什么样的极光不算是极光？科学家解释被称为"史蒂夫"和"篱笆"的神秘现象

正常的极光（左图）由红、绿、蓝三色光幕组成。增强型极光（右图）包含一个更亮的薄层，它呈现出更多的绿色，可能是由产生史蒂夫和篱笆的相同物理过程引起的。由于增强型极光更为常见，加州大学伯克利分校的研究人员计划首先对其进行探测，以确定高层大气中造成这种现象的条件。图片来源：theauroraguy.com，Vincent Ledvina

史蒂夫--2006 年一部儿童电影中给可怕树篱起的一个善意的名字--在 2018 年首次被认为有别于常见的极光，尽管如此，人们仍然认为史蒂夫及其相关的篱笆是由相同的物理过程造成的。但是，科学家们对这些发光体是如何产生的却一直挠头。

加州大学伯克利分校物理学研究生克莱尔-加斯克（Claire Gasque）现在为这些现象提出了一种物理解释，这种解释与众所周知的极光产生过程完全不同。她与该校空间科学实验室（SSL）的研究人员合作，建议美国国家航空航天局（NASA）向极光中心发射一枚火箭，以探究她的观点是否正确。

随着太阳进入其 11 年周期的活跃期，像史蒂夫和篱笆这样生机勃勃的极光和发光现象变得越来越常见，11 月份是北纬地区观测史蒂夫的好月份。由于所有这些瞬时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极大期是研究史蒂夫和栅栏等罕见现象的理想时机。

加斯克在上个月发表在《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters）杂志上的一篇论文中描述了篱笆背后的物理学原理，并将于12月14日在旧金山举行的美国地球物理联盟会议上发表特邀演讲，讨论相关结果。她计算出，在比极光形成区域更靠南的高层大气区域中，与地球磁场平行的电场可以产生篱笆色谱。如果计算正确，这一不寻常的过程将对物理学家如何理解地球磁层与太空边缘电离层之间的能量流动产生影响。

加斯克说："在某些情况下，这将颠覆我们对光和极光中的能量产生原因的建模。克莱尔的论文真正有趣的地方在于，几年前我们就知道史蒂夫的光谱告诉我们有一些非常奇特的物理现象正在发生。我们只是不知道那是什么，"论文的共同作者、SSL助理研究物理学家布莱恩-哈丁（Brian Harding）说。"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论文中的一个副项目，其研究重点是地球表面的火山等事件与我们头顶上方 100 公里或更高处的电离层现象之间的联系。

但在 2022 年的一次会议上听说了史蒂夫（Steve，现在已成为"强热发射速度增强"的缩写）之后，她研究了史蒂夫和篱笆背后的物理学。这是目前空间物理学中最大的谜团之一。

史蒂夫和篱笆的物理学原理

当太阳风给地球磁层中的粒子通电时，就会产生常见的极光。这些通电粒子绕着地球磁力线向两极盘旋，在那里撞击并激发高层大气中的氧气和氮气分子。当这些分子松弛时，氧气会发出特定频率的绿光和红光，而氮气会产生一点红光，但主要是蓝光。

由此产生的五颜六色、闪闪发光的帘幕可以在南北纬度上绵延数千公里。

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，史蒂夫和篱笆都不发射蓝光，蓝光是由高能粒子撞击氮并使其电离产生的。史蒂夫和篱笆也出现在比极光更低的纬度，甚至可能出现在赤道以南。

一些研究人员提出，"史蒂夫"是由高层大气中的离子流引起的，这种离子流被称为"副金牛座离子漂移"，但对于"副金牛座离子漂移"如何产生五颜六色的辐射，目前还没有公认的物理解释。

有人认为篱笆的辐射可能是由与地球磁场平行的低空电场产生的，而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。

随后，加斯克利用电离层的普通物理模型证明，在大约 110 千米的高度上，一个适度的平行电场--大约每米 100 毫伏--可以将电子加速到激发氧和氮的能量，并产生从篱笆上观测到的光谱。该区域的异常条件，如带电等离子体密度较低，氧和氮的中性原子较多，有可能起到绝缘作用，防止电场短路。

"如果你观察篱笆的光谱，它比你想象的要绿得多。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，它们不可能来自太空，也不可能进入大气层，因为这些粒子的能量太大了。相反，篱笆上的光是由粒子产生的，这些粒子必须在太空中被平行电场激发，这与我们之前研究或了解的任何极光的机制完全不同"。

她和哈丁怀疑史蒂夫本身也可能是由相关过程产生的。他们的计算还预测了这一过程会产生的紫外线辐射类型，通过检查可以验证关于篱笆的新假设。

虽然加斯克的计算并没有直接解决使这一现象看起来像篱笆的开关发光问题，但她说，这很可能是由于电场的波状变化造成的。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，就像普通极光一样。

增强型极光呈现出类似篱笆的光芒

哈丁说，下一步是在阿拉斯加发射一枚火箭，穿过这些现象，测量电场和磁场的强度和方向。SSL 的科学家们专门设计和制造了这种仪器。这些仪器中有许多都安装在环绕地球和太阳运行的航天器上。

最初的目标是所谓的增强极光，即在普通极光中嵌入类似栅栏的发射物。

"增强极光基本上就是嵌入正常极光的明亮层。其颜色与栅栏相似，没有那么多蓝色，更多的绿色来自氧气，红色来自氮气。加斯克说："我们的假设是，这些极光也是由平行电场产生的，但它们比篱笆要常见得多。"

研究人员的计划不仅是"让火箭飞过那个增强层，首次实际测量这些平行电场"，而且还要发射第二枚火箭，在更高的高度测量粒子，"以区分造成极光的条件"。最终，希望火箭能直接穿过史蒂夫和篱笆。

今年秋天，哈丁、加斯克和同事们向美国国家航空航天局（NASA）提出了这样一个探空火箭计划，并希望在2024年上半年收到有关其选择的回复。加斯克和哈丁认为，这项实验是了解高层大气、电离层和地球磁层的化学和物理学的重要一步，也是符合美国国家航空航天局（NASA）为此类项目赞助的低成本进入太空（LCAS）计划的一项提议。

哈丁说："可以说，未来会有很多关于这些电场是如何产生的，它们与什么波有关或无关，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的研究，目前我们真的不知道，而克莱尔的论文是实现这一认识的第一步。"

加斯克对研究中间电离层（即中间层）和平流层的人员提供的意见表示感谢，他们的想法帮助她找到了解决方案。

编译来源：ScitechDaily