地磁暴的危害

王栖溪 杨文凯 朱国阳

地磁暴的危害

王栖溪 杨文凯 朱国阳

在信鸽界，发生过多次大批信鸽失踪事件，比如在2007年11月举办的一次幼鸽竞赛中，鸽友们从福建放飞的一千两百多羽年仅一岁的精品幼鸽，顺利完赛的寥寥无几，几乎全军覆没；2015年4月的北京全市550公里联翔比赛，赛前北京鸽友共汇集赛鸽达两万七千多羽，截至当日晚8点，各区县共计归巢数只有632羽，其他尽数失踪。众所周知，信鸽是动物界出名的认路高手，这么大规模的丢鸽事件，必然是发生了能干扰信鸽导航的事情，“元凶”就是强烈的地磁扰动。

当太阳向地球表达它那火热的情感时，地球的情绪就会发生波动，这就是空间天气中所涉及的太阳风扰动地球磁场，如果太阳风足够强的话就会引起大磁暴。地球磁场包括基本磁场和变化磁场两部分：基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，变化非常缓慢；变化磁场是起源于地球外部的各种短期变化，与太阳活动紧密联系，地磁暴就是最剧烈的变化磁场。

动物对于地磁暴的感觉比人类要敏感许多，信鸽飞行导航系统中的“指南针”对地磁场的方向、强度都可以感知，通过地磁场随地理位置的梯度变化来辨识方向，一旦磁暴发生，地球磁场将变得不稳定，甚至发生“跳动”，如果在这个时间里进行比赛或是放飞活动，信鸽的导航系统就可能出现问题，从而迷失在归家的途中。

地磁暴的危害远不止此，除了信鸽效应，当发生地磁暴时，还可能对空基和地基系统造成危害，例如同步轨道高度附近的辐射带内高能电子通量激增，可能引起卫星内部深层充电，导致卫星轨道高度降低；地磁场的剧烈扰动可能造成地面高压输电系统和输油管道受到损坏；此外，地磁暴还可引发电离层暴，可能导致通信中断等危害。

地磁暴引发的危害效应

对航天器的效应

强烈的地磁扰动会引起大气密度增加，致使大气阻力增加，从而导致卫星特别是低轨卫星轨道高度下降，寿命减少，最终提前陨落；同时大气阻力的增加对空间碎片的轨道也有影响。1989年发生的大地磁暴期间，有数千跟踪空间目标几近消失。此外，随着地磁活动指数的增加，卫星表面和内部充电、单粒子翻转事件等异常现象都会明显增加。

磁暴事件和卫星跟踪问题出现频次的关系图

对通信、导航和定位的效应

地磁暴期间，地磁场扰动在陆地电缆或海底电缆内产生感应电压，对信号产生扰动，从而影响正常通信。由于地磁暴常常伴有电离层暴发生，易引发电离层闪烁及电离层延迟等效应，因此地磁暴期间无线电通信和GPS导航定位系统都会受到危害。2003年万圣节期间，太阳爆发强烈耀斑引发强地磁暴，导致GPS和LORAN导航系统发生故障，多颗卫星与地面失去联系长达数十小时，全球导航系统受到影响，定位精度出现偏差，地面交通系统出现不同程度的瘫痪；我国北方的短波通信受到了严重干扰，包括满洲里、北京在内的几个无线电观测站的短波信号一度中断；此外在此期间美国加州发生火灾，由于地磁暴影响卫星通信，对灭火救援行动也造成了影响。

通讯导航受到影响

对电力、地下管线系统的效应

地磁扰动会对电网特别是高纬地区电网造成严重危害，磁暴引起变电站变压器的感应电流，该感应电流是大强度直流电，而电网传输的则是交流电，这就造成输电网在短时间内失衡，从而引起变压器铁芯饱和，产生极大的热量，使变压器损坏甚至烧毁，进而引起整个电网瘫痪。最典型也是造成危害最严重的事例是1989年3月13日的大地磁暴，其造成加拿大魁北克省电力系统破坏，损坏2万兆瓦的电力，有些地方甚至持续数日黑暗。

被毁坏的变压器

除电网外，地磁暴产生的感应电流也会对地下油气管道等造成危害。为了防止被腐蚀，一般都会对管道采取阴极保护，使管道与周围土壤或潮湿空气等保持一定负电压。地磁暴期间在地下产生的过高的感应电压和电流会超过地下油、气、水等管线的保护范围，从而加速对管线的腐蚀。由于这个过程是一个积累作用的过程，并不像对电网的效应那样明显，但也应该得到足够的重视。

对钻井勘探的效应

地质学家常利用地球磁场来确定地下岩石结构，勘探石油和矿物等。由于地磁暴干扰，高灵敏度的电器仪表等均会发生失灵，尤其在使用地磁仪器进行定向钻井测量时，地磁暴期间磁场的强烈波动会远远超出地磁场模型预期的磁场变化范围，如果没有及时校正，极易造成严重的经济损失。值得一提的是，有些勘探活动会选择在地磁活动不太平静时候，这是因为此时地下电流与平时的不同有利于对勘测目标的发现，但大多时候还是会选择地磁平静期以得到准确的磁场图像。

危害减缓措施

航天器发射的时间窗口应该选择在地磁活动较为平静的时期，以保证航天器的成功发射。地磁暴发生时，应注意采取相应措施：如关闭相应仪器、调整轨道高度和卫星姿态等。

当地磁暴发生时，通信系统受到干扰，此时可以通过调整通信频率来恢复通信。对于导航定位系统，应将实时的地磁参数加入其计算中，从而有效减少其误差。当发生大地磁暴等比较严重的地磁暴时，建议考虑相关替代通信和导航定位手段。

长距离管网系统同样需要密切关注地磁场的变化。通过电压修正和减小负荷等措施，可以减小地磁暴对电网系统的危害；对于油气管道等系统则应施加反向电压来减小管道侵蚀。

对于地质勘探、钻井等活动，应当避免在发生剧烈的地磁暴时进行对精度要求较高的勘探工作，如果必须进行相关工作，除了对磁测结果采取校正措施外，还应该注意对通信及导航定位方面的保障。

当比较剧烈的地磁扰动发生时，最好能停止信鸽的野外训练以及各类的信鸽比赛，从而减小因信鸽迷失方向难以回巢所带来的损失。