什麼時候極光不是極光?
192 次觀看·2023年12月14日
北极极光是一种令人惊叹的自然奇观,它在北极地区的高空中绽放出绚丽的光彩。北极极光的形成原理是什么呢?简单来说,就是太阳风中的带电粒子与地球磁场和大气层发生相互作用,产生不同颜色的发光现象。
北极极光的颜色和形状是多样的,有时是绿色的弧线,有时是紫色的帘幕,有时是红色的电晕。 这些都取决于带电粒子与大气中不同成分的碰撞,以及观察者的位置和角度。北极极光的变化也很快,有时是缓慢的闪烁,有时是迅速的爆发。
但最神秘的是被称为Steve的淡紫色和白色的条纹,以及它们经常伴随的发光的绿色“栅栏”。
Steve最早在2018年被认为与普通的极光不同,它的名字来源于一群业余的极光爱好者,他们是一个叫做Alberta Aurora Chasers的组织,他们经常在加拿大的阿尔伯塔省观察极光。他们发现,有时候,在极光的南边,会出现一条淡紫色和白色的条纹,而且这条条纹经常伴随着一些发光的绿色“栅栏”。他们觉得这是一种很特别的极光,于是就给它起了一个名字,叫做Steve。这个名字的灵感来自于2006年的一部儿童电影《马达加斯加的企鹅》,里面有一个场景,一群企鹅遇到了一个可怕的树篱,他们就给它起了一个温和的名字,叫做Steve。这个名字就这样沿用了下来,后来被正式认定为一种极光现象的缩写,意思是强烈的热电离层速度增强。
北極極光是一種令人驚歎的自然奇觀
它在北極地區的高空中綻放出絢麗的光彩
北極極光的形成原理是什麼呢?
簡單來說就是太陽風中的帶電粒子
與地球磁場和大氣層發生相互作用
產生不同顏色的發光現象
北極極光的顏色和形狀是多樣的
有時是綠色的弧線
有時是紫色的簾幕
有時是紅色的電閱
這些都取決於帶電粒子與大氣中不同成分的碰撞
以及觀察者的位置和角度
北極極光的變化也很快
有時是緩慢的閃爍
有時是迅速的爆發
但最神祕的是
被稱爲STEVE的淡紫色和白色的條紋
以及它們經常伴隨的發光的綠色柵欄
STEVE最早在2018年被認爲與普通的極光不同
它的名字來源於一群業餘的極光愛好者
他們是一個叫做Albert Aurora Chasers的組織
他們經常在加拿大的阿爾伯塔省觀察極光
他們發現
有時候
在極光的南邊
會出現一條淡紫色和白色的條紋
而且這條條紋經常伴隨着一些發光的綠色柵欄
他們覺得這是一種很特別的極光
於是就給它起了一個名字
叫做STEVE
這個名字的靈感來自於2006年的一部兒童電影
《馬達加斯加的企鵝》
裏面有一個場景
一群企鵝遇到了一個可怕的樹籬
他們就給它起了一個溫和的名字
叫做STEVE
這個名字就這樣沿用了下來
後來被正式認定爲一種極光現象的縮寫
意思是強烈的熱電離層速度增強
它是對2006年一部兒童電影中
一個可怕的樹籬
給予的溫和的名字的一種調侃
但它和它相關的柵欄
仍然被認爲是由相同的物理過程引起的
但是科學家們對這些發光的排放
是如何產生的感到困惑
加州大學伯克利分校的物理學研究生
Claire Gats
現在提出了一種對這些現象的物理解釋
它與產生衆所周知的極光的過程完全不同
她與校園的空間科學實驗室的研究人員合作
建議NASA發射一枚火箭進入極光的中心
以找出它是否正確
隨着太陽進入其11年週期的活躍期
鮮豔的極光和發光的現象
如Steve和乍了
變得更加常見
而11月是北緯度觀察Steve的好月份
由於所有這些瞬變的發光現象
都是由太陽風暴和太陽的日冕物質拋射引發的
所以即將到來的太陽最大值
是研究像Steve和乍了這樣的罕見事件的理想時機
Gask在上個月發表在
《地球物理研究快報》雜誌上的一篇論文中
描述了乍覽背後的物理學
並將在12月14日
在舊金山的美國地球物理聯合會會議上
受邀發表演講
她計算出
在大氣層的一個比極光形成的地方更難的區域
與地球磁場平行的電場
可以產生乍覽的顏色光譜
如果正確的話
這種不尋常的過程
對物理學家如何理解地球磁層
和電離層之間的能量流動
有着重要的意義
地球磁層圍繞着地球
保護地球免受太陽風的侵襲
而電離層位於太空的邊緣
這將顛覆我們對在某些情況下
產生光和極光能量的模型
真正有趣的地方是
我們已經知道幾年了
Steve的光譜告訴我們
有一些非常奇特的物理學在發生
我們只是不知道是什麼
研究結果顯示
平行電場能夠解釋這種奇特的光譜
這篇論文是Gask博士論文的一個副項目
她的論文主要關注地球表面的事件
如火山
和電離層中的現象之間的聯繫
電離層在我們頭頂上100公里或更高的地方
但是在2022年的一次會議上
聽到Steve的消息後
她忍不住想要了解Steve和柵欄背後的物理學
這真的很酷
她說
這是目前空間物理學中最大的謎團之一
普通的極光是由太陽風
激發地球磁層中的粒子產生的
通常在地表以上1000公里或更高的高度
這些被激發的粒子
沿着地球磁場線向兩極螺旋下降
它們撞擊並激發了上層大氣中的氧氣和氮氣分子
當這些分子放鬆時
氧氣發出特定頻率的綠色和紅色光
而氮氣產生一點紅色
但主要是一個藍色的發射線
由此產生的色彩斑斕
閃爍的簾子可以延伸數千公里
橫跨北極或南極緯度
然而Steve並不顯示單個的發射線
而是顯示以紫色或淡紫色爲中心的廣泛的頻率範圍
與極光不同
Steve和柵欄都不發出藍光
藍光是由最有能量的粒子撞擊
並電離氮氣產生的
Steve和柵欄也出現在比極光更低的緯度
甚至可能到達赤道附近
一些研究人員提出
Steve是由上層大氣中的離子流引起的
稱爲亞極光離子漂移
或SED
儘管沒有公認的物理解釋
能說明SED如何產生這些色彩斑斕的排放
Gask的興趣是由一些建議激發的
極柵欄的排放
可以由與地球磁場平行的低高度電場產生
這種情況被認爲是不可能的
因爲任何與磁場對齊的電場
應該很快短路並消失
使用一個常見的電離層物理模型
Gask隨後顯示
一箇中等的平行電場
大約100毫福每米
在大約110公里的高度
可以加速電子到一個能量
這個能量可以激發氧氣和氮氣
併產生從柵欄觀察到的光譜
在那個區域的一些不尋常的條件
如帶電等離子體的密度較低
和氧氣和氮氣的中性原子較多
可能可以作爲絕緣材料
防止電場短路
如果你看看柵欄的光譜
它比你預期的要綠得多
而且沒有來自氮氣電離的藍色
Gask說
這告訴我們
只有一個特定的電子能量範圍
可以產生這些顏色
而且它們不可能從太空的遙遠處
進入大氣層
因爲這些粒子的能量太大了
相反
他說
柵欄的光是由必須在空間中
被平行電場激發的粒子產生的
這是一種與我們之前研究
或瞭解的任何極光都不同的機制
他和Harding懷疑
STEVE本身可能是由相關的過程產生的
他們的計算還預測了這個過程
會產生的紫外線排放的類型
這可以用來驗證關於柵欄的新假設
雖然Gask的計算沒有直接解釋
使現象看起來像柵欄的開關發光
但他說
這可能是由於電場中的波動造成的
而且
雖然被電場加速的粒子
可能不是來自太陽
但太陽風暴對大氣的擾動
可能會觸發STEVE和柵欄
就像它觸發普通的極光一樣
下一步
Harding說
是從阿拉斯加發射一枚火箭穿過這些現象
並測量電場和磁場的強度和方向
SSL的科學家們
擅長設計和製造這樣的儀器
這些儀器中的許多
現在正在繞着地球和太陽運行
最初的目標是所謂的增強型極光
它是一種正常的極光
其中嵌入了柵欄般的排放
增強型極光
基本上是嵌入在正常極光中的明亮的層
它的顏色與柵欄類似
其中沒有太多的藍色
而有更多的來自氧氣的綠色
和來自氮氣的紅色
假設是
這些也是由平行電場產生的
但它們比柵欄更常見
Gask說
他說
計劃不僅是讓一枚火箭飛過那個增強的層
第一次實際測量那些平行電場
而且還要發射第二枚火箭
測量更高高度的粒子
以區分導致極光的條件
最終他希望有一枚火箭
能直接飛過STEVE和柵欄
Harding
Gask他們的同事
在今年秋天向NASA提出了這樣一個探測火箭的計劃
並期待在2024年上半年得到回覆
Gask Harding認爲
這個實驗是理解上層大氣
電離層和地球磁層的化學和物理的重要一步
也是符合NASA爲這樣的項目贊助的低成本
進入太空計劃的提議
公平地說
未來將有很多研究
關於這些電場是如何到達那裏的
它們與什麼波有或沒有關聯
以及這對地球大氣和太空之間的
更大的能量轉移意味着什麼
Harding說
我們真的不知道
Clear的論文是理解這一鏈條的第一步
Gask對研究中層電離層
或中間層和平流層的人的意見表示感謝
他們的想法幫助他解決了這個難題
有了這種合作
我們能夠在這個領域取得一些非常酷的進展
他說
老實說
這只是跟着我們的直覺
對他感到興奮

