楼上楼下：从太空和地面看到的旋转极光

如果您有幸曾在寒冷的夜空中，沐浴在流动的光带和翻腾的光幕中，您就会知道北极光有多么奇妙。

即使是那些没有这种经历的人，看着舞动的北极光的视频和照片，也能感受到它们令人着迷的魔力。

但是，从太空看到的景象会是怎样的呢？尤其是一个覆盖两百万平方英里广阔区域的景象？上面这张裁剪过的图片暗示了答案。这是未裁剪的版本。

这张图片展示了阿拉斯加和加拿大上空的极光，其面积相当于美国本土48个州的三分之二。它于 2021 年 2 月 7 日由搭载在 Suomi NPP 卫星上的可见红外成像辐射计套件（VIIRS）拍摄，该卫星在 500 英里高空运行。（如需查看 NASA 的完整分辨率图像，请点击此处。）

VIIRS 设备极其灵敏，能够观测到像孤立的公路灯或渔船一样微弱的光源。“它甚至可以探测到被称为大气辉光的微弱夜间大气光，并观察到被其照亮云层，”NASA 表示。

这一晚，月亮正处于最后一个季度，所以地面的光线相对昏暗。但您仍然可以看到地面——我相信这归功于极光的光芒以及 VIIRS 设备的灵敏度。

在没有明亮的月光照射下，北极光为那些有幸在地面上看到它的人们提供了特别明亮的景象。其中包括 Bart Bikker，一位住在阿尔伯塔省巴尔海德的奶牛场主，他在上面这张照片是他从甲板上拍摄的。当时是 2 月 7 日晚上 10:15，气温为 -40 华氏度。

是什么导致了极光？

极光发生在我们的大气层受到太阳喷射出的粒子和能量冲击时。这种扰动会沿着磁力线加速一些粒子，将它们推向地球的两极并进入高层大气。在那里，它们会与氮原子和氧原子碰撞。

这些分子中的电子在反应时会兴奋地跃迁。当它们重新回到稳定状态时，就会发射出光子。氧原子会发出熟悉的绿色和红色光，这就是极光的颜色。被激发的氮原子会发出红蓝混合的光，产生紫色和粉红色的光芒。

将这一切结合起来，您就能看到围绕着地球最北端（南半球也有，称为南极光）环状分布的壮观极光。

太阳上的一个“黑子”

太阳耀斑和被称为日冕物质抛射的巨大太阳爆发，可以将大量粒子喷射向地球。事实上，2 月 4 日发生了一次日冕物质抛射。但它并没有朝向我们，所以 NOAA 空间天气预测中心的 Rodney Viereck 认为这只是一个巧合。他通过电子邮件告诉我：“2 月 7-8 日的活动来自一个日冕洞。”

日冕洞是太阳大气层中在某些波长下看起来黑暗的区域。在周围较亮的区域，太阳的磁场很强，磁力线紧密缠绕。但在日冕洞中，磁力线向外开放，允许热等离子体粒子很容易地流向太空。结果：日冕层出现一个相对凉爽、黑暗的“洞”。

您可以在上面这段动画中看到两个这样的日冕洞，这是我使用 Solar Dynamics Observatory 航天器在一月份下旬和二月份初拍摄的图像制作的。随着太阳在轴上旋转，这些日冕洞面向地球——而这就是 Suomi NPP 卫星以及 Bart Bikker 在阿尔伯塔自家甲板上捕捉到的美丽极光的最终来源。

要了解太阳上的日冕洞与 9300 万英里外地球上发生的极光之间的联系，请观看此动画。它由 SDO 航天器于 2016 年在极紫外线下拍摄的图像组成，清晰地显示了一个大的、黑暗的日冕洞。动画进行到一半时，会叠加太阳磁场图。

太阳风

在周围明亮的区域，磁场线密集且闭合。从这些区域，主要由质子和电子组成的热等离子体向外流动，形成一股持续的太阳风，其“风速”约为每秒 400 公里（约每秒 250 英里）。

相比之下，从日冕洞发出的磁力线较少，并且是向外开放的。从这里，太阳风的速度可以达到每秒 500 至 800 公里（每秒 300 至 500 英里）。空间天气科学家称之为“日冕洞高速流”（coronal hole high speed stream），简称 CH HSS。

一月份下旬和二月份初面向地球的一个或两个日冕洞产生了这样高速流。据空间天气中心称，它于 2 月 7 日抵达地球，太阳风速峰值约为每秒 540 公里。

增强的太阳风扰动了当天地球的地磁场，引发了一系列事件，最终导致了美丽的极光。