这个星球有太阳系最强的极光，比地球的强数百倍

liukang20245天前629吃瓜1047

在悠远的木星上，在它的空间内产生的能量迸发进程是十分剧烈的，每天都不相同。经过这些艳丽的极光图片，咱们能够更好地了解木星上正在产生的工作…

出品：格致论道讲坛

以下内容为我国科学院地质与地球物理研讨所特聘研讨员尧中华讲演实录：

咱们好，我是尧中华，来自我国科学院地质与地球物理研讨所。十分高兴能够来到格致学校共享我的研讨。

我的研讨对象是一种奥秘的天然现象，它十分艳丽、美丽。与此一起，它又能提醒在地球和其他行星空间中产生的一些高能量迸发性的物理进程。它便是今日的主角——极光。

这是我的搭档姚淑涛博士在第35次南极越冬科考时，在我国中山站所拍照的一段极光视频。能够看到，极光乃至能够把夜空照得通亮。

▲ 左：2010年4月5日，国际空间站

（图源: NASA/Soichi Noguchi）

右：Galaxy15, 2010年4月5日失掉操控

极光不只仅关乎艳丽的发光现象，对咱们的现代日子也有十分重要的影响。左面是日本航天员野口聪一在国际空间站上所拍照的极光相片，这个绿色和赤色的极光全体点亮了夜空。为什么要将这张相片放在这儿呢？这是由于右图这个价值数亿美元的银河15（Galaxy 15）通信卫星，便是由于这次极光工作而失掉操控。

▲ 左：核电站变压器损坏，1989

右：塞勒姆核电站，美国新泽西

咱们再来看一个案例。左图展现的是一个烧坏的变压器。它并不一般，而是坐落美国新泽西塞勒姆核电站（右图）之中。把它烧坏的首恶也是极光。

因而，了解极光、研讨极光不只满意人类对天然国际奇特现象的猎奇，还能够协助咱们了解天然灾害，并更好地应对天然灾害。

极光是一条插着蜡烛的巨龙？

人类前史上就一向重视着极光工作，有着继续的记载。在美国航天局（NASA）收拾的极光前史观测里，第一条便是来自我国的文字记载，而且是与华夏文明相关的。它记载了黄帝的母亲附宝在城外漫步的时分，忽然看到“大电绕斗极枢星，光照郊野”，即整个大地都通亮起来了。但这并没有告知咱们极光是什么形状的。

后来屈原在《天问》一书中写道：“日安不到，烛龙何照”。意思是太阳光照射不到的时分，烛龙是怎样亮起来的？他用两个关键字对极光进行了描绘，分别是“烛”和“龙”，行将极光描绘为蜡烛相同的龙。龙是中华民族的文明图腾，是一种十分巨大的动物；而蜡烛又是一根一根很小的的结构。那么将细微的蜡烛组合起来构成了龙的形状，便是极光的容貌。

▲ Early drawingof the aurora, depicted

as candles in the sky, 1570.

(来历:Crawford Library, Royal

Observatory, Edinburgh.)

无独有偶，在英国爱丁堡皇家观测站录入的一幅古极光的绘画中，也把极光绘成了蜡烛，而且摆放出了一个雄伟的图画。上图中最下方的是人们寓居的小房子，而在它之上的是云彩，在云彩之上一根一根摆放的蜡烛便是其时的人幻想的极光。

能够看到，东西方不谋而合地将极光比作在空间中摆放开来的雄伟蜡烛。那么极光究竟是不是这样的呢？咱们来看一个更直观的视频。

这是在国际空间站拍照的极光，首要以绿色为主，还带有一些赤色，犹如一条巨龙回旋扭转在太空傍边。咱们仔细看，这个巨龙其实是有许多笔直方向小结构的。在古人看来，这一个个小亮点就像蜡烛在天空中点亮相同。

极光是怎么产生的？

照明需求能量，咱们在家里开灯就需求运用电能，在夜空中点亮极光天然也是需求能量的。这个能量的来历其实不难幻想，地球上大部分能量的来历都是太阳。比方植物成长就需求太阳的能量，而极光的能量来历也是太阳。

▲ 太阳-地球空间体系（来历:NASA）

太阳自身是一个进行着十分剧烈的核聚变的球体。除了经过太阳光给地球供给温暖的能量以外，核聚变还会不停地产生许多的高能带电粒子。它们喷涌而出，以高速的太阳风的方式充满整个太阳系，也吹到地球以及其他行星上。这些太阳风所带着的能量和物质便是产生极光的原始的能量物质。

咱们来经过这个视频看一下整个进程是怎么产生的。太阳正在向外喷射高能带电粒子，咱们称这些物质为太阳风，它们会与地球彼此作用。地球有磁场，就相当于一个盾牌，能挡住太阳吹来的太阳风。因而太阳风不会直接吹到地球上，而会围绕着地球贮存起来。但磁场所能贮存的能量并不是无限的，同任何一个蓄能体系相同，它贮存到满足多能量的时分就会开释出来。这些能量就会沿着磁力线跑到地球的大气层。当这些高能带电粒子与大气彼此磕碰今后，会使得大气中的原子分子取得能量。这些原子分子取得能量后就要开释出来，就形成了极光、

▲ 图片来历:Austin Montelius/ University of Iowa

咱们看到的极光首要是绿色、赤色和紫色的，这实际上与大气的成分有关。由于大气中最首要的两种成分是氧气和氮气，所以这极光的色彩首要就来历这两种大气成分。比方绿光实际上便是氧原子发出来的光。

在我国能看见极光吗？

由于带电粒子是沿着磁力线沉降到极区的，所以咱们看到的极光都产生在磁场的北极或许南极。恰巧现在的磁轴与地轴、即地球绕着转的这根轴是高度一致的，大约就差了十来度，所以咱们会感觉到极光产生的地理方位是在南极和北极。

▲ 最简单看到极光的极光椭圆带

现在磁轴比较地轴实际上是往北美那儿偏的，这个误差使得极光带往北美偏了一点点，所以比起亚洲，北美更简单看到极光。

可是磁轴并不是永久都倾向那儿，在前史上磁轴其实是漂移的。比方在一两千年前，磁轴从前倾向了西伯利亚这边，那时在我国境内就比在北美更简单看到极光。

由于我做极光研讨，咱们经常会问我：尧教师，你别解说那么多，就说今日在我国究竟能不能看到极光？

假如要在今日的我国看极光的话，最或许看到的当地应该是在最靠近极区的当地，也便是坐落漠河的北极村。它在我国这只“雄鸡”的鸡冠邻近，地理纬度为53.5°。但由于地磁轴是往北美那儿偏的，因而北极村的地磁纬度是42.7°。要知道现在极光的均匀方位大约是六十多度，所以这两者的间隔仍是很大的。

▲ 《栾城县志》

提到这个问题，在近代我国前史上，咱们是否曾观测到极光呢？答案是必定的。上图展现的是《栾城县志》的内容，栾城是今日河北石家庄的栾城区，离北京不远。这是己未年即咸丰九年秋八月癸卯夜的记载，换算过来便是1859年9月2日的晚上。那个晚上，“赤气起于西北，亘于东北，黎明始灭”。意思是大气中的赤色发光气体从西北开端一向延伸到了东北，直到快挨近早晨时才开端灭下来。这儿的赤色发光气体“赤气”描绘的便是赤色的极光。

栾城离北京其实不远，我在北京寓居了十几年，为什么我就没有看到过极光？这个极光为什么会产生在那天，它有什么特别之处？

▲ 1859年卡灵顿工作 - 人类前史最强的地球磁暴记载

实际上，这个答案就藏在间隔咱们半个地球的英国业余天文学家理查德·卡灵顿的记载中。他其时记载道：1859年9月1日下午，我像平常相同拿着望远镜去观测太阳，我调查到了一个极端稀有的太阳黑子。这次超强的太阳活动也因而被称为卡灵顿工作。

卡灵顿记载的时间比咸丰九年记载的要早一天。也便是说在这次太阳活动产生后的一天，它的信号传递到了地球。事实上，卡灵顿工作在地球上形成的影响十分广泛。一百多年曩昔后，它依然是人类前史上记载到的最大的地磁活动。基于此，关于它的研讨与材料当然是十分体系、充沛的。

▲ 左：Greenand Boardsen 2006

左图的纵坐标是地磁纬度，科学家在不同的当地记载到了三类工作。图中黑色的是极光相关的工作，在图中占首要部分；橙色的是地磁扰动工作；蓝色的是与电报机相关的工作。这条虚的包络线描绘的便是能看到极光的纬度，它展现了从1859年8月28日到9月5日这段时间内，大约两次首要极光工作的扩展规模。

能够看到，这些观测扩展到了很低的纬度，尤其是在9月2日，也便是《栾城县志》记载的这一天，可观测到极光的方位从十几度的磁纬度开端一向延伸到了高纬度。这说明栾城看到的极光实际上还远远不及它被记载到的最低纬度，这次极光是一个全球性工作。

右上是美国航天局收拾的一条记载，它描绘了在北纬11°记载到一个深红玫瑰色的极光。其时没有印象，只需文字。那怎么得知这个极光究竟是什么样的？

咱们能够经过后来产生的相似极光工作进行匹配。右下图中深赤色的天空是在日本北海道拍照的，这便是1989年把核电站变压器烧坏的那次极光工作。它就像一次小型的卡灵顿工作，影响也十分大。这次极光工作也延伸到了纬度十分低的区域。一般咱们只需在北美阿拉斯加邻近这样的高纬度区域才干看到极光，可是1989年这天的极光简直延伸到了北美全境，乃至包含佛罗里达这些纬度很低的当地。

为什么咱们要监测极光

那么，极光为什么会烧坏变压器这样的电气设备呢？咱们知道极光是高能量的带电粒子快速地与大气磕碰产生的，高能量的带电粒子快速运动会产生什么？电流。所以大的极光工作必定伴随着大的电流扰动以及大的电磁扰动。

▲ 1989极光工作的可观测规模（左）

机器对电气设备的危害（右）

1989年同1859年比较，人类从只需电报机等少量电器的传统年代进入了现代科技年代，其时现已有了飞机、导航以及各种用电设备。所以1989年这次极光工作尽管不如卡林顿工作，但它对日子有着更大的影响。比方它导致了加拿大魁北克区域全体的大停电，影响到达数个月；再比方它影响了计算机芯片，然后导致了多伦多股票交易市场的中止；一起，它还影响了许多极区的卫星的运动和操控。

▲ 假如这些设备悉数损坏的话……

今日比较1989年，咱们的用电设备尤其是电子设备的数量要多得惊人。有人估算过，假定1859年这个人类前史上最大的地磁暴工作——卡灵顿工作产生在今日，它所直接导致的经济损失能够到达数以万亿美元计这个量级。所以咱们要对极光进行监测、了解和研讨。

咱们的监测首要有两大类，一类是经过发射卫星，带着相机在太空中拍照。

还有一类是在地面上布许多的相机来观测。由于每个相机只能看到部分的一片很小的区域，所以需求许多的相机来做接力，然后做到继续地监测极光进程，以更好地了解极光和使用空间环境。

现在磁轴在北美那儿，咱们我国其实是不在极光带上的，那么咱们是不是就能够不必研讨极光呢？事实上不是的。尽管我国境内不在极光带上，但咱们是一个航天大国，咱们有许多卫星在空间中运转，它们都会遭到极光工作的影响。所以咱们也需求研讨极光，以更好地服务于深空勘探。

▲ 我国极光观测站

我国在北极和南极都有许多的极光监测台站能够做极光相关的研讨。在北极极光带上，咱们有黄河站和在建造的冰岛站；在南极有长城站、昆仑站、泰山站和中山站。

太阳系最强的极光在木星

地球上的极光咱们现已观测了数千年，那极光是不是地球的土特产？实际上不是的。太阳系八大行星中，除了水星没有极光外，其他行星都有极光。为什么水星没有极光？由于它没有大气。咱们在前文提到过极光是大气的发光现象，只需有大气就会有极光，而没有大气天然就不会发光。

其他行星的极光也反应着杂乱的空间环境。咱们知道，2020年我国成功地施行了针对火星的“天问一号”勘探，它标志着我国对行星、对深空的勘探迈上了一个新的高度。我国还布置了一系列未来的深空勘探，咱们下一个要勘探的行星便是木星。

木星的极光也十分有特色，它是太阳系最强的极光，比地球的要强数百倍。所以经过木星的极光来了解木星的空间环境，关于我国或许说全人类未来的木星环境勘探是十分有用的手法。

这儿的每一格都是木星极光的动画，它们都是哈勃空间望远镜拍照的。它现已执役了三十年，还在继续地给咱们供给新的观测。这些动画都是我在曩昔的五年中，每天推开办公室的门，沏上一杯咖啡，把前一天的数据下载下来做出来的。

咱们看着或许差不多，实际上每天的动画都是不相同的，无论是从形状仍是从扰动来说。这告知咱们，在悠远的木星上，在它的空间内产生的能量迸发进程是十分剧烈的，而且每一天都不相同。经过这些艳丽的极光图片，咱们能够更好地了解木星上正在产生的工作。

方才咱们提到地球上极光的来历是太阳风，而木星离太阳很远，比地球要远5倍。那么太阳吹到木星那儿的太阳风更弱了，极光的能量不是应该更弱才对？但为什么木星的极光这么强呢？

这儿的中心要素便是木星的卫星。咱们知道地球只需一颗天然卫星——月亮，可是它是不活泼的。而木星有79颗现已承认的卫星，而且它的卫星五光十色。

比方木卫一，它有剧烈火山活动，有400多座活火山继续喷射火山物质，导致它的外表出现痕迹斑斑的黄色，这便是火山喷射出来的硫磺。木卫二和木卫三冰外表下面还有海洋，许多科学家一向在企图寻觅上面是否有生命存在，也是现在的勘探热门。

整个木星体系有许多的卫星地质活动所喷射的物质充满在空间中。比起太阳风吹来的能量，这些能量物质反而是更多的。这便是尽管木星体系离太阳很远，可是它的能量十分丰富的原因地点。

▲ 我国行星勘探道路图，Nature Astronomy，

魏勇、尧中华、万卫星，2018

2018年，我和地质地球所的魏勇研讨员和万卫星院士在《天然天文学》（Nature Astronomy)上写了我国行星勘探道路图。在这个道路图内，除了描绘国家布置的月球勘探、火星勘探、小行星勘探以及将来的木星勘探外，咱们还特别提出要在地面上架起一台望远镜。这台望远镜聚集的科学方针只需一个，即木星和木卫一体系。

为什么咱们要聚集木星和木卫一体系？前面咱们现已介绍过，木星的空间环境极端杂乱，而木卫一的火山活动实际上在整个空间环境内起着主导作用。所以只需监测到木卫一的火山活动在空间中的演化，咱们才干了解木星的空间环境，才干了解木星为什么有太阳系最强的极光辐射。

▲ 左：冷湖行星地质观测中心

右：我国首台木星体系观测望远镜（2021年10月9日）

2021年10月9日，我国科学院地质与地球物理研讨所总算在冷湖安装了国内首台木星体系观测望远镜，经过对这个体系的监测，将来服务于木星勘探科学。

极光是太阳系行星乃至是太阳系外行星在其杂乱的空间环境中进行能量开释的艳丽窗口，了解和研讨极光不光能够协助咱们更好地使用日子中所需求的现代科技，还能直接服务于国家的未来深空勘探战略。

谢谢咱们！

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