地磁暴的危害

王棲溪 楊文凱 朱國陽

地磁暴的危害

王棲溪 楊文凱 朱國陽

在信鴿界，發(fā)生過多次大批信鴿失蹤事件，比如在2007年11月舉辦的一次幼鴿競賽中，鴿友們從福建放飛的一千兩百多羽年僅一歲的精品幼鴿，順利完賽的寥寥無幾，幾乎全軍覆沒；2015年4月的北京全市550公里聯(lián)翔比賽，賽前北京鴿友共匯集賽鴿達(dá)兩萬七千多羽，截至當(dāng)日晚8點，各區(qū)縣共計歸巢數(shù)只有632羽，其他盡數(shù)失蹤。眾所周知，信鴿是動物界出名的認(rèn)路高手，這么大規(guī)模的丟鴿事件，必然是發(fā)生了能干擾信鴿導(dǎo)航的事情，“元兇”就是強(qiáng)烈的地磁擾動。

當(dāng)太陽向地球表達(dá)它那火熱的情感時，地球的情緒就會發(fā)生波動，這就是空間天氣中所涉及的太陽風(fēng)擾動地球磁場，如果太陽風(fēng)足夠強(qiáng)的話就會引起大磁暴。地球磁場包括基本磁場和變化磁場兩部分：基本磁場是地磁場的主要部分，起源于地球內(nèi)部，變化非常緩慢；變化磁場是起源于地球外部的各種短期變化，與太陽活動緊密聯(lián)系，地磁暴就是最劇烈的變化磁場。

動物對于地磁暴的感覺比人類要敏感許多，信鴿飛行導(dǎo)航系統(tǒng)中的“指南針”對地磁場的方向、強(qiáng)度都可以感知，通過地磁場隨地理位置的梯度變化來辨識方向，一旦磁暴發(fā)生，地球磁場將變得不穩(wěn)定，甚至發(fā)生“跳動”，如果在這個時間里進(jìn)行比賽或是放飛活動，信鴿的導(dǎo)航系統(tǒng)就可能出現(xiàn)問題，從而迷失在歸家的途中。

地磁暴的危害遠(yuǎn)不止此，除了信鴿效應(yīng)，當(dāng)發(fā)生地磁暴時，還可能對空基和地基系統(tǒng)造成危害，例如同步軌道高度附近的輻射帶內(nèi)高能電子通量激增，可能引起衛(wèi)星內(nèi)部深層充電，導(dǎo)致衛(wèi)星軌道高度降低；地磁場的劇烈擾動可能造成地面高壓輸電系統(tǒng)和輸油管道受到損壞；此外，地磁暴還可引發(fā)電離層暴，可能導(dǎo)致通信中斷等危害。

地磁暴引發(fā)的危害效應(yīng)

對航天器的效應(yīng)

強(qiáng)烈的地磁擾動會引起大氣密度增加，致使大氣阻力增加，從而導(dǎo)致衛(wèi)星特別是低軌衛(wèi)星軌道高度下降，壽命減少，最終提前隕落；同時大氣阻力的增加對空間碎片的軌道也有影響。1989年發(fā)生的大地磁暴期間，有數(shù)千跟蹤空間目標(biāo)幾近消失。此外，隨著地磁活動指數(shù)的增加，衛(wèi)星表面和內(nèi)部充電、單粒子翻轉(zhuǎn)事件等異?，F(xiàn)象都會明顯增加。

磁暴事件和衛(wèi)星跟蹤問題出現(xiàn)頻次的關(guān)系圖

對通信、導(dǎo)航和定位的效應(yīng)

地磁暴期間，地磁場擾動在陸地電纜或海底電纜內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，對信號產(chǎn)生擾動，從而影響正常通信。由于地磁暴常常伴有電離層暴發(fā)生，易引發(fā)電離層閃爍及電離層延遲等效應(yīng)，因此地磁暴期間無線電通信和GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)都會受到危害。2003年萬圣節(jié)期間，太陽爆發(fā)強(qiáng)烈耀斑引發(fā)強(qiáng)地磁暴，導(dǎo)致GPS和LORAN導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)生故障，多顆衛(wèi)星與地面失去聯(lián)系長達(dá)數(shù)十小時，全球?qū)Ш较到y(tǒng)受到影響，定位精度出現(xiàn)偏差，地面交通系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的癱瘓；我國北方的短波通信受到了嚴(yán)重干擾，包括滿洲里、北京在內(nèi)的幾個無線電觀測站的短波信號一度中斷；此外在此期間美國加州發(fā)生火災(zāi)，由于地磁暴影響衛(wèi)星通信，對滅火救援行動也造成了影響。

通訊導(dǎo)航受到影響

對電力、地下管線系統(tǒng)的效應(yīng)

地磁擾動會對電網(wǎng)特別是高緯地區(qū)電網(wǎng)造成嚴(yán)重危害，磁暴引起變電站變壓器的感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流是大強(qiáng)度直流電，而電網(wǎng)傳輸?shù)膭t是交流電，這就造成輸電網(wǎng)在短時間內(nèi)失衡，從而引起變壓器鐵芯飽和，產(chǎn)生極大的熱量，使變壓器損壞甚至燒毀，進(jìn)而引起整個電網(wǎng)癱瘓。最典型也是造成危害最嚴(yán)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電力系統(tǒng)破壞，損壞2萬兆瓦的電力，有些地方甚至持續(xù)數(shù)日黑暗。

被毀壞的變壓器

除電網(wǎng)外，地磁暴產(chǎn)生的感應(yīng)電流也會對地下油氣管道等造成危害。為了防止被腐蝕，一般都會對管道采取陰極保護(hù)，使管道與周圍土壤或潮濕空氣等保持一定負(fù)電壓。地磁暴期間在地下產(chǎn)生的過高的感應(yīng)電壓和電流會超過地下油、氣、水等管線的保護(hù)范圍，從而加速對管線的腐蝕。由于這個過程是一個積累作用的過程，并不像對電網(wǎng)的效應(yīng)那樣明顯，但也應(yīng)該得到足夠的重視。

對鉆井勘探的效應(yīng)

地質(zhì)學(xué)家常利用地球磁場來確定地下巖石結(jié)構(gòu)，勘探石油和礦物等。由于地磁暴干擾，高靈敏度的電器儀表等均會發(fā)生失靈，尤其在使用地磁儀器進(jìn)行定向鉆井測量時，地磁暴期間磁場的強(qiáng)烈波動會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出地磁場模型預(yù)期的磁場變化范圍，如果沒有及時校正，極易造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。值得一提的是，有些勘探活動會選擇在地磁活動不太平靜時候，這是因為此時地下電流與平時的不同有利于對勘測目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)，但大多時候還是會選擇地磁平靜期以得到準(zhǔn)確的磁場圖像。

危害減緩措施

航天器發(fā)射的時間窗口應(yīng)該選擇在地磁活動較為平靜的時期，以保證航天器的成功發(fā)射。地磁暴發(fā)生時，應(yīng)注意采取相應(yīng)措施：如關(guān)閉相應(yīng)儀器、調(diào)整軌道高度和衛(wèi)星姿態(tài)等。

當(dāng)?shù)卮疟┌l(fā)生時，通信系統(tǒng)受到干擾，此時可以通過調(diào)整通信頻率來恢復(fù)通信。對于導(dǎo)航定位系統(tǒng)，應(yīng)將實時的地磁參數(shù)加入其計算中，從而有效減少其誤差。當(dāng)發(fā)生大地磁暴等比較嚴(yán)重的地磁暴時，建議考慮相關(guān)替代通信和導(dǎo)航定位手段。

長距離管網(wǎng)系統(tǒng)同樣需要密切關(guān)注地磁場的變化。通過電壓修正和減小負(fù)荷等措施，可以減小地磁暴對電網(wǎng)系統(tǒng)的危害；對于油氣管道等系統(tǒng)則應(yīng)施加反向電壓來減小管道侵蝕。

對于地質(zhì)勘探、鉆井等活動，應(yīng)當(dāng)避免在發(fā)生劇烈的地磁暴時進(jìn)行對精度要求較高的勘探工作，如果必須進(jìn)行相關(guān)工作，除了對磁測結(jié)果采取校正措施外，還應(yīng)該注意對通信及導(dǎo)航定位方面的保障。

當(dāng)比較劇烈的地磁擾動發(fā)生時，最好能停止信鴿的野外訓(xùn)練以及各類的信鴿比賽，從而減小因信鴿迷失方向難以回巢所帶來的損失。