特殊極光類型像珍珠項鍊,確認屬於副磁暴一環

作者 | 發布日期 2020 年 08 月 18 日 17:44 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


在大型極光出現之前,通常會先有另一種稱為「極光項鍊」的特殊極光出現,但科學家不清楚這是發生在副磁暴之前的現象、還是由地球大氣干擾引起。現在結合 NASA 西彌斯(THEMIS)衛星系統的觀測數據與電腦模型,科學家能確認極光項鍊是引發副磁暴的前奏。

在阿拉斯加、加拿大北部、冰島、挪威北部、芬蘭或瑞典等地,都有機會於大型極光出現前留意到極光項鍊(auroral beads),顧名思義,這種特殊極光看起來就像發光的珍珠項鍊。

不過直到現在,科學家們還是困惑不解,極光的形成是太陽帶電粒子被地球磁層捕獲加速、並與高層大氣中原子相互作用的結果,但極光項鍊通常在極光開始變亮前出現,過去科學家揣測它們是由地球高層大氣中的湍流所引起。

然而根據西彌斯衛星系統的觀測數據與最新模型,極光項鍊實際上是由地球周圍的太空電漿湍流引起:太陽噴射的電漿與地球磁場相互作用,會在地球後方產生漂浮的電漿氣泡,氣泡與磁層中較重的電漿因浮力失衡(瑞利-泰勒不穩定性,簡稱 RT 不穩定性),會產生約 4,000 公里寬的「RT 手指」,這道手指向下延伸至地球,便形成獨特的珠狀極光結構。

▲ 流體動力學中模擬的瑞利-泰勒不穩定性。(Source:Shengtai Li, Hui Li / Attribution)。

瑞利-泰勒不穩定性(Rayleigh-Taylor instability)通常發生在雲與衝擊波系統事件、或者密度較高的流體浮在密度較低的液體上方時,較重的物質因重力作用下沉,較輕物質被替換上升,當不穩定性發展時,向下運動造成的不規則就會被放大成為一系列「RT 手指」。

理論上,RT 手指可能會纏結磁力線並引起爆炸事件,即磁重聯(Magnetic reconnection),眾所周知,這種現象會引發布滿夜空的副磁暴(substorm),而新研究結果強調了較小規模結構與副磁暴之間的關聯。

副磁暴與磁暴不同,後者可維持數天,且當太陽處於最大活動期時每月可發生 1~2 次,副磁暴僅發生在幾小時內但發展快速,可能在極光區域引起高達 1000nT的磁場干擾(約該區域磁場總強度的 2%)。

研究人員下一步是弄清極光項鍊如何、為何以及何時會引發副磁暴。

(首圖來源:NASA