太阳扭曲的磁力会产生奇怪的极光。


北极光照亮了2月2日阿拉斯加的夜空。16岁,2017。图为费尔班克斯北部的扑克平台研究区。 美国国家航空航天局/特里·扎佩拉赫

极光被誉为全球磁场星球上最美丽的自然奇观之一,和空间气象专家越来越接近了解这一现象的奥秘之一。你看,当北极光照亮北极上空的北半球时,同样的模式应该在南极洲上空的南半球爆发。但科学家们注意到,在2009年他们比较了南北极光的同时图像之后,两者并不匹配。

为什么我们一开始就希望它们是对称的?

极光是如何工作的

极光是太阳磁场和地球磁场之间史诗般的相互作用的一个可见的提醒。又名磁层.太阳不断地排出大量的带电粒子,比如质子,氦原子核和微量重离子。一起,这些粒子被释放到星际空间,像太阳风一样冲刷着行星。

其他太阳现象,例如日冕物质抛射爆发,爆炸使这些粒子的云团高速进入太空。太阳风,太阳耀斑和CMES,它们对我们星球的影响,统称为“太空天气”。所有这些太空天气一旦遇到地球的磁气圈,就会对我们的地球和我们的技术产生强大的影响。

其中一个影响就是地磁风暴。如果太阳磁场以某种方式与磁层相互作用,就会发生这种情况,向磁层注入太阳粒子,产生极光。当这些粒子沿着地球磁场到达两极时,极光就产生了,在大气中下雨。根据它们撞击的大气气体,一个美丽的彩色光显示将发生。

现在,让我们后退一步,想象一下那些教科书上的磁棒图,两端分别印有南北极。他们创造的磁力线将描绘出连接南北极的对称回路。这过于简单化了我们星球的磁场,但物理原理是一样的。

下一步,让我们把地球简化的磁场放到稳定的太阳粒子流中。这股溪流,又称太阳风,携带着太阳磁场,即星际磁场(或imf),对地球的磁气圈产生压力,把它扫回去。我们磁气圈的白天面将被压缩,当磁气圈的夜晚变长时,像一个伸展的水滴。如果太阳风是稳定的,不会发生很多事;粒子流将平稳地流过地球的磁气圈。然而,我们知道太空天气很重要但是稳定的。

地球磁层图解
美国航天局/戈达德/阿龙·卡泽

当太阳旋转时,它可以在我们的空间附近以不同的速度冲洗太阳风,像耀斑和CME这样的爆发可以在星际空间产生非常剧烈和动态的变化。如果磁场条件正确,太阳可以将一个充满磁性的粒子的气泡抛向地球,然后将其注入到磁层的各个层中(想象一下磁层的各个层,就像洋葱皮层一样,距离它的实际结构不远)。然后,这些粒子被卷回磁层尾部(恰当地称为“磁尾”),在那里它们被存储,直到磁尾经历重联事件,释放压力,迫使储存的太阳粒子沿着磁力线流向地球大气层。磁场重联是一种磁场被强迫在一起的现象,像松紧带一样折断然后重新连接,释放能量,伴随着大量的粒子涌动。

不对称的现实

一切都是平等的,记住前面描述的简单的条形磁铁图,通向地球南北极的磁力线应该是一样的,在北极和南极地区,同样数量的粒子应该以相同的方式落下。这就是两个新的补充研究,发表于地球物理研究杂志:空间物理学以及地球物理学报,进来。

2009年,空间气象专家比较了地磁风暴期间爆发的极光模式。他们所看到的令人困惑;所创建的图案位于不同的位置,形状与预期不同。当时,他们假设这种不对称是由磁尾重联事件的复杂性造成的,向北极和南极发射不同数量的带电粒子,从而造成不匹配。然而,这些新的研究表明,这种不对称性实际上可能是由于嵌在太阳风流中的国际货币基金组织的方向首先遇到了地球的磁层——研究人员称之为“不对称的地球空间”。

困惑的?美国地球物理联合会优秀的视频解释如下:

我们可以把太阳磁场想象成一系列随机排列的线,像浅水一样冲刷地球会冲刷海滩上的卵石。如果它们的磁南北方向与磁层的南北方向相匹配,它们将连接到地球磁场并向后扫掠,与磁尾融合,以及它们所包含的太阳风粒子。在这种情况下,磁尾将呈现对称,产生的极光也将是对称的。图案匹配!

但是,如果太阳的磁场相对于地球的南北磁场是东西方向呢?根据这些新的研究,这会导致磁尾扭曲和不对称。你可能会猜到,这将对产生的极光产生影响,以不对称的方式将太阳粒子漏斗化,创造出不对称的极光。图案不匹配!

随着时间的推移,随着越来越多的能量通过磁尾重联释放出来,它将被解开,这些极光将慢慢恢复到对称的形状。这是违反直觉的。太空气象专家曾经假设,过去不对称性是引起通过磁重联。事实上,重新连接似乎释放了磁压力,使极光恢复对称。


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