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何飛等-NSR:負地磁異常區赤道極光
2020-04-27 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  磁場和大氣共同造就并維系了地球宜居環境。地球大氣中的分子、原子或離子從太陽輻射或高能離子流吸收能量后,就會產生發光現象。根據其產生機制不同,大氣發光現象可大致分為兩類:氣輝(Airglow)和極光(Aurora)。氣輝是高層大氣(指80 km以上的大氣層)和電離層中原子、分子和離子的化學發光,是一種全球性的發光現象,從空中俯瞰(如國際空間站)就像一個包裹地球的彩色光球(如圖1所示)。在可見光波段,氣輝呈現明顯的高度分層結構,由低到高主要有黃光、綠光和紅光。不同高度層的氣輝輻射是高層大氣和電離層密度/溫度結構與動力學過程的重要指示器,是研究電離層和熱層擾動的常用參數,如重力波和電離層行擾。但氣輝輻射強度較弱,在地面上人眼一般無法感受到。 

1 高層大氣發光現象,其中左下部分綠色區域為北極光,中部地球邊緣的圓弧狀黃色和紅色區域為氣輝(國際空間站宇航員拍攝,Credit: NASA

  而在地球南北兩極的高緯地區,由于偶極磁場位形特殊的漏斗狀結構,來自太陽風和磁層空間的高能帶電粒子會沿磁力線沉降到高層大氣和電離層,與其中的原子和分子碰撞并激發絢麗的極光(如圖1所示)。傳統認為極光只發生在南北兩極環繞磁軸的橢圓環帶中(又稱為極光卵),偶爾在極端空間天氣事件期間會擴展到中低緯度。極光輻射光譜范圍非常寬,從波長極短的X射線到紅外線,這取決于高層大氣成分和沉降粒子能量。小小的極光卵是廣袤磁層空間中復雜動力學過程的光學表象,為空間天氣研究打開了一扇窗口。極光是非常動態的,主要在磁暴和亞暴期間爆發,并表現出豐富多彩的結構,如光斑、光弧、串珠、流狀、渦旋和鋸齒(He et al., 2020等。 

  從廣義來講,所有高能粒子與中性大氣碰撞激發的光輻射都可稱為極光,比如火星和金星上發現的極光。這兩顆類地行星都沒有類似地球的全球性偶極磁場,極光可以發生在星球上任何有高能帶電粒子入射的地方。而在地球上,偶極磁場保護了中低緯度地區免受高能帶電粒子的撞擊,但當地磁場強度減弱時,這種保護作用就會減弱。地球偶極磁場強度分布并不是均勻的,最明顯的負偏離出現在南大西洋異常區(SAA,South Atlantic Anomaly),這里的磁場強度比同緯度的其他地區至少低一半,而且還在持續減弱,范圍也在不斷移動和擴大(如圖2所示)。SAA區域弱磁場導致更多的內輻射帶高能帶電粒子進入高層大氣,并通過碰撞激發類似極光的發光現象。在1960-1970年代,有少數空間物理研究先驅注意到這個現象,并命名為赤道極光,后因探測缺乏、研究困難等種種原因而漸漸不為人所知。SAA區域由于大量高能帶電粒子捕獲和沉降產生的大氣/電離層效應和氣候效應也有待深入理解。 

2 利用IGFR模型計算的地表以上300 km高度處全球磁場強度分布圖,白色等值線代表磁場強度28000 nT    

  中科院地質與地球物理研究所地球與行星物理重點實驗室主任萬衛星院士認為,空間探測和理論在過去60年中已經取得長足發展,當前已經是時候重啟赤道極光的研究。經過數年的探索,萬衛星院士率領團隊已經取得了系列突破性的發現。作為系列論文的第一篇,何飛等發表綜述論文,系統總結了以SAA為代表的負地磁異常區(Negative Magnetic Anomaly)高能帶電粒子沉降特征、粒子碰撞發光現象和歷史觀測研究現狀,重新提出了赤道極光的概念。赤道極光的典型特征是發生在負地磁異常區(通常在赤道附近),在磁暴期間增強,變得肉眼可見,展現出與傳統極光類似的發生規律和動態結構。隨著近幾十年來SAA區域的不斷擴大,磁暴期間越來越頻繁地觀測到赤道極光,在一些大氣環境優良的天文臺址,肉眼能經??吹匠嗟罉O光,如圖3所示。 

3 智利的歐洲南方天文臺(位于SAA內)和夏威夷的莫納克山天文臺(位于SAA的西部延伸區)在磁暴期間拍攝的赤道極光,這些紅色極光同時也能為肉眼所見

  論文特別針對可見光波段人眼可感受的典型輻射譜線——氧原子綠光(557.7 nm)和紅光(630.0 nm——進行了系統的分析計算,并從地面上人眼感受光強閾值的角度,分析了這兩條譜線在不同空間分布情況下的可觀測性和可觀測范圍。 

  作者還對未來負地磁異常區赤道極光研究和面臨的挑戰提出了展望。系統研究負地磁異常區有助于揭示地球系統演化。從地磁場減弱到 地磁倒轉都對地球宜居性具有重大影響,甚至引起生物大滅絕。當前地球磁場整體上在逐漸減弱,SAA區域減弱速度更快,范圍也在不斷擴大,未來持續減弱是否會導致下一次地磁倒轉值得深入系統研究。 

  目前SAA的空間探測頻繁受到高能粒子對探測器的污染,缺乏系統綜合的研究。通過不同高度的小衛星星座配置光學、磁場和粒子探測器監測SAA,并通過交叉定標去除噪聲污染,可實現對SAA空間環境的全面研究,如我國澳門1號衛星就聚焦于此科學問題。此外,長航時平流層氣球(如中科院A類先導專項臨近空間科學實驗系統)也是監測SAA區域赤道極光的有效手段,地基極光相機則是很好的補充,可對固定區域開展長期連續監測。這些全方位立體化觀測手段相互配合,將大大促進SAA相關科學研究,促進地球系統科學研究。     

  綜述成果發表于國際權威學術期刊NSR。(He F, Wei Y*, Wan W*. Equatorial aurora: A review of the aurora-like airglow in the negative magnetic anomaly [J]. National Science Review, 2020, DOI: 10.1093/nsr/nwaa083.(原文鏈接) 該成果受到中科院A類先導專項(鴻鵠專項,XDA17010201)、中科院地質地球所重點部署課題(IGGCAS201904)、國家自然科學基金和中科院青年創新促進會等資助。
 
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