走近“欧若拉”——地球电离层与磁层的光之纽带

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/ 极光

极光的英文aurora，其实是古罗马神话中一位女神欧若拉的名字。她是掌管黎明曙光的女神，她的眼泪是晨光中的露珠。晨光是大自然赐给人类的美好礼物，欧若拉则是令人充满希望与期盼的女神。

驾车的Aurora女神

直到1619年，伽利略才把我们看到的极光现象用aurora的名字来命名，以此表达对美好事物的期盼。

极光有各种颜色和形态。红绿蓝紫，都有可能。形状有带状的、窗帘状的、或者完全没有形状可言的均匀弥散状的。极光也可以根据形状分成弥散极光和分立极光。从全局看，可以分成帘幕状极光、射线状极光、均匀极光等。另外，也可以根据激发粒子的来源分成质子极光和电子极光。

极光照片 / 网络

极光在高纬区域更容易看见。我国地处中纬地带，所以看到极光的机会不多。如果是从太空俯视地球极区，可以看到一个环形的极光区域。

北极的极光带俯视示意图

而极光出现的概率跟太阳活动息息相关。一般来讲，太阳高年的时候更容易出现极光。太阳黑子数与地磁活动指数（代表极光活动强度的指数）之间的对应关系表明黑子数多的时候极光的强度也明显增大。这说明太阳的驱动作用与地球上面的现象是直接相关的。

极光强度与太阳黑子的对应关系

/ 极光的产生原理

极光由高处的带电粒子进入大气层轰击了大气层中的分子或者原子而产生。具体来讲，高能粒子撞击大气层原子X时，被原子核束缚的电子因为接收到能量，从稳定的基态跃迁到能量较高的激发态X*，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，则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。当波的频率落在可见光范围内，就成为我们看得见的极光了。

为什么极光有各种不同的颜色？这取决于两个原因：大气层的成分分布和入射粒子的能量。地球大气层内有各类分子和原子，它们根据质量从自下而上的分布使得重的成分在低处，而轻的成分在高处。靠近地表处，O和N比较多。往高处走，N和O原子则变成主导的成分。 在极光出现的100-200公里范围内，O和N分子为主要成分。

电子被激发至激发态、回落至基态而辐射光子的示意图

第二个因素是入射粒子的能量。如果粒子能量越高，则进入大气层越深，所以不同的渗透深度决定了与之发生碰撞的成分。比如太阳紫外辐射主要对高度为100公里之上的大气层成分产生作用；而跟极光相关的入射粒子可以深入到100-150公里的高度与其中的大气层成分发生作用。这些粒子的能量大约是几个到几十个keV（千电子伏）；更高能的辐射带电子，则可以深入到100公里以下，甚至到达50公里处。还有更高能的太阳质子、宇宙射线等可与更低层的大气层发生作用。

不同颜色的极光随高度的分布情况

/ 引发极光的入射粒子源自于哪里？

地球电离层外面就是磁层，它是由地球磁场与太阳风相互作用形成的圈层。其内部有不同种类的粒子分布在不同区域，它们的能量和密度各异。比如地球附近的等离子体层是比较冷的等离子体聚集地，密度较高，充斥在电离层外围2-5地球半径范围内。等离子体片分布于距离地球4-10地球半径往外的赤道面附近，能量为几百eV（电子伏）到几十keV（千电子伏），分布范围较广。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，辐射带、环电流等粒子分布区，与等离子体层所在区域有所重合，但是能量更高，且密度相对低一些。

这些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。 若从极光的发生区域分类，可以分成3类粒子来源：

1. 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；

2. 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；

3. 更低纬度区域的极光：是由来源于环电流的粒子所激发。

中高纬度极光的三类粒子来源

/ 沉降粒子对地球大气层的其他作用

1. 电离

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：太阳辐射和来源于磁层的沉降粒子。太阳辐射出不同波段的光波，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，而X射线能到达更低的高度。最终电离层形成了弯曲的电子密度剖面图（如深红色曲线所示），主要分成D、E和F层。F层更可以细分为F2和F1层， 有两个电子密度峰值 。

电离层电子密度（红色曲线）随高度的变化

这个曲线基本刻画了电离层在高度上的分布状况。当然，这并不是一成不变的。随着太阳活动变化、日夜变化等因素，电子密度会相应出现变化。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，可以对高度在100-200公里的大气层产生有效电离。而辐射带电子引起最大电离率的高度大约在80-90km。另外，太阳质子在40km高处也能对大气层产生电离效应。综合太阳辐射和粒子沉降，电离层的电导率在日侧和极光带区域会显著增强。

2. 臭氧破坏

大气分子与入射的辐射带粒子、太阳质子等粒子作用会形成氮氧分子（N,NO,NO）, 氢氧分子（H，HO，HO）等NOx，HOx。这些成分会与臭氧O发生反应从而破坏臭氧层。而NO分子在夜里的生命周期较长，还可以深入大气层向下运动，破坏更低层的臭氧。下图显示了一个数值模拟结果，在高能粒子入射进入大气层之后，NOx密度显著增强，而Ox密度则显著降低，说明了沉降的高能粒子对大气层中Ox分子的破坏作用。

电离层电子密度、NOx密度、Ox密度受到高能粒子入射后的变化

来源：Turunen, E., A. Kero, P. T. Verronen, Y. Miyoshi, S.-I. Oyama, and S. Saito (2016), Mesospheric ozone destruction by high-energy electron precipitation associated with pulsating aurora, J. Geophys. Res. Atmos., 121, 11,852–11,861, doi:10.1002/2016JD025015.

/ 磁层-电离层之间其他形式的联系

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

首先是等离子体对流的关联性。太阳风与地磁场作用后形成磁层，在南向行星际磁场作用下，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。在夜侧磁尾再次发生磁重联，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（图10）。

磁层-电离层对流示意图

除了以上大尺度的等离子体对流圈之外，其实电离层的对流还可能出现特殊情况。 在这两个对流圈外的低纬度区域经常出现一个具有较高流速的通道。这个速度通道出现的位置是在极光圈外，故被称为亚极光极化流（SAPS） 。

电离层等离子体对流圈及亚极光区极化流（SAPS）

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。在电离层高纬度地区有两对场向电流，分别为1区和2区场向电流。1区在更高纬度，两者流动方向相反。

场向电流连接磁层-电离层的示意图

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。而反过来，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。

粒子外流的原因有很多种。但是大致可以分成热逃逸和非热逃逸两种。热逃逸中最常见的是金斯逃逸。粒子在速度空间具有一定的分布 。 在这个分布里，大于地球逃逸速度的这一部分粒子则可能脱离地球束缚而逃到太空里。 还有一种热逃逸是由于太阳辐射使得大气层加热后抬升扩展，因此具有向上的速度最终逃逸出去。非热逃逸中，与热力学没有太大关系。比如光化学使得大气层粒子接收到额外能量从而使之能够挣脱引力束缚。比如受到溅射作用而逃逸：太阳风里的高能粒子直接轰击大气层导致粒子被轰出大气层。极区风逃逸：由于极区的磁力线开放，粒子更容易沿着磁力线运动从而进入太阳风里或者磁层里。还有流星撞击导致的逃逸等。

电离层粒子外溢示意图

问答部分 /

1. 为什么极光的形状会变化？

答：极光的形状取决于它的粒子源。极光主要分成两类：弥散极光和分立极光。弥散极光源自于由于波动而沉降进入大气层的粒子，这些粒子的特点是各向同性，对大气层的作用便是一视同仁，所以极光出现的时候则是弥散的。分立极光源自于磁层中受到加速的粒子，它们沿着磁力线进入大气层，是具有方向性的，更受控于磁力线的位形，所以有一定的结构。

2. 为什么极光没有出现在地球极点附近？

答：在极区的磁力线是完全开放的，与行星际空间相连接。而极光的发生是与磁层中的粒子沉降息息相关。处于开放磁力线的极区一般接收不到磁层的粒子沉降，故而不会有极光产生。

3. 发生极光的电子与电流有没有关系？

答：引发极光的带点粒子沿着磁力线运动进入大气层，它们是电流的携带者。电子沉降对应了相反方向，即向上流动的电流，而质子沉降对应相同方向的电流。

4. 磁层的尾巴是怎么形成呢？它有多长？

答：磁层的形成是由于太阳风与地球磁场相互作用形成的，在日侧受到太阳风的挤压，但是在夜侧被拖拽形成长长的磁尾结构。磁尾的重联位置可以达到几十个地球半径外，也可以比较靠近地球，比如十几个地球半径。它的长度取决于太阳风条件。

5. 木星的磁层与地球的磁层是不是很不一样？

答：传统的认知是两者的位形很相似，但是大小差异很大。木星的磁层更大，并且由于受到它内部的多个卫星的影响，磁层的结构会有所区别。近期的研究提出一种非常新颖的观点，与传统认知的磁重联只出现在夜侧的图像不一样的是，研究者认为木星的日侧也可能出现磁场重联。这跟传统认为的木星磁层位形就不一样了。

报告人简介 /

於益群，北京航空航天大学教授，长期从事空间物理方面的研究，主要关注地球磁层-电离层相互作用，2015年入选国家级青年人才计划。

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来源：中国国家天文

编辑：just_iu