什么是脉动极光?揭开脉动极光的起源之谜

当来自太阳的高速粒子流(太阳风)进入地球的磁气圈时,靠近南北两极的区域会出现绚烂夺目的极光。在距离地表上千公里的高空,极光闪耀着或绿、或红、或紫的光芒,是夜空中最美的演出。

在各种各样的极光中,常在黎明时出现的脉动极光(pulsating aurora)却产生于几万公里之远的磁气圈,但极光脉动的物理机制一直未通过观测验证。直到最近,脉动极光多彩绚丽背后的关键机制才终被首次观测到,科学家将这一发现发表在了2月15日的《自然》杂志上[1]。

根据之前的研究,一直以来这种脉动极光被认为是由电磁波起伏触发的,这种波动产生于赤道的磁气圈,被称为合唱波(chorus wave)。科学家认为合唱波在磁气圈沿着地球的磁场线向地球大气的上端发射电子,当它们与空气中的分子碰撞时便会产生光。

○ 脉动极光是一种特别类型的北极光,会在夜空中闪烁。在围绕地球的磁气圈中,电子被困在磁场中,并沿着磁场线运动(红色箭头)。当这些粒子与电磁波(即合唱波)相互作用时,它们会被指引到地球的大气层,随即产生极光。研究人员利用航天器(图中显示的位置)直接探测到了合唱波和电子间的作用。

然而,几十年来科学家一直无法在适当的时间和位置收集到足够灵敏的地基和天基观测数据,因此无法证明这一模型:具体说来,首个挑战便是需要一台高分辨率的地基观测仪器,以获得对空间电子进行原位测量的数据。另一难题是要确定穿过太空航天器的场线与地面接触的位置,因为我们无法看见磁场,所以判断场线与地球接触的位置以及相同场线在空间中的位置是极其困难的。好在绕地球运动的电子倾向于紧跟这些场线移动。当这些粒子与合唱波相互作用时,它们会被引导进入高层大气区域——即电离层,也就是通常产生极光的地方。这允许我们能即时看到相关的场线。

在克服了这两个困难之后,研究人员终于收集到了导致脉动极光的直接证据。由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)于2016年底发射的Arase太空船收集到的大量数据,Arase 既可以探测合唱波,也可以在磁场线周围的狭窄范围内探究它们对磁气圈电子的影响。

○ 探测器Arase于2016年12月20日发射,并于2017年3月23日开始进行测量。Arase观测到了合唱波和磁气圈的散射电子,这是脉动极光的起源。

研究人员指出了Arase航天器所检测到的磁场线与地球接触的位置。经确认发现,2017年在加拿大中部出现的极光是由合唱波散射的磁气圈电子所产生的。东京大学的太空和行星物理学家 Satoshi Kasahara 是这项研究的第一作者,对于此次发现他说:“天文的观测结果通常来说都非常复杂,对理论预测的验证通常会产生模棱两可的结果,但这次的情况却并非如此。”Arase 航天器上载有的电子传感器,是由 Kasahara 和他的团队专门设计的,对由合唱波驱动的极光电子的相互作用能进行精确地观测。

他们从位于加拿大中部的全天空成像仪的测量数据中识别出信号,让我们可以看到完整的脉动极光产生的过程:太空中电子布居的波动;导致这些波动的合唱波;和来自地面的极光强度变化。极光产生的最后一步与我们在老式电视机上观影有点类似,电离层就像是投射电子的“屏幕”。

在 Kasahara 等人进行的分析中,他们将空间中的电子波动和合唱波与全天空成像仪在地面上看到的脉动极光信号相关联。这一步骤是揭示场线所在大气中精确位置的关键。而这一技术具有极大的潜力来改进现有的磁场模型。科学家计划将与世界各地多所高等院校和研究机构合作,进一步拓展这一研究。

Kasahara说:“通过更全面地分析从 Arase 航天器上收集到的数据,我们将揭示与等离子物理有关的更多可变性和细节,以及由此产生的大气现象,如极光。”(编辑:p_vmeilingpan)

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[责任编辑:wyqinglli]

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