地球、土星和木星上的极光如何帮助预测危险的太空天气

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2014年1月9日，摄影师Harald Albrigtsen在挪威特罗姆瑟拍摄了这张北极光照片。（图片来源：Harald Albrigtsen）

据美国太空网（Robert Lea）：新的研究表明，了解地球、土星和木星上空天光显示的共同因素有助于预测危险的太空天气。

令人惊叹的北极光和南光是天文爱好者非常熟悉的地球上极光的例子。5月早些时候，地球经历了21年来最强大的极光事件，提醒我们这些现象的惊人之美。

当构成太阳太阳风的带电粒子撞击地球的保护磁场（即磁层）时，极光就会在我们星球的两极产生。这些粒子沿着磁力线传播，与大气中的原子相互作用，使它们发光。然而，来自太阳的带电粒子的轰击不仅在地球上产生美丽的光照。它还可能导致“太空天气”，比如地磁风暴，有时会威胁到地球上的卫星、通信系统甚至电力基础设施。

我们的星球并不是唯一一个在两极经历极光的太阳系世界。这些令人难以置信的光照也出现在气态巨星木星和土星，以及寒冷的冰巨星天王星上。事实上，任何有大气层和磁场的行星周围都可能出现极光——正如天文学家在2018年发现的那样，在太阳系外行星或“系外行星”上也可以看到极光

地球、土星和木星的磁场相似之处在于它们都有漏斗形的几何形状。这导致太阳风中的电子等高能粒子沉淀到极地，将除最强极光外的所有极光定位在这些行星的两极。

然而，在每一颗行星上都有许多极光产生的方式，使它们彼此独特。磁场强度的差异、这些行星旋转的速度、太阳风袭击行星时的条件，甚至这些世界周围卫星的活动，都可能导致不同的极光结构。

然而，尽管存在这些差异，香港大学地球科学系的一个科学家团队认为，对太阳风如何在不同行星上驱动极光显示的统一理解可能会带来重要的实际应用。这种统一可以帮助我们监测、预测和探索太阳系的磁环境，包括地球周围的磁环境。

“我们的研究揭示了太阳风和行星自转之间的复杂相互作用，使我们对不同行星的极光有了更深入的了解，”团队负责人、香港大学科学家张斌在一份声明中说。“这些发现不仅将增强我们对太阳系极光的了解，还可能扩展到对系外行星系统极光的研究。”



哈勃太空望远镜的成像光谱仪拍摄的木星上极光的合成图像。（图片来源：美国国家航空航天局、欧空局和J·尼科尔斯（莱斯特大学））

为了研究行星磁场动力学，该团队观察了像地球磁层这样的电磁场与导电流体相互作用的方式，导电流体在太阳风中扮演着带电粒子的角色。三维建模有助于他们更好地了解不同行星上的极光如何呈现不同的形状或“形态”。然后，这可以用来了解这些不同的极光形态如何影响各种行星条件。

事实证明，将太阳风条件和行星旋转相结合，会产生一个控制极光主要结构的新参数。这可以准确地解释为什么在地球、土星和木星上观察到不同的极光结构。研究小组表示，地球和木星的不同极光可以用一个统一的框架来解释，这一事实让人大吃一惊。

恒星风与行星磁场的相互作用是宇宙中的一个基本过程。

因此，这些发现不仅可以帮助我们更好地了解地球和更广泛的太阳系的磁环境，还可以帮助我们更深入地了解遥远行星系统的状况。

该团队的研究发表在《自然天文学》杂志上。