磁暴（magnetic storm），[1]又称地磁暴（geomagnetic storm），[2][3]指太阳活动引起地球磁场持续几小时至几天的、全球性的剧烈扰动。[3][4]太阳活动产生的太阳风或磁云携带着大量带电粒子冲击地球时，使地球磁层压缩变形并使磁场在短时间内发生剧烈、大幅度扰动的现象。[2]

1806年12月，亚历山大·冯·洪堡（Alexander von Humboldt）在柏林观测到强磁偏转，并注意到与地面磁异常同时消失的北极光，他在1808年发表的文章中将这一地面磁扰动现象命名为磁暴。[9]磁暴的发生与太阳活动关系密切，在太阳活动强盛时，喷发的大量带电粒子进入地球上空，与高层大气相互作用并导致地球磁层中的电流、等离子体和场发生剧烈变化，而引起磁暴，并可波及全球，持续数小时至数日。[3][1]驱动磁暴的扰动主要与日冕物质抛射（CME），以及高速太阳风（HSS）产生的共转相互作用区（CIR）有关。[3][5]在太阳活动极大期，地磁风暴发生的频率更高，其中大部分是由日冕物质抛射驱动的。[5]中国现行的磁暴强度等级标准以Dst指数或Kp指数大小划分。[4]按初始阶段变化特点区分急始磁暴和缓始磁暴。[10]磁暴典型发展过程分为初始阶段、主要阶段和恢复阶段。[2]

磁暴发生时，高纬地区常伴有极光出现，电离层发生急剧变化。磁暴事件可能对航天器、短波无线电通信、导航和定位、电力、地下管线系统、钻井勘探等造成严重影响。[11]20世纪强度最大的磁暴事件发生于1989年3月13日，导致加拿大魁北克电网崩溃，停电9小时。[12]2023年12月1日到12月2日，受地磁暴影响，中国黑龙江、内蒙古、新疆等地均出现极光活动，中国气象局2023年12月2日表示，预计此次地磁暴仍将持续一段时间。[13][14]现代对磁暴的观测主要通过观测太阳和观测地球附近的空间环境来进行。[15][16]磁暴预报中，中国采用K指数划分局部地磁活动水平，采用Kp指数划分全球地磁活动水平。[17]美国国家海洋大气局（NOAA）的空间天气预报中心（SWPC）根据Kp指数确定了5个等级，以及各等级对应的影响和平均发生频率。[18]

磁暴是地球磁层的主要扰动，由太阳风的变化引起。当太阳风的能量非常有效地被交换到地球周围的空间环境时，地球磁层中的电流、等离子体和场发生强烈变化。产生磁暴的条件是持续（数到数小时）的高速太阳风，以及在磁层的白天侧有一个向南的太阳风磁场（与地球磁场的方向相反）将能量从太阳风转移到地球磁层。[3]

磁暴强度通常以地磁活动指数Dst指数（Desturbance storm time）定义，单位为nT。当Dst指数小于等于-30nT时，定义为磁暴发生。[4][19]

1600 年，威廉·吉尔伯特（William Gilbert）提出地球就像一块大磁铁，标志着地磁学的诞生，这一新的科学分支对于船舶导航具有巨大潜力。十八世纪初，天文学家埃德蒙多·哈雷（Edmond Halley）绘制了第一张磁场偏角图。磁暴现象则是由亚历山大·冯·洪堡（Alexander von Humboldt）发现的。他承担了从1806年5月到1807年6月期间从午夜到早晨每半小时记录柏林当地磁偏角的任务。1806年12月21日晚上，洪堡连续六次观测到强磁偏转，并注意到北极光现象。他发现，极光在黎明时分消失时，磁扰动也会消失。根据这些观察，洪堡认为地面上的磁扰动和极光的产生与同一现象有关，并将这一现象命名为磁暴（1808年）。[9]

哈雷绘制的磁偏角图

长期以来，太阳风和地球磁层的所有扰动都与太阳耀斑密切相关，太阳耀斑是磁暴发生的主要原因。[14]1905年，格林威治天文台观测员蒙德通过观察地磁暴的“27天复发趋势”进行研究，得出以下结论：磁扰动的根源在于太阳，太阳中引起磁扰动的区域是有限的，且这些太阳磁活跃区域区域随太阳旋转。这是第一个基于对太阳耀斑和地磁风暴的观测发现的日地关系的说法。[8]

十九世纪初，对于地磁活动和太阳活动的研究，即对太阳黑子的观测，都是独立进行的。从1826年开始，德国业余天文学家施瓦博（Samuel Heinrich Schwabe）开始观测太阳黑子。1843年，他报告了太阳黑子大约 10 年的周期性变化。1851年，拉蒙特在慕尼黑天文台报告了磁偏角每日变化约 10 年的周期性，但他没有将其与太阳黑子周期联系起来。爱德华·萨宾（Edward Sabine）首次发现地磁活动与太阳黑子周期平行，这一发现指出了地磁活动和太阳黑子之间的联系。[9]

1859年9月1日上午，英国天文学家理查德·卡林顿（Richard Carrington）观测到太阳黑子上空突然出现了发着白光的“两颗耀眼的亮珠”，珠子首先随着时间的推移而增强，然后强度减弱，最后消失。[20]这是有记录以来第一次对白光（可见）太阳耀斑的观测。随后在1日-2日期间发生了“卡林顿事件”，发现于世界各地的天文台记录。科学界花了近一个世纪的共同努力才收集到足够的观测数据，证明了大型太阳耀斑和严重磁暴之间的关联。[9][21]“卡林顿事件”是有记录以来强度最大的磁暴事件，磁暴强度的估计值达到-1760nT。[22][20]这场磁暴被认为是由直接向地球行进的大型日冕物质抛射引发的，行程长达 1.5 亿公里（9300 万英里），耗时17.6小时。这场磁暴造成了全球范围内的强烈极光，并对电报系统造成了严重破坏，导致电报塔短路发出火花，甚至引发火灾。[2]

卡林顿的观测记录

由卡林顿绘制的1859年9月1日太阳黑子草图（A、B 为一个强烈明亮事件的初始位置，在消失之前，该事件在五分钟內移动到 C、D）[20]

20世纪初，挪威的K·伯克兰从第一次国际极年（188-1883年）的极区观测资料，分析得出引起极光带磁场扰动的电流主要是在地球上空，而不在地球内部。为解释这一外空电流的起源以及它和极光、太阳耀斑的关系，伯克兰和F·C·M·史笃默相继提出了太阳微粒流假说。[21]查普曼·费拉罗（Chapman Ferraro）从统计学的角度出发，对地磁暴进行了全面研究，确立了磁暴的标准概念，区分了初相、主相、恢复相三个时期内H分量的变化。1931年，费拉罗和他的学生写了一篇文章："磁暴的新理论"（A New Theory of Magnetic Storms），试图解释地磁暴这一现象。[8]他们提出的地磁场被太阳粒子流压缩的假说，被50年代的观测证实。同时，观测还发现了磁层，认识了磁暴期间磁层各部分的变化。对磁层环电流粒子的存在及其行为的探测将磁暴概念扩展成了磁层暴。[21]

1972年8月4日，太阳耀斑的活跃程度与1859年磁暴事件爆发时相同，甚至更活跃，且日冕物质抛射过境的速度是有史以来最快的，引发了严重的磁暴和太阳质子事件，扰乱了地面电力和通信网络，造成至少一颗人造卫星永久失效，还引爆了美国海军在北海的磁性水雷。[22][2]这次事件意味着，强度与1859年相当的磁暴在未来仍有可能会发生。[22]

直到1970年代初，人们发现了其他强烈的太阳过程，如日冕物质抛射，但一直没有学者研究过日冕物质抛射对日地联系的影响。[14]1993年，葛斯林指出，日冕物质抛射会引起最强烈的行星扰动，从而引发磁暴。尽管他在论文中关于太阳耀斑和日冕物质抛射之间的关系存在争议，但他的结论对于磁暴成因的研究具有里程碑意义。[14][23][24]

1989年3月13日，两次日冕物质抛射造成了20世纪强度最大的磁暴事件，[12]导致加拿大魁北克水电公司的电网因继电器松脱而在几秒钟内崩溃，导致600万人停电9小时，无电可用。[2]这次事件引发了许多关于地磁对电力系统影响的研究，以及对1859年卡林顿事件的重新审视。[12]

2003年10月28日的“万圣节（太阳）风暴”引发了10月29-31日的“万圣节磁暴”事件，造成美国联邦航空总署（FAA）的广域增强系统（WAAS）离线30个小时，扰乱了阿拉斯加用于石油和天然气定向钻探的地磁方向、世界各地的机载磁场，中断了地球物理勘测。[2][25]超视距无线电通信受到干扰，迫使航空公司取消极地航线，并将其改道至低纬度地区；GPS 精度显着下降，影响了陆地和海洋调查以及商用和军用飞机导航；民用和军用卫星进入保护性运行模式，其他卫星遭到损坏，日本科学卫星ADEOS-II永久失效。[25]

北京时间2023年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。受地磁暴影响，中国黑龙江、内蒙古、新疆等地均出现极光活动，甚至北京都有清晰的极光目击和观测记录。[26]中国气象局12月2日表示，预计此次地磁暴仍将持续一段时间，根据目前太阳黑子数变化情况判断，当下正处在太阳第25活动周的上升期，2024年仍是太阳活动的高年，意味着至少在2023年冬天中国北方还可能看到极光。[13]

2024年3月中国气象局表示，3月24日、25日和26日三天大概率会出现地磁活动，其中3月25日可能发生中等以上地磁暴甚至大地磁暴。3月25日凌晨在内蒙古根河市出现了因地磁暴活动而发生的极光景观。[27]