[多圖]衛星揭開極光形成之謎 | 陽光歷史

 

A-A+

[多圖]衛星揭開極光形成之謎

2015年09月19日 宇宙奧秘-長篇 暫無評論 閱讀 416 次



圖1:出現在芬蘭南部的極光。版權:Lehtikuva Oy/Rex Features。

一天幾次,巨大的爆炸會震顫地球的磁場,觸發一系列的事件,並最後以耀眼的極光照亮兩極的天空。這些爆炸被稱為「亞暴」,它們是如何產生的長久以來一直是一個謎。直到最近,還沒有人能解釋它們是如何聚集能量進而產生如此壯觀的景象的,或者是什麼引發它們的。


現在美國宇航局(NASA)的一系列衛星終於找到了答案。它們不僅幫助我們認識了這些大自然最壯麗景象的本質,還幫助我們預報更為重要的空間天氣。惡劣的空間天氣會危及人造衛星和宇航員,甚至還會破壞地面上的電網。





圖2:2001年3月20日出現在芬蘭南部的五彩極光,通常它們只能在更靠近北極的地方才能被看到。版權:Lehtikuva Oy/Rex。

貫穿人類的歷史,極光始終讓我們著迷,這其中也不乏對它的解釋。伽裡略認為極光是從地球上升起的蒸汽反射陽光而成的,而笛卡爾則認為是冰晶反射陽光形成了極光。17世紀末,哈雷第一個把極光和地球磁場聯繫了起來。不過直到20世紀50年代科學家才確認了極光是由於磁場將電子輸入上層大氣而產生的。


極光、亞暴和更具有破壞力的某些空間天氣狀況都源自於太陽風。太陽風是由太陽拋射出的一團稀薄高溫帶電粒子,其中還夾雜著磁場和電流。太陽風「刮」過地球時的速度可以達到每小時160萬千米,但是給我們的感覺卻像是「輕風拂面」。原因就是地球的磁場會使得絕大部分的太陽風發生偏轉,由此在地球周圍形成了一個空間天氣相對平靜的區域,被稱為「磁層」。當太陽風吹過地球的時候,磁層就會被擠壓,並且猶如微風吹拂秀髮一般地在地球背向太陽的一側張開它的「保護網」。







圖3:1996年6月出現在挪威的極光。版權:Norsk Presse/Rex。


雖然有了這層保護,但是太陽風還是可以干擾磁層,並且向地球上層大氣輸入高能粒子。於是它們就會像點亮氖管中的氣體一樣產生極光,而緩慢舞動的綠色光幕正是帶電粒子轟擊大氣上層氧原子的產物。這些「寧靜的極光弧」通常是十分闇弱的。「人們經常意識不到它們是極光。天空會瀰漫著些許的亮光,看上去可能會有點奇怪,」加拿大卡爾加裡大學監測極光的埃裡克·多諾萬(Eric Donovan)說。


當亞暴在磁層中出現的時候,儘管釋放的能量只相當於幾百萬噸的TNT炸藥,但是它的效果卻是實實在在的。地球磁場會發生扭動,環繞磁層的電流也會跟著劇烈攪動,在10-15分鐘裡極光就會覆蓋天空,並且大幅度地增亮和「舞動」。「增亮成百上千倍對於極光來說並不是什麼罕見的事情,」多諾萬說。當高能粒子轟擊大氣分子的時候就會從氧和氮中激發出紅光、綠光和藍光,這時極光就會變得既流光又溢彩。







圖4:挪威森林上空的極光。版權:Norsk Presse Service AS/Rex Features。


現在已經知道由亞暴產生的稀薄極光弧和耀眼的極光之間的差別是由於太陽風中磁場極性不同而導致的。絕大多數情況下太陽風中的磁場和地球的是同向的,這使得太陽風可以不受干擾地通過地球。但是當兩者反向的時候,它們就會連接到一起,由此為在磁層中產生亞暴提供了能量。不過這一切到底是怎麼發生的目前還不是很清楚。


諸如日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)的「磁尾」衛星已經幫助我們瞭解了其中部分的原委。從1992年以來,「磁尾」衛星就被置於地球磁尾來研究它和太陽風的相互作用。但是一顆衛星只能告訴我們在某個點發生了什麼,而無法告訴我們整個磁層快速複雜變化的全局圖像。「過去我們只能進行『探針』式的觀測,」NASA戈達德航天中心的大衛·西貝克(David Sibeck)說。







圖5:俄羅斯白海上空的極光。版權:ImageBroker/Imagebroker/FLPA。


為了拓展視野,NASA在2007年2月發射了一系列的衛星用來捕捉亞暴是如何發生的,這些衛星被統稱為「亞暴事件歷史及宏觀相互作用」(THEMIS)。這五顆衛星沿著各自不同的軌道繞地球運行,因此當磁層中有有趣的事情發生的時候,它們就可以從各個角度對其進行觀測。







圖6:THEMIS衛星及其軌道。版權:NASA。


在發射之後三個月,THEMIS就遇到了亞暴的開始。「當時我們的五顆衛星正好排成一排且垂直於地球磁場的外邊界。其中一些位於地球磁場中,另一些則位於磁場之外,」西貝克說。


這五顆衛星所處的地方正是絕佳的觀測位置,它們的觀測由此可以告訴我們太陽風是如何向磁層輸入能量進而驅動亞暴的。





圖7:THEMIS衛星每過4天就會在美國上空排成一直線。它們到地球的距離從地月距離的1/6到1/2不等。版權:NASA。


THEMIS的觀測顯示,當太陽風和磁層相聯接時地磁場會發生改變。一股扭曲的磁場會先形成,然後沿著邊緣向地球背向太陽的一側運動。這一現象被稱為「磁流繩」,它可能和亞暴之間存在聯繫。


磁流繩會和太陽風中的磁場聯接,隨後兩者會纏繞在一起使得地球磁場和太陽磁場相聯。這就會使得高能粒子長驅直入,為磁層輸入能量。


當太陽風吹過地球的時候,它會拉扯磁流繩的端點,並且將磁流繩及其磁場拖離地球向陽的一側而進入地球背陽一側的磁層尾。


當有越來越多的磁流繩形成並且被拖入磁尾的時候,地球向陽一側的磁場就會越來越少。當然這不會一直進行下去。「否則地球向陽一側的磁場就會被完全剝離,」主管THEMIS的、美國加州大學洛杉磯分校的瓦西利斯·安吉洛普洛斯(Vassilis Angelopoulos)說。一旦這一情況發生,地球就會失去保護,人類就會暴露在致癌的宇宙線中。地球剛形成的極早期,地球的原始大氣甚至就被太陽風「吹」散過。


不過很顯然我們是幸運的,這一切都沒有發生。在磁場積蓄了張力幾個小時之後,亞暴就會產生。有幾件事情幾乎是同時發生的,包括磁尾斷裂、等離子衝向地球以及圍繞地球的電流瓦解。但是這些事件中是哪些觸發了亞暴並且產生了極光呢?為此THEMIS的科學家需要知道它們中的哪一個是最先發生的。







圖8:圖A:地球的磁場或者磁層保護著地球免受太陽風的侵擾,因此太陽風通常會從地球旁穿過。圖B:但是當太陽風中的磁場和地球磁場正好相反的時候,兩股磁場就會聯接,並且形成扭曲的「磁流繩」。這使得高能粒子可以進入磁層。圖C:太陽風會把磁流繩和磁場拖入地球的背陽側。最終不堪重負的磁尾就會斷裂,進行發生重聯(類似磁場「短路」)。這就會觸發亞暴、加速粒子並且產生強磁波。斷裂的磁尾也會向地球輸送高溫等離子體。圖D:但是這些擾動是如何在一分鐘之內引發極光的目前還不清楚。版權:New Scientist。


有兩個相互競爭的理論。有一派認為動力來自6萬千米高磁層中流動的電流。類似發電機,磁場的運動也會驅動電流,而當有磁場加入磁尾的時候就會增強電流。但問題是,如果電流足夠強的話,它就會變得不穩定進而造成高能電子轟擊大氣嗎?


另一派則認為磁尾是觸發這一切的元兇。當越來越多的磁場被加入磁尾的時候,磁尾就會被壓縮得越來越緊。在磁尾處這些磁場的指向正好相反,一些指向北極,另一些指向南極。當這些磁力線由於太陽風而被拉伸和壓縮的時候,兩股相反的磁力線就有可能會自發地重聯,將磁尾從中間剪斷並且引發亞暴。


2008年2月26日,當一個亞暴發生的時候,THEMIS幸運地正好位於地球的背陽側可以觀測到電流被瓦解以及磁尾斷裂重聯的地方。這是一個平息爭論的完美機會。







圖9:版權:Design Pics Inc/Rex Features。


THEMIS看到的第一個發生的事件是磁尾磁場的斷開和重聯,這預示著亞暴是在這一區域發生變化之後才被觸發的。那麼就此可以結案了?還不行。THEMIS還發現了一件意想不到的事情。安吉洛普洛斯預期磁尾的斷開首先會造成環繞地球的電流失穩,這反過來會把電子射向地球產生極光。但與之相反的是,極光在磁尾重聯之後一分鐘就開始增強了,而且最關鍵的是這個時候電流環還沒有瓦解。「我很吃驚,」安吉洛普洛斯說,「我們從來沒想到磁重聯在一分鐘之內就能點亮極光。」


但並不是所有人都對此表示信服。美國約翰·霍普金斯大學的安東尼·路易(Anthony Lui)對整個事件的順序表示懷疑。他認為安吉洛普洛斯及其小組曲解了THEMIS的數據,磁尾中的重聯是後發生的。「如果順序和先前得到的是相反的話,那麼引發亞暴的就是電流的瓦解,」路易說。







圖10:美國阿拉斯加上空的極光。版權:GSFC/MSFC/NASA。


儘管THEMIS又觀測了數個亞暴並且也獲得了相同的結果,但是路易堅持認為探測器因為沒有在正確的位置進行觀測,因此無法得出正確的結果。安吉洛普洛斯已經決定改變衛星的軌道以便來解決這個問題。在接下去的幾個月裡,這也許會消除有關亞暴的觸發機制以及對極光為何如此快速出現的解釋中所存在的任何爭議。


同時它也會為亞暴和全局的地磁暴之間的聯繫提供線索,而全局的地磁暴所能造成的不僅僅是一場絢麗的極光表演。這些由太陽劇烈爆發導致的磁暴會破壞人造衛星、干擾全球定位系統信號、危急宇航員甚至還會燒壞供電線路。一場地磁暴通常會由幾個亞暴組成,但是這兩者是怎樣聯繫起來的還不清楚。THEMIS進行到目前為止,太陽活動還比較弱。不過在未來的幾年裡會不斷增強,這將為THEMIS提供一個觀測大型爆發的機會。







圖11:從太空中看極光。版權:JSC/NASA。


安吉洛普洛斯正期待著這一天的到來,這倒不僅僅是為了其中的科學價值。對於那些一直專注於亞暴的人來說,安吉洛普洛斯令他們驚訝地並沒有在亞暴身上花多少時間。不過這正是他認識亞暴的獨特方式。「為了能去觀測到它們,我正在建立有關預報亞暴的模型,」他說。有了觸發機制的模型,就有可能在幾分鐘內預報亞暴的形成。「於是我就有機會把它們逮個正著,」安吉洛普洛斯說。


標籤:



給我留言