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极光形态研究历史

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极光

极光形态研究历史

纪念琼·费曼

我们在昨天的文章()中介绍了极光,其中提到极光的成因是高能粒子与地球大气粒子的碰撞。证实这一现象的人是John Feynman(琼费曼),很遗憾在前段时间得知了她的逝世。

很少有人听过她的名字,但看到她的姓Feynman你可能猜到了,对,她就是诺奖得主、著名物理学家理查德费曼的妹妹(两人差九岁)。她的成就虽然不如哥哥耀眼,但作为日地物理的先驱之一,她为空间物理的发展做出了不可磨灭的贡献。

琼费曼出生于1927年,一个性别歧视的年代。女性不光没有投票权,甚至被认为智力低于男性,因此女性从事科学研究需要面对的不只是智力的挑战,还有社会的成见。尽管琼同她哥哥一样从小展现了在科学上非凡的天赋,她的母亲和祖父从不认为她能在科研上取得成功。琼真正走上科研道路,部分要归功于她天才的哥哥的引路。理查德不光教导琼科学知识,更重要的是对于琼成为科学家的梦想一直给予坚定的支持,并且在她的科研方向上提供了意见。

琼的研究方向非常广泛,包括太阳黑子周期、太阳风粒子输运、极光与气候变化等等。其中她对极光的研究告诉了我们极光的成因。关于她对极光的研究还有这么一段佳话:在她小时候,有一天晚上她哥哥把她带到郊外让她看极光,从此极光的美丽和神秘在她心中扎下了根;她博士毕业后前往哥伦比亚大学地球观测站研究极光,因为担心哥哥提前参透极光的秘密,与哥哥定下约定——她研究极光,而她哥哥可以负责剩下的整个宇宙。

琼费曼的一生是丰富精彩的一生,她是空间物理的先驱,也是女性在科学领域的先驱。纽约时报对她的评价是“照耀极光的人”,我认为是不足以反映她的成就的。


【兄妹照】

琼费曼与哥哥理查德费曼。by Alexander Ruzmaikin

I said, ‘Look, I don’t want us to compete, so let’s divide up physics between us,’” she said. “‘I’ll take auroras and you take the rest of the universe.’ And he said, OK! -- Joan Feynman

回到正题

从极光区到极光卵

作为极少数能在地球上肉眼可见的空间天气现象,也是自然界中非常壮观的景象,极光自古以来就被世界各地的人们所记载,但关于它的科学意义上的研究,在进入19世纪后才陆续展开。1860年,Loomis整理了一些关于极光的历史记载,发现极光经常出现的位置并不在极点,而是在高纬度的一个窄带上;Fritz在12年后使用了更多的记载,进一步将极光出现的位置按照频率划分,得到的图称为极光等频线(isochasm),其中出现频率最高的区域被称为极光区(auroral zone)。


【isochasm】

Fritz极光等频线。实线表示有着相同极光出现概率的区域。

自从Fritz的极光等频线图之后,受限于观测手段,人们对极光的认识大致停留在了这里:极光最强的区域为极光区,它是一个在磁纬67度,宽约为5度的环带。这样的认识持续了几乎一百年,直到Sydney Chapman和Chris Elvey在20世纪50年代提出对于极光的研究应该借助于直接的影像,而非单纯的统计,因为地球的自转可能导致空间上的结构被统计给平均掉。1957年,旨在在冷战后加强国际科学合作的国际地球观测年(International Geophysical Year,IGY)正式举行,揭开了地球科学研究的新一页。Chapman作为项目的主席主持了一系列关于极光观测的计划,包括全天空相机(all-sky camera),来研究极光的实时变化。


【极光区】

极光区和极光卵在地磁坐标系下的分布。梅红色表示过去的极光区概念下极光的分布,绿色表示极光卵概念下极光的分布。[Akasofu, 2015]

各地的极光影像清楚地反映了,极光并不总是待在极光区,而是有着一个随时间变化的过程。阿拉斯加大学的研究生Akasofu开始认识到极光的分布并不是一个完美的圆,而是随着磁地方时的不同有着不同的分布。在午夜,极光出现在极光区所示的位置,但在其它时间有着非常大的偏差。夜侧的极光已经确认和极光区所述不同,日侧的极光受制于正午相对较强的太阳光照,只能在极夜地区获得。Feldstein在1963年通过这些影像确认了日侧极光的分布,它们比夜侧极光的纬度更高,由此一个随地方时不同而不同的“极光卵”(auroral oval)概念正式形成,区别于统计平均下的极光区概念。


【经线观测链】

阿拉斯加全天空相机经线观测链。沿着同一经线分布的各个台站。[*Exploring the Secrets of the Aurora*, 2002]

尽管Akasofu与Feldstein等人展示了极光区概念的局限性,他们的发现挑战了这个领域长期以来的惯识,因此并没有引起别人足够的重视。为了拿出更有力的证据证明极光在时空上的变化,Akasofu随之设计了:1. 阿拉斯加全天空相机经线观测链(Alaska meridian chain of all-sky camera),使得对极光的观测能在同一时间覆盖同一经度、不同纬度的目标,直观反映出极光的纬度变化。2. 使用机载观测,飞机沿着极光卵的区域飞行。实验非常顺利,极光卵的形状在这两个任务中清晰可见,甚至还发现极光卵本身也是一个动态的结构,并不是一成不变。

紧接着,极光卵所在纬度的磁力线被发现,投影到地球轨道平面后与地球辐射带重合。随后Zmuda在1966年指出极光卵区域有沿着磁场方向的电流。加上之后高能粒子在极光卵存在的发现,极光卵的重要性逐渐被人们开始所认识——它的边界指示着地球的开放磁力线区域。完美的偶极磁场不存在高纬度的开放磁场;由于太阳风携带的行星际磁场与地球磁场的作用,地球磁场在高纬度地区的磁力线打开,使得高能粒子能通过这些区域进入地球,产生了极光等一系列现象。


【开放磁场】

地球开放磁场。蓝色为行星际磁场,绿色为偶极场,红色为相互作用下导致的开放磁场。[NASA]

时间进入到20世纪70年代。NASA发射的ISIS-2首次在太空中拍摄了极区的极光形态,将整个的极光卵收录在照片中,无可辩驳地证实了极光卵概念的正确性。


【ISIS-2】

ISIS-2直接拍摄的极区极光分布。[*Magnetospheric Particles and Fields*, 1976]

极光亚暴

伴随着极光在空间上分布的研究的还有它的形态如何随时间变化。如前面所述,极光卵在50年代全天空相机的观测下就被发现并不是一成不变的。有些时候,极光的亮度会突然增强,并产生波动状的传播结构,被Chapman称为极光亚暴(auroral substorm)。由于地球自转引入的效应,亚暴所导致的极光形态的时间变化并不能轻易从全天空相机中得出。Akasofu再一次借助于机载观测,不过这一次飞机向着地球自转方向相反飞行,抵消地球自转的影响,观察固定地方时下极光随时间的变化。通过这种方式,极光的固定地方时变化清楚地展示了极光的动态本质。真正最终证实这一现象的是于1981年发射的Dynamic Explorer卫星。

地球上固定地点所看到的极光亚暴。[by Kwon O Chul]


【极光亚暴】

卫星视角下极光亚暴随时间的变化。极光增强、破碎、扩散。[NASA]

总结

对极光的研究不仅于此,电流系统也是一大重点。限于笔者能力,只总结了初期对极光形态研究的发展。

整体而言,极光研究深刻地影响了我们对地磁扰动的认识:太阳风、地球磁层、电流系统(电离层)、大气(热层)是一个耦合的整体。设备的发展推进着我们对地球科学的认知,但是敢于质疑、大胆探索才是从本质上革新我们对自然的认识的可贵品质。尽管对极光的研究有了长足的进步,它依然有很多秘密有待我们探索,也许就是你未来的探索。

参考

https://en.wikipedia.org/wiki/Joan_Feynman Joan Feynman Wiki

https://www.nytimes.com/2020/09/10/science/joan-feynman-dead.html 纽约时报报道

https://www.youtube.com/watch?v=6A5ThjDAlO4 Joan Feynman晚年访谈视频

https://aas.org/sites/default/files/2019-09/Status_Jan.03.pdf p17,Joan Feynman儿子文章

https://www.aps.org/publications/apsnews/updates/feynman.cfm APS纪念文章(生平)

https://en.wikipedia.org/wiki/International_Geophysical_Year 国际地球观测年

https://www.nasa.gov/mission_pages/themis/auroras/substorm_history.html auroral substorm history

*Discovery of the Magnetosphere*, 1997

作者:黄胜

美编:刘俞伶


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