捕捉极光的碰撞
原文标题：Colliding Auroras Produce Explosions of Light
作者：Dr. Tony Phillips 原文来自：http://science.nasa.gov/ Posted: 2009. 12. 17
编译：Melipal 审校：Linq （编译版权所有，文章有删节，未经许可请勿转载。）
2009年12月17日：科学家们根据沿北极区域部署的照相机网络作出了一个有关北极光的惊人发现。这些照相机是为了支援NASA的THEMIS任务而设置的。有时，巨大的北极光帘幔会相互碰撞，产生壮观的光线爆发。7日于旧金山召开的美国地球物理联合会秋季会议上公布 了该现象的动画。
作出该发现的小组领导者、UCLA的空间科学家拉里·里昂（Larry Lyons）说：“当我们第一次看到这些动画的时候，我们的下巴都掉了。这些爆发告诉了我们一些有关极光本质的非常根本的东西。”
THEMIS的全天成像仪（ASI）在2008年2月29日拍摄的北极光碰撞。带标注的短动画请点击 完整动画请点击（图片提供：Toshi Nishimura/UCLA）
碰撞发生在很大的尺度上，之前地球上拥有有限视野的独立观测者从来没有注意过该现象。为了获得大的图景，要借助部署在几千英里范围内的敏感照相机网络。
NASA与加拿大空间机构为了THEMIS（“亚暴期间事件的时间历史序列与宏观相互作用”即“Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms”的缩写）建设了这样的网络。THEMIS由发射于2006年的5颗卫星组成，目的是解决一个长久的谜题：为什么极光会偶然以名为亚暴的光线爆发形式喷发？20架全天成像仪（ASI）被部署在了阿拉斯加和加拿大的北极地区，以图从下往上拍摄极光，而卫星在上方为带电粒子与磁场采样。照相机与卫星一起工作，就可以从两侧观测极光，因此就可以将因果拼到一起——或者说研究者希望如此。
看起来这一方法奏效了。
今年早些时候，当UCLA的研究者西村幸敏（Toshi Nishimura）完成了一项庞大的工作，将单架ASI照相机拍下的跨大陆动画拼接起来。这时突破出现了。
来自加州大学伯克利分校、卡尔加里（Calgary）大学以及阿拉斯加大学的研究人员为了支援THEMIS计划而部署了20架全天成像仪（ASI）。这张地图标出了相机的位置以及视野。（图片提供：THEMIS/UC Berkeley）
西村幸敏说：“这有些棘手。每架照相机有着各自的局部气候与照明条件，而极光距离每架照相机的距离也不相同。我考虑了这些因素，将6架或者更多的照相机同时记录下的图象拼成了连贯的大尺度动画。”
他向里昂展示的第一段动画表现了2007年12月一对极光彼此的碰撞。
里昂回忆道：“它和我之前所见的任何东西都不相同。在接下来的几天里，我们巡视了更多的事件。我们确信碰撞会反复发生，我们的兴奋也随之增长。”
他们确信，光线的爆发是太空与地球中发生的一些戏剧性事件的标志——确切地说，是发生在地球的“等离子尾”中的。等离子体尾长度为几百万公里，指向太阳。它由带电粒子组成，这些粒子主要是从太阳风中俘获而来的。等离子体尾有些时候也被称为“等离子片”，由地球磁场束缚着。
束缚着等离子体尾的磁场同样也联结着地球的极区。由于这种联系的存在，监测北极光的舞动就可以揭示出许多发生在等离子体尾中的事情。
地球磁层的示意图。地球是靠近图片中部的圆圈，等离子体尾以黄色区域表示。大图请点击（图片提供：Larry Lyons/UCLA）
里昂与西村幸敏调研了许多次碰撞，辨认出了这类事件的共有顺序。它开始于两个条件：一是缓慢运动的宽阔极光幔，二是快速运动的小型极光结，起先二者相距甚远。慢速极光幔在北极上空静静地发出光芒，而高速极光结从北方冲入其中。两片极光相互碰撞，随即产生光线爆发。
How does this sequence connect to events in the plasma tail?这一发生顺序是如何与等离子体尾中的事件联系起来的呢？
来自戈达德太空飞行中心的THEMIS任务科学家戴夫·西贝克（Dave Sibeck）说：“答案的得出需要一些创造性的思考，但是我认为，该小组做到了这一点。”
里昂确信，与快速运动的极光结相连的是喷过等离子体尾的相对轻量等离子体流。等离子体流的起点是在等离子体尾的外层区域，快速朝地球向内运动。高速极光结是与这样的等离子体流同步运动的。
同时，宽阔的极光幔静静地悬垂在北极上空，轻轻地发出辉光，多多少少是在关注自身的问题。极光幔与等离子体尾固定的内边界相连，由此处的等离子体不稳定性提供能量。
即将碰撞的极光。点击图片可见事件发生顺序的标注图。（图片提供：Toshi Nishimura/UCLA）
当轻量的等离子体流到达等离子体尾的内边界时——砰！等离子体波与不稳定性爆发了。这样的等离子体碰撞反映在极地上空的极光碰撞中。
美国国家科学基金会设在阿拉斯加与格陵兰的雷达证实了这一基本图景。就在极光碰撞并爆发之前，它们探测到了冲过地球高层大气的物质流回波。
5颗THEMIS卫星的观测同样与之吻合。它们可以飞到等离子体尾的上空，证实冲向地球的轻量物质的存在。（作为参考，2008年Science@NASA的文章《点亮北极光的等离子体子弹。》中报道了“等离子体子弹”的存在。）
西贝克说：“将地面照相机、地面雷达与THEMIS卫星本身的数据放在一起，现在我们对于导致爆发性极光亚暴的原因有了接近全面的了解。”
真是美妙的图景。点击这里可见动画。
（全文完）