的空气的剧烈运动，这些运动形成了巨大的涡旋，使空气以比飓风更大的螺旋形流动。具体观测结果包括：

• 不可预测的低能量带电粒子从赤道附近向极光移动

• 带电粒子可分为两类：低能量和高能量，后者可伤害在太空工作的人类并损坏电子设备

• 温度和压力的变化很可能导致漩涡的出现

• 低能量粒子的位置变化和传播，会对全球定位系统、卫星甚至电网产生负面影响

• 对技术和环境的更广泛影响

英格兰说："随着极光的增强，你会看到更多的光，但与此同时，也有更多的能量进入大气层，因此极地附近的大气层变得非常热，这就开始把空气从极地推向赤道。这些数据提出了很多问题，比如，在这次地磁暴中，是否发生了与以往真正不同的事情，或者我们是否有更好的仪器来测量这些变化？"

此外，这些变化对围绕该大气层区域运行的人造技术意味着什么？

地球的高层大气距离我们大约 60 到 400 英里，与太空接壤，是卫星和国际空间站的停留区。高层大气由一些与我们生活和呼吸的低层大气相同的粒子组成。

但它也有另一面，那就是电离层，可以把它想象成电热毯--高度带电且不断波动。电离层中的这些带电粒子使这一空间区域充满活力。高层大气和电离层的温度和成分发生变化是很常见的。事实上，它在白天和夜晚都会发生可预测的变化，甚至会随着季节的变化而变化。

英格兰说，地球大气中的粒子受到太空中众多因素的影响，其中包括太阳活动。在太阳地磁暴耀斑期间，来自太阳的强烈辐射会改变地球大气中粒子的成分和速度。那么，为什么最近几个月全球各地都能看到北极光呢？

太阳黑子、耀斑和风暴的数量随着我们称之为太阳周期的 11 年周期而变化。在过去的几年里，随着太阳周期逐渐走向顶峰，我们看到的耀斑数量也在逐渐增加。

除了北极光的能见度，地磁暴还会对我们的技术产生一系列影响。由于无线电和全球定位系统信号会通过这个不断波动的"电毯"传播，大气层中这一层的变化会扰乱信号，阻碍导航和通信系统（如全球定位系统）。地球天气和太空天气的各种因素都会对这一关键层造成影响，但关于大气层上层和下层发生变化的原因，以及这些变化会如何影响我们所知的生活，还有很多问题有待了解。

"这些风暴还会增加环绕地球流动的电流，从而影响使用很长电线的技术设备。近年来，由于电线中的电流过大，电网曾受到过影响。"英格兰说："在有记录以来最大的地磁暴--1859 年的卡林顿事件中，地磁暴导致电报系统--当时最先进的技术--起火。"

科学家们怀疑，类似于 1859 年卡林顿事件的风暴如果发生在今天，可能会让大量的人和企业从互联网离线。虽然 5 月 11 日的风暴没有造成严重破坏，但由于太阳周期的峰值预计将在 2025 年 7 月达到，我们距离了解这些潜在影响还有大约一年的时间。

英格兰说："我们研究地磁暴的原因之一是试图建立模型来预测其影响。根据太阳周期，我们预计我们今年看到的情况将在未来两年左右出现。"

编译自/ScitechDaily