[多圖]衛星揭開極光形成之謎

出現在芬蘭南部的極光
 

　　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，并最后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，或者是什么引發它們的。

　　現在美國宇航局（NASA）的一系列衛星終于找到了答案。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。

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
 

　　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。伽里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系了起來。不過直到20世紀50年代科學家才確認了極光是由于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于太陽風。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，并且猶如微風吹拂秀發一般地在地球背向太陽的一側張開它的“保護網”。

1996年6月出現在挪威的極光。

　　雖然有了這層保護，但是太陽風還是可以干擾磁層，并且向地球上層大氣輸入高能粒子。于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”通常是十分暗弱的。“人們經常意識不到它們是極光。天空會彌漫著些許的亮光，看上去可能會有點奇怪，”加拿大卡爾加里大學監測極光的埃里克·多諾萬（EricDonovan）說。

　　當亞暴在磁層中出現的時候，盡管釋放的能量只相當于幾百萬噸的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分鐘里極光就會覆蓋天空，并且大幅度地增亮和“舞動”。“增亮成百上千倍對于極光來說并不是什么罕見的事情，”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。

挪威森林上空的極光。
　

　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于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么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”衛星已經幫助我們了解了其中部分的原委。從1992年以來，“磁尾”衛星就被置于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么，而無法告訴我們整個磁層快速復雜變化的全局圖像。“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（DavidSibeck）說。

俄羅斯白海上空的極光
 

　　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。

THEMIS衛星及其軌道
　　

       在發射之后三個月，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于地球磁場的外邊界。其中一些位于地球磁場中，另一些則位于磁場之外，”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。

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