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永利集团南极与北极的极光为何有所不同?科学家终于找到了答案

南极与北极的极光为何有所不同?科学家终于找到了答案

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2019年2月19日 永利集团
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科学家们最近成功发现了引发这一现象的根源:太阳对地球磁尾的挤压作用。

来源:永利集团 2019年2月19日

关键字:科学

令人眼花缭乱的绿色与红色极光经常闪耀在地球北极与南极上方的夜空当中。几十年以来,科学家们一直认为当极光在这两个区域同时出现时,其闪烁模式应该能够彼此对应。但在2009年,他们发现事实并非如此。这样的结果让科学家们感到惊讶,甚至有些沮丧。如今,由来自挪威、德国以及美国的科学家们组成的研究小组终于发现了这一现象背后的秘密:太阳的作用。

南极与北极的极光为何有所不同?科学家终于找到了答案

北极光:当太空中的高能粒子撞击极地附近的地球大气层时,夜空当中即会出现极光。北极光与南极光通常各自呈现出绿色与红色色调,但二者有时候也会表现出闪烁的蓝色及紫色。

众所周知,地球本身会产生磁场,其形状类似于一个巨大的条形磁铁,从南极穿过地球中心直达北极。磁场线则从两极位置向外弯曲,且高度远远超越大气层,其外弧就形成了我们这颗母星周边的磁力线边界。这个磁层抵挡着从太空冲向我们的带电粒子。当太阳射出的带电粒子穿过该磁层时,即会引发极光现象——其本质,是粒子沿着地球的磁场线向着冰冷的极地区域加速前进。如此一来,当这些粒子撞击大气层时,其会与原子及分子发生碰撞,并最终释放出足以照亮天空的彩色光子。

当磁场线绕地球形成对称曲线时,极光应该会出现在北半球与南半球相对应的同一位置。另外,大家如果有机会同时观察两端的极光,那么其观感结果应该几乎相同。但密歇根大学磁层研究员Aaron Ridley(他并没有参与这项最新研究)表示,这种情况实际上“非常罕见。”

这是因为太阳本身也拥有着极为强大的磁场,该磁场改变了地球磁场线所经由的路径,挤压着我们星球上面向太阳一侧的昼面磁场线,同时拉长了背对太阳一侧的夜面磁场线,这就形成了磁尾。其结果是,地球的磁场实际上拥有着类似于苍蝇的整体轮廓——代表着昆虫头部的圆端朝向太阳,而细长的身体与尾巴则背向太阳。

南极与北极的极光为何有所不同?科学家终于找到了答案

南极光:极光期间发生的太阳辐射会对身处太空当中的宇航员造成危害。另外,其还可能改变轨道卫星的先进路径,进而提高目前绕地球轨道运行的数千个物体之间发生碰撞的可能性。更好地理解极光出现的时间与地点将帮助科学家们更准确地预测并规划无碰撞路径。

在极少数情况下,太阳磁场的极点会与地球极点保持完全平行。但是大多数情况下,太阳与地球的各自两极之间存在一定倾斜角度,这时候地球的磁场场就会被挤压成带有弯曲尾巴的苍蝇形状。波动的太阳风会“摇摆”地球的磁尾,破坏并改变地球的磁场线——这种状况被称为磁线重连。科学家们原本认为,正是磁线重连导致南北两极位置的极光出现偏移。但挪威卑尔根大学的太空科学家Nikolai Østgaard和他的同事们据此进行了测试,并发现这项结论是错误的。他们发现了另一个导致极光差异的因素:太阳磁场会以非均匀的方式挤压地球磁场。他们同时表示,磁尾部分附加的带电粒子爆发——或者称为“亚暴”——能够消除这种不均匀挤压所造成的偏移状况。

该小组研究了由航天器捕获的图像,这些图像记录下2001年至2005年期间同时发生在北半球与南半球的十对极光现象。结果证明,这些极光皆出现在地球上的两个不对称位置。例如,在2002年11月15日,南极光的闪耀位置位于北极光的西侧。但随着极光现象的持续,二者之间的相对位置又发生了后续变化,即愈发趋于对称。这些变化与以上提到的“亚暴”理论相吻合。

将这些观测结果与地球磁尾当中的活动相匹配,Østgaard和他的同事们发现,磁线重连活动与极光不对称性的降低相吻合。Østgaard指出,“磁线重连的意义实际上与人们以往的理解完全相反。”他进一步补充称,真正的根源在于太阳的磁场如何对地球施以挤压。他的团队通过建模及观察结果证明,北半球与南半球受到的不均匀挤压会扭曲地球的磁场线,并导致极光发生位置有所改变,他们还观察到,当磁场线的断裂部分被亚暴击中时,导致偏斜现象出现的磁压也将被抵消。

Ridley与身为伦敦帝国理工学院行星科学家的Ingo Mueller-Wodarg都对这一观察结果表示惊讶,因为其与以往的分析模型并不一致。Ridley补充称,该团队通过观察图像的方式理解极光背后物理特性的作法“非常酷。”

在极光与亚暴期间发生的猛烈太阳辐射爆发可能会危害身处太空当中的宇航员并改变轨道卫星的先进路径。此外,其还会干扰GPS定位以及电网等其它技术系统。Mueller-Wodarg说明称,科学家目前仍然无法准确预测这些空间气象活动的发生时间及位置,但此次发现至少已经揭去了存在于浩瀚星空中的一抹神秘面纱。

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