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4月的天空有点热闹。
图1. 2023年4月20日发生在南半球的环全混合日食。 （图片来自网络）
4月20日，当月球运行到了地球和太阳之间，掩住了太阳持续不断的光辉，一场罕见的环全混合日食在澳大利亚西北部的一条狭长区域里上演。众多追光追星的摄影师提前到达预测的日食带，占据有利地形，架起长枪短炮，等待着环食的贝利珠和全食的星光乍显。第二天的晚上，在地球另一侧的一点五亿公里之外的太阳上，突然爆发了一次M1.7级的耀斑，耀斑位置位于日面南半球靠近黄道的区域，并且产生了一次全晕日冕物质抛射（full-halo CME），几乎正对着地球飞奔而来。位于倾斜同步轨道上的美国太阳动力学天文台清楚地监测到了这次耀斑和CME的爆发过程，美国国家大气海洋局空间天气预报中心据此给出了CME将于世界时4月24日到达地球、以及将引发G1级地磁暴的预警信息。
图2. 2023年4月21日爆发的M1.7级耀斑以及产生的日冕物质抛射。（视频来自SDO）
4月24日是我国为了纪念第一颗人造地球卫星发射成功而设立的国家航天日。每年这个日子，航天界精英都会举办主题活动，发扬航天精神，畅想太空未来。今年航天日活动的主题是 “格物致知，叩问苍穹”，意即对于太空里的事情，不仅要知其然，还要知其所以然。恰巧在这个值得纪念的日子到来前几天，太阳上爆发了耀斑和CME，按说这次太阳风暴级别也不高，在太阳活动靠近高年的上升期发生这样的事情也算不上什么意外，所以人们也没怎么当回事——主要是预报员没怎么当回事，所以美国大气海洋局的空间天气预报中心只给出了G1的地磁暴预报级别，国内几乎没有给出具体预报级别。然而，合肥主场的航天日主题活动还没有开始，CME却提前几个小时到达了地球，于世界时23日17时左右（北京时24日01时左右）并携带着一个被称为行星际磁场（IMF）的“特殊钥匙”，打开了地球磁场抵御太阳风进入地球附近的大门，来自太阳的超热等离子体——太阳风开始像洪水一样涌入地球的磁保护层——磁层，并引起地球磁场的剧烈扰动，以及南北两极的极光椭圆区迅速向低纬度地区扩展。一大早，已经有来自新疆的目击极光的消息传来。从照片看，整个天空弥漫着紫红色的光，衬托着夜空中闪烁的繁星，很是迷人。这种紫红色的光，是太阳风中的电子经过地球磁场引导和加速后沿着磁力线进入一个围绕着磁极点的椭圆区域上空并与大气中的氮分子碰撞而发出的光。
图3.新疆克拉玛依24日凌晨发生的极光。 （图片来自博客Jeff的星空。 致谢Jeff.Dai.）
地球磁场的剧烈扰动被同步轨道上的GOES卫星记录下来。同步轨道位于距离地面35800公里的赤道上空，这一轨道上的卫星绕地球转动的角度与地球自转的角度同步。由于太阳风绕过地球磁场外围而形成磁层，并对磁层有一个压力效应，因此，同步轨道上向阳面的磁场要强一些，夜晚侧的磁场要弱一些，这一变化规律在没有全球性扰动的情况下显得非常清晰。然而，随着CME的到来，先是地球磁场收到急剧压缩，同步轨道上可以观测到磁场突然上升。然后是磁层顶被压缩到同步轨道的高度，还要更靠近地球，卫星一下子失去了磁层的保护而暴露在太阳风中，遭受太阳风粒子的直接轰击。同时卫星测量到的磁场也不再是地球磁场，而是太阳风携带的太阳磁场，也就是携带出来的行星际磁场IMF。随着太阳风与地球磁场的剧烈拉锯战，卫星观测到的磁场也会处于剧烈扰动中。
图4. 同步轨道上GOES卫星观测到的平行与地球自转轴方向上的磁场变化。 （图片来自NOAA-SWPC）
CME带来的冲击，也会被地面的地磁台站记录下来。由于地球有一个源自地核的磁场，这个磁场以偶极子磁场形态向外延伸，直到遇到了太阳风而受到限制。原因就是太阳风是超热的电离气体，虽然很稀薄，但它却固执地携带来自太阳的磁场，并且拒绝跨越磁力线流动。也就是说，太阳风流动到哪，太阳磁场就会跟随到哪。因此，太阳风等离子体不能越过磁力线进入地球磁场的范围，从而把地球磁场限制在有限的区域内，这个区域称为磁层。磁层就像海湾一样，大海里的波浪阻挡在海湾之外，让海湾里面的海面变得相对平静。由于地球磁场的偶极子结构，就像洋葱一样的层次结构，所以低纬度地区的地磁台站则与更靠近地球的太空区域相连接而不容易受到外来扰动的影响；而高纬地区的地磁台站与更远处的太空区域相连接，更容易收到外来扰动的影响。这次事件中，我国漠河的地磁台站在世界时17：29首先记录到了磁场水平分量受到了急剧压缩，而后发生了明显下降。相对而言，北京的地磁台站变化稍小一些。这种水平分量的明显下降就是由于在太空中围绕地球的向西流动的环电流迅速增强，它产生的南向磁场叠加到地磁场上而形成的。由于这种被称为地磁暴的扰动是全球性的，世界各地的地磁台站注定也记录到了这种扰动过程。
图5. 我国漠河地磁台站记录的地磁水平分量。 （图片来自SEPC）
衡量这种急剧下降的一个指数被称为Dst指数。它是根据位于赤道附近的4个地磁台站观测的每小时地磁水平分量变化值再求平均值得到的。由于位于低纬度地区，它反映的是环电流的变化。截至发稿，Dst指数已经达到了-185 nT，属于强磁暴级别。目测其继续下降的趋势，极有可能突破-200nT而改写这次地磁暴的级别，成为烈磁暴。另一个衡量磁暴的指数Kp指数，是根据位于磁纬度50度附近的高纬地区的13个地磁台站所观测到的每3小时地磁水平分量变化值求对数、再求平均而得到的，从0，0+，1-，1，1+，一直到9-，9，一共28个级别，也一度达到了8，属于强磁暴。按照美国大气海洋局的标准，也达到了G4的强磁暴级别。
CME是从太阳上抛出来的高速运动的一团等离子体，携带着来自太阳的磁场。它在行星际运动传播的过程中，其形态会发生不断变化。由于运动速度可达600公里/s甚至可达1000公里/s，其前沿会产生一个收到压缩的激波层，并且携带着南向磁场。这个南向磁场就是前文说的那个“特殊钥匙”，会开启太阳风通往磁层的大门。而这个压缩的激波层，则会加速太阳风中的质子而产生高能质子事件，也就是使加速的质子以更快速度冲击地球磁层，通过向阳面的磁场重连而进入磁层极盖区，造成极区上空的空气分子电离迅速增加，吸收高频电磁波而形成短波通信受阻，同时也会造成飞越极盖区的卫星面临辐射危险，甚至会造成飞越极盖区的航班收到异常辐射威胁。这次事件中，同步轨道上GOES卫星在世界时4月23日18：20观测到了能量大于10MeV的高能质子通量超过了预警值，形成了高能质子事件。
图6. 同步轨道上GOES卫星观测到的高能质子事件。 （图片来自NOAA-SWPC）
这次事件比预计的来的更快，提前几个小时到达，并开始全球性扰动过程；扰动的级别比预期的明显偏高了3个级别。究其原因，很可能在于21日的耀斑和CME是在日面有一个冕洞的背景下爆发的，冕洞可以发出高速太阳风。也就是说，这个CME是搭上了高速太阳风的顺风车来到地球的，所以才会这么快到达，并且冕洞效应和CME叠加在了一起，造成的地磁暴会更强一些。
“格物致知，叩问苍穹”。这份特别的礼物提醒我们，太空里发生着很多事情，背后隐藏着复杂的物理过程。随着我们探索脚步的前进，地球上的人们将一步一步揭开大自然的面纱，并成为自然环境的驾驭者和享有者。
-作者信息-大雁，有情怀的空间物理学博士，关注科普的一线科学家。
排版：弢弢
审核：六朵、苍翼蝴蝶、苏苏
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