芬蘭業(yè)余天文愛好者與太空研究人員合作，發(fā)現了一種新的極光形式，這一現象被這位天文愛好者命名為“沙丘”。在新發(fā)表的研究中，沙丘的起源被追蹤到中間層及其邊界，即中層頂內形成的波導。

這項研究還假設，這種新的極光形式為研究人員提供了一種研究高層大氣條件的新方法。這項研究發(fā)表在高影響力期刊《AGU Advances》的第一期上。

就像天空中出現了一個未知的指紋，赫爾辛基大學計算空間物理學教授明娜·帕姆羅斯(Minna Palmroth)領導一個研究小組，開發(fā)了世界上最精確的近地空間和空間天氣模擬，這些天氣會導致極光產生。太陽釋放穩(wěn)定的帶電粒子流，稱為太陽風。到達地球上的電離層，即電離層，它們通過激發(fā)大氣中的氧和氮原子產生極光發(fā)射，激發(fā)態(tài)以極光的形式釋放。每一種極光形態(tài)都像一個指紋，僅代表極光地帶的某種現象。

在分類過程中，天文愛好者指出，某一極光形式不符合任何預先存在的類別。帕姆羅斯把這些不同尋常的形式放在一邊，留待以后考慮。幾乎是令人難以置信的巧合，天文愛好者們再次看到了這種不同尋常的形式，并立即通知了帕姆羅斯。形狀看起來是一種略帶綠色的均勻的波浪圖案，類似于沙灘上的條紋云幕或沙丘。天文愛好者馬蒂·赫林說：我們研究合作中最令人難忘的時刻之一，就是在那個特定的時間出現了這種現象，我們能夠實時檢查它。

極光新揭示的波浪

對這一現象的研究已經啟動，業(yè)余天文愛好者的觀察和科學方法結合在一起來解釋這樣的極光波浪。這就像拼湊拼圖或進行偵探工作，每天都會發(fā)現新的圖像，想出新的點子，最終，我們找到了真相。這一現象是在芬蘭西南部的萊蒂拉和羅韋西同時拍攝，在這兩張圖像中，極光發(fā)射中觀察到的細節(jié)相同。Palmroth團隊的博士后研究員馬克西姆·格蘭丁(Maxime Grandin)確定了發(fā)射背后的恒星。

并在天文學軟件程序Stellarium的幫助下，確定了恒星的方位和高度。這使得在計算極光現象的高度和范圍時可以使用恒星作為參照點。格蘭丁發(fā)現，極光沙丘出現在相對較低的海拔100公里處，位于中間層的上部，測得波場波長為45公里。芬蘭業(yè)余天文學家協會(URSA)維護的“太陽觀測”(“天空觀察”)服務進一步確認了總共七個類似事件，相機記錄到了相同的均勻波浪圖案。

未勘探區(qū)域

地球電中性大氣與太空邊緣相遇的極光帶部分，對衛(wèi)星和其他空間儀器來說是一個極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境，這就是為什么它是地球上研究最少的地方之一。由于難以測量發(fā)生在80至120公里高度之間的大氣現象，有時被科學家稱這一區(qū)域為‘無知圈’。沙丘是在極光帶那個特定區(qū)域被精確觀測到的，這種觀察到的現象將研究人員引導到了大氣研究和空間研究之間的中間地帶，因為通常的空間物理學方法論無法單獨解釋它。

沙丘波的亮度差異可能是由于來自太空不帶同電粒子的差異，或者是底層大氣氧原子中的波造成，研究最終提出沙丘是氧原子密度增加的結果。接下來，研究小組必須確定大氣中氧原子密度的變化是如何導致如此均勻而廣泛的波場。通常在研究高度，有許多不同類型的重力波在不同的波長、不同的方向傳播，這就是為什么它們不容易形成沙丘所表現出均勻波場的原因。

這項研究表明，所討論的現象是一個中間層鉆孔，這是一種發(fā)生在中間層的罕見且鮮有研究的現象，涌潮現象是許多河流共有的一種波浪，潮汐沿著河道逆流而上，各種類型的重力波在大氣中產生，然后上升。在極少數情況下，重力波在中層頂和中層頂下方間歇形成的逆溫層之間上升時會被過濾。逆變層使濾波后的波發(fā)生彎曲，使它們能夠在沒有衰減的情況下通過通道進行長距離傳播。當鉆孔中的氧原子與沉淀到大氣中的電子相撞時，它們就會被激發(fā)。

將重點放在大氣層上

當釋放這種激發(fā)時，它們會產生極光。這就是為什么到目前為止被認為是極具挑戰(zhàn)性的研究課題（中間層鉆孔）偶爾可以用肉眼看到的原因。在此之前，在極光帶沒有觀測到中間層鉆孔，也沒有通過極光發(fā)射對它們進行研究。由于極光輻射削弱了用于識別中層鉆孔的技術，所以在針對鉆孔的研究中，極光區(qū)作為一個整體通常會被打折。傳統上，專門研究大氣和空間的研究人員在很大程度上是相互獨立地調查他們感興趣的主題。

這是因為在沐浴在帶電粒子子中的電離層和中性大氣之間只有幾種已知的相互作用機制。在芬蘭氣象研究所操作的測量設備的幫助下，發(fā)現沙丘極光的同時出現，并且位于源自空間的電磁能量轉移到無知層的同一區(qū)域。這可能意味著從太空傳輸到電離層的能量。可能與中間層逆溫層的形成有關，就物理學而言，這將是一個令人震驚的發(fā)現，因為它將代表一種新的、以前從未觀察到的電離層和大氣層之間相互作用機制。

博科園｜研究/來自：赫爾辛基大學

參考期刊《AGU Advances》

DOI: 10.1029/2019AV000133

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