發現新型「沙丘極光」呈水平狀,出現在研究極少的中氣層

作者 | 發布日期 2020 年 01 月 30 日 15:44 | 分類 自然科學 follow us in feedly


讓人駐足沉醉的美麗極光景象事實上可依性質分成許多類型,每種都跟一個特定物理過程相關。現在科學家發現了一種新類型極光,有別於以往極光型態像是天空中的窗簾,這種新極光呈水平鋪展,反而像天空中的沙丘。

地球極光是來自磁層與太陽風的帶電高能粒子被地磁場導引進地球大氣層,並與高層大氣(熱層)原子碰撞所造成之發光現象,分布在南北緯 67 度附近 2 個環帶狀區域內,主要有紅、綠 2 種顏色(在熱層的氧原子被電子激發而發出紅色和綠色光)。

若依性質分類,極光可分為呈現瀰漫性微光的「擴散極光」,以及像窗簾波動的「分立極光」兩種,前者難以透過肉眼觀看,後者則是我們最常在影片或照片中看見的極光類型,其簾幕狀結構由許多平行光線組成,每一條光線都內襯著當地的磁場線,最常見的顏色為綠色;還有一種極光類型與分立極光相似,但皺摺更為強烈,被稱為「條狀(striations)」極光。

▲ 一般最常見的垂直簾狀極光。(Source:pixabay

然而最近,科學家們發現一種全新類型的綠色極光,不只有別於以往垂直排列的分立極光,這種新極光呈水平排列、沿地平線延伸數百公里,出現高度也和傳統分布在熱層的極光不同,由於在夜空中的外觀就像被風吹動的沙丘,因而被命名為「沙丘(dunes)」極光。

芬蘭赫爾辛基大學教授 Minna Palmroth 表示,沙丘極光看起來是大氣重力波與高層大氣分子擾動的結果,但這種解釋又說不過去,因為高層大氣散布的重力波擁有不同頻率與大小,且通常垂直向上傳播,似乎不會造就出如此均勻的沙丘型極光。

研究人員於是利用背景恆星作為參考點,計算出沙丘極光離地高度約 100 公里,每個極光波紋之間的距離約 45 公里,有趣的是,這種極光位於大氣科學中目前研究最少的中氣層(mesosphere),略低於中氣層頂(mesopause),很可能是因為該區域內氧氣密度激增而形成。

(Source:赫爾辛基大學

見上圖,鋸齒狀重力波在中氣層內彎曲成接近水平狀,從而導致氧原子密度激增,來自太陽的高能粒子激發這些氧原子後發出我們新發現的水平沙丘極光,研究人員稱為中氣層鑽孔(mesospheric bore)效應。

中氣層對地面雷達來說位置太高、對太空衛星來說位置又太低,剛好卡在兩邊都難以測量的高度,因此該區域的大氣現象研究迄今為止大多還是空白,就物理學而言,沙丘極光是一個令人震驚的發現,因為它代表電離層與大氣之間一種新的相互作用、以前從未被觀察到的機制。

新論文發表在《AGU Advances》期刊。

(首圖來源:赫爾辛基大學

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