看不见的欧若拉——物理学家解释火星上极光的成因
- 本文编译自《Physicists explain how type of aurora on Mars is formed》
形成极光的要素有三,其中之一就是磁场。地球具有覆盖全球的磁场,可以在两极地区生成北极光和南极光;然而,火星没有覆盖全球的磁场,因此火星上的极光并非出现在两极,只能在特定区域生成。
近期,爱荷华大学领导的研究团队,根据美国航空暨太空总署(NASA)火星大气与挥发物演化任务(MAVEN)探测器的数据,确认了火星离散极光是由太阳风和火星南半球地壳上空残存的磁场相互作用所生成。
极光三要素:大气、磁场、高能带电粒子
在介绍火星前,让我们先把镜头转到地球,谈谈地球上的极光在哪里形成,以及如何形成。
地球极光出现的区域称为极光椭圆区(auroral oval),涵盖北极与南极地区,但并非以两极为中心;换句话说,极光椭圆区也涵盖了极圈以外的部分高纬度地区。另外,极光椭圆区的宽度与延伸范围,会随着太阳黑子 11 年的循环周期而变动。
当太阳风和地球磁层的高能带电粒子被地球磁场牵引,沿着磁力线加速往高纬度地区移动,最後和大气中的原子碰撞时,就会形成多采多姿的极光。
综合以上所述,可以得知极光的三个要素是:大气、磁场、高能带电粒子。
地球上这些「指引我们美妙未来的魔幻极光」,若属於可见光波段,就能用肉眼观测,并以相机记录这梦幻舞动的光线。
极光椭圆区与地理北极、地磁北极相对位置图。其中红色实线表示极圈范围,绿色区域则为极光椭圆区。图/National Park Service
火星的大气层、磁场以及离散极光
在介绍离散极光之前,得先介绍它的幕後推手——行星际磁场(Interplanetary Magnetic Field,IMF)。IMF就是太阳风产生的磁场,在行星际空间主导着太阳系系统内的太空天气变化,并阻挡来自星际间的高能粒子轰击。
那麽 IMF 是如何产生的呢?当太阳风的高能带电粒子从太阳表面向外传播,会同时拖曳太阳的磁力线一起离开;太阳一边自转一边抛射这些粒子,让延伸的磁力线在黄道面上形成了螺旋型态的磁场。
以蛋糕装饰来说明的话,太阳就像是在转盘上的蛋糕,太阳风粒子就是挤花装饰;而当蛋糕一边以固定速度自转,挤花逐渐向外扩散的同时,就会在蛋糕产生螺旋状的轨迹。
对太阳风和 IMF 有基本认识之後,让我们把镜头转向火星,谈谈火星的大气层和磁层和地球有什麽不同。
相较地球来说,火星的大气层非常稀薄。这是因为太阳风的高能粒子轰击火星大气层,强大的能量将大气层的中性原子解离为离子态,导致大气层的散失;该过程称作溅射(sputtering),发生在火星大气层的溅射主要透过两种方式达成—–第一,在 IMF 的作用之下,部分的离子会环绕磁力线运动,随着 IMF 移动而被带离火星;另外一部份的离子则像撞球一般,撞击其他位於火星大气层顶端的中性原子,引发连锁的解离反应。 …
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