物理2024 年 12 月 6 日
经过米歇尔·斯塔尔
2024 年 5 月日本上空的蓝色极光。 （尾崎光宏）
在你的脑海中想象出与“极光”一词相伴的视觉效果。你想象的可能主要是绿色、精致的漩涡和旋风，它们在冰冻景观上方的天空中舞动。
但是，当大气气体被高能太阳粒子撞击时，天空中出现的绚丽光芒并不局限于最著名的表现形式。极光可以呈现多种色调，这些色调根据海拔、纬度和所涉及的气体而变化。
2024 年 5 月，特别强大的地磁风暴震动了地球的磁笼，出现了奇怪的蓝色光芒。这并非闻所未闻……但这一次是在低纬度地区，到达天空的高度异常高。
现在，利用日本公民科学家拍摄的图像，瑞典空间物理研究所的物理学家 Sota Nanjo 和名古屋大学的 Kazuo Shiokawa 找到了对这种怪异蓝光的最可能的解释。
但他们的解释提出了大气科学家需要解决的另一个问题。
2024 年 5 月在日本能登拍摄的蓝色极光照片。（Takuya Usami）
“我们的研究结果表明，氮分子离子可能通过某种机制加速向上，并导致了蓝色为主的极光的形成，”盐川解释道。
“迄今为止，人们还不太清楚大分子量的氮分子离子是如何在如此高的海拔高度存在的。这种离子由于其质量重且解离重组时间间隔短，不易长时间存在；然而，它们是在高海拔地区观察到的，这一过程笼罩在神秘之中。”
地球的极光通常是大量太阳粒子涌入的结果，这些粒子通过日冕物质抛射或太阳风从太阳释放出来。这些粒子流经太阳系。
如果地球位于喷发路径上，粒子就会猛烈撞击磁场，在那里它们会沿着磁场线转向并加速到两极，然后被倾倒到大气中。
太阳粒子和地球大气中的气体之间的相互作用导致大气粒子获得一些能量。当构成大气气体的原子回落到原来的能量状态时，能量就会以光子的形式释放出来——这就是辉光的来源。
它类似于荧光灯发光的机制。而且，与荧光灯一样，发光的颜色取决于不同的因素，例如粒子的类型以及它们获得和失去的能量。
例如，绿色和红色极光是由氧原子在不同高度失去能量而产生的。氮原子可以发射蓝色和红色光子。当这些色调在天空中混合时，它们会产生黄色、紫色、粉色和橙色。
通常，低纬度极光是红色的。但是，2024 年 5 月 11 日，低纬度地区的天空出现了粉红色的光芒，午夜前不久出现了明显的蓝色光芒。我们拥有一个强大的新工具来捕捉极光现象：世界各地着迷的极光观察者的智能手机。
通过在蓝色极光上收集的大量图像和视频，研究人员能够详细测量这种现象。
他们发现极光呈纵向结构排列，沿着磁场线延伸约 1,200 公里（约 750 英里）。它也被布置成三个独立的结构，并高耸入云，海拔在 400 到 900 公里之间。
作为背景，国际空间站的轨道高度在 370 至 460 公里之间。
目前，低纬度极光被认为与环流有关。这是一种由被困在地球磁层内的带电粒子组成的环形电流，像水池浮环一样围绕地球赤道旋转。
地磁风暴为 环中的高能中性原子（ENA）提供能量，导致低纬度极光发光。
2024 年从国际空间站拍摄的极光。（NASA Johnson）
但研究人员并不相信环流按照他们观察到的那样起作用。
“在这项研究中，在蓝色主导的极光中发现了纵向数百公里的结构，仅通过 ENA 活动很难解释它，”盐川说。 “此外，正如本研究中观察到的那样，ENA 不太可能产生与磁场线对齐的极光结构。”
环电流可能发挥了作用，但研究人员认为，一定有其他因素在起作用，才能产生观察到的独特的、与场对齐的结构。他们相信分子氮离子以某种方式加速向上。但是什么加速了它们的发展尚不清楚。
这表明地球大气层中可能存在一些尚未识别的过程。
目前我们可能没有足够的信息来弄清楚这个过程是什么。但答案触手可及。
研究人员写道： “随着未来几年太阳活动的增加，对这种以蓝色为主的极光的重复案例分析有望为以蓝色为主的低纬度极光的产生过程提供见解。”
该研究已发表在《地球、行星和太空》上。
