揭示北极光惊人波动模式背后的科学原理

美国 - 艾赫巴里通讯社

解读北极光的波动模式：壮丽景象背后的科学

北极光，即在极地天空中舞动的空灵光带，千百年来一直令世人着迷。虽然这些自然光景以多种形式出现——从柔和的弧形、动态的光线束到弥漫的光斑——但驱动其复杂图案，特别是令人惊叹的波动状结构的精确科学机制，一直是一个深入研究的课题。如今，发表在《自然·通讯》杂志上的一项开创性研究，揭示了这一现象的一个关键方面，即确定了至少一种北极光（北极光弧）的能量来源——关键的“电池”。

绿色北极光弧，通常雄伟地横跨广阔的天空，已在包括加拿大西北部偏远地区在内的许多地方被观测到。北极光背后的基本过程涉及带电粒子，主要是电子和质子，它们以太阳风的形式从太阳喷射出来。当这些粒子遇到地球的磁层时，它们会被引导向极地地区。当它们与高层大气中的原子和分子（主要是氧和氮）碰撞时，会激发这些大气成分，使其以耀眼的色彩光谱发射光，其中绿色最为常见。

然而，这些高能粒子被排列成特定图案，例如视觉上引人注目的弧形，这一点一直不太清楚。最近的研究指出了一种称为“阿尔芬波”（Alfvén waves）的现象，认为它是关键的能量来源。这些以瑞典物理学家汉内斯·阿尔芬（Hannes Alfvén）命名的波，是一种沿磁力线传播的电磁等离子体波。在北极光的背景下，科学家们将这些波描述为“太空电池”，它们在加速和能量化最终产生北极光的光的电子方面发挥着至关重要的作用。

根据研究结果，当由这些阿尔芬波“驱动”（获得能量）的快速移动电子进入大气层并与大气原子碰撞时，就会形成北极光弧。这种能量撞击会释放光子（光的基本粒子），从而形成北极光弧特有的高耸的带状结构。这项发现为这些特定北极光形态的形成提供了更具体的科学解释，为我们理解空间物理学增添了重要的一层。

这项突破的实现，不仅是严谨规划的结果，也是一次幸运的观测机会的汇合。该研究利用了2015年军用和NASA航天器对一个北极光弧进行的同步测量。这些协调一致的观测提供了足够长时间内的不同视角和互补数据，使研究人员能够拼凑出导致该弧形形成的太空条件的更清晰图景。NASA在一份声明中强调，这些联合观测对于揭示负责形成该弧形的等离子体动力学至关重要。

这一科学进展发生之际，北极光观测正受到特别关注。尽管太阳目前的活动周期被认为可能已经达到顶峰，但预计2026年仍将有丰富的北极光活动。北半球观看北极光的季节通常持续到3月，为观星者和科学家们持续提供观察这些迷人现象的机会。

将阿尔芬波识别为北极光弧的“太空电池”，是空间物理学和大气科学领域的一项重要贡献。它不仅加深了我们对太阳与地球之间复杂相互作用的理解，而且对于空间天气预报以及保护我们的技术基础设施免受太阳活动影响也具有重要意义。随着科学家们继续揭开宇宙的奥秘，这样的发现提醒我们宇宙的深邃之美和复杂运作。

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