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原創：國家地理中文網




2016年，拍攝極光的平民科學家注意到反常的紫色弧光，科學家們無法徹底解釋清楚。這種現象，名為“史蒂夫”，最新的研究發現它其實是由兩種天空輝光構成的。上圖拍攝於加拿大甘露市。攝影：DAVE MARKEL PHOTOGRAPHY, NATIONAL GEOGRAPHIC YOUR SHOT
撰文：ROBIN GEORGE ANDREWS
古往今來，南極北極的極光永遠那麼迷人，啟迪了無數的創意作品、神話故事和傳說，也激發了人們對這一現象背後的原理進行科學研究。不過，時至今日，這種天文奇觀仍然時不時地給科學家們帶來驚喜。2016年，加拿大阿爾伯塔省的平民科學家首次目睹了全新的天空輝光“史蒂夫”。
這種極光呈長條狀，有時候會有綠色的尖樁柵欄狀結構，出現的緯度比典型的極光低得多。困惑的太空物理學家們無法確定這是一種形狀怪異的極光，還是另外一種全新的存在。
如今，研究表明，上述兩種猜測都不對：史蒂夫極光是一種帶電混合體（electrical hybrid）。
“我們發現，尖樁柵欄狀結構是極光，但紫色的圓弧並不是極光。”該研究的第一作者、美國波士頓大學的太空物理學研究者Toshi Nishimura解釋道。
這項知識界的發現之所以重要，是因為典型的極光和史蒂夫極光的紫色圓弧都出現在電離層。該研究論文的合著者、加拿大卡爾加裡大學的太空物理學家Bea Gallardo-Lacourt解釋說，電離層是地球大氣層中帶電的一層，會影響無線電波的傳播路徑，因此，電離層的擾動會影響我們的通訊網絡。
她說：“我們理解這其中的原理，事關根本。”
冒充極光？
地球的南北磁極發出的磁感線像一張大網籠罩著地球，當太空中的高能粒子沿著磁感線滑落時，就會產生極光。這些高能粒子沖入大氣層上層時，會使那裡的電子充電，發出各種顏色的光。與此同時，當地球的磁感線與太陽的磁感線相交，它們會破裂、重組，並一路帶走帶電粒子。因此，帶電粒子會飛入地球兩側的大氣層中，形成白晝和夜晚兩種極光。
史蒂夫極光的形狀與眾不同，而且出現在低緯度地區，顯然，它並非普普通通的極光。
平民科學家們在加拿大看到這種奇怪的新極光時，給它取了一個可樂又普通的名字“史蒂夫”。實際上，這個名字來自於2006年的喜劇動畫片《籬笆牆外》。片中，森林裡的動物們不認識一種灌木，便給這種灌木取名“史蒂夫”。美國宇航局戈達德研究中心的太空物理學家、首個觀測極光的平民科學組織的創始人Elizabeth MacDonald非常喜歡這個名字，還專門把他們團隊的名字縮寫改成了STEVE（史蒂夫）。
MacDonald及其同事利用磁場分析探測器在一次史蒂夫事件中收集的數據，在2018年的一項研究中稱，這是極光的一個新“品種”。它與傳統極光的形成方式略有不同，但它仍然具備所有帶電粒子亂象的特征。
但是，很顯然，早在人們觀測到史蒂夫之前很久，它就已經存在了。隨著平民科學家們梳理以往照片的興趣與日俱增，人們也拍到了史蒂夫的更多細節。2018年，Gallardo-Lacourt在他領銜的另一項研究中發現，衛星觀測到的2008年某次史蒂夫事件並沒有綠色光。這些研究人員發現，那次事件中的帶電粒子很少，遠不足以將其稱之為真正的極光。
光之嵌合體
最新的這項研究，本月初發表於《地球物理研究通訊》，研究了三次史蒂夫事件，同時也得到了極光攝影師們的幫助。此外，包括美國宇航局用於調查極光的THEMIS衛星群在內的多顆探測器，分析了每次史蒂夫事件的電離特征。
Nishimura的團隊稱，史蒂夫絕對是在電離層中產生的，但是，紫色弧似乎並不是極光，因為極光的定義是高能電子產生的發光現象。與之相反，史蒂夫事件中，自由運動的低能帶電粒子粒子流與中性粒子碰撞後摩擦生熱產生的光芒，就是我們看見的紫色圓弧。
即我們所看到的紫色弧光。這有點兒像是燈泡裡的燈絲升溫並發出光芒，並不完全像是極光。
Nishimura說：“我們更應該稱之為‘天空輝光’。”
“盡管是科學家們在研究史蒂夫，但這其實是攝影師們的發現。”——加拿大卡爾加裡大學BEA GALLARDO-LACOURT
不過，與紫色弧不同的是，史蒂夫事件中綠色的部分卻酷似極光。包裹著地球的磁場泡遭到擾動，會產生沖向電離層的“波浪”，從而使電子向下流向大氣層上層，電子與大氣層中的粒子撞擊，激發後者。該團隊稱，這就是史蒂夫事件中綠色尖樁柵欄狀結構的來源。
Nishimura說：“這種發光機制，與典型的綠色極光一模一樣。”他們在研究結論中稱，在後續的研究中，應該把史蒂夫的每個部分都作為單獨的現象來區別對待。
朋友們幫的小忙
美國加州大學的Larry Lyons是一位研究磁性層和電離層物理學的專家，並未參與此項研究。他認為該新研究是我們理解史蒂夫起源的“一次重大進步”。正是有了低緯度的觀測和THEMIS衛星群，如今，我們更深入地理解了史蒂夫與地球大氣層上層和地球磁場泡的關系。
但是，一切尚未蓋棺定論。這篇新論文只研究了三次事件，樣本量較小。要想完全解釋尖樁柵欄狀結構和紫色弧光，還需要更多數據。目前來看，還有許多問題等待解決，比如，弧光為什麼是紫色的？為什麼紫色和綠色部分既能出現在一起，又是相互獨立的？
此外，Gallardo-Lacourt說，有了這項研究，“我們正一點一點地更進一步理解史蒂夫。”他還強調說，如果沒有平民科學家的付出，所有這些研究能不可能進行下去。
她說：“盡管是科學家們在研究史蒂夫，但這其實是攝影師們的發現。”人人都一起努力解開這個謎團，“對我而言，這才是科學研究最浪漫的地方。”
（譯者：mikegao）

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