极光:地球电离层与磁层之间的“光之纽带”
2022-05-24 10:16:08      来源:科技日报

若以发生区域对极光进行分类,可以分成3类:发生在日侧高纬地区的极光,来源粒子主要是经由极尖区进入,起源于太阳风与磁层的相互作用;发生在夜侧较低纬度地区的极光,主要是由来源于等离子体片的粒子激发;发生于更低纬度区域的极光,是由来源于环电流的粒子所激发。

◎於益群

近日,国外科学家发现,太阳风与火星电离层的作用导致了火星弥散极光的出现,弥散极光是极光中的一类,在地球上也非常常见。

一般来讲,太阳活动高峰年的时候更容易出现极光。同时,太阳黑子数与地磁活动指数(表征极光活动强度的数值)之间的对应关系表明极光是如何产生的,黑子数多的时候,极光的强度也明显增大。梦幻般的极光,可以说是地球磁层与电离层之间的“光之纽带”。

极光是如何产生的

极光是因高能带电粒子进入大气层时轰击大气层中的分子或者原子产生的。

具体来讲,高能带电粒子撞击大气层原子或分子时,被原子核束缚的电子在获得能量后,从稳定的基态跃迁到能量较高的激发态,但并不足以脱离原子核的束缚而逃离。当这个处在激发态的电子由于其不稳定性而回落到基态时,会以光子的形式释放出能量。能道之间的能量差决定了光波的频率。当光波的频率落在可见光范围内,就成为我们看得见的极光了。

粒子从何而来

这些带电粒子从何而来?要知道,地球电离层外的磁层是地球磁场与太阳风相互作用而形成的,其内部存在着分布在不同区域的不同类型粒子。比如地球附近的等离子体层是比较冷的等离子体聚集地,这些等离子体充斥在电离层外2—5个地球半径范围内;等离子体片分布于距离地球4—10个地球半径以外的赤道面附近;极尖区的等离子体则存在于一个漏斗状的区域,是太阳风粒子进入磁层和电离层的通道;另外,还有辐射带、环电流等粒子分布区。

这些区域内的带电粒子充斥着整个磁层空间,都是进入大气层的粒子来源。若以发生区域对极光进行分类,可以分成3类:发生在日侧高纬地区的极光,来源粒子主要是经由极尖区进入,起源于太阳风与磁层的相互作用;发生在夜侧较低纬度地区的极光,主要是由来源于等离子体片的粒子激发;发生于更低纬度区域的极光,是由来源于环电流的粒子所激发。

除了激发作用,这些粒子对地球大气层也有电离作用。电离指的是电子彻底脱离原子核的束缚而逃离。大气层发生电离的原因主要有:太阳辐射和从磁层进入大气层的沉降粒子。太阳辐射不同波段的光波,具有不同的能量。比如紫外线能电离大气层中的分子和原子。

除了太阳辐射,磁层粒子沉降可以进一步引起大气层的电离。引起极光的粒子,就可以引起高度在100—200公里大气层的有效电离。

磁层和电离层之间的其他联系

当然,除了极光这一纽带之外,磁层和电离层之间还通过其他形式,比如通过等离子体对流、场向电流、电离层粒子逃逸等形式紧密联系在一起。

首先是等离子体对流的关联性。太阳风与地球磁场作用后形成磁层,在南向行星际磁场的作用下,日侧磁层顶发生磁重联,磁力线重新连接并且在太阳风的作用下往夜侧运动。在夜侧磁尾磁重联再次发生,从而使磁力线拓扑结构再次变化。闭合的磁力线往地球方向运动,并回到日侧。在磁运动过程中,因为等离子体冻结在磁力线上,磁层里的等离子体对流同样出现在电离层。因此,在高纬地区等离子体从日侧向夜侧运动,随后从低纬返回日侧,形成了两个对流圈。

第二个联系方式是通过场向电流关联。场向电流从磁层流入电离层,再从电离层流出来进入磁层,是磁层和电离层的桥梁,传输着彼此之间的能量和物质。

第三种联系方式是通过电离层粒子逃逸进入磁层而关联。前面几种联系方式均为磁层往电离层输运能量,是磁层对电离层发生作用。而相反地,电离层对磁层的影响则是通过粒子外流。电离层的粒子密度较大,这些粒子往太空逃逸,进入磁层,是磁层里面等离子体的主要来源物质。

(据中国国家天文公众号) 

编辑: 李涛 责任编辑: 昝娟娟

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