什麽時候極光不是極光？被稱為“史蒂夫”和“尖樁柵欄”的現象偽裝成極光。信用:uux.cn/Pixabay/CC0公共領域
（神秘的地球uux.cn）據加州大學伯克利分校：北極光和南極光閃爍的綠色、紅色和紫色光幕——極光——可能是照亮夜空的最著名的現象，但最神秘的是被稱為史蒂夫和它們經常出現的同伴的淡紫色和白色條紋，一個發光的綠色“尖樁柵欄”
史蒂夫在2018年首次被認為與普通極光不同，這是一個開玩笑的良性名稱，在2006年的一部兒童電影中給出了一個可怕的樹籬，盡管如此，它和相關的柵欄被認為是由相同的物理過程引起的。但是科學家們對這些發光物質是如何產生的感到困惑。
加州大學伯克利分校的物理學研究生克萊爾·蓋斯克現在提出了一種對這些現象的物理解釋，這種解釋與眾所周知的極光的形成過程完全不同。她與校園空間科學實驗室(SSL)的研究人員合作，提議美國國家航空航天局向極光中心發射火箭，以驗證她是否正確。
隨著太陽進入其11年周期的活躍期，活躍的極光和發光現象如史蒂夫和尖樁柵欄變得越來越常見，11月是在北緯地區進行史蒂夫觀測的好月份。因為所有這些短暫的發光現象都是由太陽風暴和太陽日冕物質拋射引發的，所以臨近的太陽最大值是研究像史蒂夫和尖樁柵欄這樣罕見事件的理想時間。
Gasque在上個月發表在《地球物理研究快報》雜誌上的一篇論文中描述了柵欄背後的物理學，並將於12月14日在舊金山舉行的美國地球物理聯盟會議上的一次受邀演講中討論這些結果。
她計算出，在比極光形成區域更靠南的高層大氣區域，平行於地球磁場的電場會產生柵欄的色譜。如果是正確的，這個不尋常的過程對物理學家如何理解地球磁層和空間邊緣的電離層之間的能量流動有影響，磁層圍繞著地球並保護地球免受太陽風的影響。
“在某些情況下，這將顛覆我們對極光中產生光和能量的建模，”Gasque說。
“關於克萊爾的論文，真正有趣的事情是，我們幾年前就知道史蒂夫光譜告訴我們正在發生一些非常奇特的物理現象。我們隻是不知道它是什麽，”該論文的合著者、SSL助理研究物理學家布萊恩·哈丁說。"克萊爾的論文表明平行電場能夠解釋這種奇異的光譜."
這篇論文是Gasque博士論文的附帶項目，主要關注地球表麵的火山等事件與我們頭頂100公裏或更高的電離層現象之間的聯係。
但在2022年的一次會議上聽到史蒂夫的消息後——現在已經成為強熱發射速度增強的首字母縮寫——她忍不住想探究史蒂夫和柵欄背後的物理學。
“這真的很酷，”她說。"這是目前太空物理學中最大的謎團之一."
史蒂夫和柵欄的物理學
常見的極光是在太陽風激發地球磁層中的粒子時產生的，通常位於地表以上1000公裏以上的高度。這些帶電粒子繞著地球磁場線向兩極盤旋，在那裏它們撞擊並激發高層大氣中的氧和氮分子。當這些分子鬆弛時，氧氣發出特定頻率的綠色和紅色光，而氮氣產生一點紅色，但主要是藍色的發射線。
由此產生的五顏六色、閃閃發光的窗簾可以延伸數千公裏，跨越南北緯度。
然而，史蒂夫顯示的不是單獨的發射線，而是以紫色或淡紫色為中心的一係列頻率。與極光不同，史蒂夫和尖樁柵欄都不會發出藍光，這種藍光是在最高能的粒子撞擊並電離氮時產生的。史蒂夫和尖樁柵欄也出現在比極光更低的緯度，甚至可能遠至赤道以南。
一些研究人員提出，史蒂夫是由高層大氣中的離子流引起的，被稱為亞尾離子漂移，或稱SAID，盡管對於SAID如何產生彩色發射沒有公認的物理解釋。
Gasque的興趣是由尖樁柵欄的排放物可能由平行於地球磁場的低空電場產生的建議引發的，這種情況被認為是不可能的，因為任何與磁場對齊的電場都會迅速短路並消失。
利用電離層的一個常見物理模型，Gasque隨後表明，在大約110公裏的高度上，一個適度的平行電場——大約每米100毫伏——可以將電子加速到激發氧和氮的能量，並產生從柵欄上觀察到的光譜。該區域的異常條件，如較低密度的帶電等離子體和更多中性的氧和氮原子，可能會起到絕緣作用，防止電場短路。
“如果你看看柵欄的光譜，它比你想象的要綠得多。而且沒有一種藍色來自氮的電離，”蓋斯克說。“這告訴我們，隻有特定能量範圍的電子才能產生這些顏色，它們不可能來自遙遠的太空，進入大氣層，因為這些粒子具有太多的能量。”
相反，她說，“柵欄發出的光是由粒子產生的，這些粒子必須在空間中被平行電場激發，這是一種與我們之前研究或了解的任何極光完全不同的機製。”
她和哈丁懷疑史蒂夫本身可能是由相關過程產生的。他們的計算還預測了這一過程將產生的紫外線輻射的類型，這可以被檢查以驗證關於柵欄的新假設。
她說，雖然Gasque的計算沒有直接解決使這種現象看起來像柵欄的開關輝光，但這可能是由於電場中的波動。雖然被電場加速的粒子可能不是來自太陽，但太陽風暴對大氣的擾亂可能引發了史蒂夫和尖樁柵欄，就像常見的極光一樣。
增強的極光呈現出柵欄狀的輝光
哈丁說，下一步是通過這些現象從阿拉斯加發射火箭，測量電場和磁場的強度和方向。SSL科學家專門設計和製造這樣的工具。這些儀器中的許多都裝在繞地球和太陽運行的航天器上。
最初，目標將是所謂的增強極光，這是一種普通的極光，其中嵌入了柵欄狀的發射物。
“增強極光基本上是嵌入正常極光中的明亮層。這些顏色和柵欄的顏色相似，沒有那麽多的藍色，更多的綠色來自氧氣，紅色來自氮氣。假設這些也是由平行電場產生的，但它們比尖樁柵欄更常見，”Gasque說。
她說，該計劃不僅是“讓一枚火箭穿過增強層，首次實際測量這些平行電場”，還將發射第二枚火箭，在更高的高度測量粒子，“以區分導致極光的條件。”最終，她希望有一枚火箭能直接穿過史蒂夫和柵欄。
哈丁、蓋斯克和他的同事們今年秋天向美國國家航空航天局提出了這樣一個探測火箭計劃，並希望在2024年上半年聽到關於其選擇的反饋。Gasque和Harding認為該實驗是理解高層大氣、電離層和地球磁層的化學和物理的重要一步，也是一項符合美國國家航空航天局資助的低成本進入太空(LCAS)計劃的建議。
“公平地說，未來將有很多關於這些電場如何到達那裏的研究，它們與什麽波有關或無關，以及這對地球大氣層和空間之間更大的能量轉移意味著什麽，”哈定說。“我們真的不知道。克萊爾的論文是這種理解的第一步。”
Gasque對研究中間電離層或中間層和平流層的人的投入表示感謝，他們的想法幫助她找到了解決方案。
“通過這次合作，我們能夠在這個領域取得一些非常酷的進展，”她說。“老實說，這隻是跟著我們的鼻子走，並為此感到興奮。”
除了哈丁之外，她的其他合著者是大學公園賓夕法尼亞州立大學的Reza Janalizadeh、馬裏蘭州勞雷爾約翰霍普金斯大學應用物理實驗室的Justin Yonker和加拿大阿爾伯塔省卡爾加裏大學的D. Megan Gillies。