科学家首次详细观测到超级风暴如何压缩地球等离子层，并揭示了为何恢复过程耗时超过四天，影响了导航和通信系统。

地磁超级风暴是空间天气中最极端的一种形式，当太阳向地球喷射出巨大的能量和带电粒子时就会发生。这种威力强大的事件极为罕见，通常每20-25年才会出现一次。2024年5月10日至11日，地球遭遇了二十多年来最强烈的地磁超级风暴，被称为“加农风暴”或“母亲节风暴”。

由名古屋大学空间地球环境研究所的新堀敦树博士领导的一项研究，在太阳风暴期间收集了直接观测数据，首次详细揭示了此类事件如何挤压地球等离子层（环绕地球的带电粒子保护层）。该研究成果发表在《地球、行星与空间》期刊上，展示了等离子层和电离层在强烈的太阳活动扰动期间的响应，并为改进极端空间天气造成的卫星故障、GPS问题和通信问题的预测提供了新的视角。

Arase卫星捕捉到罕见的等离子体层坍缩现象

由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）于2016年发射的Arase卫星，穿梭于地球等离子层，测量等离子波和磁场。在2024年5月的超级风暴期间，它恰好处于理想的位置，记录了等离子层的剧烈压缩以及随后漫长而缓慢的恢复过程。这是科学家首次获得连续、直接的数据，展现了超级风暴期间等离子层收缩到如此低的高度。

“我们利用荒濑卫星追踪等离子层的变化，并利用地面GPS接收器监测电离层——电离层是补充等离子层的带电粒子的来源。对这两层的监测向我们展示了等离子层收缩的幅度有多大，以及为什么恢复需要这么长时间，”新堀博士解释说。

超级风暴将等离子层推至历史最低高度

等离子层与地球磁场协同作用，阻挡来自太阳和深空的有害带电粒子，为卫星和其他技术提供天然保护。正常情况下，这一区域向外延伸至远离地球的地方，但五月份的风暴迫使其外缘从地表以上约44,000公里处向内收缩至仅9,600公里处。

太阳上几次大规模喷发释放了数十亿吨带电粒子，形成了这场风暴。短短九小时内，等离子层就被压缩到正常大小的五分之一左右。它的恢复速度异常缓慢，需要四天多的时间才能重新充满，这是自2017年Arase开始监测该区域以来记录到的最长恢复时间。

新堀博士指出：“我们发现，这场风暴最初导致极地附近区域温度急剧升高，但随后又导致电离层带电粒子数量大幅下降，从而减缓了恢复速度。这种持续的扰动会影响GPS精度，干扰卫星运行，并使空间天气预报变得复杂。”

超级风暴将极光推向赤道更远的地方

在极光风暴最强的时候，太阳活动强烈压缩了地球磁场，使得带电粒子能够沿着磁力线向赤道方向移动更远的距离。结果，在一些鲜少出现极光的地方，出现了绚丽的极光。

极光通常出现在两极附近，因为地球磁场会将太阳粒子导入那里的大气层。这次的地磁暴威力强大，将极光带推移到了远超其通常位于北极圈和南极圈附近的区域，在诸如日本、墨西哥和南欧等中纬度地区——这些地区通常很少见到极光——也出现了极光。更强烈的地磁暴则能让极光到达越来越靠近赤道的地区。

负风暴减缓了等离子层恢复正常的进程。

超级风暴到来约一小时后，带电粒子涌入地球高纬度地区的高层大气，并向极地冰盖方向流动。随着风暴减弱，等离子层开始补充来自电离层的粒子。

这种补充过程通常只需要一两天，但这次由于一种被称为负离子风暴的现象，恢复过程却持续了四天。在负离子风暴中，强烈的加热改变了大气化学成分，导致电离层中的粒子浓度在大片区域急剧下降。这会减少有助于生成氢粒子的氧离子，而氢粒子是恢复等离子层所必需的。负离子风暴是不可见的，只能通过卫星探测到。

“负风暴通过改变大气化学成分并切断等离子层的粒子供应，减缓了恢复速度。负风暴与恢复延迟之间的这种联系以前从未被清晰地观察到，”新堀博士说。