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地磁暴，是地球磁场全球性的剧烈扰动现象。以地磁指数来表征地磁暴的大小。地磁暴的强度可以分为五个级别：小磁暴、中等磁暴、大磁暴、特大磁暴和超大磁暴。

地磁暴是高速等离子体云到达地球空间后，引发的最具代表性的全球空间环境扰动事件。地磁暴的强度可以表征太阳风暴中高速等离子体云的影响大小。地磁暴的强度等级一般用Kp指数和Dst指数这两类地磁指数来划分。在研究中通常采用Dst指数分级，而在预警应用中采用Kp指数。

2024年3月24日、25日和26日三天，从中国气象局了解到，将可能出现地磁活动，其中3月25日可能发生中等以上地磁暴甚至大地磁暴，预计地磁活动将持续到26日。

地磁暴是一种典型的太阳爆发活动。当太阳爆发时，会发生日冕物质抛射，一次抛射能将数以亿吨计的太阳物质以数百到数千米每秒的高速抛离太阳表面。这些物质中不光包括巨大质量与速度汇聚成的动能，还携带着太阳强大的磁场能。它们一旦命中地球，就会引发地磁场方向与大小的变化，即地磁暴。

地磁暴发现历史

19世纪30年代，在德国科学家高斯和韦伯建立地磁台站之初，他们就发现地磁场经常有微小的起伏变化，但当时他们并没有认识到这是由太阳引起的。之后，1859年9月1日，英国人卡林顿在观察太阳黑子时，首先观测到了太阳耀斑。第二天，地磁台站记录到1600纳特斯拉的强烈地磁扰动。这个偶然的发现和巧合，使他认识到地磁扰动居然与太阳爆发活动有关。

地磁暴现象描述

作为最典型的太阳爆发活动，一次日冕物质抛射过程，能将数以亿吨计的太阳物质以数百千米/秒的高速抛离太阳表面，不光是巨大质量与速度汇聚成的动能，它们还携带着太阳强大的磁场能，一旦命中地球，就会引发地磁场方向与大小的变化，即地磁暴。

地磁暴强度划分

地磁暴的强度划分主要依据特定的地磁指数来进行。这些指数能够反映地磁活动的剧烈程度，从而帮助我们了解地磁暴的强度等级。

具体来说，常用的地磁指数包括Dst指数和Kp指数。Dst指数，即地磁扰动指数，是测量太空天气条件的重要指标，它通过测量地球磁场水平分量的变化来反映地磁暴的强度。而Kp指数，即全球磁场指数，则反映了每三小时地球磁场活动的情况，数值越大，对应的地磁活动越强。

根据Dst指数的变化，地磁暴的强度可以分为五个级别：小磁暴、中等磁暴、大磁暴、特大磁暴和超大磁暴。

同时，Kp指数也用于划分地磁暴的强度等级。根据Kp指数的变化，可以将地磁活动分为平静、不平静、活动、小、大、强烈等不同等级。

地磁暴形成原因

高速等离子体云从太阳日冕抛射出来，相对背景太阳风速度更高，携带着日冕磁场冲击地球磁层，使磁层压缩变形。并且它通常携带南北方向转动的磁场，当磁场转为南向和地磁场相互作用时，太阳风会将巨大的能量倾泄到磁尾的大尺度空间中，使磁尾等离子体片中大量的带电粒子注入到环电流中，使环电流强度发生变化，而变化的电流会产生变化的磁场，从而引起全球范围剧烈的地磁扰动——地磁暴。

能够产生高速太阳风并引发强的行星际磁场南向分量的源有两类，一类是太阳日冕物质抛射（CME），另一类是太阳冕洞。

地磁暴发展过程

地磁暴发生时，这种全球性的剧烈扰动会在整个磁层持续十几个小时到几十个小时的时间，所有地磁要素都发生剧烈变化。其中地磁水平分量H变化最大，其扰动幅度通常在几十纳特斯拉到几百纳特斯拉之间，最能代表磁暴过程特点（其变化在中低纬度地区表现得最为突出），所以，磁暴的大部分形态学和统计学特征是依据中低纬度H分量的变化得到的。典型磁暴的发展过程也是按照H分量的变化来划分的，通常可分为三个阶段：初相、主相和恢复相。

1. 初相

   磁暴开始之后，在全球各经度上，地磁水平分量在高于暴前值的水平上起伏变化，持续时间为几十分钟到几个小时，这个阶段叫做“初相”。

2. 主相

   初相结束后，H分量突然下降，半小时至数小时之内下降到极小值，称为“主相”。主相是磁暴的主要特点，磁暴的大小就是用主相阶段H分量下降最低点的幅度来衡量，一般磁暴H分量下降为几十到几百纳特斯拉，个别大磁暴可超过1000纳特斯拉。

3. 恢复相

   主相之后，H分量逐渐向暴前水平恢复，在此期间，磁场仍有扰动起伏，但总扰动强度逐渐减弱，一般需要2~3天才能完全恢复平静状态，这一阶段叫做“恢复相”。

地磁指数

概括来讲，地磁指数就是以地磁监测数据为基础，描述某一时间段内地磁扰动的总体强度或某类磁扰强度的分级指标。它是基于基础理论和实际应用需要，根据一个台站或全球台站的实际测量资料，用方便易行的分类和简单明了的指标，对地磁活动性进行总体特征检阅和总体形态描述，从宏观角度把握全球或区域的地磁场变化规律。

地磁活动指数按照物理意义，可以分为两大类：第一类是描述地磁活动的总体水平，而不考虑地磁扰动具体类型的指数，其中应用较广泛的有K指数、Kp指数、Ap指数；第二类是为了描述特定类型磁扰或特定区域磁扰而设计的指数，其中Dst指数应用较为广泛。

1. K指数

   称为“三小时磁情指数”，是描述单个地磁台站3小时时段内地磁扰动强度的指数。取0到9共分10级，0表示地磁活动平静，9表示地磁扰动幅度最大。

2. Kp指数

   由全球地磁台网中13个地磁台站的K指数计算得到的，用于表示全球地磁活动性，每3小时一个值，取值范围从0到9，共分28级：00，0+，1-，10，1+,…,9-，90。其值逐渐增大表示地磁扰动逐渐增强。在日常的应用中，一般把Kp=5、6称为中小地磁暴，Kp=7、8、9称为大地磁暴。

   Kp指数与磁扰幅度不是线性关系，而是近似于对数关系。为了表示磁扰变化幅度，又在Kp指数的基础上定义了全球性的“三小时等效幅度”ap指数，单位为2纳特斯拉。一天8个ap指数的平均值可以作为全天地磁活动水平的量度，即为Ap指数，Ap指数的范围由0到400，其值越大，表示地磁扰动幅度越大。

3. Dst指数（磁暴环电流指数）

   在地球赤道附近，按大致均匀的经度间隔选取四个地磁台站，这四个台站每小时地磁水平强度变化的平均值即为Dst指数。它的单位是纳特斯拉，其范围可由正几十纳特斯拉到负几千纳特斯拉不止，并且其值逐渐减小表示磁扰幅度逐渐增大。

地磁暴危害及影响

地磁暴期间，高能粒子沉降和焦耳加热等过程使低层大气受热膨胀，引起高层大气密度增加；高层大气密度、成分和风场的变化，会引起电离层暴；磁层剧烈扰动时，磁尾中的热等离子体被加速向地球方向运动，形成热等离子体注入；带电粒子沿磁力线沉降，轰击高层大气，形成绚烂多彩的极光；磁层扰动期间，磁层中的电子可能被加速至很高的能量，引起全球范围的高能电子增强现象——高能电子暴。

1. 对卫星的影响

   直接影响：当地磁场扰动时，磁场方向和大小的改变会影响它们之间的力矩，致使卫星的姿态发生变化。卫星的姿态发生变化后，通信卫星将无法正常通信，甚至有时可能会中断通信；气象卫星、军事卫星也无法监测地球。

   间接影响：当强磁暴发生时，磁层顶部由于受到高速太阳风的剧烈挤压而被压缩到地球同步轨道之内，发生同步轨道磁层顶穿越事件。此时不仅会因所处的磁场环境发生变化而影响姿态，还会因为失去了磁场的保护而直接受到太阳风的冲击。当地磁暴发生时，焦耳加热和极光粒子沉降加热引起全球高层大气增温，密度和成分发生变化。当大气密度陡增，大气阻力会突然加大，加速了航天器衰减的速度，从而导致其偏离预计航道，甚至提前掉入低层大气而陨落。

   案例

   2003年万圣节期间，太阳暴发了一次强磁暴（地磁暴），使欧美的一系列科学卫星都遭受了不同程度的损害，导致全球卫星通信受到干扰。

   2022年2月4日，因为太阳活动产生地磁暴，地球高层大气受热后膨胀导致高层大气密度增加，一批星链卫星在210公里轨道受到的大气阻力剧增，比地磁暴之前阻力增加了50%，这批49颗卫星最终有40颗因未能退出安全模式并启动氪离子推进器。根据SpaceX公布的消息，这批49颗星链卫星仅有9颗工作正常。美国太空探索技术公司表示，由于遭遇地磁暴，该公司2022年2月3日发射的49颗“星链”卫星中有多达40颗于次日损毁。据信这是单次地磁暴对卫星造成的最大规模破坏。

2. 对电网的影响

   强磁暴时，地磁场会发生剧烈扰动变化，变化的地磁场会在土壤电阻率高的地区产生每公里几伏特到十几伏特，持续时间从几分钟到几小时的地面电势（Earth Surface Potential，ESP）。而在高压、超高压输电系统中，由于电网变压器中性点直接接地，所以ESP会在东西走向、长距离输电线路与大地构成的回路中产生地磁感应电流（Geomagnetically Induced Currents, GIC）。容易引起大型变压器半波饱和而缩短其使用寿命，极端情况下会使其烧毁而造成永久损坏。

   同时，由于磁暴的发生是全球同步，因此GIC会使整个电网范围内数百台变压器同时发生半波饱和，造成一些保护装置产生跳闸等误动作，致使供电系统电压严重下降导致系统崩溃，从而引发大面积停电事故。

地磁暴预报

根据预报时间提前量，地磁暴预报又分为警报、短期预报和中期预报。

1. 警报

   警报是指对未来几个小时内可能发生的地磁暴等级进行预报，主要包括Kp指数和Dst指数；主要通过在L1点上的太阳风监测来进行的。

2. 短期预报

   短期预报的提前量为1天~3天，主要预报未来3天内Ap指数的日值。预报更多是基于预报员的经验。对于CME引起的地磁暴，可以利用卫星对CME的立体观测结果进行预报；对于CIR引起的地磁暴，主要参考其之前曾引起的行星际太阳风和地磁场变化情况来进行。

3. 中期预报

   中期预报的时间提前量一般为几天到几个月，主要预报未来一个月内Ap指数日值，依赖于对CME和CIR发生可能性的预报。

地磁暴警报级别

对于地磁暴警报级别的划定，通常以Kp指数表征。地磁Kp=9为强地磁暴，发红色警报；地磁Kp>7为中等地磁暴，发橙色警报；地磁Kp>5为弱地磁暴，发黄色警报。在一个太阳活动周中，弱地磁暴发生次数约2000次，中等地磁暴约300次，而强地磁暴仅为几次。

地磁暴研究进展

2016年，日本名古屋大学的名古屋大学宇宙地球环境研究所盐田大幸特别助教和日本国立极地研究所片冈龙峰教授带领的研究团队，开发出可再现太阳爆发活动时释放的高速等离子体云和强磁场冲击地球磁层全过程的数据模拟系统，较之以往的系统精确度更高。本项研究成果有望提高对磁暴形成过程及规模的预测精度。

地磁暴历次记录

2023年2月27日、3月23、24日、4月23、24日、9月19日，12月1、2日均发生了大地磁暴级别的地磁活动。

2023年11月30日，中国气象局国家空间天气监测预警中心发布大地磁暴预警，预报称11月30日、12月1日、2日三天，可能出现地磁暴活动，其中12月1日可能发生中等以上地磁暴甚至大地磁暴，预计地磁活动将延续到12月2日。预报中提示，此次太阳爆发活动很可能在12月1日制造出强度高且绚丽的极光，中国北部地区，如黑龙江、新疆的部分地区有机会看到红色，甚至是绿色极光。

2023年12月1日，据中国气象局空间天气中心检测，12月1日、2日，中国可能出现地磁暴活动，其中，12月1日可能发生中等以上地磁暴甚至大地磁暴；12月2日，根据国家空间天气监测预警中心的监测和预报，受太阳冕洞高速太阳风和12月1日CME的共同影响，12月4日可能发生小到中等地磁暴。

2024年3月24日、25日和26日三天，从中国气象局了解到，将可能出现地磁活动，其中3月25日可能发生中等以上地磁暴甚至大地磁暴，预计地磁活动将持续到26日。

地磁暴重大事件

1. 1859年

   目前已知科学记录的最大地磁暴与极光事件是1859年的“卡林顿事件”，导致欧洲部分地区的电报设备融化和长达8天的恶劣空间天气。由于当时主要依靠蒸汽机和劳力,还没有人造卫星、无线电通信和现代的电力传输网络，太阳风暴并未给地球带来过于严重的灾难。

2. 1989年

   1989年3月发生的超级地磁暴，导致加拿大魁北克电网系统完全瘫痪，大部分地区9个小时才恢复供电。这次事件还使澳大利亚输油管道受损，大西洋和太平洋海底电缆出现高压脉冲；美国GOES-7卫星损失了一半太阳能电池，致使其寿命缩短一半；日本通信卫星CS-3B异常，卫星上的备用命令电路损坏。

3. 1990年

   1990年7月9日，欧洲和北美地区遭受了一次大地磁暴的袭击，导致了航天器和卫星故障、航班延误、电力故障等一系列问题。

4. 2003年

   2003年10月底至11月初期间，太阳上发生了一系列强烈的爆发活动，造成了日地空间环境巨大扰动。受此影响，美国加州中部上空出现了罕见的极光；约半数卫星出现故障，日本先进地球观测卫星-2（ADEOS-2）完全失效；全球范围内的通讯受到干扰，海事紧急呼叫系统瘫痪，珠峰探险队通讯中断；全球定位系统精度降低；瑞典5万人的电力供应中断。