新研究表明五月地磁超级风暴期间大气发生前所未有的变化

5月11日，一场绚烂的极光让美国南部的观星者大吃一惊。同一个周末，一辆由GPS导航的拖拉机偏离了目标。

北极光的可见性与中西部受损的农用设备有何共同之处?

根据弗吉尼亚理工大学的斯科特·英格兰(ScottEngland)共同撰写的两篇论文，这是一次独特强大的地磁风暴。

凯文·克罗夫顿航空航天与海洋工程系副教授英格兰说：“北极光是由高能带电粒子撞击高层大气引起的，而这些粒子受到包括太阳在内的太空中许多因素的影响。”

“在太阳地磁风暴期间，地球周围的空间中会出现更多高能带电粒子，因此我们会看到北极光变亮，并且可以看到北极光的区域扩大到包括通常看不到这种景象的美国本土48个州等地区。”

英格兰与一支由大学和行业合作者组成的团队于5月11日利用NASA的GOLD仪器跟踪了高层大气事件。结果发现，这是过去20年来捕捉到的最强地磁风暴。

他们的发现发表在《地球物理研究快报》的两项研究中，均由英格兰共同撰写。第一项研究由第一作者、科罗拉多大学博尔德分校的迪帕克·卡兰(DeepakKaran)撰写，表明高层大气中粒子的位置和分布发生了前所未有的变化。第二项研究由第一作者、弗吉尼亚理工大学校友J.斯科特·埃文斯(J.ScottEvans)撰写，记录了成分和温度的变化。

在收集的数据中，英格兰指出，首次目睹了一些“令人愉悦的旋涡图案”，并且空气剧烈地远离极光，形成巨大的涡流，使空气以比飓风更大的螺旋状移动。具体观察包括：

低能带电粒子从赤道附近向极光方向不可预测地移动

带电粒子可分为两类：低能粒子和高能粒子，后者可能对在太空中工作的人类造成伤害并损坏电子设备

温度和压力的变化可能导致所见的漩涡和涡流

低能粒子的位置和扩散发生变化，可能对GPS、卫星甚至电网产生负面影响

英格兰说：“随着极光增强，你会看到更多的光，但与此同时，更多的能量进入大气层，使得两极附近的大气层变得非常热，从而开始将空气推离两极，流向赤道。”

“这些数据提出了许多问题，例如，这次地磁风暴期间是否真的发生了与以前不同的事情，或者我们是否只是有更好的仪器来测量这些变化?”

此外，这些变化对于绕大气层该区域运行的人造技术意味着什么?

不仅仅是一场北极光秀

地球上层大气横跨我们上方约60至400英里，与太空接壤，是卫星和国际空间站的栖息地。上层大气由一些与我们生活和呼吸的低层大气相同的粒子组成。

但它还有另一面，即电离层，可以想象成一条电热毯——带电且不断波动。电离层中的带电粒子是使这一空间区域如此动态的原因之一。高层大气和电离层的温度和成分变化很常见。事实上，它们在白天和晚上都会有规律地发生变化，甚至会随着季节的变化而变化。

英格兰表示，地球大气中的粒子受到太空中许多因素的影响，包括太阳活动。在太阳地磁风暴爆发期间，太阳的强烈辐射会改变地球大气中粒子的成分和速度。那么，为什么近几个月来，全球各地以前从未见过北极光的地方都能看到北极光呢?

“太阳黑子、耀斑和风暴的数量会随着我们称之为太阳周期的11年周期而变化，”英格兰说。“随着我们逐渐接近太阳周期的顶峰，我们看到的耀斑数量在过去几年中一直在逐渐增加。”

除了北极光的可见性之外，地磁风暴​​还会对我们的技术产生一系列影响。由于无线电和GPS信号会穿过这种不断波动的“电热毯”，因此大气层的这一层变化会干扰信号并妨碍GPS等导航和通信系统。

地球天气和太空天气的各种因素都会影响这一关键层，但关于高层和低层大气发生变化的原因以及它们如何影响我们所知的生命，仍有许多需要了解。

“这些风暴还会增加流经地球的电流，从而影响使用超长电线的技术设备。近年来，当过多电流流过电线时，电网就会受到影响。在有记录以来最大的地磁风暴——1859年的卡灵顿事件中，这些风暴导致电报系统(当时的巅峰技术)着火，”英格兰说。

科学家怀疑，如果今天发生类似1859年卡灵顿事件的风暴，可能会导致互联网灾难，大量人员和企业无法上网。虽然5月11日的风暴没有造成严重破坏，但预计太阳周期的高峰期将在2025年7月出现，我们还需要大约一年的时间才能知道这些潜在影响。

“我们研究地磁风暴的原因之一是试图建立模型来预测其影响，”英格兰说。“根据太阳周期，我们预计今年看到的状况将持续约两年。”

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