那这到底是个什么东西呢?其实它是来源于太阳内的异常能量爆发。高能带电粒子主要是氢核、氦核、电子等,之所以说是高能是因为其速度惊人,高达200-800km/s。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。

什么是磁暴?

什么是磁暴

在19世纪的30年代,德国科学家高斯和韦伯就发现了地磁场的微小起伏变化。1859年9月1日,英国人卡林顿在观察太阳黑子时,观测到了太阳耀斑,第二天的地磁台站记录到1600纳特斯拉的强烈地磁扰动,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。当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。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。

地磁暴会产生一系列的连锁反应:对卫星的影响:致使卫星的姿态发生变化,通信卫星将无法正常通信,甚至可能中断通信;气象卫星、军事卫星也无法监测地球。对电网的影响: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。磁暴全球同步,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。

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。

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。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。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


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