地磁暴

19世紀30年代，在德國科學家高斯和韋伯建立地磁台站之初，他們就發現地磁場經常有微小的起伏變化，但當時他們並沒有認識到這是由太陽引起的。之後，1859年9月1日，英國人卡林頓在觀察太陽黑子時，首先觀測到了太陽耀斑。第二天，地磁台站記錄到1600納特斯拉的強烈地磁擾動。這個偶然的發現和巧合，使他認識到地磁擾動居然與太陽爆發活動有關。1806年12月，亞歷山大·馮·洪堡（Alexander von Humboldt）在柏林觀測到強磁偏轉，並注意到與地面磁異常同時消失的北極光，他在1808年發表的文章中將這一地面磁擾動現象命名為磁暴。 ^[16] 

1859年9月1日至2日，發生了有記錄以來最大的地磁暴。從1859年8月28日到9月2日，在太陽上觀測到許多太陽黑子和太陽耀斑，其中最大的耀斑發生在9月1日。這被稱為1859年的太陽風暴或卡靈頓事件。根據Colaba天文台的記錄，地球磁場的水平分量減少了約1600 nT。據估計，Dst指數大約為- 1760 nT。美國和歐洲的電報線都經歷了感應電壓增加(emf)，甚至可能對電報操作員造成衝擊並引發火災。南至夏威夷、墨西哥、古巴和意大利都能看到極光，而這種現象通常通常只在極地地區才能看到。隨後，1882年11月17日的地磁暴和1921年5月的地磁暴，兩者都中斷了電報服務並引發了火災，1960年，由地磁引發的無線電中斷被廣泛報道。 ^[16] 

2003年10月19日至11月5日期間，太陽上爆發了17次大耀斑，其中包括一個巨大的X28耀斑，導致了11月4日的極端無線電中斷。這些耀斑與CME事件有關，CME事件在10月29日至11月2日期間引起了三次地磁爆。整個事件被稱為萬聖節大磁暴。受地磁爆影響，美國聯邦航空管理局(FAA)運營的WAAS系統離線了大約30個小時。日本的ADEOS-2衞星嚴重受損，許多其他衞星的通訊也因磁爆而中斷。 ^[16] 

地磁暴是太陽風高速等離子體對地球磁層作用所產生的短時地磁擾動現象。地磁暴通常發生於太陽日冕物質拋射（coronal mass ejection，CME） 或共轉相互作用區域 （co-rotating interaction region，CIR）所產生的高速太陽風與地球磁層發生能量交換，並以低緯地區磁場水平分量在一個小時到十幾個小時內急劇下降，並在隨後的幾天緩慢恢復為主要特徵。一般以Dst指數衡量磁暴強度，其擾動幅度通常在幾十nT至數百nT。

磁暴是由太陽風的能量和物質注入磁層所導致的，多發生在太陽活動增強期間。太陽日冕物質拋射中的大尺度行星際磁層（IMF）南向分量與地球磁場在向陽面發生重聯，使得更多太陽風粒子注入地球磁層，磁層被壓縮，磁層內的對流電場增強。等離子層頂也被剝蝕至2-3個地球半徑。來自太陽風的離子與從磁尾向內注入的粒子增強了地球環電流，進而引發磁暴。與太陽日冕物質拋射對應的磁暴擾動時間通常為幾天，且IMF南向分量強度大，具有明顯的激波壓縮特徵，由此造成的磁暴主相較強而恢復相較短。由共轉相互作用區域對應的磁暴持續時間可達數週，IMF南向分量強度小且時斷時續，由此造成的磁暴主相較弱而恢復相較長。

在地磁暴期間，磁層最顯著的特徵是環電流粒子通量增加，進而增強了環電流所造成的地表磁場水平分量的下降，因此磁暴主相的幅度與環電流粒子總能量成正比。隨着環電流粒子與中性原子發生電荷交換，並伴隨着磁層波動對環電流粒子的散射，環電流中增強的粒子通量會不斷消失，最終環電流強度減弱，磁暴強度也相應減弱，磁暴進入恢復相。

有記錄以來最大的地磁暴是 1859 年 9 月發生的卡林頓事件（the Carrington Event），該事件摧毀了部分美國電報網絡，並引發大火，使電報員觸電。在1989年，一場嚴重的地磁暴使加拿大魁北克省大部分地區停電，人們在美國德克薩斯州觀測到了極光。歷史上還發生過非常極端的地磁暴事件（如Miyake事件），其導致了樹木年輪中放射性碳14含量激增。

高速等離子體雲從太陽日冕拋射出來，相對背景太陽風速度更高，攜帶着日冕磁場衝擊地球磁層，使磁層壓縮變形。並且它通常攜帶南北方向轉動的磁場，當磁場轉為南向和地磁場相互作用時，太陽風會將巨大的能量傾泄到磁尾的大尺度空間中，使磁尾等離子體片中大量的帶電粒子注入到環電流中，使環電流強度發生變化，而變化的電流會產生變化的磁場，從而引起全球範圍劇烈的地磁擾動——地磁暴。

能夠產生高速太陽風並引發強的行星際磁場南向分量的源有兩類，一類是太陽日冕物質拋射（Coronal Mass Ejections，CME），另一類是太陽冕洞產生的共轉相互作用區（co-rotating interaction region ，CIR）。

日冕物質拋射是太陽日冕中等離子體和磁場的大量噴發現象，其可以攜帶數十億噸日冕物質並凍結比背景太陽磁場更強的磁場通量。日冕物質拋射從太陽向外傳播的速度從250千米/秒到接近3000千米/秒不等，最快可以在15-18小時內抵達地球。較慢的日冕物質拋射可能需要幾天才能到達。當它們遠離太陽時，它們的大小會擴大，在抵達地球時，其大小可以達到日地距離的四分之一。在太陽活動極大期，地磁風暴發生的頻率更高，其中大部分是由日冕物質拋射驅動的。 ^[17] 

在極紫外(EUV)和軟x射線的太陽圖像中，日冕洞表現為太陽日冕中的黑暗區域。它們看起來是黑色的，因為它們比周圍的等離子體更冷，密度更低，且具有開放的磁場。這種開放的磁場線結構使太陽物質更容易逃逸到太空中，從而產生相對較快的太陽風流，快速太陽風壓縮背景慢速太陽風會形成共轉相互作用區。 ^[17] 

地磁暴發生時，這種全球性的劇烈擾動會在整個磁層持續十幾個小時到幾十個小時的時間，所有地磁要素都發生劇烈變化。其中地磁水平分量H變化最大，其擾動幅度通常在幾十納特斯拉到幾百納特斯拉之間，最能代表磁暴過程特點（其變化在中低緯度地區表現得最為突出），所以，磁暴的大部分形態學和統計學特徵是依據中低緯度H分量的變化得到的。典型磁暴的發展過程也是按照H分量的變化來劃分的，通常可分為三個階段：初相、主相和恢復相。

磁暴開始之後，在全球各經度上，地磁水平分量在高於暴前值的水平上起伏變化，持續時間為幾十分鐘到幾個小時，這個階段叫做“初相”。

初相結束後，H分量突然下降，半小時至數小時之內下降到極小值，稱為“主相”。主相是磁暴的主要特點，磁暴的大小就是用主相階段H分量下降最低點的幅度來衡量，一般磁暴H分量下降為幾十到幾百納特斯拉，個別大磁暴可超過1000納特斯拉。

主相之後，H分量逐漸向暴前水平恢復，在此期間，磁場仍有擾動起伏，但總擾動強度逐漸減弱，一般需要2~3天才能完全恢復平靜狀態，這一階段叫做“恢復相”。

概括來講，地磁指數就是以地磁監測數據為基礎，描述某一時間段內地磁擾動的總體強度或某類磁擾強度的分級指標。它是基於基礎理論和實際應用需要，根據一個台站或全球枱站的實際測量資料，用方便易行的分類和簡單明瞭的指標，對地磁活動性進行總體特徵檢閲和總體形態描述，從宏觀角度把握全球或區域的地磁場變化規律。

地磁活動指數按照物理意義，可以分為兩大類：第一類是描述地磁活動的總體水平，而不考慮地磁擾動具體類型的指數，其中應用較廣泛的有K指數、Kp指數、Ap指數；第二類是為了描述特定類型磁擾或特定區域磁擾而設計的指數，其中Dst指數應用較為廣泛。

稱為“三小時磁情指數”，是描述單個地磁台站3小時時段內地磁擾動強度的指數。取0到9共分10級，0表示地磁活動平靜，9表示地磁擾動幅度最大。

由全球地磁台網中13個地磁台站的K指數計算得到的，用於表示全球地磁活動性，每3小時一個值，取值範圍從0到9，共分28級：0₀，0₊，1_-，1₀，1₊,…,9_-，9₀。其值逐漸增大表示地磁擾動逐漸增強。在日常的應用中，一般把Kp=5、6稱為中小地磁暴，Kp=7、8、9稱為大地磁暴。

Kp指數與磁擾幅度不是線性關係，而是近似於對數關係。為了表示磁擾變化幅度，又在Kp指數的基礎上定義了全球性的“三小時等效幅度”ap指數，單位為2納特斯拉。一天8個ap指數的平均值可以作為全天地磁活動水平的量度，即為Ap指數，Ap指數的範圍由0到400，其值越大，表示地磁擾動幅度越大。

（磁暴環電流指數）

在地球赤道附近，按大致均勻的經度間隔選取四個地磁台站，這四個台站每小時地磁水平強度變化的平均值即為Dst指數。它的單位是納特斯拉，其範圍可由正幾十納特斯拉到負幾千納特斯拉不止，並且其值逐漸減小表示磁擾幅度逐漸增大。

地磁暴強度通常按Dst指數或Kp指數分級，分為5級，並以Dst指數為準。其中Dst指數劃分按照地磁暴主相期間Dst指數的最低值劃分。Kp指數劃分按照地磁暴主相期間Kp指數的最大值劃分。 ^[20] 

地磁暴期間，高能粒子沉降和焦耳加熱等過程使低層大氣受熱膨脹，引起高層大氣密度增加；高層大氣密度、成分和風場的變化，會引起電離層暴；磁層劇烈擾動時，磁尾中的熱等離子體被加速向地球方向運動，形成熱等離子體注入；帶電粒子沿磁力線沉降，轟擊高層大氣，形成絢爛多彩的極光；磁層擾動期間，磁層中的電子可能被加速至很高的能量，引起全球範圍的高能電子增強現象——高能電子暴。

當地磁場擾動時，磁場方向和大小的改變會影響它們之間的力矩，致使衞星的姿態發生變化。衞星的姿態發生變化後，通信衞星將無法正常通信，甚至有時可能會中斷通信；氣象衞星、軍事衞星也無法監測地球。

當強磁暴發生時，磁層頂部由於受到高速太陽風的劇烈擠壓而被壓縮到地球同步軌道之內，發生同步軌道磁層頂穿越事件。此時不僅會因所處的磁場環境發生變化而影響姿態，還會因為失去了磁場的保護而直接受到太陽風的衝擊。

當地磁暴發生時，焦耳加熱和極光粒子沉降加熱引起全球高層大氣增温，密度和成分發生變化。當大氣密度陡增，大氣阻力會突然加大，加速了航天器衰減的速度，從而導致其偏離預計航道，甚至提前掉入低層大氣而隕落。

2003年萬聖節期間，太陽暴發了一次強磁暴（地磁暴），使歐美的一系列科學衞星都遭受了不同程度的損害，導致全球衞星通信受到干擾 ^[6]  。

2022年2月4日，因為太陽活動產生地磁暴，地球高層大氣受熱後膨脹導致高層大氣密度增加，一批星鏈衞星在210公里軌道受到的大氣阻力劇增，比地磁暴之前阻力增加了50%，這批49顆衞星最終有40顆因未能退出安全模式並啓動氪離子推進器。根據SpaceX公佈的消息，這批49顆星鏈衞星僅有9顆工作正常。 ^[4]  美國太空探索技術公司表示，由於遭遇地磁暴，該公司2022年2月3日發射的49顆“星鏈”衞星中有多達40顆於次日損毀。據信這是單次地磁暴對衞星造成的最大規模破壞。 ^[5] 

強磁暴時，地磁場會發生劇烈擾動變化，變化的地磁場會在土壤電阻率高的地區產生每公里幾伏特到十幾伏特，持續時間從幾分鐘到幾小時的地面電勢（Earth Surface Potential，ESP）。而在高壓、超高壓輸電系統中，由於電網變壓器中性點直接接地，所以ESP會在東西走向、長距離輸電線路與大地構成的迴路中產生地磁感應電流（Geomagnetically Induced Currents, GIC）。容易引起大型變壓器半波飽和而縮短其使用壽命，極端情況下會使其燒燬而造成永久損壞。

同時，由於磁暴的發生是全球同步，因此GIC會使整個電網範圍內數百台變壓器同時發生半波飽和，造成一些保護裝置產生跳閘等誤動作，致使供電系統電壓嚴重下降導致系統崩潰，從而引發大面積停電事故。

目前沒有明確證據表明地磁暴會對地球的生物或生命系統產生直接的影響。但對該問題的探索從未停止，如Elchin S. Babayev 等人提出中等及以下的地磁暴不會對大腦的電信號造成明顯影響，而在大磁暴期間會對腦信號帶來顯著干擾。 ^[21] 

在地磁暴期間，人們研究了其對信鴿導航能力的影響。鴿子和其他遷徙動物，如海豚和鯨魚，體內有包裹在神經細胞中的由磁鐵礦物組成的生物羅盤。儘管生物羅盤可能不是鴿子的主要導航方法，但有研究認為，生物羅盤在地磁暴期間將會失靈。 ^[22]  因此，地磁暴帶來的電磁擾動可能會對動物導航以及生物電信號產生干擾。需要注意的是，目前尚無確切證據表明地磁暴會直接影響人類的健康和生活。

根據預報時間提前量，地磁暴預報又分為警報、短期預報和中期預報。 ^[2] 

警報是指對未來幾個小時內可能發生的地磁暴等級進行預報，主要包括Kp指數和Dst指數；主要通過在L1點上的太陽風監測來進行的。

對於地磁暴警報級別的劃定，通常以Kp指數表徵。地磁Kp=9為強地磁暴，發紅色警報；地磁Kp>7為中等地磁暴，發橙色警報；地磁Kp>5為弱地磁暴，發黃色警報。在一個太陽活動週中，弱地磁暴發生次數約2000次，中等地磁暴約300次，而強地磁暴僅為幾次。

短期預報的提前量為1天~3天，主要預報未來3天內Ap指數的日值。預報更多是基於預報員的經驗。對於CME引起的地磁暴，可以利用衞星對CME的立體觀測結果進行預報；對於CIR引起的地磁暴，主要參考其之前曾引起的行星際太陽風和地磁場變化情況來進行。

中期預報的時間提前量一般為幾天到幾個月，主要預報未來一個月內Ap指數日值，依賴於對CME和CIR發生可能性的預報。

對於地磁暴警報級別的劃定，通常以Kp指數表徵。地磁Kp=9為強地磁暴，發紅色警報；地磁Kp>7為中等地磁暴，發橙色警報；地磁Kp>5為弱地磁暴，發黃色警報。在一個太陽活動週中，弱地磁暴發生次數約2000次，中等地磁暴約300次，而強地磁暴僅為幾次。

2016年，日本名古屋大學的名古屋大學宇宙地球環境研究所鹽田大幸特別助教和日本國立極地研究所片岡龍峯教授帶領的研究團隊，開發出可再現太陽爆發活動時釋放的高速等離子體雲和強磁場衝擊地球磁層全過程的數據模擬系統，較之以往的系統精確度更高。本項研究成果有望提高對磁暴形成過程及規模的預測精度。 ^[3] 

2016年，印度地磁研究所的Gurbax S. Lakhina教授對未來磁暴發生概率進行了總結。Schrijver等人預測，在未來30年內，發生能量超過10²⁶焦耳的太陽耀斑的概率最高為10%。通過樹木年輪分析，已經識別出公元774-775年和公元992-993年大量的¹⁴C和¹⁰Be增強事件。如果這些事件能夠被證實為真正的太陽粒子事件（SPEs），那麼這些粒子的能量將在約10²⁶到10²⁸焦耳之間。這種大型SPE的發生率估計為每年10^-4到10^-3次。Maehara等人分析了開普勒太空望遠鏡數據，報告説類太陽恆星可以產生高達10²⁸焦耳能量的超級耀斑，大約每5000年發生一次。並且，能量為10²⁶焦耳的超級耀斑大約每500-600年發生一次。如果這種超級耀斑在太陽上發生，伴隨的日冕物質拋射（CMEs），可能產生比目前人類所知的地磁爆更為極端的空間天氣現象。 ^[18] 

2022年，密西根大學Tuija I. Pulkkinen教授團隊利用密歇根大學空間天氣建模框架模擬了131次地磁爆的全球空間天氣效應。通過將得到的地磁指數與觀測到的地磁指數進行了比較，他們發現模擬產生的地磁指數分佈與觀測到的相似，這些指數與太陽風驅動因素的關係也與觀測到的相似。雖然Dst和極區電勢的大小與觀測值接近，但模擬的AL指數則被低估。對磁層頂位置的分析表明，日下點的位置與經驗模型吻合較好，但模擬中的地球磁尾展寬要比經驗模型中的小得多。磁尾電流和磁環電流與Dst指數密切相關，表明在磁暴主相階段，距離超過8個地球半徑的磁尾電流對Dst指數的貢獻很大。 ^[19] 

2024年4月，太陽活動周已進入峯年階段。根據最新研判，本輪太陽活動周的峯值預計在2024年至2025年到來，將會有地磁暴等空間天氣事件發生。 ^[23] 

2023年2月27日，3月23、24日，4月23、24日，9月19日，12月1、2日均發生了大地磁暴級別的地磁活動。 ^[10] 

2023年11月30日，中國氣象局國家空間天氣監測預警中心發佈大地磁暴預警，預報稱11月30日、12月1日、2日三天，可能出現地磁暴活動，其中12月1日可能發生中等以上地磁暴甚至大地磁暴，預計地磁活動將延續到12月2日。預報中提示，此次太陽爆發活動很可能在12月1日製造出強度高且絢麗的極光，中國北部地區，如黑龍江、新疆的部分地區有機會看到紅色，甚至是綠色極光。 ^[7] 

2023年12月1日，據中國氣象局空間天氣中心檢測，12月1日、2日，中國可能出現地磁暴活動，其中，12月1日可能發生中等以上地磁暴甚至大地磁暴 ^[8]  ；12月2日，根據國家空間天氣監測預警中心的監測和預報，受太陽冕洞高速太陽風和12月1日CME的共同影響，12月4日可能發生小到中等地磁暴 ^[9]  。

2024年3月24日23時開始到3月25日23時為止地球出現了持續時間為3小時的大型地磁暴；6小時的中等地磁暴和3小時的小地磁暴。就在3月25日凌晨，中國內蒙古根河市已經可以看見此次地磁暴活動引起的極光，漠河銀環島景點也再現紅綠極光。 ^[12]