形成极光的关键“远离地面”，快接近三万米的距离

最新研究表明，形成极光的关键“加速器”所处海拔比此前假设的更高——地表之上超30000米处。

日本Arase卫星在高海拔空间捕获了电子加速的观测数据。

日前，日本名古屋大学的科学家和来自中国、美国的研究人员发现，形成极光的关键“加速器”所处海拔比此前假设的更高——地表之上超30000米处。相关论文在《科学报告》中发表。

在极夜的天空中，炫目的极光现象需要电子“加速器”来推动带电粒子穿过大气层。这一“装置”不仅能帮助我们了解地球，还能帮助我们了解其他行星。

在超音速等离子体以高速带电粒子的形式从太阳喷发到太空中时，极光的故事便开始了。当这些带电粒子接近地球时，它们就会发生偏转，并在沿着地球磁场线形成漏斗状的粒子流后，最终流向地球两极。

论文第一作者，名古屋大学空间-地球环境研究所的Shun Imajo解释道：“地球磁层（magnetosphere）中的大多数电子无法抵达上层大气中被称为‘电离层’（ionosphere）的部分，因为它们会被地球磁场排斥。”

然而，其中一些粒子在能量得到增强后，能加速进入地球的上层大气，然后在海拔约100千米处撞击并激发氧原子和氮原子。当这些原子从激发态中复原时，它们就会发出极光。尽管如此，关于该物理过程的许多细节仍迷雾重重。

Imajo指出：“我们不知道加速电子流入电离层的电场具体是如何产生的，甚至不知道该电场离地球有多高。”

科学家们原本假设电子加速效应发生在距离地表1000至20000千米的高空，但是这项最新研究成果显示：电子加速区域离地面超过30000千米。

“我们的研究结果表明，加速极光粒子的电场可以存在于沿磁场线延伸的任何高度，而不仅限于电离层和磁层之间海拔几千千米的过渡区域。这表明有未知的磁层机制在发挥作用。”

通过分析美国和加拿大的地面成像仪和日本Arase卫星上电子探测器的观测数据，研究小组取得了上述研究进展。

Arase是一颗旨在研究地球内部磁层辐射带的卫星，而这组数据拍摄于2017年9月15日，当时Arase位于约30000千米的高度，并在稀薄的活跃极光弧内停留了几分钟。

该团队成功地测量了电子和质子的上下运动，最终发现电子的加速区域始于卫星上方，延伸至卫星下方。

为了进一步探索这一所谓的“高海拔加速区域”，该团队将进一步分析多次极光事件数据，比较高海拔和低海拔区域的观测结果，并对电势进行数值模拟实验。

Imajo展望道:“了解这种电场是如何形成的，将填补我们在理解地球和其他行星（包括木星和土星）极光发射和电子传输机制方面的空白。”

（部分图片来源于网络）

◎编译 | 朱明逸

◎审稿 | 西莫

◎责编 | 陈之涵

◎期刊来源 |《科学报告》 

◎期刊编号 | 2045-2322

◎原文链接：

https://phys.org/news/2021-03-story-polar-aurora-bigger-unknown.html

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