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太阳暗条爆发或今日到达地球:造成磁层扰动引发地磁暴

2016-10-16 00:32:26 来源:

  文章来源:科学大院微信公众号

  北京时间10月8日晚23:00左右,日面北半球(N38E40)的暗条爆发,引发10月9日的全晕日冕物质抛射(CME)。此次CME可能在10月13日(也就是今天)左右到达地球,造成地球磁层扰动,引发小到中等地磁暴。

10月8日暗条爆发10月8日暗条爆发

  这究竟神马情况?!且听我慢慢道来。

  什么是暗条

  要想弄清楚什么是暗条,我们得先来看看日珥。

日珥爆发日珥爆发

  日珥是太阳色球上一种十分美丽壮观的活动现象。日珥发生在太阳色球边缘,犹如节日礼花,形态各异,蔚为壮观,美不胜收。由于它们的形状恰似贴附在太阳边缘的耳环,由此得名为“日珥”。

  日珥温度比太阳表面低得多,因而也暗弱得多,所以当这种结构出现在日面内部时则表现为暗弱条状,此时便将其称之为暗条。

  暗条是日珥最常见的表现形式,不过很多时候它并不易被观察到。比如这一次爆发的暗条,需要趴在电脑前,一帧一帧地观察,才能找到。

  日珥/暗条爆发时,会突然猛烈地膨胀或向外抛射,抛射的物质一部分落回日面,另一部分可达到太阳的逃逸速度,进入行星际空间。

  日珥/暗条是太阳经常性的活动现象,那为什么这一次的爆发引起了这么多的关注呢?原因在于,此次的暗条爆发引发了一个朝向地球的全晕日冕物质抛射(下图中挡板周围的圆形光晕)。

10月9日爆发的日冕物质抛射10月9日爆发的日冕物质抛射

  于是,下一个问题来了——

  什么是日冕物质抛射

  日冕物质抛射(coronal mass ejection, CME)事件指的是在太阳的爆发活动中,达到逃逸速度的高速等离子体云从太阳日冕中抛射出来。高速等离子体云相对背景太阳风速度更高,会携带着日冕磁场穿越行星际空间,对近地空间产生影响。

高速等离子体云到达地球高速等离子体云到达地球

  高速等离子体云到达地球附近后,会与地球磁场相互作用,并通过磁场压缩、重联等机制,将巨大的能量倾泄到磁尾的大尺度空间中,引发最具代表性的全球空间环境扰动事件——地磁暴。

  磁场的剧烈变化会进一步引发地球空间环境的“风云变幻”,因此,通常用地磁暴强度来表征太阳风暴中高速等离子体云的影响大小。

  像此次日冕物质抛射(CME)这样的全晕事件并不多见,多数CME只是偏晕,抛射出的高速等离子体云并不是正对着地球。而全晕CME由于正对地球,尽管在卫星图像上看起来比较暗淡,但其对地球造成的扰动十分强烈。今日晚些时候,平静多日的近地空间将迎来此次事件的高速等离子体云,届时地球磁层将产生剧烈扰动,可能达到小到中等磁暴水平。

  磁层中的“海啸”

  地磁暴

  地磁暴是整个磁层发生的持续十几个小时到几十个小时的一种剧烈扰动,这种扰动是全球性的,如同海啸一般会遍及整个磁层。

  高速等离子体云冲击地球磁层时,会使磁层压缩变形,并且它通常携带南北方向转动的磁场,当磁场转为南向和地磁场相互作用时,太阳风会向磁层注入能量,使磁尾等离子体片中大量的带电粒子注入到环电流中,使环电流强度发生变化,而变化的电流会产生变化的磁场,从而造成磁层的扰动,于是产生了地磁暴。

  地磁暴的强度等级一般用Kp指数和Dst指数这两类地磁指数来划分。科学家们在研究中通常采用Dst指数分级,而在预警应用中,则采用Kp指数。

磁暴发生前后磁层示意图磁暴发生前后磁层示意图

  地磁Kp=9为强地磁暴,发红色警报;地磁Kp>7为中等地磁暴,发橙色警报;地磁Kp>5为弱地磁暴,发黄色警报。在一个太阳活动周中,弱地磁暴发生次数约2000次,中等地磁暴约300次,而强地磁暴仅为几次。

  地磁暴发生时,地磁场的快速变化使得那些依靠磁场致稳的卫星发生定向错误,影响卫星操作。地磁暴还可以损害地面电力设施,影响电缆等长距离管线系统,甚至破坏输油管道。

  地磁暴还会造成其他地球空间环境扰动,引发一系列空间环境事件。在地磁暴期间,高能粒子沉降和焦耳加热等过程使低层大气受热膨胀,引起高层大气密度增加;高层大气密度、成分和风场的变化,会引起电离层暴;磁层剧烈扰动时,磁尾中的热等离子体被加速向地球方向运动,形成热等离子体注入;带电粒子沿磁力线沉降,轰击高层大气,形成绚烂多彩的极光;磁层扰动期间,磁层中的电子可能被加速至很高的能量,引起全球范围的高能电子增强现象——高能电子暴。

  地磁暴所引发的这一系列空间环境事件,会给技术系统带来严重影响,比如高层大气密度增加,增大了卫星运行阻力,从而加快卫星轨道的衰变;电离层暴可能会影响短波通信和卫星导航;热等离子体注入可引起卫星表面充电;高能电子暴可引起卫星深层充电危害等。

  除了上面提到的这些坏的影响,这次的暗条爆发也可能会伴随美丽的极光造访哦,这大概是地磁暴唯一的好处了,让我们拭目以待吧。

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