科學家發現了一種新型極光：沙丘

內容簡介：科學家發現了一種新型的極光類型，並將之稱為「沙丘」。考慮到極光形成的原因，並類比於「波狀雲」的形成，將這種極光形成的原因與「重力波」聯繫起來。並詳細分析了「重力波」影響下這種新型極光形成的機制。

在幾千年前，人們就已經開始觀察極光了，並且使用科學儀器來觀測它們，以求得到對它們更深刻的理解。所以你可能會覺得，我們現在了解了每一種極光。

顯而易見，這樣的想法是錯誤的。一種新型極光，就在近期被一些勇於前往寒冷的高緯度地區拍攝「北極光」的極光攝影師所發現。

圖源：sohu

極光是由於亞原子粒子從太陽猛烈地撞擊向地球（或其它星球）的大氣層而產生的現象。粒子的移動十分迅速，當它們撞擊到上層大氣中的原子和分子時，就會使其發生電離，產生一個或兩個電子。當電子重組成他們的母原子時，就會發出特定波長的光或顏色。顏色取決於是哪種母原子，例如，常見的綠色極光就是氧氣所致。而紅色極光有可能是重組氧原子或分子氮。

在這張2018年拍攝於芬蘭盧奧韋西的照片中，一種被稱為「沙丘」的新型極光，呈現為向左延伸的平行波紋。圖片來源：Rami Valonen

像電子或質子這樣的帶電粒子會受到磁場的影響，因此進入的粒子被磁場引向兩極。磁場還可以將它們引導成有序序列，當粒子落下時，在天空中呈現出可愛的彎曲發光的弧線、帘布和絲帶狀。

圖源：tuchong

然而，有時會看到另一種更為漫射的光暈從垂直於弧線的方向移動過來，就像一個掛在杆子上的窗簾。2018年10月，在極光攝影師拍攝的照片中就能看到這樣的神奇特殊的光芒:裡面有一個魚骨圖案，平行的波紋指向南方。它們看起來像是沙漠因風吹動的波紋，因此這個極光被稱為「沙丘」。

2018年10月，從芬蘭的萊蒂拉看到的「沙丘」極光。圖片來源： Pirjo Koski

這個現象吸引了研究極光的科學家們的目光。他們研究了「沙丘」，並且發布了一篇分析它結構的論文。值得高興的是，兩張照片是在這一現象發生的同時，從相距172公裡的芬蘭兩處地點拍攝的，這使得科學家可以對它們進行三角測量(也可以利用背景中的恆星來很好地定位它們)。他們發現「沙丘」位於地球表面上方約100公裡的高度，這大概是大多數極光形成的地方。

兩張在芬蘭相隔172公裡拍攝的同一極光的同步照片顯示了從不同角度拍攝的單個沙丘(標有數字)，通過照片可以對它們進行三角測量。圖片來源： Pirjo Koski / Rami Valonen /AGU Advances/Palmroth et al.

但是為什麼會有漣漪呢？是什麼導致了這種驚人的、奇怪的形狀？

我們通常是在較低的大氣高度中，才會見到這樣類似的平行徵狀物。它們被稱為重力波，類似於水中的波。如果大氣中有一層穩定的空氣，並且有什麼東西幹擾了它——比如說，一股冷空氣來襲，或者這層空氣正吹過一座山——空氣就會上升。但是重力開始作用並把它拉回來。這就形成了一種振蕩，一種流向下遊的上下往復運動。在低層大氣中，水蒸氣在上升的氣流中冷卻會形成雲，當空氣再次下沉時又會溶解。這可以產生巨大的平行條狀雲串，我已然見過很多次這種現象(我住在落基山脈以東，那裡的空中經常產生重力波雲)。

雖然中間層中幾乎不會出現重力波，但它也是地球大氣層的一層，從大約50-85公裡的高度延伸出來。中間層被稱為中層或波狀孔，研究難度極高。當移動的空氣與更穩定的層碰撞時，重力波的形成可能類似於在低海拔大氣中的方式。

科學家認為，這可能就是「沙丘」形成的原因。當中層空氣由于波浪而上升時，它會壓縮上層的空氣。這改變了空氣中氧原子的密度，空中將會形成類似波紋的形狀。如果這發生在一束來自太陽的粒子拋向大氣層時，那麼它們使密度的變化更加明顯可視化！由於原子會發光，有更多原子的地方就會更加發亮。

2016年1月，我在博爾德縣拍攝了這張重力波雲的照片。我面向南方；每個波紋中的線條都是東西走向的。圖片來源：Credit: Phil Plait

但是還有更多:當大量的能量被排放到穩定層以上的大氣中時，也可能導致中間層的孔洞。這是焦耳加熱，可能是因為太陽的粒子撞擊了大氣層而產生。它們具有大量的能量，並在100公裡左右的高度轉移到大氣中。

所以有可能是極光效應照亮了這些波浪，但也有可能是它引起了它們！這方面也有合理的理由:能看到漣漪的瀰漫極光很常見，但漣漪只是有時會出現。重力波也很常見，所以你會看到比我們通常看到的更多的波紋。但這意味著還有其他東西在幫助形成它們。關於第二種現象成因是什麼，焦耳加熱是一個很好的猜測。

我喜歡這個故事的一切。「業餘愛好者」看到了一種新型極光，科學家研究分析了它，並找到了可能的原因。它的照片也很酷！

另外，中間層很難研究，因為它沒有很多容易觀察的特徵。「沙丘」為研究這層大氣層提供了一個新的窗口，所以至少可以更好地研究它的這一方面。

現在有這麼多攝影師前往高緯度地區拍攝美麗極光的數字圖像，這意味著我們將能獲得更多關於它們的數據，我們便能更好地理解它們。

作者: Phil Plait

FY: 句號獸

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