什么时候极光不是极光？被称为“史蒂夫”和“尖桩栅栏”的现象伪装成极光
什么时候极光不是极光？被称为“史蒂夫”和“尖桩栅栏”的现象伪装成极光。信用:Pixabay/CC0公共领域
（蜘蛛网eeook.com）据加州大学伯克利分校：北极光和南极光闪烁的绿色、红色和紫色光幕——极光——可能是照亮夜空的最著名的现象，但最神秘的是被称为史蒂夫和它们经常出现的同伴的淡紫色和白色条纹，一个发光的绿色“尖桩栅栏”
史蒂夫在2018年首次被认为与普通极光不同，这是一个开玩笑的良性名称，在2006年的一部儿童电影中给出了一个可怕的树篱，尽管如此，它和相关的栅栏被认为是由相同的物理过程引起的。但是科学家们对这些发光物质是如何产生的感到困惑。
加州大学伯克利分校的物理学研究生克莱尔·盖斯克现在提出了一种对这些现象的物理解释，这种解释与众所周知的极光的形成过程完全不同。她与校园空间科学实验室(SSL)的研究人员合作，提议美国国家航空航天局向极光中心发射火箭，以验证她是否正确。
随着太阳进入其11年周期的活跃期，活跃的极光和发光现象如史蒂夫和尖桩栅栏变得越来越常见，11月是在北纬地区进行史蒂夫观测的好月份。因为所有这些短暂的发光现象都是由太阳风暴和太阳日冕物质抛射引发的，所以临近的太阳最大值是研究像史蒂夫和尖桩栅栏这样罕见事件的理想时间。
Gasque在上个月发表在《地球物理研究快报》杂志上的一篇论文中描述了栅栏背后的物理学，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的一次受邀演讲中讨论这些结果。
她计算出，在比极光形成区域更靠南的高层大气区域，平行于地球磁场的电场会产生栅栏的色谱。如果是正确的，这个不寻常的过程对物理学家如何理解地球磁层和空间边缘的电离层之间的能量流动有影响，磁层围绕着地球并保护地球免受太阳风的影响。
“在某些情况下，这将颠覆我们对极光中产生光和能量的建模，”Gasque说。
“关于克莱尔的论文，真正有趣的事情是，我们几年前就知道史蒂夫光谱告诉我们正在发生一些非常奇特的物理现象。我们只是不知道它是什么，”该论文的合著者、SSL助理研究物理学家布莱恩·哈丁说。"克莱尔的论文表明平行电场能够解释这种奇异的光谱."
这篇论文是Gasque博士论文的附带项目，主要关注地球表面的火山等事件与我们头顶100公里或更高的电离层现象之间的联系。
但在2022年的一次会议上听到史蒂夫的消息后——现在已经成为强热发射速度增强的首字母缩写——她忍不住想探究史蒂夫和栅栏背后的物理学。
“这真的很酷，”她说。"这是目前太空物理学中最大的谜团之一."
史蒂夫和栅栏的物理学
常见的极光是在太阳风激发地球磁层中的粒子时产生的，通常位于地表以上1000公里以上的高度。这些带电粒子绕着地球磁场线向两极盘旋，在那里它们撞击并激发高层大气中的氧和氮分子。当这些分子松弛时，氧气发出特定频率的绿色和红色光，而氮气产生一点红色，但主要是蓝色的发射线。
由此产生的五颜六色、闪闪发光的窗帘可以延伸数千公里，跨越南北纬度。
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一系列频率。与极光不同，史蒂夫和尖桩栅栏都不会发出蓝光，这种蓝光是在最高能的粒子撞击并电离氮时产生的。史蒂夫和尖桩栅栏也出现在比极光更低的纬度，甚至可能远至赤道以南。
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，被称为亚尾离子漂移，或称SAID，尽管对于SAID如何产生彩色发射没有公认的物理解释。
Gasque的兴趣是由尖桩栅栏的排放物可能由平行于地球磁场的低空电场产生的建议引发的，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迅速短路并消失。
利用电离层的一个常见物理模型，Gasque随后表明，在大约110公里的高度上，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，并产生从栅栏上观察到的光谱。该区域的异常条件，如较低密度的带电等离子体和更多中性的氧和氮原子，可能会起到绝缘作用，防止电场短路。
“如果你看看栅栏的光谱，它比你想象的要绿得多。而且没有一种蓝色来自氮的电离，”盖斯克说。“这告诉我们，只有特定能量范围的电子才能产生这些颜色，它们不可能来自遥远的太空，进入大气层，因为这些粒子具有太多的能量。”
相反，她说，“栅栏发出的光是由粒子产生的，这些粒子必须在空间中被平行电场激发，这是一种与我们之前研究或了解的任何极光完全不同的机制。”
她和哈丁怀疑史蒂夫本身可能是由相关过程产生的。他们的计算还预测了这一过程将产生的紫外线辐射的类型，这可以被检查以验证关于栅栏的新假设。
她说，虽然Gasque的计算没有直接解决使这种现象看起来像栅栏的开关辉光，但这可能是由于电场中的波动。虽然被电场加速的粒子可能不是来自太阳，但太阳风暴对大气的扰乱可能引发了史蒂夫和尖桩栅栏，就像常见的极光一样。
增强的极光呈现出栅栏状的辉光
哈丁说，下一步是通过这些现象从阿拉斯加发射火箭，测量电场和磁场的强度和方向。SSL科学家专门设计和制造这样的工具。这些仪器中的许多都装在绕地球和太阳运行的航天器上。
最初，目标将是所谓的增强极光，这是一种普通的极光，其中嵌入了栅栏状的发射物。
“增强极光基本上是嵌入正常极光中的明亮层。这些颜色和栅栏的颜色相似，没有那么多的蓝色，更多的绿色来自氧气，红色来自氮气。假设这些也是由平行电场产生的，但它们比尖桩栅栏更常见，”Gasque说。
她说，该计划不仅是“让一枚火箭穿过增强层，首次实际测量这些平行电场”，还将发射第二枚火箭，在更高的高度测量粒子，“以区分导致极光的条件。”最终，她希望有一枚火箭能直接穿过史蒂夫和栅栏。
哈丁、盖斯克和他的同事们今年秋天向美国国家航空航天局提出了这样一个探测火箭计划，并希望在2024年上半年听到关于其选择的反馈。Gasque和Harding认为该实验是理解高层大气、电离层和地球磁层的化学和物理的重要一步，也是一项符合美国国家航空航天局资助的低成本进入太空(LCAS)计划的建议。
“公平地说，未来将有很多关于这些电场如何到达那里的研究，它们与什么波有关或无关，以及这对地球大气层和空间之间更大的能量转移意味着什么，”哈定说。“我们真的不知道。克莱尔的论文是这种理解的第一步。”
Gasque对研究中间电离层或中间层和平流层的人的投入表示感谢，他们的想法帮助她找到了解决方案。
“通过这次合作，我们能够在这个领域取得一些非常酷的进展，”她说。“老实说，这只是跟着我们的鼻子走，并为此感到兴奋。”
除了哈丁之外，她的其他合著者是大学公园宾夕法尼亚州立大学的Reza Janalizadeh、马里兰州劳雷尔约翰霍普金斯大学应用物理实验室的Justin Yonker和加拿大阿尔伯塔省卡尔加里大学的D. Megan Gillies。
