地球首次观测到罕见的“极雨”极光

极地雨极光首次从地面上观测到，在挪威用相机捕捉到了令人毛骨悚然的绿色光芒。

日本和美国的研究人员表示，2022 年北极上空观测到的异常平稳且令人费解的圣诞节极光是直接来自太阳的电子“暴风雨”的结果。

这是第一次从地面看到这种罕见的极光，而且它出现的时候，太阳风的阵风几乎完全消失，地球周围留下了一片平静的区域。

通常情况下，极光会像五月在世界各地看到的一样，移动和跳动，在天空中呈现出清晰可辨的形状。这些极光显示器由来自太阳风的电子提供动力，太阳风是从太阳流出的带电粒子流，这些电子被困在称为磁尾的地球磁场延伸中。当太空天气变得极端时，例如当日冕物质抛射（CME）——来自太阳的等离子体和磁场的大量抛射——被释放时，磁尾可能会被夹断（不用担心，它会重新生长）。捕获在那里的电子沿着地球磁场线流向两极。当它们这样做时，它们会遇到地球大气中的分子，与它们碰撞并促使它们发出极光的颜色（蓝色代表氮排放，绿色或红色代表氧气，具体取决于其高度）。

然而，2022年12月25日至26日的平滑极光却截然不同。挪威朗伊尔城的全天电子倍增电荷耦合器件 (EMCCD) 相机拍摄到的极光是一种微弱、无特征的光芒，范围横跨 2,485 英里（4,000 公里）。它没有结构，没有脉冲或变化的亮度。以前在地球上从未见过类似的极光。

为了解开这个谜团，东京电子通信大学空间科学和无线电工程中心的 Keisuke Hosokawa 领导的团队将这种平淡的极光与极轨道上的特殊传感器紫外线扫描成像仪（SSUSI）进行了比较国防气象卫星计划（DMSP）的卫星看到了。 DMSP 由国家海洋和大气管理局和美国太空军代表美国国防部运营。

相关：龙形极光和“垂死恒星的尖叫”入围 2024 年年度天文摄影师决赛

卫星从上方看到了极光，发现它具有一种称为极雨极光的罕见极光的所有特征，这种极光以前只在太空中见过。

常规太阳风每秒传播约 250 英里（400 公里）。然而，太阳炽热的日冕布满了洞，特别是在太阳纬度较高的地区，一股异常“快速”的太阳风从那里喷涌而出，速度高达每秒 500 英里（800 公里）。有时，这些日冕洞可能会出现在低纬度地区，这就是 2022 年圣诞节期间发生的情况，当时正值常规太阳风停止。

在日冕洞的位置，太阳的磁力线是开放的——它们不会回到太阳表面，即光球层。当开放的磁场线延伸到太空时，冕洞形成磁漏斗的底部，高能电子从磁漏斗中流出。

在极雨极光的情况下，这些电子穿越太空，开放的磁力线与北极上方的地球磁场相连，使电子直接降落到两极，而不是被困在磁尾内。 

通常我们不会注意到这种情况的发生，因为规则的极地风粒子会散射从日冕洞发出的快风电子。然而这一次，太阳风的压力已经降低到可以忽略不计的程度，快风电子可以畅通无阻地到达地球。

此外，当投影到地球与太阳的距离时，这个磁漏斗开口的直径约为 4,600 英里（7,500 公里）。这就是为什么极光看起来如此平滑；从太阳发出的开放磁通量管覆盖的区域比地球的北极盖更广。由于电子能量很高，极光发射出的光是纯绿色的而不是红色的，因为电离大气层深处的氧气需要更多的能量。

确凿的证据是，DMSP卫星只看到了地球北磁极上空的极雨极光，在北半球冬季，北磁极向太阳倾斜。

Hosokawa 的团队在发表的研究论文中表示：“当太阳风消失时，DMSP 观测到能量 >1keV 的强烈电子通量，这使得极地雨极光即使从地面上也能看到明亮的绿色发射。”

此前，轨道卫星上的粒子探测器曾对极地雨本身进行过深入研究，但此类研究却少之又少。这些光滑的极光通常在地面上肉眼是看不见的。因此，直到现在，没有人知道 2022 年圣诞节让天空变绿的光滑、平淡的极光是什么。完整的解释可以在 6 月 21 日版的 Science Advances 杂志上找到。