這個星球有太陽系最強的極光,比地球的強數百倍

在遙遠的木星上,在它的空間內發生的能量爆發過程是非常劇烈的,每天都不一樣。透過這些絢麗的極光圖片,我們能夠更好地瞭解木星上正在發生的事情…

出品:格致論道講壇

以下內容為中國科學院地質與地球物理研究所特聘研究員堯中華演講實錄:

大家好,我是堯中華,來自中國科學院地質與地球物理研究所。非常高興能夠來到格致校園分享我的研究。

我的研究物件是一種神秘的自然現象,它非常絢麗、漂亮。與此同時,它又能揭示在地球和其他行星空間中發生的一些高能量爆發性的物理過程。它就是今天的主角——

極光

這個星球有太陽系最強的極光,比地球的強數百倍

這是我的同事姚淑濤博士在第35次南極越冬科考時,在我國中山站所拍攝的一段極光影片。可以看到,極光甚至能夠把夜空照得通亮。

這個星球有太陽系最強的極光,比地球的強數百倍

▲ 左:2010年4月5日,國際空間站

(圖源: NASA/Soichi Noguchi)

右:Galaxy15, 2010年4月5日失去控制

極光不僅僅關乎絢麗的發光現象,對我們的現代生活也有非常重要的影響。左邊是日本航天員野口聰一在國際空間站上所拍攝的極光照片,這個綠色和紅色的極光整體點亮了夜空。為什麼要將這張照片放在這裡呢?這是因為右圖這個價值數億美元的銀河15(Galaxy 15)通訊衛星,就是由於這次極光事件而失去控制。

這個星球有太陽系最強的極光,比地球的強數百倍

▲ 左:核電站變壓器損壞,1989

右:塞勒姆核電站,美國新澤西

我們再來看一個事例。左圖展示的是一個燒壞的變壓器。它並不一般,而是位於美國新澤西塞勒姆核電站(右圖)之中。把它燒壞的元兇也是極光。

因此,

理解極光、研究極光不僅滿足人類對自然世界神奇現象的好奇,還能夠幫助我們理解自然災害,並更好地應對自然災害。

極光是一條插著蠟燭的巨龍?

人類歷史上就一直關注著極光事件,有著持續的記錄。在美國航天局(NASA)整理的極光歷史觀測裡,第一條就是來自中國的文字記錄,而且是與華夏文明相關的。它記錄了黃帝的母親附寶在郊外散步的時候,突然看到“大電繞北斗樞星,光照郊野”,即整個大地都通亮起來了。但這並沒有告訴我們極光是什麼形狀的。

後來屈原在《天問》一書中寫道:“日安不到,燭龍何照”。意思是太陽光照射不到的時候,燭龍是怎麼亮起來的?他用兩個關鍵字對極光進行了描述,分別是“燭”和“龍”,即將極光形容為蠟燭一樣的龍。龍是中華民族的文化圖騰,是一種非常龐大的動物;而蠟燭又是一根一根很小的的結構。那麼

極光是一條插著蠟燭的巨龍?

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▲ Early drawingof the aurora, depicted

as candles in the sky, 1570。

(來源:Crawford Library, Royal

Observatory, Edinburgh。)

無獨有偶,在英國愛丁堡皇家觀測站收錄的一幅古極光的繪畫中,也把極光繪成了蠟燭,並且排列出了一個宏偉的圖案。上圖中最下方的是人們居住的小房子,而在它之上的是雲彩,在雲彩之上一根一根排列的蠟燭就是當時的人想象的極光。

可以看到,東西方不約而同地將極光比作在空間中排列開來的宏偉蠟燭。那麼極光到底是不是這樣的呢?我們來看一個更直觀的影片。

這是在國際空間站拍攝的極光,主要以綠色為主,還帶有一些紅色,猶如一條巨龍盤旋在太空當中。大家仔細看,這個巨龍其實是有很多垂直方向小結構的。在古人看來,這一個個小亮點就像蠟燭在天空中點亮一樣。

極光是一條插著蠟燭的巨龍?

照明需要能量,我們在家裡開燈就需要使用電能,在夜空中點亮極光自然也是需要能量的。這個能量的來源其實不難想象,地球上大部分能量的來源都是太陽。比如植物生長就需要太陽的能量,而極光的能量來源也是太陽。

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▲ 太陽-地球空間系統(來源:NASA)

太陽本身是一個進行著非常劇烈的核聚變的球體。除了透過太陽光給地球提供溫暖的能量以外,核聚變還會不停地產生大量的高能帶電粒子。它們噴湧而出,以高速的太陽風的形式充斥整個太陽系,也吹到地球以及其他行星上。

將細小的蠟燭組合起來構成了龍的形狀,就是極光的模樣

我們來透過這個影片看一下整個過程是如何發生的。太陽正在向外噴發高能帶電粒子,我們稱這些物質為太陽風,它們會與地球相互作用。地球有磁場,就相當於一個盾牌,能擋住太陽吹來的太陽風。因此太陽風不會直接吹到地球上,而會圍繞著地球儲存起來。但磁場所能儲存的能量並不是無限的,同任何一個蓄能系統一樣,它儲存到足夠多能量的時候就會釋放出來。這些能量就會沿著磁力線跑到地球的大氣層。當這些高能帶電粒子與大氣相互碰撞以後,會使得大氣中的原子分子獲得能量。這些原子分子獲得能量後就要釋放出來,就形成了極光、

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▲ 圖片來源:Austin Montelius/ University of Iowa

我們看到的極光主要是綠色、紅色和紫色的,這實際上與大氣的成分有關。因為大氣中最主要的兩種成分是氧氣和氮氣,所以這極光的顏色主要就來源這兩種大氣成分。比如綠光實際上就是氧原子發出來的光。

極光是如何產生的?

由於帶電粒子是沿著磁力線沉降到極區的,所以我們看到的極光都發生在磁場的北極或者南極。恰巧現在的磁軸與地軸、即地球繞著轉的這根軸是高度一致的,大概就差了十來度,所以我們會感覺到極光發生的地理位置是在南極和北極。

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▲ 最容易看到極光的極光橢圓帶

現在磁軸相比地軸實際上是往北美那邊偏的,這個偏差使得極光帶往北美偏了一點點,所以比起亞洲,北美更容易看到極光。

但是磁軸並不是永遠都偏向那邊,在歷史上磁軸其實是漂移的。比如在一兩千年前,磁軸曾經偏向了西伯利亞這邊,那時在中國境內就比在北美更容易看到極光。

因為我做極光研究,大家經常會問我:堯老師,你別解釋那麼多,就說今天在中國到底能不能看到極光?

如果要在今天的中國看極光的話,最可能看到的地方應該是在最靠近極區的地方,也就是位於漠河的北極村。它在中國這隻“雄雞”的雞冠附近,地理緯度為53。5°。但因為地磁軸是往北美那邊偏的,因此北極村的地磁緯度是42。7°。要知道現在極光的平均位置大概是六十多度,所以這兩者的差距還是很大的。

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▲ 《欒城縣誌》

說到這個問題,在近代中國歷史上,我們是否曾觀測到極光呢?答案是肯定的。上圖展示的是《欒城縣誌》的內容,欒城是今天河北石家莊的欒城區,離北京不遠。這是己未年即咸豐九年秋八月癸卯夜的記錄,換算過來就是1859年9月2日的晚上。那個晚上,“赤氣起於西北,亙於東北,平明始滅”。意思是大氣中的紅色發光氣體從西北開始一直延伸到了東北,直到快接近早晨時才開始滅下來。這裡的紅色發光氣體“赤氣”描述的就是紅色的極光。

欒城離北京其實不遠,我在北京居住了十幾年,為什麼我就沒有看到過極光?這個極光為什麼會發生在那天,它有什麼特殊之處?

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▲ 1859年卡靈頓事件 - 人類歷史最強的地球磁暴記錄

實際上,這個答案就藏在距離我們半個地球的英國業餘天文學家理查德·卡靈頓的記錄中。他當時記錄道:1859年9月1日下午,我像往常一樣拿著望遠鏡去觀測太陽,我觀察到了一個極其罕見的太陽黑子。這次超強的太陽活動也因此被稱為卡靈頓事件。

卡靈頓記錄的時間比咸豐九年記錄的要早一天。也就是說在這次太陽活動發生後的一天,它的訊號傳遞到了地球。事實上,卡靈頓事件在地球上造成的影響非常廣泛。一百多年過去後,它依然是人類歷史上記錄到的最大的地磁活動。基於此,關於它的研究與資料當然是非常系統、充分的。

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▲ 左:Greenand Boardsen 2006

左圖的縱座標是地磁緯度,科學家在不同的地方記錄到了三類事件。圖中黑色的是極光相關的事件,在圖中佔主要部分;橙色的是地磁擾動事件;藍色的是與電報機相關的事件。這條虛的包絡線描述的就是能看到極光的緯度,它展示了從1859年8月28日到9月5日這段時間內,大約兩次主要極光事件的擴充套件範圍。

可以看到,這些觀測擴充套件到了很低的緯度,尤其是在9月2日,也就是《欒城縣誌》記錄的這一天,可觀測到極光的位置從十幾度的磁緯度開始一直延伸到了高緯度。

極光是如何產生的?

右上是美國航天局整理的一條記錄,它描述了在北緯11°記錄到一個深紅玫瑰色的極光。當時沒有影像,只有文字。那如何得知這個極光到底是什麼樣的?

我們可以通過後來發生的類似極光事件進行匹配。右下圖中深紅色的天空是在日本北海道拍攝的,這就是1989年把核電站變壓器燒壞的那次極光事件。它就像一次小型的卡靈頓事件,影響也非常大。這次極光事件也延伸到了緯度非常低的地區。通常我們只有在北美阿拉斯加附近這樣的高緯度地區才能看到極光,但是1989年這天的極光幾乎延伸到了北美全境,甚至包括佛羅里達這些緯度很低的地方。

極光是如何產生的?

那麼,極光為什麼會燒壞變壓器這樣的電氣裝置呢?我們知道極光是高能量的帶電粒子快速地與大氣碰撞產生的,高能量的帶電粒子快速運動會產生什麼?電流。

這些太陽風所攜帶的能量和物質就是產生極光的原始的能量物質。

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▲ 1989極光事件的可觀測範圍(左)

機器對電氣裝置的損害(右)

1989年同1859年相比,人類從只有電報機等少數電器的傳統時代進入了現代科技時代,當時已經有了飛機、導航以及各種用電裝置。所以1989年這次極光事件雖然不如卡林頓事件,但它對生活有著更大的影響。比如它導致了加拿大魁北克地區整體的大停電,影響達到數個月;再比如它影響了計算機晶片,進而導致了多倫多股票交易市場的停頓;同時,它還影響了很多極區的衛星的運動和控制。

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▲ 如果這些裝置全部損壞的話……

今天相比1989年,我們的用電裝置尤其是電子裝置的數量要多得驚人。有人估算過,

在中國能看見極光嗎?

所以我們要對極光進行監測、理解和研究。

我們的監測主要有兩大類,一類是透過發射衛星,帶著相機在太空中拍攝。

還有一類是在地面上布很多的相機來觀測。因為每個相機只能看到區域性的一片很小的區域,所以需要大量的相機來做接力,從而做到持續地監測極光過程,以更好地理解極光和利用空間環境。

現在磁軸在北美那邊,我們中國其實是不在極光帶上的,那麼我們是不是就可以不用研究極光呢?事實上不是的。雖然中國境內不在極光帶上,但我們是一個航天大國,我們有很多衛星在空間中執行,它們都會受到極光事件的影響。所以我們也需要研究極光,以更好地服務於深空探測。

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▲ 中國極光觀測站

中國在北極和南極都有大量的極光監測臺站可以做極光相關的研究。在北極極光帶上,我們有黃河站和在建設的冰島站;在南極有長城站、崑崙站、泰山站和中山站。

在中國能看見極光嗎?

地球上的極光我們已經觀測了數千年,那極光是不是地球的土特產?實際上不是的。太陽系八大行星中,除了水星沒有極光外,其他行星都有極光。為什麼水星沒有極光?因為它沒有大氣。我們在前文提到過極光是大氣的發光現象,只要有大氣就會有極光,而沒有大氣自然就不會發光。

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其他行星的極光也反應著複雜的空間環境。我們知道,2020年我國成功地實施了針對火星的“天問一號”探測,它標誌著我國對行星、對深空的探測邁上了一個新的高度。我國還部署了一系列未來的深空探測,我們下一個要探測的行星就是木星。

在中國能看見極光嗎?

所以透過木星的極光來理解木星的空間環境,對於我國或者說全人類未來的木星環境探測是非常有效的手段。

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這裡的每一格都是木星極光的動畫,它們都是哈勃空間望遠鏡拍攝的。它已經服役了三十年,還在持續地給我們提供新的觀測。這些動畫都是我在過去的五年中,每天推開辦公室的門,沏上一杯咖啡,把前一天的資料下載下來做出來的。

大家看著可能差不多,實際上每天的動畫都是不一樣的,無論是從形狀還是從擾動來說。這告訴我們,

這說明欒城看到的極光實際上還遠遠不及它被記錄到的最低緯度,這次極光是一個全球性事件

。透過這些絢麗的極光圖片,我們能夠更好地瞭解木星上正在發生的事情。

剛才我們說到地球上極光的來源是太陽風,而木星離太陽很遠,比地球要遠5倍。那麼太陽吹到木星那兒的太陽風更弱了,極光的能量不是應該更弱才對?但為什麼木星的極光這麼強呢?

這裡的核心因素就是木星的衛星。我們知道地球只有一顆天然衛星——月亮,但是它是不活躍的。而木星有79顆已經確認的衛星,並且它的衛星豐富多彩。

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比如木衛一,它有劇烈火山活動,有400多座活火山持續噴發火山物質,導致它的表面呈現痕跡斑斑的黃色,這就是火山噴發出來的硫磺。木衛二和木衛三冰表面下面還有海洋,很多科學家一直在試圖尋找上面是否有生命存在,也是目前的探測熱點。

為什麼我們要監測極光

比起太陽風吹來的能量,這些能量物質反而是更多的。這就是雖然木星系統離太陽很遠,但是它的能量非常豐富的原因所在。

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▲ 中國行星探測路線圖,Nature Astronomy,

魏勇、堯中華、萬衛星,2018

2018年,我和地質地球所的魏勇研究員和萬衛星院士在《自然天文學》(Nature Astronomy)上寫了中國行星探測路線圖。在這個路線圖內,除了描繪國家部署的月球探測、火星探測、小行星探測以及將來的木星探測外,我們還特別提出要在地面上架設一臺望遠鏡。這臺望遠鏡聚焦的科學目標只有一個,即木星和木衛一系統。

為什麼我們要聚焦木星和木衛一系統?前面我們已經介紹過,木星的空間環境極其複雜,而木衛一的火山活動實際上在整個空間環境內起著主導作用。

為什麼我們要監測極光

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▲ 左:冷湖行星地質觀測中心

右:我國首臺木星系統觀測望遠鏡(2021年10月9日)

2021年10月9日,中國科學院地質與地球物理研究所終於在冷湖安裝了國內首臺木星系統觀測望遠鏡,透過對這個系統的監測,將來服務於木星探測科學。

極光是太陽系行星甚至是太陽系外行星在其複雜的空間環境中進行能量釋放的絢麗視窗,理解和研究極光不但可以幫助我們更好地應用生活中所需要的現代科技,還能直接服務於國家的未來深空探測戰略。

這個星球有太陽系最強的極光,比地球的強數百倍

謝謝大家!

為什麼我們要監測極光

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