科普 美卫星揭示极光能量来源 磁场绳织成极光通道

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美卫星揭示极光能量来源 磁场绳织成极光通道

http://www.sina.com.cn 2007年12月16日 10:21 新京报


“西弥斯”卫星(来源：NASA网站 新浪科技配图)


“西弥斯”卫星每4天将在轨道上排成一行(来源：NASA网站 新浪科技配图)

　　你或许知道，美丽壮观的北极光的产生与太阳风及地球磁场有密切的关系，但这究竟是什么样的关系呢？即使在科学界，这也依然是个未解之谜。现在，依靠先进的卫星系统，科学家终于掌握了真相。

　　美国宇航局近期揭示了北极光产生的新动力，地球与太阳之间巨大的“磁场绳”是其中的重要角色。依靠一个被称为THEMIS的太空探测任务，科学家观察到了快速推进的亚暴的多种形态，证实了一条巨大的磁场绳的存在，也记录下了地球磁场边缘发生的小型爆炸。

　　一分钟横扫15度

　　发现得从今年3月23日说起，当时阿拉斯加和加拿大北部地区爆发了一场“亚暴”(substorm)。那是一种地球磁场的扰动，这次亚暴引发了持续两个小时之久的闪耀的北极光。绿色和蓝色的北极光不停地在空中闪动，越来越强烈，直到爆发出五彩缤纷，随处可见的光芒。这些地区的多台摄像机拍下了这些北极光的绚烂景色。空间轨道上的5颗卫星则记录下其太阳风颗粒流动走向，与磁场变化。

　　研究表明，这一亚暴的能量相当大，2小时内发生的能量总和达到了500万亿焦耳的程度，相当于一次5.5级地震的能量大小。问题是，这些能量是从哪儿来的呢？当时在空间轨道上的那5颗卫星或许有答案。

　　这5颗卫星就是这次发现的最大功臣。卫星探测到的数据让科学家感到十分惊讶。研究的主要负责人、NASA首席极光研究员、加州大学洛杉矶分校的研究员罗普罗斯(Vassilis Angelopoulos)介绍，亚暴以极快的速度运行。当时极光以极快的速度由东向西推进，不到一分钟的时间，它在经度方向上越过了15度。“亚暴穿越了整个北极圈，相当于用60秒时间横扫640千米。”

　　磁场绞成了绳

　　科学家根据观测结果推测，磁场的聚合给极光带来了能量。NASA在马里兰岛上的火箭航空中心的项目科学家斯贝克(David Sibeck)介绍说，“正义女神”真正确认磁场“绳”的存在，还是在5月20日，当时它们拍下了这些磁场绳的三维图像。

　　“卫星发现有一条磁场‘绳’直接连接了地球之上的大气与太阳。”斯贝克说，“我们相信太阳风颗粒沿着这些绳子走，给地质磁场风暴和北极光带来能量。”

　　磁场“绳”是由磁场形成的绳子形状的螺旋状的集合，就像水手绞动的粗绳一样。此前，太空探测器就曾经探测到这些磁场“绳子”存在的证据，但单独一个太空探测器还没有能力做出三维结构的地图。

　　“磁场绳非常大，几乎和地球一样宽，位于地球磁顶层(magnetopause)以上约7万千米的地方。” 斯贝克补充道。磁顶层就是太阳风与地球的磁场碰撞的地方，太阳风使得磁场之间像相扑运动员一样互相扭绞着，在很短几分钟内就形成了密不可分的绳状集合，这条绳子也成为了太阳风能量主要而关键的导管。

　　罗普罗斯表示，这次研究很重要，意义可说是“进入了太空物理学的新纪元”。该次发现的结果，于上周二在洛杉矶的全美地质物理联盟秋季大会上提交。

　　NASA重头戏

　　这五颗卫星由美国宇航局制造，目的是了解多彩极光的神秘动力。该任务的全称为“亚暴之大规模互动及时间历史性事件”任务(Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms)，缩写后成了THEMIS，恰好和希腊神话中正义女神忒弥斯的名字一样，因此得名。

　　THEMIS整个项目由位于马里兰岛的哥德太空项目办公室资助。负责落实的机构则是加州大学的贝克利太空科学实验室。

　　“正义女神”号装备的仪器可以测量太空中的离子、电子和电磁辐射。罗普罗斯还说，观察北极光的最佳时刻其实还没到，但现在的结果已经很喜人了。此外，THEMIS还有另外一套迷你型的卫星系统，其将可以加入操作这一实验，能够探测出从北极光风暴中发射出的热能和压力的演变。

　　罗普罗斯将THEMIS的作用和气象台相比，通过这一仪器，就可以检测出一世纪前的大气气候。“这些风暴的确可以很有助于我们理解和预测太空气候。”他说。

　　此外，“正义女神”还探测到了地球磁场弓形激波(Bow shock)中的一些小爆炸。“弓形激波是如同水里的船前面的波形浪一样的东西。” 斯贝克解释，“这也是太阳风首次受到地球磁场影响的地方。有时，太阳风内电流的爆发会撞击到弓形激波上，接着‘嘭’一声，爆炸发生了。”

　　明年2月，卫星将在太阳和地球之间排成直线。这样最关键的实验可以在那时进行。研究者希望能第一次探索到太空中亚暴的起源，也希望能了解其更多演变。接下来的两年，美国、加拿大、欧洲、俄罗斯和日本的科学家都会加入到这一研究中去。

　　- 新知补丁

　　亚暴

　　THEMIS卫星组成功拍下了磁场绳的三维图像。

　　即“磁层亚暴”(magnetospheric substorm)，发生于地球磁层的强烈扰动。1968年，日本地球物理学家赤祖父俊一首创了这个概念。持续时间为1—2小时。主要扰动区域包括整个磁尾、等离子体片和极光带附近的电离层。因为极光活动时间和地磁亚暴一致，故极光活动又称“极光亚暴”。

　　亚暴常成串出现，时间间隔无规律，有时第一次尚未结束，第二次接踵而来，这称为叠发亚暴。每一次爆发来不及构成完整的膨胀相，而只是一次接一次的极光增亮。亚暴的发生与行星际磁场和太阳风状态有密切关系，一般当行星际磁场持续一段时间偏南之后，就会发生一连串亚暴。磁层亚暴时，可能造成高纬度地区无线电通讯中断，地球同步轨道上的卫星充电等效应。因此，对磁层亚暴的研究具有实际意义。

　　编译：金煜