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磁暴

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磁暴磁暴即当太阳表面活动旺盛,特别是在太阳黑子极大期时,太阳表面的闪焰爆发次数也会增加,闪焰爆发时会辐射出X射线紫外线可见光及高能量的质子和电子束。其中的带电粒子(质子电子)形成的电流冲击地球磁场,引发短波通讯所称磁暴。磁暴时会增强大气中电离层的游离化,也会使极区的极光特别绚丽,另外还会产生杂音掩盖通讯时的正常讯号,甚至使通讯中断,也可能使高压电线产生瞬间超高压,造成电力中断,也会对航空器造成伤害。

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研究简史 编辑本段回目录

美国宇航局在2002年7月1日捕捉到巨型磁暴在太阳内部爆发的图像(绿圈内
巨型磁暴在太阳内部爆发的图像(绿圈内)
19世纪30年代 C.F.高斯韦伯建立地磁台站之初,就发现了地磁场经常有微小的起伏变化。1847年,地磁台开始有连续的照相记录。1859年9月1日,英国人卡林顿在观察太阳黑子时,用肉眼首先发现了太阳耀斑。第二天,地磁台记录到 700纳特的强磁暴。这个偶然的发现和巧合,使人们认识到磁暴与太阳耀斑有关。还发现磁暴时极光十分活跃。19世纪后半期磁暴研究主要是积累观测资料。

20世纪初,挪威的K.伯克兰从第一次国际极年(1882~1883)的极区观测资料,分析出引起极光带磁场扰动的电流主要是在地球上空,而不在地球内部。为解释这个外空电流的起源,以及它和极光、太阳耀斑的关系,伯克兰和F.C.M.史笃默相继提出了太阳微粒流假说。到30年代,磁暴研究成果集中体现在查普曼·费拉罗磁暴理论中,他们提出地磁场被太阳粒子流压缩的假说,被后来观测所证实。

50年代之后,实地空间探测不但验证了磁暴起源于太阳粒子流的假说,并且发现了磁层,认识了磁暴期间磁层各部分的变化。对磁层环电流粒子的存在及其行为的探测,把磁暴概念扩展成了磁层暴。

磁暴和磁层暴是同一现象的不同名称,强调了不同侧面。尽管磁暴的活动中心是在磁层中,但通常按传统概念对磁暴形态的描述仍以地面地磁场的变化为代表。这是因为,人们了解得最透彻的仍是地面地磁场的表现。

形态 编辑本段回目录

太阳磁暴冲击地球引发绚烂极光
太阳磁暴冲击地球引发绚烂极光
在磁暴期间,地磁场的磁偏角和垂直分量都有明显起伏,但最具特征的是水平分量H。磁暴进程多以水平分量的变化为代表。大多数磁暴开始时,在全球大多数地磁台的磁照图上呈现出水平分量的一个陡然上升。在中低纬度台站,其上升幅度约10~20纳特。这称为磁暴急始,记为SSC或SC。急始是识别磁暴发生的明显标志。有急始的磁暴称为急始型磁暴。高纬台站急始发生的时刻较低纬台站超前,时间差不超过1分钟。

磁暴开始急,发展快,恢复慢,一般都持续两三天才逐渐恢复平静。磁暴发生之后,磁照图呈现明显的起伏,这也是识别磁暴的标志。同一磁暴在不同经纬度的磁照图上表现得很不一样。为了看出磁暴进程,通常都需要用分布在全球不同经度的若干个中、低纬度台站的磁照图进行平均。经过平均之后的磁暴的进程称为磁暴时(以急始起算的时刻)变化,记为Dst。

磁暴时变化大体可分为3个阶段。紧接磁暴急始之后,数小时之内,水平分量较其平静值大,但增大的幅度不大,一般为数十纳特,磁照图相对稳定。这段期间称为磁暴初相。然后,水平分量很快下降到极小值,下降时间约半天,其间,磁照图起伏剧烈,这是磁暴表现最活跃的时期,称为磁暴主相。通常所谓磁暴幅度或磁暴强度,即指这个极小值与平静值之差的绝对值,也称Dst幅度。水平分量下降到极小值之后开始回升,两三天后恢复平静,这段期间称为磁暴恢复相。磁暴的总的效果是使地面地磁场减小。这一效应一直持续到恢复相之后的两三天,称为磁暴后效。通常,一次磁暴的幅度随纬度增加而减小,表明主相的源距赤道较近。

同一磁暴,各台站的磁照图的水平分量H与平均形态Dst的差值,随台站所在地方时不同而表现出系统的分布规律。这种变化成分称为地方时变化,记为DS。DS反映出磁暴现象的全球非轴对称的空间特性,而不是磁暴的过程描述。它表明磁暴的源在全球范围是非轴对称分布的。

磁照图反映所有各类扰动的叠加,又是判断和研究磁暴的依据,因此实际工作中往往把所有这些局部扰动都作为一种成分,包括到磁暴中。但在建立磁暴概念时,应注意概念的独立性和排他性。磁暴应该指把局部干扰排除之后的全球性扰动。

成因编辑本段回目录

电离层物理模式配合福卫一号电离层电场观测所模拟出来的电离层电子浓度在美洲地区随高度与纬度的分布。图a为磁暴发生之前的电离层电子浓度分布情形, 图b则显示了磁暴效应所造成的电离层剧烈扰动

模拟出来的电离层电子浓度在美
洲地区随高度与纬度的分布。上图
为磁暴发生之前的电离层电子浓度
分布情形, 下图则显示了磁暴效应所
造成的电离层剧烈扰动

太阳耀斑的喷出物常在其前缘形成激波,以1000公里/秒的速度,约经一天,传到地球太阳风高速流也在其前缘形成激波,激波中太阳风压力骤增。当激波扫过地球时,磁层就被突然压缩,造成磁层顶地球一侧的磁场增强。这种变化通过磁流体波传到地面,表现为地面磁场增强,就是磁暴急始。急始之后,磁层被压缩,压缩剧烈时,磁层顶可以进入同步轨道之内。与此同时磁层内的对流电场增强,使等离子体层收缩,收缩剧烈时,等离子体层顶可以近至距地面2~3个地球半径。如果激波之后的太阳风参数比较均匀,则急始之后的磁层保持一段相对稳定的被压缩状态,这对应磁暴初相。

磁暴期间,磁层中最具特征的现象是磁层环电流粒子增多。磁层内,磁赤道面上下4个地球半径之内,距离地心2~10个地球半径的区域内,分布有能量为几十至几十万电子伏的质子。这些质子称为环电流粒子,在地磁场中西向漂移运动形成西向环电流,或称磁层环电流,强度约106安。磁层环电流在磁层平静时也是存在的。而磁暴主相时,从磁尾等离子体片有大量低能质子注入环电流区,使环电流幅度大增。增强了的环电流在地面的磁效应就是H分量的下降。每注入一次质子,就造成H下降一次,称为一次亚暴,磁暴主相是一连串亚暴连续发生的结果。磁暴主相的幅度与环电流粒子的总能量成正比。磁暴幅度为100纳特时,环电流粒子能量可达4×1015焦耳。这大约就是一次典型的磁暴中,磁层从太阳风所获得并耗散的总能量。而半径为 3个地球半径的球面之外的地球基本磁场的总能量也只有3×1016焦耳。可见,磁暴期间磁层扰动之剧烈

磁层亚暴时注入的粒子向西漂移,并绕地球运动,在主相期间来不及漂移成闭合的电流环,因此这时的环电流总是非轴对称的,在黄昏一侧强些。

除主相环电流外,在主相期间发生的亚暴还对应有伯克兰电流体系。伯克兰电流体系显然是非轴对称的。它在中低纬度也会产生磁效应,只不过由于距离较远,效应较之极光带弱得多。它和主相环电流的非轴对称部分的地磁效应合在一起就是DS场。

由于磁层波对粒子的散射作用,以及粒子的电荷交换反应,环电流粒子会不断消失。当亚暴活动停息后,不再有粒子供给环电流,环电流强度开始减弱,进入磁暴恢复相。

所有这些空间电流,在地面产生磁场的同时,还会在导电的地壳和地幔中产生感应电流,但是感应电流引起的地磁场变化,其大小只有空间电流引起的地磁场变化的一半。

研究意义 编辑本段回目录

科学家在研究太阳磁暴
科学家在研究太阳磁暴
磁暴观测早已成为各地磁台站的一项常规业务。在所有空间物理观测项目中,地面磁场观测最简单可行,也易于连续和持久进行,观测点可以同时覆盖全球陆地表面。因此磁暴的地面观测是了解磁层的最基本、最有效的手段。在研究日地空间的其他现象时,往往都要参考代表磁暴活动情况的磁情指数,用以进行数据分类和相关性研究。

磁暴引起电离层暴,从而干扰短波无线电通讯;磁暴有可能干扰电工磁工设备的运行;磁暴还有可能干扰各种磁测量工作。因此某些工业和实用部门也希望得到磁暴的预报和观测资料。

磁暴研究除了上述服务性目的之外,还有它本身的学科意义。磁暴和其他空间现象的关系,特别是磁暴与太阳风状态的关系,磁暴与磁层亚暴的关系,以及磁暴的诱发条件,供应磁暴的能量如何从太阳风进入磁层等等问题,至今仍是磁层物理最活跃的课题。磁暴作为一种环境因素,与生态的关系问题也开始引起人们的注意和兴趣。

影响编辑本段回目录

对城市的影响

磁暴发生时的太阳
磁暴发生时的太阳
大城市的每个住家里,其电磁环境都存在很大问题。一个个钢筋水泥盒子破坏了自然场,而家用电器又产生了大量有别于自然环境的电磁场。

可遗憾的是,任何一座大城市的这么一个普普通通问题,还有就是无线电通讯、日常办公和生活所使用的电器所产生的电磁辐射,却又无法避免。其中电磁辐射最强的当数微波炉无氟冰箱抽油烟机电烤箱电视机

电磁场对居民身体的不良影响是当今社会的一个相当现实的问题,不仅专家和科学家在积极探讨,全世界的舆论也在予以关注。尤其是现在,实际上所有大城市市内和城外相当大的一部分地域都被移动通讯系统的电磁辐射所覆盖,这个问题变得更加尖锐。

对细胞的影响
为了弄清这种情况会对我们的身体健康有多大的危险,很有必要提到细胞的交际语言之一——电磁波。正是在电磁波的帮助下,细胞才有可能互相传递信息,其中包括一些得绝对服从的重要指令。

接到这种指令之后,细胞马上重新调整自己的工作,但是它并不总是能分辨所接到的指令是否合理,只能像个士兵一切统统照办。可是,如果它接到的指令是相互排斥、相互矛盾的呢……

如果我们工作的地方长期在同时使用好几件能产生磁场的电器,我们的细胞就会是这个反应,因为这种环境会产生大强度的磁暴。

人处在磁暴中到底会有些什么反应对我们不少人已经不是秘密:血压突变,头疼,心血管功能紊乱,等等。

不过这都还只是表面现象,因为更严重的,乃至不可逆转的过程发生在细胞内部。

老鼠做的试验表明,在电磁场的影响下,动物的举动变得具有攻击性。老鼠会无缘无故地发火,拼命地在笼子里跑来跑去,久久都恢复不了正常。

世界卫生组织专家们得出的结论,一个表面看上去健康的孩子暴死的综合征、艾滋病、慢性疲劳和精神萎靡全都是电磁场对人体影响的结果。尤其是孩子对电磁场的不良影响最为敏感。

电磁场同长寿的关系

俄专家称:30年来最强太阳磁暴可能威胁人类健康.jpg
俄专家称:30年来最强太阳磁暴可能威胁人类健康
有人问:那电磁场究竟同现代人的寿命有何关系?对此俄罗斯医学副博士、组织学教研室助教德米特里·阿佳克申有自己的见解。

他认为,电磁场对我们身体细胞的任何生命过程都在施加影响。这就意味着也影响到对诸如细胞的遗传器官、蛋白合成、能量传递与利用、细胞膜以及其他一些跟衰老起到关键作用的系统。

再说,由于人类活动而形成的电磁场辐射对细胞的生命过程及其“自我感觉”进行粗暴干涉,尤其是近些年来这种干涉越来越大。比如说,近50年来电磁场的强度比过去已是几十倍,甚至是几百倍地增长,这对人体细胞不能不说是最大的灾难。

其结果是细胞的机能遭到破坏,肌肉组织器官中的细胞数量骤减,它们之间变得不再“了解”,这就会导致整个机体不再能统一正常发挥职能。而重要的是,任何磁场都具有对人的生命系统组织起到破坏作用的频率和振幅渠道,从而加速人的衰老。即使是人能逃避电磁场的影响,但也于事无补。因为人体细胞能“牢记”电磁场的影响,而后者的生物效应又“习惯于”积累,所以它们往往会引起神经系统的退化,还会引发白血病、荷尔蒙紊乱,可能还会引发肿瘤。

世界卫生组织1996-2000年的“电磁场与人的健康”国际科学规划指出,诸如癌症、行为发生变化、失忆、帕金森老年性痴呆艾滋病以及包括自杀率上升等其他诸多现象都是电磁场影响的结果。

阿佳克申还认为,人体内就数神经系统免疫系统内分泌系统生殖系统的细胞对磁场的作用最敏感。在电磁场的作用下,神经系统内细胞间的信息传递系统失灵,大脑的整个工作瘫痪,最后导致行为变异、失忆和对周围发生的事件无法进行正确的判断。电磁场一分钟或一小时的作用所引起的过程可以在神经系统延续好几个星期和几个月。经研究发现,凡长期接触电磁场的人,即使是强度不大,都爱变得神经紧张。

生命在于运动
电磁场最容易对神经系统免疫系统内分泌系统生殖系统产生影响。

免疫系统的改变会产生过敏反应,降低身体的抗感染力。除此之外,近些年还发现电磁场容易致癌。

内分泌系统受到电磁场的影响,会降低人体对外界环境的适应能力。

由此看来,电磁场无疑是促使细胞衰老的一个重要因素。

既然电磁场的影响无法避免,那能不能哪怕稍稍减少呢?

首先是尽量少在产生电磁场的电器旁工作,或者把这些电器摆在稍远一些的地方。其次是加强运动,努力激活体内的细胞,保持其旺盛的生命力。也就是说,最大限度地提高它们对病毒细菌辐射的抵抗力。

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