给极光爱好者的忠告：观赏极光在臭氧洞发生期间要做好防护

                                                                     杨学祥

关键提示

    美国卫星发现地球磁场出现巨大空洞

        美国科学家2008年12月16日发布报告称，近年来的卫星观测显示，保护地球的地球磁场受到了迄今为止来自太阳的最强烈能量冲击，一度出现一个空洞。这一现象是去年夏天由美国航空航天局(NASA)所发射的“西弥斯”卫星系统发现的。

       空洞持续一小时：迄今最严重撕裂

　　“西弥斯”(Themis)是由NASA研发的卫星系统，共由5颗小卫星组成。“西弥斯”的观测显示，地球磁场偶尔会出现两个裂缝，从而令太阳风穿透地球的高层大气层长驱直入。扰动太阳风对地球的影响很大，当它抵达地球时，往往引起很大的磁暴与强烈的极光，同时也产生电离层骚扰。

　　去年夏天，“西弥斯”观测发现，地球磁场出现了一个空洞——在地球磁气圈的最外缘，侵入的太阳粒子层厚达至少6400公里，这是迄今为止人类所发现的对地球的保护圈——地球磁场的最大限度的撕裂。跟踪“西弥斯”卫星系统的加州大学伯克利分校科学家马里特·奥伊罗塞特说。

　　不过，奥伊罗塞特指出，太阳粒子对地球磁场的这种入侵是暂时的，像去年观测到的现象只持续了一个小时。

       有视频显示，2022年7月8日凌晨时分，翠绿色的极光在北极圈附近的天空上不停地荡漾着，有时还会出现红色或紫色的色调，这意味着带电粒子抵达地球大气的高度已经非常低了，低于100公里，与氮气猛烈撞击，发出紫红色光芒。

       带电粒子流又被称为等离子体流，它们来自太阳的日冕层，太阳分为三层，光球层、色球层和日冕层，日冕层温度极高，气体来到这里后会急速膨胀，能克服太阳的引力，产生稳定的带电粒子流，沿日冕层的磁力线喷向星际空间。

       带电粒子流主要由质子和电子组成，其中还包括少量的氢原子核、氦-3、C、N、O、P、Ti、Cr、Fe 54、 56、Ni58、60、62Ne、Mg、Si、S 、 Fe等，看见没有，太阳喷出的带电粒子流的成分还是蛮丰富的。

       带电粒子流有多快，速度在每秒200～2000公里，地球与太阳的距离约为1.5亿公里，所以，太阳现在喷出的带电粒子流要来到地球附近，最快的要20个小时左右，最慢的可能要100多个小时，速度超快能量就越大。

       当太阳处在黑子活动的高峰期时（ 太阳表面出现大量黑子），日冕层会产生剧烈的爆发活动，疯狂地向外喷出比平时多好几倍的带电粒子流，这就是“太阳风暴”，我们平常所说的太阳风，实际指的就是太阳风暴。

       地球磁场在正常的情况下，是可以抵御住来自太阳的带电粒子流的，但是当超强的太阳风暴来袭之后，地球磁场就抵挡不住了，引发地磁暴，地球磁场被撕开一个大窟窿，无数带电粒子倾泻而下，地球两极地区就会上演极光暴。

       地磁暴对地面上的生命危害是微乎其微的，但可以对电子仪器造成很大的影响，例如近地轨道上的人造卫星和其它航天器，地面上的雷达，甚至是电力输出的变电站，地磁暴还可以破坏地球上空的臭氧层。

https://www.sohu.com/a/566310633_383749

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1412976.html

       电·磁·光的交织：地磁暴对生活的影响       

       地磁暴除了直接反映地磁场的剧烈扰动，也代表着高能粒子流冲击地球高层大气。

       在本次这类大地磁暴活动时，磁极附近的高纬度区域地面会因为磁场的快速变化进一步激发感应电流，并对当地电网等产生一定干扰，此外高纬度区域地磁导航、卫星导航和低频无线电波导航等方式也会受到明显干扰。

       由于高能带电粒子流增强，部分带电粒子会深入极地平流层而让这一层面电离辐射增强，对经过极地区域的航班飞行也稍有影响。而根据研究数据汇总而看，单次极地航班飞行时遭遇的剂量为2.5～4μSv/h（上限在太阳活动高峰时达到），虽然这是天然本底辐射（约0.2μSv/h）的12～20倍，但如果只是作为普通乘客的每年数次飞行，即使时间较长、在太阳活动高峰期间飞行，也远低于安全电离辐射剂量阈值（建议普通公众为每年1000μSv，而职业工作者为每年20000μSv），不会造成明显影响，但对于常年工作在极地航线的机组乘务人员，部分研究认为总辐射剂量可能接近安全阈值，也需要更多研究确认。

       在大气层之外，高能粒子流和地磁扰动同样对空间站、卫星的电气元件工作、飞行姿态等产生影响，在轨航天员需要注意。甚至对于部分低轨道航天器而言，由于运行区域大气密度稍大，地磁暴期间可能出现大气密度进一步升高而阻力增大，影响航天器轨道变动甚至提前坠落，这些都需要防范。

       而以本次大地磁暴级别的事件，对于包括我国在内的中纬度地区日常生活，如电子器件、通讯、飞行航班等，都不会造成任何明显影响。周日曾传出当日上午东航MU721航班飞行故障，事后也证实为发动机叶片自身故障，而非早已在周六结束的地磁暴事件所致。

       事实上，今年至今已发生了7次（部分资料为8次）大地磁暴事件，甚至3月24日、4月24日两次达到了更强一级的特大地磁暴，但也未对绝大多数地区日常生活造成影响。

       而以本次大地磁暴级别的事件，对于包括我国在内的中纬度地区日常生活，如电子器件、通讯、飞行航班等，都不会造成任何明显影响。周日曾传出当日上午东航MU721航班飞行故障，事后也证实为发动机叶片自身故障，而非早已在周六结束的地磁暴事件所致。事实上，今年至今已发生了7次（部分资料为8次）大地磁暴事件，甚至3月24日、4月24日两次达到了更强一级的特大地磁暴，但也未对绝大多数地区日常生活造成影响。

      图1 今年以来Kp指数的逐日演变，红色为大地磁暴或更强级别。图片来源：德国地球科学研究中心

      对于更多普通人而言，较强地磁暴的最直观体验，则是在高纬度区域（准确而言，是磁极周边的磁纬度较高区域）更可能看到绚烂极光，且随着高能粒子流向赤道方向扩张，不少中纬度地区，包括我国北部也能看到极光。只是前文已经提及，我国北方的极光视角较低且较为暗淡，必须在足够空旷、能避开城镇灯等光污染区域，如果纬度不够高，在城镇里是很难见到的。

https://so.html5.qq.com/page/real/search_news?docid=70000021_648657139f793452

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1412841.html

       地磁暴还可以破坏地球上空的臭氧层。

     事实上，今年至今已发生了7次（部分资料为8次）大地磁暴事件，甚至3月24日、4月24日两次达到了更强一级的特大地磁暴，但也未对绝大多数地区日常生活造成影响。

       这两个结论是互相矛盾的，其中的一个一直在误导极光爱好者：太阳风暴和地磁暴破坏臭氧层，可以形成两极的臭氧洞，在此期间观测极光，直接暴漏在地磁层漏能效应和臭氧洞漏能效应的威胁之下，有被超量辐射伤害的风险。。

        应该注意到，太阳风、地磁暴、臭氧洞和极光是太阳和地球在极端条件下互动的特殊过程，仅就极光无法得出完整的结论。

     2023年7次大地磁暴

       北京时间12月1日17时到12月2日8时，受太阳日冕物质抛射（CME）爆发影响，地球出现3小时Kp为7的大地磁暴，3小时Kp为6的中等地磁暴，以及9小时小地磁暴，目前地磁活动还在持续中。

    （Kp指数即全球磁场指数，其反映的是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）这与我们11月30日发布的大地磁暴预警！！！相符。

       受地磁暴影响，我国黑龙江、内蒙古、新疆等地均出现极光活动，甚至北京此次都有清晰的极光目击和观测记录。

        这是今年继2月27日、3月23、24日、4月23、24日、9月19日，第7次发生大地磁暴级别的地磁活动。

       根据最新监测和预报，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。

https://new.qq.com/rain/a/20231202A05SQG00

https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2277&do=blog&id=1412164

        应该注意到，这7次发生大地磁暴级别的地磁活动，3月23、24日、4月23、24日发生在北极臭氧洞发生期间，9月19日、11月30日、12月1-4日发生在南极臭氧洞发生期间，太阳辐射增强的风险确实存在，必须做好相应的防护准备。

         本次大地磁暴与南极臭氧洞同行

      根据美国宇航局和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的年度卫星和气球测量，2023年南极臭氧空洞的最大面积在9月21日达到1000万平方英里（2600万平方公里），这是自1979年以来的第12大臭氧空洞。

      科学家们每年都在密切关注臭氧空洞的大小和臭氧层，因为它在保护地球上所有人类生命方面具有重要意义。臭氧层的作用就像防晒霜一样，可以过滤掉高达99%的有害太阳紫外线辐射。广泛暴露在紫外线辐射下会导致晒伤、皮肤癌和眼部白内障，还会损害动植物。

https://www.instrument.com.cn/news/20231110/691534.shtml

       根据Sentinel-5P卫星最新的测量显示，今年南极洲上空出现记录以来最大的臭氧空洞，这个被科学家称为“臭氧消耗区”的空洞在2023年9月16日达到了2600万平方公里。本动画使用Sentinel-5P总臭氧测量值，显示了2023年9月1日至9月29日南极上空臭氧空洞的演变。（资料来源：ESA/EU）

https://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1701981793&ver=4942&signature=Ft8eR0zhW6rLfR8uqVVhNYROjCxnlPvNYksZzVHZM9DVtuWC4hW73i2hXdwYkQfx6iB2Q-380Hkuzg0x8Ai2NU-aBZTGGXU3nq*xpnPSTd*e3Ea1Svthljop*S3Pg4bO&new=1

https://www.douyin.com/video/7290403115684105487

         一年中南极臭氧空洞最大在南半球的春天，也就是9，10，11月

        南极臭氧层空洞只在南极的春季(9-11月)出现，持续一个月左右。

        2023年9月19日，12月1-4日发生大地磁暴级别的地磁活动，2023年11月27-28日先后发生四次爆发日冕物质抛射。 

         太阳风暴、南极臭氧洞、地磁暴、极光在2023年9-11月同时发生。

         春分发生的地磁暴与北极臭氧洞对应

         今年2月27日、3月23、24日、4月23、24日发生大地磁暴级别的地磁活动与北极臭氧洞或臭氧低值区对应。

       根据2023年4月8日的报道，美国宇航局和欧空局的卫星在北极上空发现了一个臭氧层空洞，目前最大的臭氧空洞已经出现，面积约为1万平方公里。这会不会是地球臭氧层的另一个伤口？

https://www.163.com/dy/article/I1Q9G4IJ0537QGGM.html

      南极臭氧洞罪魁祸首是太阳风：太阳粒子如何破坏我们的臭氧层？ 

长春科技大学教授杨学祥1999年撰文指出，造成南极上空臭氧空洞的“罪魁祸首”是太阳风，而不是通常所认为的氟利昂。

上述观点是在他与同事合著的论文《太阳风、地球磁层与臭氧空洞》中提出的，并发表在今年第5期《科学美国人》杂志中文版上。最近，这一新观点经新华社向世界播发后，在国际上产生强烈反响，一些华文报纸纷纷采用，世界四大通讯社之一的法新社，几乎全文转发了新华社英文稿。

1985年，英国科学家首次报道南极上空出现巨大臭氧空洞，后来人们发现这个臭氧空洞早已产生，并一直在稳定、逐步地扩大。大多数科学家认为，这是30年代以来人类大量使用氟利昂造成的，其释放出的氯离子破坏臭氧分子，从而使臭氧浓度急剧减少。

1999年，杨学祥认为，人类使用氟利昂是南极臭氧空洞形成的主要原因，这一观点依据不足。他说，事实上，北半球的大陆面积和人口占全球的大部分，人为产生的氟利昂也集中在北半球。如果是氟利昂的原因，则臭氧空洞应该出现在北极而非南极才能解释得通。

他在论文中指出，有三个因素结合起来使南极臭氧层出现空洞：太阳风的压力使地球南极上空大气层变薄；处于开裂期的地球南半球由于火山爆发释放出大量有害气体破坏臭氧层；太阳高能粒子进入地球大气层后消耗了两极臭氧。其中，太阳风是地球臭氧空洞的“元凶”。    

杨教授说，由于受地磁层的保护，太阳高能粒子中每年仅有一小部分穿越地球磁层，并沿着磁力线集中到南北两极。由于高能粒子中以氢元素为主，到达两极后容易和臭氧结合成水，所以它首先破坏的是两极的臭氧。

学者叶倾城2021年撰文指出，自21世纪初之后，基于陆续发射升空的新型观测卫星，科学家掌握越来越多的证据表明，太阳粒子在影响极地臭氧方面发挥着重要作用。在太阳活动特别活跃的时候，当太阳向太空释放大量粒子时，海拔50千米以上的地区多达60%的臭氧会被消耗，该影响可能持续几个星期。

在更低的地球大气位置，大约低于距离地球表面50千米的区域，太阳粒子是造成极地臭氧水平逐年发生变化的重要因素，太阳粒子袭击将持续导致臭氧损失，然而，最近一项研究表明，太阳粒子还有助于抑制南极臭氧空间进一步损耗。

https://www.kepuchina.cn/more/202104/t20210402_2980297.shtml

据《中国青年报》 2000-08-09报道，太阳风暴给臭氧层带来的影响引起科学家的关注，不过两种截然不同的观点使这个问题成为一桩新的科学悬案。

一种看法认为，太阳风暴有利于臭氧层的恢复；另一种意见则认为，太阳风是导致南极臭氧空洞的“元凶”。提出这两种观点的都是我国从事相关研究的科学家，他们都持之有故、言之成理。

http://202.84.17.73/st/htm/20001005/147625.htm

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-257912.html

这一科学悬案现在基本定案，彻底解决有待于进一步的科学研究。

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1412383.html

         极光集中发生在春分何秋分

      从科学统计数据情况看，极光最易发生的时间是在春分和秋分两个节气来临前。造成这种情况的原因就是在春分和秋分两个节气来临前，地球所处的位置与磁索位置容易发生交错情况，进而易引起碰撞放电形成极光。同时从统计数据进一步看，春秋两季出现极光现象的频次会多于夏冬两季出现极光现象的频次。

https://www.tianqi.com/news/314286.html

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1412464.html

      臭氧洞为什么发生在秋分和春分之前

      臭氧洞的形成 

      1999年我们就撰文就指出，造成南极上空臭氧空洞的“罪魁祸首”是太阳风，而不是通常所认为人类使用的氟利昂。这一观点发表在今年5月份出版的《科学美国人》杂志中文版上。杨教授在论文中指出，有3个因素结合起来使南极臭氧层出现空洞：太阳风的压力使地球南极上空大气层变薄；处于开裂期的地球南半球由于火山爆发释放出大量有害气体破坏臭氧层；太阳高能粒子进入地球大气层后消耗了两极臭氧。 

       臭氧洞的存在和扩大与地球公转轨道有关 

       根据地球公转轨道，秋分（9月22-24日）到冬至（12月21-23日），南极的极昼使太阳辐射对南极最强，产生南极的臭氧洞（或臭氧稀薄区）；春分（3月20-22日）到夏至（6月21-22日，北极的极昼使太阳对北极辐射最强，易产生北极的臭氧洞（或臭氧稀薄区）。其中，2010年冰岛火山的异常喷发规模最大，火山灰集中在北极，降温和破坏臭氧的作用值得关注。由于地球近日点在1月3日或4日，远日点在7月2日或3日，这是南极比北极更容易出现臭氧洞的原因，也是臭氧洞季节性变化的原因。

臭氧洞应该周期性地在南北两极轮流出现。

      事实上，地球南北极都出现过臭氧洞，证实了我们的理论。彗星的轨道是一个偏心率很大的椭圆，受太阳风压力作用，在近日点彗尾最长，在远日点彗尾最短。同样，地球轨道也是一个椭圆，在近日点气尾最长，在远日点气尾最短。这是南极臭氧洞比北极臭氧洞面积大，存在时间长的原因（见图1）。

图 1  太阳风压缩大气层背光流动形成两极地区极昼时臭氧洞（或臭氧稀薄区）和极夜时气尾

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1331774.html

“臭氧洞漏能效应”和“地磁层漏能效应” 

我们在1999年撰文提出，到达地球的太阳辐射能大约有2%被平流层的臭氧吸收，7%被电离层吸收。当黑子活动高峰发生太阳风暴时，会大量破坏南极臭氧，随之产生“臭氧洞漏能效应”和“地磁层漏能效应”，使被地磁层和臭氧层阻隔的9%的太阳能由平流层进入对流层，导致南极平流层变冷对流层变暖。收缩的平流层自转变快，膨胀的对流层自转变慢，这是赤道高空风产生的一个原因。

正X射线,γ射线和紫外线,大约占太阳辐射光谱总能量的9%.在80～400km高度范围的电离层,γ射线和X射线被N₂和O₂/O₃所吸收,在15～55km高度的臭氧层,99%的紫外线被O₃所吸收.即在地球磁层、大气层和臭氧层被破坏的时候,到达生物圈的太阳辐射能将增大9%,造成地表温度的大幅度波动.与此同时,到达地表的γ射线、X射线和过量紫外线将造成大规模的生物灭绝.这就是臭氧洞漏能效应.

http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGDW199910001191.htm

https://www.doc88.com/p-4317663607230.html

https://www.docin.com/p-344676587.html

https://wap.sciencenet.cn/blog-2277-1346460.html

https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2277&do=blog&id=1412383

     当极光与臭氧洞同行：太阳粒子集中攻击两极地区

     从科学统计数据情况看，极光最易发生的时间是在春分和秋分两个节气来临前。造成这种情况的原因就是在春分和秋分两个节气来临前，地球所处的位置与磁索位置容易发生交错情况，进而易引起碰撞放电形成极光。同时从统计数据进一步看，春秋两季出现极光现象的频次会多于夏冬两季出现极光现象的频次。

      根据地球公转轨道，秋分（9月22-24日）到冬至（12月21-23日），南极的极昼使太阳辐射对南极最强，产生南极的臭氧洞（或臭氧稀薄区）；春分（3月20-22日）到夏至（6月21-22日，北极的极昼使太阳对北极辐射最强，易产生北极的臭氧洞（或臭氧稀薄区）。其中，2010年冰岛火山的异常喷发规模最大，火山灰集中在北极，降温和破坏臭氧的作用值得关注。由于地球近日点在1月3日或4日，远日点在7月2日或3日，这是南极比北极更容易出现臭氧洞的原因，也是臭氧洞季节性变化的原因。    

      地磁暴会对短波通信等产生影响，但由于持续的时间不会太长，对人体的影响是很小的（病毒和细菌不在其列），可以忽略不计。

      臭氧洞的危害是显著的。地磁暴、臭氧洞和极光的同时出现，表明更多的太阳粒子攻入两极地区大气层，杀灭病毒的作用不可忽略。

     臭氧层空洞的危害  

　　臭氧层是地的大气防护层，能有效防止某些太阳射线对地球生物的伤害。但如果臭氧层出现空洞，会造成以下危害：

　　1、增加皮肤癌：臭氧减少1%，皮肤癌患者增加4%-6%，主要是黑色素癌。

　　2、损害眼睛，增加白内障患者。

　　3、削弱免疫力，增加传染病患者。

　　4、使农产品减产及其品质下降。

　　5、减少渔业产品。紫外线辐射可杀死10米水深内的单细胞海洋浮游生物（病毒和病菌也在其中）。

　　6、臭氧层空洞会使冰川因为受不住高温而融化，使海平面上升，给沿海城市带来巨大灾害。

　　除了影响人类健康和生态外，因臭氧减少而造成的紫外辐射增多还会造成对工业生产的影响，如使塑料及其他高分子聚合物加速老化。

https://www.tianqi.com/video/3364.html

https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2277&do=blog&id=1412383

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1412464.html           

         臭氧洞和极光同时发生的危害不能忽略

        太阳风和地磁暴除了直接反映地磁场的剧烈扰动，也代表着高能粒子流冲击地球高层大气，以及进入地表的太阳高能粒子增多。这需要科学实验来证明。

　    形而上学是一个哲学分支学科，指研究存在和事物本质的学问。其分为两层含义，一个是指以用超经验的思辨方式研究非客观或者无形世界的哲学体系，而非科学研究现实世界的现象及规律；另一个是指与辩证法对立的，用孤立、静止、片面的观点观察世界的思维方式。

        臭氧洞和极光的形成是密不可分的，太阳风暴和地磁暴也是相互关联的。

         综合分析表明，臭氧洞和极光同时发生的危害不能忽略。

       应该注意到，太阳风、地磁暴、臭氧洞和极光是太阳和地球在极端条件下互动的特殊过程，仅就极光无法得出完整的结论。

      就在人们毫无防备地欣赏极光美景的同时，你已经暴露在地磁层漏能效应和臭氧洞漏能效应的威胁之内。

          关注2024年春分的太阳风、北极臭氧洞、地磁暴和极光，有报道称2024年是太阳黑子峰年，也是极光频发年，必须做好长期的预防准备。         

https://www.bilibili.com/video/BV1aj411j7tf/

参考文献 (References)

杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学,  长春：吉林大学出版社,1998。85-89

杨学祥, 陈殿友, 宋秀环. 太阳风、地球磁层与臭氧层空洞. 科学（ScientificAmerican 中文版）, 1999, （5）：58~59

杨学祥. 地磁层和大气层漏能效应. 中国学术期刊文摘, 1999, 5（9）：1170~1171

杨学祥, 陈殿友. 地磁场强度的轨道调制与自然灾害周期. 见：中国地球物理学会年刊2000. 武汉：中国地质大学出版社, 2000. 307

杨学祥, 陈殿友. 构造形变、气象灾害与地球轨道的关系. 地壳形变与地震,2000,20（3）：39~48

Yang, Xuexiang, Chen Dianyou, Gao Yanwei, Su Hongliang and YangXiaoying, et al, Geophysical and Chemical Evidence in the Depletion of Ozone.J. Geosci. Res. NEAsia, 1999, 2 (2): 121~133

杨学祥. 臭氧洞与厄尔尼诺. 中国学术期刊文摘, 1999, 5（10）：1301~1303

杨学祥. 臭氧洞漏能效应及其形成原因. 见: 中国地球物理学会年刊1999, 合肥：安徽技术出版社, 1999, 191

杨学祥, 陈殿友. 地球流体运移动力与自然灾害. 同上, 326

陈殿友, 杨学祥, 宋秀环. 地球轨道效应与重大自然灾害周期. 同上, 256.*

杨学祥, 陈殿友. 地磁场强度的轨道调制与自然灾害周期. 见：中国地球物理学会年刊2000. 武汉：中国地质大学出版社, 2000. 307

杨学祥. 大气圈差异旋转及其对臭氧层的影响. 中国学术期刊文摘, 2000, 6（2）：199~201

杨学祥. 大气氯粒子层的形成原因. 中国学术期刊文摘, 2000, 6（3）：370~371

杨学祥. 太阳活动驱动气候变化的证据. 中国学术期刊文摘, 2000, 6（5）：615~617

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1331774.html 

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1332936.html

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1412383.html

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