研究極光，

不僅滿足人類對(duì)神奇現(xiàn)象的好奇，

還能幫助我們理解和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害，

更將直接服務(wù)于國(guó)家的未來(lái)深空探測(cè)戰(zhàn)略。

堯中華 · 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所特聘研究員

格致校園第23期 | 2021年12月24日 北京

大家好，我是堯中華，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所。非常高興能夠來(lái)到格致校園分享我的研究。

我的研究對(duì)象是一種神秘的自然現(xiàn)象，它非常絢麗、漂亮。與此同時(shí)，它又能揭示在地球和其他行星空間中發(fā)生的一些高能量爆發(fā)性的物理過(guò)程。它就是今天的主角——極光。

這是我的同事姚淑濤博士在第35次南極越冬科考時(shí)，在我國(guó)中山站所拍攝的一段極光視頻。可以看到，極光甚至能夠把夜空照得通亮。

▲ 左：2010年4月5日，國(guó)際空間站

（圖源: NASA/Soichi Noguchi）

極光不僅僅關(guān)乎絢麗的發(fā)光現(xiàn)象，對(duì)我們的現(xiàn)代生活也有非常重要的影響。左邊是日本航天員野口聰一在國(guó)際空間站上所拍攝的極光照片，這個(gè)綠色和紅色的極光整體點(diǎn)亮了夜空。為什么要將這張照片放在這里呢？這是因?yàn)橛覉D這個(gè)價(jià)值數(shù)億美元的銀河15（Galaxy 15）通信衛(wèi)星，就是由于這次極光事件而失去控制。

我們?cè)賮?lái)看一個(gè)事例。左圖展示的是一個(gè)燒壞的變壓器。它并不一般，而是位于美國(guó)新澤西塞勒姆核電站（右圖）之中。把它燒壞的元兇也是極光。

因此，理解極光、研究極光不僅滿足人類對(duì)自然世界神奇現(xiàn)象的好奇，還能夠幫助我們理解自然災(zāi)害，并更好地應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害。

極光是一條插著蠟燭的巨龍？

人類歷史上就一直關(guān)注著極光事件，有著持續(xù)的記錄。在美國(guó)航天局（NASA）整理的極光歷史觀測(cè)里，第一條就是來(lái)自中國(guó)的文字記錄，而且是與華夏文明相關(guān)的。它記錄了黃帝的母親附寶在郊外散步的時(shí)候，突然看到“大電繞北斗樞星，光照郊野”，即整個(gè)大地都通亮起來(lái)了。但這并沒(méi)有告訴我們極光是什么形狀的。

后來(lái)屈原在《天問(wèn)》一書(shū)中寫(xiě)道：“日安不到，燭龍何照”。意思是太陽(yáng)光照射不到的時(shí)候，燭龍是怎么亮起來(lái)的？他用兩個(gè)關(guān)鍵字對(duì)極光進(jìn)行了描述，分別是“燭”和“龍”，即將極光形容為蠟燭一樣的龍。龍是中華民族的文化圖騰，是一種非常龐大的動(dòng)物；而蠟燭又是一根一根很小的的結(jié)構(gòu)。那么將細(xì)小的蠟燭組合起來(lái)構(gòu)成了龍的形狀，就是極光的模樣。

無(wú)獨(dú)有偶，在英國(guó)愛(ài)丁堡皇家觀測(cè)站收錄的一幅古極光的繪畫(huà)中，也把極光繪成了蠟燭，并且排列出了一個(gè)宏偉的圖案。上圖中最下方的是人們居住的小房子，而在它之上的是云彩，在云彩之上一根一根排列的蠟燭就是當(dāng)時(shí)的人想象的極光。

可以看到，東西方不約而同地將極光比作在空間中排列開(kāi)來(lái)的宏偉蠟燭。那么極光到底是不是這樣的呢？我們來(lái)看一個(gè)更直觀的視頻。

這是在國(guó)際空間站拍攝的極光，主要以綠色為主，還帶有一些紅色，猶如一條巨龍盤(pán)旋在太空當(dāng)中。大家仔細(xì)看，這個(gè)巨龍其實(shí)是有很多垂直方向小結(jié)構(gòu)的。在古人看來(lái)，這一個(gè)個(gè)小亮點(diǎn)就像蠟燭在天空中點(diǎn)亮一樣。

極光是如何產(chǎn)生的？

照明需要能量，我們?cè)诩依镩_(kāi)燈就需要使用電能，在夜空中點(diǎn)亮極光自然也是需要能量的。這個(gè)能量的來(lái)源其實(shí)不難想象，地球上大部分能量的來(lái)源都是太陽(yáng)。比如植物生長(zhǎng)就需要太陽(yáng)的能量，而極光的能量來(lái)源也是太陽(yáng)。

太陽(yáng)本身是一個(gè)進(jìn)行著非常劇烈的核聚變的球體。除了通過(guò)太陽(yáng)光給地球提供溫暖的能量以外，核聚變還會(huì)不停地產(chǎn)生大量的高能帶電粒子。它們噴涌而出，以高速的太陽(yáng)風(fēng)的形式充斥整個(gè)太陽(yáng)系，也吹到地球以及其他行星上。這些太陽(yáng)風(fēng)所攜帶的能量和物質(zhì)就是產(chǎn)生極光的原始的能量物質(zhì)。

我們來(lái)通過(guò)這個(gè)視頻看一下整個(gè)過(guò)程是如何發(fā)生的。太陽(yáng)正在向外噴發(fā)高能帶電粒子，我們稱這些物質(zhì)為太陽(yáng)風(fēng)，它們會(huì)與地球相互作用。地球有磁場(chǎng)，就相當(dāng)于一個(gè)盾牌，能擋住太陽(yáng)吹來(lái)的太陽(yáng)風(fēng)。因此太陽(yáng)風(fēng)不會(huì)直接吹到地球上，而會(huì)圍繞著地球儲(chǔ)存起來(lái)。但磁場(chǎng)所能儲(chǔ)存的能量并不是無(wú)限的，同任何一個(gè)蓄能系統(tǒng)一樣，它儲(chǔ)存到足夠多能量的時(shí)候就會(huì)釋放出來(lái)。這些能量就會(huì)沿著磁力線跑到地球的大氣層。當(dāng)這些高能帶電粒子與大氣相互碰撞以后，會(huì)使得大氣中的原子分子獲得能量。這些原子分子獲得能量后就要釋放出來(lái)，就形成了極光。

▲ 圖片來(lái)源:Austin Montelius/ University of Iowa

我們看到的極光主要是綠色、紅色和紫色的，這實(shí)際上與大氣的成分有關(guān)。因?yàn)榇髿庵凶钪饕膬煞N成分是氧氣和氮?dú)?，所以這極光的顏色主要就來(lái)源這兩種大氣成分。比如綠光實(shí)際上就是氧原子發(fā)出來(lái)的光。

在中國(guó)能看見(jiàn)極光嗎？

由于帶電粒子是沿著磁力線沉降到極區(qū)的，所以我們看到的極光都發(fā)生在磁場(chǎng)的北極或者南極。恰巧現(xiàn)在的磁軸與地軸、即地球繞著轉(zhuǎn)的這根軸是高度一致的，大概就差了十來(lái)度，所以我們會(huì)感覺(jué)到極光發(fā)生的地理位置是在南極和北極。

▲ 最容易看到極光的極光橢圓帶

現(xiàn)在磁軸相比地軸實(shí)際上是往北美那邊偏的，這個(gè)偏差使得極光帶往北美偏了一點(diǎn)點(diǎn)，所以比起亞洲，北美更容易看到極光。

但是磁軸并不是永遠(yuǎn)都偏向那邊，在歷史上磁軸其實(shí)是漂移的。比如在一兩千年前，磁軸曾經(jīng)偏向了西伯利亞這邊，那時(shí)在中國(guó)境內(nèi)就比在北美更容易看到極光。

▲ 漠河 (53.5°N, 122.3°E)，地磁緯度：42.70°N

因?yàn)槲易鰳O光研究，大家經(jīng)常會(huì)問(wèn)我：堯老師，你別解釋那么多，就說(shuō)今天在中國(guó)到底能不能看到極光？

如果要在今天的中國(guó)看極光的話，最可能看到的地方應(yīng)該是在最靠近極區(qū)的地方，也就是位于漠河的北極村。它在中國(guó)這只“雄雞”的雞冠附近，地理緯度為53.5°。但因?yàn)榈卮泡S是往北美那邊偏的，因此北極村的地磁緯度是42.7°。要知道現(xiàn)在極光的平均位置大概是六十多度，所以這兩者的差距還是很大的。

▲ 《欒城縣志》

說(shuō)到這個(gè)問(wèn)題，在近代中國(guó)歷史上，我們是否曾觀測(cè)到極光呢？答案是肯定的。上圖展示的是《欒城縣志》的內(nèi)容，欒城是今天河北石家莊的欒城區(qū)，離北京不遠(yuǎn)。這是己未年即咸豐九年秋八月癸卯夜的記錄，換算過(guò)來(lái)就是1859年9月2日的晚上。那個(gè)晚上，“赤氣起于西北，亙于東北，平明始滅”。意思是大氣中的紅色發(fā)光氣體從西北開(kāi)始一直延伸到了東北，直到快接近早晨時(shí)才開(kāi)始滅下來(lái)。這里的紅色發(fā)光氣體“赤氣”描述的就是紅色的極光。

欒城離北京其實(shí)不遠(yuǎn)，我在北京居住了十幾年，為什么我就沒(méi)有看到過(guò)極光？這個(gè)極光為什么會(huì)發(fā)生在那天，它有什么特殊之處？

▲ 1859年卡靈頓事件 - 人類歷史最強(qiáng)的地球磁暴記錄

實(shí)際上，這個(gè)答案就藏在距離我們半個(gè)地球的英國(guó)業(yè)余天文學(xué)家理查德·卡靈頓的記錄中。他當(dāng)時(shí)記錄道：1859年9月1日下午，我像往常一樣拿著望遠(yuǎn)鏡去觀測(cè)太陽(yáng)，我觀察到了一個(gè)極其罕見(jiàn)的太陽(yáng)黑子。這次超強(qiáng)的太陽(yáng)活動(dòng)也因此被稱為卡靈頓事件。

卡靈頓記錄的時(shí)間比咸豐九年記錄的要早一天。也就是說(shuō)在這次太陽(yáng)活動(dòng)發(fā)生后的一天，它的信號(hào)傳遞到了地球。事實(shí)上，卡靈頓事件在地球上造成的影響非常廣泛。一百多年過(guò)去后，它依然是人類歷史上記錄到的最大的地磁活動(dòng)?；诖?，關(guān)于它的研究與資料當(dāng)然是非常系統(tǒng)、充分的。

▲ 左：Greenand Boardsen 2006

左圖的縱坐標(biāo)是地磁緯度，科學(xué)家在不同的地方記錄到了三類事件。圖中黑色的是極光相關(guān)的事件，在圖中占主要部分；橙色的是地磁擾動(dòng)事件；藍(lán)色的是與電報(bào)機(jī)相關(guān)的事件。這條虛的包絡(luò)線描述的就是能看到極光的緯度，它展示了從1859年8月28日到9月5日這段時(shí)間內(nèi)，大約兩次主要極光事件的擴(kuò)展范圍。

可以看到，這些觀測(cè)擴(kuò)展到了很低的緯度，尤其是在9月2日，也就是《欒城縣志》記錄的這一天，可觀測(cè)到極光的位置從十幾度的磁緯度開(kāi)始一直延伸到了高緯度。這說(shuō)明欒城看到的極光實(shí)際上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及它被記錄到的最低緯度，這次極光是一個(gè)全球性事件。

右上是美國(guó)航天局整理的一條記錄，它描述了在北緯11°記錄到一個(gè)深紅玫瑰色的極光。當(dāng)時(shí)沒(méi)有影像，只有文字。那如何得知這個(gè)極光到底是什么樣的？

我們可以通過(guò)后來(lái)發(fā)生的類似極光事件進(jìn)行匹配。右下圖中深紅色的天空是在日本北海道拍攝的，這就是1989年把核電站變壓器燒壞的那次極光事件。它就像一次小型的卡靈頓事件，影響也非常大。這次極光事件也延伸到了緯度非常低的地區(qū)。通常我們只有在北美阿拉斯加附近這樣的高緯度地區(qū)才能看到極光，但是1989年這天的極光幾乎延伸到了北美全境，甚至包括佛羅里達(dá)這些緯度很低的地方。

為什么我們要監(jiān)測(cè)極光

那么，極光為什么會(huì)燒壞變壓器這樣的電氣設(shè)備呢？我們知道極光是高能量的帶電粒子快速地與大氣碰撞產(chǎn)生的，高能量的帶電粒子快速運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生什么？電流。所以大的極光事件一定伴隨著大的電流擾動(dòng)以及大的電磁擾動(dòng)。

1989年同1859年相比，人類從只有電報(bào)機(jī)等少數(shù)電器的傳統(tǒng)時(shí)代進(jìn)入了現(xiàn)代科技時(shí)代，當(dāng)時(shí)已經(jīng)有了飛機(jī)、導(dǎo)航以及各種用電設(shè)備。所以1989年這次極光事件雖然不如卡林頓事件，但它對(duì)生活有著更大的影響。比如它導(dǎo)致了加拿大魁北克地區(qū)整體的大停電，影響達(dá)到數(shù)個(gè)月；再比如它影響了計(jì)算機(jī)芯片，進(jìn)而導(dǎo)致了多倫多股票交易市場(chǎng)的停頓；同時(shí)，它還影響了很多極區(qū)的衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)和控制。

▲ 如果這些設(shè)備全部損壞的話……

今天相比1989年，我們的用電設(shè)備尤其是電子設(shè)備的數(shù)量要多得驚人。有人估算過(guò)，假設(shè)1859年這個(gè)人類歷史上最大的地磁暴事件——卡靈頓事件發(fā)生在今天，它所直接導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失能夠達(dá)到數(shù)以萬(wàn)億美元計(jì)這個(gè)量級(jí)。所以我們要對(duì)極光進(jìn)行監(jiān)測(cè)、理解和研究。

我們的監(jiān)測(cè)主要有兩大類，一類是通過(guò)發(fā)射衛(wèi)星，帶著相機(jī)在太空中拍攝。

還有一類是在地面上布很多的相機(jī)來(lái)觀測(cè)。因?yàn)槊總€(gè)相機(jī)只能看到局部的一片很小的區(qū)域，所以需要大量的相機(jī)來(lái)做接力，從而做到持續(xù)地監(jiān)測(cè)極光過(guò)程，以更好地理解極光和利用空間環(huán)境。

現(xiàn)在磁軸在北美那邊，我們中國(guó)其實(shí)是不在極光帶上的，那么我們是不是就可以不用研究極光呢？事實(shí)上不是的。雖然中國(guó)境內(nèi)不在極光帶上，但我們是一個(gè)航天大國(guó)，我們有很多衛(wèi)星在空間中運(yùn)行，它們都會(huì)受到極光事件的影響。所以我們也需要研究極光，以更好地服務(wù)于深空探測(cè)。

▲ 中國(guó)極光觀測(cè)站

中國(guó)在北極和南極都有大量的極光監(jiān)測(cè)臺(tái)站可以做極光相關(guān)的研究。在北極極光帶上，我們有黃河站和在建設(shè)的冰島站；在南極有長(zhǎng)城站、昆侖站、泰山站和中山站。

太陽(yáng)系最強(qiáng)的極光在木星

地球上的極光我們已經(jīng)觀測(cè)了數(shù)千年，那極光是不是地球的土特產(chǎn)？實(shí)際上不是的。太陽(yáng)系八大行星中，除了水星沒(méi)有極光外，其他行星都有極光。為什么水星沒(méi)有極光？因?yàn)樗鼪](méi)有大氣。我們?cè)谇拔奶岬竭^(guò)極光是大氣的發(fā)光現(xiàn)象，只要有大氣就會(huì)有極光，而沒(méi)有大氣自然就不會(huì)發(fā)光。

其他行星的極光也反應(yīng)著復(fù)雜的空間環(huán)境。我們知道，2020年我國(guó)成功地實(shí)施了針對(duì)火星的“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)，它標(biāo)志著我國(guó)對(duì)行星、對(duì)深空的探測(cè)邁上了一個(gè)新的高度。我國(guó)還部署了一系列未來(lái)的深空探測(cè)，我們下一個(gè)要探測(cè)的行星就是木星。

木星的極光也非常有特點(diǎn)，它是太陽(yáng)系最強(qiáng)的極光，比地球的要強(qiáng)數(shù)百倍。所以通過(guò)木星的極光來(lái)理解木星的空間環(huán)境，對(duì)于我國(guó)或者說(shuō)全人類未來(lái)的木星環(huán)境探測(cè)是非常有效的手段。

這里的每一格都是木星極光的動(dòng)畫(huà)，它們都是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的。它已經(jīng)服役了三十年，還在持續(xù)地給我們提供新的觀測(cè)。這些動(dòng)畫(huà)都是我在過(guò)去的五年中，每天推開(kāi)辦公室的門(mén)，沏上一杯咖啡，把前一天的數(shù)據(jù)下載下來(lái)做出來(lái)的。

大家看著可能差不多，實(shí)際上每天的動(dòng)畫(huà)都是不一樣的，無(wú)論是從形狀還是從擾動(dòng)來(lái)說(shuō)。這告訴我們，在遙遠(yuǎn)的木星上，在它的空間內(nèi)發(fā)生的能量爆發(fā)過(guò)程是非常劇烈的，而且每一天都不一樣。通過(guò)這些絢麗的極光圖片，我們能夠更好地了解木星上正在發(fā)生的事情。

剛才我們說(shuō)到地球上極光的來(lái)源是太陽(yáng)風(fēng)，而木星離太陽(yáng)很遠(yuǎn)，比地球要遠(yuǎn)5倍。那么太陽(yáng)吹到木星那兒的太陽(yáng)風(fēng)更弱了，極光的能量不是應(yīng)該更弱才對(duì)？但為什么木星的極光這么強(qiáng)呢？

這里的核心因素就是木星的衛(wèi)星。我們知道地球只有一顆天然衛(wèi)星——月亮，但是它是不活躍的。而木星有79顆已經(jīng)確認(rèn)的衛(wèi)星，并且它的衛(wèi)星豐富多彩。

比如木衛(wèi)一，它有劇烈火山活動(dòng)，有400多座活火山持續(xù)噴發(fā)火山物質(zhì)，導(dǎo)致它的表面呈現(xiàn)痕跡斑斑的黃色，這就是火山噴發(fā)出來(lái)的硫磺。木衛(wèi)二和木衛(wèi)三冰表面下面還有海洋，很多科學(xué)家一直在試圖尋找上面是否有生命存在，也是目前的探測(cè)熱點(diǎn)。

整個(gè)木星系統(tǒng)有大量的衛(wèi)星地質(zhì)活動(dòng)所噴發(fā)的物質(zhì)充斥在空間中。比起太陽(yáng)風(fēng)吹來(lái)的能量，這些能量物質(zhì)反而是更多的。這就是雖然木星系統(tǒng)離太陽(yáng)很遠(yuǎn)，但是它的能量非常豐富的原因所在。

2018年，我和地質(zhì)地球所的魏勇研究員和萬(wàn)衛(wèi)星院士在《自然天文學(xué)》（Nature Astronomy)上寫(xiě)了中國(guó)行星探測(cè)路線圖。在這個(gè)路線圖內(nèi)，除了描繪國(guó)家部署的月球探測(cè)、火星探測(cè)、小行星探測(cè)以及將來(lái)的木星探測(cè)外，我們還特別提出要在地面上架設(shè)一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡聚焦的科學(xué)目標(biāo)只有一個(gè)，即木星和木衛(wèi)一系統(tǒng)。

為什么我們要聚焦木星和木衛(wèi)一系統(tǒng)？前面我們已經(jīng)介紹過(guò)，木星的空間環(huán)境極其復(fù)雜，而木衛(wèi)一的火山活動(dòng)實(shí)際上在整個(gè)空間環(huán)境內(nèi)起著主導(dǎo)作用。所以只有監(jiān)測(cè)到木衛(wèi)一的火山活動(dòng)在空間中的演化，我們才能理解木星的空間環(huán)境，才能理解木星為什么有太陽(yáng)系最強(qiáng)的極光輻射。

2021年10月9日，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所終于在冷湖安裝了國(guó)內(nèi)首臺(tái)木星系統(tǒng)觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，將來(lái)服務(wù)于木星探測(cè)科學(xué)。

極光是太陽(yáng)系行星甚至是太陽(yáng)系外行星在其復(fù)雜的空間環(huán)境中進(jìn)行能量釋放的絢麗窗口，理解和研究極光不但可以幫助我們更好地應(yīng)用生活中所需要的現(xiàn)代科技，還能直接服務(wù)于國(guó)家的未來(lái)深空探測(cè)戰(zhàn)略。

謝謝大家！