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在外星球也能看到极光?

科技日报实习记者 朱玺 通讯员 丁黄声智

《山海经•海外北经》记载了名曰“烛阴”的外星神兽,称其“身长千里……人面,球也蛇身,到极赤色,外星居锺山下”,球也如今被证实是到极古人对极光的描写。一直以来,外星极光都被人类赋予神秘色彩,球也被认为是到极来自神明的某种暗示。

实际上,外星极光是球也一种自然现象,通常出现在高纬度地区。到极中国科学院地质与地球物理研究所特聘研究员尧中华向记者介绍,外星极光本身是球也一种大气的发光现象,其形成源自星球磁层中的到极高能粒子扰动。太阳是核聚变的球体,会向外抛射很多高能电子粒子。在电磁力的作用下,这些粒子会获得极高的运动速度,从太阳出发向外喷发,形成太阳风。

由于地球磁场的存在,当太阳风抵达地球时,并不会直接接触大气或地面。地球磁场是如同磁铁一样的磁偶极子,带电粒子会和磁场产生相互作用,从而改变运动轨迹。地球的磁场线收束于南北磁极附近,因此大量的带电粒子将由南北极进入大气,然后与大气中的氮原子、氧原子发生碰撞,碰撞使得这些原子处于高能的激发态,随后它们会自发地降回基态并且以发光的形式释放能量,便形成了极光。

极光并非地球独有

近期,《自然-通讯》发表一篇天文学论文,报告了来自“贝皮科伦布号”(BepiColombo)任务首次飞越水星的数据,水星南部磁层的极光与地球和火星的极光相似。“极光并非地球独有,它是行星普遍存在的现象。只要行星有大气和磁场,它遇到太阳风就会产生极光。”尧中华指出,水星没有大气,所以不可能出现极光。“这篇论文只是说发现了类似极光的过程,他们不敢说发现了极光现象。因为这是违背科学常识的。”

事实上,木星和土星有着比地球更强大的磁场,因此人们最早在这两颗气态巨行星上观测到了极光的存在,哈勃望远镜、卡西尼号和伽利略号探测器都提供了高质量的观测。此外,人们在天王星、海王星、金星和火星上也都观测到了极光或疑似极光的现象(由于观测仪器性能有限)。不光是行星,行星的卫星和彗星,甚至太阳系外其他恒星系中的行星也探测到了极光的踪迹。

太阳系其他行星观测到的极光状态与地球上的并不完全一样。尧中华表示,主要区别在极光的强度、波段和颜色上。“太阳系中极光最强的是木星,其次是土星,木星、土星都是气态星球,各自都有卫星。”尧中华解释,木星的木卫一、土星的土卫二上有十分强烈的火山和水的喷发活动,能喷出几百公里高。这些活动会向磁层空间释放大量的高能粒子。这些数量庞大的高能粒子碰到木星和土星的强大磁场后,沉降到行星大气会产生更加强烈的极光现象。

另外,由于各行星大气的成分不同,极光的颜色也有差异。“地球大气的主要成分是氧和氮,而木星、土星的大气中都是氢和氦。氧原子发出来的光是绿色的,因此在地球上你能看到绿色的极光。而木星的极光就不是绿色的,因为大气中没有氧,所以它很多极光主要是紫外线。虽然能量的形式都是光,但是有的是可见光,有的是不可见光,所以颜色也会有差异。”尧中华说。

观测极光意义重大

在尧中华看来,研究极光具有重要意义。正如前文提到的,极光现象的产生是综合过程的结果。通过研究极光,我们可以倒推星球大气的变化过程、高能物质在这个空间中的变化特征、行星内部的演化,甚至还能理解太阳的活动状态。

对于人类来说,研究这些问题可以帮助我们更好理解空间环境,这关系到我们的日常生活。当前卫星、电子仪器和设备已十分普及,空间环境的变化常会引起电磁扰动,从而影响这些设备的正常运行。1989年,加拿大魁北克地区的电力系统中断了数个月,核电站的变压器都被烧毁,事后被确定为电磁干扰所致。尧中华表示,通过观测极光去了解空间环境变化是成本较低的研究方式。

通过观察极光,了解、总结外部空间变化规律,我们可以更加深入地研究极端空间天气事件,并为设备仪器设计提供重要参考依据。“比如说要设计一个使用寿命100年的电力体系,就得考虑如何应对百年难遇的大事件,如果将阈值设得过高,就会涉及到成本增加的问题。但要是我们大致掌握了空间变化规律,就能以此设置设备的阈值、控制成本。”尧中华介绍。

另外,掌握相关规律可以进行极端空间天气事件的预报预警。“比如说一些影响巨大的自然现象来临又无法避免时,我们可以提前采取关闭仪器等措施,将其带来的负面影响降至最低。”尧中华说。

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