什么时候极光不是极光？
北极极光是一种令人惊叹的自然奇观，它在北极地区的高空中绽放出绚丽的光彩。北极极光的形成原理是什么呢？简单来说，就是太阳风中的带电粒子与地球磁场和大气层发生相互作用，产生不同颜色的发光现象。
北极极光的颜色和形状是多样的，有时是绿色的弧线，有时是紫色的帘幕，有时是红色的电晕。 这些都取决于带电粒子与大气中不同成分的碰撞，以及观察者的位置和角度。北极极光的变化也很快，有时是缓慢的闪烁，有时是迅速的爆发。
但最神秘的是被称为Steve的淡紫色和白色的条纹，以及它们经常伴随的发光的绿色“栅栏”。
Steve最早在2018年被认为与普通的极光不同，它的名字来源于一群业余的极光爱好者，他们是一个叫做Alberta Aurora Chasers的组织，他们经常在加拿大的阿尔伯塔省观察极光。他们发现，有时候，在极光的南边，会出现一条淡紫色和白色的条纹，而且这条条纹经常伴随着一些发光的绿色“栅栏”。他们觉得这是一种很特别的极光，于是就给它起了一个名字，叫做Steve。这个名字的灵感来自于2006年的一部儿童电影《马达加斯加的企鹅》，里面有一个场景，一群企鹅遇到了一个可怕的树篱，他们就给它起了一个温和的名字，叫做Steve。这个名字就这样沿用了下来，后来被正式认定为一种极光现象的缩写，意思是强烈的热电离层速度增强。
它是对2006年一部儿童电影中一个可怕的树篱给予的温和的名字的一种调侃，但它和它相关的栅栏仍然被认为是由相同的物理过程引起的。但是，科学家们对这些发光的排放是如何产生的感到困惑。
加州大学伯克利分校的物理学研究生Claire Gasque现在提出了一种对这些现象的物理解释，它与产生众所周知的极光的过程完全不同。她与校园的空间科学实验室（SSL）的研究人员合作，建议NASA发射一枚火箭进入极光的中心，以找出她是否正确。
随着太阳进入其11年周期的活跃期，鲜艳的极光和发光的现象，如Steve和栅栏，变得更加常见，而11月是北纬度观察Steve的好月份。由于所有这些瞬变的发光现象都是由太阳风暴和太阳的日冕物质抛射引发的，所以即将到来的太阳最大值是研究像Steve和栅栏这样的罕见事件的理想时机。
Gasque在上个月发表在《地球物理研究快报》杂志上的一篇论文中描述了栅栏背后的物理学，并将在12月14日在旧金山的美国地球物理联合会会议上受邀发表演讲。
她计算出，在大气层的一个比极光形成的地方更南的区域，与地球磁场平行的电场可以产生栅栏的颜色光谱。如果正确的话，这种不寻常的过程对物理学家如何理解地球磁层和电离层之间的能量流动有着重要的意义。地球磁层围绕着地球，保护地球免受太阳风的侵袭，而电离层位于太空的边缘。
这将颠覆我们对在某些情况下产生光和极光能量的模型
真正有趣的地方是，我们已经知道几年了，Steve的光谱告诉我们有一些非常奇特的物理学在发生。我们只是不知道是什么，研究结果显示，平行电场能够解释这种奇特的光谱。”
这篇论文是Gasque博士论文的一个副项目，她的论文主要关注地球表面的事件，如火山，和电离层中的现象之间的联系，电离层在我们头顶上100公里或更高的地方。
但是，在2022年的一次会议上听到Steve的消息后，她忍不住想要了解Steve和栅栏背后的物理学。
“这真的很酷，”她说。“这是目前空间物理学中最大的谜团之一。”
普通的极光是由太阳风激发地球磁层中的粒子产生的，通常在地表以上1000公里或更高的高度。这些被激发的粒子沿着地球磁场线向两极螺旋下降，它们撞击并激发了上层大气中的氧气和氮气分子。当这些分子放松时，氧气发出特定频率的绿色和红色光，而氮气产生一点红色，但主要是一个蓝色的发射线。
由此产生的色彩斑斓、闪烁的帘子可以延伸数千公里，横跨北极或南极纬度。
然而，Steve并不显示单个的发射线，而是显示以紫色或淡紫色为中心的广泛的频率范围。与极光不同，Steve和栅栏都不发出蓝光，蓝光是由最有能量的粒子撞击并电离氮气产生的。Steve和栅栏也出现在比极光更低的纬度，甚至可能到达赤道附近。
一些研究人员提出，Steve是由上层大气中的离子流引起的，称为亚极光离子漂移，或SAID，尽管没有公认的物理解释能说明SAID如何产生这些色彩斑斓的排放。
Gasque的兴趣是由一些建议激发的，即栅栏的排放可以由与地球磁场平行的低高度电场产生，这种情况被认为是不可能的，因为任何与磁场对齐的电场应该很快短路并消失。
使用一个常见的电离层物理模型，Gasque随后显示，一个中等的平行电场——大约100毫伏每米——在大约110公里的高度可以加速电子到一个能量，这个能量可以激发氧气和氮气，并产生从栅栏观察到的光谱。在那个区域的一些不寻常的条件，如带电等离子体的密度较低和氧气和氮气的中性原子较多，可能可以作为绝缘材料，防止电场短路。
“如果你看看栅栏的光谱，它比你预期的要绿得多。而且没有来自氮气电离的蓝色，”Gasque说。“这告诉我们，只有一个特定的电子能量范围可以产生这些颜色，而且它们不可能从太空的遥远处进入大气层，因为这些粒子的能量太大了。”
相反，她说，“栅栏的光是由必须在空间中被平行电场激发的粒子产生的，这是一种与我们之前研究或了解的任何极光都不同的机制。”
她和Harding怀疑，Steve本身可能是由相关的过程产生的。他们的计算还预测了这个过程会产生的紫外线排放的类型，这可以用来验证关于栅栏的新假设。
虽然Gasque的计算没有直接解释使现象看起来像栅栏的开关发光，但她说，这可能是由于电场中的波动造成的。而且，虽然被电场加速的粒子可能不是来自太阳，但太阳风暴对大气的扰动可能会触发Steve和栅栏，就像它触发普通的极光一样。
下一步，Harding说，是从阿拉斯加发射一枚火箭穿过这些现象，并测量电场和磁场的强度和方向。SSL的科学家们擅长设计和制造这样的仪器。这些仪器中的许多现在正在绕着地球和太阳运行。
最初的目标是所谓的增强型极光，它是一种正常的极光，其中嵌入了栅栏般的排放。
“增强型极光基本上是嵌入在正常极光中的明亮的层。它的颜色与栅栏类似，其中没有太多的蓝色，而有更多的来自氧气的绿色和来自氮气的红色。假设是，这些也是由平行电场产生的，但它们比栅栏更常见，”Gasque说。
她说，计划不仅是“让一枚火箭飞过那个增强的层，第一次实际测量那些平行电场”，而且还要发射第二枚火箭，测量更高高度的粒子，“以区分导致极光的条件”。最终，她希望有一枚火箭能直接飞过Steve和栅栏。
Harding、Gasque和他们的同事在今年秋天向NASA提出了这样一个探测火箭的计划，并期待在2024年上半年得到回复。Gasque和Harding认为这个实验是理解上层大气、电离层和地球磁层的化学和物理的重要一步，也是符合NASA为这样的项目赞助的低成本进入太空（LCAS）计划的提议。
“公平地说，未来将有很多研究关于这些电场是如何到达那里的，它们与什么波有或没有关联，以及这对地球大气和太空之间的更大的能量转移意味着什么，”Harding说。“我们真的不知道。Claire的论文是理解这一链条的第一步。”
Gasque对研究中层电离层或中间层和平流层的人的意见表示感谢，他们的想法帮助她解决了这个难题。
“有了这种合作，我们能够在这个领域取得一些非常酷的进展，”她说。“老实说，这只是跟着我们的直觉，对它感到兴奋。”