绚丽极光背后的秘密？“冲浪”电子

出现在地球两极附近天空的极光秀——北半球的北极光，南半球的南极光——几个世纪以来一直吸引着人类，并为世界各地的神话传说做出了贡献。

我们现在知道，极光是由来自太阳的电子和其他带电粒子被地球磁场引导至两极，在那里以每小时4500万英里的速度撞击地球高层大气中的空气分子所引起的。碰撞产生的能量使这些分子发出阵阵光芒。把大量分子发出的微小光芒——氧气发出绿色和红色的光，氮气发出蓝色和紫色的光——汇集在一起，就形成了极光闪烁的色彩。

但研究人员不确定极光电子究竟是如何被加速到观测到的撞击大气层时的能量的。现在，一组物理学家通过一项实验回答了这个问题，实验表明，导致极光的电子可以通过“驾驭”太阳天气扰动地球磁场产生的等离子体波（即“冲浪”）向地球加速。

空间天气、磁弹弓和冲浪粒子

太阳不断地发出由炽热的带电等离子体粒子（主要是电子和质子）组成的“太阳风”。风速和粒子密度根据太阳表面状况和太阳的磁周期而变化。有时，太阳风暴会甩出大量被称为日冕物质抛射的粒子爆发。

我们星球可靠的磁场通过将大部分太阳辐射导向地球周围和远离地球的地方，保护我们免受最强的太阳辐射。但是，空间天气仍然会影响卫星、宇航员，甚至地球的电网。在太阳天气剧烈时，极光也会显得更加明亮。

日冕物质抛射或特别强烈的太阳风阵风可以把地球的磁场线拉伸到地球后方，直到它们像弹弓一样弹回，在等离子体中产生名为阿尔芬波的涟漪（也有其他产生阿尔芬波的方式，但这种与极光最相关）。当这些波向地球传播时，磁场变强，它们的速度也随之加快。

在距离地球约16,000英里的某个点，这些波会达到一个神奇的速度，刚好比周围的电子快一点。这时，一些电子就能搭上加速的阿尔芬波的便车。

爱荷华大学的物理学家、该研究的主要研究员之一格雷格·豪斯 (Greg Howes) 将其比作冲浪者在海洋中追逐浪花。“你必须几乎与波浪的速度匹配，只慢一点点。这样你才能抓住波浪，开始冲浪。”

只有那部分恰好以正确速度朝正确方向运动的电子才能赶上波浪（对于其余的电子，波浪只会从它们身边经过）。

至少，这曾经只是一个想法。尽管对地球磁层中阿尔芬波和电子的卫星观测与电子冲浪的概念一致，但直到最近才有人真正证明其可能性。

“我们知道，下降的电子和波浪常常共存，”惠顿学院的物理学家吉姆·施罗德 (Jim Schroeder) 说，他从在爱荷华大学读研究生时就与豪斯一起进行这项实验。“但从来没有任何测量结果表明波浪可以加速电子。”

电子能赶上波浪吗？

虽然基于卫星的观测有很多优点，但研究人员知道他们需要更可控的条件才能观察到波浪和电子之间如何相互作用。因此，他们转向了地面实验。

“我们能够真正精确地调整并研究到你用移动的航天器根本无法达到的细节水平，”施罗德说。如果观测卫星位于一个固定的位置，就像一个固定在海底的浮标，那么观察阿尔芬波并看它们是否在加速任何电子就会很简单。但卫星不会静止不动；它们在轨道上运行，这使得移动的部分太多了。

在1990年代后期，豪斯在爱荷华大学的物理学同事之一克雷格·克莱辛 (Craig Kletzing) 与加州大学洛杉矶分校的基础等离子体科学设施建立了合作。他的计划是重现地球磁层中的等离子体条件，向其中发射一些阿尔芬波，看看是否有一部分电子会加速。“他最初认为这需要大约三年时间，”豪斯说。“但实际上花了将近20年。”

项目的每个阶段都带来了新的技术挑战：如何将阿尔芬波送入20米长的等离子体室，如何调整所有参数使其与太空中发生的情况成比例，如何测量电子是否在加速，如何对数据进行建模。但最终，他们成功地设计了实验，并证明了电子可以驾驭阿尔芬波。

施罗德回忆起2018年一个深夜，他在加州大学洛杉矶分校的实验室里绘制自己的一些数据，发现数据与冲浪假说相符。“我已经做了足够的理论研究，所以我大概知道如果我们捕捉到这个过程并在数据中看到信号，它会是什么样子，而它就在那里。”他立刻把图表的照片发给了他的兄弟，他也是一位物理学家——虽然不是等离子体物理学家，但知识渊博，足以看懂图表并理解其令人兴奋之处。

“他们通过这个实验非常出色地表明，这种特定的（电子加速）机制具有解释高层大气和太空中正在发生的事情所需的特性，”布林莫尔学院的物理学家大卫·沙夫纳 (David Schaffner) 说，他没有参与这项研究。

在风暴之眼

了解太空中发生的事情以及空间天气如何影响地球磁层也具有更严肃的意义。太阳耀斑的辐射会干扰电网和电信系统——1989年一场太阳风暴就曾导致魁北克全省停电——并且也对宇航员和飞机构成安全隐患。

我们对太阳天气如何影响近地空间的了解越深入，我们就能更好地预测和准备。正如沙夫纳所说：“如果你住在海洋中央，你会想知道洋流的情况。”

所以下次你看到极光在夜空中荡漾时，无论是在现实生活中还是在屏幕上，想想那些冲浪的电子和使其成为可能的空间天气——并感谢磁层确保我们不被太阳风烤焦。