地磁暴是太阳风高速等离子体到达地球空间后，引发产生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为太阳风中高速等离子体对地球磁层影响的强弱。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 [1]。
第一次观测到地磁暴的影响发生在19世纪初。从1806年5月到1807年6月，Alexander von Humboldt（亚历山大·冯·洪堡）在柏林记录了指南针的方位。在1806年12月21日，他注意到他的指南针在一次明亮的极光事件中变得不稳定。 [15]
据国家空间天气监测预警中心，受太阳冕洞高速太阳风和、太阳日冕物质抛射（CME）的共同影响，2024年3月21日太阳风速度上升至370km/s左右，从北京时间3月24日23时开始，到3月25日23时为止，地球出现了持续时间为3小时的大型地磁暴，6小时的中等地磁暴和3小时的小地磁暴。人们对地磁暴最直观的感受就是它所带来的极光。就在3月25日凌晨，中国内蒙古根河市已经可以看见此次地磁暴活动引起的极光。 [13]
- 中文名
- 地磁暴
- 外文名
- Geomagnetic storm
- 简 称
- 磁暴
- 分级指标
- Kp指数和Dst指数等地磁指数划分
- 发展过程
- 初相、主相和恢复相
- 监 测
- 地磁监测仪器
- 预 报
- 警报、短期预报和中期预报
- 警报级别
- 强、中等和弱地磁暴
- 首次观测时间
- 19世纪初 [15]
- 产生原因
- 太阳风冲击波抵达地球磁层所引起的地球磁层的暂时扰动 [15]
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。1806年12月，亚历山大·冯·洪堡（Alexander von Humboldt）在柏林观测到强磁偏转，并注意到与地面磁异常同时消失的北极光，他在1808年发表的文章中将这一地面磁扰动现象命名为磁暴。 [16]
1859年9月1日至2日，发生了有记录以来最大的地磁暴。从1859年8月28日到9月2日，在太阳上观测到许多太阳黑子和太阳耀斑，其中最大的耀斑发生在9月1日。这被称为1859年的太阳风暴或卡灵顿事件。根据Colaba天文台的记录，地球磁场的水平分量减少了约1600 nT。据估计，Dst指数大约为- 1760 nT。美国和欧洲的电报线都经历了感应电压增加(emf)，甚至可能对电报操作员造成冲击并引发火灾。南至夏威夷、墨西哥、古巴和意大利都能看到极光，而这种现象通常通常只在极地地区才能看到。随后，1882年11月17日的地磁暴和1921年5月的地磁暴，两者都中断了电报服务并引发了火灾，1960年，由地磁引发的无线电中断被广泛报道。 [16]
2003年10月19日至11月5日期间，太阳上爆发了17次大耀斑，其中包括一个巨大的X28耀斑，导致了11月4日的极端无线电中断。这些耀斑与CME事件有关，CME事件在10月29日至11月2日期间引起了三次地磁爆。整个事件被称为万圣节大磁暴。受地磁爆影响，美国联邦航空管理局(FAA)运营的WAAS系统离线了大约30个小时。日本的ADEOS-2卫星严重受损，许多其他卫星的通讯也因磁爆而中断。 [16]
地磁暴是太阳风高速等离子体对地球磁层作用所产生的短时地磁扰动现象。地磁暴通常发生于太阳日冕物质抛射（coronal mass ejection，CME） 或共转相互作用区域 （co-rotating interaction region，CIR）所产生的高速太阳风与地球磁层发生能量交换，并以低纬地区磁场水平分量在一个小时到十几个小时内急剧下降，并在随后的几天缓慢恢复为主要特征。一般以Dst指数衡量磁暴强度，其扰动幅度通常在几十nT至数百nT。
磁暴是由太阳风的能量和物质注入磁层所导致的，多发生在太阳活动增强期间。太阳日冕物质抛射中的大尺度行星际磁层（IMF）南向分量与地球磁场在向阳面发生重联，使得更多太阳风粒子注入地球磁层，磁层被压缩，磁层内的对流电场增强。等离子层顶也被剥蚀至2-3个地球半径。来自太阳风的离子与从磁尾向内注入的粒子增强了地球环电流，进而引发磁暴。与太阳日冕物质抛射对应的磁暴扰动时间通常为几天，且IMF南向分量强度大，具有明显的激波压缩特征，由此造成的磁暴主相较强而恢复相较短。由共转相互作用区域对应的磁暴持续时间可达数周，IMF南向分量强度小且时断时续，由此造成的磁暴主相较弱而恢复相较长。
地球磁层电流体系示意图在地磁暴期间，磁层最显著的特征是环电流粒子通量增加，进而增强了环电流所造成的地表磁场水平分量的下降，因此磁暴主相的幅度与环电流粒子总能量成正比。随着环电流粒子与中性原子发生电荷交换，并伴随着磁层波动对环电流粒子的散射，环电流中增强的粒子通量会不断消失，最终环电流强度减弱，磁暴强度也相应减弱，磁暴进入恢复相。
有记录以来最大的地磁暴是 1859 年 9 月发生的卡林顿事件（the Carrington Event），该事件摧毁了部分美国电报网络，并引发大火，使电报员触电。在1989年，一场严重的地磁暴使加拿大魁北克省大部分地区停电，人们在美国德克萨斯州观测到了极光。历史上还发生过非常极端的地磁暴事件（如Miyake事件），其导致了树木年轮中放射性碳14含量激增。
CME与冕洞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。
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（Coronal Mass Ejections，CME），另一类是太阳冕洞产生的共转相互作用区（co-rotating interaction region ，CIR）。
日冕物质抛射是太阳日冕中等离子体和磁场的大量喷发现象，其可以携带数十亿吨日冕物质并冻结比背景太阳磁场更强的磁场通量。日冕物质抛射从太阳向外传播的速度从250千米/秒到接近3000千米/秒不等，最快可以在15-18小时内抵达地球。较慢的日冕物质抛射可能需要几天才能到达。当它们远离太阳时，它们的大小会扩大，在抵达地球时，其大小可以达到日地距离的四分之一。在太阳活动极大期，地磁风暴发生的频率更高，其中大部分是由日冕物质抛射驱动的。 [17]
在极紫外(EUV)和软x射线的太阳图像中，日冕洞表现为太阳日冕中的黑暗区域。它们看起来是黑色的，因为它们比周围的等离子体更冷，密度更低，且具有开放的磁场。这种开放的磁场线结构使太阳物质更容易逃逸到太空中，从而产生相对较快的太阳风流，快速太阳风压缩背景慢速太阳风会形成共转相互作用区。 [17]
磁暴发生前后磁层示意图磁暴开始之后，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”。
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。
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。它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。
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。
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。
（磁暴环电流指数）
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。
等级 | 按Dst指数划分 | 按Kp指数划分 |
|---|---|---|
小 | (-50，-30] | 5-，50，5+ |
中等 | (-100，-50] | 6-，60，6+ |
大 | (-200，-100] | 7-，70，7+ |
特大 | (-300，-200] | 8-，80，8+，9- |
超大 | (-∞，-300] | 90 |
参考来源： [20] | ||
地磁暴的连锁反应直接影响
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。
案例
2003年万圣节期间，太阳暴发了一次强磁暴（地磁暴），使欧美的一系列科学卫星都遭受了不同程度的损害，导致全球卫星通信受到干扰 [6]。
2022年2月4日，因为太阳活动产生地磁暴，地球高层大气受热后膨胀导致高层大气密度增加，一批星链卫星在210公里轨道受到的大气阻力剧增，比地磁暴之前阻力增加了50%，这批49颗卫星最终有40颗因未能退出安全模式并启动氪离子推进器。根据SpaceX公布的消息，这批49颗星链卫星仅有9颗工作正常。 [4]美国太空探索技术公司表示，由于遭遇地磁暴，该公司2022年2月3日发射的49颗“星链”卫星中有多达40颗于次日损毁。据信这是单次地磁暴对卫星造成的最大规模破坏。 [5]
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。
目前没有明确证据表明地磁暴会对地球的生物或生命系统产生直接的影响。但对该问题的探索从未停止，如Elchin S. Babayev 等人提出中等及以下的地磁暴不会对大脑的电信号造成明显影响，而在大磁暴期间会对脑信号带来显著干扰。 [21]
在地磁暴期间，人们研究了其对信鸽导航能力的影响。鸽子和其他迁徙动物，如海豚和鲸鱼，体内有包裹在神经细胞中的由磁铁矿物组成的生物罗盘。尽管生物罗盘可能不是鸽子的主要导航方法，但有研究认为，生物罗盘在地磁暴期间将会失灵。 [22]因此，地磁暴带来的电磁扰动可能会对动物导航以及生物电信号产生干扰。需要注意的是，目前尚无确切证据表明地磁暴会直接影响人类的健康和生活。
警报是指对未来几个小时内可能发生的地磁暴等级进行预报，主要包括Kp指数和Dst指数；主要通过在L1点上的太阳风监测来进行的。
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。
短期预报的提前量为1天~3天，主要预报未来3天内Ap指数的日值。预报更多是基于预报员的经验。对于CME引起的地磁暴，可以利用卫星对CME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。
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。
警报级别 | 指标范围 | 可能的影响和危害 |
红色警报 | 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 |
橙色警报 | 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 |
黄色警报 | 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 |
2016年，日本名古屋大学的名古屋大学宇宙地球环境研究所盐田大幸特别助教和日本国立极地研究所片冈龙峰教授带领的研究团队，开发出可再现太阳爆发活动时释放的高速等离子体云和强磁场冲击地球磁层全过程的数据模拟系统，较之以往的系统精确度更高。本项研究成果有望提高对磁暴形成过程及规模的预测精度。 [3]
2016年，印度地磁研究所的Gurbax S. Lakhina教授对未来磁暴发生概率进行了总结。Schrijver等人预测，在未来30年内，发生能量超过1026焦耳的太阳耀斑的概率最高为10%。通过树木年轮分析，已经识别出公元774-775年和公元992-993年大量的14C和10Be增强事件。如果这些事件能够被证实为真正的太阳粒子事件（SPEs），那么这些粒子的能量将在约1026到1028焦耳之间。这种大型SPE的发生率估计为每年10-4到10-3次。Maehara等人分析了开普勒太空望远镜数据，报告说类太阳恒星可以产生高达1028焦耳能量的超级耀斑，大约每5000年发生一次。并且，能量为1026焦耳的超级耀斑大约每500-600年发生一次。如果这种超级耀斑在太阳上发生，伴随的日冕物质抛射（CMEs），可能产生比目前人类所知的地磁爆更为极端的空间天气现象。 [18]
2022年，密西根大学Tuija I. Pulkkinen教授团队利用密歇根大学空间天气建模框架模拟了131次地磁爆的全球空间天气效应。通过将得到的地磁指数与观测到的地磁指数进行了比较，他们发现模拟产生的地磁指数分布与观测到的相似，这些指数与太阳风驱动因素的关系也与观测到的相似。虽然Dst和极区电势的大小与观测值接近，但模拟的AL指数则被低估。对磁层顶位置的分析表明，日下点的位置与经验模型吻合较好，但模拟中的地球磁尾展宽要比经验模型中的小得多。磁尾电流和磁环电流与Dst指数密切相关，表明在磁暴主相阶段，距离超过8个地球半径的磁尾电流对Dst指数的贡献很大。 [19]
2024年4月，太阳活动周已进入峰年阶段。根据最新研判，本轮太阳活动周的峰值预计在2024年至2025年到来，将会有地磁暴等空间天气事件发生。 [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日均发生了大地磁暴级别的地磁活动。 [10]
2023年11月30日，中国气象局国家空间天气监测预警中心发布大地磁暴预警，预报称11月30日、12月1日、2日三天，可能出现地磁暴活动，其中12月1日可能发生中等以上地磁暴甚至大地磁暴，预计地磁活动将延续到12月2日。预报中提示，此次太阳爆发活动很可能在12月1日制造出强度高且绚丽的极光，中国北部地区，如黑龙江、新疆的部分地区有机会看到红色，甚至是绿色极光。 [7]
2023年12月1日，据中国气象局空间天气中心检测，12月1日、2日，中国可能出现地磁暴活动，其中，12月1日可能发生中等以上地磁暴甚至大地磁暴 [8]；12月2日，根据国家空间天气监测预警中心的监测和预报，受太阳冕洞高速太阳风和12月1日CME的共同影响，12月4日可能发生小到中等地磁暴 [9]。
