2018-09-05 15:28:03

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物理理论
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地磁暴是地球磁场全球性的剧烈扰动现象。以地磁指数来表征地磁暴的大小。

地磁暴是高速等离子体云到达地球空间后,引发的最具代表性的全球空间环境扰动事件。地磁暴的强度可以表征太阳风暴中高速等离子体云的影响大小。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。在研究中通常采用Dst指数分级,而在预警应用中采用Kp指数。

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。地磁暴还会影响地面电力系统和石油、电缆等长距离管线系统。地磁暴引发的其他地球空间环境扰动,威胁卫星的安全运行,对无线电通信导航也造成不同程度的干扰。

基本信息

  • 中文名

    磁暴

  • 外文名

    Magnetic storm

  • 影响

    干扰短波通讯

  • 出现时期

    太阳黑子极大期

  • 研究方式

    地面观测

  • 分类

    急始型磁暴等

折叠 编辑本段 基本简介

地磁暴是地球磁场全球性的剧烈扰动现象。以地磁指数来表征地磁暴的大小。

地磁暴是高速等离子体云到达地球空间后,引发的最具代表性的全球空间环境扰动事件。地磁暴的强度可以表征太阳风暴中高速等离子体云的影响大小。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。在研究中通常采用Dst指数分级,而在预警应用中采用Kp指数。

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。地磁暴还会影响地面电力系统和石油、电缆等长距离管线系统。地磁暴引发的其他地球空间环境扰动,威胁卫星的安全运行,对无线电通信导航也造成不同程度的干扰。[1]

折叠 编辑本段 发现

19世纪30年代,在德国科学家高斯和韦伯建立地磁台站之初,他们就发现地磁场经常有微小的起伏变化,但当时他们并没有认识到这是由太阳引起的。之后,1859年9月1日,英国人卡林顿在观察太阳黑子时,首先观测到了太阳耀斑。第二天,地磁台站记录到1600纳特斯拉的强烈地磁扰动。这个偶然的发现和巧合,使他认识到地磁扰动居然与太阳爆发活动有关。

折叠 编辑本段 成因

高速等离子体云从太阳日冕抛射出来,相对背景太阳风速度更高,携带着日冕磁场冲击地球磁层,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,太阳风会将巨大的能量倾泄到磁尾的大尺度空间中,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,从而引起全球范围剧烈的地磁扰动--地磁暴。CME与冕洞CME与冕洞

能够产生高速太阳风并引发强的行星际磁场南向分量的源有两类,一类是太阳日冕物质抛射(CME),另一类是太阳冕洞。

折叠 编辑本段 发展过程

地磁暴发生时,这种全球性的剧烈扰动会在整个磁层持续十几个小时到几十个小时的时间,所有地磁要素都发生剧烈变化。其中地磁水平分量H变化最大,其扰动幅度通常在几十纳特斯拉到几百纳特斯拉之间,最能代表磁暴过程特点(其变化在中低纬度地区表现得最为突出)。所以,磁暴的大部分形态学和统计学特征是依据中低纬度H分量的变化得到的。典型磁暴的发展过程也是按照H分量的变化来划分的,通常可分为三个阶段:初相、主相和恢复相。

折叠 初相

磁暴开始之后,在全球各经度上,地磁水平分量在高于暴前值的水平上起伏变化,持续时间为几十分钟到几个小时,这个阶段叫做"初相"。

折叠 主相

初相结束后,H分量突然下降,半小时至数小时之内下降到极小值,称为"主相"。主相是磁暴的主要特点,磁暴的大小就是用主相阶段H分量下降最低点的幅度来衡量,一般磁暴H分量下降为几十到几百纳特斯拉,个别大磁暴可超过1000纳特斯拉。

折叠 恢复相

主相之后,H分量逐渐向暴前水平恢复,在此期间,磁场仍有扰动起伏,但总扰动强度逐渐减弱,一般需要2~3天才能完全恢复平静状态,这一阶段叫做"恢复相"。典型磁暴发展过程典型磁暴发展过程

折叠 编辑本段 地磁指数

概括来讲,地磁指数就是以地磁监测数据为基础,描述某一时间段内地磁扰动的总体强度或某类磁扰强度的分级指标。是基于基础理论和实际应用需要,根据一个台站或全球台站的实际测量资料,用方便易行的分类和简单明了的指标,对地磁活动性进行总体特征检阅和总体形态描述,从宏观角度把握全球或区域的地磁场变化规律。

地磁活动指数按照物理意义,可以分为两大类:第一类是描述地磁活动的总体水平,而不考虑地磁扰动具体类型的指数,其中应用较广泛的有K指数、Kp指数、Ap指数;第二类是为了描述特定类型磁扰或特定区域磁扰而设计的指数,其中Dst指数应用较为广泛。

折叠 K指数

称为"三小时磁情指数",是描述单个地磁台站3小时时段内地磁扰动强度的指数。取0到9共分10级,0表示地磁活动平静,9表示地磁扰动幅度最大。

折叠 Kp指数

由全球地磁台网中13个地磁台站的K指数计算得到的,用于表示全球地磁活动性,每3小时一个值,取值范围从0到9,共分28级:00,0+,1-,10,1+,…,9-,90。其值逐渐增大表示地磁扰动逐渐增强。在日常的应用中,一般把Kp=5、6称为小地磁暴,Kp=7、8、9称为大地磁暴。磁暴发生前后Kp指数变化图磁暴发生前后Kp指数变化图

Kp指数与磁扰幅度不是线性关系,而是近似于对数关系。为了表示磁扰变化幅度,又在Kp指数的基础上定义了全球性的"三小时等效幅度"ap指数,单位为2纳特斯拉。一天8个ap指数的平均值可以作为全天地磁活动水平的量度,即为Ap指数,Ap指数的范围由0到400,其值越大,表示地磁扰动幅度越大。

折叠 Dst指数

在地球赤道附近,按大致均匀的经度间隔选取四个地磁台站,这四个台站每小时地磁水平强度变化的平均值即为Dst指数。它的单位是纳特斯拉,其范围可由正几十纳特斯拉到负几千纳特斯拉不止,并且其值逐渐减小表示磁扰幅度逐渐增大。

折叠 编辑本段 危害及影响

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;高层大气密地磁暴的连锁反应地磁暴的连锁反应度、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。

折叠 对卫星的影响

直接影响:当地磁场扰动时,磁场方向和大小的改变会影响它们之间的力矩,致使卫星的姿态发生变化。卫星的姿态发生变化后,通信卫星将无法正常通信,甚至有时可能会中断通信;气象卫星、军事卫星也无法监测地球。

间接影响:当强磁暴发生时,磁层顶部由于受到高速太阳风的剧烈挤压而被压缩到地球同步轨道之内,发生同步轨道磁层顶穿越事件。此时不仅会因所处的磁场环境发生变化而影响姿态,还会因为失去了磁场的保护而直接受到太阳风的冲击。

折叠 对电网的影响

强磁暴时,地磁场会发生剧烈扰动变化,变化的地磁场会在土壤电阻率高的地区产生每公里几伏特到十几伏特,持续时间从几分钟到几小时的地面电势(Earth Surface Potential,ESP)。而在高压、超高压输电系统中,由于电网变压器中性点直接接地,所以ESP会在东西走向、长距离输电线路与大地构成的回路中产生地磁感应电流(Geomagnetically Induced Currents, GIC)。容易引起大型变压器半波饱和而缩短其使用寿命,极端情况下会使其烧毁而造成永久损坏。GIC产生原理图GIC产生原理图

同时,由于磁暴的发生是全球同步,因此GIC会使整个电网范围内数百台变压器同时发生半波饱和,造成一些保护装置产生跳闸等误动作,致使供电系统电压严重下降导致系统崩溃,从而引发大面积停电事故。

折叠 高能电子暴

强磁暴发生后,地球辐射带的形状和高能粒子的强度都会发生巨大的变化,尤其是外辐射带电子,电子的强度会骤然上升两到三个数量级以上,外辐射带电子的这种突然增强现象被称为高能电子暴,通常用同步轨道卫星探测的大于2兆电子伏特的高能电子1天的累积的通量来作为高能电子强弱的指标。

高能量的电子(能量0.2~10兆电子伏特)具有很强的穿透能力,高能电子暴发生时,卫星轨道上激增的高能电子透过卫星的外壳屏蔽,积聚在卫星内部的印刷电路板、电缆等材料中,并产生高达数千伏的电位差,电位差增大到一定程度就会引起静电放电,损坏卫星材料,破环电子器件,严重时甚至导致卫星报废,这种现象也被称为深层充电效应。

折叠 电离层暴

地磁暴发生时,注入电离层的能量增加,电离层受热膨胀,中性大气成分和粒子的运动发生变化,引起全球电离层电子密度异常变化,称为电离层暴。电离层暴常常伴随地磁暴发生,电离层暴发生时,电子密度可能增大(正暴)也可能减小(负暴),持续时间约几个小时至几天。

电离层暴是影响卫星通信和导航的一个重要因素,电离层暴发生时,快速的电子密度变化会影响电波通信的质量。对于卫星导航,电离层暴会改变电离层的折射误差,特别是电离层发生电离层正暴(电子密度增大)时,电离层的折射误差增加,引起定位精度下降。

折叠 对大气影响

地磁暴发生时,焦耳加热和极光粒子沉降加热是太阳风提供给高层大气能量的主要方式。极区大气首先被加热、膨胀上升,使得低层较密的大气被带到较高高度上,使极区高层大气密度和成分发生很大的变化;同时在大气环流的共同作用下,这种变化被带到其它高度和经纬度上,从而引起全球高层大气增温,密度和成分发生变化。当大气密度陡增,大气阻力会突然加大,加速了航天器衰减的速度,从而导致其偏离预计航道,甚至提前掉入低层大气而陨落。

折叠 编辑本段 监测

地磁监测仪器是地磁场监测的基本工具。根据测量参数可分为绝对测量仪与相对测量仪。绝对测量仪主要是对某一时刻某一地磁分量的绝对值进行观测的仪器,如质子旋进式磁力仪、光泵式磁力仪、超导磁力仪等。相对测量仪是测量磁场分量相对差值的仪器,如磁通门磁力仪、感应式磁力仪等。

折叠 编辑本段 预报

行星际磁场南向分量,被称为地磁暴的开关。能够产生高速太阳风并引发强的行星际磁场南向分量的源有两类,一类是太阳日冕物质抛射(CME),另一类是太阳冕洞。CME是太阳爆发活动引起日冕物质快速的抛向行星际空间,而太阳冕洞持续向外喷射的高速太阳风压缩背景低速太阳风会产生相互作用区。

地磁暴预报主要包括利用行星际前哨站太阳风监测资料进行的警报、利用太阳活动监测资料进行的地磁暴短期预报和利用CIR的重现特性进行的中期预报。

折叠 警报

地磁暴警报主要通过在L1点上的太阳风监测来进行的。

折叠 短期预报

更多是基于预报员的经验。对于CME引起的地磁暴,可以利用STEREO的立体观测结果进行预报;对于CIR引起的地磁暴,主要参考其之前曾引起的行星际太阳风和地磁场变化情况来进行。

折叠 中期预报

3天以上的地磁暴预报就依赖于对CME和CIR发生可能性的预报。

折叠 编辑本段 强度和警报

对于地磁暴警报级别的划定,通常以Kp指数表征。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。

太阳风暴等级

事件类型

指标范围

可能的影响和危害

强太阳风暴

强地磁暴

地磁指数Kp=9

卫星:可能发生严重的表面充电;难以定向和跟踪;

通信:许多区域短波通信中断1天~2天,低频导航系统可能失灵几小时;

电力:电网系统发生电压控制问题,保护系统也会出现问题,变压器可能受到危害

中等太阳风暴

中等地磁暴

9 >Kp≥7

卫星:可能发生表面充电,跟踪出现问题,需要对卫星的定向进行矫正;

通信:卫星导航、低频无线电导航和短波无线电传播可能会断断续续出现问题;

电力:电网系统出现比较普遍的电压控制问题,某些保护系统也会出现问题

弱太阳风暴

弱地磁暴

7 >Kp≥5

卫星:卫星操作可能有小的影响,或需要有地面发出指令对卫星的定向进行矫正,大气阻力增加影响轨道预报;

电力:电力系统可能出现电压不稳

参考资料
  • 1. 总装备部电子信息基础部 - 太阳风暴揭秘 - 国防工业出版社 . 126.

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