答：什麼樣的擾動叫地磁暴？

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空少問答

小課堂

第七十八期

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答：什麼樣的擾動叫地磁暴？

上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊《問：什麼樣的擾動叫地磁暴？》~下面就讓我們來看看空少的解答吧！

空少正解

上期我們講到，四年一度的足球世界盃與無線電信號傳播息息相關。有一種對無線電信號傳播以及電網系統有著非常強影響的地球自然現象，叫做地球磁暴，是地球磁場強烈的擾動。那麼，什麼樣的擾動叫地磁暴？它是怎麼產生的呢？

藝術圖：強地磁暴毀壞電網

上一期我們說到地球像個大磁鐵，有自己的磁場，地球磁場的北極在地理的南極附近，地球磁場的南極在地理的北極附近。如果把磁場的方向想像成一根根線（稱為磁力線），地球上某個地方的磁場，有東西南北的方向，也有向上翹或者向下傾的方向，不是固定不變的，外形就像下邊的示意圖所展示的。

地磁場示意圖，虛線代表磁力線，N為磁北極S為磁南極

當然這些磁力線有個共同的特徵，就是大體上都是從南向北，因為所謂磁場方向就是從磁場北極指向南極。人們給地磁場制定了7個要素：如下圖所示，把帶有強度和方向的磁場寫作矢量T，x軸指向地理北，y軸指向地理東，z軸垂直向下，那麼（1）磁場的總磁場強度寫作T；（2）T在水平面的投影與x軸的夾角（即T的方位角）稱為磁偏角（D）；（3）T相對水平面的傾角稱為磁傾角（I）；（4）T在坐標系的水平面的強度投影H稱為水平分量；（5-7）T沿各坐標軸的強度投影X、Y和Z分別稱為北分量、東分量和垂直分量。

地磁要素示意圖

有一種全球性的地球磁場擾動，持續十幾個小時到幾十個小時的時間，期間所有地方的地磁要素都發生劇烈變化，也就是地磁暴。其中地磁水平分量H變化最大，其擾動幅度通常在幾十納特斯拉到幾百納特斯拉之間，最能代表磁暴過程特點。我們需要有一個統一的標準來衡量地磁暴，這就是地磁活動Dst指數。在地球赤道附近，按大致均勻的經度間隔選取4個地磁台站，這4個台站每小時地磁水平強度（上文說的H）變化的平均值即為Dst指數，所以單位是地磁場強度的單位「特斯拉」，正值就是向北的強度變大了，負值就是向北的強度變小了。這個Dst指數平時往往是負幾或者幾十，也有正值，都不大；但是在強擾動下變成-50以下，乃至負幾百，這就反映了地球整體的磁場出現了強的擾動，也就是地球磁暴。下圖是2018年5月每天的Dst指數，在5月5-6日期間Dst指數大幅下降，有一個比較弱的地磁暴。

2018年5月每天的Dst指數，

在5月5-6日期間Dst指數大幅下降，有一個比較弱的地磁暴

現在我們一般認為地球磁暴是來自太陽的高速等離子體攜帶著太陽的磁場衝擊地球磁層（地球磁場在宇宙空間中控制的區域），使磁層壓縮變形。太陽等離子通常攜帶著南北方向轉動的磁場，當磁場轉為南向時，和地磁場發生強的相互作用，會將巨大的能量帶入到地球磁層（不過一般是大量進入地球背面），帶電粒子因為磁層的過程注入到被稱為環電流的地球周圍的電流當中，變化的電流會產生變化的磁場，從而引起全球範圍劇烈的地磁擾動——地磁暴。

留言區·精選

@ 乾

地球磁場的北極在地理的南極附近，地球磁場的南極在地理的北極附近。而這個磁場時不時會發生很大的擾動，我們給它就像地面的風暴一樣起名「地球磁暴」或者簡稱「地磁暴」。 他的產生是強烈的太陽風暴與地球磁場相互作用的結果。

@ 典典去哪

地磁暴通常的特徵是全球範圍磁層磁場的水平分量急劇減少又緩慢恢復的過程，一般來說低緯磁場水平分量的值降低到-50nT及以下的擾動就可以被定義為地磁暴了。而導致水平分量磁場劇減的直接原因就是磁層環電流的增強感生出磁場，從而造成了大尺度的地磁暴。而地磁暴產生的根本原因是太陽活動的增強（例如CME），太陽活動的增強會導致太陽風注入增強，從而導致磁層對流增強，進而導致環電流的增強，最終產生大尺度的地磁暴。

感謝大家的支持，我們下期再見！

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