還記得前段時間霸榜熱搜的絢麗極光嗎？當時有很多人在中國的新疆、黑龍江、內蒙古、甘肅等地看到了美麗的極光，甚至在北京、山東等緯度更低的地方，也有網友曬出美麗的粉色極光。很多人追逐極光開車前往郊外，開啟說走就走的旅行，享受到了「極地遊」的極致浪漫體驗。
與罕見的極光一起到來的還有地磁暴。5月11日，國家空間天氣監測預警中心罕見地釋出了最高等級的紅色預警，讓許多人戰戰兢兢地度過了兩天。
5月11日淩晨在新疆阿勒泰拍到的極光
（圖片來源：浦石）
其實，這次的極光和地磁暴有一個共同的締造者——太陽表面超大黑子活動區AR3664。它連續拋射出多團電漿「襲擊」了地球磁場，引發了劇烈的地磁擾動，為我們帶來夢幻的極光美景和史詩級的地磁暴。
6月3日夜間在美國威斯康辛州短暫出現的極光
（圖片來源：Jim Peacock）
5月29日，「極光制造者」AR3664帶著新的編號AR3697又重新出現在地球的視野中，並於6月3日又引起了一次短暫、小範圍的極光。隨後出現了一個新的黑子群AR3712，規模直追AR3664/3697。多次出現的超大太陽黑子會不會讓地磁暴和極光頻繁出現？太陽黑子、地磁暴、極光之間又是什麽關系呢？
地磁暴與極光——混亂與絢麗的一體兩面
首先我們要明確一點，地磁暴和極光經常一起出現，但並不構成必然的因果關系，引發它們的源頭都是太陽。
太陽光球上有時會呈現出比周圍黑暗的斑點，這就是太陽黑子。太陽黑子聚集處存在強磁場和電漿變化，黑子處往往激發太陽風暴。
太陽風暴形成後，巨大的電漿粒團以每秒數十到幾千公裏的速度被拋射出太陽，太陽就像打了個大噴嚏一樣，把「飛沫」拋了出去，這個太陽「打噴嚏」的過程就是日冕物質拋射（Coronal Mass Ejection, CME）。日冕物質拋射一旦沖擊地球，會產生劇烈的磁擾動，但我們的地球磁場在很大程度上可以抵擋它。與此同時，太陽還會發生耀斑（Flare），強烈的放射線照向地球，但大多會被我們的大氣層吸收。對我們來說，太陽的這個「噴嚏」一旦對著地球飛來，地球可要不太平了。
日冕物質拋射影響磁場並產生極光的模擬動畫（左下圖是日珥驅動日冕物質拋射產生過程）
（圖片來源：素材來自SOHO衛星官網，作者制作）
太陽丟擲的這團物質是數十億噸、內建電磁場的電漿粒團，它們以極快的速度沖向地球，平靜的地球磁場難以招架如此猛烈的沖擊，自然會混亂不堪。
地球上空的磁層電流會引發地球磁場產生「應激」反應：磁場的變化量會先突然轉北，然後在幾個小時內轉南，而後要花幾天甚至十幾天的時間來恢復平靜。這是整個地球磁場混亂的一個體現，這就是日冕物質拋射引發的地磁暴。
磁暴環電流指數Dst顯示的典型地磁暴過程
（圖片來源：數據來自日本京都大學地磁與空間磁學數據分析中心，作者制作）
雖然發生地磁暴時，地球電磁場十分混亂，但混亂也會伴隨著美麗的現象。環繞南北極圈的空中電流接收到註入的高能粒子，產生劇烈的發光現象，這就是絢麗的極光。
可以說，正是因為日冕物質拋射的襲擊讓地球磁場亂了起來，才有可能產生極光這種奇觀，而日冕物質拋射越準確地擊中地球，就越可能引發地磁暴，也就越有可能引發範圍更大、更壯觀的極光，前段時間的極光和地磁暴就是太陽上一個擁有16個地球寬的黑子AR3664連續噴出的多團電漿引發的。
造成5月11日極光和磁暴的日冕物質拋射事件發生在5月8日
（圖片來源：NOAA-SWPC LASCO C3）
太陽黑子AR3697與AR3712——「王者」歸來與「新王」誕生
如果你有機會每天都能看一眼太陽的樣子（註意！不要在沒有科學防護措施的情況下直視太陽！），就會發現，太陽表面的黑子在自西向東轉。這是因為太陽和我們地球一樣，都存在自轉的現象，太陽赤道自轉一周的時間大約是27個地球日。
小規模的黑子群存活時間往往不長，我們可能見不到它們第二面，然而前段時間的「王者黑子」AR3664就不一樣了，它面積超大，堪比歷史最強；它續航超長，太陽自轉一周後它仍然存活；它精力超旺，它持續爆發著超強的能量。
黑子AR3664跟隨日面旋轉
（圖片來源：數據來自NASA，作者制作）
5月29日，在AR3664跟著太陽旋轉一周後，它帶著新的編號AR3697重新進入了我們的視野；一天後，AR3697還造成了美洲上空短波無線電中斷了90分鐘之久；6月8日，在AR3697即將隨著太陽自轉離開我們視野的前夕，又爆發了一次非常壯觀的太陽耀斑，將大量電漿噴射到太空中，好在這次沒有正對地球，噴射出的物質和我們擦身而過。
黑子群AR3697在6月8日產生的一次M9.7級耀斑
（圖片來源：spaceweather）
AR3697隨著太陽自轉再次離開我們的視野，它的強大讓我們甚至可以期待能見到它的第三次回歸。但是在此之前，我們或許又將見證一次「新王」誕生——黑子群AR3712。這個黑子群從6月13日開始出現，從無到有，逐漸變大，現在的寬度已經達到地球半徑的8倍，還有繼續增大的趨勢，並且具有「β-γ-δ」這一最復雜的磁場型別，極有可能在之後爆發X級大耀斑。
黑子群AR3712在快速生長（最後一幀拍攝於6月16日，寬度已達地球直徑的8倍）
（圖片來源：spaceweather）
期待極光再相遇，也要防範超強地磁暴
從6月8日爆發的這個大耀斑看，黑子AR3697還依然活力四射；剛剛生長出來的AR3712看起來也威力十足。如果它們爆發時噴出的電漿正好對向地球，我們就很有可能在一兩天後再次欣賞到美麗的極光。
然而，正如前文所說，美麗和混亂是共生的。如果爆發過於強烈，或許我們就無心欣賞極光了。以史為鑒，我們來看看歷史上的超強地磁暴都造成過什麽災難。
1859年的超級黑子「卡林頓事件」（和AR3664大小相當），據觀測，當時的太陽表面有肉眼可見的閃光，地磁儀的指標因超強的地磁強度而跳出了刻度範圍，各地電報局電報機在不停地閃著火花，甚至電線也被熔化了。高緯度地區的人們都能看到天空中五顏六色的北極光，午夜分時不用點燈都能閱讀報紙，大大小小的異常現象持續了長達8天。
AR3664與引起卡林頓事件的超大黑子對比
（圖片來源：spaceweather）
1989年的超大磁暴（振幅是今年5月11日磁暴的1.5倍），當時的人們和我們一樣興高采烈地欣賞著罕見的極光。但在3月13日淩晨地磁暴達到最大的時候，磁暴激發的感應電流突破了加拿大魁北克省的電力系統，在不到一分鐘的時間內擊毀了多個變電站，整個魁北克省21500百萬瓦的電力系統瞬間崩潰。而受影響相對小些的美國也有200多個變壓器或繼電器陸續出現大大小小的問題。
1989年因地磁暴燒毀的變壓器
（圖片來源：NOAA-SWPC）
除此之外，衛星和正在執行任務的發現號太空梭也受到了不同程度的影響，同年6月烏拉爾地區的一條天然氣管道發生爆炸，最終也被證實是由於這次超強地磁暴在金屬管道中感應出了電流，這個電化學作用加速了管道的腐蝕，最終釀成悲劇。
太空梭受到地磁暴影響的報道（發現號太空梭遭遇突發情況恐將縮短飛行計劃）
（圖片來源：紐約時報1989年3月15日的報道）
其實類似的事件有很多，國際太空站、神舟五號都遇到過類似的險情，好在做出了恰當的應對措施提升軌域，避免了悲劇發生。
空間天氣預報：把「天氣預報」搬上太空
上文提到的這些案例距離我們年代久遠，如今，我們已經有了更多應對超強磁暴的辦法，而這其中很重要的一環，是空間天氣預報。
對地磁、太陽等空間環境的監測已成為現代社會越來越重要的一環，就像天氣預報對農業生產的重大意義。例如我們可以使用觀測裝置「盯著」太陽，利用光速比太陽風和日冕物質拋射速度快的原理，發現太陽「發脾氣」後，立刻對相關部門預警，讓電力、航天等部門做好防護措施，從而避免遭受損失。
子午工程二期「圓環陣太陽射電成像望遠鏡」
（圖片來源：空間環境地基綜合監測網官網）
中國的「羲和」「誇父」兩顆專門對日觀測的衛星已經業務化執行，「子午工程」的圓環陣太陽射電成像望遠鏡也建設完成，它們將協同所有空間天氣觀測裝置一同擔起監測預警的任務來保護我們的家園。
2024年正值太陽黑子高發年，有了它們，我們可以放心期待一眾超大黑子可能會為我們帶來的極光盛宴，而不用過於擔心它們引起的超強磁暴帶給我們的無法彌補的損失了。
致謝：
感謝以下人員對本文提出修改意見：孫楊軼、邱世燦、梁宇、林愷、張祎楠。
參考文獻：
[1] Parker E. N. Cosmical Magnetic Field-Their Origin and Their Activity [M]. Clarendon Press, 1979.
[2]徐文耀. 地球電磁現象物理學 [M]. 合肥：中國科學技術大學出版社，2009.
出品：科普中國
作者：齊一凡（中國地質大學（武漢））
監制：中國科普博覽
