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科学家首次发现“太空飓风”

在这幅艺术家演绎的画面中,漩涡形状的极光在北极上空打旋。自身不可见的太空飓风,即一个巨大的、旋转的等离子体中的电子,沉降到地球磁场线(绿色脉动线),从而形成极光。这种电子沉降(橘色漏斗状)类似于常见飓风中的降雨。来源:MARK GARLICK

撰文:ROBIN GEORGE ANDREWS

  当太阳向我们的方向抛出一团高能粒子时,天空中就会上演美丽的极光秀:靠近南北磁极地区的夜空中会出现丝带般鲜艳的彩光。但偶尔,神秘而模糊的一团极光也会出现在地理北极上方。这些光是什么,是怎么产生的,尤其是它们为何出现在太阳的平静期,目前都不得而知。
  一支由多国科学家组成的研究团队或将揭开谜底。这些亮斑可能是北极光以一种非正统的螺旋形状旋转,类似于我们所熟悉的飓风形。该团队将这种现象称为“太空飓风(space hurricane)”。
  尽管科研人员所梳理的数据来自冷战时期的卫星项目,但他们还是获得了以史无前例的细节捕捉到的北极上空一次极光发射。该研究成果发表在2月份的《自然通讯》期刊上。文章称,2014年北极上空一场不寻常的极光有一个平静的中心,或“眼”,而且强劲的等离子体“风”(带电的气体)像涡流一样绕着中心盘旋。这场极光持续了大约8个小时,直径约1000千米,从海拔96千米高的基部一直延伸到800多千米高,直入太空。
  2014年前发现的这类极光斑块可能也是太空飓风。若果真如此,就意味着2014年的这次事件本身并非新发现。但是,该论文的合著者、挪威卑尔根大学的太空物理研究者 Kjellmar Oksavik称:“无论是从形状、形态或行为的角度来看,这都是我们首次发现它确实是一个飓风。”
  目前仍有一些疑团,比如,太空飓风究竟有多常见?有多少能量被转移到地球大气层?

搜寻太空飓风

  过去几年,该论文的第一作者、山东大学的张清和教授一直和自己的学生梳理着卫星数据,以期找到有趣的高层大气现象。他们所用的一个数据库来自于国防气象卫星项目(Defense Meteorological Satellite Program)。该项目最初是美国在20世纪60年代发起,目的是追踪全世界的天气,帮助美国军队计划军事行动。
  张教授解释称,由于像飓风一样的实体存在于木星、土星、天王星、海王星(如木星上的“大红斑”)和地球,他曾很好奇类似的东西是否存在于行星的高层大气。被众多人造卫星环绕的地球似乎是一个开始寻找的好地方。
  此前早已有许多卫星监视着地磁北极上空可疑的极光斑块,但它们要么没有恰好的轨道,要么相机拍出来不过是朦胧一片。然而,美国军用卫星的轨道距离地球近得多,所携带的仪器也能清晰地看到这些极光。尽管这个配置对于发现太空飓风堪称完美,但对于研究人员而言仍然不是一件易事,毕竟,他们不知道太空飓风最可能出现的时刻,也不知道太空飓风的关键特征是什么。“你根本不知道自己要找什么。”Oksavik说道。
  2014年8月20日,那些卫星监测到有一个旋风状的极光斑块在地磁北极上方旋转,酷似一场飓风。但当时的太阳活动却完全对不上。太阳延伸磁场的排列并不利于一场强烈极光的出现,而太阳风(太阳喷射出的粒子流和磁场)移动得很慢,缺乏许多高能粒子。
  那么,这场极光又是如何存在的呢?

你绕着我转圈圈

  首先,理解极光出现的规律性很重要。
  太阳喷射出的电子会飞向地磁两极。它们冲进上层大气里的中性气体原子和分子中,短暂地使其带电,并激发闪光。这种光色彩多变,构成了南北极光。极光颜色取决于被冲击到的气体类型,有白色、红色、紫色、蓝色和绿色。北极光出现在所谓的极光椭圆区,基本上就是地磁北极周围的区域,随着地球磁场对超音速太阳风和太阳磁场的反应而扩展或收缩。
  当太阳磁场指向南方,且与向阳面的、指向北方的地球磁场交互作用时,极光椭圆区就会变大。在太阳风暴期间,电子和一部分太阳磁场飞向地球,太阳和地区的磁场会联结在一起,有点像是一根磁铁相反的两极。这种联结在太阳和地球之间建立一个强烈的磁场通路,允许太阳风中的电子和正离子冲向地球两极的大气层。
  2014年这场像飓风一样的极光漩涡,紧凑地围绕着地磁北极旋转。为了解释这一异象,研究团队尝试用模拟磁流体运动的3D模型来重现卫星观测到的景象。
  当时,太阳的磁场强烈地指向北方,因此与地球磁场的联结极其微弱,使得极光椭圆区收缩成地磁北极上方的一个小点。
  即便在当天太阳风状况中等的条件下,电子依然降落到地球上层大气。如果是在广阔的极光椭圆区情况下,它们可能会产生微弱的极光。但是,当它们落入当天如此紧缩的椭圆区时,那一特定区域内被击中的气体原子和分子比平时更多,从而形成了一场明亮得出人意料的极光。
  最后,太阳风中还有东西向的磁场。这一点并不反常,但是当与如此紧缩的极光椭圆区相叠加,就会有效地驱动极光,使其旋转。当当,太空飓风出现了!

两种飓风的故事

  正如论文作者们所承认的那样,将这一现象比作地球海洋上方生成的飓风其实并不完全恰当。
  它们都有平静的“眼”,旋臂里的物质都会以极快的速度绕着眼旋转。“这个类比肯定能引人共鸣。”美国加州大学洛杉矶分校的气候科学家Daniel Swain评论道(他并未参与本研究)。不过,他指出,这两种现象在本质上是不同的东西。飓风本质上是一台热力发动机,从热带海洋汲取能量,然后输送到两极。太空飓风的物理过程却截然不同。
  “飓风”一词还可能使人联想到某种巨大的、狂暴的、破坏性的画面,正如地球上的飓风那样。能证实太空飓风也会是一种威胁吗?
  比如说,无线电和卫星通讯通过地磁北极上空的大气层反射,会使北极探险者GPS生成的地图位置产生偏移。落入紧缩极光椭圆区的电子可能也会使下方的大气层升温,导致其扩张并向上膨胀。这会使穿过这一稠密大气团的卫星减慢速度。
  但这些影响很可能非常细微。美国宇航局戈达德航天中心的太空物理研究人员Alexa Halford认为,强劲得多的太阳爆发所引发的地磁暴,才是太空天气中真正的危险(他并未参与本研究)。

在黑暗中踮起脚尖旋转

  寻找更多太空飓风的行动已经开始。Oksavik称,既然研究人员已经知晓该寻找什么特征,就可以编写算法,更快地从卫星数据中梳理、识别出其他太空飓风。当它们被发现时,它们将有助于研究人员更好地了解它们的行为,并将揭示它们是只发生在北极上空,还是也会突然出现在南极。
  2014年这场太空飓风出现在平静的太阳周期,表明它们是普遍的,因为它们并不需要超乎寻常的太阳活动才能存在。而且,不仅在地球上,很可能在其他有磁场的星球上也有,包括气态巨行星和冰巨星,甚至可能出现在木卫三这个唯一一颗拥有自身磁场的卫星上。
  不过,眼下只找到一次也足以令人兴奋。Oksavik说:“作为人类,我们以为我们对宇宙、我们的行星和我们的周边已经了解甚多,然后我们却发现了我们意料之外的东西。”

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