正常的极光(左图)由红、绿、蓝三色的发光幕组成。增强的极光(右图)包含了一层薄而亮的层，呈现出更多的绿色，可能是由创造史蒂夫和尖桩栅栏的相同物理过程造成的。由于增强的极光更为常见，加州大学伯克利分校的研究人员计划首先对它们进行探测，以确定上层大气中的什么条件导致了这种现象。来源:Vincent Ledvina, theauroraguy.com
一名研究生认为，被称为“史蒂夫”和“尖桩栅栏”的现象是伪装成极光的。
闪烁着绿色、红色和紫色的南北光幕——极光——可能是照亮夜空的最著名的现象，但最神秘的是被称为史蒂夫的淡紫色和白色条纹，以及它们经常出现的同伴，一种发光的绿色“尖桩栅栏”。
2018年，人们首次认识到史蒂夫与常见的极光不同，史蒂夫是2006年一部儿童电影中一个可怕的树篱的昵称，但人们认为史蒂夫和它相关的尖桩栅栏是由相同的物理过程引起的。但科学家们对这些发光的排放物是如何产生的感到挠头。
对史蒂夫的新解释
加州大学伯克利分校的物理学研究生克莱尔·加斯克(Claire Gasque)现在对这些现象提出了一种物理解释，这种解释与造成众所周知的极光的过程完全不同。她与校园空间科学实验室(SSL)的研究人员合作，建议美国宇航局向极光中心发射一枚火箭，以验证她的说法是否正确。
随着太阳进入11年周期的活跃期，充满活力的极光和像史蒂夫和尖桩栅栏这样的发光现象变得越来越普遍，11月是在北纬地区观察史蒂夫的好月份。因为所有这些短暂的发光现象都是由太阳风暴和日冕物质抛射引发的，所以即将到来的太阳极大期是研究像史蒂夫和尖桩栅栏这样的罕见事件的理想时机。
理解尖桩栅栏现象
Gasque在上个月发表在《地球物理研究快报》上的一篇论文中描述了尖桩栅栏背后的物理原理，并将于12月14日在旧金山举行的美国地球物理联合会会议上应邀讨论这一结果。
她计算出，在比极光形成区域更靠南的高层大气区域，与地球磁场平行的电场可以产生尖桩栅栏的光谱。如果正确的话，这个不寻常的过程将对物理学家如何理解地球磁层和太空边缘电离层之间的能量流动产生影响。磁层包围着地球，保护地球免受太阳风的影响。
“在某些情况下，这将颠覆我们对极光中产生光和能量的模型，”加斯克说。
“关于克莱尔的论文，真正有趣的是，几年前我们就知道，史蒂夫光谱告诉我们，有一些非常奇特的物理现象正在发生。我们只是不知道它是什么，”论文的合著者、SSL助理研究物理学家布莱恩·哈丁说。“克莱尔的论文表明，平行电场能够解释这种奇特的光谱。”
这篇论文是加斯克博士论文的一个副业，主要研究地球表面的火山等事件与我们头顶100公里以上的电离层现象之间的联系。
但在2022年的一次会议上听说了史蒂夫——现在已经成为强热辐射速度增强的缩写——之后，她忍不住去研究史蒂夫和尖桩栅栏背后的物理学。
“这真的很酷，”她说。“这是目前空间物理学中最大的谜团之一。”
史蒂夫和尖桩栅栏的物理学
常见的极光是当太阳风给地球磁层中的粒子提供能量时产生的，通常发生在距离地表1000公里以上的高度。这些带电粒子绕着地球的磁力线向两极旋转，在那里它们撞击并激发了上层大气中的氧和氮分子。当这些分子放松时，氧会发出特定频率的绿光和红光，而氮会产生一点红光，但主要是一条蓝色的发射线。
由此产生的彩色、闪闪发光的帘子可以横跨南北纬度延伸数千公里。
然而，史蒂夫显示的不是单独的发射线，而是以紫色或淡紫色为中心的广泛频率范围。与极光不同的是，史蒂夫和尖桩栅栏都不会发出蓝光，蓝光是当能量最高的粒子撞击并电离氮时产生的。史蒂夫和尖桩栅栏也发生在比极光更低的纬度，甚至可能远至赤道以南。
一些研究人员提出，史蒂夫是由高层大气中的离子流引起的，被称为亚极光离子漂移(简称SAID)，尽管对于亚极光离子漂移是如何产生彩色辐射的，目前还没有公认的物理解释。
加斯克的兴趣是由一种建议引起的，即尖桩篱笆的辐射可能是由与地球磁场平行的低空电场产生的，这种情况被认为是不可能的，因为任何与磁场对齐的电场都会迅速短路并消失。
利用电离层的普通物理模型，加斯克随后表明，在大约110公里的高度，一个中等的平行电场——大约每米100毫伏——可以将电子加速到激发氧和氮的能量，并产生从尖桩栅栏观察到的光谱。该区域的异常情况，如带电等离子体密度较低，氧和氮的中性原子较多，可能会起到绝缘作用，防止电场短路。
“如果你看一下尖桩篱笆的光谱，它比你想象的要绿色得多。而且没有任何来自氮电离的蓝色。”“这告诉我们，只有特定能量范围的电子才能产生这些颜色，而且它们不可能从太空中进入大气层，因为这些粒子的能量太大了。”
相反，她说，“来自尖桩栅栏的光是由粒子产生的，这些粒子必须在空间中被平行的电场激发，这与我们以前研究或知道的任何极光的机制都完全不同。”
她和哈丁怀疑史蒂夫本身可能是由相关过程产生的。他们的计算还预测了这一过程将产生的紫外线辐射的类型，这可以用来验证关于尖桩栅栏的新假设。
尽管加斯克的计算并没有直接解决使这种现象看起来像尖桩栅栏的开关辉光，但她说，这可能是由于电场的波状变化。虽然被电场加速的粒子可能不是来自太阳，但太阳风暴对大气的扰乱可能会触发史蒂夫和尖桩栅栏，就像常见的极光一样。
增强的极光呈现出尖桩栅栏般的辉光
哈丁说，下一步是从阿拉斯加发射一枚火箭，通过这些现象来测量电场和磁场的强度和方向。SSL科学家专门设计和建造这样的仪器。许多这样的仪器都装在绕地球和太阳运行的航天器上。
最初，目标将是所谓的增强极光，这是一种正常的极光，其中嵌入了尖桩栅栏状的辐射。
“增强的极光基本上是嵌入在正常极光中的明亮层。颜色与尖桩栅栏相似，没有那么多的蓝色，更多的绿色来自氧气，红色来自氮气。假设这些也是由平行电场产生的，但它们比尖桩栅栏更常见，”加斯克说。
她说，该计划不仅是“发射一枚火箭穿过增强层，首次实际测量这些平行电场”，而且还将发射第二枚火箭，在更高的高度测量这些粒子，“以区分导致极光的条件”。最终，她希望有一枚火箭能直接穿过史蒂夫和尖桩栅栏。
今年秋天，哈丁、加斯克和同事们向美国宇航局提出了这样一个探空火箭计划，并希望在2024年上半年收到有关选择的回复。加斯克和哈丁认为，这个实验是理解高层大气、电离层和地球磁层的化学和物理的重要一步，也是符合美国国家航空航天局(NASA)赞助的低成本进入太空(LCAS)计划的提议。
哈丁说:“公平地说，未来将会有很多关于这些电场是如何到达那里的研究，它们与什么波有关或不相关，以及这对地球大气和太空之间更大的能量转移意味着什么。”“我们真的不知道。克莱尔的论文是我们理解的第一步。”
加斯克对研究中间电离层、中间层和平流层的人提供的意见表示感谢，他们的想法帮助她找到了解决办法。
“通过这次合作，我们能够在这个领域取得一些非常酷的进展，”她说。“老实说，它只是跟着我们的鼻子走，并为此感到兴奋。”
参考文献:“绿色并不容易:在史蒂夫的尖桩栅栏中观测到的发射光谱的动力学建模”，作者:L. Claire Gasque, Reza Janalizadeh, Brian J. Harding, Justin D. Yonker和D. Megan Gillies, 2023年11月3日，地球物理研究快报。gl106073 DOI: 10.1029/2023
除了哈丁，她的其他合作者还有宾夕法尼亚州立大学帕克分校的Reza Janalizadeh，马里兰州劳雷尔市约翰霍普金斯大学应用物理实验室的Justin Yonker和加拿大阿尔伯塔省卡尔加里大学的D. Megan Gillies。
本研究得到了美国国家科学基金会(AGS-2010088)、美国国家航空航天局(80NSSC21K1386)和加州大学伯克利分校Robert P. Lin奖学金的部分支持。
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