脉动极光产生机制被证实-牧夫天文

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有时，在两极地区的夜晚，天空会发出一种弥漫的绿色、紫色和红色的光芒，这就是美轮美奂的极光。
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脉动极光vs.常规极光
本文研究的脉动极光与常规极光不同。从引发机制来看，常规的极光是通过地磁风暴引发的，而脉动极光是通过极光亚暴，又称磁层亚暴（auroral substorm）引发的。
地磁风暴是由于太阳风的振动波或者带磁性的尘埃云与地球磁场相互作用产生短暂的扰动，比如太阳风挤压地磁场，并向电磁场传递能量，最终，地球磁场中电场增强，使地磁场中等离子体的运动更加活跃，使磁层和电离层中的电流增加；而磁层亚暴虽然也是地磁场的短暂扰动，但它导致了磁场能量从地磁场的尾部流失并传递到高纬电离层，因此人们会看到极光弧突然变亮，极光活动突然变得活跃。

脉动极光的远紫外大气图像，在地磁亚暴中，极光圈在固定地域增量，并突然破碎变成不同的形式，向地球两极和赤道扩散。这个变化过程和1964年Shun-ichi Akasofu提出的理论变化模型完全相同。
Credit：wikipedia
从观测上看山岸秀匡 ，常规极光可持续数天，并且在地球上任何地方可见，在太阳活动极大期每个月可发生一到两次，在极小期一年仅发生几次；脉动极光只可持续数小时，御医皇后仅在地球南北两极地区可见，虽然它们没有前者常见，但它们的发生频率比常规极光更频繁，若已有一个磁层亚暴发生，下一场磁层亚暴距离上一场结束只有数小时。两种极光最显著的区别在于脉动极光是随时间变化的，可分为产生阶段，扩散阶段和复原阶段，它释放了储存的太阳风能量，产生阶段是从黄昏到午夜的极光，然后是极光弧的剧烈波动、破裂，并在黎明时显现为弥漫性、搏动的极光。而常规极光是静止不动且亮度不变的。
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地磁亚暴假说
尽管我们正接近太阳活动极小年，但这并不意味着我们看不到极光了，事实上，来自太阳的带电粒子会储存在地球磁力线中，持续与地磁场相互作用，在地磁场夜晚一面，磁力线发生断裂和重新连接的空档，一小部分带电粒子进入地球磁场，最终落在地球电离层上——地磁亚暴产生了，极光诞生。

当地磁场在夜晚一面磁力线断裂的时候，带电粒子可以进入磁层，并最终落在电离层上。
Credit:NASA / Goddard Space Flight Center- Conceptual Image Lab
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理论的证实
尽管地磁亚暴理论已经非常完善，但却一直没得到证实，因为我们还没能观测到这个理论的全部细节。Satoshi Kasahara（东京大学）和他的同事在2月15日的Nature杂志上发表了地磁亚暴第三阶段的观测结果，他们结合了JAXA（Japan Aerospace Exploration Agency日本宇宙航空研究开发机构）的ERG卫星的太空数据和NASA的THEMIS任务地基全景极光摄像机的数据。数据的结合使团队可以测量环绕宇宙中磁力线的电子轨迹，并且追溯这些轨迹到电离层，电子在电离层与粒子撞击产生极光。

在围绕地球的磁气圈中，电子被困在磁场中，并沿着磁场线运动（红色箭头）。当这些粒子与电磁波（即合唱波）相互作用时，它们会被指引到地球的大气层，随即产生极光。研究人员利用航天器（图中显示的位置）直接探测到了合唱波和电子间的作用。Credit：Nature
观察发现，电子加强了一种波，叫惠斯勒模式的合唱波，电子与合唱波相互作用，使电子向电离层加速发射，产生了脉动极光。这些观察结果证实了亚暴假说。

图解三颗THEMIS卫星和地球磁层。
Credit:NASA
这个研究也可以被运用于地外。太阳系其他行星，包括木星和土星，都被观测到合唱波。在地球表层观察到的这些现象很可能可以帮助解释这些气态巨行星以及其他恒星周围行星的极光特征。研究结果还帮助科学家更好地理解等离子体波如何影响电子--这是整个宇宙中的普遍现象。
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作者：NASA、Monica Young(Sky ＆Telescope)
翻译：汪荣鑫
校对：陈艳玲
责任编辑：解仁江
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Estonia的极光
via Kristian Pikner
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