流光又溢彩

by Shea on 五月 17, 2009

Stephen Battersby 文 Shea 编译

它们已经让人类为之着迷了上千年,直到最近才慢慢揭开了神秘的面纱……


[图片说明]:出现在芬兰南部的极光。版权:Lehtikuva Oy/Rex Features。



一天几次,巨大的爆炸会震颤地球的磁场,触发一系列的事件,并最后以耀眼的极光照亮两极的天空。这些爆炸被称为“亚暴”,它们是如何产生的长久以来一直是一个谜。直到最近,还没有人能解释它们是如何聚集能量进而产生如此壮观的景象的,或者是什么引发它们的。

现在美国宇航局(NASA)的一系列卫星终于找到了答案。它们不仅帮助我们认识了这些大自然最壮丽景象的本质,还帮助我们预报更为重要的空间天气。恶劣的空间天气会危及人造卫星和宇航员,甚至还会破坏地面上的电网。

[图片说明]:2001年3月20日出现在芬兰南部的五彩极光,通常它们只能在更靠近北极的地方才能被看到。版权:Lehtikuva Oy/Rex。

贯穿人类的历史,极光始终让我们着迷,这其中也不乏对它的解释。伽里略认为极光是从地球上升起的蒸汽反射阳光而成的,而笛卡尔则认为是冰晶反射阳光形成了极光。17世纪末,哈雷第一个把极光和地球磁场联系了起来。不过直到20世纪50年代科学家才确认了极光是由于磁场将电子输入上层大气而产生的。

极光、亚暴和更具有破坏力的某些空间天气状况都源自于太阳风。太阳风是由太阳抛射出的一团稀薄高温带电粒子,其中还夹杂着磁场和电流。太阳风“刮”过地球时的速度可以达到每小时160万千米,但是给我们的感觉却像是“轻风拂面”。原因就是地球的磁场会使得绝大部分的太阳风发生偏转,由此在地球周围形成了一个空间天气相对平静的区域,被称为“磁层”。当太阳风吹过地球的时候,磁层就会被挤压,并且犹如微风吹拂秀发一般地在地球背向太阳的一侧张开它的“保护网”。


[图片说明]:1996年6月出现在挪威的极光。版权:Norsk Presse/Rex。

虽然有了这层保护,但是太阳风还是可以干扰磁层,并且向地球上层大气输入高能粒子。于是它们就会像点亮氖管中的气体一样产生极光,而缓慢舞动的绿色光幕正是带电粒子轰击大气上层氧原子的产物。这些“宁静的极光弧”通常是十分暗弱的。“人们经常意识不到它们是极光。天空会弥漫着些许的亮光,看上去可能会有点奇怪,”加拿大卡尔加里大学监测极光的埃里克·多诺万(Eric Donovan)说。

当亚暴在磁层中出现的时候,尽管释放的能量只相当于几百万吨的TNT炸药,但是它的效果却是实实在在的。地球磁场会发生扭动,环绕磁层的电流也会跟着剧烈搅动,在10-15分钟里极光就会覆盖天空,并且大幅度地增亮和“舞动”。“增亮成百上千倍对于极光来说并不是什么罕见的事情,”多诺万说。当高能粒子轰击大气分子的时候就会从氧和氮中激发出红光、绿光和蓝光,这时极光就会变得既流光又溢彩。


[图片说明]:挪威森林上空的极光。版权:Norsk Presse Service AS/Rex Features。

现在已经知道由亚暴产生的稀薄极光弧和耀眼的极光之间的差别是由于太阳风中磁场极性不同而导致的。绝大多数情况下太阳风中的磁场和地球的是同向的,这使得太阳风可以不受干扰地通过地球。但是当两者反向的时候,它们就会连接到一起,由此为在磁层中产生亚暴提供了能量。不过这一切到底是怎么发生的目前还不是很清楚。

诸如日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的“磁尾”卫星已经帮助我们了解了其中部分的原委。从1992年以来,“磁尾”卫星就被置于地球磁尾来研究它和太阳风的相互作用。但是一颗卫星只能告诉我们在某个点发生了什么,而无法告诉我们整个磁层快速复杂变化的全局图像。“过去我们只能进行‘探针’式的观测,”NASA戈达德航天中心的大卫·西贝克(David Sibeck)说。


[图片说明]:俄罗斯白海上空的极光。版权:ImageBroker/Imagebroker/FLPA。

为了拓展视野,NASA在2007年2月发射了一系列的卫星用来捕捉亚暴是如何发生的,这些卫星被统称为“亚暴事件历史及宏观相互作用”(THEMIS)。这五颗卫星沿着各自不同的轨道绕地球运行,因此当磁层中有有趣的事情发生的时候,它们就可以从各个角度对其进行观测。


[图片说明]:THEMIS卫星及其轨道。版权:NASA。

在发射之后三个月,THEMIS就遇到了亚暴的开始。“当时我们的五颗卫星正好排成一排且垂直于地球磁场的外边界。其中一些位于地球磁场中,另一些则位于磁场之外,”西贝克说。

这五颗卫星所处的地方正是绝佳的观测位置,它们的观测由此可以告诉我们太阳风是如何向磁层输入能量进而驱动亚暴的。

[图片说明]:THEMIS卫星每过4天就会在美国上空排成一直线。它们到地球的距离从地月距离的1/6到1/2不等。版权:NASA。

THEMIS的观测显示,当太阳风和磁层相联接时地磁场会发生改变。一股扭曲的磁场会先形成,然后沿着边缘向地球背向太阳的一侧运动。这一现象被称为“磁流绳”,它可能和亚暴之间存在联系。

磁流绳会和太阳风中的磁场联接,随后两者会缠绕在一起使得地球磁场和太阳磁场相联。这就会使得高能粒子长驱直入,为磁层输入能量。

当太阳风吹过地球的时候,它会拉扯磁流绳的端点,并且将磁流绳及其磁场拖离地球向阳的一侧而进入地球背阳一侧的磁层尾。

当有越来越多的磁流绳形成并且被拖入磁尾的时候,地球向阳一侧的磁场就会越来越少。当然这不会一直进行下去。“否则地球向阳一侧的磁场就会被完全剥离,”主管THEMIS的、美国加州大学洛杉矶分校的瓦西利斯·安吉洛普洛斯(Vassilis Angelopoulos)说。一旦这一情况发生,地球就会失去保护,人类就会暴露在致癌的宇宙线中。地球刚形成的极早期,地球的原始大气甚至就被太阳风“吹”散过。

不过很显然我们是幸运的,这一切都没有发生。在磁场积蓄了张力几个小时之后,亚暴就会产生。有几件事情几乎是同时发生的,包括磁尾断裂、等离子冲向地球以及围绕地球的电流瓦解。但是这些事件中是哪些触发了亚暴并且产生了极光呢?为此THEMIS的科学家需要知道它们中的哪一个是最先发生的。

[图片说明]:图A:地球的磁场或者磁层保护着地球免受太阳风的侵扰,因此太阳风通常会从地球旁穿过。图B:但是当太阳风中的磁场和地球磁场正好相反的时候,两股磁场就会联接,并且形成扭曲的“磁流绳”。这使得高能粒子可以进入磁层。图C:太阳风会把磁流绳和磁场拖入地球的背阳侧。最终不堪重负的磁尾就会断裂,进行发生重联(类似磁场“短路”)。这就会触发亚暴、加速粒子并且产生强磁波。断裂的磁尾也会向地球输送高温等离子体。图D:但是这些扰动是如何在一分钟之内引发极光的目前还不清楚。版权:New Scientist。

有两个相互竞争的理论。有一派认为动力来自6万千米高磁层中流动的电流。类似发电机,磁场的运动也会驱动电流,而当有磁场加入磁尾的时候就会增强电流。但问题是,如果电流足够强的话,它就会变得不稳定进而造成高能电子轰击大气吗?

另一派则认为磁尾是触发这一切的元凶。当越来越多的磁场被加入磁尾的时候,磁尾就会被压缩得越来越紧。在磁尾处这些磁场的指向正好相反,一些指向北极,另一些指向南极。当这些磁力线由于太阳风而被拉伸和压缩的时候,两股相反的磁力线就有可能会自发地重联,将磁尾从中间剪断并且引发亚暴。

2008年2月26日,当一个亚暴发生的时候,THEMIS幸运地正好位于地球的背阳侧可以观测到电流被瓦解以及磁尾断裂重联的地方。这是一个平息争论的完美机会。


[图片说明]:版权:Design Pics Inc/Rex Features。

THEMIS看到的第一个发生的事件是磁尾磁场的断开和重联,这预示着亚暴是在这一区域发生变化之后才被触发的。那么就此可以结案了?还不行。THEMIS还发现了一件意想不到的事情。安吉洛普洛斯预期磁尾的断开首先会造成环绕地球的电流失稳,这反过来会把电子射向地球产生极光。但与之相反的是,极光在磁尾重联之后一分钟就开始增强了,而且最关键的是这个时候电流环还没有瓦解。“我很吃惊,”安吉洛普洛斯说,“我们从来没想到磁重联在一分钟之内就能点亮极光。”

但并不是所有人都对此表示信服。美国约翰·霍普金斯大学的安东尼·路易(Anthony Lui)对整个事件的顺序表示怀疑。他认为安吉洛普洛斯及其小组曲解了THEMIS的数据,磁尾中的重联是后发生的。“如果顺序和先前得到的是相反的话,那么引发亚暴的就是电流的瓦解,”路易说。


[图片说明]:美国阿拉斯加上空的极光。版权:GSFC/MSFC/NASA。

尽管THEMIS又观测了数个亚暴并且也获得了相同的结果,但是路易坚持认为探测器因为没有在正确的位置进行观测,因此无法得出正确的结果。安吉洛普洛斯已经决定改变卫星的轨道以便来解决这个问题。在接下去的几个月里,这也许会消除有关亚暴的触发机制以及对极光为何如此快速出现的解释中所存在的任何争议。

同时它也会为亚暴和全局的地磁暴之间的联系提供线索,而全局的地磁暴所能造成的不仅仅是一场绚丽的极光表演。这些由太阳剧烈爆发导致的磁暴会破坏人造卫星、干扰全球定位系统信号、危急宇航员甚至还会烧坏供电线路。一场地磁暴通常会由几个亚暴组成,但是这两者是怎样联系起来的还不清楚。THEMIS进行到目前为止,太阳活动还比较弱。不过在未来的几年里会不断增强,这将为THEMIS提供一个观测大型爆发的机会。


[图片说明]:从太空中看极光。版权:JSC/NASA。

安吉洛普洛斯正期待着这一天的到来,这倒不仅仅是为了其中的科学价值。对于那些一直专注于亚暴的人来说,安吉洛普洛斯令他们惊讶地并没有在亚暴身上花多少时间。不过这正是他认识亚暴的独特方式。“为了能去观测到它们,我正在建立有关预报亚暴的模型,”他说。有了触发机制的模型,就有可能在几分钟内预报亚暴的形成。“于是我就有机会把它们逮个正着,”安吉洛普洛斯说。

[New Scientist2009年02月07日]

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