什么时候极光不是极光

北极光和南极光闪烁着绿色、和紫色的光幕——极光——可能是照亮夜空的最著名的现象，但最神秘的是被称为史蒂夫的淡紫色和白色条纹，以及它们经常出现的同伴——一种发光的光。绿色的“尖桩篱栅”。

史蒂夫于 2018 年首次被认为与常见的极光不同，这是一个半开玩笑的名字，指的是 2006 年一部儿童电影中可怕的树篱的善意名字。尽管如此，它及其相关的尖桩篱笆被认为是由相同的物理过程引起的。但科学家们对这些发光的排放物是如何产生的感到摸不着头脑。

加州大学伯克利分校物理学研究生克莱尔·加斯克现在对这些现象提出了一种物理解释，该解释与众所周知的极光的过程完全不同。她与校园空间科学实验室(SSL)的研究人员合作，建议宇航局向极光中心发射一枚火箭，以查明她的观点是否正确。

随着太阳进入其 11 年周期的活跃期，充满活力的极光和史蒂夫和尖桩篱笆等发光现象变得越来越普遍，11 月是史蒂夫在北纬地区观测的好月份。由于所有这些短暂的发光现象都是由太阳风暴和太阳日冕物质抛射引发的，因此即将到来的太阳活动极大期是研究像史蒂夫和栅栏这样的罕见事件的理想时机。

加斯克在上个月发表在《地球物理研究快报》杂志上的一篇论文中描述了尖桩篱笆背后的物理原理，并将于 12 月 14 日在旧金山举行的地球物理联盟会议上的受邀演讲中讨论研究结果。

她计算出，在比极光形成区域更南的高层大气区域，与地球磁场平行的电场可以产生栅栏的色谱。如果正确的话，这个不寻常的过程将对物理学家如何理解地球磁层和太空边缘的电离层之间的能量流产生影响。地球磁层包围并保护地球免受太阳风的影响。

加斯克说：“在某些情况下，这将共产党我们对极光产生光和能量的模型。”

“克莱尔论文中真正有趣的事情是，我们几年前就知道史蒂夫光谱告诉我们正在发生一些非常奇特的物理现象。我们只是不知道它是什么，”布莱恩·哈丁说，该论文的合著者和 SSL 助理研究物理学家。“克莱尔的论文表明，平行电场能够解释这种奇异的光谱。”

这篇论文是加斯克博士的一个业余项目。论文的重点是地球表面火山等事件与我们头顶 100 公里或更远的电离层现象之间的联系。

但在 2022 年的一次会议上听说 Steve(现已成为“强热发射速度增强”的缩写)后，她忍不住研究了 Steve 和尖桩篱笆背后的物理原理。

“这真的很酷，”她说。“这是目前空间物理学中最大的谜团之一。”

史蒂夫和尖桩篱笆的物理学

常见的极光是当太阳风为地球磁层中的粒子提供能量时产生的，磁层的高度通常高于地表 1,000 公里。这些带电粒子围绕地球磁场线向两极旋转，在那里它们撞击并激发高层大气中的氧和氮分子。当这些分子松弛时，氧气会发出特定频率的绿光和红光，而氮气会产生一点，但主要是蓝色的发射线。

由此产生的色彩缤纷、闪闪发光的窗帘可以在北纬或南纬延伸数千公里。

然而，史蒂夫显示的不是单独的发射线，而是以紫色或淡紫色为中心的广泛频率范围。与极光不同的是，史蒂夫和栅栏都不发出蓝光，蓝光是当最高能粒子撞击并电离氮时产生的。史蒂夫和栅栏也出现在比极光低纬度的地方，甚至可能远至赤道以南。

一些研究人员提出，史蒂夫是由高层大气中的离子流(称为亚极光离子漂移或SAID)引起的，尽管对于SAID如何产生彩色发射还没有公认的物理解释。

加斯克的兴趣是由这样的建议引起的：栅栏的发射可能是由与地球磁场平行的低空电场产生的，这种情况被认为是不可能的，因为任何与磁场对齐的电场都会很快短路并消失。

加斯克随后利用电离层的常见物理模型证明，在约 110 公里高度处的中等平行电场(每米约 100 毫伏)可以将电子加速到激发氧气和氮气并产生光谱的能量。从尖桩篱笆观察。该区域的异常条件，例如较低密度的带电等离子体以及更多中性的氧和氮原子，可能会起到绝缘作用，以防止电场短路。

“如果你观察栅栏的光谱，它比你想象的要绿得多。而且没有氮电离产生的蓝色，”加斯克说。“这告诉我们，只有特定能量范围的电子才能产生这些颜色，而且它们不可能从太空深处进入大气层，因为这些粒子具有太多的能量。”

相反，她说，“来自尖桩篱笆的光是由粒子产生的，这些粒子必须在太空中通过平行电场提供能量，这与我们研究或已知的任何极光完全不同的机制前。”

她和哈丁怀疑史蒂夫本身可能是由相关过程产生的。他们的计算还预测了该过程将产生的紫外线发射类型，可以对其进行检查以验证有关尖桩篱笆的新假设。

她说，虽然加斯克的计算并没有直接解决使这种现象看起来像栅栏的开关发光问题，但这很可能是由于电场中的波状变化造成的。虽然被电场加速的粒子可能不是来自太阳，但太阳风暴对大气层的扰动可能会触发史蒂夫和栅栏，就像常见的极光一样。

增强的极光呈现出尖桩篱笆般的光芒

哈丁说，下一步是从阿拉斯加发射一枚火箭，通过这些现象来测量电场和磁场的强度和方向。SSL 科学家专门设计和制造能够实现这一目标的仪器。其中许多仪器都安装在绕地球和太阳运行的航天器上。

最初，目标是所谓的增强极光，这是一种嵌入了尖桩篱笆状发射的正常极光。

“增强极光基本上是嵌入正常极光中的明亮层。颜色与栅栏相似，因为其中没有那么多蓝色，并且有更多来自氧气的绿色和来自氮气的。假设是这些也是由平行电场产生的，但它们比尖桩篱栅更常见，”加斯克说。

她说，该计划不仅是“让火箭飞过增强层，首次实际测量这些平行电场”，而且还要发射第二枚火箭，测量更高高度的粒子，“以区分条件远离那些引起极光的东西。” 最终，她希望火箭能够直接飞过史蒂夫和栅栏。

哈丁、加斯克和同事今年秋天向 NASA 提出了这样一项探空火箭计划，并期望在 2024 年上半年收到有关其选择的答复。加斯克和哈丁认为该实验是了解高层大气化学和物理的重要一步、电离层和地球磁层，以及符合 NASA 为此类项目赞助的低成本太空进入 (LCAS) 计划的提案。

“可以公平地说，未来将会有大量的研究涉及这些电场是如何到达那里的、它们与什么波相关或不相关，以及这对地球大气层和太空之间更大的能量转移意味着什么。 ，”哈丁说。“我们真的不知道。克莱尔的论文是这种理解链条中的第一步。”

加斯克对研究中电离层或中间层和平流层的人们的意见表示赞赏，他们的想法帮助她找到了解决方案。

“通过这次合作，我们能够在这个领域取得一些非常酷的进展，”她说。“老实说，它只是跟着我们的鼻子走，并对此感到兴奋。”

除了 Harding 之外，她的其他合著者还包括宾夕法尼亚州立大学帕克分校的 Reza Janalizadeh、马里兰州劳雷尔约翰霍普金斯大学应用物理实验室的 Justin Yonker 和阿尔伯塔省卡尔加里大学的 D. Megan Gillies。加拿大。